KR20150090502A - 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스 - Google Patents

형광 분석용 디지털 엑스레이 소스 Download PDF

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KR20150090502A
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박헌국
류제황
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김옥균
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스를 공개한다. 이 장치는 X-선을 방출시키는 엑스레이 발생부(105)를 구비하는 엑스레이 소스에 있어서, 상기 엑스레이 발생부(105)는, 캐소드 전극(110); 상기 캐소드 전극(110) 상측에 형성되는 에미터(120); 상기 에미터(120) 상측에 위치하는 애노드 전극(130); 상기 에미터(120)와 상기 애노드 전극(130) 사이에 위치하는 게이트 전극(140); 상기 게이트 전극(140)과 상기 애노드 전극(130) 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 포커싱 전극; 및 상기 게이트 전극(140) 및 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극을 관통하여 각 전극의 위치를 고정 및 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 절연 관을 구비하고 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극을 복수개의 금속 기둥과 각각 개별적으로 체결하는 전극 체결부(180)를 포함하며, 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극 각각의 사이에 위치하여 상기 에미터(120)에서 방출되는 전자의 광로를 가이드하는 적어도 하나 이상의 광로 가이드 와셔를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

형광 분석용 디지털 엑스레이 소스{A digital x-ray source for Fluorescence Analysis}
본 발명은 디지털 엑스레이 소스에 관한 것으로서, 특히 탄소 나노 튜브 엑스레이 소스를 이용하여 X-선 형광 분석을 하는데 있어서, 에미터에서 방출되는 전자의 광로를 가이드하고, 적어도 하나 이상의 절연 관을 통하여 전극들의 고정 위치 및 상호간의 간격을 조절하며, 엑스레이 튜브 외곽의 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지하는 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스에 관한 것이다.
일반적으로 X-선 형광 분석(X-Ray Fluorescence analysis, XRF) 기술은 고전압을 이용하여 강한 X-선을 발생시켜 시료에 주사하고 형광 현상에 의하여 시료에 포함되어 있는 원소에서 고유의 2차 X-선을 발생하게 되면 이를 분광결정에 회절 시킨 후 검출하여 원소의 종류와 양을 측정하는 기술이다.
특히, 무기 시료에서부터 유기 시료까지 다양한 매질과 고체, 분말, 액체, 젤 등 여러 형태의 시료 내 베릴륨(Be)부터 폴리우레탄(polyurethane, Pu)까지 전 원소를 100 %에서 ppm 단위까지 넓은 농도 범위에서 신속하게 비파괴 분석할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 별도의 전 처리가 필요 없으며 비접촉식 측정방법으로 시료에 손상이 없고, 사용이 편리하고 장비 운영비가 적으며 결과의 재현성 및 광범위한 분석 능력을 가진다.
그런데, 종래의 X-선 형광분석기는 장기간의 X-선 기술을 응용하여 X-선 지점(spot)의 강도를 약 10배 정도 높여 가장 작은 영역 (예를 들어, 1.2 mm)에서 분석 물질을 초고감도(예를 들어, 카드뮴인 경우 1.8 ppm)로 검출이 가능하다.
따라서, 종래의 X-선 형광분석기를 이용하여 분석 물질 검출에 사용할 경우 수 ppm 정도의 농도가 되어야만 검출이 가능한 한계가 있었다.
한편, 다양한 바이오 영상 기술 중에서 X-선을 이용한 영상 기술은 X-선이 갖는 다양한 특징, 즉 짧은 파장으로 인한 고해상도 영상, 강한 투과력 때문에 내부 물질의 비파괴적 검사가 가능하며, 물질을 구성하는 특정 원소에 대한 영상과 분광 정보를 동시에 얻을 수 있고, 물질의 밀도에 따른 흡수차뿐만 아니라 위상차, 굴절, 회절 등에 의한 풍부한 영상 대조도를 얻을 수 있는 등의 많은 장점을 가지고 있다.
