KR20070099714A - 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판분리형 방사선관 시스템 - Google Patents

마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판분리형 방사선관 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템은, 음극으로부터 방출된 전자가 양극에 충돌하여 방사선을 방출하도록 하는 진공의 공간을 제공하는 하우징; 외부로부터 인가된 전압에 의해 전계를 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하여 자신에게 도달하도록 하는 양극; 양극에 대응하는 음극으로서 그 표면에는 전압인가에 의해 전자를 방출하는 탄소나노튜브가 성장되어 있는 탄소나노튜브 기판; 탄소나노튜브 기판을 지지 및 고정하며, 탄소나노튜브 기판에 전압을 인가하기 위한 음극판; 상기 탄소나노튜브 기판만을 교체할 수 있도록 탄소나노튜브 기판과 결합되어 하나의 일체화된 세트를 이루며, 상기 하우징에 착탈 가능하게 설치되는 샘플 프루브; 탄소나노튜브 기판의 전방에 설치되며, 탄소나노튜브 기판으로부터 전자를 원활하게 추출하기 위한 그리드 전극; 그리드 전극을 통과한 전자를 집속하여 상기 양극에 마이크로 수준의 초점이 형성될 수 있도록 하는 전자 집속 렌즈; 상기 음극, 그리드 전극 및 전자집속 렌즈에 전압을 인가하기 위한 피드 스루; 상기 탄소나노튜브 기판의 교체 시, 상기 하우징 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 진공 펌프; 및 샘플 프루브를 상기 하우징에 삽입 및 하우징으로부터 분리시 하우징의 내부와 외부를 차단시켜주기 위한 진공 밸브를 포함하여 구성된다.

Description

마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템{X-ray tube system with disassembled carbon nanotube substrate for generating micro focusing level electron-beam}
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 있어서의 방사선관의 개략적인 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 있어서, 탄소나노튜브 기판 및 샘플 프루브의 다양한 실시예를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 있어서, 전자집속 렌즈의 실시예들을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 있어서, 샘플 프루브 및 피드 스루의 설치관계를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 있어서, 진공도 증대를 위해 하우징의 외주면에 설치된 열선을 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101...하우징 102...양극
103...탄소나노튜브 기판(음극) 104...음극판
105...샘플 프루브 106...그리드 전극
107...전자 집속 렌즈 108...피드 스루
109...진공 펌프 110...진공 밸브
115...전자 121...베릴륨 창
122...절연층 123...오링(O-ring)
124...전선 130...열선
본 발명은 탄소나노튜브 기반의 방사선관 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전자가 방출되는 양자역학적 전계방출(field emission) 원리를 이용하고, 전자방출원으로서 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 음극으로 사용하며, 탄소나노 튜브 음극에 문제가 발생할 경우 고진공을 유지하면서 사용자가 용이하게 탄소나노튜브 음극을 교체할 수 있도록 된 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 관한 것이다.
방사선관(X-ray tube) 시스템에 있어서의 종래에 사용되고 있는 텅스텐 필라멘트 음극은 필라멘트 자체의 가열을 통해 발생하는 열전자에 의해 엑스선 광원을 방출한다. 그러나, 이와 같이 텅스텐 필라멘트 음극을 사용하는 방사선관 시스템은 그 규모가 거대하여 상대적으로 많은 제작 비용이 소요되고, 장소가 한정되어 있어서 이용자들이 사용하는데 한계가 있다. 또한, 필라멘트의 가열에 의해 발생하는 열전자들은 방출되는 방향이 일정하지 않아 방사선의 질을 떨어뜨리고, 낮은 열전자 밀도에 의해 타깃(target)에서 발생하는 방사선의 발생효율이 낮으며, 필라멘트 및 집속부에서 발생하는 가스(gas)로 인해 진공도가 현저히 떨어져 내부 방전이 발생하여 사용하지 못하게 되는 경우가 발생하고, 또한 열에 의한 타깃의 수명 단축이 하나의 문제점으로 지적되어 왔다. 더욱이 텅스텐 필라멘트의 사용이 길어질 경우 필라멘트의 표면에서 텅스텐이 증발되어 그 외경이 줄어들면서 열전자 방출 특성이 변하게 되고, 이때 증발된 텅스텐은 유리벌브 내벽에 증착되어 고압 절연을 저하시키며, 투과 방사선량이 줄어드는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 필라멘트 음극을 이용한 분리형 방사선관이 제시되고 있으나, 광원이 필라멘트이기 때문에 위에서 언급한 많은 문제점들에 대한 근본적인 해결책은 되지 못하고 있는 실정이다.
