KR20160075710A - 내장된 유량 센서를 갖는 x 선 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X 선 튜브들의 분야 내에 있으며, X 선 유량 센서 (21) 의 튜브 내로의 통합에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, X 선 발생장치 튜브는 캐소드와 애노드를 갖는 진공 챔버를 포함하고, 캐소드는 애노드 방향으로 전자 빔을 방출하며, 애노드는 전자 빔에 의해 영향을 받는 경우 X 선 방사를 방출하는 타겟을 포함하고, X 선 방사는 다이아몬드-기반 투과 윈도우 (30) 를 통해 진공 챔버의 벽을 통과하여 진공 챔버의 외부로 전파한다. 본 발명에 따르면, 다이아몬드-기반의 X 선 센서는 다이아몬드-기반 투과 윈도우 내로 내장된다.

Description

내장된 유량 센서를 갖는 x 선 발생장치{X-RAY GENERATOR WITH A BUILT-IN FLOW SENSOR}

본 발명은 x 선 튜브들의 분야 내에 있으며, x 선 유량 센서의 튜브 내로의 통합에 관한 것이다.

x 선 발생장치는 주로, 그 단부들 중 하나에서 캐소드 및 다른 단부에서 애노드를 포함하는, 진공 챔버를 포함한다. 캐소드로부터 유출된 전자 빔은 전계의 작용으로 진공 챔버에서 가속화된다. 가속장치 필드는 RF 전자기파에 의해, 또는 (통상적으로 10 kV 부터 500 kV 까지의) 초고전압들로 상승되는 2 개의 전극들 간에 생성된 정적 필드에 의해 생성될 수도 있다. 고도로 가속화된 전자 빔은, 일반적으로 높은 원자 번호의 내화 재료 (refractory material) 로 이루어지거나 실제로 특징적인 형광 선들을 가지는 타겟을 타격하도록 형성된다. 에너지 전자들과 타겟 간의 상호작용은 x 선 범위에서의 전자기 방사가 주로 제동 복사 (bremsstrahlung) 효과에 의해 및 x 선 형광성에 의해 방출되게 한다. 전자들의 에너지의 단지 몇 퍼센트만이 x 선들을 생성하는데 사용된다. 에너지의 나머지, 즉 약 96% 내지 99% 는 타겟에서 주로 열의 형태로 소실된다. 전자 플럭스 하에서, 타겟의 온도는 그 녹는점에 도달할 수도 있고, 타겟은 일반적으로 텅스텐 (3400℃) 으로 제조된다. 생성된 열은 효과적으로 제거되어야만 하며, 이는 상기의 영향이 x 선 소스들의 브릴리언스 (brilliance) 를 제한하는 주요 인자들 중 하나이기 때문이다. 그 후, x 선들은 x 선들에 투명하고 x 선 빔의 경로에 위치된 윈도우를 통과함으로써 진공 챔버 외부로 전파한다.

반사시 동작하고 투과시 동작하는 2 개의 종류의 튜브들이 존재한다. 반사 튜브에서, 타겟은 튜브의 내부에 존재한다. x 선들의 플럭스는 (예를 들면, 베릴륨으로 제조된) x 선들에 거의 투명한 윈도우를 통과함으로써 외부로 전파하고, 그 윈도우는 튜브의 챔버에 위치된다. 타겟과 투과 윈도우는 별개이다. 투과시 동작하는 튜브들에서, 이 경우 박막으로 이루어진 타겟은 투명한 윈도우와 병치된다. 투과 윈도우로 지칭되는 윈도우는, 그 후 타겟에서 생성된 열의 제거에 있어서 중요한 역할을 한다. x 선들에 고 투명성을 갖는데 부가하여, 투과 윈도우는 최대 열 전도성을 가져야만 한다.

투과 윈도우의 위치와 독립적으로, x 선들의 플럭스는 콘트라스트, 침투력 (penetration power) 또는 공간 분해능과 같은 이미징 파라미터들을 조정하기 위해, 시간에 걸쳐, 강도에 있어서, 및 에너지에 있어서 변화될 수도 있다. 이 경우, x 선들의 플럭스는 의도적으로 변화된다. 구체적으로, 오퍼레이터는 전자 빔의 전류 및/또는 가속 전압을 수정할 수도 있다. x 선들의 플럭스는 또한, 특히 고전압 공급부에서 또는 전자 소스에서의 변동 다음에 의도적이지 않게 변화할 수도 있다. x 선 발생장치 튜브를 최적으로 사용하기 위해, x 선들의 플럭스의 직접적인 측정이 요구된다. 예를 들어, 방사선 치료에서, 이는 튜브에 의해 전달된 방사선량률 (radiation dose rate) 을 실시간으로 인지할 수 있게 한다.

