KR20160029966A - 컨케이브 캐소드 및 홀더가 구비되는 전자빔 방출장치 - Google Patents

Abstract

본 출원은 아크의 발생이 억제되어 보다 안정적이며 고출력의 작동이 가능한 컨케이브 캐소드 및 홀더가 구비되는 전자빔 방출장치에 관한 것으로서, 본 출원의 일 실시예에 따르면, 전자빔이 방출되는 공간을 형성하는 하우징, 상기 하우징 내 일측에 배치되며, 전자를 방출하는 캐소드, 상기 하우징 내에서 상기 캐소드로부터 타측으로 이격되어 위치되며, 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 가속하는 애노드, 상기 캐소드와 상기 하우징 사이를 절연하며, 상기 캐소드를 고정하는 절연홀더를 포함하며, 상기 캐소드는 상기 애노드를 바라보믄 면이 오목하도록 구배가 형성되고, 상기 캐소드의 구배가 형성된 면의 테두리는 라운드지게 형성되는 전자빔 방출장치가 개시된다.

Description

컨케이브 캐소드 및 홀더가 구비되는 전자빔 방출장치{Electron Beam Gun having Concave Cathode and Holder}

본 출원은 컨케이브 캐소드 및 홀더가 구비되는 전자빔 방출장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크의 발생이 억제되어 보다 안정적이며 고출력의 작동이 가능한 컨케이브 캐소드 및 홀더가 구비되는 전자빔 방출장치에 관한 것이다.

전자빔 방출장치는 고 에너지를 이용하여 전자를 방출하여, 가공품의 표면을 녹이거나 개질하는 등 여러가지 가공하는 장치로서, 최근 적용분야가 화상표시수단이나 비파과검사기기를 넘어 각종 가공기기 분야에도 적용되고 있다.

이러한, 전자빔 방출장치는 일반적으로 필라멘트에 고전압, 고전류를 인가하여 전자빔을 방출시키는 Thermal 방식이 사용되고 있는데, 높은 진공도를 유지해야 하는 어려움 및 필라멘트 제조에 어려움이 있고 이는 장비유지운용의 어려움과 직결되고 있다.

한편, 전술한 Thermal 방식과 대비되는 Cold 방식의 전자빔 방출장치도 소개되고 있다. 이러한 Cold 방식의 전자빔 방출장치도 다양한 형태가 소개되고 있다.

도 1은 Cold 방식의 전자빔 방출장치 중에 컨케이브(concave) 형태의 캐소드를 사용한 전자빔 방출장치를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전자빔 방출장치는 캐소드(20)와 애노드(30), 절연부(40) 및 튜브(50)를 포함할 수 있다.

상기 캐소드(20)는 튜브(50)의 일단에 배치되며, 하측을 향하는 면이 오목하도록 구배가 형성된다.

그리고, 상기 애노드(30)는 상기 튜브(50)내의 타단에 배치되어 상기 캐소드(20)와는 이격되도록 배치된다.

상기 캐소드(20)는 절연부(40)에 의해 상기 튜브(50)에 고정되며, 상기 절연부(40)의 외측에는 상기 캐소드(20)에 인가되는 전기에너지를 제어하는 구동부(60) 및 상기 캐소드(20)를 냉각시키는 냉각부(70)가 구비된다.

한편, 상기 튜브(50)는 내부상태를 관찰함과 동시에 고온을 견디면서 절연이 가능한 석영재질로 이루어진다.

또한, 상기 애노드(30)의 하측에는 집속부(80)와 편향부(90)가 설치되어 방출되는 전자빔을 집속시키고, 편향시킬 수 있다.

따라서, 상기 캐소드(20)에서 방출된 전자는 상기 애노드(30)에 의해 가속되어 방출되면서 전자빔을 형성하며, 상기 집속부(80)를 거치면서 집속되고, 상기 편향부(90)를 거치면서 방출방향이 편향될 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 전자빔 방출장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드(20)의 테두리(22)가 첨단 형태로 형성되어 고 에너지를 인가할 경우 상기 캐소드(20)의 테두리(22)에서 아크가 발생되어 전자빔 방출장치(10)의 운전이 불안정해져 출력을 높이는데 한계점이 되고 있다.

둘째, 튜브(50)로서 석영재질의 관을 사용하고 있는데, 장비를 운용할 때 가해지는 충격 및 반복되는 열충격으로 인해 의해 파손되기 쉬운 문제점이 있다.

