KR20160058582A - 나노 전자 에미터를 사용한 엑스선 소스 - Google Patents

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염경태
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Abstract

본 발명은 나노 전자 에미터가 형성된 음극부와; 상기 음극부 상에 배치되어, 상기 나노 전자 에미터로부터의 전자 방출을 유도하는 게이트부와; 상기 게이트부 상에 배치되어, 상기 방출된 전자의 충돌에 의해 X선을 발생시키는 양극부와; 상기 음극부와 연결되어 상기 음극부의 높이를 조절하는 높이조절장치를 포함하는 X선 소스를 제공한다.

Description

나노 전자 에미터를 사용한 엑스선 소스{X-ray source using nano electron emitter}
본 발명은 나노 전자 에미터(nano electron emitter)를 사용한 X선 소스(X-ray source)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 음극부의 높이를 가변할 수 있도록 구성된 X선 소스에 관한 것이다.
기존에는, 의료나 공업용 X선 촬영에서 필름과 스크린을 이용한 방식이 사용되었다. 이와 같은 경우에는, 촬영된 필름의 현상 및 보관상의 문제 등에 기인하여 비용 및 시간 측면에서 비효율적이었다.
이를 개선하기 위해, 디지털 방식의 디텍터가 현재 널리 사용되고 있다. 디지털 방식의 디텍터는 간접변환 방식과 직접변환 방식으로 구분될 수 있다.
산업용 비파괴 촬영 및 의료용 방사선 영상 촬영에 있어, 대조도 및 해상도가 좋은 영상을 얻기 위해서는 X선 소스의 성능이 결정적인 역할을 한다.
기존에는, X선 소스의 전자원 즉 전자 에미터로서, 필라멘트를 사용하여 고온에서 전자를 방출하는 열전자 방식의 에미터가 사용되었다. 그러나, 열전자 에미터는 전자 방출을 위해 1000도 이상 높은 온도로 상승시켜야 하므로 전력 소모가 상대적으로 크고, 에미터를 즉각적으로 온/오프할 수 없는 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해, 전계에 의한 양자역학적 터널링을 이용하여 전자를 방출하는 전계방출 방식의 에미터가 많이 사용된다.
한편, 최근에는 X선 소스의 소형화 측면에서, 전계방출 에미터로서 기존의 금속이나 반도체 물질 외에 나노미터 크기의 물질을 사용하게 되며, 특히 탄소나노튜브(CNT: carbon nano tube)를 에미터로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
CNT와 같은 나노미터 크기의 물질을 사용한 에미터로 구성된 X선 소스는 일반적으로 삼극관 구조를 갖게 된다. 즉, 삼극관 구조에서는 에미터가 구비된 음극과, 게이트전극과, 양극을 삼극으로 사용하게 된다.
이와 같은 구조의 X선 소스에서는, 음극과 게이트전극 사이에 인가된 전계에 의해 전자가 방출되는데, 장시간 지속적으로 사용하게 되면 에미터가 열화되어 인가된 전압에 대한 전계 분포가 달라지게 된다.
이에 따라, 관전류가 낮아지게 되어 X선 소스의 수명이 감소하고 안정성에 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 X선 소스의 장시간 사용시 나노 전자 에미터의 열화에 의해 수명이 감소되고 안정성이 저하되는 것을 개선할 수 있는 방안을 제공하는 것에 과제가 있다.
전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 나노 전자 에미터가 형성된 음극부와; 상기 음극부 상에 배치되어, 상기 나노 전자 에미터로부터의 전자 방출을 유도하는 게이트부와; 상기 게이트부 상에 배치되어, 상기 방출된 전자의 충돌에 의해 X선을 발생시키는 양극부와; 상기 음극부와 연결되어 상기 음극부의 높이를 조절하는 높이조절장치를 포함하는 X선 소스를 제공한다.
여기서, 상기 높이조절장치는, 구동모터와; 상기 음극부의 하부와 연결되며, 상기 구동모터에 의해 상기 X선 소스의 길이 방향을 따라 이동하도록 동작하는 샤프트를 포함할 수 있다.