하지만, X-선을 이용한 영상 기술이 상기 장점들에도 불구하고 광범위하게 이용되지 못하고 있는 주된 이유는 나노 급의 고해상도 영상을 얻을 수 있는 기반 기술이 미비하고, 방사선의 피폭량 증가에 의한 안전 상의 문제 등에 원인이 있다고 할 수 있다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해서는 나노급의 고해상도 영상을 얻을 수 있고 예열이 불필요한 고속 온/오프 스위칭이 가능하며, 방사선의 피폭량이 적고 소형화가 가능하여 위치별, 용도별로 다중 배열이 가능한 탄소 나노 튜브 엑스레이 소스를 통한 사용자 특화된 X-선 형광 분석 기술 개발의 필요성이 절실한 실정이었다.
본 발명의 목적은 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 방식의 디지털 엑스레이 소스를 이용하여 X-선 형광 분석을 할 수 있는 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스를 제공하는 것이다.
또한, 엑스레이 소스 각 전극 사이에 광로 가이드 와셔를 구비하여 에미터에서 방출되는 전자의 광로를 가이드할 수 있는 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스를 제공하는 것이다.
또한, 엑스레이 발생부 내 캐소드 전극 상에 제공되는 적어도 하나 이상의 절연 관을 통하여 전극들의 고정 위치 및 상호간의 간격을 조절하고 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽에 금속과 금속 및 금속과 세라믹 브레이징할 수 있는 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스는 X-선을 방출시키는 엑스레이 발생부(105)를 구비하는 엑스레이 소스에 있어서, 상기 엑스레이 발생부(105)는, 캐소드 전극(110); 상기 캐소드 전극(110) 상측에 형성되는 에미터(120); 상기 에미터(120) 상측에 위치하는 애노드 전극(130); 상기 에미터(120)와 상기 애노드 전극(130) 사이에 위치하는 게이트 전극(140); 상기 게이트 전극(140)과 상기 애노드 전극(130) 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 포커싱 전극; 및 상기 게이트 전극(140) 및 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극을 관통하여 각 전극의 위치를 고정 및 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 절연 관을 구비하고 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극을 복수개의 금속 기둥과 각각 개별적으로 체결하는 전극 체결부(180)를 포함하며, 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극 각각의 사이에 위치하여 상기 에미터(120)에서 방출되는 전자의 광로를 가이드하는 적어도 하나 이상의 광로 가이드 와셔를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극은 상기 게이트 전극(140) 상부에 위치하는 제1 포커싱 전극(150a); 및 상기 제1 포커싱 전극(150a) 상부에 위치하는 제2 포커싱 전극(150b);을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 적어도 하나 이상의 광로 가이드 와셔는 상기 캐소드 전극(110)과 상기 게이트 전극(140) 사이에 위치하는 제1 광로 가이드 와셔(172); 상기 게이트 전극(140)과 상기 제1 포커싱 전극(150a) 사이에 위치하는 제2 광로 가이드 와셔(174); 및 상기 제1 포커싱 전극(150a)과 상기 제2 포커싱 전극(150b) 사이에 위치하는 제3 광로 가이드 와셔(176);를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 전극 체결부(180)는 상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 캐소드 전극(110) 사이를 절연 및 체결하는 제1 절연 관(182); 상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 게이트 전극(140) 사이를 절연 및 체결하는 제2 절연 관(184); 상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 제1 포커싱 전극(150a) 사이를 절연 및 체결하는 제3 절연 관(186); 및 상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 제2 포커싱 전극(150b) 사이를 절연 및 체결하는 제4 절연 관(188);을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 에미터(120)는 면광원 형태 및 점광원 형태 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 적어도 하나 이상의 절연 관은 외주벽에 홀을 구비하고, 그 내부가 빈 중공형 형태로 형성되며, 상기 홀을 통하여 상기 적어도 하나 이상의 절연 관의 내부에 위치하는 상기 복수개의 금속 기둥(161)이 외부 전원과 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 적어도 하나 이상의 절연 관은 상기 게이트 전극(140)과 상기 