KR20130084257A

KR20130084257A - 엑스선 튜브

Info

Publication number: KR20130084257A
Application number: KR1020130004307A
Authority: KR
Inventors: 정진우; 송윤호
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: KR101915523B1

Abstract

에미터에서 방출된 전자빔을 더욱 집속시킴으로써 보다 선명한 엑스선 이미지를 얻을 수 있는 엑스선 튜브를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브는, 캐소드 전극에 형성되어 전자빔을 방출하는 에미터, 상기 캐소드 전극 상에 형성되며, 상기 전자빔을 통과시키기 위한 다수의 게이트홀을 포함하는 게이트 메쉬, 상기 게이트 메쉬 상에 형성되며, 상기 다수의 게이트홀과 같은 동심원을 가지는 다수의 집속 게이트홀을 포함하는 집속 게이트 메쉬, 상기 집속 게이트 메쉬 상에 형성되며, 상기 게이트 메쉬 및 집속 게이트 메쉬를 통과한 전자빔을 집속시키는 집속 전극 및 상기 집속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 아노드 전극을 포함한다.

Description

엑스선 튜브{X-RAY TUBE}

본 발명은 전계 방출 엑스선원의 전자빔 집속 성능을 높여 정밀한 엑스선 이미지를 얻을 수 있도록 하는 엑스선 튜브에 관한 것이다.

일반적으로 3극형 전계 방출 엑스선원은 아노드 전압에 관계없이 게이트에 인가되는 전압에 의해 인출되는 전자빔의 양이 결정되므로, 엑스선의 양(dose)을 조절하기가 용이하다. 하지만 전자빔의 세기(아노드 전류)를 높이기 위해 게이트 전압을 높일 경우 게이트를 통과한 전자빔이 방사형으로 퍼지게 되므로 아노드 타겟에 도달하는 전자빔 초점의 크기를 최소한으로 줄이는데 한계가 있게 된다. 일반적으로 아노드 타겟에 도달하는 전자빔의 초점 크기가 작을수록 좁은 영역에서 엑스선이 방출되므로 더 선명한 엑스선 이미지를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 3극형 전계 방출 엑스선 튜브의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 엑스선 튜브에서 게이트 전압을 달리했을 때 전자빔의 방사 형태를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 3극형 전계 방출 엑스선 튜브(10)는 캐소드 전극(101), 에미터(103), 게이트 메쉬(105), 집속 전극(107) 및 아노드 전극(109)을 포함한다.

캐소드 전극(101)에 형성된 에미터(103)로부터 방출된 전자빔(EB)이 아노드 가속 전압에 의해 가속되어 아노드 전극(109)에 집속되어 부딪힐 때 가속 에너지에 의해 엑스선(X-ray)이 방출된다. 게이트 메쉬(105)에 인가된 전압에 의해 에미터(103)에 문턱 전압 이상의 전계가 인가되고, 그 전계에 의해 방출된 전자빔(EB)은 게이트 메쉬(105)의 홀을 통과해 집속 전극(107)에 의해 더 작은 크기로 집속되어 아노드 전극(109)에 도달하게 된다. 여기에서, 아노드 전극(109)과 게이트 메쉬(105) 사이에 위치한 집속 전극(107)은 하나 이상으로 구비되고, 집속 전극(107)에 인가된 전압에 의해 전자빔(EB) 주위의 전계 분포가 변화되어 전자빔(EB)이 집속되는 결과를 가져온다. 이러한 정전형 집속 전극(107) 이외에 자기장형 집속 전극도 적용될 수 있다.

도 2a와 도 2b는 각각 게이트 메쉬(105)에 인가되는 전압이 낮은 경우(도 2a)와 높은 경우(도 2b) 전자빔(EB)의 방사 형태를 보여준다.