상기 X선 소스의 하부에 배치되며, 상기 샤프트가 관통하는 관통홀을 갖는 하우징을 포함할 수 있다.
상기 관통홀에 대응되는 상기 샤프트의 결합부에는 외주면을 따라 숫나사산이 형성되고, 상기 관통홀에는 상기 숫나사산에 대응되는 암나사산이 형성될 수 있다.
상기 X선과 내부의 진공공간을 외부로부터 차페하도록 상기 음극부의 주변을 둘러싸는 벨로우즈 구조의 차폐수단을 포함할 수 있다.
상기 양극부의 외측면에 구성된 게터를 포함할 수 있다.
상기 방출된 전자가 입사되는 상기 양극부의 일면은, 상기 전자가 입사되는 방향과 예각을 이루는 경사면으로 형성되며, 상기 양극부의 일면에는, 상기 입사된 전자에 의해 X선을 방출시키는 타겟이 형성될 수 있다.
상기 나노 전자 에미터는 탄소나노튜브를 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 음극부의 위치가 조절 가능하도록 구성하게 된다.
이로 인해, 장시간 구동에 의해 에미터가 열화되더라도, 음극부의 높이 조절을 통해 전자 방출을 위한 전계를 보상하여 이를 일정하게 유지할 수 있게 된다. 따라서, 에미터 열화에 의한 X선 소스의 수명 감소를 방지하여, 그 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있게 되며, X선 소스의 구동 안정성을 확보할 수 있게 된다.
나아가, 게이트부에 대해 고정전압을 인가하면서도 관전류를 조절할 수 있게 된다. 이에 따라, 관전류 조절을 위한 인버터의 전류보상회로를 사용할 필요가 없게 되어, 인버터를 포함한 X선 소스의 무게 및 크기를 감소시킬 수 있게 된다.
더욱이, 음극부 높이 조절에 의해 관전류를 조절할 수 있게 되는바, 에미터의 열화 여부와 관계없이, 필요에 따라 전자 방출량을 조절하여 X선량을 손쉽게 조절할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 전자 에미터를 사용한 X선 소스의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음극부의 높이를 조절하는 모습을 개략적으로 도시한 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 전자 에미터를 사용한 X선 소스의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대하여 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음극부의 높이를 조절하는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 X선 소스(10)은 내부에 밀폐된 진공공간(S)이 정의되며, 원통 형상으로 형성될 수 있다. 물론, X선 소스(10)의 형상은 원통 형상에 한정되지는 않는다.
이와 같은 X선 소스(10)은, 음극부(20)와, 게이트부(50)와, 양극부(70)와, 높이조절장치(100)를 포함할 수 있다.
음극부(20)는 전자를 방출하는 기능을 하는 구성에 해당된다. 음극부(20)에는 나노 크기의 물질로 이루어져 전자를 방출하는 전자방출원인 에미터(30)가 구비된다.
에미터(30)는 음극부(20)의 일면으로서, 게이트부(50)나 양극부(70)를 바라보는 상면에 형성된다.
여기서, 에미터(30)를 구성하는 나노 물질로서는 탄소나노튜브가 사용되는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않으며 여타의 나노 물질이 사용될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 탄소나노튜브를 사용하여 에미터(30)를 형성한 경우를 예로 든다.
이와 같은 에미터(30)는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, CVD(chemical vapor deposition) 등을 통해, 기판 상에 탄소나노튜브를 직접 성장시켜 에미터(30)를 제조할 수 있다.
다른 예로서, 탄소나노튜브를 페이스트(paste) 형태로 제조한 후, 이를 기판 상에 도포하고 노광 등을 통해 패터닝하고, 그 후에 소성 공정 및 표면 처리 공정 등을 진행함으로써, 에미터(30)를 형성할 수 있다.
게이트부(50)는 음극부(20)와 이격된 상태로 음극부(20) 상에 배치된다. 게이트부(50)에는 음극부(20)에 비해 높은 전위의 전압이 인가된다. 게이트부(50)와 음극부(20)에 인가된 전압의 전위차에 의해, 음극부(20) 즉 에미터(30)로부터 전자가 방출될 수 있게 된다.
