KR20140043074A - 접촉 대전에 의해 x선을 생성하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

접촉 대전에 의해 x선을 생성하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

X선 소스는 포함 용기, 상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치된 제1 롤러, 상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치되고 상기 제1 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제2 롤러 및 상기 제1 및 제2 롤러들 중 적어도 하나와 연결된 구동 어셈블리를 포함한다. 상기 구동 어셈블리는 상기 제1 및 제2 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제1 및 제2 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1 및 제2 롤러들을 회전시킨다. 상기 제1 롤러는 적어도 일부가 제1 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제2 롤러는 적어도 일부가 제2 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제1 마찰 전기 물질은 상기 제2 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가진다. 상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고, 그리고, 상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택된다.

Description

접촉 대전에 의해 X선을 생성하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD TO GENERATE X-RAYS BY CONTACT ELECTRIFICATION}
관련 출원의 상호 참조.
참조에 의해 그 전체 내용이 본 출원에 통합되는 2011년 5월 3일 출원된 미국 특허 가출원 제61/482,031호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 ARMY/Medical Research and Materiel Command.에 의해 수여된 Grant No. W81XWH-10-1-1049하에서 정부 지원 하에 만들어졌다. 미국 연방 정부는 본 발명에서 일정 권리를 가진다.
본 발명은 마찰 전기 X선 소스 및 시스템에 관한 것이다.
마찰 전기는 Haukesbee의 초기의 정전기 장치(F. Haukesbee, Physico -Mechanical experiments on various subjects (London: 1709))에서부터 van der Graaf의 동명의 발전기들을 거쳐 3세기 동안 고 정전기 포텐셜의 원천으로서 기초 과학 연구에서 활용되어 왔다. 그렇지만 그 주제에 대한 첫 번째 원칙들 접근법(first principles approach)의 중요한 부재는 존재한다(M. Stoneham, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 17, 084009 (2009)). 정전 발전기는 두 물질들이 마찰 접촉으로 함께 문질러질 때 발달된 집적된 전하를 저장한다. 물질들은 전하의 극성 및 전하에 대한 물질들의 성향을 보여주는 경험적으로 얻어진 목록인 마찰 전기 시리즈(triboelectric series)에서 가장 멀리 떨어지도록 선택된다(P. E. Shaw, Proc. R. Soc. Lond. A 94, 16 (1917)). 두 물질들 사이의 접촉점에서, 마찰 발광을 발생시키는 마찰 대전은 그 주위의 기체를 이온화하는 규모일 수 있다. 감압 접착제(PSA) 테이프를 박리하는 동안 관측되는 마찰 방광은 과학적 주목을 오랫동안 끌어왔고(E. N. Harvey, Science 89, 460 (1939)) 정전기학의 기원이 된다. 테이프가 박리될 때, 전하 밀도 1012 e cm-2(e는 전자의 기본 전하량)은 막 박리된 영역의 표면에 노출되고 이후 방전된다(C. G. Camara, J. V. Escobar, J. R. Hird and S. P. Putterman, Nature 455, 1089 (2008)). 만약 테이프가 ~10 mTorr의 진공에서 박리되는 경우, 발생된 마찰 발광은 X선 에너지로 확장한다는 것이 발견되었다(V. V. Karasev, N. A. Krotova and B. W. Deryagin, Dokl. Akad. Nauk. SSR 88 777 (1953)). 더 최근에는(Camara 외, id.), 진공에서 테이프를 벗겨내는 동안 마찰 대전성(tribocharging)에 대한 두 가지의 시간 척도들이 존재한다는 것이 발견되었다. 첫 번째로, 정전 발전기들과 고전적인 정전기 실험들(W. R. Harper, Contact and frictional electrification, (Oxford University Press, London, 1967))에 공통된, 테이프의 표면에서 유지되는 1010 e cm-2의 평균 전하 밀도를 야기하는 긴 시간 척도 과정과, 두 번째로, 1012 e cm-2의 전하 밀도의 나노초 과정이다. 이에 더하여, 테이프의 박리에 의한 X선 방출은 인간 손가락의 지간 간격을 해결하도록 박리 라인에서 충분히 자가 시준(self- collimated)적 이라는 것이 발견되었다. 나노초 X선 펄스의 방출은 방출 영역의 추정치가 계산되도록 한다. 폭 1.5 mm의 PSA 테이프를 박리하는 것에 관한 추후의 연구는 그러한 과정이 300 μm보다 작은 영역에서 발생한다는 것을 확인하였다(C. G. Camara, J. V. Escobar, J. R. Hird and S. P. Putterman, Appl. Phys. B 99, 613 (2010)).
