KR20120006501A - 엑스선 발생장치와 그것을 사용하는 복합장치 및 엑스선 발생방법 - Google Patents

엑스선 발생장치와 그것을 사용하는 복합장치 및 엑스선 발생방법 Download PDF

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KR20120006501A
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미키오 다카이
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Abstract

본 발명의 X선 발생장치(1)는, 에너지를 받아서 전자를 방출하는 전자방출소자(10), 이 전자방출소자(10)로부터 방출된 전자를 받아서 X선을 방출하는 금속편(20) 및 전자방출소자(10)로 에너지를 공급하는 에너지 공급부(3, 5)를 구비하고, 에너지 공급부(3,5)로부터는 예를 들면 자외선 펄스광이 전자방출소자인 초전체로 조사되어, 여기에 국소적인 고에너지 부분이 형성된다. 이에 따라 소형화가 가능하고 또한 X선 발생의 온·오프 제어가 용이한 X선 발생장치를 제공할 수 있다.

Description

엑스선 발생장치와 그것을 사용하는 복합장치 및 엑스선 발생방법{X-RAY GENERATOR AND COMPOSITE DEVICE USING THE SAME AND X-RAY GENERATING METHOD}
본 발명은 X선 발생장치(X線 發生裝置)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 개량된 소형의 X선 발생장치에 관한 것이다.
공간 절약, 에너지 절약, 가반성(可搬性 : transferability) 및 X선에 의한 피폭량(被爆量)을 최소화 하는 것 등의 요청으로부터 X선 발생장치를 소형화 하는 개발이 진행되고 있다.
예를 들면 전계방사형 카본 나노튜브 캐소드(field emission carbon nanotube cathode)를 사용한 소형 X선관과 이 X선관으로 고전압 초단 펄스(high-voltage ultra-short pulse)를 인가하기 위한 고주파 동축케이블을 구비하여 이루어지는 X선 발생장치가 제안되어 있다(특허문헌1 참조).
또한 초전체(焦電體)로부터 방출되는 전자를 구리편으로 조사(照射)하고, 구리편으로부터 X선을 방출하는 타입의 X선 발생장치도 제안되어 있다(비특허문헌1).
본건 발명에 관련되는 기술로서 비특허문헌2도 참조되고 있다.
일본국 특허 제3090910호 공보
Published online 31 January 2005 in Wiley InterScience. DOI : 10.1002/xrs. 800 초전 결정과 레이저광을 사용한 X선원(X線源)의 개발, 제44회 X선 분석토론회, 2008년 10월 18일, P21
상기의 X선 발생장치는 모두 소형에 대한 요청을 달성하는 것이지만, 본 발명자들의 검토에 의하면 하기의 과제가 존재한다.
소형 X선 발생장치의 하나의 용도로서, 이것을 체내(體內)에 삽입하여 암세포(癌細胞)로 직선 X선을 조사하여 이루어지는 암치료가 있다. 상기 견지로부터 전계방사형 카본 나노튜브 캐소드를 사용하는 타입을 검토하면, 이 타입에서는 캐소드로 고전압의 인가가 필요하기 때문에, 가령 절연성(絶緣性)의 동축케이블(同軸 cable)을 사용하더라도 치료현장에서의 사용에 저항감이 있다.
또한 초전체를 사용하는 타입에서는 펠티에 소자(Peltier 素子) 위에 초전체가 재치(載置)되고, 이 펠티에 소자에 의하여 초전체를 가열하여 상기 초전체로부터 전자를 방출시킬 수 있다. 따라서 펠티에 소자로 인가하는 전압에 고전압을 필요로 하지 않는다. 그러나 승온(昇溫) 상태의 초전체로부터는 전자의 방출이 계속되기 때문에, X선 발생의 온·오프 제어가 곤란하게 된다. 전자 비방출의 상태까지 초전체 전체를 냉각하는데에도 시간을 필요로 하기 때문이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하도록 이루어진 것으로서, 본 발명의 제1국면은 다음과 같이 구성된다. 즉,
에너지를 받아서 전자를 방출하는 전자방출소자(電子放出素子)와,
상기 전자방출소자로부터 방출된 전자를 받아서 X선을 방출하는 금속편(金屬片)과,
상기 전자방출소자로 에너지를 공급하는 에너지 공급부(energy 供給部)를
구비하는 X선 발생장치(X線 發生裝置)로서,
상기 에너지 공급부는 상기 전자방출소자에 국소적인 고에너지 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
이와 같이 구성된 제1국면의 X선 발생장치에 의하면, 전자방출소자에 형성되는 고에너지 부분은 국소적이고, 이 국소적인 부분이 활성화 되어 전자선 방출의 원인이 된다. 그리고 국소적인 고에너지 부분은 단시간에 그 에너지 상태를 정상 상태로 되돌릴 수 있다. 따라서 X선 발생의 온·오프 제어가 용이하게 된다.