현재, 투과 윈도우들은 주로 베릴륨으로 제조된다. 베릴륨은 x 선들에 대하여 양호한 투명성 및 동작시 x 선 튜브에 의해 발산된 열을 소실시키게 하는 방 온도에서 약 200 W/(m.K) 의 열 전도성을 보유하는 금속이다. 대조적으로, 베릴륨은 흡입될 경우에 심각한 질명을 야기할 수 있는 극히 발암성의 재료이다. 베릴륨 중독 (berylliosis) 의 예가 언급될 수도 있다. 추가로, 베릴륨이 금속이기 때문에, x 선 플럭스의 검출시 사용될 수 없다.

합성 다결정 다이아몬드에 대한 수백 W/(m/K) 와 단결정 다이아몬드에 대한 2000 W/(m.K) 사이에 포함된 열 전도성으로, 다이아몬드는 베릴륨보다 10 배까지 더 높은 열 전도성을 보유하고, 열을 효율적으로 전도한다. 원자 번호 Z=6 의 다이아몬드는 베릴륨의 원자 번호 (Z=4) 에 인접하는 x 선들에 투명성을 가지고, UHV 가 통하지 않는 막 (UHV-tight membrane) 의 형태로 구현될 수도 있다. 단결정 다이아몬드는 우수한 열 전도성 및 매우 양호한 x 선 검출 특성들을 보유한다. 대조적으로, 수 평방 밀리미터보다 큰 면적을 합성할 수는 없다. 다결정 다이아몬드는 더 넓은 면적들에 걸쳐 용이하게 합성될 수도 있다. 추가로, 다결정 다이아몬드는 500 W/m.K 내지 1500 W/m.K 의 열 전도성을 보유한다. 다결정 다이아몬드의 열 전도성은 다수의 인자들에 의존한다. 예컨대, 다이아몬드의 결정 구조의 입자 경계들의 밀도 및 입자 크기가 언급될 수도 있다. 추가로, 다결정 다이아몬드는 그 다이아몬드의 결정 구조의 품질에 또한 의존하는 x 선 검출 특성들을 보유한다.

다결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우들을 포함하는 x 선 발생장치들은 잠깐 동안 활동되었다. 베릴륨으로 제조된 투과 윈도우들을 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우들로 교체하는 것은 더 높은 전력 밀도들로 작동하는 것을 가능하게 한다. 구체적으로, 다이아몬드의 높은 열 전도성은 투과 윈도우에 영향을 주는 전자 스팟에 의해 생성된 열을 더 양호하게 소실시키는 것을 가능하게 한다. 열의 더 양호한 소실은 투과시에, 즉 동일한 구조에서 타겟 기능과 윈도우 기능의 병치로 동작하는 x 선 튜브들에 대하여 특히 유리하다. 종래 기술에서, 종래의 튜브들보다 더 높은 전력들을 달성하기 위해, 다이아몬드의 높은 열 전도성이 이용되었다.

현재, x 선들의 실제 플럭스는 캘리브레이션에 의해, x 선 선량을, 전자 빔의 가속 전압과 x 선 튜브의 전류의 측정치와 연관시킴으로써, 간접적으로 측정된다. 그러나, x 선 발생장치에서의 누설 전류들, 마이크로브레이크다운들 (breakdown) 또는 실제로 에너지 필터레이션 (filtration) 및 튜브의 구조의 흡수 효과들은, 그들이 플럭스의 결정 내로 통합되는 반면, 그들의 x 선들의 유용한 플럭스를 생성하지 않기 때문에, 에러의 소스들이 된다.

이러한 어려움을 경감시키기 위해, x 선 발생장치에 의해 방출된 x 선들의 플럭스는, 또한 선량계 (dosimeter) 로 지칭되는 센서를 사용하여 검출될 수도 있다. 유량 센서는 x 선들의 입사 플럭스를 측정한다. 유량 센서는 x 선 빔이 뒤따르는 방향으로 튜브로부터 수 센티미터들 내지 수 미터들에 위치된다.

본 발명은 다이아몬드 기반 투과 윈도우에서 x 선 플럭스의 센서를 제공함으로써, 기능화된 윈도우를 튜브 내로 통합하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명의 주제는 캐소드와 애노드를 갖는 진공 챔버를 포함하는 x 선 발생장치 튜브이며, 상기 캐소드와 애노드는 진공 챔버에 위치되고, 캐소드는 애노드의 방향으로 전자 빔을 방출하며, 애노드는 전자 빔에 의해 타격될 경우, x 선들을 방출하는 타겟을 포함한다. 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우를 통해 진공 챔버의 벽을 통과함으로써 진공 챔버의 외부로 전파하는 x 선들은, 다이아몬드 기반의 x 선 센서가 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우 내로 통합되는 것을 특징으로 한다.