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b) 각각의 고정 위치를 조절하여 상기 에미터(120)로부터 방출되는 전자의 궤적을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 상기 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽은 상기 에미터(120)가 방출한 전자가 충돌하여 반사되면서 X-선을 발생시키는 상기 애노드 전극(130); 상기 애노드 전극(130) 하단에 조립되어 외벽에 구비된 개구에 장착되는 윈도우(191)를 지지시키는 윈도우 지지대(192); 상기 윈도우 지지대(192) 하단에 조립되어 상기 애노드 전극(130)과 상기 캐소드 전극(110)을 절연하여 분리시키는 튜브 스페이서(194); 상기 튜브 스페이서(194) 하단에 조립되어 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 지지하는 전극 지지부(196); 및 상기 전극 지지부(196) 하단에 조립되어 상기 복수개의 금속 기둥(161)을 통하여 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 연결하는 전극 연결부(198);를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스는 상기 윈도우 지지대(192)의 구리-코바 브레이징, 상기 튜브 스페이서(194)의 코바세라믹 브레이징, 상기 전극 지지부(196)의 세라믹 코바 브레이징 및 상기 전극 연결부(198)의 코바 강철 브레이징을 통해 상기 엑스레이 튜브의 고진공을 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 엑스레이 형광 분석 장치는 상기 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스(100); 상기 방출된 X-선을 인가받아 피검체의 면적에 적합하도록 광조사 면적을 조절하는 콜리메이터(20); 상부면에 상기 피검체를 위치시키고, 상기 광조사 면적이 조절된 X-선을 조사받아 상기 피검체의 형광 X-선을 발생시키는 검출 카트리지(30); 상기 발생된 형광 X-선을 집광하여 선택적으로 필터링하여 노이즈를 제거하는 엑스레이 필터(50); 및 상기 필터링된 형광 X-선을 인가받아 상기 피검체를 구성하는 원소들을 검출하여 전기신호로 변환시켜 출력하는 엑스레이 디텍터(60);를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 엑스레이 형광 분석 장치는 상기 X-선을 생성하기 위한 고전압을 발생시키는 고전압 발생기(10); 상기 엑스레이 필터(50)의 전후에 구비되어 피검체를 구성하는 원소들에 따라 개구의 크기를 조절하여 형광 X-선의 선량 및 분해능을 제어하는 개구부(40); 및 상기 전기신호를 인가받아 상기 원소들의 종류와 함유량을 분석하는 원소 분석부(70);를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의할 경우, 디지털 엑스레이 소스를 이용하여 식품 내 중금속 함유 여부뿐 아니라, 생체 시료에 대해서도 적절한 형태의 프로브를 부착하고, 초고해상도의 신속 정확한 검출이 가능하다.
또한, 에미터에서 방출되는 전자의 광로를 가이드함으로써 엑스레이 발생부 내 절연 관의 코팅을 방지하여 각 전극을 보호함으로써 엑스레이 소스의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽에 금속과 금속 및 금속과 세라믹 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지할 수 있다.
또한, 엑스레이 소스의 각 전극들을 복수개의 금속 기둥과 개별적으로 절연 및 체결함으로써 각 전극들과 복수개의 금속 기둥 사이의 계면에 잔존 할 수 있는 미세한 공기층을 제거하여 기밀성을 유지할 수 있다.
또한, 방사선의 피폭량이 적고 소형화 및 모듈화가 가능하여 위치별, 용도별로 다중 배열이 가능하고, 엑스레이 시스템의 형태 및 기능이 다양화된다.
도 1은 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스를 포함한 디지털 엑스레이 형광 분석 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스 내 전극 체결부(180)의 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽에 대한 단면 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스를 포함한 디지털 엑스레이 형광 분석 장치의 개략적인 구성도로서, 고전압 발생기(10), 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스(100), 콜리메이터(20), 검출 카트리지(30), 개구부(40), 엑스레이 필터(50), 엑스레이 디텍터(60) 및 원소 분석부(70)를 구비한다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 각 구성의 기능을 설명하면 다음과 같다.
고전압 발생기(10)는 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스에서 엑스레이를 생성하기 위한 고전압을 발생시킨다.
형광 분석용 디지털 엑스레이 소스(100)는 엑스레이 발생부, 브래이징부 및 윈도우를 구비하고 고전압 발생기(10)에서 발생한 고전압을 인가받아 검출 카트리지(30)의 상측에서 피검체에 조사될 X-선을 발생시킨다.