마찰 전기에 관한 이러한 최근의 연구를 지탱하는 것은 두 물질들 사이 및 특히 폴리머들 사이에 전하 이동이 발생하는 방법에 대한 관심의 부활이다. 특히 흥미로운 것은 서로 다른 쪽을 충전하는 유사한 폴리머들에 대한 보고이다(M. M. Apodaca, P. J. Wesson, K. J. M. Bishop, M. A. Ratner and B. A. Grzybowski, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 946 (2010)). 더 근본적으로, 미해결된 문제는 전송 입자가 이온인지(L. McCathy and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 2188 (2008)) 또는 전자인지(Harper, id.)이다. 이 문제는 수 세기들의 실험적 연구를 거쳤음에도 불구하고 여전히 토론되는 것이다. 마찰 대전성의 원인이 되는 전하 캐리어가 전자든 이온이든 매우 큰 전하 밀도가 쉽게 생성된다는 점은 분명하다.
가장 효과적인 충전이 발생하기 위해, 물질들 사이의 밀접한 접촉과 접촉 표면의 청결이 중요하다(R. Budakian, K. Weninger, R. A. Hiller and S. P. Putterman, Nature 391, 266 (1998)). PSA 테이프의 박리 기하는 수학적으로 명쾌하고(A. D. McEwan and G. I. Taylor, J. Fluid Mech. 26, 1 (1966)) 두 기준을 충족하지만, 고 전원 공급을 요하지 않는 휴대용 X선 장치를 위해 이를 사용하는 것의 단점은 확실성, 마모 등과 같은 실제적인 문제들은 물론 진공에서 남아있는 테이프를 박리하는 동안 발생하는 두드러진 기체 누설이다(E. Constable, J. Horvat and R. A. Lewis, Appl. Phys. Lett. 97, 131502 (2010)). 따라서, 개선된 마찰 전기 X선 소스 및 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 실시 예는 개선된 마찰 전기 X선 소스 및 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스는 포함 용기, 상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치된 제1 롤러, 상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치되고 상기 제1 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제2 롤러 및 상기 제1 및 제2 롤러들 중 적어도 하나와 연결된 구동 어셈블리를 포함한다. 상기 구동 어셈블리는 상기 제1 및 제2 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제1 및 제2 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1 및 제2 롤러들을 회전시킨다. 상기 제1 롤러는 적어도 일부가 제1 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제2 롤러는 적어도 일부가 제2 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제1 마찰 전기 물질은 상기 제2 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가진다. 상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고, 그리고, 상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택된다.
본 발명의 실시 예에 따른 X선 이미징 시스템은 X선 소스 및 X선 검출기를 포함한다. 상기 X선 소스는 포함 용기, 상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치된 제1 롤러, 상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치되고 상기 제1 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제2 롤러 및 상기 제1 및 제2 롤러들 중 적어도 하나와 연결된 구동 어셈블리를 포함한다. 상기 구동 어셈블리는 상기 제1 및 제2 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 실질적으로 선형인 접촉 영역을 따라서 상기 제1 및 제2 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1 및 제2 롤러들을 회전시킨다. 상기 제1 롤러는 적어도 일부가 제1 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제2 롤러는 적어도 일부가 제2 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제1 마찰 전기 물질은 상기 제2 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가진다. 상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고, 그리고, 상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉이 상기 실질적으로 선형인 접촉 영역을 따라서 X선을 생성하도록 선택된다.
본 발명의 목적 및 효과는 상세한 설명, 도면들 및 예시들을 참조함으로써 명백해질 수 있다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스를 포함 용기의 일부를 제거하고 개략적으로 도시한 도면이다.
도2a는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스의 측면을 포함 용기를 제거하고 개략적으로 도시한 도면이다.
도2b는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스의 상면을 포함 용기의 일부를 제거하고 개략적으로 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 몇몇 사상들의 설명을 돕기 위해 두 롤러들 간의 접촉 영역을 근접하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도6a는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도7은 텐션 스프링들에 의해 접촉되고 1x10-3 Torr의 주위 압력에서 300 rpm으로 회전하도록 구성된 폭 2 cm의 롤러들로부터의 X선 방출을 예를 들어 도시한다. 하나의 롤러는 납 테이프로 덧씌워졌고 다른 하나는 테이프(폴리에틸렌으로 처리된) 막으로 덧씌워졌다.
도8은 서로 다른 시스템들에서 회전 속도에 대한 함수로 X선 유동을 예를 들어 도시한다. 흑색의 정사각형은 스카치 테이프를 박리한 우리의 선행 공개 결과에서 발췌된 것을 나타낸다. 수치 2 Nature Supplementary로 표시된 것은 폭 2 cm의 테이프를 20 cm/s로 박리함으로써 선행 공개된 X선 이미지들을 획득하기 위해 사용된 통합적인 유동을 나타낸다. 수치 2 Nature는 2 cm의 테이프를 3.6 cm/s로 박리할 경우의 통합적인 유동이다. 수치 3 APB는 1.5 mm의 테이프 조각을 3.6 cm/s로 박리할 경우 얻어진 유동이다. 다이아몬드들은 폭 2 cm의 스카치 테이프를 박리할 경우의 데이터를 나타내고, 이러한 시스템은 또한 회전 속도에 선형적으로 비례함을 보여준다. 점들은 테이프 배킹(폴리에틸렌으로 처리된)에 접촉하는 납 롤러로부터 얻어진 데이터를 나타낸다. 삽도는 대표적 속도들에 대한 평균화된 값들을 나타낸다.
