KR20160102747A - 전계 방출 엑스선 소스 장치 - Google Patents

Abstract

에이징 과정에서의 진공도 저하에 따른 수명 단축과 포컬 스팟 변동 등의 불량 발생을 예방하도록 구성된 전계 방출 엑스선 소스 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 진공 용기 일측의 캐소드 전극에 배치된 전자 방출원과, 상기 진공 용기의 타측에 상기 전자 방출원과 진공의 공간을 사이에 두고 마주보게 배치된 애노드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극은, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자 빔의 타격을 받는 것으로 상기 전자 빔의 진행 방향에 대해 경사진 타겟면을 제공하는 타격부와, 상기 타격부와 한 몸체를 이루며 연결되고 상기 타겟면으로부터 멀어지는 방향으로 확장 형성된 결합부를 갖는 타겟 부재; 및 상기 타겟 부재보다 열전도도가 높은 도전체로 이루어지고, 상기 결합부와 기계적으로 결합되는 애노드 전극 몸체를 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 전자방출원으로부터 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 진공 용기 내에, 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. 한편, 애노드 전극과 게이트 전극 사이에 하나 이상의 집속(focusing) 전극을 추가하여 전자 빔이 애노드 전극의 한 영역으로 집속되도록 하기도 한다. 전계 방출 엑스선 소스 장치를 동작시키기 위해서, 캐소드 전극의 전위를 기준으로 게이트 전극에 양(positive)의 게이트 전압, 그리고 애노드 전극에 양의 가속 전압이 인가된다. 이때, 집속 전극에는 전자 빔의 집속을 위한 전압이 인가되며, 집속 전극에 인가되는 전압은 동작 조건에 따라 변경될 수 있다.

현재까지 선행 개발된 전계 방출 엑스선 소스를 포함하여 종래의 엑스선 소스에서는 애노드 전극의 표면에 평판 형태의 엑스선 타겟을 브레이징(Brazing)을 통해 접합 해왔다. 그런데, 이와 같이 브레이징으로 접합된 엑스선 타겟은 전계 방출 엑스선 소스 장치의 에이징(Aging) 과정 중에 불량이 발생하는 원인이 된다. 에이징 시에는 장시간 동안 전자빔이 엑스선 타겟에 충돌하기 때문에 고열이 발생하는데, 이때 발생한 고열로 인해 브레이징 필러(Filler)가 일부 용융되어 타겟의 위치가 변화에 따른 포컬 스팟의 변동을 초래하거나, 브레이징 필러의 아웃개싱(Outgasing)으로 인해 진공도를 저해하기 때문이다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 애노드 전극과 엑스선 타겟 사이의 결합 방식 및 그 구조를 개선함으로써, 전계 방출 엑스선 소스 장치에 있어서 포컬 스팟(focal spot)의 변동이나 진공도 저하와 같은 불량 발생의 요인을 제거하는 데에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 진공 용기 일측의 캐소드 전극에 배치된 전자 방출원과, 상기 진공 용기의 타측에 상기 전자 방출원과 진공의 공간을 사이에 두고 마주보게 배치된 애노드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극은, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자 빔의 타격을 받는 것으로 상기 전자 빔의 진행 방향에 대해 경사진 타겟면을 제공하는 타격부와, 상기 타격부와 한 몸체를 이루며 연결되고 상기 타겟면으로부터 멀어지는 방향으로 확장 형성된 결합부를 갖는 타겟 부재; 및 상기 타겟 부재보다 열전도도가 높은 도전체로 이루어지고, 상기 결합부와 기계적으로 결합되는 애노드 전극 몸체를 포함한다.

상기 타겟 부재와 상기 애노드 전극 몸체는, 이들 사이에 타 물질이 개입되지 않고 서로 직접 접촉하여 결합되도록 서로 대응되는 기계적 결합 구조를 포함할 수 있다.

상기 기계적 결합 구조는, 상기 결합부와 상기 애노드 전극 몸체 사이의 나사 결합 구조, 돌기-홈 결합 구조, 키 결합 구조 또는 볼트 결합 구조를 포함할 수 있다.