여기에서, 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스(100)는 촬영하고자 하는 피검체의 종류 및 엑스레이 시스템의 사용 환경에 따라 선형, 면형, 곡선형 및 이의 조합 중 어느 하나의 다양한 형태로 배열될 수 있고, 그 배열 밀도가 조절될 수 있다.
콜리메이터(collimator, 20)는 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스에서 발생된 X-선을 인가받아 원치 않은 영역으로 조사되어 방사선의 피폭과 장비의 오작동을 방지하기 위하여 피검체의 면적에 적합하도록 광조사 면적을 조절한다.
검출 카트리지(30)는 상부면에 피검체를 위치시키고, 콜리메이터(20)에서 광조사 면적이 조절된 엑스레이를 조사받아 피검체를 구성하는 원소들의 독특한 X-선인 형광 X-선을 발생시킨다.
엑스레이 필터(50)는 피검체에서 발생된 형광 X-선을 집광하여 선택적으로 필터링하여 노이즈를 제거하고 연속엑스레이 스펙트럼을 감소시켜 통과시킨다.
이때, 개구부(40)는 엑스레이 필터(50)의 전후에 구비되어 피검체를 구성하는 원소들에 따라 개구의 크기를 조절하여 형광 X-선의 선량 및 분해능을 제어한다.
엑스레이 디텍터(60)는 엑스레이 필터(50)에서 필터링된 형광 X-선을 인가받아 피검체를 구성하는 원소들을 검출하여 전기신호로 변환시켜 출력한다.
원소 분석부(70)는 엑스레이 디텍터(60)로부터 전기신호를 인가받아 상기 원소들의 종류와 함유량을 분석한다.
도 2는 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스(100)의 단면도로서, 캐소드 전극(110), 에미터(120), 애노드 전극(130), 게이트 전극(140), 포커싱 전극(150), 복수개의 금속 기둥(161), 광로 가이드 와셔(170) 및 전극 체결부(180)를 구비하는 엑스레이 발생부(105)를 포함한다. 전극 체결부(180)는 제1 내지 제4 절연 관(182, 184, 186, 188)을 구비하고, 광로 가이드 와셔(170)는 제1 내지 제3 광로 가이드 와셔(172, 174, 176)를 구비한다.
도 3은 도 1에 도시된 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스 내 전극 체결부(180)의 단면 사시도로서, 캐소드 전극(110), 에미터(120), 애노드 전극(130), 게이트 전극(140), 포커싱 전극(150), 복수개의 금속 기둥(161), 제1 내지 제4 절연 관(182, 184, 186, 188)을 구비한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 각 구성 요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.
엑스레이 발생부(105)는 전극들 상호간의 간격을 조절하는 적어도 하나 이상의 절연 관을 구비하고 에미터(120)로부터 방출되는 전자의 속도를 산란되지 않도록 가속하여 이동시켜 애노드 전극(130)에 충돌시킨 후 진공 상태에서 반사 또는 통과되는 X-선을 발생시킨다.
이때, 윈도우(191)는 은, 몰리브덴 또는 텅스텐을 재질로 하여 엑스레이 발생부(105)에서 발생된 X-선을 스펙트럼 필터 기능을 하며 외부로 잘 통과시켜 주는 동시에 엑스레이 튜브 내부를 진공 상태로 유지시켜 준다.
또한, 엑스레이 발생부(105) 내 적어도 하나 이상의 절연 관은 캐소드 전극(110)에 상부에 제공되거나 또는 캐소드 전극(110)에 수직 방향으로 삽입되도록 제공되어, 상술된 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 분리하는 역할을 수행하며 또한 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)의 위치를 고정 및 조절하는 역할을 수행한다.
적어도 하나 이상의 전극 체결 부재(180)는 종래의 전형적인 전극 체결 수단인 볼트 대신 절연 부재를 사용하여 각 전극들을 복수개의 금속 기둥(161)과 개별적으로 절연 및 체결함으로써 각 전극들과 복수개의 금속 기둥(161) 사이의 계면에 잔존 할 수 있는 미세한 공기층을 제거하여 기밀성을 유지할 수 있고, 획득되는 영상의 해상도를 증가시킬 수 있고, 장기간의 수명 연장을 기대 할 수 있다.