도9는 5x10-5 Torr의 주위 압력 및 3 cm/s의 접선 속도에서 접촉하는 폭 2 cm의 롤러들에 대한 X선 스펙트럼을 예시적으로 도시한다. 상측의 기록은 테이프 배킹(폴리에틸렌으로 처리된)에 접촉하는 납 롤러로부터의 스펙트럼이다. 하측의 기록은 테이프 배킹에 대해 접착면이 노출된(sticky-side-out) 스카치 테이프의 롤러로부터 얻어진 것이다.
도10은 3 cm/s에서 폴리에틸렌 롤러에 대해 회전하는 폭 3 mm의 납 롤러로부터의 X선 버스트의 폭을 예시적으로 도시한다. 5'PMTs를 통해 결합된 두 개의 리퀴드 신틸레이터들이 히스토그램에서 보여지는 50 keV 이상의 에너지를 갖는 X선 펄스들을 검출하기 위해 사용되었다. PMT 신호들은 기록되었고 폭을 얻기 위해 가우시안에 맞추었다. 삽도는 X선 펄스들이 확실하게 측정되었음을 나타내며 두 검출기들 간의 상관관계를 도시한다. 오른쪽에 좁은 기록은 우주선들으로부터의 폭들의 히스토그램이고, 특성 신호들이 5 ns의 폭을 가진다는 것을 보여준다.
도11은 1x10-4 Torr의 주위 압력 및 3 cm/s의 접선 속도에서 접촉하는 폭 2 cm의 롤러들에 대한 X선 스펙트럼을 도시한다. 상측의 기록은 테이프 배킹(폴리에틸렌으로 처리된)에 접촉하는 납 롤러로부터의 스펙트럼이다. 하측의 기록은 테이프 배킹에 대한 몰리브덴 롤러로부터 얻어진 것이다. 납의 특성 L 선들 및 몰리브덴의 특성 K 선들은 분명하게 식별될 수 있다.
도12a 및 12b는 폭이 1 cm이고 납과 폴리머인, 접촉하며 회전하는 롤러들을 사용하여 얻어진 X선 이미지의 예시를 도시한다. 도12a는 소스 밖의 창 위에 위치한 대상물을 도시한다. 도12b는 200 rpm 및 30 sec의 노출에서 얻어진 X선 이미지를 도시한다.
도13은 본 발명의 실시 예에 따라 검출기로부터 2 cm 및 정점으로부터 8 cm이고, 0, 45 및 90도에서 250 미크론 두께의 스테인레스 스틸 면도칼의 X선 이미지들의 예시들을 도시한다. 0도에서 면도칼은 정점으로 곧바로 향하고 검출기에 수직이다. 롤러들은 30 rpm에서 회전하고 1 cm의 폭을 가지고 노출은 30 s이다. 이미지들은 토포그래피 복원에 사용될 수 있다.
도14는 자물쇠의 X선 이미지와 Rad-Icon RadEye200 디지털 X선 검출기를 통한 대상물을 예시적으로 도시한다. 검출기는 10x10 cm의 활성 영역 및 100 μm의 픽셀 해상도를 가진다. 이미지 해상도는 약 1/4 mm이다.
도15는 본 발명의 실시 예에 따른 손 및 닭의 넓적다리 조각의 X선 이미지들을 예시적으로 도시한다.
본 발명의 일부 실시 예는 다음에 상세하게 기술된다. 기술된 실시 예에서, 특정 용어는 명료성을 위하여 채택된다. 그러나, 본 발명은 이렇게 선택된 특정 용어에 한정되도록 의도되지 않는다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 다른 등가의 구성 요소가 채택되고 본 발명의 넓은 개념으로부터 벗어남이 없이 다른 방법이 개발된다는 것을 인식할 것이다. 배경기술, 상세한 설명 부분을 포함하는 본 명세서에서 인용된 모든 도면 부호는 각각이 개별적으로 통합된 것처럼 참조에 의해 통합된다.
본 발명의 몇몇의 실시 예들은 고전압의 파워 서플라이를 사용하지 않고 평행하게된 X선을 생성하는 장치 및 방법을 제시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스는 고전압의 전자 장치를 요하지 않고 기계적인 운동의 소스에 의해 작동될 수 있다. 우리는 단순히 두 물질들을 접촉 운동시키는 것은 X선 이미징에 유용한 X선들의 유동을 생성할 수 있다는 것을 설명하였다. 접촉 기하(contact geometry)는 평행 시준을 제공하는데 이용될 수 있다. 우리는 X선 검출기의 라인에 연결된 X선 방출의 라인이 X선 이미지를 획득하기 위한 간단한 방법을 제공할 수 있음을 설명하였다. 본 발명의 몇몇의 실시 예들은 전기적 그리드가 요구되지 않고 극도로 휴대성을 가지는 X선 소스를 제공할 수 있다. 본 발명의 발명자들의 선행 발명은 공개 번호 WO/2009/10278, MECHANOLUMINESCENT X-RAY GENERATOR에서 개시되고, 그것의 전체의 내용은 참조로서 여기에 통합된다(또한, Nature v455 1089-1092 (2008) 및 Appl. Phys. v99 613-617 (2010)의 전체의 내용은 참조로서 여기에 통합된다.).
