KR20140079320A - X선관 - Google Patents

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KR20140079320A
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Abstract

본 발명은, 내부에 하나 이상의 캐소드(2)와 애노드(3)가 각각 하나 이상의 절연 부재(4)에 의해 절연되도록 배치되어 있는 진공 하우징(1)을 구비한 X선관에 관한 것으로, 상기 캐소드(2)는 고전압(UC)의 인가 시 전자들을 방출하고, 이들 전자는 전자 빔으로서 애노드 상에 충돌하며, 상기 X선관은, 전압 섬락의 발생 시 방전기(10, 11)를 통해 전압 방전이 수행되도록 절연 부재(4)에서의 전계 강도보다 더 높은 전계 강도를 가진 절연 구역(s)을 포함하는 방전기(10, 11)를 특징으로 한다. 상기 유형의 X선관에서 기능 부재들은 전체 작동기간에 걸쳐 과전압으로부터 신뢰성 있게 보호된다.

Description

X선관{X-RAY TUBE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 X선관에 관한 것이다.
상기 유형의 X선관은, 그 내부에 하나 이상의 캐소드와 애노드가 각각 하나 이상의 절연 부재로 절연되어 배치되는 진공 하우징을 포함하며, 캐소드(평면 이미터, 나선형 필라멘트)는 고전압의 인가 시 애노드 상에 전자 빔으로서 충돌하는 전자들을 방출한다.
전자 빔은 애노드 쪽을 향해 가속되어 애노드의 표면에 충돌한다. 이를 통해, 애노드 재료에서, 진공 하우징에서 X선 방출창(X-ray exit window)으로부터 유효 X선 방사선으로서 배출되고 예컨대 의료 분야 또는 비의료 분야에서 영상 진단법(imaging procedure)에 이용될 수 있는 X선 방사선이 생성된다.
특히 회전형 애노드(회전 양극 X선관 또는 회전 피스톤 X선관)의 경우, 애노드의 회전이 보상되어야 한다. 이는 편향 전극들에 의해 수행된다. 이 경우, 좁은 설치 공간에서도, 캐소드에 (예컨대 포커싱 헤드에) 매우 가깝게 배치되어 캐소드 전압에 가변 편향 전압을 인가하고 유지할 수 있는 편향 전극들을 이용하여 전자 빔의 매우 우수한 집속이 달성된다. 상기 유형의 편향 전극들은 캐소드에 대해, 예컨대 포커싱 헤드에 대해 절연되어 배치되어야 한다. 이를 위해 필요한 절연 부재들은 예컨대 유리 또는 세라믹 피드스루로서 구현되지만, 캐소드 전압(캐소드의 HV 전위)과 관련이 있다.
캐소드의 영역에서의 가용 설치 공간으로 인해, 절연 부재들의 크기는 정상 작동 모드를 위해서만 구성될 수 있고 이 경우 문제가 되지도 않는다.
기술적으로 불가피한 "아크 발생(Arcing)"의 경우, 전술한 예시에서 캐소드에 관련된 전위 강하가 설정된다. "아크 발생"이란 개념은, 일시적으로, 다시 말해 우연히, 시간상 예측 불가능하게 발생하는 전압 섬락 및 전압 항복(공칭 전압의 공차 범위가 초과되는 경우)을 지칭한다.
편향 전극들 중 하나 이상의 편향 전극의 전위 및/또는 포커싱 헤드의 전위는 전술한 전위 강하에 의해 시간 분해 방식으로 감소한다. 절연되어 배치된 또 다른 편향 전극들은 잠시 완전 전위 상태에 머무르며, 이때 경우에 따라 추가로 상기 편향 전극들에 편향 전압이 계속 인가된다.
고전압은 캐소드에서 직접 발생하지 않기 때문에, 포커싱 헤드가 편향 전극들과 함께 동일한 전위로 조정될 때까지 소정의 시간이 지속된다. 그동안, 거의 전체 전압이 편향 전극들의 절연 부재들을 통해 강하한다. 이 경우, 해당 위치에서는 아크 발생 직후에 편향 전극들의 민감한 절연 부재들의 파괴를 가속시킬 수 있는 추가 방전이 발생할 수 있다. 이는, 고에너지 방전으로 인해, 절연 부재들에서의 방전 흔적 외에도, 진공 하우징 내 진공 및 그와 더불어 X선관의 작동에 있어 매우 불리한 절연 부재들에서의 재료 박리를 초래한다.