즉, 제1 절연 관(182)는 복수개의 금속 기둥(161)과 캐소드 전극(110) 사이를 절연 및 체결하고, 제2 절연 관(184)는 복수개의 금속 기둥(161)과 게이트 전극(140) 사이를 절연 및 체결한다.
또한, 제3 절연 관(186)는 복수개의 금속 기둥(161)과 제1 포커싱 전극(150a) 사이를 절연 및 체결하고, 제4 절연 관(188)는 복수개의 금속 기둥(161)과 제2 포커싱 전극(150b) 사이를 절연 및 체결한다.
여기에서, 전극 체결부(180)는 세라믹 등의 재질을 사용하여 전극의 절연 유지를 가능하게 할 수 있고, 금속 등의 재질을 사용하여 전극의 체결을 기밀하게 할 수 있으며, 엑스레이 발생부를 소형화시키는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스 내 엑스레이 발생부(105)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
캐소드 전극(110)은 금속재질로서, 캐소드 전극(110) 상에는 규소, 금속, 탄소계열 위에 형성된 탄소구조물 또는 금속인 면광원 형태의 에미터(120)가 위치하게 된다.
이때, 에미터(120)는 방출되는 전자의 궤적을 조절하거나 원하는 엑스레이 소스의 성능 등에 따라 면광원 형태뿐만 아니라 점광원 형태의 에미터가 사용될 수 있음을 유의한다.
또한, 캐소드 전극(110)에는 절연 관(182)와 전원이 인가될 금속 기둥이 제공되어, 후술되는 게이트 전극(140) 및 포커싱 전극(150)을 분리 및 고정시킴으로써, 상기 전극들의 위치 및 상호간의 간격을 용이하게 제어할 수 있게 되는데, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
에미터(120)는 전자를 방출하는 역할을 수행하는 것으로서, 면광원 또는 점광원 형태의 구성을 가지는 것으로 도시된다.
나노 소재인 탄소나노튜브(Carbon Naon Tube, CNT)를 이용한 에미터(120)는 단위면적당 높은 전류 방출이 가능하므로 기존의 열전자 방식의 전자공급원에 비해 선명한 방사선 영상 정보를 얻을 수 있다.
애노드 전극(130)은 에미터(120)의 상측에 위치한다.
이러한 애노드 전극(130)의 재료는 일반적으로 은, 로비듐, 구리, 텅스텐, 망간, 몰리브덴 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 박막형 엑스레이의 경우 애노드 전극(130)은 금속 박막으로 형성될 수 있음을 유의한다.
이러한 구성으로 인해, 상술된 에미터(120)가 전자를 방출하는 경우에 방출된 전자는 애노드 전극(130)을 구성하는 금속에 충돌한 후, 반사되면서 X-선을 발생시키게 된다.
이때, 에미터(120)에서 방출된 전자가 애노드 전극(130)을 구성하는 금속에 충돌하는 과정에서 금속조각이 발생하여 떨어질 수 있는데, 이는 곧 절연 관 부분에 부착되어 장 기간동안 계속되면 전극과 단락(short)되는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우 절연 관 부분이 코팅이 되어져 엑스레이 소스의 오동작을 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명의 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스 내 엑스레이 발생부(105)에는 캐소드 전극(110), 게이트 전극(140), 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b) 각각의 전극 사이에 제1 내지 제3 광로 가이드 와셔(172, 174, 176)를 각각 구비하여 에미터(120)에서 방출되는 전자의 광로를 가이드함과 동시에 상기 절연 관의 코팅을 방지하여 각 전극을 보호함으로써 엑스레이 소스의 수명을 연장할 수 있다.
게이트 전극(140)은 에미터(120)와 애노드 전극(130) 사이에 위치하게 된다. 이러한 게이트 전극(140)은 에미터(120)로부터 방출되는 전자의 방출량을 증가시키고 방출된 전자의 속도를 보다 가속시키는 역할을 수행한다.