X선 소스는 고전압의 파워 서플라이를 요구하지 않고 단순하고 직접적인 기계적인 운동에 의해 동작할 수 있다. 접촉하는 회전 중인 롤러들로부터의 X선 방출은 접촉 길이에 걸치는 정점에 근접한 협소한 영역에서 비롯된다. 결과는 X선 방출의 라인이다. 이것은 본 발명의 소스를 현존하는 기술들과 구별되게 하는 독특한 효과이다.
본 발명의 몇몇의 실시 예들은 평행하게 될 수 있고 이윽고 좁아질 수 있고 에너지가 될 수 있는 X선의 소스로서 제어되는 환경에서 서로 다른 물질들의 접촉 운동을 제공하는 시스템과 방법에 대한 것이다. 본 발명의 단순한 실시 예는 도1에서 도시된 바와 같이 불완전 진공에서 접촉 마찰에 의해 회전하도록 구성된 서로 다른 물질들인 두 개의 롤러들이다. 이러한 배치는 X선 이미징에 유용한 X선들의 유동을 생성하도록 사용될 수 있다. X선 방출은 접촉 길이에 걸치는 정점에 근접한 영역으로부터 연속적이고 나노초 버스트로 발생할 수 있다.
이에 더하여, 둘 또는 그 이상의 굴곡진 표면들이 접촉하게 하는 힘을 변환하는 것의 효과는 표면들의 압력이 전하 이동을 변화시킬 것이기 때문에 X선 생성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 불완전 회전과 가변하는 회전은 본 발명의 몇몇의 실시 예들에 따르면 유용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따르면 시계 방향으로 미세한 각도로 회전하는 두 표면들은 반시계 방향으로 회전하도록 반대로 할 수 있고 이러한 방식으로 진동할 수 있다. 본 발명의 일반적인 개념은 다른 원통형의 롤러들에 접촉하는 원통형의 롤러들에만 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 몇몇 실시 예에 따르면 원통형 외의 형상을 가진 표면들이 사용될 수 있다. 몇몇의 실시 예에서, 표면들 중 어느 하나는, 예를 들어, 평면일 수 있고, 다른 하나는 평면인 표면 위에서 전후방으로 움직이는 롤러일 수 있다. 본 발명의 포괄적인 사상은 이러한 특정한 예시들에 한정되지 않는다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1의 X선 소스(100)는 내부 구조를 살필 수 있도록 일부가 조립된 상태를 보여준다. X선 소스(100)는 도1에서 하측 반 부분이 도시된 포함 용기(102), 포함 용기(102) 내부에 적어도 일부가 배치된 제1 롤러(104), 포함 용기(102) 내부에 적어도 일부가 배치되고 제1 롤러(104)와 구름 접촉하도록 배치된 제2 롤러(106), 그리고, 제1 롤러(104) 및 제2 롤러(106) 중 적어도 하나와 연결된 구동 어셈블리(도 2a의 108)를 포함한다. 구동 어셈블리(108)는 제1 및 제2 롤러들(104, 106)이 회전하는 동안 포함 용기(102) 내부에서 제1 및 제2 롤러들(104, 106)의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 제1 및 제2 롤러들(104, 106)을 회전시킨다. 제1 롤러(104)는 적어도 일부가 제1 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 제2 롤러(106)는 적어도 일부가 제2 마찰 전기 물질인 표면을 가진다. 도3에 도시된 바와 같이, 제1 마찰 전기 물질은 제2 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가진다. 그러나, 본 발명의 포괄적인 사상은 도1 내지 도3에 도시된 실시 예들에 제한되지 않는다. 물질들의 순서는 다른 실시 예들에서 역으로 전환될 수 있다. 포함 용기(102)는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성된다(도4 내지 도6). 제1 마찰 전기 물질, 제2 마찰 전기 물질 및 제어되는 대기 환경은 제1 및 제2 롤러들(104, 106) 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택된다.
X선 소스(100)의 포함 용기(102)는 포함 용기(102)의 나머지 부분에 비해 X선(112)에 매우 투명한 X선 창(110)을 구비한다. 다른 말로 하면, 포함 용기(102)는 X선이 창(110)을 통하는 것 외에 용기(102)에서 방출되는 것을 실질적으로 차단하도록 차폐를 제공한다. 창(110)을 포함하는 포함 용기는 용기(102) 내부의 가스 압력이 용기(102) 외부의 대기압보다 작은 진공을 유지한다. 본 발명의 실시 예에서, 포함 용기(102)는 10-1　torr 미만인 진공을 유지하도록 구성된다. 본 발명의 실시 예에서, 포함 용기(102)는 10-9　torr 초과이고 10-3　torr 미만인 진공을 유지하도록 구성된다.