앞서 설명한 문제는 캐소드뿐만 아니라, 예컨대 애노드, 후방산란 집전봉 또는 편향 장치들과 같이 X선관의 진공 하우징 내에 절연되어 배치된 모든 추가 기능 부재들의 경우에도 발생한다.
그러므로 본 발명의 과제는, 그 기능 부재들이 전체 작동기간에 걸쳐 과전압으로부터 신뢰성 있게 보호되는 X선관을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라서 청구항 제1항에 따른 X선관에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 X선관의 바람직한 구현예들은 각각 추가 청구항들의 대상이다.
청구항 제1항에 따른 X선관은, 내부에 하나 이상의 캐소드와 애노드가 각각의 절연 부재에 의해 절연되어 배치되어 있는 진공 하우징을 포함하며, 상기 캐소드는 고전압의 인가 시, 전자 빔으로서 애노드 상에 충돌하는 전자들을 방출한다. 본 발명에 따라 청구항 제1항에 따른 X선관은 방전기를 포함하며, 상기 방전기는 전압 섬락의 발생 시 방전기를 통해 방전이 수행되도록, 절연 부재에서의 전계 강도보다 더 높은 전계 강도를 갖는 절연 구역을 구비한다.
방전기의 절연 구역의 전계 강도가 절연 부재에서의 전계 강도보다 더 높음으로써, 방전기에서의 항복 가능성이 상대적으로 더 높아지며, 그럼으로써 관련된 절연 부재는 손상으로부터 신뢰성 있게 보호된다.
본 발명에 따른 조치를 통해, 진공 하우징 내에 절연되어 배치된 기능 부재들(예: 포커싱 헤드)의 파괴성 방전 메커니즘이 신뢰성 있게 방지된다. 청구항 제1항에 따른 X선관 내에 배치된 방전기를 통해, 일반적으로, 각각의 기능 부재들과 관련된 절연 부재들 사이에 "전기적 설정 파괴점"이 확보된다. 파괴성 방전 메커니즘을 야기할 수 있는 큰 전위차의 경우, 항상 절연 부재들보다 더 빠르게 섬락 또는 항복되는 상기 설정 파괴점에 의해, 절연 부재들의 전기 부하가 극복된다.
따라서 본 발명에 따른 X선관은 하기 요건들을 충족한다.
● 방전기는 X선관의 작동 범위(10-8mbar 내지 10-4mbar의 조건에서 20℃ 내지 2000℃)에 걸쳐 고진공에 적합하다.
● 정상 작동 모드(포커싱 헤드에서의 그리드 차단 작동 모드, 예컨대 약 6kV의 집속 전압)에서, 방전기는 절대적으로 내단락성을 갖는다.
● 아크 발생 시, 방전기는 고전압 기술의 측면에서 절연 부재들보다 "더 약하다."
● 그에 따라 방전기는 절연 부재들보다 더 빠르게 "점화된다".
● 이는 절연 부재들에서 사소한 마모흔 및 성능저하 현상을 초래할 뿐이다.
따라서 본 발명에 따른 X선관은 그 기능 부재들의 효과적인 보호를 위해, 발생할 수 있는 과전압에 적합하게 설계됨에 따라 구조적으로 너무 크고 너무 무겁게 구성되어야 하는 절연 부재들을 필요로 하지 않는다. 따라서 청구항 제1항에 따른 X선관의 경우, 절연 부재들의 부피 및 중량은 약간만 증가한다.
본 발명의 범주에서, 방전기는 X선관의 진공 하우징 내에 절연되어 배치된 다양한 기능 부재들을 과전압으로부터 보호할 수 있다.
그러므로 청구항 제2항에 따른 바람직한 구현예에 따라, 방전기는 캐소드의 포커싱 헤드 상에 배치되고, 이때 캐소드는 하나 이상의 편향 전극을 포함한다. 이러한 조치를 통해 캐소드의 절연 부재들은 과전압에 의한 손상으로부터 신뢰성 있게 보호된다.