또한, 상기 타겟 부재와 상기 애노드 전극 몸체는, 서로 직접 접촉하여 결합되도록 용가재 없는 용접을 통해 융접된 것일 수도 있다.

본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 상기 애노드 전극 몸체에 상기 타겟 부재의 반대편에 배치되고, 상기 진공 용기의 일단과 접합되어 상기 애노드 전극이 상기 진공 용기 외부로 노출되지 않도록 하는, 비도전성 재질의 히트싱크를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 비도전성 재질의 히트싱크는 알루미나 세라믹스로 일체로 형성된 베이스와 방열핀을 포함할 수 있다. 상기 비도전성 재질의 히트싱크는 상기 베이스 내측과 상기 애노드 전극 몸체 사이에 배치된 금속 블록을 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 한 측면에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 진공 용기 일측의 캐소드 전극에 배치된 전자 방출원; 상기 진공 용기의 타측에 상기 전자 방출원과 진공의 공간을 사이에 두고 마주보게 배치되고, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자 빔의 타격을 받는 것으로 상기 전자 빔의 진행 방향에 대해 경사진 타겟면을 제공하는 타겟 부재를 구비하는 애노드 전극; 및 상기 진공 용기의 애노드 전극 측 단부에 접합되어 그 내측에 결합된 상기 애노드 전극이 상기 진공 용기 외부로 노출되지 않도록 하는, 비도전성 재질의 히트싱크를 포함한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 애노드 전극과 엑스선 타겟 사이의 결합 방식 및 그 구조를 개선함으로써, 전계 방출 엑스선 소스 장치에 있어서 포컬 스팟의 변동이나 진공도 저하와 같은 불량 발생의 요인을 제거하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 구성을 개략적으로 보인다.
도 2는 상기 도 1의 실시예에서 애노드 전극에 엑스선 타겟이 결합된 모습을 보인다.
도 3은 상기 도 2에 도시된 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 예시를 보인다.
도 4는 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 한 예를 보인다.
도 5는 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 다른 예를 보인다.
도 6은 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 또 다른 예를 보인다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 애노드 측 구성을 개략적으로 보인다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 애노드 측 구성을 개략적으로 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 살펴본다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 기술적 사상을 명확히 전달하기 위하여 제공된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 구성을 개략적으로 보인다.

본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(100)는, 도면에 도시된 바와 같이, 진공 용기(10)와, 상기 진공 용기(10) 일측(본 도면에서는 진공 용기(10)의 하부)의 캐소드 전극(40)에 배치된 전자 방출원(41)과, 상기 진공 용기(10)의 타측(본 도면에서는 진공 용기(10)의 상부)에 상기 전자 방출원(41)과 진공의 공간을 사이에 두고 마주보게 배치된 애노드 전극(20)을 포함한다. 상기 애노드 전극(20)은 상기 전자 방출원(41)으로부터 방출된 전자 빔(E)의 타격을 받는 것으로 상기 전자 빔(E)의 진행 방향에 대해 경사진 타겟면을 제공하는 타격부(31)와, 상기 타격부(31)와 한 몸체를 이루며 연결되고 상기 타겟면으로부터 멀어지는 방향으로 확장 형성된 결합부(32)를 갖는 타겟 부재(30) 및 상기 타겟 부재(30)보다 열전도도가 높은 도전체로 이루어지고, 상기 결합부(32)와 기계적으로 결합되는 애노드 전극 몸체를 포함한다.

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. 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.