제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)은 게이트 전극(140)과 애노드 전극(130) 사이에 위치하게 된다. 이러한 포커싱 전극(150)은 에미터(120)로부터 방출된 전자가 퍼지거나 산란되지 않고 애노드 전극(130)을 향하여 이동할 수 있게 한다.
도면에서는 이러한 게이트 전극(140)은 하나 존재하고, 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)은 2개 존재하는 것으로 도시하였으나, 방출되는 전자의 궤적을 조절하거나 원하는 엑스레이 소스의 성능 등에 따라 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)의 개수와 모양은 다양하게 변경될 수 있음을 유의한다.
또한, 이러한 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)은 후술되는 적어도 하나 이상의 절연 관으로부터 착탈 가능하게 구성되어 그 추출이 용이하게 되고, 초점을 복수개로 생성할 수 있게 된다.
한편, 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)은 에미터(120)부터 방출되는 전자의 궤적에 따라 그 형태가 결정될 수 있다. 도면에서는 상기 전극들이 원형의 구멍이 존재하는 일정한 두께를 갖는 판 형태의 부재인 것으로 도시하였으나, 상기 전극들은 원형의 고리 형태 또는 내부에 구멍이 존재하는 원통형의 실린더와 같은 형태 또는 일정한 간격을 가지고 배치되는 일정한 두께를 가지는 판상의 형태 등으로 형성될 수 있음을 유의한다.
적어도 하나 이상의 절연 관(184, 186, 188)이 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)의 위치를 제어하는 원리를 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.
적어도 하나 이상의 절연 관(184, 186, 188)이 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 관통하도록 구성된다. 즉 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)에는 절연 관(184, 186, 188)가 관통될 수 있도록 절연 관(184, 186, 188)의 크기 및 모양에 상응하는 관통홀이 형성되게 된다.
이때, 게이트 전극(140) 및 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 서로 분리하여 일정한 위치에서 유지시키기 위하여 종래에는 전원 연결 부재(도시 안됨, 예를 들면, 일정한 형태의 나사 또는 조임 부재)를 사용하였으나, 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스에서는 전극 체결부(180)를 통하여 각 전극들을 복수개의 금속 기둥(161)과 개별적으로 절연 및 체결하게 한다.
적어도 하나 이상의 절연 관은 각각 외주벽에 홀(미도시)을 구비하면서 그 내부가 빈 중공형으로 형성되며, 절연 관(182, 184, 186, 188)의 내부에는 외부 전원과 연결된 복수개의 금속 기둥(161)이 위치하게 되어 홀을 통해 해당 전극들과 연결된다.
즉, 외부 전원과 연결되는 금속 기둥 외부에 전극 체결부(180)의 각 절연 관이 각각 위치하게 되며, 금속 기둥이 각 절연 관의 홀을 통해 연결 됨으로써, 각 전극에 적절한 전원을 인가할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽에 대한 단면 사시도로서, 애노드 전극(130), 윈도우(191) 및 복수개의 브래이징부를 구비하고, 복수개의 브래이징부는 윈도우 지지대(192), 튜브 스페이서(194), 전극 지지부(196) 및 전극 연결부(198)를 구비한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽의 각 구성 요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.
애노드 전극(130)은 은, 로비듐, 구리, 텅스텐, 망간, 몰리브덴 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 재질로 하여 엑스레이 튜브 외곽의 최상측에 위치하면서 에미터(120)가 방출한 전자가 금속에 충돌한 후 반사 또는 통과하면서 X-선을 발생시킨다.
윈도우 지지대(192)는 코바(kovar)를 재질로 하여 애노드 전극(130) 하단에 조립되어 외벽에 구비된 개구를 통해 윈도우(191)를 장착시켜 지지시켜 준다. 이때, 구리-코바 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지시킨다.
튜브 스페이서(194)는 세라믹을 재질로 하여 윈도우 지지대(192) 하단에 조립되어 고전압 하에서 절연 특성을 유지하여 애노드 전극(130)과 캐소드 전극(110)을 분리시켜 준다. 이때, 코바 세라믹 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지시킨다.
