KR20160102743A - 전계 방출 엑스선 소스 장치 - Google Patents

Abstract

게이트 전극과 외부 회로의 게이트 단자 간의 연결 안정성이 향상된 전계 방출 엑스선 소스 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 튜브형 진공 용기와 상기 튜브형 진공 용기의 양단에 각각 배치된 애노드 전극 및 캐소드 전극, 그리고 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 배치되는 게이트 전극을 구비하는 전계 방출 엑스선 소스 장치로서, 상기 게이트 전극은, 상기 튜브형 진공 용기의 내부 공간을 가로질러 설치되고, 상기 캐소드 전극 상의 전자 방출원에서 방출된 전자를 통과시키는 다수의 게이트 홀을 갖는 수평 전극부; 및 상기 수평 전극부와 직접 연결되고, 상기 튜브형 진공 용기의 외주면과 평행하게 그 길이 방향으로 상기 수평 전극부의 두께보다 큰 폭의 밴드 형태로 확장된 수직 전극부를 포함한다.

Description

전계 방출 엑스선 소스 장치{Field Emission X-Ray Source Device}

본 발명은 전계 방출 엑스선 소스 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 냉음극 측의 전자 방출원으로부터 방출되어 가속된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 방출하는 전계 방출 엑스선 소스 장치에 관한 것이다.

일반적으로 질병진단을 위하여 의료기관에서 사용되는 종래의 엑스선 소스 장치는 엑스선을 발생시키기 위한 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하고 있으며, 고전압으로 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고 방출된 전자를 애노드 전극 측의 타켓에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 구조로 되어 있다.

하지만, 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치는 전자를 발생시키는 데에 많은 전력이 소모되며, 발생되는 전자가 스파이럴 구조를 갖는 텅스텐 표면에서 무작위로 방출되기 때문에 엑스선 방출 효율이 극히 낮은 실정이다. 또한 텅스텐 필라멘트의 가열 및 냉각을 위해 일정시간의 인터벌(interval)이 요구되며, 펄스형태로 엑스선을 방출시키는 것이 어려워 필요 이상의 다량의 엑스선이 조사되어 이용에 제약이 있었다.

이러한 종래의 열음극 엑스선 소스 장치의 문제점을 해결하고자 최근에는 냉음극 전자 방출원으로 탄소나노튜브(CNT) 등 나노 구조물을 이용한 엑스선 소스 장치에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 탄소나노튜브를 이용한 엑스선 소스 장치는 종래의 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치와는 달리 전자 방출 메카니즘이 전계 방출(electric field emission) 방식으로서, 기존의 열전자 방출 방식과 다르다. 탄소나노튜브 기반의 엑스선 소스 장치는 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치에 비해 낮은 전압의 인가로 전자 방출이 가능하고, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 타켓을 향한 전자의 방향지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율이 매우 높다. 또한 펄스형태의 엑스선을 방출시키는 것이 용이하여 저선량으로 엑스선 영상획득이 가능할 뿐만 아니라 엑스선 동영상의 촬영이 가능하여 치과 임플란트 검사 등과 같은 치과 치료용으로 활용 가능성이 매우 높다.

이제까지 알려진 전계 방출 엑스선 소스(Field Emission X-ray Source)는 3극관 또는 4극관 구조로서, 진공 용기 내의 캐소드(cathode) 전극 상에 설치된 전자 방출원(emitter)과 그에 인접하게 설치된 게이트(gate) 전극을 구비하고, 게이트 전극과 전자 방출원 사이에 형성된 전계에 의해 전자가 방출되도록 구성된다. 게이트 전극은 메쉬(mesh) 형태나 전자 방출원의 배열에 따라 다수의 홀이 배열된 금속판 형태를 갖는다. 전자 방출원(emitter)으로부터 방출된 전자 빔(electron beam)이 이러한 메쉬 구조 또는 다수의 홀을 통과하여 진행하면, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 형성된 전계에 의해 전자를 수~수십 kV로 가속하여 애노드 측에 설치된 엑스선 타겟(target)에 타격시켜 엑스선이 방출되도록 한다. 그리고 필요하다면 애노드 전극과 게이트 전극 사이에 하나 이상의 집속(focusing) 전극을 추가하여 전자 빔이 애노드 전극의 한 영역으로 집속되도록 하기도 한다.