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 구멍(51)이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬(mesh)의 형태로 구비될 수 있다. 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 타겟면을 갖는 타격부(31)와, 상기 타겟면에서 멀어지는 방향으로 상기 타격부(31)로부터 돌출된 결합부(32)를 갖는 타겟 부재(30)를 포함한다. 상기 타격부(31)와 상기 결합부(32)는 동일한 소재로 일체로 형성된다. 상기 타겟 부재(30)는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 애노드 전극(20)에서 상기 타겟 부재(30)를 제외한 나머지 부분을 이루는 애노드 전극 몸체는 상기 결합부(32)의 돌출된 형상에 대응되는 오목한 홈 등의 부분을 가질 수 있다. 상기 타겟 부재(30)는 상기 애노드 전극 몸체와의 사이에 브레이징 필러와 같은 다른 물질이 개입되지 않고 직접 접촉하도록 기계적으로 결합 된다. 상기 타격부(31) 및 결합부(32)의 구체적인 형태와 기계적인 결합 구조 등에 관해서는 다양한 실시예와 함께 후술하기로 한다.

상기 타겟 부재(30)는 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 있다. 상기 타격부(31)는 가속된 전자의 타격을 받으며 엑스선을 방출하는데, 에이징 과정에서 연속적으로 전자 빔(E)의 타격을 받으면 상기 타격부(31) 상의 초점은 약 2700℃ 이상의 고온에 이르고, 상기 애노드 전극(20) 전체적으로 약 1700℃에 달하게 된다. 이러한 고온에서도 변형에 의한 포컬 스팟 변동을 방지하기 위해, 일 예로 융점이 3440℃로 높은 텅스텐(W) 등으로 타겟 부재(30)를 형성할 수 있다. 한편, 본 발명에 따르면 애노드 전극(20)에 상기 타겟 부재(30)가 상대적으로 융점이 낮은 브레이징 필러와 같은 다른 물질의 개입 없이 기계적 결합에 의해 결합 되므로, 아웃개싱(Outgasing)에 의한 진공도 저하를 미연에 방지할 수 있다.

여기서 애노드 전극 몸체는 다양한 도전성 금속 재료로 형성될 수 있다. 전술한 수준의 고온에 견딜 수 있는 금속 재료 중에서 열전도도가 상기 타겟 부재(30)보다 높은 것이 열 확산 측면에서 유리하고, 상기 진공 용기(10)와의 접합성 측면에서 열팽창계수가 진공 용기(10)와 유사한 것이 유리하다. 일 예로 상기 애노드 전극 몸체는 코바(Kovar)라 불리는 철-니켈-코발트 합금으로 형성될 수 있다.

도 2는 상기 도 1의 실시예에서 애노드 전극에 엑스선 타겟이 결합된 모습을 보인다. 도시된 바와 같이, 애노드 전극(20)에서 진공의 공간을 향하는 한 측면에 타격부(31)가 전자 빔의 진행 방향에 대해 경사지게 노출되도록 배치될 수 있다.

도 3은 상기 도 2에 도시된 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 예시를 보인다.

도 3의 (a)는 타겟 부재(30a)가 애노드 전극 몸체(20a)에 나사 결합 구조에 의해 기계적으로 결합된 예를 보인다. 상기 타겟 부재(30a)는 평판 형태의 타격부(31a)와 상기 타격부(31a)에서 전자의 타격을 받는 면의 반대편으로 돌출된 원통형의 결합부(32a)를 갖는다. 상기 원통형의 결합부(32a)의 외주면에는 숫 나사가 형성된다. 상기 애노드 전극 몸체(20a)에는 상기 결합부(32a)와 나사 결합에 의해 체결되도록 암 나사가 형성된 원통형의 홈(22a)이 형성되고, 상기 타격부(31a)의 타겟면을 제외한 나머지를 수용하는 홈(21a)이 형성될 수도 있다.

도 3의 (b)는 타겟 부재(30b)가 애노드 전극 몸체(20b)에 돌기-홈 결합 구조에 의해 기계적으로 결합된 예를 보인다. 상기 타겟 부재(30b) 역시 평판 형태의 타격부(31b)와 상기 타격부(31b)에서 전자의 타격을 받는 면의 반대편으로 돌출된 원통형의 결합부(32b)를 갖는다. 상기 원통형의 결합부(32b)의 외주면에는 돌기(33b)가 구비된다. 상기 애노드 전극 몸체(20b)에는 상기 결합부(32b)와 돌기-홈 결합 구조에 의해 체결되도록, 상기 원통형의 결합부(32b)에 대응되는 원통형의 홈(22b)과 상기 원통형의 홈(22b)의 내주면에 형성되어 상기 돌기(33b)의 진입을 안내하고 타겟 부재(30b)의 회전에 의해 그와 맞물려 결속되는 체결 홈(23b)이 구비된다. 상기 애노드 전극 몸체(20b)에는 상기 타격부(31b) 의 타겟면을 제외한 나머지를 수용하는 홈(21b)이 형성될 수도 있다.