전극 지지부(196)는 코바를 재질로 하여 튜브 스페이서(194) 하단에 조립되어 캐소드 전극(110), 게이트 전극(140), 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 지지시켜 준다. 이때, 세라믹 코바 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지시킨다.
전극 연결부(198)는 강철을 재질로 하여 전극 지지부(196) 하단에 조립되어 복수개의 금속 기둥(161)을 통하여 캐소드 전극(110), 게이트 전극(140), 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 연결시켜 준다. 이때, 코바 강철 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지시킨다.
이와 같이 본 발명에 따른 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 방식의 디지털 엑스레이 소스를 이용하여 X-선 형광 분석하고, 엑스레이 소스 각 전극 사이에 광로 가이드 와셔를 구비하여 에미터에서 방출되는 전자의 광로를 가이드하며, 엑스레이 발생부 내 캐소드 전극 상에 제공되는 적어도 하나 이상의 절연 관을 통하여 전극들의 고정 위치 및 상호간의 간격을 조절하고 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽에 금속과 금속 및 금속과 세라믹 브레이징한다.
이를 통하여, 디지털 엑스레이 소스를 이용하여 식품 내 중금속 함유 여부뿐 아니라, 생체 시료에 대해서도 적절한 형태의 프로브를 부착하고, 초고해상도의 신속 정확한 검출이 가능하며, 에미터에서 방출되는 전자의 광로를 가이드함으로써 엑스레이 발생부 내 절연 관의 코팅을 방지하여 각 전극을 보호함으로써 엑스레이 소스의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽에 금속과 금속 및 금속과 세라믹 브레이징을 통해 엑스레이 튜브의 고진공을 유지할 수 있고, 엑스레이 소스의 각 전극들을 복수개의 금속 기둥과 개별적으로 절연 및 체결함으로써 각 전극들과 복수개의 금속 기둥 사이의 계면에 잔존 할 수 있는 미세한 공기층을 제거하여 기밀성을 유지할 수 있으며, 방사선의 피폭량이 적고 소형화 및 모듈화가 가능하여 위치별, 용도별로 다중 배열이 가능하고, 엑스레이 시스템의 형태 및 기능을 다양화할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스
105: 엑스레이 발생부
110: 캐소드 전극
120: 에미터
130: 애노드 전극
140: 게이트 전극
150a: 제1 포커싱 전극
150b: 제2 포커싱 전극
161: 복수개의 금속 기둥
172: 제1 광로 가이드 와셔
174: 제2 광로 가이드 와셔
176: 제3 광로 가이드 와셔
180: 전극 체결부
182: 제1 절연 관
184: 제2 절연 관
186: 제3 절연 관
188: 제4 절연 관
191: 윈도우

Claims (11)

  1. X-선을 방출시키는 엑스레이 발생부(105)를 구비하는 엑스레이 소스에 있어서,
    상기 엑스레이 발생부(105)는,
    캐소드 전극(110);
    상기 캐소드 전극(110) 상측에 형성되는 에미터(120);
    상기 에미터(120) 상측에 위치하는 애노드 전극(130);
    상기 에미터(120)와 상기 애노드 전극(130) 사이에 위치하는 게이트 전극(140);
    상기 게이트 전극(140)과 상기 애노드 전극(130) 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 포커싱 전극; 및
    상기 게이트 전극(140) 및 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극을 관통하여 각 전극의 위치를 고정 및 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 절연 관을 구비하고 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극을 복수개의 금속 기둥과 각각 개별적으로 체결하는 전극 체결부(180)를 포함하며,
    상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극 각각의 사이에 위치하여 상기 에미터(120)에서 방출되는 전자의 광로를 가이드하는 적어도 하나 이상의 광로 가이드 와셔를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 포커싱 전극은
    상기 게이트 전극(140) 상부에 위치하는 제1 포커싱 전극(150a); 및
    상기 제1 포커싱 전극(150a) 상부에 위치하는 제2 포커싱 전극(150b);
    을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 광로 가이드 와셔는
    상기 캐소드 전극(110)과 상기 게이트 전극(140) 사이에 위치하는 제1 광로 가이드 와셔(172);
    상기 게이트 전극(140)과 상기 제1 포커싱 전극(150a) 사이에 위치하는 제2 광로 가이드 와셔(174); 및