다른 실시 예에서, 제1 롤러(104) 및 제2 롤러(106) 중 적어도 하나는 제1 및 제2 롤러들(104, 106) 간의 구름 접촉 동안 적어도 두 개의 서로 다른 X선 스펙트럼들이 생성되도록 서로 다른 마찰 전기 물질들의 적어도 두 개의 표면 영역들을 가진다. 본 발명의 다양한 실시 예들은 X선 소스(100)에 의해 생성된 X선 스펙트럼들의 유형을 변경하도록 하나, 둘, 셋, 또는 그 이상의 종류들의 마찰 전기 물질들로 덧씌워진 롤러들을 포함할 수 있고 또한 덧씌워질 수 있는 마찰 전기 물질들은 공간적 패턴들(spatially patterns)로 선택된다. 이에 더하여, 좁은 대역 X선 방출을 강화하기 위해서 들뜬 상태를 요구하는 하나 또는 그 이상의 선택된 원자 성분들을 포함하는 물질들이 또한 포함될 수 있다. (본 출원의 출원인에 의해 2012년 3월 9일자로 출원된 국제 출원 번호 PCT/US2012/028581의 전체의 내용은 참조로서 여기에 통합된다.)
본 발명의 실시 예에서, 구동 어셈블리(108)는 전기 모터를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시 예에서, X선 소스(100)는 배터리, 캐패시터, 또는 슈퍼 캐패시터 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 전력 저장 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리들은 손잡이(114)에 위치할 수 있다. 몇몇의 실시 예들에서, X선 소스(100)는 광전지 소자를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예들에서, X선 소스(100)는 수동 충전기를 또한 포함할 수 있다. 몇몇의 실시 예들에서, 구동 어셈블리는 수동 기계 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 구동 어셈블리는, 예를 들어, 수동 크랭크를 포함할 수 있다. 수동 기계 장치는 전기 모터 대신에 또는 이에 더하여 존재할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예들은 셋, 넷 또는 그 이상의 롤러들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 셋, 넷 또는 그 이상의 롤러들은 구동하는 적어도 하나의 롤러가 나머지 롤러들을 마찰 접촉에 의해 회전시킬 수 있도록 나란하게 배치될 수 있다. 이들은 직렬인 롤러들로 생각될 수 있다. 대신에, 또는 이에 더하여, 본 발명의 다른 실시 예들에 의해 분리된 쌍 또는 연속 배치의 롤러들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 롤러들은 다른 한 쌍의 롤러들의 바로 옆에 배치될 수 있고 롤러들의 각 쌍의 롤러들은 다른 쌍에 독립하여 구동된다. 이들은 병렬인 롤러들로 생각될 수 있다. 인접하는 롤러와 접촉하는 각각의 롤러는 교차점에서 X선을 생성하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 한 쌍의 롤러들이 존재하는 실시 예에서, X선 소스(100)는 X선의 라인 소스를 제공한다. 둘보다 더 많은 롤러들이 존재하는 경우, X선 소스는 X선의 멀티라인 소스를 제공할 수 있다. 몇몇의 실시 예들에서, 복수의 롤러들이 평면의 X선 소스를 효과적으로 제공할 수 있다.
X선 펄스들은 압력이 10-3 torr 미만이고 접촉하는 물질들이 금속과 폴리머 애자일 때 발생될 수 있다. 또한, 약 1 mm의 접촉면이 X선 펄스들을 생성하는데 적합하다는 것이 발견되었다. X선 펄스들은, 예를 들어, 대략 수십 나노초일 수 있다.
X선 소스(100)는 하나의 라인 또는 멀티라인 X선 소스를 제공할 수 있기 때문에, X선 이미징 시스템은 본 발명의 몇몇 실시 예들에 따르면 라인 소스에 부합하도록 선택된 선형 검출기를 제공할 수 있다(도 6a).
몇몇의 예시들이 본 발명의 사상에 대한 설명을 돕기 위해 후술된다. 본 발명의 포괄적인 사상들은 특정한 예시들에 제한되는 것은 아니다.
예시들
예를 들어, 서로 다른 물질들인 두 개의 롤러들이 접촉 후에 전하를 교환하고 유지하도록 선택된다. 두 개의 롤러들은, 이에 제한되는 것은 아니나 이를 테면, 스프링과 같은 외력에 의해 접촉하도록 압력이 가해질 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나 이를 테면 전기 모터와 같은 기계적인 운동 소스가 표면들을 상대 운동(relative motion)하도록 한다. 본 실시 예의 특정 예시들은 폴리머 롤러와 접촉하는 금속성 표면을 가진 롤러를 제시한다. 1x10-3 Torr의 기압이 유지되는 용기 내부에서 회전하는 시스템에서의 X선 방출이 도7에 도시된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 접촉하며 회전하는 롤러들로부터의 X선 유동은 회전 속도에 의해 제어될 수 있고(도8), 접선 속도 80 cm/s까지 회전 속도에 비례한다(도8의 삽도). 이 속도는 회전 속도 200 rpm과 대응한다. 일반적으로, X선 유동은 초당 접촉되고 그리고 접촉하지 않게 되는 물질의 면적에 비례한다. 선행 작업과의 비교를 위해, 도8은 2008년 10월 23일 자 Nature 455 및 2010년 Applied Physics B 99에 제시된 데이터와의 비교를 포함한다.