인라인 x 선 유량 센서를 생성하기 위해, 다이아몬드는 활성 층을 통해 사용될 수도 있으며, 이는 다이아몬드가 반도체 특성들을 보유하기 때문이다. 활성 층이 x 선들의 거의 모든 입사 플럭스를 흡수해야만 하는 원격 검출기와는 달리, 통합된 x 선 유량 센서는 튜브의 사용을 방해하지 않고 광자들에 비례하는 신호를 전달하기 위해, x 선 플럭스의 오직 작은 단편만을 흡수해야만 한다. 이러한 방식으로, x 선들의 플럭스의 연속하는 인라인 측정은 튜브의 유용한 플럭스를 방해하지 않고 달성된다. 다이아몬드는 인라인 x 선 유량 센서의 통합을 위해 사용될 수도 있으며, 이는 다이아몬드가 x 선에 매우 양호한 투명성을 가지기 때문이다. 원격 다이아몬드-기반 플럭스 검출기의 부가는 실제로 일렬로 생성된 x 선들의 플럭스를 측정하는데 유리할 수도 있다. 그러나, 이러한 조합은 2 개의 독립적인 다이아몬드 기판들이 사용될 것을 요구한다. 플럭스 검출기의 다이아몬드-기반 투과 윈도우 내로의 공동 통합은 재료의 사용이 감소되고 통합 레벨이 증가되게 할 것이다.

예로서 제공되는 일 실시형태의 상세한 설명을 읽을 시에, 본 발명은 더 잘 이해될 것이고 다른 이점들이 자명해질 것이며, 상기 설명은 첨부된 도면들에 의해 예시된다:
도 1(a) 및 도 1(b) 는 각각 반사 x 선 튜브와 투과 x 선 튜브를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 열 제거 기능 및 x 선 센서 기능을 갖는, 투과시 동작하는 튜브의 다이아몬드-기반 투과 윈도우를 도시한다.
도 3 은 가드 링을 갖는, x 선 센서의 일 변형을 도시한다.
도 4 는 표면-장착형 전류 검출기를 갖는, x 선 센서의 일 변형을 도시한다.
도 5 는 다중 초점/다중 소스 튜브들에 대한 투과 윈도우의 일 변형을 도시하며, 여기서 복수의 x 선 센서들은 윈도우 내로 통합되고, 복수의 전자 소스들과 대면하여 위치된다.
도 6 은 복수의 타겟들이 윈도우와 병치되는, 투과 윈도우의 일 변형을 도시한다.
도 7 은 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우의 일 변형을 도시한다.
도 8 은 피드백 제어 루프를 포함하는 x 선 발생장치 튜브를 도시한다.
명확화의 목적을 위해, 동일한 엘리먼트들은 다양한 도면들에서 동일한 참조부호들이 제공된다.

일반적으로, 및 도 1(a) 및 도 1(b) 에 개략적으로 도시된 것과 같이, x 선 발생장치 튜브 (10) 는 캐소드 (12) 와 애노드 (13) 를 갖는 진공 챔버 (11) 를 포함하며, 상기 캐소드와 애노드는 진공 챔버 (11) 에 위치된다. 캐소드 (12) 는 애노드 (13) 의 방향으로 전자 빔 (14) 을 방출하며, 애노드 (13) 는 전자 빔 (14) 의 영향을 받을 때 x 선들 (16) 을 방출하는 타겟으로서 거동한다. 다시 말해서, 타겟은 애노드 (13) 이다. x 선들 (16) 은 투명한 윈도우 (17) 를 통해 진공 챔버 (11) 의 벽을 통과함으로써, 전공 챔버 (11) 의 외부로 전파한다. 윈도우 (17) 는 x 선들에 고 투명성을 가져야 한다. 도 1(a) 에서, 타겟 (13) 은 투과 윈도우 (17) 로부터 떨어져 있다. x 선 발생장치 튜브 (10) 는 반사 구조를 가지는 것으로 참조된다. 도 1(b) 에서, 타겟 (13) 은 투과 윈도우 (17) 와 병치된다. x 선 발생장치 튜브 (10) 는 투과 구조를 가지는 것으로 참조된다. 전자 빔 (16) 이 타겟 (13) 을 타격할 때, 전자 빔 (16) 으로부터 유출되는 에너지의 대부분은 타겟 (13) 에서 열의 형태로 소실된다. 열은 x 선 발생장치 튜브 (10) 의 임의의 열화 (deterioration) 를 방지하기 위해 효과적으로 제거되어야만 한다. 투과 구조를 위해, 타겟 (13) 이 투과 윈도우 (17) 와 병치되기 때문에, 투과 윈도우 (17) 는 타겟 (13) 에서 생성된 열의 제거에 있어서 중요한 역할을 한다. x 선들에 대한 고 투명성에 부가하여, 투과 윈도우 (17) 는 매우 양호한 열 전도성을 가져야만 한다.