도 4는 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 한 예를 보인다.

도시된 바와 같이, 애노드 전극 몸체(20c)와 상기 타겟 부재(30c)는 키 결합 구조에 의해 결합될 수 있다. 키 결합 구조의 한 예로서, 상기 타겟 부재(30c)의 타격부(31c)의 일측에는 전술한 결합부의 한 예로 슬라이드 방향으로 일정한 단면 형상을 갖는 슬라이드 돌기형의 결합부(32c)가 마련되고, 상기 애노드 전극 몸체(20c)의 일측에는 상기 슬라이드 돌기형 결합부(32c)의 형상에 대응되는 가이드 홈(22c)이 마련될 수 있다. 상기 슬라이드 돌기형 결합부(32c)와 상기 가이드 홈(22c)에는 슬라이드 결합된 상태에서 서로 직선으로 연통되는 키홀(33c,24c)이 각각 마련될 수 있고, 여기에 별도로 마련된 직선형 키(34c)가 삽입될 수 있다. 여기서는 타겟 부재(30c)와 애노드 전극 몸체(20c)를 슬라이드 결합 방식으로 결합하고, 그 결합 구조물들에 키를 삽입하는 예를 보였으나, 전술한 결합부를 단순히 홈에 삽입하고 이들에 공통의 키를 삽입하여 고정하는 결합 구조를 통한 기계적 결합도 가능하다.

도 5는 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 다른 예를 보인다.

도시된 바와 같이, 애노드 전극 몸체(20d)와 타겟 부재(30d)는 볼트 결합 구조에 의해 결합될 수 있다. 볼트 결합 구조의 한 예로서, 상기 타겟 부재(30d)의 타격부(31d)의 일측단으로부터 상기 애노드 전극 몸체(20d) 방향으로 돌출된 결합부(32d)와, 상기 애노드 전극 몸체(20d)의 일측에 상기 결합부(32d)에 대응되는 형태로 형성된 수용부(22d)에 서로 연통하는 나사홀(33d,22d)이 각각 형성되고, 하나의 볼트(34d)가 이들 나사홀(33d,22d)에 체결되는 형태의 결합 구조가 구비될 수 있다.

도 6은 애노드 전극과 타겟 부재의 결합을 위한 기계적 결합 구조의 또 다른 예를 보인다. 타겟 부재(30e,30f)는 진공 용기 내부에서 애노드 전극 몸체(20e,20f)의 일부를 덮는 캡(cap) 형태를 가질 수도 있다. 이러한 캡 형태의 타겟 부재는 프레스 공정에 의해 형성될 수도 있고, 절삭 가공을 통해 형성될 수도 있다.

도 6의 (a)는 이러한 캡 형태의 타겟 부재의 한 예로서, 경사진 타겟면을 형성하는 타격부(31e)와 상기 타격부(31e)의 둘레로부터 상기 애노드 전극 몸체(20e)의 외주를 둘러싸도록 연장된 형태의 결합부(32e)를 가지는 타겟 부재(30e)가 그에 대응되는 애노드 전극 몸체(20e)에 억지 끼움 된 후 용접에 의해 결합된 예를 보인다. 여기서 상기 타겟 부재(30e)와 상기 애노드 전극 몸체(20e)는 이들 사이에 다른 물질이 개입되지 않는 융접에 의해 결합될 수 있으며, 예컨대 상기 결합부(32e)와 상기 애노드 전극 몸체(20e)의 측면 일부분(34e)을 레이저 용접 또는 스팟 용접함으로써 결합될 수 있다.