한편, 최근 연구되고 있는 레이저 기반의 방사선 방출 광원기술 및 거대한 방사광을 이용한 광원기술은 막대한 설치비용과 공간적 부피 및 이동성 등의 제약에 의해 기계 및 반도체 산업으로의 적용이 어렵고, 많은 상업적 제약이 따르기 때문에 순수과학 분야와 같은 특정한 연구 분야에 국한하여 이용되고 있는 실정이다. 또한, 탄소나노튜브 기반의 엑스선 발생장치의 연구가 국내 및 국외의 일부 연구기관에서 진행되고는 있으나, 엑스선 튜브의 구조가 종래의 텅스텐 필라멘트를 이용한 튜브와 같은 형태의 봉입형의 구조를 갖거나 혹은 분해조립이 가능한 구조를 갖는다 해도 분해조립의 방법이 대단히 복잡하고, 특히 분해조립 시 고진공이 파괴되는 문제가 있다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 전자가 방출되는 양자역학적 전계방출 원리를 이용하고, 전자 방출원으로서 탄소나노튜브를 음극으로 사용하며, 탄소나노튜브 음극에 문제가 발생할 경우 고진공을 유지하면서 사용자가 용이하게 탄소나노튜브 음극을 교체할 수 있도록 된 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템은,
음극으로부터 방출된 전자가 양극에 충돌하여 방사선을 방출하는 방사선관에 있어서,
상기 음극으로부터 방출된 전자가 양극에 충돌하여 방사선을 방출하도록 하는 진공의 공간을 제공하는 하우징;
상기 하우징의 내부 일측에 설치되며, 외부로부터 인가된 전압에 의해 전계를 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하여 자신에게 도달하도록 하는 양극;
상기 양극에 대응하는 음극으로서 양극으로부터 일정 거리 이격된 위치의 상기 하우징 내부에 설치되며, 그 표면에는 전압인가에 의해 전자를 방출하는 탄소나노튜브가 성장되어 있는 탄소나노튜브 기판;
상기 탄소나노튜브 기판을 지지 및 고정하며, 탄소나노튜브 기판에 전압을 인가하기 위한 음극판;
상기 탄소나노튜브 기판에 이상이 있을 때, 탄소나노튜브 기판만을 교체할 수 있도록 탄소나노튜브 기판과 결합되어 하나의 일체화된 세트를 이루며, 상기 하우징에 착탈 가능하게 설치되는 샘플 프루브(sample probe);
상기 탄소나노튜브 기판의 전방에 설치되며, 탄소나노튜브 기판으로부터 전자를 원활하게 추출하기 위한 그리드(grid) 전극;
상기 그리드 전극의 전방에 설치되며, 그리드 전극을 통과한 전자를 집속하여 상기 양극에 마이크로 수준의 초점이 형성될 수 있도록 하는 전자 집속 렌즈;
상기 샘플 프루브의 주변에 복수 개가 설치되며, 상기 음극, 그리드 전극 및 전자집속 렌즈에 전압을 인가하기 위한 피드 스루(feed through);
상기 하우징의 일측에 착탈 가능하도록 설치되며, 상기 탄소나노튜브 기판의 교체 시, 상기 하우징 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 진공 펌프; 및
상기 샘플 프루브를 상기 하우징에 삽입 및 하우징으로부터 분리시 하우징의 내부와 외부를 차단시켜주기 위한 진공 밸브를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템을 나타낸 것으로서, 도 1은 방사선관의 개략적인 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 방사선관 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템은, 하우징(101), 양극(102), 탄소나노튜브 기판(103), 음극판(104), 샘플 프루브(105), 그리드 전극(106), 전자 집속 렌즈(107), 피드 스루(108), 진공 펌프(109), 진공 밸브(110)를 포함하여 구성된다.
상기 하우징(101)은 음극으로부터 방출된 전자가 양극에 충돌하여 방사선을 방출하도록 하는 진공의 공간을 제공한다. 이와 같은 하우징(101)의 재질로는 진공의 유지가 가능하고, 필요시 하우징 내부의 가스(전자가 양극의 타겟(102t)에 충돌하여 방사선이 발생할 시 방사선의 발생과 함께 발생한 가스)를 없애기 위해 전기적으로 가열할 수 있는 재질, 예를 들면 파이렉스(Pyrex), 유리, 세라믹, 스테인레스 스틸 등이 사용될 수 있다.