도 2 는 (화살표 (18) 로 표현된) 열 제거 기능 및 x 선 (16) 센서 기능을 갖도록 기능화된 다이아몬드-기반 투과 윈도우 (30) 를 도시한다. 타겟 (13) 을 형성할 수 있는 텅스텐 또는 다른 금속의 퇴적은 다이아몬드 윈도우 (30) 에서 생성된다. 다이아몬드 두께는 윈도우가 진공 챔버 (11) 의 진공과 약 1 바 (bar) 의 외부 압력 간의 압력 차이를 견디기에 충분해야만 한다. 예를 들어, 1000 GPa 의 영률 (Youngs modulus) 및 8 mm 의 직경을 보유하는 다이아몬드로 제조된 윈도우에 대하여, 100 ㎛ 의 두께는 1 bar 의 압력 차이에 저항하기에 적합하다. 따라서, 검출 및 열 기능들에 부가하여, 투과 윈도우는 또한 기계적 기능을 갖는다.

투과 윈도우 (30) 는 추가의 다이아몬드 층을 포함한다. 추가의 충은 x 선 센서 (21) 의 역할을 한다. 센서 (21) 는 도 1(a) 에 도시된 것과 같이 반사시 동작하는 타겟과 도 1(b) 에 도시된 것과 같이, 투과시 동작하는 타겟의 양자에 대하여 구현될 수도 있음이 이해될 것이다. 센서 (21) 를 형성하는 다이아몬드의 바디는 도핑되지 않는다, 즉 고유한 반도체 특성들을 갖는다.

전극 (19) 은 투과 윈도우 (30) 상의 센서 (21) 를 위해 생성된다. 전극 (19) 은 예컨대, 금속 층들로 제조될 수도 있다. 전극 (19) 은 또한, 도핑된 다이아몬드 층들로 제조될 수도 있다. 다시 말해서, 전극 (19) 은 반도체 또는 금속이다. 윈도우 (30) 를 x 선 발생장치 튜브 (10) 내로 통합하기 위해, 전자는 후자에 납땜되거나 접착 본딩된다.

동작 시, 전자 빔 (14) 은 타겟 (13) 을 가격하고, x 선들 (16) 의 플럭스 및 열을 생성한다. 열은 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우 (30) 를 통한 열 전도에 의해 x 선 발생장치 튜브 (10) 의 바디로 전달된다. 윈도우 (30) 의 재료의 열 전도성은 열의 제거에 있어 본질적인 역할을 한다.

전압 (20) 은 센서 (21) 의 전극 (19) 에 인가된다. 센서 (21) 의 고유한 다이아몬드에서 x 선들 (16) 의 플럭스에 의해 생성된 전류는 전극들 (19) 에 의해 수집된다. 전기 전류는 방출된 플럭스에 비례한다. (도면에 도시되지 않은) 캘리브레이션 표는 x 선 발생장치 튜브 (10) 에 의해 생성된 x 선들 (16) 의 플럭스를 실시간으로 인지하는 것이 가능하게 한다.

앞서 설명된 것과 같이, 다이아몬드는 x 선 플럭스에 대하여 낮은 흡수 인자를 보유하고, 플럭스가 일렬로 측정되게 할 수도 있다. x 선 플럭스에 대한 이러한 낮은 흡수 인자는, 실리콘과 같은 다른 반도체 재료들과 비교하여, x 선들의 선량에 대하여 더 약한 응답 (더 낮은 전류) 을 발생한다. 추가로, 양호한 결정질의 다이아몬드는 낮은 잡음 레벨을 나타낸다. 따라서, 신호대 잡음비가 유리하고, x 선 플럭스의 정확한 측정을 허용하는 한편, 유용한 플럭스의 최소 손실을 보장한다.

도 3 은 센서를 둘러싸고 전기 전압원에 접속되는 전도성 가드 링 (22) 을 갖는 x 선 센서의 변형을 갖는, 기능화된 다이아몬드-기반의 투과 윈도우 (31) 를 도시한다. 전도성 가드 링 (22) 은 직사각형 형상이나, 임의의 다른 다각형 형상일 수도 있다. 전도성 가드 링 (22) 은 전극 (19) 을 둘러싸는 링이다.

전도성 가드 링 (22) 없이, 전극 (19) 은 V0 으로 바이어싱 되는 반면, 발생장치 튜브 (10) 는 접지된다. x 선 플럭스의 부재시, 전류가 다이아몬드의 표면상에 존재할 수도 있고, 다이아몬드의 표면상의 전위 차이로 인해, 전극 (19) 으로부터 튜브 (10) 의 바디로 통과한다. 이는 누설 전류라 불린다. 도 2 에서, 이는 화살표들 (41) 로 표현된다. 전위 차이의 바람직하지 않은 영향을 제한하기 위해, 전극 (19) 은 전위 V0 로 바이어싱되고, 전도성 가드 링 (22) 이 제공되며, 이 또한 V0 로 바이어싱된다. 그러므로, 전극 (19) 과 링 (22) 간에 다이아몬드의 표면상에 어떤 전위 차이도 존재하지 않고, 따라서 전극 (19) 과 링 (22) 간에 어떤 기생 전류도 존재하지 않는다. 대조적으로, 전극 (19) 과 튜브 (10) 의 바디 간에는 기생 전류가 여전히 존재할 수도 있다. 이 이유는, 전극 (19) 과 전도성 가드 링 (22) 이 독립적으로 바이어싱되기 때문이다. 전극 (19) 의 전류가 측정되고, 전도성 가드 링 (22) 의 존재로 인해, 또한 누설 전류들로 지칭되는 표면 전류들 (42) 은 오직 전도성 가드 링 (22) 과 튜브 (10) 의 바디 사이에 존재하며, 그러므로 측정된 전류에 영향을 주지 않는다.