도 2b를 통해 확인할 수 있듯이, 종래의 엑스선 튜브(10)에서는 보다 높은 전계 방출 전류를 얻기 위해 게이트 전압을 높일 경우 게이트 메쉬(105)를 통과한 전자빔(EB)이 방사형으로 퍼지게 되고, 최종적으로 아노드 전극(109)에 도달하는 전자빔(EB)의 초점 크기 또한 커지게 되어 선명한 엑스선 이미지를 얻기 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 게이트 메쉬 상에 집속 게이트 메쉬를 더 형성하여 에미터에서 방출된 전자빔을 더욱 집속시킴으로써 보다 선명한 엑스선 이미지를 얻을 수 있는 엑스선 튜브를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브는, 캐소드 전극에 형성되어 전자빔을 방출하는 에미터, 상기 캐소드 전극 상에 형성되며, 상기 전자빔을 통과시키기 위한 다수의 게이트홀을 포함하는 게이트 메쉬, 상기 게이트 메쉬 상에 형성되며, 상기 다수의 게이트홀과 같은 동심원을 가지는 다수의 집속 게이트홀을 포함하는 집속 게이트 메쉬, 상기 집속 게이트 메쉬 상에 형성되며, 상기 게이트 메쉬 및 집속 게이트 메쉬를 통과한 전자빔을 집속시키는 집속 전극 및 상기 집속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 아노드 전극을 포함한다.

본 발명에 따르면, 게이트 메쉬와 집속 전극 사이에 추가로 집속 게이트 메쉬를 형성하여 게이트홀을 통과하는 전자빔의 퍼짐(spreading)을 최소화하여 초점 크기를 최소화함으로써 더욱 선명한 엑스선 이미지를 얻을 수 있는 엑스선 튜브를 제작할 수 있다.

또한 캐소드 전류를 제어하는 전류 구동 방식을 적용하여 시간에 따라 일정한 집속 성능을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 3극형 전계 방출 엑스선 튜브의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 엑스선 튜브에서 게이트 전압을 달리했을 때 전자빔의 방사 형태를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 구성도.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 집속 게이트 메쉬(306)에 형성되는 집속 게이트홀(H2)의 크기를 결정함에 있어서 최적의 조건을 구하기 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 5는 도 4a의 조건에서 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압을 달리하여 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 엑스선 튜브 내의 전자빔 집속 효과를 종래 기술과 비교한 도면.
도 7은 도 3의 실시예에 전류 구동 방식을 적용한 예를 설명하기 위한 도면.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브(30)는, 캐소드 전극(301), 캐소드 전극(301)에 형성되어 전자빔(EB)을 방출하는 에미터(303), 캐소드 전극(301) 상에 형성되며, 전자빔(EB)을 통과시키기 위한 다수의 게이트홀(H1)을 포함하는 게이트 메쉬(305), 게이트 메쉬(305) 상에 형성되며, 다수의 게이트홀(H1)과 같은 동심원을 가지는 다수의 집속 게이트홀(H2)을 포함하는 집속 게이트 메쉬(306), 집속 게이트 메쉬(306) 상에 형성되며, 게이트 메쉬(305) 및 집속 게이트 메쉬(306)를 통과한 전자빔을 집속시키는 집속 전극(307) 및 집속된 전자빔(EB)의 충돌에 의해 엑스선(X-ray)을 발생시키는 아노드 전극(309)을 포함한다.

본 실시예에서는 게이트 메쉬(305)와 집속 전극(307) 사이에 집속 게이트 메쉬(306)를 추가로 형성하고 적절한 전압을 인가하여 게이트 메쉬(305)를 통과한 전자빔(EB)의 퍼짐(spreading)을 최소화하며, 이를 통해 아노드 전극(309)에 집속되는 전자빔(EB)의 초점 크기를 최소화할 수 있다. 이 때, 전자빔(EB)이 통과하는 집속 게이트 메쉬(306) 내의 다수의 집속 게이트홀(H2)은 게이트 메쉬(305) 내의 다수의 게이트홀(H1)과 각각 동심원 위치에 형성되고, 집속 게이트홀(H2)의 직경은 게이트홀(H1)과 같거나 그보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 집속 게이트 메쉬(306)가 집속 전극(307)보다 게이트 메쉬(305) 쪽으로 가까이 형성되는 것이 효율적이다.