3극관 또는 4극관 구조를 갖는 종래의 전계 방출 엑스선 소스 장치에서, 전자 방출원으로부터 전자 방출을 개시하는 역할을 하는 게이트 전극은 전술한 바와 같이 메쉬 형태 또는 얇은 금속판 형태를 띤다. 게이트 전극은 적어도 그 일부분이 절연성의 하우징인 진공 용기 외부로 노출되어 게이트 신호를 인가하는 외부 회로와 연결된다. 그런데, 게이트 전극의 두께는 0.1mm 내지 0.3mm 정도로서 매우 얇은 반면, 인가되는 전압은 수십 내지 수백 볼트로 비교적 높은 전압이기 때문에 쉽게 단선 되는 등 외부 회로와의 연결에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 게이트 전극의 형태를 개선하여 진공 용기 외부에서 외부 회로와 안정적으로 연결될 수 있도록 한, 전계 방출 엑스선 소스 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 튜브형 진공 용기와 상기 튜브형 진공 용기의 양단에 각각 배치된 애노드 전극 및 캐소드 전극, 그리고 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 배치되는 게이트 전극을 구비하는 전계 방출 엑스선 소스 장치로서, 상기 게이트 전극은, 상기 튜브형 진공 용기의 내부 공간을 가로질러 설치되고, 상기 캐소드 전극 상의 전자 방출원에서 방출된 전자를 통과시키는 다수의 게이트 홀을 갖는 수평 전극부; 및 상기 수평 전극부와 직접 연결되고, 상기 튜브형 진공 용기의 외주면과 평행하게 그 길이 방향으로 상기 수평 전극부의 두께보다 큰 폭의 밴드 형태로 확장된 수직 전극부를 포함한다.

상기 게이트 전극에서 상기 수평 전극부와 상기 수직 전극부는 일체로 형성되어 컵 형태를 이룰 수 있다.

상기 수직 전극부는 상기 튜브형 진공 용기 외부로 노출된 그 외주면이 외부 회로의 게이트 단자와 용접에 의해 서로 접합될 수 있다.

상기 수직 전극부는 그 내주면으로부터 반지름 방향 내측으로 확장되어 형성된 수평 단차부를 가지고, 상기 수평 전극부는 상기 수평 단차부에 직접 접촉하도록 접합될 수 있다. 이 경우, 상기 수직 전극부는 그 상단면과 그 하단면이 각각 상기 튜브형 진공 용기와 접합될 수 있다.

본 발명에 따르면 게이트 전극의 형태를 전술한 바와 같이 개선함으로써 진공 용기 외부에서 외부 회로와 안정적으로 연결될 수 있도록 한, 전계 방출 엑스선 소스 장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 내부 구성을 보인다.
도 2는 상기 도 1의 실시예에 적용된 게이트 전극의 예를 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치에서 게이트 전극 부분의 구성을 보인다.
도 4는 상기 도 3의 실시예에 적용된 게이트 전극의 다른 예를 보인다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있는 것이라는 점은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 한편 동일한 도면 부호는 동일한 특성을 갖는 구성요소임을 나타내는 것으로서, 어느 도면에서 설명된 구성요소와 동일한 도면 부호를 갖는 구성요소에 대한 설명은 다른 도면에 대한 설명에서는 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 내부 구성을 보이고, 도 2는 상기 도 1의 실시예에 적용된 게이트 전극의 예를 보인다.

본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(100)는 튜브형의 진공 용기(10)와 상기 진공 용기(10)의 일단에 접합된 애노드 전극(20)을 포함한다. 상기 진공 용기(10)를 사이에 두고 상기 애노드 전극(20)의 반대편에는 캐소드 전극(40)이 배치된다. 상기 캐소드 전극(40) 상에 전자 방출원(41)이 배치되는데, 전자 방출원(41)은 별도의 기판에 마련되어 캐소드 전극(40)에 결합 될 수도 있고, 캐소드 전극(40) 표면에 직접 형성될 수도 있다. 상기 전자 방출원(41)은 예컨대 탄소나노튜브와 같은 다수의 나노 구조물을 이용한 것일 수 있다. 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출원(41)의 경우 상기 기판 또는 캐소드 전극(40) 표면에 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 다수의 탄소나노튜브를 직접 성장시키거나, 탄소나노튜브 페이스트를 도포한 후 소성하는 등의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캐소드 전극(40)에 인접하게 게터(getter) 전극(45)이 구비될 수 있다. 게터 전극(45)는 에이징 또는 작동 중에 상기 진공 용기(10) 내부에서 발생한 가스를 포집하여 진공도를 유지하는 기능을 한다.

진공 용기(10)는 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 알루미나 세라믹스와 같은 소재로 만들어질 수 있다. 상기 진공 용기(10)가 절연 물질로 이루어짐에 따라 전계 방출 엑스선 소스 장치(100)는 상기 애노드 전극(20) 및 상기 캐소드 전극(40)이 서로 전기적으로 절연된다. 한편, 상기 진공 용기(10)의 일 측, 좀 더 구체적으로 상기 애노드 전극(20)에 가까운 일 측에는 상기 진공 용기(10) 내부에서 발생한 엑스선(XB)이 그 외부로 원활하게 방출되도록 하는 윈도우가 마련될 수도 있다. 상기 윈도우는 비교적 엑스선 투과율이 높은 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 알루미늄-베릴륨 합금(AlBe), 산화규소(SixOy), 티타늄(Ti) 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.