도 4 는 표면-장착형 전류 검출기 (24) 를 갖는, x 선 (16) 센서 (21) 의 일 변형을 갖는, 기능화된 다이아몬드 기반 투과 윈도우 (32) 를 도시한다. 2 개의 전극들 (25 및 26) 은 투과 윈도우 (17) 상의 센서 (21) 를 위해 생성된다. 전극 (19) 에 대하여, 전극들 (25 및 26) 은 도핑된 다이아몬드의 층들 또는 금속 층들로 이루어질 수도 있다. 전극들 (25 및 26) 은 종래에, 인터리빙된 지오메트리로 배열된다. 전도성 가드 링을 갖는 구성에 대하여 언급된 표면 전류들은 다이아몬드에서 측정될 전류에 비하여 무시할만한 것이 보장될 것이다. 전극들 (25 및 26) 은 센서 (21) 의 표면에 인접한 구역에서 생성된 전류가 측정되고 원하지 않는 기생 전류들은 제거되게 한다.

일반적으로, 전류를 수집하기 위해, 분리기 전계가 적용된다. 예를 들어, 2 개의 전극들 간에 전위 차이를 적용하는 것은, 다이아몬드에서 광발생 (photogenerate) 된 전하들을 지향시키는 전계를 생성한다. 2 개의 전극들은 x 선 플럭스의 측정을 수행하기 위해, 결과적인 전류가 획득되게 한다. 2 개의 전극들 (25 및 26) 은 센서의 표면상에 그 전계를 적용한다. 따라서, 전극간 거리는 작으며, 약 수 마이크론들이다. 적용될 전압들은 더 작아지고, 광발생된 전하들에 의해 이동되는 거리가 최소화된다. 그러므로, 전하들이 더 양호하게 수집된다. 추가로, 수집 용적은 더 작아지며, 따라서 수집된 전하의 수는 더 작아지지만, 센서 (21) 의 표면 온도 또한 벌크에서보다 더 낮아지고, 따라서 열 잡음이 상당히 감소된다. 그러므로, 신호 대 잡음비가 유리하다.

x 선들의 플럭스는 의도적이지 않게, 또는 그 시작으로부터 전자 빔 (14) 을 구조화함으로써 제어된 방식으로, 불균일한 것이 가능하다. 그러므로, x 선 플럭스 분포를 공간적으로 측정할 수 있는 것은 바람직하다. x 선들의 플럭스의 구조화는 x 선 분석을 위한 이미지 복원이 가능하게 한다. 타겟의 구조화는 단층 촬영 (tomography) 과 같은 애플리케이션들을 가능하게 한다.

도 5 는, 복수의 x 선 센서들이 윈도우 (33) 내로 통합되는, 기능화된 다이아몬드-기반 투과 윈도우 (33) 의 일 변형을 도시한다. 도 5 에서, 2 개의 센서들 (21 및 121) 이 도시된다. 2 초과의 센서들이 통합되는 윈도우를 생성하는 것이 또한 가능하다. 2 개의 전자 빔들 (14 및 114) 은 타겟 (13) 을 타격한다. 타겟 (13) 은 x 선들의 2 개의 플럭스 (16 및 116) 을 방출한다. 표면-장착된 전극들의 2 개의 세트들 (25, 26 및 125, 126) 이 투과 윈도우 (33) 상에 생성된다. 센서는 행렬-배열되는 것으로 참조된다. 사실, 복수의 센서들은 투과 윈도우 (33) 내로 통합된다. 복수의 센서들의 존재는 복수의 전자 빔들 또는 단일의 불균일한 전자 빔의 존재시 공간적 및 시간적 분해능이 가능하게 한다.

도 6 은 2 개의 타겟들 (15 및 115) 이 통합되는, 기능화된 다이아몬드-기반 투과 윈도우 (34) 의 일 변형을 도시한다. 그 예는 2 개의 타겟들을 도시하지만, 복수의 다른 타겟들을 가지는 것이 완전히 가능하다. 타겟 당 하나의 전자 빔 또는 모든 타겟에 걸쳐 분포된 하나의 단일 전자 빔은 타겟들 (15 및 115) 을 타격한다. 2 개의 타겟들 (15 및 115) 은 각각, x 선들 (16 및 116) 의 플럭스를 각각 방출할 수도 있다. 전극들 (25, 26) 의 세트는 생성된 전류를 측정한다. 타겟은 x 선들의 플럭스를 구조화하기 위해 구분되거나 구조화되는 것으로 참조된다.

