KR20160118613A - X선 소스의 진공도 측정방법 및 진공도 측정장치 - Google Patents

X선 소스의 진공도 측정방법 및 진공도 측정장치 Download PDF

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KR20160118613A KR1020150046994A KR20150046994A KR20160118613A KR 20160118613 A KR20160118613 A KR 20160118613A KR 1020150046994 A KR1020150046994 A KR 1020150046994A KR 20150046994 A KR20150046994 A KR 20150046994A KR 20160118613 A KR20160118613 A KR 20160118613A
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Abstract

본 발명은 제조된 X선 소스의 진공도를 측정하기 위한 진공도 측정방법 및 진공도 측정장치에 관한 것으로서, 캐소드와 애노드를 포함하는 X선 소스의 캐소드와 애노드에 연결되는 전원과; 상기 애노드에 연결된 이온측정기를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치와, (S10) 이온 농도와 진공도 간 관계를 인덱싱하는 단계; (S20) X선 소스의 이온농도를 측정하고, 상기 이온 농도와 진공도 간 관계로 상기 X선 소스의 진공도를 산출하는 진공도 측정단계를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정방법을 제공한다.

Description

X선 소스의 진공도 측정방법 및 진공도 측정장치{METHOD AND APPARATUS FOR CHECKING DEGREE OF VACUUM OF X-RAY SOURCE}
본 발명은 제조된 X선 소스의 진공도를 측정하기 위한 진공도 측정방법 및 진공도 측정장치에 관한 것으로서, 특히, 직접 진공도를 측정할 수 없는 밀폐된 X선 소스 내부의 진공도를 이온측정기(ion meter)를 이용하여 측정하는 X선 소스의 진공도 측정방법 및 진공도 측정장치에 관한 것이다.
최근 들어, X선 발생장치의 소형화를 위해 탄소나노튜브(carbon-nano-tube, 이하CNT) 등의 나노물질을 이용한 X선 소스가 소개된바 있다. 이러한 X선 소스는 의료용 X선 촬영 등에 사용되고 있는 실정이며, 전자빔의 손실을 방지하고, X선 출력을 극대화하기 위하여 내부를 진공으로 만들어야 할 필요가 있다. 따라서, X선 소스의 제조과정 중 X선 소스 내부를 진공으로 만드는 공정이 필요하다.
도 1은 통상적인 X선 소스가 X선을 방출하는 과정을 알 수 있도록 X선 소스의 단면을 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, X선 소스는 하우징(30)의 일측부에 배치된 음극부(20) 측의 캐소드(21, cathode)에 음전압이 걸리면, 게이트(22)는 전자가 캐소드(21)에서 방출될 수 있도록 여기시키고, 포커스(23)는 전자들이 양극부(10)의 애노드(11, anode)를 향하도록 유도한다. 한편, 하우징(30)의 타측부에 배치된 애노드(11)에는 양전압이 가해져 방출된 전자들을 가속시키고, 일정 속도 이상으로 전자가 애노드(11)에 충돌하면 X선이 발생되어 윈도우(40)로 출력된다. 이를 위해 애노드(11)는 전자의 충돌에 의해 X선을 발생시키는 타겟의 역할을 겸한다.
캐소드(21)에서 방출된 전자는 질량이 매우 적기 때문에, X선 소스 내부가 진공이 아닌 경우 내부에 불순물 분자들이 존재하게 되고 전자가 이러한 분자들에 충돌하면 애노드(11) 측으로 진행되지 못하고 산란되거나 원하는 X선이 아닌 다른 방사선 또는 빛을 생성할 수도 있다.
완성된 X선 소스 내부의 진공도가 일정 이상이면, 요구되는 성능을 만족시킬 수 없으므로, X선 소스 제조업체들은 제조된 X소스의 진공도를 측정하여 불량률을 관리할 필요가 있다.
종래에는 X선 소스 제조 시 최종 밀봉시의 감압 상태를 X선 소스의 압력으로 보았으나, 밀봉 과정에서 밀봉 순간과 밀봉 직후의 주변 상태 및 밀봉 시간 차에 따라 압력의 오차가 생길 수 있다.
또한, 밀봉이 완벽하지 못한 경우, 시간 경과에 따라 진공도가 변화하게 되기 때문에, 최종 제조단계 상태의 압력이 실제 사용 상태의 압력이 되지 않을 수도 있기 때문에 제품의 품질 및 신뢰성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
특히, X선 소스의 내부 진공도를 확인하지 못할 경우 가장 큰 문제점은 X선 소스 특성에 대한 예측이 불가능하며 수명에 대한 검토가 어렵다는 것이다.
따라서, 실제 완제품 X선 소스의 진공도를 측정하기 위한 방법들이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이온측정기를 이용하여, X선 소스 내부 물질을 이온화 시킨 후 이온농도를 측정하여 X선 소스 내부의 진공도를 측정할 수 있는 진공도 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서, (S10) 이온 농도와 진공도 간 관계를 인덱싱하는 단계; (S20) X선 소스의 이온농도를 측정하고, 상기 이온 농도와 진공도 간 관계로 상기 X선 소스의 진공도를 산출하는 진공도 측정단계를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정방법을 제공한다.