상기 전자 방출원(41)과 상기 애노드 전극(20)의 사이에는 게이트 전극(50)이 배치될 수 있다. 게이트 전극(50)은 전자 방출원(41)에 가깝게 배치되어 전자 방출을 개시하는 전계를 형성한다. 게이트 전극(50)은 전자 빔(E)이 통과할 수 있도록 다수의 게이트 홀(51)이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬(mesh)의 형태로 구비될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극(50)은 상기 튜브형 진공 용기(10)의 내부 공간을 가로질러 설치되고 전술한 다수의 게이트 홀(51)을 갖는 수평 전극부(52)와, 상기 수평 전극부(52)와 직접 연결되고 상기 튜브형 진공 용기(10)의 외주면과 평행하게 그 길이 방향으로 상기 수평 전극부(52)의 두께보다 큰 폭의 밴드 형태로 확장된 수직 전극부(53)를 갖는다. 여기서 직접 연결이란 일체로 형성되어 서로 연결되거나 용접 또는 브레이징 등의 가공에 의해 서로 직접 접촉하도록 접합 된 것을 의미한다. 상기 도 1에 도시된 실시예와 같이, 상기 게이트 전극(50)은 상기 수평 전극부(52)와 상기 수직 전극부(53)가 서로 일체로 형성되어 컵 형태를 이루도록 형성될 수 있다.

상기 수직 전극부(53)는 상기 튜브형 진공 용기(10) 외부로 노출된 그 외주면이 외부 회로의 게이트 단자와 납땜 또는 용접에 의해 서로 접합될 수 있다. 상기 수직 전극부(53)의 상하 방향, 즉 튜브형 진공 용기(10)의 길이 방향으로의 폭은 상기 수평 전극부(52)의 두께보다 수 배 이상 크기 때문에 게이트 단자와의 안정적인 납땜 또는 용접(W)을 위한 충분한 면적이 확보될 수 있다. 한편, 상기 수직 전극부(53)의 외주면에 상기 외부 회로의 게이트 단자와 연결하기 위한 커넥터를 설치하는 것도 가능하다. 또한, 본 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극(50)의 수평 전극부(52)의 둘레부 상면과 하면은 각각 상기 튜브형 진공 용기(10)와 브레이징 접합(B) 될 수 있다. 또한, 상기 수직 전극부(53)의 내주면이 상기 튜브형 진공 용기(10)의 외주면에 접합 될 수도 있다.

한편, 본 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극(50)은 상기 수평 전극부(52) 및 상기 수직 전극부(53)가 서로 일체인 얇은 금속판으로 이루어져, 전체적으로는 컵 형태를 나타낸다. 컵 형태의 바닥면에 해당하는 수평 전극부(52)에는 다수의 구멍 즉, 다수의 게이트 홀(51)이 형성되는데, 이러한 게이트 홀(51) 및 컵 형태는 금속판을 프레스 가공함으로써 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 수평 전극부(52) 및 수직 전극부(53)가 서로 일체인 금속 메쉬(mesh)로 형성될 수 있다.

상기 게이트 전극(50)은 도전성의 금속 재료로 형성되며, 예컨대 코바(Kovar), 구리(Cu) 또는 스테인레스스틸(SUS)로 형성될 수 있다. 여기서, 코바는 알루미나 세라믹스 또는 유리 등의 비금속 소재와 열팽창율이 유사하여 튜브형 진공 용기(10)와의 안정적인 기밀성 접합에 유리하고, 스테인레스스틸도 상대적으로 열팽창율이 낮은 편이다.

또한 게이트 전극(50)과 애노드 전극(20) 사이에는 전자 빔(E)을 집속하기 위한 전계를 형성하는 집속 전극(60)이 배치될 수 있다. 애노드 전극(20)은 전자 방출원(41)이 배치된 캐소드 전극(40)과 수십에서 수백 kV에 달하는 높은 전위차를 형성하여 가속 전극으로서의 역할을 수행함과 동시에 상기 전자 방출원(41)으로부터 방출되어 가속된 전자의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 엑스선 타켓의 역할을 겸한다. 이를 위해 애노드 전극(20)은 진공 용기(10)의 내부에서 전자 빔(E)이 진행하는 방향에 대해 비스듬하게 경사진 엑스선 타겟면(21)을 갖는다. 상기 엑스선 타겟면(21)에는 별도의 타겟 부재가 배치될 수 있다. 상기 타겟 부재는 가속된 전자 빔(E)의 타격에 의해 엑스선을 방출하는 텅스턴(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 은(Ag), 탄탈륨(Ta) 또는 이트륨(Y) 등으로 이루어질 수 있는데, 융점이 높고 엑스선 방출 효율이 우수한 텅스텐(W)이 주로 적용된다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치에서 게이트 전극 부분의 구성을 보인다.