전자방출소자로서 초전 특성을 갖는 물질 예를 들면 초전체를 들 수 있다.
초전체는 이극상 결정(異極像 結晶)이라고도 불리고, 그 온도를 승강(昇降)시키면, 결정 내부의 자발분극(自發分極)이 증감되어, 표면흡착전하(表面吸着電荷)가 그 변화를 따라갈 수 없게 됨으로써 전기적인 중화(中和)가 파괴되고, 이에 따라 표면으로부터 전하(전자)가 방출된다는 특성을 구비하고 있다. 대표적인 이극상 결정체로서는, LiNbO3 단결정(單結晶)이 있고, 이 결정체 내에서는 정전하(正電荷)(Li+, Nb5 +)의 무게중심과 부전하(負電荷)(O2 -)의 무게중심이 일치하지 않기 때문에, 정상 상태에서도 분극되어 있어, 이 전하량과 동등한 양으로 이부호(異符號)의 전하가 결정표면에 흡착되어 있으므로, 보통의 경우에는 전기적으로 중화되어 있다.
초전체로서는 상기 LiNbO3 이외에 LiTaO3 등의 1종을 단독 또는 복수 종류를 병용하여 사용할 수 있다.
본 발명자들은 상기 초전체에 대하여 검토를 거듭한 결과, 전자방출소자인 초전체로 자외선을 조사하면 상기 초전체로부터 전자선이 방출되는 것을 찾아내었다(제2국면).
본 발명자들의 검토에 의하면, 초전체에 대하여 자외선의 침투깊이는 수십nm 정도이기 때문에, 자외선에 의하여 활성화 되어 고에너지를 구비하는 부분은 초전체 표면의 일부 즉 국소적인 부분이 된다.
자외선의 파장은 300nm 이하로 하는 것이 바람직하다(제3국면). 상기 단파장(短波長)의 자외선은 그 대부분이 초전체에 흡수되므로 높은 에너지 변환 효율을 확보할 수 있기 때문이다. 더 바람직한 자외선의 파장은 250nm 이하이다.
상기한 바와 같이 자외선을 받아 고에너지화 되는 집전체의 부분이 국소적이기 때문에, 자외선을 펄스 모양으로 하여 특히 펄스의 오프 시간을 제어하여 초전체에 인가함으로써, 초전체에 있어서 고에너지 부분이 확산되는 것을 항상 방지할 수 있다. 바꾸어 말하면, 초전체에 있어서 고에너지화 된 부분의 국소화를 유지할 수 있다(제4국면). 따라서 상기 부분을 간단하고 또한 단시간에 비고에너지화(非高energy化) 즉 정상 에너지 상태로 되돌리는 것이 가능하게 된다. 이에 따라 전자방출의 온·오프 제어, 나아가서는 X선 방출의 온·오프 제어가 용이하게 된다. 펄스의 주기는 μsec 또는 nsec 단 상에 할 수 있다.
자외선은, 초전체에 있어서 금속편과 대향하는 면과 반대측의 면으로 조사하는 것이 바람직하다.
이에 따라 금속편, 초전체 및 에너지 공급부(자외선 발생부)를 직렬로 배치할 수 있게 되어, 장치의 조립이 용이하게 된다.
막대 모양의 초전체를 전자방출소자로서 사용할 때에 막대 모양체의 일단을 금속편과 대향시키고, 그 타단으로 자외선을 조사한다.
초전체에 있어서 금속편과 대향하는 면(전자방출면)에 미세가공을 하여 그 표면에 돌기를 형성함으로써 전자방출의 촉진을 도모할 수 있다.
초전체와 카본나노튜브를 조합시킴으로써 전자방출의 촉진을 도모할 수 있다.
금속편에는 구리 또는 구리합금의 박판(薄板)을 채용할 수 있다. 물론 조사된 전자에 대응하여 X선을 방출할 수 있으면 구리 이외의 금속 예를 들면 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다.
초전체로 자외선을 조사하기 위해서는, 예를 들면 YAG 레이저 발진기를 자외선 발생부로 하고, 이 자외선 발생부에 의하여 발생된 자외선을 자외선용의 광파이버의 일단으로 유입하고, 광파이버의 타단을 초전체와 대향하도록 한다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체로 이루어지는 자외선 발생 레이저 다이오드 또는 발광다이오드를 사용할 수도 있다. 더 고출력이 필요한 경우에는 엑시머 레이저 발진기(excimer laser 發振器)를 사용하는 것이 바람직하다.
도1은 본 발명의 X선 발생장치의 구조를 나타내는 개념도이다.
도2는 X선 발생장치의 변형 태양을 나타낸다.
도3은 X선 발생장치와 센서를 조합시켜서 이루어지는 복합장치를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시형태의 X선 발생장치(X線 發生裝置)(1)는, 펄스레이저 발진기(pulse laser 發振器)(3), 자외선용 파이버(紫外線用 fiber)(5), 초전체(焦電體)(10) 및 금속편(金屬片)(20)을 구비하여 이루어진다.
자외선 발생부로서 nd : YAG 펄스레이저 발진기(3)를 채용한다. 이 펄스레이저 발진기(3)의 정격은, 파장 : 약 250nm, 펄스폭 : 100μm, 최대출력 : 약 350mj이다.
자외선용 파이버(5)에는 플레시블(flexible)한 석영 파이버를 사용할 수 있다.
초전체(10)에는 LiNbO3의 막대 모양체(지름 : 10mm, 길이 : 40mm, 양단은 평탄면)를 사용한다. 또 초전체(10)에 있어서 금속편(20)과 대향(對向)하는 면(전자방출면(電子放出面)(13))에는 에칭(etching)에 의하여 미세가공을 실시하고, 바람직하게는 표면에 바늘 모양의 돌기를 형성한다.