청구항 제3항에 따른 X선관의 바람직한 실시예의 경우, 방전기는 하나 이상의 제1 보호 전극과 하나 이상의 제2 보호 전극을 포함하며, 이들 제1 및 제2 보호 전극은 상호 간에 사전 설정된 이격 간격을 갖는다. 상기 이격 간격은 방전기의 절연 구역을 정의한다.
청구항 제4항에 따른 매우 바람직한 구현예의 경우, 하나 이상의 제1 보호 전극이 포커싱 헤드 상에 배치되고 하나 이상의 제2보호 전극은 하나 이상의 편향 전극 상에 배치된다. 청구항 제5항에 따른 바람직한 실시예에 따라서, 포커싱 헤드는 하나 이상의 제1 보호 전극을 형성한다. 그 대안으로 또는 추가로 (청구항 제6항에 정의된 것처럼) 하나 이상의 편향 전극이 제2 보호 전극을 형성할 수 있다.
청구항 제3항 내지 제6항에 따른 구현예들의 경우, 제1 보호 전극과 제2 보호 전극 사이의 공간 내에는 각각 진공 하우징 내 전반의 진공만이 존재하기 때문에, 전압 섬락 또는 전압 항복 시 발생하는 아크는 저절로 소거된다.
청구항 제11항에 따른 또 다른 한 실시예에 따라, 방전기는 캐소드와 진공 하우징 사이에 배치된다.
청구항 제12항에 따른, 역시 바람직한 구현예에 따라, 방전기는 애노드와 진공 하우징 사이에 배치된다.
그 밖에도, 청구항 제13항에 따른 실시예에 따라, 방전기는 캐소드와 애노드 사이에 배치될 수 있다.
제1 보호 전극 및 제2 보호 전극의 경우, 내진공성 금속 전극 재료로서 예컨대 몰리브덴이 특히 적합한 것으로 입증되었다.
X선관의 작동 조건들 및/또는 보호할 기능 부재들의 유형 및 개수에 따라, 제1 보호 전극 및 제2 보호 전극의 구현예들에 대해 각각 다양한 윤곽(대칭형 또는 비대칭형 배치)이 바람직하게 실현될 수 있다.
청구항 제7항에 따른 바람직한 실시예의 경우, 하나 이상의 제1 보호 전극이 구상 윤곽을 갖는다.
그 대안으로 또는 추가로, 청구항 제8항에 따른 구현예에 따라 하나 이상의 제2 보호 전극이 구상 윤곽을 가질 수 있다.
청구항 제9항에 따른 실시예의 경우, 하나 이상의 제1 보호 전극이 판형 윤곽을 갖는다.
청구항 제10항에 따른 한 추가 변형예는, 하나 이상의 제2 보호 전극이 판형 윤곽을 갖는 것을 특징으로 한다.
각각의 적용 사례에 따라서, 앞서 기술한 실시예들은 가능한 전극 형태와 관련하여 복수의 바람직한 조합을 가능하게 하며, 그럼으로써 아크가 발생하지 않거나 강력히 축소된 아크만 발생하는데, 그 이유는 제1 및 제2 보호 전극이 미세 팁(micro tip)을 포함하지 않기 때문이다. 따라서 기능 부재들의 절연 부재들에서 매우 사소한 마모흔 및 성능저하 현상만 발생할 뿐이다.
전술한 두 보호 전극의 윤곽들의 대안으로, 보호 전극들의 다른 윤곽들도 가능하다. 이에 대한 예로 보르다(Borda) 내지 로고스키(Rogowski) 프로파일이 있다.
전술한 전극 형태들은 약한 불균일 전계를 초래하며, 그 결과 X선관의 정상 작동 모드에서 보호 전극의 불필요한 사전 방전이 방지된다.
하기에서는 개략적으로 도시된 본 발명의 실시예를 도면을 참고로 더 상세히 설명하며, 본 발명은 상기 실시예로만 국한되지는 않는다.
도 1은 종래 기술에 따르는 X선관이다.