상기 양극(102)은 상기 하우징(101)의 내부 일측에 설치되며, 외부로부터 인가된 전압에 의해 전계를 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하여 자신에게 도달하도록 한다. 이러한 양극(102)의 재질로는 방사선 방출이 용이한 전도성 물질, 예컨대 텅스텐 등이 사용될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 기판(103)은 상기 양극(102)에 대응하는 음극으로서 양극(102)으로부터 일정 거리 이격된 위치의 상기 하우징(101) 내부에 설치되며, 그 표면에는 전압인가에 의해 전자를 방출하는 탄소나노튜브가 성장되어 있다.
상기 음극판(104)은 상기 탄소나노튜브 기판(103)을 지지 및 고정하며, 탄소나노튜브 기판(103)에 전압을 인가하기 위한 것이다. 이러한 음극판(104)의 재질로는 전압의 인가가 용이한 전도성 물질, 예를 들면 스테인레스 스틸 등이 사용될 수 있다.
상기 샘플 프루브(105)는 상기 탄소나노튜브 기판(103)에 이상이 있을 때, 탄소나노튜브 기판(103)만을 교체할 수 있도록 탄소나노튜브 기판(103)과 결합되어 하나의 일체화된 세트를 이루며, 상기 하우징(101)에 착탈 가능하게 설치된다. 이와 같은 샘플 프루브(105)는 도 3의 (A)∼(C)에 도시된 바와 같이, 적용되는 탄소나노튜브 기판(103)의 형태에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다.
상기 그리드 전극(106)은 상기 탄소나노튜브 기판(103)의 전방에 설치되며, 탄소나노튜브 기판(103)으로부터 전자를 원활하게 추출하기 위한 것이다. 이러한 그리드 전극(106)은 전자의 추출이 용이하도록 망의 선 굵기는 가늘고, 각 개개의 홀의 크기는 큰 것이 사용되며, 재질로는 전압 인가가 용이한 전도성 물질, 예를 들면 텅스텐이나 스테인레스 스틸 등이 사용될 수 있다.
상기 전자집속 렌즈(107)는 상기 그리드 전극(106)의 전방에 설치되며, 그리드 전극(106)을 통과한 전자를 집속하여 상기 양극(102)에 마이크로 수준의 초점이 형성될 수 있도록 한다. 이와 같은 전자 집속 렌즈(107)는 도 4의 (A)에서와 같이 깔때기형관(절두원추체)이나 (B)의 원형관 형태로 제작될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 전자의 고밀도 집속을 위해 상기 (A)에서와 같은 깔때기형관(절두원추체) 형태로 제작된다.
그리고, 이러한 전자 집속 렌즈(107)의 재질로는 전압의 인가가 용이한 전도성 물질, 예를 들면 스테인레스 스틸이 사용될 수 있다. 또한, 전자 집속 렌즈(107)의 길이와 내경은 최적의 전자빔 고밀도 집속을 위해 다양하게 변경될 수 있다.
상기 피드 스루(108)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 샘플 프루브(105)의 주변에 복수 개가 설치되며, 상기 음극(탄소나노튜브 기판)(103), 그리드 전극(106) 및 전자집속 렌즈(107)에 전압을 인가하기 위한 것이다.
상기 진공 펌프(109)는 상기 하우징(101)의 일측에 착탈 가능하도록 설치되며, 상기 탄소나노튜브 기판(103)의 교체 시, 상기 하우징(101) 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 것이다. 여기서, 이러한 진공 펌프(109)는 이와 같이 탄소나노튜브 기판(103)의 교체 시, 상기 하우징(101) 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 것이기도 하지만, 그와 같은 탄소나노튜브 기판(103)의 교체와는 상관없이 방사선관(하우징)의 진공도가 설정된 기준치 이하로 떨어졌을 때, 그 진공도를 다시 높여주 기 위해 사용될 수 있음은 당연하다.
상기 진공 밸브(110)는 상기 샘플 프루브(105)를 상기 하우징(101)에 삽입 및 하우징(101)으로부터 분리시 하우징(101)의 내부와 외부를 차단시켜주기 위한 것이다.
도 1 및 도 2에서 참조번호 115는 탄소나노튜브 기판(103)으로부터 방출된 전자, 121은 방사선의 방출 시 노이즈 방사선을 줄이고 요구되는 방사선을 투과시키기 위한 베릴륨 창, 122는 전자집속 렌즈(107)와 그리드 전극(106) 사이, 그리고 그리드 전극(106)과 음극(탄소나노튜브 기판)(103) 사이의 절연을 위한 절연층, 123은 샘플 프루브(105)의 하우징(101)에의 결합 시 진공유지를 가능하게 하며, 샘플 프루브(105)의 하우징(101)에의 결합 및 분리를 용이하게 하기 위한 오링(O-ring), 124는 전자집속 렌즈(107)와 그리드 전극(106) 및 음극(탄소나노튜브 기판)(103)과 피드 스루(108)와의 전기적인 연결을 위한 전선을 각각 나타낸다.