도8은 서로 다른 시스템들에서 회전 속도에 대한 함수로 X선 유동을 도시한다. 흑색의 정사각형은 스카치 테이프를 박리한 우리의 선행 공개 결과에서 발췌된 것을 나타낸다. Nature Supplementary로 표시된 것은 폭 2 cm의 테이프를 20 cm/s로 박리함으로써 선행 공개된 X선 이미지들을 획득하기 위해 사용된 통합적인 유동을 나타낸다. 수치 2 Nature는 2 cm의 테이프를 3.6 cm/s로 박리할 경우의 통합적인 유동이다. 수치 3 APB는 1.5 mm의 테이프 조각을 3.6 cm/s로 박리할 경우 얻어진 유동이다. 정사각형들은 폭 2 cm의 스카치 테이프를 박리할 경우의 데이터를 나타내고, 이러한 시스템은 또한 회전 속도에 선형적으로 비례함을 보여준다. 적색의 점들은 테이프 배킹(폴리에틸렌으로 처리된)에 접촉하는 납 롤러로부터 얻어진 데이터를 나타낸다. 삽도는 대표적 속도들에 대한 평균화된 값들을 나타낸다.
도9의 위의 곡선에서, 테이프(폴리에틸렌으로 처리된) 롤의 배킹에 대해 회전하는 납의 X선 스펙트럼은 특성 납 L-선을 보여준다. 이것은 납이 테이프 배킹에 대해 양으로 충전하고 전자 타겟이 된다는 점을 명백하게 보여준다. 동일한 실험적 조건에서 우리는 접착면이 노출된(sticky-side-out) 스카치 테이프 롤에 대한 테이프 배킹 롤로부터의 X선 방출을 측정하였다(도9의 아래의 곡선). 이들 두 시스템들에서의 X선 유동의 차이는 타켓 물질의 원자량(Z)을 변화시킴으로써 높은 에너지 전자들이 X선으로 전환되는 효율을 제어하기 위한 방법을 제시한다. 이러한 결과들은 또한 서로 다른 물질들로 구성된 하나의 롤러가 접촉 지점의 기능처럼 방출을 제어하는데 사용될 수 있다는 것을 나타낸다.
접촉 운동으로부터의 X선 방출은 X선 버스트를 야기할 수 있다(도 10). 이러한 측정들은 폴리에틸렌 롤러에 대한 납 롤러로부터의 X선 펄스가 10-20 ns 지속된다는 것을 나타낸다. 이것은 결과적으로 약 1 mm의 방전 거리 및 약 1x1011 e-/cm2의 전하 밀도를 암시한다[Nature 455, 2008년 10월 23일]. 이러한 결과들은 본 발명의 X선 소스가 공간에서 평행하게 되고 이윽고 좁아진다는 것을 나타낸다.
접촉 운동으로부터 방출되는 X선들의 스팩트럼은 물질들의 구성에 의해 제어될 수 있다. 도11은 몰리브덴 롤러에 대한 폴리머로부터의 스펙트럼과 비교하여 납 롤러에 대한 동일한 폴리머 롤러로부터의 스펙트럼을 도시한다. 몰리브덴 롤러로부터의 X선 방출은 특성 K 선들에 의해 두드러지고 X선 에너지 스펙트럼의 제어를 보여준다. 이러한 스펙트럼의 분포는 현재의 유방조영술 시스템에서 일반적이다. 이 소스는 대조적 확장 X선 이미징(contrast enhanced x-ray imaging)에 유용할 수 있다. 표면의 절반이 하나의 금속으로 덧씌워지고 나머지 절반은 다른 것으로 덧씌워진 롤러를 사용한 예에서, 회전에 싱크된 서로 다른 에너지의 번갈아 나타나는 X선 스펙트럼을 야기한다.
본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스는 작은 소스 크기는 물론 에너지 스펙트럼을 좁히도록 타겟 물질의 특성 X선 라인들을 이용함으로써 위상차 이미징에 또한 사용될 수 있다. 다수의 평행한 롤러들이 그리드를 대신하여 수직 소스들의 배열로 동작할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스는 X선 토모그래피에 또한 사용될 수 있다. 특히, 서로 다른 소스들의 배열은 소스의 이동없이 다수의 X선 이미지들을 획득하도록 사용될 수 있다.
접촉하는 롤러들로부터의 X선 방출로 획득한 X선 이미지들의 예시가 도12a 내지 도15에 도시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스는 전력이 없이 X선 이미징에 유용한 휴대성이 있고, 기계적으로 동작되는 X선 소스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 선형 카드뮴텔루라이드 X선 검출기와의 결합은 에너지 분해 X선 이미징(energy resolved x-ray imaging)을 획득하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 디지털 유방 단층영상합성기기와 같은 토모그래피 재구성에 사용될 수 있다(도13).