도 2는 본 발명에 따른 X선관의 일 실시예이다.
도 3은 캐소드의 영역 내 방전기이다.
도 4는 편향 전극과 보호 전극 사이의 이격 간격에 따른 전계 강도 곡선이다.
도 1에는 진공 하우징(1)이 도시되어 있고, 이 진공 하우징 내부에는 캐소드(2)와 애노드(3)가 복수의 절연 부재에 의해 절연되어 배치된다. 편의상 캐소드(2)를 위한 2개의 절연 부재(4)만 도시되어 있다.
캐소드 전압(UC)(고전압)의 인가 시, 캐소드(2)는 공지된 방식으로 전자들을 방출하고, 이들 전자는 애노드 전압(UA)이 인가되어 있는 애노드(3) 상에 전자 빔(5)으로서 충돌한다. 애노드(3)의 재료 내에서 전자 빔(5)의 전자들이 초점에서 X선 방사선(6)을 생성한다. X선 방사선(6)은 진공 하우징(1)에서 X선 방출창(7)으로부터 유효 X선 방사선으로서 배출된다.
캐소드(2)는 포커싱 헤드(8)를 포함하고, 이 포커싱 헤드 상에는 절연 부재들(4)을 통해 복수의 편향 전극(9)이 배치된다. 편의상 편향 전극들(9) 중에서 마찬가지로 2개만 도시되어 있다. 편향 전극들에 편향 전압(UD)이 인가된다. 편향 전압(±UD)과 함께 캐소드 전압(UC)을 인가함으로써 전자 빔(5)을 목표한 바대로 조정할 수 있다.
도 2에 도시된 X선관도 마찬가지로, 그 내부에 캐소드(2) 및 애노드(3)가 각각 하나 이상의 절연 부재에 의해 절연되어 배치된 진공 하우징(1)을 포함하며, 여기서도 역시 캐소드(2)를 위한 2개의 절연 부재(4)만 도시되어 있다.
캐소드 전압(UC)(고전압)의 인가 시, 캐소드(2)는 공지된 방식으로 전자들을 방출하며, 이들 전자는 애노드 전압(UA)이 인가되어 있는 애노드(3) 상에 전자 빔(5)으로서 충돌한다. 애노드(3)의 재료 내에서 전자 빔(5)의 전자들이 초점에서 X선 방사선(6)을 생성한다. X선 방사선(6)은 진공 하우징(1)에서 X선 방출창(7)으로부터 유효 X선 방사선으로서 배출된다.
캐소드(2)는 포커싱 헤드(8)를 포함하며, 이 포커싱 헤드 상에는 절연 부재들(4)을 통해 복수의 편향 전극(9)이 배치된다. 편의상, 역시 2개의 편향 전극(9)만 도시되어 있다. 편향 전극들에 편향 전압(UD)이 인가된다. 편향 전압(±UD)과 함께 캐소드 전압(UC)을 인가함으로써, 전자 빔(5)을 목표한 바대로 조정할 수 있다.
기술적으로 불가피한 전압 섬락 및 전압 항복의 경우(공칭 전압의 공차 범위가 초과되는 경우), 전술한 예시에서 캐소드(2)에 관련된 전위 강하가 설정된다. 일시적으로, 다시 말해 우연히, 시간상 예측 불가능하게 발생하는 전압 섬락 내지 전압 항복을 "아크 발생"이라고도 한다.
편향 전극들(9) 중 하나 이상의 편향 전극의 전위(UD) 및/또는 포커싱 헤드(8)의 전위(UK)는 전술한 전위 강하에 의해 시간 분해 방식으로 감소한다. 절연 배치되는 또 다른 편향 전극들(9)은 잠시 완전 전위 상태(UC)로 존재하며, 이 경우 필요에 따라 추가로 편향 전압(UD)이 상기 편향 전극들(9)에 계속 인가된다.