자외선용 파이버(5)의 일단(一端)은 펄스레이저 발진기(3)와 대향하고 있고, 타단(他端)은 초전체(10)의 자유단면(自由端面)(11)과 대향하고 있다. 이에 따라 펄스레이저 발진기(3)로부터 출력된 자외선 레이저광이 파이버(5)의 일단으로 유입되고, 그 타단으로부터 방출되어 초전체(10)로 조사(照射)된다. 초전체(10)에 있어서 금속편(20)과 대향하는 전자방출면(13)과 반대측의 자유단면(11)으로 자외선 레이저광을 조사하는 것이 바람직하다. 각 요소의 배치가 직선적이 되어, 조립이 용이하게 되기 때문이다.
자외선 레이저광은 초전체(10)의 자유단면(11)으로 수직으로 조사하는 것이 바람직하다. 반사를 억제하여 자외선 레이저광의 에너지를 가장 효율적으로 초전체(10)로 공급할 수 있기 때문이다.
자외선 레이저광은 초전체(10)의 자유단면(11)의 일부로 조사되면 좋다. 물론 자유단면(11)의 전체 면으로 자외선 레이저광을 조사하는 것을 방해하는 것은 아니다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 광파이버(5)와 초전체(10)의 사이에 집광기(集光器)(프레넬 렌즈(fresnel lens))(15)를 삽입하고, 광파이버(5)로부터 방출된 자외선 레이저를 집광할 수 있다.
초전체(10)의 자유단면(11)에 있어서 자외선 레이저광이 조사된 부분만이 활성화 되어, 상기 부분과 대향하는 전자방출면의 부분으로부터 전자가 방출된다.
전자방출면(13)으로부터 방출되는 단위면적당 전자의 양(전류밀도)은 자유단면(11)으로 입력되는 자외선 레이저광의 세기에 대응하기 때문에, 도2와 같이 자외선 레이저광을 집광함으로써 금속편(20)으로 집중하여 전자가 조사되고, 이 때문에 강한 X선의 방출이 가능하게 된다.
이 예에서는, 자외선 레이저광이 펄스 모양으로 조사되기 때문에, 초전체(10)에 있어서 고에너지화 되는 부분이 초전체(10)의 반경방향으로 확산되지 않는다. 바꾸어 말하면 고에너지 부분이 확산되지 않도록 펄스폭을 조정한다.
금속편(20)에는 구리편을 사용하였다. 이 구리편(20)은 진공실(眞空室)(21)에 배치되어 있고, 진공실(21)은 진공처리되어 있다. 진공도(眞空度)는 목적으로 하는 출력에 따라 임의로 설정된다. 진공실(21)에는 광입사창(光入射窓)(석영창(石英窓))이 열리고, 그 창에 초전체(10)의 전자선 방출면(13)이 대향한다. 진공실(21)에 있어서 광입사창이 열린 반대측의 벽에 X선 방출창(X線 放出窓)이 형성되어 있다. 이 X선 방출창은 예를 들면 Be로 형성된다.
이와 같이 구성되는 X선 발생장치(1)에 있어서 직접적인 X선원이 되는 것은 금속편(20)이기 때문에, X선원의 미소화가 가능하게 된다. 또한 금속편(20), 초전체(10), 파이버(5)가 직렬적으로 배치되기 때문에, X선원(1)을 평면적으로 배열할 수 있다. 따라서 도3에 나타나 있는 바와 같이 X선원(1)을 평면적으로 배열함과 아울러 X선원(1)의 사이에 센서(sensor)(30)를 배치할 수 있다. 이 센서(30)로서 광센서나 pH 센서를 채용할 수 있다.
도3에 나타나 있는 복합장치를 체강(體腔) 내에 삽입함으로써 X선을 환부(患部)로 조사하면서, 환부의 특성을 센서(30)에 의하여 관찰할 수 있다. 예를 들면 암세포를 X선 형광물질로 마킹하여 둠으로써 X선을 조사하면서 암세포(癌細胞)의 존재를 광센서(30)에 의하여 확인할 수 있다.
이 X선 발생장치(1)의 광원(光源)을 가시광선 또는 적외선으로 교환하면, 도3에 있어서 X선원을 일반적인 광원으로서 사용할 수 있다. 이 경우에 광원의 광이 초전체(10) 및 진공실(21)을 통과할 수 있도록 초전체(10)의 길이나 금속편(20)의 두께를 조정한다.
상기의 예에서는, 자외선 펄스광을 조사하여 초전체의 고에너지 부분을 국소적으로 함으로써 고에너지 상태로부터 정상 상태로 민첩하게 되돌아 올 수 있도록 하고, 이 때문에 전자선 조사 즉 X선 발생의 온·오프 제어를 쉽게 하고 있다. 초전체의 고에너지 부분을 국소적으로 할 수 있다면, 다른 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면 펠티에 소자(Peltier 素子) 등의 발열체를 초전체에 비연속적으로 접촉시킴으로써 초전체가 전체로 승온(昇溫)되는 것을 방지하여, 초전체에 있어서의 고에너지 부분을 국소적인 것으로 할 수 있다.
자외선을 받아서 전자를 방출할 수 있는 강유전체(强誘電體)를 전자방출소자로서 사용할 수도 있다.
본 발명은, 상기 발명의 실시형태 및 실시예의 설명에 조금도 한정되지 않는다. 특허청구범위의 기재를 일탈하지 않고 당업자가 용이하게 착상할 수 있는 범위에서 여러 가지의 변형 태양도 본 발명에 포함된다.
1 : X선 발생장치
3 : 펄스레이저 발진기
5 : 자외선광용 파이버
10 : 초전체
20 : 금속편