상기 (S10) 단계는, 상기 X선 소스의 진공도를 변화시키면서 상기 X선 소스의 이온 농도를 측정하여 상기 이온 농도와 진공도 간 관계를 인덱싱하는 것이 바람직하다.
상기 (S20) 단계는, 상기 X선 소스의 캐소드와 애노드에 이온화를 위한 제1 전압을 인가하는 단계; 상기 캐소드와 애노드간 전류가 기준 전류값 이하가 되면 상기 애노드와 캐소드에 이온농도 측정을 위한 제2 전압을 인가하고, 상기 애노드에 연결된 이온측정기로 상기 이온 농도를 측정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전압은 1~5kV이고, 상기 기준 전류값은 1mA 이하이며, 상기 제2 전압은 -1~5kV일 수 있다.
또한, 본 발명은 캐소드와 애노드를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치로서, 상기 캐소드와 애노드에 연결되는 전원과; 상기 애노드에 연결된 이온측정기를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 X선 소스의 캐소드와 애노드에 연결되는 전원과; 상기 애노드에 연결된 이온측정기를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치를 이용한 진공도 측정방법으로서, 상기 캐소드와 애노드에 이온화를 위한 제1 전압을 인가하는 단계; 상기 캐소드와 애노드 간 전류가 기준값 이하가 되면 상기 애노드와 캐소드에 이온농도 측정을 위한 제2 전압을 인가하고, 상기 이온측정기로 상기 X선 소스의 이온농도를 측정하는 단계; 기 산출된 이온농도와 진공도 간 관계에 따라 상기 X선 소스의 진공도를 산출하는 단계를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정방법을 제공한다. 상기 제1 전압은 1~5kV이고, 상기 기준 전류값은 1mA 이하이며, 상기 제2전압은 -1~5kV일 수 있다.
전술한 본 발명에 따르면, 이온 농도와 진공도 간의 관계를 인덱싱 함으로써, 언제든지 X선 소스의 내부의 진공도를 계측할 수 있기 때문에, 진공도 측정 시점의 제약이 없다.
또한, 시간에 대한 제약 없이 진공도를 측정할 수 있기 때문에, X선 소스의 진공도에 관한 품질관리가 용이한 효과가 있다.
또한, 사용중인 X선 소스가 비정상 작동하는 경우, 사용중인 X선 소스의 진공도를 측정할 수 있기 때문에 진공도가 비정상적으로 높은 경우 X선 소스의 밀봉상태가 사용에 의해 고장이 난 것으로 진단이 가능하며, 진공도 측정에 의해 제품의 품질 및 신뢰성, 그리고 수명 및 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 X선 소스의 작동 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 2는 전자가 불순물 분자와 충돌하는 경우를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 X선 소스의 진공도 측정방법에 있어서, 진공도와 이완농도와의 관계를 측정하기 위한 인덱싱 시스템을 개략적으로 도시한 블록도,
도 4는 도 3의 시스템에서 측정한 이온농도와 진공도의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 X선 소스의 진공도 측정을 위한 시스템을 개략적으로 도시한 블록도, 그리고
도 6은 도 3의 인덱싱 시스템을 이용하여 만든 진공도 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
캐소드와 애노드 간 전압차가 일정 범위인 경우, 예컨대, -1kV 내지 5kV 사이인 경우(cf. X선 출력을 위한 전압차는 65kV 내외), 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드에서 전자가 방출되어 X선 소스 내부에 존재하는 분자에 부딪히면 분자는 음전하를 가진 이온과 양전하를 가진 이온으로 분리된다. 따라서, X선 소스 내부에 상기 범위의 전압을 일정시간 이상 걸어주면, X선 소스 내의 물질은 이온화될 수 있다.
이온의 수는 X선 소스 내에 존재하는 분자의 수와 동일하고, 이는 진공도에 비례한다. 따라서, X선 소스 내의 이온 농도와 진공도와의 관계를 인덱싱(indexing)하거나 함수화 하면, X선 소스 내의 이온 농도를 측정함으로써, X선 소스의 진공도를 측정할 수 있다.
도 3 및 도 4는 X선 소스 내의 이온 농도와 진공도의 관계를 인덱싱 하기 위한 시스템 및 인덱싱 된 이온 농도와 진공도의 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 진공도와 이온 농도를 인덱싱하는 작업은 진공 챔버(110) 내에서 수행된다.
특정 X선 소스 제품의 진공도와 이온 농도와의 관계를 인덱싱 할 수 있다. 우선 진공 챔버(110) 내에 X선 소스(1)를 고정 시킨다. 진공 챔버(110)는 진공펌프(111)와 연결된다. 진공 챔버(110)의 진공도가 변하면 X선 소스(1) 내부의 진공도가 진공 챔버(110) 내부의 진공도와 동일하게 변화될 수 있도록 X선 소스(1)의 특정 부에 개구(G)를 형성한다. 도면에서 개구(G)는 애노드(10)와 X선 소스의 하우징 사이에 형성되어 있지만, 실제 X선 소스의 성능에는 영향을 미치지 않을 크기로 적절한 위치에 형성될 수 있다.
