KR20160123981A - 엑스선 튜브 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브는, 전자빔을 방출하는 에미터를 포함하는 캐소드, 상기 전자빔과의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 타겟 물질이 설치되는 애노드 및 상기 애노드를 분리시키는 절연 스페이서를 포함하고, 상기 캐소드 또는 상기 애노드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치된다.

Description

엑스선 튜브{X-RAY TUBE}
본 발명은 엑스선 튜브 구조에 관한 것이다.
도 1은 높은 가속 전압을 필요로 하는 엑스선 튜브의 일반적인 구조를 나타낸다. 엑스선 튜브는 전자빔을 방출하는 캐소드(10), 에미터(11), 게이트(20), 집속 전극(30) 및 애노드(40)으로 구성될 수 있다. 각 전극은 절연 스페이서(50)에 의해 전기적으로 분리될 수 있다. 절연 스페이서는 튜브 형태일 수 있다. 에미터가 열전자원일 경우 게이트(20) 및 집속 전극(30) 등은 생략될 수 있으며 전계방출 전자원일 경우 집속 전극(30)은 게이트 전극(20)과 같은 전위를 가지는 일체형일 수 있다. 에미터(11)에서 전자빔의 형태로 방출된 전자(e-)는 애노드(40)와 캐소드(10)의 전압 차에 의해 가속되어 애노드 쪽으로 이끌리게 되고 도면에 표시하지 않았지만 애노드(40)에 설치된 타겟 물질(미도시)에 충돌할 경우 엑스선이 방출된다. 애노드(40)는 경사 형 애노드거나 투과형 애노드일 수 있다. 높은 전압으로 가속된 전자는 애노드(40) 쪽으로 이끌리는 경로 주위에 절연 스페이서가 위치하므로 절연 스페이서의 전하 축적이 발생하여 비정상적인 동작을 유발할 수 있다. 스페이서에 축적된 전하는 고전압 분위기에서 다른 전극으로 이완될 수 있는데 이때 발생되는 아크 형태의 전하 흐름에 의해 엑스선 튜브가 손상될 수 있다.
전계방출 전자원을 사용할 경우 도 1과 같이 캐소드 전극에 고전압 전계효과 트랜지스터 등을 직렬로 연결하여 구성한 전류제어유닛(60)을 이용하여 방출되는 전자의 양을 조절할 수 있다. 이때 능동전류제어유닛(60)의 기준 전압(Vref)은 접지(0 V)일 수 있다. 전계방출 에미터 특성 및 게이트 전압, 그리고 전계효과 트랜지스터에 인가된 게이트-소스 전압 조건에 따라 전류제한 조건이 될 수 있는데 이때 캐소드(10)의 전압은 기준 전압(Vref)보다 상승할 수 있다. 전류 제한 조건에서 전계방출 전류를 일정하게 제어되는 능동전류제어유닛(60)에 의해 캐소드 전압은 에미터의 특성 변화에 따라 올라갔다 내려올 수 있다. 만약 게이트 전압(Vg), 집속 전압(Vf) 및 애노드 전압(Va)이 일정하게 유지될 경우 전류 제한 조건에서 캐소드 전압이 변할 경우 전자빔의 집속 특성이 바뀔 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 고전압 조건에서 안정적인 구동이 가능하고 전류 제한 조건에서 전자빔의 집속 특성이 일정하게 유지되는 엑스선 튜브 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브는, 전자빔을 방출하는 에미터를 포함하는 캐소드, 상기 전자빔과의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 타겟 물질이 설치되는 애노드 및 상기 애노드를 분리시키는 절연 스페이서를 포함할 수 있고, 상기 캐소드 또는 상기 애노드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 엑스선 튜브는 상기 캐소드 및 상기 애노드를 둘러싸고 상기 캐소드 및 상기 애노드를 외부 공기로부터 차단시키는 외피를 더 포함할 수 있고, 상기 절연 스페이서는 상기 애노드와 상기 외피를 전기적으로 분리시킬 수 있으며, 상기 애노드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치될 수 있고, 상기 절연 스페이서에 대한 상기 전자빔의 영향이 상기 애노드에 의해 차단될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외피는 도전체를 포함하고 접지될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 절연 스페이서는 상기 애노드와 상기 캐소드를 전기적으로 분리시킬 수 있고, 상기 캐소드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치될 수 있으며, 상기 절연 스페이서에 대한 상기 전자빔의 영향이 상기 캐소드에 의해 차단될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 캐소드 및 상기 애노드 중 적어도 일부는 도전체를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 엑스선 튜브는 집속 전극을 더 포함할 수 있고, 상기 집속 전극은 상기 캐소드에 연결되며 상기 집속 전극과 상기 캐소드에는 동일한 레벨의 전압이 공급될 수 있다.