셋째, 전자빔 방출장치(10)의 가공 대상물로서 금속을 가공하는 경우에는 전자빔에 의해 증발된 금속증기(fume)가 튜브에 들러붙어 증착되는 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 증착된 금속증기는 전자빔 방출장치의 운전중에 아크를 발생하게 되어 튜브의 사용시간을 제한하는 요인이 되고 있다.

넷째, 전자가 애노드(30)에서 반사될 때 X레이 등 인체에 유해한 방사선이 발생될 수 있는데, 석영재질의 튜브는 이러한 방사선을 차단하지 못하므로 작업자에게 유해한 환경이 조성될 수 있는 문제점이 있다.

미국등록특허 4,998,044

본 출원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 안정적으로 장시간 운전이 가능하며, 고출력이 가능한 전자빔 방출장치를 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 출원의 일 실시예에 따르면, 전자빔이 가속되는 공간을 형성하고, 타측에 전자빔이 방출되는 개구부가 형성된 하우징, 상기 하우징 내 일측에 배치되며, 전자를 방출하는 캐소드, 상기 하우징 내에서 상기 캐소드로부터 타측으로 이격되어 위치되며, 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 가속하는 애노드, 상기 캐소드와 상기 하우징 사이를 절연하며, 상기 캐소드를 고정하는 절연홀더를 포함하며, 상기 캐소드는 상기 애노드를 바라보믄 면이 오목하도록 구배가 형성되고, 상기 캐소드의 구배가 형성된 면의 테두리는 라운드지게 형성되는 전자빔 방출장치가 개시된다.

상기 절연홀더는 상기 캐소드의 구배가 형성된 면의 배면 및 상기 캐소드의 측면을 감싸며, 상기 캐소드의 테두리의 라운드진 부분까지 연장되도록 형성될 수 있다.

상기 캐소드는 상기 애노드를 바라보는 면이 상기 절연홀더보다 더 애노드와 가깝도록 배치될 수 있다.

상기 하우징의 측면을 형성하는 금속재질의 튜브가 구비될 수 있다.

상기 튜브는 상기 캐소드와 절연되어 있으며, 접지될 수 있다.

상기 캐소드와 절연홀더의 사이에는 상기 캐소드를 공냉식으로 냉각하는 냉각부가 더 구비될 수 있다.

상기 냉각부는, 상판과 하판으로 이루어지며, 상기 상판과 하판의 사이에 공기가 유동하는 유로가 형성될 수 있다.

본 출원의 전자빔 방출장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 캐소드의 테두리가 첨단을 이루지 않아 아크의 발생이 억제되므로, 보다 안정적으로 운전할 수 있으며, 한계 출력을 보다 상승시킬 수 있다.

둘째, 캐소드와 절연홀더 간의 간격이 줄어들어 전하가 축전되는 공간이 줄어들게 되므로 캐소드와 절연홀더간에 커페시턴스가 줄어들게 되어 아크의 발생이 억제되므로, 보다 안정적으로 운전할 수 있으며, 한계 출력을 보다 상승시킬 수 있다.

셋째, 튜브를 금속 재질로 구비함으로써 열팽창 및 열수축 등 열충격 및 외부로부터 가해지는 충격에 의해 파손될 우려가 없으며, 접지가 이루어지므로 흄(fume)에 의한 아크의 발생이 억제되어 한계 출력을 상승시킬 수 있으며, 장비의 수명을 늘릴 수 있다.

넷째, 튜브가 금속재질로 이루어지므로 전자가 애노드측에서 반사될 때 발생하는 X레이가 차단될 수 있어 작업자의 안전성이 향상되는 효과가 있다.본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 전자빔 방출장치를 도시한 단면도;
도 2는 도 1의 일부분을 확대하여 도시한 단면도;
도 3은 본 출원의 제1실시예에 따른 전자빔 방출장치의 일 예를 도시한 단면도;
도 4는 도 3의 일부분을 확대하여 도시한 단면도;
도 5는 본 출원의 제2실시예에 따른 전자빔 방출장치의 일 예를 도시한 단면도; 그리고,
도 6은 도 5의 일부분을 확대하여 도시한 단면도 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 출원의 제1 실시예에 따른 전자빔 방출장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(150), 캐소드(120), 애노드(130) 및 절연홀더(140)를 포함할 수 있다.

상기 하우징(150)은 후술하는 캐소드(120) 및 애노드(130) 등이 위치되며, 전자빔이 가속되는 공간을 형성하는 구성요소로서, 타측에는 가속된 전자빔이 방출되는 개구부(132)가 형성될 수 있으며, 상기 하우징(150) 내부는 진공 분위기를 형성할 수 있다.