게이트부(50)에는 일정한 피치로 다수의 게이트홀(51)이 형성되며, 에미터(30)로부터 방출된 전자는 게이트홀(51)을 통과하여 양극부(70)로 나아가게 된다.
한편, 게이트부(50)와 음극부(20) 사이에는 절연체(41)가 구성되어, 게이트부(50)와 음극부(20) 사이의 전기적 절연성이 확보될 수 있으며, 또한 게이트부(50)와 음극부(20) 사이의 이격 간격이 확보될 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 게이트부(50)와 음극부(20) 사이에 구성된 절연체(41)는 제1절연체(41)라 한다.
제1절연체(41)를 구성하는 물질로서 세라믹(ceramic)이 사용되는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.
양극부(70)는 게이트부(50)와 이격된 상태로 게이트부(50) 상에 배치된다. 이와 같은 양극부(70)는 X선 소스(10)의 상단을 덮도록 구성될 수 있다.
양극부(70)에는 게이트부(50)에 비해 높은 전위의 전압이 인가된다. 이에 따라, 에미터(30)에서 방출되어 게이트부(50)를 통과한 전자는 양극부(70) 방향으로 가속되어 양극부(70)에 도달하게 된다.
양극부(70)에는, 입사된 전자의 충돌에 의해 X선을 방출하는 타겟(80)이 구성된다. 이와 같은 타겟(80)은 양극부(70)의 일면으로서, 음극부(20)를 바라보는 하면에 배치된다.
이때, 타겟(80)으로서는, X선 소스(10)의 사용 목적 등에 따라 투과형이나 반사형 타겟(80)이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 반사형 타겟(80)이 사용되는 경우를 예로 든다.
이처럼 반사형 타겟(80)이 사용되는 경우에, 단면적으로 볼 때 타겟(80) 면은 전자가 입사되는 방향과 예각을 이루는 경사진 형태로 구성될 수 있다. 이를 위해, 양극부(70)의 하면은 경사면으로 구성되고, 이와 같은 경사면에 타겟(80)이 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 타겟(80)에 전자가 입사되면, 경사면의 법선 방향을 기준으로 전자 입사 각도와 대칭되는 각도의 방향으로 X선이 발생되어 방출될 수 있게 된다.
한편, 게이트부(50)와 양극부(70) 사이에는 절연체(42)가 구성되어, 게이트부(50)와 양극부(70) 사이의 전기적 절연성이 확보될 수 있으며, 또한 게이트부(50)와 양극부(70) 사이의 이격 간격이 확보될 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 게이트부(50)와 양극부(70) 사이에 절연체(42)는 제2절연체(42)라 한다.
제2절연체(42)를 구성하는 물질로서 세라믹(ceramic)이 사용되는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 음극부(20)의 하부에는 X선 소스(10)의 하단을 덮는 하우징(90)이 구성될 수 있다. 이와 같은 하우징(90)의 중심에는 관통홀(91)이 형성될 수 있으며, 관통홀(91)을 통해 음극부(20)와 높이조절장치(100)가 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 하우징(90)에 대해서는, 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
한편, X선 소스(10)에는 방출된 전자를 집속하기 위한 집속전극(60)이 더욱 구비될 수 있다. 즉, 집속전극(60)은 방출된 전자를 타겟(80)의 특정 부분 즉 포컬 스팟(focal spot)으로 집속하기 위한 기능을 하게 된다.
이와 같은 집속전극(60)은 내부의 진공공간(S) 주변을 따라 형성되며, 게이트부(50)와 양극부(70) 사이에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 음극부(20)는 상하 방향으로 높이가 조절 가능하도록 구성하는 것에 특징이 있다.
이에 대해, X선 소스(10)의 장시간 구동에 의해 에미터(30)에 열화가 발생하여 게이트부(50)와 음극부(20) 사이에 전계가 줄어들게 되면, 도 3에 도시한 바와 같이, 음극부(20)를 상부 방향으로 이동시켜 음극부(20)와 게이트부(50)의 이격 간격을 좁히게 된다.