고전압은 캐소드(2)에서 직접 생성되지 않기 때문에, 포커싱 헤드(8)가 편향 전극들(9)과 함께 동일한 전위로 조정될 때까지 소정의 시간이 지속된다. 그동안, 거의 전체 전압이 편향 전극들(9)의 절연 부재들(4)을 통해 강하한다. 이 경우, 해당 위치에서는 아크 발생 직후에 편향 전극들(9)의 민감한 절연 부재들(4)의 파괴를 가속화할 수 있는 추가 방전이 발생할 수 있다. 이는 고에너지 방전으로 인해 절연 부재들(4)에서의 방전 흔적 외에도, 진공 하우징(1) 내 진공 및 그와 더불어 X선관의 작동에 있어서 매우 불리한 절연 부재들(4)에서의 재료 박리를 초래한다.
도 1에 도시된, 종래 기술에 따른 X선관의 경우, 전체 작동기간에 걸쳐서 캐소드(3)와 특히 포커싱 헤드(8)를 과전압으로부터 신뢰성 있게 보호하기 위해, 본 발명에 따라 절연 구역을 갖는 방전기가 제공된다. 절연 구역은, 전압 섬락의 발생 시 방전기를 통해 전압 방전이 수행되는 방식으로, 절연 부재(4)에서의 전계 강도보다 더 높은 전계 강도를 갖는다.
도 2에는, 진공 하우징(1) 내에 방전기가 배치되는, 본 발명에 따른 X선관의 일 실시예가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 실시예의 경우, 방전기는 하나 이상의 제1 보호 전극(10)과 하나 이상의 제2 보호 전극(11)을 포함하며, 제1 보호 전극(10)은 제2 보호 전극(11)에 대해 각각 사전 설정된 이격 간격(s)을 갖는다. 상기 이격 간격은 방전기의 절연 구역을 정의한다. 편의상, 제1 및 제2 보호 전극들(10 및 11) 중 각각 2개만 도시되어 있다.
보호 전극들(10, 11)의 개수 및 그 형태는 간단한 방식으로 각각의 설계상 여건들 및 각각의 적용 사례에 매칭될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예의 경우, 제1 보호 전극들(10)은 포커싱 헤드(8) 상에 배치되고 제2 보호 전극들(11)은 편향 전극들(9) 상에 배치된다. 그럼으로써 절연 부재들(4)은 과전압과 그 결과에 따른 간접 손상(예: 재료 박리, 성능저하)으로부터 신뢰성 있게 보호된다.
도 3에 도시된 실시예의 경우, 방전기는, 핑거 전극으로서 형성되어 포커싱 헤드(8) 상에 배치된 제1 보호 전극(10)을 포함한다. 제2 보호 전극(11)은 편향 전극(9)에 의해 형성된다.
핑거 전극(10)(제1 보호 전극)의 헤드는 반경(r)("헤드 반경")과 편향 전극(9)에 대한 ("아크 거리"로서도 지칭되는) 이격 간격(s)을 갖는다. 반경(r) 및 이격 간격(s)(방전기의 절연 구역)의 선택을 통해, 정상 작동 모드를 위해 전계 강도가 간단한 방식으로 설정될 수 있다. 일반적으로, "볼-플레이트" 배치를 통해, 사전 방전이 신뢰성 있게 방전되는, 약한 불균일 전계가 획득된다.
도 3에 도시된 구현예에서 알 수 있듯이, 포커싱 헤드(8)의 현재 기하구조에 대한 약간의 개입을 통해, 방전기가 진공-절연 구역의 형태로 구성될 수 있다. 이러한 조치를 통해, 요컨대 포커싱 헤드(8)와 편향 전극(9) 사이에 핑거 전극(10)으로서 제1 보호 전극을 구현함으로써, 캐소드(2) 또는 애노드(3) 상에 절연되어 현수식으로 고정된 기능 부재들이 특히 과도 전위 이동으로부터 보호될 수 있다.
포커싱 헤드(8)로 향하는 공급 라인들은 대개 몰리브덴 막대들로 실현되기 때문에, 상기 몰리브덴 막대들은 예컨대 임의의 자리에 상호 간에 정의된 이격 간격으로 장착될 수 있으며, 그럼으로써 몰리브덴 막대들은 스파크 갭의 기능을 담당할 수 있게 된다. 그러나 이에 대한 전제 조건은 전기 방전에 대한 충분한 기계적 안정성 및 성능저하 저항성이 보유되어야 하는 점이다.