진공펌프(111)가 챔버(110) 내부의 압력을 변경시키면, 개구(G)에 의해 X선 소스(1) 내부와 챔버(110)의 압력은 동일하게 설정될 수 있다.
X선 소스(1)의 캐소드(21) 그리고 게이트(22), 포커스(23)와 같은 보조 전극은 제1 전원(120)에 연결되고, 제1 전원(120)은 캐소드(21)에 음전압을 인가할 수 있고, 보조전극들(22, 23)에 양전압을 인가할 수 있다.
애노드(10)에는 제2 전원(130) 및 이온측정기(131)가 접속될 수 있다. 제2 전원(130)은 전자를 가속하기 위하여 애노드(10)에 고전압을 인가할 수 있다.
이온측정기(131)는 공기 중에 분포된 이온 중 양이온과 음이온을 선택적으로 받아들여 그 농도(양)을 측정하는 장치이다. 이온측정기는 이온디텍터(ion detector)가 양극으로 대전되거나 음극으로 대전되어 근처의 반대 극성을 띄는 이온을 끌어 당겨서 그에 따른 전류값의 변화로 이온농도를 측정하도록 작동한다. 본 실시예에서, 디텍터로서 애노드(10)가 사용된다.
상기 시스템을 이용하여 이온 농도-진공도간 관계를 측정하여 인덱싱 하는 과정은 아래와 같다.
(S1) 진공챔버 내부에서 샘플 X선 소스 (측정 대상과 동일 모델, 개구(G)가 형성된 제품)를 고정시킨다. 이때 샘플 X선 소스는 개구(G)에 의해 밀봉되지 않은 상태이므로 챔버(110)의 진공도와 샘플 내부의 진공도가 동일하다.
(S2) 진공 펌프(111)를 이용하여 진공 챔버(110) 내의 진공도를 원하는 압력으로 조절한다.
(S3) 제2 전원(130)을 이용하여 애노드(10)에 이온화를 위한 전압, 일례로 +1 내지 5kV 전압을 인가한 상태에서 애노드(10)에 흐르는 전류가 기준값 이하, 일례로 1mA 이하가 되도록 게이트(22) 및 캐소드(21)에 제1 전원(120)을 통해 전압을 인가한다. 여기서 기준 전류값은 X선 소스 내부의 분자가 이온화 된 정도를 파악하기 위한 것으로서, 일례로 1mA 이하이면 X선 소스 내부의 분자가 대부분 이온화된 것으로 파악할 수 있다.
(S4) 기준 전류 값을 확인한 뒤 내부 생성된 이온 값을 읽기 위해 제2 전원(130)을 끄고 이온측정기(131)를 이용해 이온 농도 측정을 위한 전압, 일례로 -1 내지 5kV를 인가하여, 현재 진공도에서의 이온 농도를 기록한다.
(S5) 진공 펌프를 이용하여 챔버 내의 진공도를 변화시키면서 (S1) 내지 (S4)의 과정을 되풀이 함으로써, 진공도 변화에 따른 이온 농도의 변화를 표 또는 그래프로 인덱싱 한다.
도 4는 전술한 과정을 통해 얻어진 진공도와 이온 농도의 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 진공도가 감소할수록 이온 농도는 선형적으로 줄어드는 것을 그래프를 확인할 수 있다
전술한 과정으로, 특정 모델의 X선 소스에 관한 진공도-이온 농도의 값이 인덱싱 되면, 동일 모델의 X선 소스 내부의 이온 농도를 측정하여 진공도를 확인할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실제 사용하거나, (S5) 제조 완료된 밀봉된 X선 소스(1')를 전술한 샘플 X선 소스와 같이 제1 전원(120), 제2 전원(130) 및 이온측정기(131)에 연결시킨다.
(S6) 제2 전원(130)을 이용하여 애노드(10')에 이온화를 위한 전압, 일례로 +1 내지 5kV 전압을 인가한 상태에서 애노드(10)에 흐르는 전류가 기준값 이하, 일례로 1mA 이하가 되도록 게이트(22') 및 캐소드(21')에 제1 전원(120)을 통해 전압을 인가한 후, (S7) 기준 전류값이 확인되면 제2 전원(130)을 끄고 이온측정기(131)를 이용해 이온 농도 측정을 위한 전압, 일례로 -1 내지 5kV를 인가하여, 이온 농도를 확인한다. (S8) 샘플 X선 소스를 이용하여 만든 인덱싱 된 자료(표 또는 그래프)에서 해당 하는 이온 농도 지점에서의 진공도를 확인하여 X선 소스(1')의 진공도를 측정한다.
상기와 같이 본 실시예에서는 동일 모델의 샘플을 이용하여 만들어진 이온농도-진공도 간의 인덱싱 자료를 이용하여 제조된 X선 소스 내부의 이온 농도를 이용하여 진공도를 측정할 수 있어서 제조된 제품의 불량율을 검증할 수 있고, 수명을 예측할 수 있다.
또한, 사용중인 X선 소스의 이온농도를 측정하여 진공도를 측정할 수 있으므로, 중고 제품의 남은 수명과, 성능을 알 수 있고, 고장이 발생한 경우 고장 원인을 파악하는데 도움을 줄 수가 있다.
전술한 실시예에서, 인덱싱 자료가 그래프 또는 표로 설명되었지만, 도 6과 같이 진공도(x) 및 이온 농도(y)를 변수로 하는 수학적 함수를 도출할 수도 있다. 이러한 경우 별도의 인덱싱 자료가 없더라도, 상기 함수에 이온농도(y)를 대입하여 진공도(x)를 수학적으로 계산할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 도면에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
1, 1': X선 소스 10, 10': 애노드
21, 21': 캐소드 22, 22': 게이트
23, 23': 포커스 110: 진공챔버
111: 진공펌프 120: 제1 전원
130: 제2 전원 131: 이온미터