이처럼, 음극부(20)와 게이트부(50)의 이격 간격을 좁힘으로써, 열화에 따라 줄어든 전계를 보상된다.
따라서, 에미터(30)가 열화되더라도, 음극부(20)와 게이트부(50)의 전계를 일정하게 유지할 수 있게 되어, 에미터(30)가 열화되더라도 안정적으로 전자를 방출할 수 있게 된다.
위와 같이, 음극부(20)의 높이 조절과 관련하여, 본 발명의 실시예에서는 높이 조절 장치를 사용할 수 있게 된다.
높이조절장치(100)는, 예를 들면, 구동모터(110)와 샤프트(120)를 포함할 수 있다.
샤프트(120)의 일단은 구동모터(110)가 연결되며, 타단은 음극부(20)의 하부와 연결될 수 있다. 여기서, 샤프트(120)는 하우징(90)의 관통홀(91)을 관통하여 음극부(20)와 연결되도록 구성될 수 있다.
샤프트(120)는, 구동모터(110)의 구동에 의해 상하 방향으로 이동할 수 있게 된다. 이에 따라, 샤프트(120)의 타단에 연결된 음극부(20)는, 샤프트(120)의 이동에 의해 상하 방향으로 이동할 수 있게 된다.
이와 같은 샤프트(120)의 상하 방향으로의 이동과 관련하여, 일예로, 구동모터(110)는 샤프트(120)의 길이방향의 중심을 회전축으로 하여, 샤프트(120)를 회전시키도록 구성될 수 있으며, 이와 같은 회전 운동을 통해 샤프트(120)는 상하 방향으로 이동될 수 있다.
이 경우와 관련하여 도 2를 참조하여 설명하면, 샤프트(120)의 길이방향의 일부에는 외주면을 따라 숫나사산(125)이 형성될 수 있다. 샤프트(120)가 관통하는 하우징(90)의 관통홀(91)에는, 샤프트(120)의 외주면에 형성된 숫나사산(125)에 대응되는 암나사산(95)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 숫나사산(125)이 형성된 샤프트(120)의 일부 즉 결합부(121)가 관통홀(91)과 결합된 상태에서, 샤프트(120)를 시계방향이나 반시계방향으로 회전시키게 되면, 회전 운동에 의해 샤프트(120)는 상하 방향으로 이동할 수 있게 된다.
일예로, 시계방향으로 회전시 샤프트(120)의 높이가 상승하는 경우에, 장시간 구동에 의해 에미터(30)가 열화되면, 샤프트(120)를 시계방향으로 회전시키게 되고, 이에 따라 음극부(20)가 게이트부(50)에 가까워질 수 있게 된다. 이에 따라, 에미터(30) 열화에 의한 전계 감소를 보상할 수 있게 된다.
전술한 바에는, 샤프트(120)의 회전 운동을 통해 샤프트(120)의 상하 운동을 구현하는 경우를 예로 들었다. 이와 다른 예로서, 샤프트(120)를 상하 방향으로 직접 병진 운동하도록 구성할 수 있으며, 이에 따라 샤프트(120)의 높이가 조절될 수 있게 된다. 이와 같은 경우에, 전술한 바와 같은 나사산 구성이 샤프트 및 관통홀(120, 91)에 형성되지 않아도 된다.
한편, 전술한 바와 같이, 음극부(20)를 상하 방향으로 이동 가능하도록 구성함에 따라, 내부 진공공간(S)의 진공 상태를 유지하기 위한 구성으로서, 벨로우즈(bellows) 구조의 차폐수단(150)이 사용될 수 있다.