    상기 제1 포커싱 전극(150a)과 상기 제2 포커싱 전극(150b) 사이에 위치하는 제3 광로 가이드 와셔(176);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전극 체결부(180)는
    상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 캐소드 전극(110) 사이를 절연 및 체결하는 제1 절연 관(182);
    상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 게이트 전극(140) 사이를 절연 및 체결하는 제2 절연 관(184);
    상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 제1 포커싱 전극(150a) 사이를 절연 및 체결하는 제3 절연 관(186); 및
    상기 복수개의 금속 기둥(161)과 상기 제2 포커싱 전극(150b) 사이를 절연 및 체결하는 제4 절연 관(188);
    을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에미터(120)는
    면광원 형태 및 점광원 형태 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 절연 관은
    외주벽에 홀을 구비하고, 그 내부가 빈 중공형 형태로 형성되며, 상기 홀을 통하여 상기 적어도 하나 이상의 절연 관의 내부에 위치하는 상기 복수개의 금속 기둥(161)이 외부 전원과 연결되는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 절연 관은
    상기 게이트 전극(140)과 상기 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b) 각각의 고정 위치를 조절하여 상기 에미터(120)로부터 방출되는 전자의 궤적을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스의 엑스레이 튜브 외곽은
    상기 에미터(120)가 방출한 전자가 충돌하여 반사되면서 X-선을 발생시키는 상기 애노드 전극(130);
    상기 애노드 전극(130) 하단에 조립되어 외벽에 구비된 개구에 장착되는 윈도우(191)를 지지시키는 윈도우 지지대(192);
    상기 윈도우 지지대(192) 하단에 조립되어 상기 애노드 전극(130)과 상기 캐소드 전극(110)을 절연하여 분리시키는 튜브 스페이서(194);
    상기 튜브 스페이서(194) 하단에 조립되어 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 지지하는 전극 지지부(196); 및
    상기 전극 지지부(196) 하단에 조립되어 상기 복수개의 금속 기둥(161)을 통하여 상기 캐소드 전극(110), 상기 게이트 전극(140), 상기 제1 및 제2 포커싱 전극(150a, 150b)을 연결하는 전극 연결부(198);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스는
    상기 윈도우 지지대(192)의 구리-코바 브레이징, 상기 튜브 스페이서(194)의 코바세라믹 브레이징, 상기 전극 지지부(196)의 세라믹 코바 브레이징 및 상기 전극 연결부(198)의 코바 강철 브레이징을 통해 상기 엑스레이 튜브의 고진공을 유지하는 것을 특징으로 하는,
    형광 분석용 디지털 엑스레이 소스.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 형광 분석용 디지털 엑스레이 소스(100)를 구비한 디지털 엑스레이 형광 분석 장치에 있어서,
    상기 방출된 X-선을 인가받아 피검체의 면적에 적합하도록 광조사 면적을 조절하는 콜리메이터(20);
    상부면에 상기 피검체를 위치시키고, 상기 광조사 면적이 조절된 X-선을 조사받아 상기 피검체의 형광 X-선을 발생시키는 검출 카트리지(30);
    상기 발생된 형광 X-선을 집광하여 선택적으로 필터링하여 노이즈를 제거하는 엑스레이 필터(50); 및
    상기 필터링된 형광 X-선을 인가받아 상기 피검체를 구성하는 원소들을 검출하여 전기신호로 변환시켜 출력하는 엑스레이 디텍터(60);
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
    디지털 엑스레이 형광 분석 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 디지털 엑스레이 형광 분석 장치는
    상기 X-선을 생성하기 위한 고전압을 발생시키는 고전압 발생기(10);
    상기 엑스레이 필터(50)의 전후에 구비되어 피검체를 구성하는 원소들에 따라 개구의 크기를 조절하여 형광 X-선의 선량 및 분해능을 제어하는 개구부(40); 및
    상기 전기신호를 인가받아 상기 원소들의 종류와 함유량을 분석하는 원소 분석부(70);
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
    디지털 엑스레이 형광 분석 장치.

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