따라서, 본 발명에서 설명된 것과 같은 x 선 발생장치는 x 선들의 플럭스의 직접적인, 인라인 측정이 획득되게 한다. 또한, 플럭스의 공간적 분포에 관한 정보를 획득하는 것이 가능하다.

현재, 투과 윈도우들은 주로 베릴륨으로 제조된다. 베릴륨은 x 선들에 양호한 투명성을 갖는 금속이고, 200 W/m.K 의 열 전도성을 보유한다. 서서히, 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우들이 나타나고 있다. 본 발명에서 사용된 것과 같은 투과 윈도우는 작은 사이즈의 윈도우의 경우에 단결정 다이아몬드로, 또는 다결정 다이아몬드로 제조될 수도 있다. 최종적으로, 본 발명에 따른 x 선 발생장치 튜브의 투과 윈도우는 적어도 하나의 단결정 다이아몬드 함유물 (inclusion) 을 갖는 다결정 다이아몬드로 제조될 수도 있다. 이는 x 선 플럭스의 측정을 개선하면서 큰 윈도우 면적을 유지하는 것을 가능하게 한다.

도 7 은 다결정 및 단결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우를 도시한다. 다결정 및 단결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우는 다이아몬드의 막이 성장되게 하는 캐리어 (실리콘, 몰리브덴, 등등) 상에 단결정 다이아몬드 (50) 를 위치시킴으로써 획득된다. 단결정 다이아몬드의 캐리어와 병렬로 및 그 캐리어와 대향하는 표면 (53) 상에 마스크가 퇴적된다. 다결정 다이아몬드 (51, 52) 는 단결정 다이아몬드 주위에 합성된다. 다결정 다이아몬드는 측면으로 및 수직으로 성장한다. 다결정 다이아몬드가 성장된 후에, 단결정 다이아몬드 상의 마스크는 제거되고, 다이아몬드 막은 그 캐리어로부터 자유가 되며, 단결정 다이아몬드 함유물을 갖는 다결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우가 획득된다. 투과 윈도우는 복수의 단결정 다이아몬드 함유물을 가질 수도 있다. 각각의 단결정 다이아몬드 함유물은 종래에, 사각형의 단면을 가지지만, 임의의 다른 형상일 수도 있다.

다결정 및 단결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우는 작은 면적에 걸쳐 단결정 다이아몬드의 우수한 x 선 검출 및 열 전도성 특성들과, 큰 면적에 걸쳐 다결정 다이아몬드의 양호한 기계적 및 열 특성들을 결합한다. 이상적으로, 투과 윈도우는 하나 이상의 다결정 다이아몬드 함유물들 (50) 이 하나 이상의 전자 빔들 (14) 의 축들 위에 있도록 설계되고 위치된다. 생성된 열은 수 밀리미터의 단결정 다이아몬드 함유물에 걸쳐 방사 방향으로 효율적으로 확산한다. 그 후에, 열은 다결정 다이아몬드에 의해 제거된다. 소정 양의 열을 소실하기 위해 단결정 다이아몬드 함유물들을 갖는 다결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우에서 요구되는 다결정 다이아몬드의 두께는, 오직 다결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우에 비해 더 작다. 단결정 다이아몬드 함유물들을 갖는 다결정 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우는 기계적으로 견고하고, x 선들에 투명하다. 그 윈도우의 단결정 다이아몬드 함유물들은 x 선 유량 센서 (21) 를 생성하는데 사용될 수도 있다. 그 후에, 전극 (19) 은 센서 (21) 상에 생성된다. 따라서, 투과 윈도우는 열이 효율적으로 소실되게 하고, 챔버의 내부와 외부 간의 압력 차이에 의해 부과된 기계적 조건들이 저항되게 하며, 실시간으로 x 선 발생장치 튜브에 의해 방출된 x 선들의 플럭스가 검출되게 한다.

따라서, 전계의 영향 하에, x 선 발생장치 튜브 (10) 의 캐소드 (12) 는 전자 빔 (14) 을 방출하고, 전자 빔 (14) 의 전자들은 애노드 (13) 와 캐소드 (12) 간에 생성된 정적 필드 또는 RF 전자기파에 의해 발생장치 튜브 (10) 의 진공 챔버 (11) 에서 가속된다. 일반적으로, 필드의 영향 하에 전자들을 생성하는 다수 타입들의 캐소드가 존재한다. 그들 중에서, 탄소 나노튜브들에 기반한 콜드 캐소드들은 고 주파수에서 전자들의 방출과 같은 특정 수의 잠재적 사용들을 가지고 광학 신호를 사용하여 스위칭하는 전계 효과 에미터들이다. 콜드 캐소드는 광 제어 (photo-control) 를 달성하기 위해 전자 빔을 제어할 수 있다. 추가로, 전술된 것과 같이, 통합된 유량 센서를 포함하는 x 선 발생장치 (10) 는 튜브 (10) 에 의해 방출된 선량이 그 사용을 방해하지 않고 직접 측정되게 한다.