그리고, 상기 하우징(150) 내 일측에는 캐소드(120)가 구비된다. 상기 캐소드(120)는 전기에너지를 인가받아 전자를 방출하는 구성요소로서, 본 실시예에서는 금속 재질로 이루어지고 전체적으로 소정의 두께를 갖는 원판의 형태로 이루어지는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 애노드(130)는 상기 하우징(150) 내에서 상기 캐소드(120)로부터 타측으로 이격되어 위치될 수 있다. 상기 애노드(130)는 전기에너지를 인가받아 상기 캐소드(120)로부터 방출된 전자를 가속시키는 구성요소로서, 가속된 전자들이 통과하는 개구부(132)가 형성될 수 있다.

한편, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120)와 하우징(150) 사이를 절연하며, 상기 캐소드(120)를 하우징(150)에 고정시키는 구성요소이다.

또한, 절연홀더(140)의 일측에는 상기 캐소드(120) 또는 애노드(130)에 전기에너지를 공급하는 구동부(160) 및 캐소드(120)를 냉각시키는 냉각부(170)가 구비될 수 있다.

그리고, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 애노드(130)의 타측에는 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통과한 전자빔을 집속하거나 편향시키는 집속부(미도시)와 편향부(미도시)가 구비될 수 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)와 애노드(130)에 전기에너지를 인가하면, 상기 캐소드(120)로부터 전자가 방출되어 애노드(130) 측으로 가속된 후 애노드(130)의 개구부(132)를 통해 방출될 수 있다.

한편, 본 출원의 제1실시예에 따른 전자빔 방출장치에 따르면, 상기 캐소드는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 애노드(130)를 바라보는 면이 오목하게 구배를 형성될 수 있다.

그리고, 상기 캐소드(120)의 상기 구배를 형성한 면의 테두리(122)는 둥글게 라운드지게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120)의 구배가 형성된 면의 배면 및 상기 캐소드(120)의 측면을 감싸도록 형성되는데, 상기 절연홀더(140)가 상기 캐소드(120)의 측면을 감싸는 부분은 상기 캐소드 테두리의 라운드진 부분(122)까지 연장되도록 형성될 수 있다.

따라서, 캐소드(120)에 테두리에 뾰족한 첨단 부분이 형성되지 아니하므로 아크 발생이 방지되어 보다 안정적인 운전이 가능하다.

또한, 상기 절연홀더(140)가 캐소드(120)의 측면까지 연장되어 하우징(150)과 캐소드(120) 사이에서 아크가 발생하는 것이 방지될 수 있다.

이하, 본 출원의 제2실시예에 따른 전자빔 방출장치(200)를 설명하기로 하다.

도 5는 본 실시예에 따른 전자빔 방출장치를 도시한 것으로서, 하우징(250), 캐소드(220), 애노드(230) 및 절연홀더(240)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 하우징(250)과 캐소드(220) 및 애노드(230)는 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 절연홀더(240)는 전술한 실시예와 유사하게 상기 캐소드(220)의 구배가 형성된 면의 배면 및 상기 캐소드(220)의 측면을 감싸도록 연장되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드(220)의 측면을 감싸는 부분은 상기 캐소드 테두리의 라운드진 부분(222)의 일부까지 감싸도록 연장될 수 있다.

즉, 상기 캐소드(220)가 상기 절연홀더(240)보다 더 애노드(230)에 가깝게 위치될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드의 테두리(122)가 라운드지게 형성되므로, 상기 절연홀더(140)와 캐소드(120)의 사이에는 공간(C)이 형성될 수 있다.

이 때, 상기 공간(C)이 전하가 축적되는 공간의 역할을 하게 되어 전자빔 방출장치의 운전 중 아크가 발생할 수도 있는데, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드(220)가 절연홀더(240)보다 더 애노드(230)에 가깝게 위치되므로 상기 캐소드(220)와 절연홀더(240) 간의 간격이 줄어들어 전하가 축전되는 공간(C)이 줄어들게 되므로 상기 캐소드(220)와 절연홀더(240)간에 커페시턴스가 줄어들게 되어 아크의 발생이 억제되므로, 보다 안정적으로 운전할 수 있으며, 한계 출력을 보다 상승시킬 수 있다.

이하, 도 3 및 도 5를 참조하여 본 출원의 제3실시예에 따른 전자빔 방출장치를 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 전자빔 방출장치는 하우징(150, 250), 캐소드(120, 220), 애노드(130, 230) 및 절연홀더(140, 240)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 캐소드(120, 220)와 애노드(130, 230) 및 절연홀더(140, 240)는 전술한 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 하며, 차이가 나는 부분인 하우징(150, 250)에 대해서 설명하기로 한다. 또한, 하우징(150, 250)을 형성하는 튜브(152,252)의 재질에서 차이가 나며 그 외의 구조는 동일하므로, 전술한 제1실시예 및 제2실시예에 따른 전자빔 방출장치의 도면부호를 공용하기로 한다.