본 발명의 실시 예에 따른 X선 소스는 X선 형광분석(x-ray fluorescence)에 또한 사용될 수 있다.
본 명세서에서 설명 및 검토된 실시 예들은 통상의 기술자에게 본 발명을 어떻게 이루고 사용하는 지를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서, 특정의 용어가 명료성의 목적으로 이용된다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택된 특정 용어로 제한되지 않는다. 본 발명의 전술한 실시 예들은 상기의 설명에 비추어 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경 또는 변화될 수 있다. 따라서, 특허청구범위 및 이의 균등물의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

Claims (28)

  1. 포함 용기;
    상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치된 제1 롤러;
    상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치되고 상기 제1 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제2 롤러; 및
    상기 제1 및 제2 롤러들 중 적어도 하나와 연결된 구동 어셈블리를 포함하되,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제1 및 제2 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제1 및 제2 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1 및 제2 롤러들을 회전시키고,
    상기 제1 롤러는 적어도 일부가 제1 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제2 롤러는 적어도 일부가 제2 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제1 마찰 전기 물질은 상기 제2 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가지고,
    상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고, 그리고,
    상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택되는 X선 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포함 용기는 상기 포함 용기의 나머지 부분에 비해 x선에 투명한 x선 창을 구비하는 X선 소스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포함 용기는 10-1　torr 미만인 진공을 유지하도록 구성된 X선 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포함 용기는 10-9　torr 초과이고 10-3　torr 미만인 진공을 유지하도록 구성된 X선 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉 동안 적어도 두 개의 서로 다른 x선 스펙트럼들이 생성되도록 서로 다른 마찰 전기 물질들의 적어도 두 개의 표면 영역들을 가지는 X선 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동 어셈블리는 전기 모터를 포함하는 X선 소스.
  7. 제1항에 있어서,
    배터리, 캐패시터, 또는 슈퍼 캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 전력 저장 요소를 더 포함하는 X선 소스.
  8. 제7항에 있어서,
    광전지 소자를 더 포함하는 X선 소스.
  9. 제7항에 있어서,
    수동 충전기를 더 포함하는 X선 소스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구동 어셈블리는 수동 기계 장치를 포함하는 X선 소스.
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치되고 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러 중 적어도 하나와 구름 접촉하도록 배치된 제3 롤러를 더 포함하되,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제1, 제2 및 제3 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제1 및 제2 롤러들 중 상기 적어도 하나의 일부들이 상기 제3 롤러와 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1, 제2 및 제3 롤러들을 회전시키고,
    상기 제3 롤러는 적어도 일부가 제3 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제3 마찰 전기 물질은 상기 제1 및 제2 마찰 전기 물질들 중 적어도 하나에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가지고, 그리고,
    상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질, 상기 제3 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1, 제2 및 제3 롤러들 간의 구름 접촉이 실질적으로 동시에 적어도 둘의 롤러 접촉들을 따라 X선을 생성하도록 선택되는 X선 소스.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치된 제3 롤러; 및
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치되고 상기 제3 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제4 롤러를 더 포함하되,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제3 및 제4 롤러들 중 적어도 하나와 연결되고,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제3 및 제4 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제3 및 제4 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제3 및 제4 롤러들을 회전시키고,
    상기 제3 롤러는 적어도 일부가 제3 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제4 롤러는 적어도 일부가 제4 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제3 마찰 전기 물질은 상기 제4 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가지고,
    상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고, 그리고,
    상기 제3 마찰 전기 물질, 상기 제4 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제3 및 제4 롤러들 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택되는 X선 소스.
  13. 제1항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치되고 상기 구동 어셈블리와 연결된 복수의 롤러들의 쌍들을 더 포함하되,
    상기 복수의 롤러들의 쌍들의 각각의 롤러는 표면의 적어도 일부가 상기 복수의 롤러들의 쌍들 각각 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택된 상응하는 마찰 전기 물질인 X선 소스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마찰 전기 물질들 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 롤러들 중 하나로부터 상기 제1 및 제2 롤러들 중 다른 하나로 이동하는 전자들에 의해 들뜨게 될 수 있는 들뜬 양자 에너지 상태를 가지는 구성 요소로 원자 성분을 포함하고,
    상기 원자 성분은 상기 X선 소스가 X선의 좁은 에너지 대역을 생성하도록 상기 들뜬 상태로부터 더 낮은 에너지 상태로 천이할 때 적어도 하나의 좁은 에너지 대역 안의 에너지를 가지는 X선을 방출하는 X선 소스.