도 8 은 피드백 제어 루프 (70) 를 포함하는 x 선 발생장치 튜브를 도시한다. 도 2 에서의 엘리먼트들과 공통적으로 도시된 엘리먼트들은 동일하다. 도 8 에서, 기능화된 투과 윈도우는 30 으로 참조된다. 도 3 내지 도 6 의 투과 윈도우 (31, 32, 33 또는 34) 가 동등하게 문제가 될 수가 있음에 유의할 것이다. 유사하게, 투과 윈도우는 단결정 또는 다결정 다이아몬드로 제조되거나, 적어도 하나의 단결정 다이아몬드 함유물을 갖는 다결정 다이아몬드로 제조되며, 이 경우 x 선 센서는 단결정 다이아몬드 함유물 상의 다이아몬드로 제조된 투과 윈도우 내로 통합된다.

x 선들의 플럭스를 제어하고 피드백 제어하기 위한 디바이스들이 이미 존재한다. 이러한 제어는 일반적으로, 광자들의 소스 외부의 검출기들에 의해, 또는 발생장치에 의해 x 선 소스로 전달된 고전압 전류를 측정함으로서 실행된다. 이들 2 개의 디바이스들은 x 선들의 선량의 정확하고 실시간의 제어에 대하여 제한들을 갖는다.

거리 d 에 있는 외부 검출기의 경우에, 전리 방사선 (ionizing radiation) 의 플럭스는 거리 d 의 제곱과 검출기의 공간적 위치에 따라 변화한다. 그러므로, 이러한 디바이스를 정확히 특징화하고 캘리브레이트하는 것이 필요하다. 발생장치, x 선 소스, 영상 시스템의 지오메트리, 및 검출기에 의해 형성된 시스템 전체에서의 드리프트들 때문에, 이들 캘리브레이션들은 예컨대, 의료 영상 또는 라미노그래피 (laminography) 애플리케이션들에서 특히 빈번해야 한다.

x 선들의 플럭스의 양호한 제어에 대한 현재 디바이스들의 다른 제한은, 대상 또는 환자가 소스와 검출기 사이에 위치되는 경우에 나타난다. 이러한 구성에서, 방사 스펙트럼은 수정되며, 이러한 수정은 통과된 매체의 상호작용과 연관된다. 소스의 에너지 스펙트럼은 대상의 가변 스펙트럼으로의 출력시 그 대상에 의존하여 수정될 것이다. 제어 검출기의 응답은 광자들의 에너지의 함수처럼 선형이 아니기 때문에, 이러한 스펙트럼 수정은 시스템의 캘리브레이션과 선량의 피드백 제어에 어려움을 가져올 것이다.

현재의 x 선 발생장치들에서, 선량의 피드백 제어는 또한, 발생장치에 의해 x 선 소스로 전달된 고전압 전류에 의해 제한된다. 구체적으로, 애노드에 의해 수신되고 전리 방사선을 생성하는 전류는 발생장치의 현재 세트포인트와 엄밀히 비례하지 않는다. 가변 누설 전류들은 발생장치에서 또는 고전압 커넥터들에서 전압 증배기 (voltage-multiplier) 레벨로, 및 최종적으로 x 선 소스의 내부에서 발생할 수도 있다.

추가로, 기생 전류들은 입력으로서 발생장치의 전류 (Ik) 를 사용하는 피드백 제어의 정확도에 영향을 줄 수도 있다. 고전압 (20 kV 내지 500 kV) 으로 상승된 전자 컴포넌트들에 대하여 측정하기 어려운 전압 증배기 레벨에서 누선 전류 (Ifg) 가 존재할 수도 있다. 튜브/발생장치 고전압 커넥터 레벨에서 누설 전류 (Ifi) 가 존재할 수도 있다. 최종적으로, x 선 소스 내부에 누설 전류 (If) 가 존재할 수도 있다. x 선 소스 내부의 누설 전류 (If) 는 시간에 걸쳐 변동하고 변화할 수도 있으며, 이는 실시간으로 측정하기 어렵다. 이러한 전류는 캐소드에 의해 생성되지만, x 선 발생장치 튜브를 형성하는 캐소드 전극들에서 전계 효과에 의해 방출된 전류와 탄성 충돌들 또는 실제 이차 재방출에 의해 생성된 이차 전자들의 애노드로부터의 역흐름에 대응하는 전류에 부가된 애노드에 도달하기 전에 차단되는 전류의 단편이다.

x 선 발생장치 튜브 (10) 는 캐소드 (12) 의 전자 빔 (14) 을 제어하기 위한 피드백 제어 루프를 포함하며, 이 제어 루프는 입력으로서 발생장치 튜브 (10) 에 의해 방출된 x 선들의 플럭스의 측정치 (71) 를 사용한다. 유리하게, 캐소드 (12) 는 탄소 나노튜브 광전캐소드이다.