본 실시예에 따른 전자빔 방출장치의 하우징(150, 250)은 그 측면의 둘레를 형성하는 튜브(152, 252)를 포함한다.

이 때, 상기 튜브(152, 252)는 금속재질로 형성될 수 있으며, 상기 캐소드(120, 220) 와 절연될 수 있다. 이를 위해, 상기 튜브(152, 252)와 캐소드(120, 220)와 상기 튜브(152, 252) 사이에 절연체(154, 254)가 구비될 수 있다.

그리고, 접지(156, 256)가 이루어질 수 있다.

상기 전자빔 방출장치로서 금속을 가공할 때에는 용융된 금속에서 금속증기가 발생되며, 발생된 금속증기는 상기 튜브(152, 252) 내측면에 증착될 수 있다.

이 때, 상기 튜브(152, 252)에 접지(156, 256)가 이루어져 있으므로, 상기 튜브(152, 252) 내측면에 부착된 금속증기의 주변의 전자는 접지(156, 256)된 그라운드로 흐르게 되어 아크의 발생이 방지되어 보다 안정적인 운전이 가능하며, 동시에 한계 출력을 상승시킬 수 있다.

또한, 금속 재질의 특성상 외부의 충격 및 반복도는 열 충격에 강하고, 부착되는 금속증기를 제거하지 아니하여도 운전이 가능하므로 반영구적인 사용이 가능하다.

또한, 전자가 애노드 등에서 반사될 때 X선 등의 인체에 유해한 방사선이 발생될 수 있는데, 상기 튜브가 금속재질로 이루어지므로 이러한 방사선을 차폐할 수 있어 작업자의 안전성이 향상될 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 냉각부(270)는 상판(272)와 하판(274)로 이루어지며, 그 내측에 공기가 통하는 유로(276)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 유로(276)의 외부의 냉각공기 공급장치(미도시)와 연결되어 외부의 공기가 순환되어 상기 캐소드(220)을 공랭식으로 냉각할 수 있다.

상기 캐소드(220)을 냉각수를 이용한 수냉식으로 냉각하는 경우, 상기 캐소드(220)에 고전압이 인가될 때, 절연에도 불구하고 캐소드(220)에 인가되는 전류가 냉각수측으로 흐르는 전류누출현상이 발생할 수 있는데, 본 출원은 상기 캐소드(220)을 공랭식으로 냉각함으로써 전류누출현상을 배제할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100, 200: 전자빔 방출장치 120, 220: 캐소드
122, 222: 캐소드 테두리의 라운드진 부분
130, 230: 애노드 132, 232: 개구부
140, 240: 절연홀더 150, 250: 하우징
152, 252: 튜브 154: 254: 절연체
156, 256: 접지 160, 260: 구동부
170, 270: 냉각부

Claims (7)

1. 전자빔이 가속되는 공간을 형성하고, 타측에 전자빔이 방출되는 개구부가 형성된 하우징;
   상기 하우징 내 일측에 배치되며, 전자를 방출하는 캐소드;
   상기 하우징 내에서 상기 캐소드로부터 타측으로 이격되어 위치되며, 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 가속하는 애노드;
   상기 캐소드와 상기 하우징 사이를 절연하며, 상기 캐소드를 고정하는 절연홀더;
   를 포함하며,
   상기 캐소드는 상기 애노드를 바라보는 면이 오목하도록 구배가 형성되고, 상기 캐소드의 구배가 형성된 면의 테두리는 라운드지게 형성되는 전자빔 방출장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절연홀더는 상기 캐소드의 구배가 형성된 면의 배면 및 상기 캐소드의 측면을 감싸며, 상기 캐소드의 테두리의 라운드진 부분까지 연장되도록 형성된 전자빔 방출장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 캐소드는 상기 애노드를 바라보는 면이 상기 절연홀더보다 더 애노드와 가깝도록 배치되는 전자빔 방출장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 측면을 형성하는 금속재질의 튜브가 구비되는 전자빔 방출장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 튜브는 상기 캐소드와 절연되어 있으며, 접지되는 전자빔 방출장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 캐소드와 절연홀더의 사이에는 상기 캐소드를 공냉식으로 냉각하는 냉각부가 더 구비되는 전자빔 방출장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 냉각부는, 상판과 하판으로 이루어지며, 상기 상판과 하판의 사이에 공기가 유동하는 유로가 형성되는 전자빔 방출장치.

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