본 발명의 구성에 따르면 고전압 조건에서 안정적인 엑스선 튜브 구조를 제공하며 전류 제어 시 집속 특성이 바뀌지 않는 구조를 제공한다.
도 1은 높은 가속 전압을 필요로 하는 엑스선 튜브의 일반적인 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 장치를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 엑스선 튜브(200)은 캐소드(110), 게이트(120), 집속 전극(130), 애노드(140), 절연 스페이서(150), 능동전류제어유닛(60) 및 외피(160)를 포함한다.
캐소드(110), 게이트(120), 집속 전극(130) 및 애노드(140)의 기본적인 기능은 각각 캐소드(10), 게이트(20), 집속 전극(30) 및 애노드(40)와 동일하므로 상세한 설명이 생략되어도 무방하다. 애노드(140)에는 높은 레벨의 양의 전압이 공급될 수 있다.
집속 전극(130)은 도전체를 포함하고 캐소드(110)와 연결되어 동일한 레벨의 전압이 공급될 수 있다. 집속 전극(130)은 도 1과 달리 독립적인 전위 조절을 위한 전원이 존재하지 않으며 도 2와 같이 캐소드(110)와 동일 전극이다. 이 경우 능동전류제어유닛(60)이 전류 제한 모드에서 동작할 경우 캐소드 전압은 에미터 특성 변화에 따라 동일한 전계방출 전류를 인출하기 위해 캐소드 전압이 유동적일 수 있는데 이때 집속 전극의 전위도 캐소드 전위와 같이 변하게 된다. 즉 에미터의 특성이 나빠져 작은 전계방출 전류가 인출될 때 캐소드(110)의 전압 레벨은 기준 전압(V'ref) 쪽으로 낮아져서 게이트(120)의 전압 레벨(V'g)과의 차가 커지게 된다. 이때 방출된 전자빔은 높아진 게이트-캐소드 전압 차에 의해 전자빔이 더 발산 될 수 있는데 집속 전극(130)의 전압 레벨도 캐소드(110)의 전압 레벨을 따라 낮아지므로 더 많이 집속하여 동일한 집속 특성을 가지도록 한다. 단 집속전극의 구조적 형태, 즉 게이트 전극 간 거리, 집속 전극의 개구 크기 등은 캐소드 전극의 전위가 기준 전압(V'ref)일 때 게이트(120)에 공급되는 게이트 전압(V'g) 및 애노드(140)에 공급되는 애노드 전압(V'a) 등을 고려하여 결정될 수 있어야 한다.
도 1에 도시된 절연 스페이서(50)는 캐소드(10)와 애노드(40) 사이를 전기적으로 분리시켰으나, 도 2에 도시된 절연 스페이서(150)는 외피(160)와 애노드(140) 사이를 전기적으로 분리시킨다.
또한 외피(160)는 도전층을 포함하고 그라운드 전극(미도시)에 접지(0V)될 수 있다. 이 경우 전자빔은 도전층을 포함하고 접지된 외피(160)에 영향을 미치지 않는다.