따라서, x 선 발생장치 튜브 (10) 는 전리 방사선을 생성하는 애노드 (13) 에 의해 수신된 전류와 이러한 애노드 전류를 생성하는 엘리먼트간에 직접적인 피드백을 제공하는 피드백 제어 루프 (70) 를 포함한다. 이러한 디바이스는 통합된 유량 센서 및 유리하게 탄소 나노튜브 광전캐소드 또는 다른, 더 종래의 타입의 전자 에미터를 요구하며, 이 전자 에미터의 전류는 변화될 수도 있다. 이들 2 개의 기능들은 동일한 x 선 소스 내로 통합된다.

애노드 (13) 에 통합된 유량 센서는 x 선 소스에 의해 생성된 실제 선량과 비례하는 신호를 전달한다. 유량 센서에 의해 전달된 측정치 (71) 는, 세트포인트 (72) 에 의해, 누설 전류에서 어떤 변화들에 대해서도 애노드 전류를 정확한 값으로 유지하기 위해, 캐소드 전류의 직접적인 제어가 가능하게 한다.

유량 센서의 신호에 의한 방출된 전류의 피드백 제어는 발생장치, 고전압 커넥터들 및 x 선 소스에 의해 형성된 시스템의 어떤 누설 또는 기생 전류들에 대해서도 매우 고정적인 x 선 선량을 생성하는 것을 가능하게 한다. 방출 전류에 있어서 임의의 변화는 발생장치의 센서에 의해 측정되고, 피드백 제어 루프 (70) 는 캐소드 (12) 의 제어 신호에 대응하는 정정들을 수행한다. 이러한 동작 모드는 탄소 나노튜브들에 기초한 캐소드들의 사용에 있어 특히 유리하며, 이는 방출이 고주파수에서 펄싱될 (pulsed) 때 또는 캐소드가 광학 제어기 (74) 를 통해 광학 신호 (73) 에 의해 광학 제어될 때, 전달되는 선량을 안정화하는 것이 가능하기 때문이다.

Claims (15)

1. 캐소드 (12) 와 애노드 (13) 를 갖는 진공 챔버 (11) 를 포함하는 x 선 발생장치 튜브 (10) 로서,
   상기 캐소드와 애노드는 상기 진공 챔버 (11) 에 위치되고, 상기 캐소드 (12) 는 상기 애노드 (13) 의 방향으로 전자 빔 (14) 을 방출하고, 상기 애노드 (13) 는 상기 전자 빔 (14) 에 의해 타격될 경우 x 선들 (16) 을 방출하는 타겟 (13) 을 포함하며, 상기 x 선들 (16) 은 다이아몬드-기반 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 를 통해 상기 진공 챔버 (11) 의 벽을 통과함으로써 상기 진공 챔버 (11) 의 외부로 전파하고,
   다이아몬드-기반의 x 선 센서 (21; 121) 가 상기 다이아몬드-기반 투과 윈도우 (17) 내로 통합되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 타겟 (13) 은 상기 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 타겟 (13) 은 상기 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 와 병치되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 x 선 센서 (21) 는 전도성 층들로 이루어진 적어도 하나의 전극 (19) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 x 선 센서 (21) 는 다이아몬드의 도핑된 층들로 이루어진 적어도 하나의 전극 (19) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 x 선 센서 (21) 는 표면-장착형 전류 검출기 (24) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 센서들 (21; 121) 이 상기 투과 윈도우 (33) 내로 통합되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 타겟들 (15; 115) 은 상기 투과 윈도우 (34) 와 병치되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 x 선 센서 (21) 는 상기 센서를 둘러싸고 전기 전압원에 접속되는 전도성 가드 링 (22) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 는 다결정 다이아몬드로 제조되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 는 단결정 다이아몬드로 제조되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 는 적어도 하나의 단결정 다이아몬드 함유물 (50) 을 갖는 다결정 다이아몬드로 제조되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 x 선 센서 (19) 는 단결정 다이아몬드 함유물 (50) 에서의 다이아몬드로 제조된 상기 투과 윈도우 (17; 30; 31; 32; 33; 34) 내로 통합되는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
14. 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 x 선 발생장치 튜브 (10) 는 캐소드 (12) 의 전자 빔 (14) 을 제어하기 위한 피드백 제어 루프 (70) 를 포함하며,
    상기 제어 루프는 입력으로서 상기 발생장치 튜브 (10) 에 의해 방출된 x 선들의 플럭스의 측정치 (71) 를 사용하는 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐소드 (12) 는 탄소 나노튜브 광전캐소드인 것을 특징으로 하는 x 선 발생장치 튜브 (10).

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