이와 같은 벨로우즈 구조의 차폐수단(150)은, 예를 들면, 음극부(20) 주변을 둘러싸도록 구성될 수 있다. 일예로, 차폐수단(150)은 X선 소스(10)의 길이 방향을 따라 주름이 잡힐 수 있도록 배치될 수 있으며, 상단부는 음극부(20)의 상면 주변이나 외측면에 접합되고 하단부는 X선 소스(10)의 하부 하우징(90)에 접합되어 X선 소스(10) 내부의 진공공간(S)과 하우징(90)의 관통홀(91)과 연결되는 외부를 구분하도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 음극부(20)에 대한 높이 조절이 발생하더라도, 벨로우즈 구조의 차폐수단(150)을 사용함에 따라, 내부 진공공간(S)의 진공 상태가 효과적으로 유지될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 진공공간(S)의 진공 유지를 위한 구성인 게터(getter; 85)를 양극부(70)의 외측면에 구성하는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 종래의 경우에는, X선 소스에서 위치가 고정된 음극부의 외측면에 진공 유지를 위한 구성인 게터를 구성하게 되었는데, 본 발명의 경우에는 음극부(20)가 이동 가능하게 구성됨에 따라, 종래와 같이 음극부에 게터를 구성하는 것이 용이하지 않게 된다.
이에 따라, 본 발명에서는 X선 소스(10)에서 위치가 고정된 양극부(70)에 게터(85)를 구성하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 음극부의 위치가 조절 가능하도록 구성하게 된다.
이로 인해, 장시간 구동에 의해 에미터가 열화되더라도, 음극부의 높이 조절을 통해 전자 방출을 위한 전계를 보상하여 이를 일정하게 유지할 수 있게 된다. 따라서, 에미터 열화에 의한 X선 소스의 수명 감소를 방지하여, 그 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있게 되며, X선 소스의 구동 안정성을 확보할 수 있게 된다.
나아가, 게이트부에 대해 고정전압을 인가하면서도 관전류를 조절할 수 있게 된다. 이에 따라, 관전류 조절을 위한 인버터의 전류보상회로를 사용할 필요가 없게 되어, 인버터를 포함한 X선 소스의 무게 및 크기를 감소시킬 수 있게 된다.
더욱이, 음극부 높이 조절에 의해 관전류를 조절할 수 있게 되는바, 에미터의 열화 여부와 관계없이, 필요에 따라 전자 방출량을 조절하여 X선량을 손쉽게 조절할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.
10: X선 소스 20: 음극부
30: 에미터 41,42: 절연체
50: 게이트부 60: 집속전극
70: 양극부 80: 타겟
85: 게터 90: 하우징
91: 관통홀 100: 높이조절장치
110: 구동모터 120: 샤프트

Claims (8)

  1. 나노 전자 에미터가 형성된 음극부와;
    상기 음극부 상에 배치되어, 상기 나노 전자 에미터로부터의 전자 방출을 유도하는 게이트부와;
    상기 게이트부 상에 배치되어, 상기 방출된 전자의 충돌에 의해 X선을 발생시키는 양극부와;
    상기 음극부와 연결되어 상기 음극부의 높이를 조절하는 높이조절장치
    를 포함하는 X선 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 높이조절장치는,
    구동모터와;
    상기 음극부의 하부와 연결되며, 상기 구동모터에 의해 상기 X선 소스의 길이 방향을 따라 이동하도록 동작하는 샤프트
    를 포함하는 X선 소스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 X선 소스의 하부에 배치되며, 상기 샤프트가 관통하는 관통홀을 갖는 하우징
    을 포함하는 X선 소스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 관통홀에 대응되는 상기 샤프트의 결합부에는 외주면을 따라 숫나사산이 형성되고,
    상기 관통홀에는 상기 숫나사산에 대응되는 암나사산이 형성된
    X선 소스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 X선과 내부의 진공공간을 외부로부터 차페하도록 상기 음극부의 주변을 둘러싸는 벨로우즈 구조의 차폐수단
    을 포함하는 X선 소스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극부의 외측면에 구성된 게터
    를 포함하는 X선 소스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방출된 전자가 입사되는 상기 양극부의 일면은, 상기 전자가 입사되는 방향과 예각을 이루는 경사면으로 형성되며,
    상기 양극부의 일면에는, 상기 입사된 전자에 의해 X선을 방출시키는 타겟이 형성된
    X선 소스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 전자 에미터는 탄소나노튜브를 사용하여 형성되는
    X선 소스.
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