에미터(303)에서 방출되는 전자빔(EB)의 양을 조절하기 위해 게이트 메쉬(305)에 인가되는 게이트 전압이 변경될 수 있는데, 이 때 동일한 전자빔 집속 조건을 얻기 위해 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압도 같은 비율로 변경되어야 한다. 여기에서, 집속 전극(307)에 인가되는 전압은 게이트 전압의 변화에는 영향을 받지 않으며 아노드 전압이 변경될 때 적절히 변경되어야 한다. 즉, 다음과 같이 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압은 게이트 전압에, 집속 전극(307)에 인가되는 전압은 아노드 전압에 비례하는 관계식을 가진다. 여기서 k, p는 비례 상수이다.

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 집속 게이트 메쉬(306)에 형성되는 집속 게이트홀(H2)의 크기를 결정함에 있어서 최적의 조건을 구하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 모든 다른 조건은 동일한 상태에서 집속 게이트홀(H2)의 직경만을 달리했을 때 전자빔(EB)의 퍼짐 정도의 변화를 보여준다.

도 4a 내지 도 4c에서, 공통적으로 아노드 전극(309)의 전압은 50kv, 집속 전극(307) 및 게이트 메쉬(305)의 전압은 1kV, 캐소드 전극(301) 및 집속 게이트 메쉬(306)의 전압은 0V 이다. 게이트 메쉬(305) 및 집속 게이트 메쉬(306)의 두께는 0,2mm, 게이트 메쉬(305)와 집속 게이트 메쉬(306) 간 거리는 0,2mm, 집속 게이트홀(H2)의 직경은 0.2mm 이다. 집속 게이트홀(H2)의 직경은 도 4a가 0.6mm, 도 4b가 0.9mm, 도 4c가 1.2 mm이다.

각각의 시뮬레이션 결과에서, 집속 게이트홀(H2)을 빠져나온 전자빔(EB)의 궤적이 집속 게이트 메쉬(306)의 영향으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 0.6mm인 경우(도 4a)는 집속 게이트홀(H2)을 빠져나온 전자빔(EB)을 수렴시키는 힘이 너무 강해 오히려 전자빔(EB)이 오버크로스 되어 빔 퍼짐이 더 심하게 되었고, 0.9mm인 경우(도 4b)는 집속 게이트홀(H2)을 빠져나온 전자빔(EB)의 퍼짐을 완화시켜 아노드 전극(309)에 도달한 전자빔(EB)이 좁은 영역으로 모이게 되었다. 1.2mm인 경우(도 4c)는 집속 게이트홀(H2)의 크기가 너무 커 빔을 수렴시키는 영향력이 작아져 아노드 전극(309)에 도달한 전자빔(EB)이 다소 퍼진 것을 확인할 수 있다.

한편, 전자빔(EB)의 궤적은 홀 직경 뿐만 아니라 각 전극의 두께나 다른 전극과의 거리, 전극에 인가되는 전압의 크기에 의해서도 큰 영향을 받는다. 도 5는 전자빔(EB)의 집속 상태가 가장 좋지 않았던 도 4a의 조건, 즉, 집속 게이트홀(H2)의 크기가 0.6mm일 때 모든 조건은 동일한 상태에서 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압을 0V에서 100V로 바꾸어 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도 4a와 같은 조건에서도 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압을 다르게 하여 전자빔(EB)의 궤적을 수렴시킬 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이, 최적의 전자빔(EB) 수렴 특성을 얻기 위한 집속 게이트 메쉬(306)의 모양은 독립적으로 결정될 수 없으며, 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압 또한 큰 영향을 미친다. 만약 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압이 고정될 경우, 최적의 집속 게이트홀(H2) 크기는 도 4b와 같이 결정될 수 있으며, 집속 게이트 메쉬(306)에 인가되는 전압이 가변적일 경우에는 그 값에 맞추어 모양 및 구조가 결정될 수 있다. 일반적으로 집속 게이트홀(H2)의 직경은 게이트 메쉬(305)를 통과한 전자빔(EB)의 퍼짐 때문에 게이트홀(H1)의 직경과 같거나 그보다 큰 것이 좋으며, 다수의 홀이 형성될 경우에는 홀 피치보다 작아야 한다. 이는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