본 실시예에 따르면, 게이트 전극(50A)에 있어서, 수직 전극부(53A)는 그 내주면으로부터 반지름 방향 내측으로 확장되어 형성된 수평 단차부(54A)를 가지고, 상기 수평 전극부(52A)는 상기 수평 단차부(54A)에 직접 접촉하도록 접합 될 수 있다. 이 경우, 상기 수직 전극부(53A)는 그 상단면과 그 하단면이 각각 상기 튜브형 진공 용기(10)와 접합 될 수 있다. 이를 위해 상기 수직 전극부(53A)는 그 두께가 상기 튜브형 진공 용기(10)의 두께와 동일하거나 근사하게 형성될 수 있다. 상기 수평 단차부(54A)는 본 도면에서는 상기 수직 전극부(53A)의 하단측에 배치되었으나 그 위치에 대한 제약은 없다. 상기 수직 전극부(53A)와 상기 튜브형 진공 용기(10)의 접합 방법으로는 브레이징 접합(B)이 적용될 수 있다. 한편, 상기 수평 전극부(52A)와 상기 수평 단차부(54A) 사이의 접합은 도전성 금속 간의 접합으로서 납땜, 브레이징 또는 용접 등의 방법으로 이루어질 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 수평 전극부(52A)는 다수의 게이트 홀(51A)이 천공된 얇은 금속판으로 이루어질 수 있다. 전술한 도 1 내지 도 2의 실시예와 마찬가지로, 게이트 전극(50A)에서 상기 수직 전극부(53A) 및 상기 수평 전극부(52A)는 코바(Kovar), 구리(Cu) 또는 스테인레스스틸(SUS)로 형성될 수 있다. 튜브형 진공 용기(10)와 직접 접합 되는 상기 수직 전극부(53A)는 코바 또는 스테인레스스틸로 형성되고, 상기 수평 전극부(52A)는 구리로 형성되는 등 서로 다른 도전성 금속 소재로 형성될 수도 있다.

도 4는 상기 도 3의 실시예에 적용된 게이트 전극의 다른 예를 보인다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 게이트 전극(50B)에서 상기 수평 전극부(52B)는 다수의 게이트 홀(51B)이 형성된 금속 메쉬로 이루어질 수 있다. 이러한 메쉬 형태의 수평 전극부(52B) 역시 전술한 실시예에서와 마찬가지로 수직 전극부(53A)의 내측으로 돌출된 수평 단차부(54A) 위에 거치 되어 접합 될 수 있다. 접합의 한 예로 용접(W)에 의해 접합 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 수평 전극부(52B) 외의 부분에 관한 사항은 전술한 실시예와 동일하다.

100: 전계 방출 엑스선 소스 장치
10: 진공 용기 20: 애노드 전극
21: 엑스선 타겟면 40: 캐소드 전극
41: 전자 방출원 50, 50A: 게이트 전극
51, 51A: 게이트 홀 52, 52A: 수평 전극부
53, 53A: 수직 전극부 54A: 수평 단차부
B: 브레이징 접합면 W: 용접부

Claims (5)

1. 튜브형 진공 용기, 상기 튜브형 진공 용기의 양단에 각각 배치되며 타겟이 구비된 애노드 전극 및 전자 방출원이 구비된 캐소드 전극, 그리고 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 배치되는 게이트 전극을 구비하는 전계 방출 엑스선 소스 장치에 있어서,
   상기 게이트 전극은,
   상기 튜브형 진공 용기의 내부 공간을 가로질러 설치되고, 상기 캐소드 전극 상의 전자 방출원에서 방출된 전자를 통과시키는 다수의 게이트 홀을 갖는 수평 전극부; 및
   상기 수평 전극부와 직접 연결되고, 외주면이 상기 튜브형 진공 용기의 외부로 노출된 밴드 형태의 수직 전극부를 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수평 전극부와 상기 수직 전극부는 일체로 형성되어 컵 형태를 이루는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 수직 전극부의 외주면은 외부 회로의 게이트 단자와 납땜 또는 용접에 의해 서로 접합된,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 수직 전극부는 그 내주면으로부터 반지름 방향 내측으로 확장되어 형성된 수평 단차부를 가지고,
   상기 수평 전극부는 상기 수평 단차부에 직접 접촉하도록 접합된,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 수직 전극부는 그 상하면이 각각 상기 튜브형 진공 용기와 접합된,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.

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