한편, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템에 있어서, 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(101)의 외주면에는 필요 시 하우징(101)을 전기적으로 가열하여 하우징(101)의 내벽 및 하우징(101)을 이루고 있는 재질로부터 탈기체(outgas)화 함으로써 하우징(101)(방사선관)의 진공도를 증대시켜주기 위한 열선(130)이 더 설치된다. 그리고, 그 열선(130)이 설치된 하우징(101)의 둘레에는 열선(130)의 외부 노출을 방지하고, 열선(130)으로부터 발생된 열의 외부로의 손실을 차단하기 위한 단열재가 더 설치된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템은 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다.
첫째, 기본적인 삼극 구조의 음극과 그리드 전극 및 양극으로 이루어지며, 제작이 용이하고, 개량된 전자빔 집속 렌즈에 의해 양극에 마이크로 단위의 전자빔 집속이 가능하다.
둘째, 전자집속 렌즈의 형상을 깔때기 형태(tapered-type)로 만들어 줌으로써 전자가 집속되는 면적을 상당량 좁혀줄 수 있다.
셋째, 탄소나노튜브가 성장되어 있는 기판이 프루브 형태의 샘플 홀더에 장착되어 있어 방사선관에서 진공을 유지하면서 탄소나노튜브 기판을 용이하게 분리해 낼 수 있다.
따라서, 이상과 같은 장점 및 효과를 갖는 본 발명의 방사선관 시스템은 기존의 방사선관 시스템과의 시장경쟁에서 우위를 점할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

  1. 음극으로부터 방출된 전자가 양극에 충돌하여 방사선을 방출하는 방사선관에 있어서,
    상기 음극으로부터 방출된 전자가 양극에 충돌하여 방사선을 방출하도록 하는 진공의 공간을 제공하는 하우징;
    상기 하우징의 내부 일측에 설치되며, 외부로부터 인가된 전압에 의해 전계를 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하여 자신에게 도달하도록 하는 양극;
    상기 양극에 대응하는 음극으로서 양극으로부터 일정 거리 이격된 위치의 상기 하우징 내부에 설치되며, 그 표면에는 전압인가에 의해 전자를 방출하는 탄소나노튜브가 성장되어 있는 탄소나노튜브 기판;
    상기 탄소나노튜브 기판을 지지 및 고정하며, 탄소나노튜브 기판에 전압을 인가하기 위한 음극판;
    상기 탄소나노튜브 기판에 이상이 있을 때, 탄소나노튜브 기판만을 교체할 수 있도록 탄소나노튜브 기판과 결합되어 하나의 일체화된 세트를 이루며, 상기 하우징에 착탈 가능하게 설치되는 샘플 프루브(sample probe);
    상기 탄소나노튜브 기판의 전방에 설치되며, 탄소나노튜브 기판으로부터 전자를 원활하게 추출하기 위한 그리드(grid) 전극;
    상기 그리드 전극의 전방에 설치되며, 그리드 전극을 통과한 전자를 집속하 여 상기 양극에 마이크로 수준의 초점이 형성될 수 있도록 하는 전자집속 렌즈;
    상기 샘플 프루브의 주변에 복수 개가 설치되며, 상기 음극, 그리드 전극 및 전자집속 렌즈에 전압을 인가하기 위한 피드 스루(feed through);
    상기 하우징의 일측에 착탈 가능하도록 설치되며, 상기 탄소나노튜브 기판의 교체 시, 상기 하우징 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 진공 펌프; 및
    상기 샘플 프루브를 상기 하우징에 삽입 및 하우징으로부터 분리시 하우징의 내부와 외부를 차단시켜주기 위한 진공 밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자집속 렌즈는 깔때기형관(절두원추체)의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 외주면에는 필요 시 하우징을 전기적으로 가열하여 하우징의 내벽 및 하우징을 이루고 있는 재질로부터 탈기체(outgas)화 함으로써 하우징(방사선관)의 진공도를 증대시켜주기 위한 열선이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열선이 설치된 하우징의 둘레에는 열선의 외부 노출을 방지하고, 열선으로부터 발생된 열의 외부로의 손실을 차단하기 위한 단열재가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 집속 수준의 전자빔 발생용 탄소나노튜브 기판 분리형 방사선관 시스템.
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