D_게이트홀 ≤ D_{집속게이트홀} < 집속 게이트홀(H2) 간 최소거리

도 6은 본 발명에 따른 엑스선 튜브 내의 전자빔 집속 효과를 종래 기술과 비교한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 도면 좌측(종래, 도 1 참조)은 전자빔의 퍼짐이 심한 데 반해, 추가적인 집속 게이트 메쉬을 적용한 우측(본 발명)에서는 전자빔의 퍼짐이 크게 완화되어 아노드 전극에 도달하는 전자빔의 초점 크기가 매우 작아진 것을 확인할 수 있다.

도 7은 도 3의 실시예에 따른 엑스선 튜브가 전류 구동 방식에 의해 구동되는 예를 설명하기 위한 도면이다.

전자빔을 펄스로 구동하기 위해 게이트 전압이 시간에 따라 변경되는 전압 구동 방식의 경우, 게이트 메쉬(305)의 전압이 시간에 따라 바뀔 때 집속 게이트 메쉬(306)의 전압도 동시에 바뀌어야 전자빔 집속 성능이 유지된다. 만약 집속 게이트 메쉬(306)의 전압이 바뀌지 않고 게이트 메쉬(305) 전압만 변경될 경우, 아노드 전극(309)에 집속되는 전자빔(EB)의 초점 크기가 시간에 따라 바뀌어 엑스선 이미지의 선명도를 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 시간에 따라 전압이 변화하는 전압 구동 방식보다 도 7과 같이 각 전극에 인가되는 전압은 시간에 따라 일정한 DC 전압이고 캐소드 전극(301)에 흐르는 전류를 고전압 MOSFET 등의 전자 스위치로 제어하여 펄스 구동을 구현하는 전류 구동 방식이 유리하다. 이 경우, 각각의 전극에 일정한 전압이 인가되므로 집속 조건도 일정하게 유지되어 전자빔(EB)의 집속 조건이 시간에 따라 일정하게 유지될 수 있다. 전류 구동 방식의 경우 캐소드 전극(301)의 전류를 스위칭하여 제어하는 방식을 사용하며, 이 때 캐소드 전극(301)의 전압이 시간에 따라 변화될 수 있으나, 캐소드 전극(301) 전압의 변화는 집속 성능에 영향을 미치지 않는다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

10, 30 : 엑스선 튜브 101, 301 : 캐소드 전극
103, 303 : 에미터 105, 305 : 게이트 메쉬
306 : 집속 게이트 메쉬 107, 307 : 집속 전극
109, 309 : 아노드 전극
H1 : 게이트홀 H2 : 집속 게이트홀
EB : 전자빔 X : 엑스선

Claims

캐소드 전극에 형성되어 전자빔을 방출하는 에미터;
상기 캐소드 전극 상에 형성되며, 상기 전자빔을 통과시키기 위한 다수의 게이트홀을 포함하는 게이트 메쉬;
상기 게이트 메쉬 상에 형성되며, 상기 다수의 게이트홀과 같은 동심원을 가지는 다수의 집속 게이트홀을 포함하는 집속 게이트 메쉬;
상기 집속 게이트 메쉬 상에 형성되며, 상기 게이트 메쉬 및 집속 게이트 메쉬를 통과한 전자빔을 집속시키는 집속 전극; 및
상기 집속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 아노드 전극;
을 포함하는 엑스선 튜브.