  15. X선 소스; 및
    X선 검출기를 포함하되,
    상기 X선 소스는,
    포함 용기;
    상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치된 제1 롤러;
    상기 포함 용기 내부에 적어도 일부가 배치되고 상기 제1 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제2 롤러; 및
    상기 제1 및 제2 롤러들 중 적어도 하나와 연결된 구동 어셈블리를 포함하고,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제1 및 제2 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 실질적으로 선형인 접촉 영역을 따라서 상기 제1 및 제2 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1 및 제2 롤러들을 회전시키고,
    상기 제1 롤러는 적어도 일부가 제1 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제2 롤러는 적어도 일부가 제2 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제1 마찰 전기 물질은 상기 제2 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가지고,
    상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고,
    상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉이 상기 실질적으로 선형인 접촉 영역을 따라서 X선을 생성하도록 선택되고, 그리고,
    상기 X선 검출기는 상기 X선 소스로부터 X선을 검출하도록 구성되고 배치된 선형 검출기를 포함하는 X선 이미징 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 포함 용기는 상기 포함 용기의 나머지 부분에 비해 x선에 투명한 x선 창을 구비하는 X선 이미징 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 포함 용기는 10-1　torr 미만인 진공을 유지하도록 구성된 X선 이미징 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 포함 용기는 10-9　torr 초과이고 10-3　torr 미만인 진공을 유지하도록 구성된 X선 이미징 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 롤러들 간의 구름 접촉 동안 적어도 두 개의 서로 다른 x선 스펙트럼들이 생성되도록 서로 다른 마찰 전기 물질들의 적어도 두 개의 표면 영역들을 가지는 X선 이미징 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 구동 어셈블리는 전기 모터를 포함하는 X선 이미징 시스템.
  21. 제15항에 있어서,
    배터리, 캐패시터, 또는 슈퍼 캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 전력 저장 요소를 더 포함하는 X선 이미징 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    광전지 소자를 더 포함하는 X선 이미징 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    수동 충전기를 더 포함하는 X선 이미징 시스템.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 구동 어셈블리는 수동 기계 장치를 포함하는 X선 이미징 시스템.
  25. 제15항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치되고 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러 중 적어도 하나와 구름 접촉하도록 배치된 제3 롤러를 더 포함하되,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제1, 제2 및 제3 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제1 및 제2 롤러들 중 상기 적어도 하나의 일부들이 상기 제3 롤러와 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제1, 제2 및 제3 롤러들을 회전시키고,
    상기 제3 롤러는 적어도 일부가 제3 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제3 마찰 전기 물질은 상기 제1 및 제2 마찰 전기 물질들 중 적어도 하나에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가지고, 그리고,
    상기 제1 마찰 전기 물질, 상기 제2 마찰 전기 물질, 상기 제3 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제1, 제2 및 제3 롤러들 간의 구름 접촉이 실질적으로 동시에 적어도 둘의 롤러 접촉들을 따라 X선을 생성하도록 선택되는 X선 이미징 시스템.
  26. 제15항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치된 제3 롤러; 및
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치되고 상기 제3 롤러와 구름 접촉하도록 배치된 제4 롤러를 더 포함하되,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제3 및 제4 롤러들 중 적어도 하나와 연결되고,
    상기 구동 어셈블리는 상기 제3 및 제4 롤러들이 회전하는 동안 상기 포함 용기 내부에서 상기 제3 및 제4 롤러들의 일부들이 접촉하도록 그리고 접촉하지 않도록 하는 접촉 동안 상기 제3 및 제4 롤러들을 회전시키고,
    상기 제3 롤러는 적어도 일부가 제3 마찰 전기 물질인 표면을 가지고 상기 제4 롤러는 적어도 일부가 제4 마찰 전기 물질인 표면을 가지고, 상기 제3 마찰 전기 물질은 상기 제4 마찰 전기 물질에 대해서 음의 마찰 전기 포텐셜을 가지고,
    상기 포함 용기는 제어되는 대기 환경을 제공하도록 구성되고, 그리고,
    상기 제3 마찰 전기 물질, 상기 제4 마찰 전기 물질 및 상기 제어되는 대기 환경은 상기 제3 및 제4 롤러들 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택되는 X선 이미징 시스템.
  27. 제15항에 있어서,
    적어도 일부가 상기 포함 용기 내부에 배치되고 상기 구동 어셈블리와 연결된 복수의 롤러들의 쌍들을 더 포함하되,
    상기 복수의 롤러들의 쌍들의 각각의 롤러는 표면의 적어도 일부가 상기 복수의 롤러들의 쌍들 각각 간의 구름 접촉이 X선을 생성하도록 선택된 상응하는 마찰 전기 물질인 X선 이미징 시스템.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마찰 전기 물질들 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 롤러들 중 하나로부터 상기 제1 및 제2 롤러들 중 다른 하나로 이동하는 전자들에 의해 들뜨게 될 수 있는 들뜬 양자 에너지 상태를 가지는 구성 요소로 원자 성분을 포함하고,
    상기 원자 성분은 상기 X선 소스가 X선의 좁은 에너지 대역을 생성하도록 상기 들뜬 상태로부터 더 낮은 에너지 상태로 천이할 때 적어도 하나의 좁은 에너지 대역 안의 에너지를 가지는 X선을 방출하는 X선 이미징 시스템.
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