도 6의 (b)는 전술한 캡 형태의 타겟 부재의 다른 한 예로서, 경사진 타겟면을 갖는 타격부(31f)와 상기 타격부(31f)의 둘레로부터 상기 애노드 전극 몸체(20f)의 외주를 둘러싸도록 연장된 형태의 결합부(32f)를 가지되, 상기 결합부(32f)의 내주면에 암나사(34f)가 형성된 타겟 부재(30f)를 보인다. 상기 애노드 전극 몸체(20f)의 외주면에 상기 암나사(34f)에 대응되는 숫나사(24f)가 형성되어 이들 사이에 나사 결합이 이루어질 수 있다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 애노드 측 구성을 개략적으로 보인다. 전술한 도 1의 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(100)에 비해 본 실시예에 따른 엑스선 소스 장치(110)는 진공 용기(10)의 애노드 전극(20) 쪽 구성에 차이가 있다. 여기서는 도 1의 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.

본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(110)는 상기 진공 용기(10)의 애노드 전극(20)이 설치된 쪽의 단부에 접합되어 그 내측에 결합된 상기 애노드 전극(20)이 상기 진공 용기(10) 외부로 노출되지 않도록 하는, 비도전성 재질의 히트싱크(80)를 포함한다. 여기서, 상기 애노드 전극(20)은 전술한 바와 같이, 타격부(31)와 결합부(32)로 구성된 타겟 부재(30)를 포함할 수 있다.

상기 비도전성 재질의 히트싱크(80)는 전기적으로 절연성을 갖는 소재로 형성된다. 애노드 전극(20)에는 고전압 케이블(90)과 그 전단의 커넥터(91)를 통해 수십 내지 수백 kV의 고전압이 인가될 수 있다. 이를 위해 상기 비도전성 재질의 히트싱크(80)에 관통홀(89)이 마련되고, 애노드 전극(20)에도 커넥터 연결부(29)가 마련될 수 있다. 고전압의 애노드 전극(20)이 전기적 절연성을 갖는 상기 진공 용기(10)와 상기 비도전성 재질의 히트싱크(80)의 외부로 노출되지 않도록 함으로써, 애노드 전극(20)과 타 전극들과의 절연 내력을 높일 수 있다.

한편, 상기 비도전성 재질의 히트싱크(80)는 상기 애노드 전극(20)으로부터 전달된 열을 외부로 원활히 방출할 수 있도록, 일체로 형성된 베이스(81)와 다수의 방열핀(82)을 포함하여 구성된다. 방열핀(82)은 일반적인 히트싱크에서와 같이 공기와의 접촉 면적을 넓혀 열을 빠르게 방출하는 역할을 한다. 원활한 열 방출을 위해 상기 비도전성 재질의 히트싱크(80)는 전기적 절연성을 갖는 소재 중 열전도도가 높은 금속산화물 계열의 세라믹스 소재로 형성될 수 있으며, 일 예로 알루미나 세라믹스로 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예와 같이 상기 비도전성 재질의 히트싱크(80)와 진공 용기(10)를 동일한 소재로 형성하거나 열팽창계수가 비슷한 소재로 형성함으로써 접합 불량을 방지할 수 있다.

애노드 전극(20)과 비도전성 재질의 히트싱크(80)는 기계적인 결합 구조를 통해 접합될 수도 있으나, 서로 브레이징을 통해 접합되어도 무방하다. 애노드 전극(20)과 비도전성 재질의 히트싱크(80)의 접합부는 에이징 시에도 온도가 타겟 부재(30)의 온도에 비해 상당히 낮으므로 브레이징 필러의 용융이나 아웃개싱 등의 문제가 생기지 않기 때문이다.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 애노드 측 구성을 개략적으로 보인다.