Claims (7)

  1. (S10) 이온 농도와 진공도 간 관계를 인덱싱하는 단계;
    (S20) X선 소스의 이온농도를 측정하고, 상기 이온 농도와 진공도 간 관계로 상기 X선 소스의 진공도를 산출하는 진공도 측정단계
    를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (S10) 단계는, 상기 X선 소스의 진공도를 변화시키면서 상기 X선 소스의 이온 농도를 측정하여 상기 이온 농도와 진공도 간 관계를 인덱싱하는 X선 소스의 진공도 측정방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (S20) 단계는,
    상기 X선 소스의 캐소드와 애노드에 이온화를 위한 제1 전압을 인가하는 단계; 그리고
    상기 캐소드와 애노드간 전류가 기준 전류값 이하가 되면 상기 애노드와 캐소드에 이온농도 측정을 위한 제2 전압을 인가하고, 상기 애노드에 연결된 이온측정기로 상기 이온 농도를 측정하는 단계
    를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 전압은 1~5kV이고, 상기 기준 전류값은 1mA 이하이며, 상기 제2 전압은 -1~5kV인 X선 소스의 진공도 측정방법.
  5. 캐소드와 애노드를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치로서,
    상기 캐소드와 애노드에 연결되는 전원과;
    상기 애노드에 연결된 이온측정기
    를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치.
  6. X선 소스의 캐소드와 애노드에 연결되는 전원과; 상기 애노드에 연결된 이온측정기를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정장치를 이용한 진공도 측정방법으로서,
    상기 캐소드와 애노드에 이온화를 위한 제1 전압을 인가하는 단계;
    상기 캐소드와 애노드 간 전류가 기준값 이하가 되면 상기 애노드와 캐소드에 이온농도 측정을 위한 제2 전압을 인가하고, 상기 이온측정기로 상기 X선 소스의 이온농도를 측정하는 단계;
    기 산출된 이온농도와 진공도 간 관계에 따라 상기 X선 소스의 진공도를 산출하는 단계를 포함하는 X선 소스의 진공도 측정방법
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 전압은 1~5kV이고, 상기 전류의 전류값은 1mA 이하이며, 상기 제2 전압은 -1~5kV인 X선 소스의 진공도 측정방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113959632A (zh) * 2021-11-29 2022-01-21 华北电力大学 一种基于低能x射线电离的真空电气设备真空度检测方法

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