Claims (12)

  1. 에너지를 받아서 전자를 방출하는 전자방출소자(電子放出素子)와,
    상기 전자방출소자로부터 방출된 전자를 받아서 X선을 방출하는 금속편(金屬片)과,
    상기 전자방출소자로 에너지를 공급하는 에너지 공급부(energy 供給部)를
    구비하는 X선 발생장치(X線 發生裝置)로서,
    상기 에너지 공급부는 상기 전자방출소자에 국소적인 고에너지 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 공급부는 자외선(紫外線)을 상기 전자방출소자로 조사(照射)하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자외선은 300nm 이하의 파장을 구비하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 자외선을 펄스(pulse) 모양으로 하여 상기 전자방출소자로 조사하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전자방출소자에 있어서 상기 금속편과 대향(對向)하는 면과 반대측의 면으로 상기 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 에너지 공급부는,
    상기 자외선을 발생시키는 자외선 발생부(紫外線 發生部)와,
    자외선용 파이버(紫外線用 fiber)를
    구비하고,
    상기 자외선 발생부에 의하여 발생된 상기 자외선을 상기 자외선용 파이버를 통하여 상기 전자방출소자로 조사하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 X선 발생장치와 물리량 또는 화학량을 측정할 수 있는 센서(sensor)가 동일면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 복합장치.
  8. 에너지를 받아서 전자를 방출하는 전자방출소자와,
    상기 전자방출소자로부터 방출된 전자를 받아서 X선을 방출하는 금속편과,
    상기 전자방출소자로 에너지를 공급하는 에너지 공급부를
    구비하는 X선 발생장치를 사용하는 X선의 발생방법으로서,
    상기 에너지 공급부로부터 상기 전자방출소자로 에너지를 공급하고, 상기 전자방출소자에 국소적인 고에너지 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 X선 발생방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 공급부는 자외선을 상기 전자방출소자로 조사하는 것을 특징으로 하는 X선 발생방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자외선은 300nm 이하의 파장을 구비하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 자외선을 펄스 모양으로 하여 상기 전자방출소자로 조사하는 것을 특징으로 하는 X선 발생방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전자방출소자에 있어서 상기 금속편과 대향하는 면과 반대측의 면으로 상기 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 X선 발생방법.
KR1020117023428A 2009-04-07 2010-04-05 엑스선 발생장치와 그것을 사용하는 복합장치 및 엑스선 발생방법 KR20120006501A (ko)

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