도 1에서는 캐소드(10) 내 에미터(11)에서 전자빔의 형태로 방출된 전자(e-)와 절연 스페이서(50) 사이에 아무런 도전체가 없어 전자(e-)가 절연 스페이서(50)에 영향을 줄 수 있는 반면, 도 2에서는 애노드(140)가 에미터(111)와 절연 스페이서(150) 사이에 배치되고, 캐소드(110) 내 에미터(111)에서 전자빔의 형태로 방출된 전자(e-)와 절연 스페이서(150) 사이에 애노드(140)가 있으며, 도전층을 포함하는 외피(160)는 접지되어 있다. 애노드(140)가 도전체를 포함하는 경우, 절연 스페이서(150)에 대한 전자(e-)의 영향이 전자(e-)와 절연 스페이서(150) 사이에 배치된 애노드(140)에 의해 차단된다. 또한 전자빔은 도전층을 포함하고 접지된 외피(160)에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 전하 축적 및 아크가 방지된다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 엑스선 튜브(300)은 캐소드(210), 게이트(220), 집속 전극(230), 애노드(240), 절연 스페이서(250) 및 능동전류제어유닛(60)을 포함한다.
캐소드(210), 게이트(220), 집속 전극(230), 애노드(240) 및 절연 스페이서(250)의 기본적인 기능은 각각 캐소드(10), 게이트(20), 집속 전극(30), 애노드(40) 및 절연 스페이서(50)와 동일하므로 상세한 설명이 생략되어도 무방하다.
도 3에서 도시된 엑스선 튜브(300)의 기본적인 동작은 도 2에 도시된 엑스선 튜브(200)와 유사하나, 엑스선 튜브(300)는 애노드(240)가 접지(0V)되고 캐소드(210)에 높은 레벨의 음의 전압이 공급되는 네거티브 가속 구동의 엑스선 튜브일 수 있다.
도 1에서는 캐소드(10) 내 에미터(11)에서 전자빔의 형태로 방출된 전자(e-)와 절연 스페이서(50) 사이에 아무런 도전체가 없어 전자(e-)가 절연 스페이서(50)에 영향을 줄 수 있는 반면, 도 3에서는 캐소드(210)가 에미터(211)와 절연 스페이서(250) 사이에 배치되고, 캐소드(210) 내 에미터(211)에서 전자빔의 형태로 방출된 전자(e-)와 절연 스페이서(250) 사이에 캐소드(210)가 있으며, 애노드(240)는 접지되어 있다. 캐소드(210)가 도전체를 포함하는 경우, 절연 스페이서(250)에 대한 전자(e-)의 영향이 전자(e-)와 절연 스페이서(250) 사이에 배치된 캐소드(210)에 의해 차단된다. 또한, 절연 스페이서(250)는 에미터(211) 기준으로 전자(e-)가 진행하는 방향과 반대 방향에 배치되고 전자빔은 도전층을 포함하고 접지된 애노드(240)에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 전하 축적 및 아크가 방지된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10, 110, 210: 캐소드
11, 111, 211: 에미터
40, 140, 240: 애노드

Claims (6)

  1. 전자빔을 방출하는 에미터를 포함하는 캐소드;
    상기 전자빔과의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 타겟 물질이 설치되는 애노드; 및
    상기 애노드를 분리시키는 절연 스페이서를 포함하고,
    상기 캐소드 또는 상기 애노드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치되는 엑스선 튜브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엑스선 튜브는 상기 캐소드 및 상기 애노드를 둘러싸고 상기 캐소드 및 상기 애노드를 외부 공기로부터 차단시키는 외피를 더 포함하고,
    상기 절연 스페이서는 상기 애노드와 상기 외피를 전기적으로 분리시키며,
    상기 애노드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치되고,
    상기 절연 스페이서에 대한 상기 전자빔의 영향이 상기 애노드에 의해 차단되는 엑스선 튜브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외피는 도전체를 포함하고 접지되는 엑스선 튜브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 애노드와 상기 캐소드를 전기적으로 분리시키고,
    상기 캐소드가 상기 에미터와 상기 절연 스페이서 사이에 배치되며,
    상기 절연 스페이서에 대한 상기 전자빔의 영향이 상기 캐소드에 의해 차단되는 엑스선 튜브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 및 상기 애노드 중 적어도 일부는 도전체를 포함하는 엑스선 튜브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엑스선 튜브는 집속 전극을 더 포함하고,
    상기 집속 전극은 상기 캐소드에 연결되며 상기 집속 전극과 상기 캐소드에는 동일한 레벨의 전압이 공급되는 엑스선 튜브.
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