본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(120)에 있어서, 상기 비도전성 재질의 히트싱크(80a)는 상기 베이스(81) 내측과 상기 애노드 전극(20) 사이에 배치된 금속 블록(83)을 더 포함한다. 상기 금속 블록(83) 역시 외부로 노출되지 않도록 배치된다. 이때, 고전압 케이블(90)과 그 전단의 커넥터(91)는 히트싱크의 베이스(81)와 상기 금속 블록(83)을 각각 관통하는 관통홀(89,839)을 통해 상기 애노드 전극(20)의 커넥터 연결부(29)에 접속될 수 있다.

상기 금속 블록(83)은 상기 비도전성 히트싱크(80a)의 베이스(81) 및 방열핀(82)을 이루는 소재보다 열전도도가 높은 금속 소재로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 애노드 전극(20)이 코바(kovar) 또는 구리(Cu)로 형성되고, 상기 베이스(81) 및 방열핀(82)이 알루미나 세라믹스로 형성된 경우, 상기 금속 블록(83)은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 상기 금속 블록(83)과 인접한 부재들 사이의 결합은 브레이징 접합을 통해 이루어질 수 있고, 기계적 결합을 통해서도 가능하다.

10: 진공 용기
20: 애노드 전극 20a~20f: 애노드 전극 몸체
30, 30a~30f: 타겟 부재 31, 31a~31f: 타격부
32, 32a~32f: 결합부 40: 캐소드 전극
41: 전자 방출원 50: 게이트 전극
60: 집속 전극 80: 히트싱크
81: 베이스 82: 방열핀

Claims (8)

1. 진공 용기 일측의 캐소드 전극에 배치된 전자 방출원과, 상기 진공 용기의 타측에 상기 전자 방출원과 진공의 공간을 사이에 두고 마주보게 배치된 애노드 전극을 포함하고,
   상기 애노드 전극은,
   상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자 빔의 타격을 받는 것으로 상기 전자 빔의 진행 방향에 대해 경사진 타겟면을 제공하는 타격부와, 상기 타격부와 연결되고 상기 타겟면으로부터 멀어지는 방향으로 확장 형성된 결합부를 갖는 타겟 부재; 및
   상기 타겟 부재보다 열전도도가 높은 도전체로 이루어지고, 상기 결합부와 기계적으로 결합되는 애노드 전극 몸체를 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 타겟 부재와 상기 애노드 전극 몸체는, 이들 사이에 타 물질이 개입되지 않고 서로 직접 접촉하여 결합되도록 서로 대응되는 기계적 결합 구조를 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기계적 결합 구조는, 상기 결합부와 상기 애노드 전극 몸체 사이의 나사 결합 구조, 돌기-홈 결합 구조, 키 결합 구조, 캡 형태의 억지 끼움 구조 또는 볼트 결합 구조를 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 타겟 부재와 상기 애노드 전극 몸체는, 서로 직접 접촉하여 결합되도록 용가재 없는 용접을 통해 융접된,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 애노드 전극 몸체에 상기 타겟 부재의 반대편에 배치되고, 상기 진공 용기의 일단과 접합되어 상기 애노드 전극이 상기 진공 용기 외부로 노출되지 않도록 하는, 비도전성 재질의 히트싱크를 더 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 비도전성 재질의 히트싱크는 알루미나 세라믹스로 일체로 형성된 베이스와 방열핀을 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 비도전성 재질의 히트싱크는 상기 베이스 내측과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 금속 블록을 더 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.
8. 진공 용기 일측의 캐소드 전극에 배치된 전자 방출원;
   상기 진공 용기의 타측에 상기 전자 방출원과 진공의 공간을 사이에 두고 마주보게 배치되고, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자 빔의 타격을 받는 것으로 상기 전자 빔의 진행 방향에 대해 경사진 타겟면을 제공하는 타겟 부재를 구비하는 애노드 전극; 및
   상기 진공 용기의 애노드 전극 측 단부에 접합되어 그 내측에 결합된 상기 애노드 전극이 상기 진공 용기 외부로 노출되지 않도록 하는, 비도전성 재질의 히트싱크를 포함하는,
   전계 방출 엑스선 소스 장치.

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