도 4에는, 편향 전극(9)과 제1 보호 전극(10) 사이의 3가지 이격 간격(s)에 대해 제1 보호 전극(10)의 반경(r)에 따르는 전계 강도 곡선의 그래프가 도시되어 있다.
이 경우, 가로좌표 축 상에는, 각각의 이상적인 균일 전계 강도(Ehom)로 정규화되는, 발생하는 전계 강도들(Emax)이 표시되어 있다(무차원 변수).
세로좌표 축 상에는, 제1 보호 전극(10)의 헤드 반경(r)이 ㎜ 단위로 표시되어 있다.
이 경우, 발생하는 전계 강도들(Emax)은 각각의 이상적인 균일 전계 강도(Ehom)로 정규화된다(무차원 변수). 균일 전계 강도(Ehom)는 이상적인 플레이트 커패시터를 위해 각각의 플레이트 이격 간격(s)("스파크 갭)에 의해 정의된다. 제1 보호 전극(10)의 헤드 반경(r)은 각각의 백분율 전계 상승을 결정한다.
방전기의 설계에 있어, 전계가 너무 강한 불균일성을 가지지 않고 약하게 불균일하다는 점이 중요하다. 제1 보호 전극(10)의 헤드 반경(r)이 너무 작으면 정상 작동 모드에서 의도하지 않은 저온 방출 또는 사전 방전을 초래할 수도 있다. 이와 관련한 섬락[예컨대 애도드(3)와 캐소드(2) 사이의 섬락]은 포커싱 헤드(8)에서의 과전압 시에만 비로소 발생한다.

Claims (13)

  1. 내부에 하나 이상의 캐소드(2)와 애노드(3)가 각각 하나 이상의 절연 부재(4)에 의해 절연되어 배치되어 있는 진공 하우징(1)을 구비한 X선관이며, 캐소드(2)는 고전압(UC)의 인가 시 전자들을 방출하고, 이들 전자는 전자 빔으로서 애노드에 충돌하는, X선관에 있어서,
    절연 구역(s)을 포함하는 방전기(10, 11)가 제공되며, 이 방전기는 전압 섬락의 발생 시 상기 방전기(10, 11)를 통해 전압 방전이 수행되도록 절연 부재(4)에서의 전계 강도보다 더 높은 전계 강도를 갖는 것을 특징으로 하는, X선관.
  2. 제1항에 있어서, 방전기(10, 11)는 캐소드(2)의 포커싱 헤드(8) 상에 배치되며, 상기 캐소드(2)는 하나 이상의 편향 전극(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는, X선관.
  3. 제1항에 있어서, 방전기(10, 11)는 하나 이상의 제1 보호 전극(10)과 하나 이상의 제2 보호 전극(11)을 포함하며, 이들 전극은 상호 간에 사전 설정된 간격(s)을 갖는 것을 특징으로 하는, X선관.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 하나 이상의 제1 보호 전극(10)은 포커싱 헤드(8) 상에 배치되고, 하나 이상의 제2 보호 전극(11)은 하나 이상의 편향 전극(9) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, X선관.
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 제1 보호 전극(10)은 포커싱 헤드(8)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, X선관.
  6. 제4항에 있어서, 하나 이상의 제2 보호 전극(11)은 하나 이상의 편향 전극(9)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, X선관.
  7. 제2항에 있어서, 하나 이상의 제1 보호 전극(10)은 구상 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는, X선관.
  8. 제2항에 있어서, 하나 이상의 제2 보호 전극(11)은 구상 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는, X선관.
  9. 제2항에 있어서, 하나 이상의 제1 보호 전극(10)은 판형 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는, X선관.
  10. 제2항에 있어서, 하나 이상의 제2 보호 전극(11)은 판형 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는, X선관.
  11. 제1항에 있어서, 방전기(10, 11)는 캐소드(2)와 진공 하우징(1) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, X선관.
  12. 제1항에 있어서, 방전기(10, 11)는 애노드(3)와 진공 하우징(1) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, X선관.
  13. 제1항에 있어서, 방전기(10, 11)는 캐소드(2)와 애노드(3) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, X선관.
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