KR20160145548A - X-선 장치 - Google Patents

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KR20160145548A
KR20160145548A KR1020167025324A KR20167025324A KR20160145548A KR 20160145548 A KR20160145548 A KR 20160145548A KR 1020167025324 A KR1020167025324 A KR 1020167025324A KR 20167025324 A KR20167025324 A KR 20167025324A KR 20160145548 A KR20160145548 A KR 20160145548A
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Abstract

여기에 개시된 예시적인 실시예들은 x-선 발생 장치에 관한 것이다. 장치는 전기 전도성 기판(23)을 갖는 적어도 하나의 전자 에미터(들)(22, 22_1, 22_2, 22_3)을 포함한다. 전기 전도성 기판은 나노구조물들(24)의 코팅을 포함한다. 장치는 각각의 전기 전도성 기판에 부착 가능한 가열 요소(21)를 추가로 포함한다. 장치는 적어도 하나의 전자 에미터(들)로부터 방출된 전자들을 받도록 배치되는 전자 받음 요소(14)를 추가로 포함한다. 장치는 적어도 하나의 전자 에미터(들), 가열 요소 및 전자 받음 요소를 수용하도록 배치되는 진공 인클로저(10)를 또한 포함한다. 적어도 하나의 전자 에미터(들)은 가열 요소가 온-상태에 있고 적어도 하나의 전자 에미터(들)이 역방향으로 바이어스될 때 쇼트키 방출하도록 배치된다.

Description

X-선 장치 {AN X-RAY DEVICE}
여기에 개시된 예시적인 실시예들은 쇼트키 방출 모드에서 작동하도록 배치되는 x-선 장치에 관한 것이다.
X-선은 금속 표면 상에 활동적인 전자들(energetic electrons)의 충돌에 의해 생성된다. 이 배경에서, x-선 소스는 1) 캐소드로 알려진 전자 에미터 및 2) 타겟 또는 애노드로 알려진 전자 리시버를 포함하는 장치이다. 애노드는 x-선 에미터이다. 캐소드 및 애노드는 특정한 구성으로 배치되고, 진공 하우징 내에 밀폐된다. 더욱이, x-선 시스템은 다음의 요소들, 1) x-선 소스, 2) 컴퓨터화된 조작 및 핸들링 장치, 3) 검출기 및 4) 파워 유닛(들)을 추가로 포함할 수 있다. 더욱이, 다른 기술 영역과 결합하여, x-선은 의학적 이미징, 보안 검사 및 산업에서의 비파괴 검사에 응용점을 찾는다. 컴퓨터 기술은 예를 들어 x-선 컴퓨터 단층촬영 스캐너(CT scanner)와 같이 현대 사회에서 x-선의 사용에 혁신을 일으켜 왔다. 감지 기술의 발전은 향상된 에너지 해상도, 디지털 이미지 및 연속적으로-증가하는 스캔 속도 및 영역을 가능하게 한다. 그러나, x-선 발생 기술은 약 100년 전의 쿨리지 튜브(Coolidge tube) 탄생 이후로 근본적으로 동일한데, 윌리엄 쿨리지(William Coolidge)가 이 방식을 혁신하였을 때 열이온적 방출(thermionic emission)을 활용하기 위해 가스충진 튜브를 핫 텅스텐 필라멘트(hot tungsten filament)를 수용하는 진공 튜브로 대체하는 것에 의해 x-선이 생성되었다.
아마도 x-선 이미징에 사용되는 모든 x-선 튜브는 열이온적 방출에 기반한 텅스텐 필라멘트의 핫 캐소드를 활용한다. 지난 10년 정도에, 전계 방출에 의해 X-선을 생성하기 위한 콜드 캐소드로서 탄소나노튜브들(CNTs)을 사용하는 시도가 있었다. 이러한 전자 방출은 가열없이 높은 전기장에 의해 유도된다. CNT들은 전자들에 대한 이상적인 에미터로 생각된다. 그러나, x-선 소스로서 그들을 사용하는 것은, 그들의 재료 특성에 제조 프로세스 및 작업 조건이 심각한 도전을 주는 것으로 보인다. 전류 출력은 여전히 실용적 적용을 위한 수준보다 훨씬 아래에 있다. 그러므로, 여기서 개시된 예시적인 실시예들의 적어도 하나의 목적은 핫 캐소드뿐만 아니라 CNT들에 기초한 콜드 캐소드에 내재하는 재료 및 작동상 단점을 극복하기 위해 전자 방출의 수단을 대체하도록 제공될 수 있고; 결과적으로 우수한 x-선 소스를 가져오는 대안적인 전자 에미터를 제공하는 것이다. 추가로, 여기에 개시된 예시적인 실시예들은 포터블 X-선 장치를 제공할 수 있다.
따라서, 여기에 개시된 예시적인 실시예들은 하이브리드 방출, 즉 전계 방출 또는 열적으로 도움을 받는 전자 방출을 활용하는 x-선 장치에 관한 것이다. 보다 중요하게는, 여기에 개시된 예시적인 실시예들은 쇼트키 방출을 활용한다. 열적으로 도움을 받는 전자 방출의 사용은 핫 및 콜드 캐소드의 특성을 보상하는 것을 가능하게 한다. 쇼트키 방출, 열이온적 방출과 전계 방출 간에 비교가 될 때 예시적인 실시예들의 장점은 명백해질 것이다. 콜드 캐소드가 튜브 내에 잔류 가스종으로 존재하는 S, Cl과 같은 음전기적 요소의 흡수에 의해 오염될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 흡수가 심해지면, 캐소드는 전자 방출을 중단할 것이다. 전계 방출 X-선 튜브에 대하여, 콜드 캐소드는 하우징으로부터 튜브를 제거하고 오븐에서 전체 튜브를 베이크 아웃(bake out)한 후 베이크 아웃의 효과를 볼 수 있도록 튜브를 다시 실장하는 것에 의해 재생될 수 있는데, 복잡하고 느린 프로세스이다. 한편, 쇼트키 방출 튜브에 대하여, 캐소드에 적절한 온도 상승을 가져오는 가열은 전자들의 방출을 도와주는 한편 이와 동시에 캐소드 상에 오염 가스 원자 또는 분자의 흡수를 방지한다. 오염이 발생하는 경우, 재생은 튜브 하우징으로부터 튜브를 제거하지 않으면서 캐소드를 가열하는 것에 의해 수행될 수 있다. 낮은 전력 소비는, 활용되어지도록 보다 컴팩트한 전원을 가져오고, 이에 의해 x-선 장치가 보다 포터블하게 되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 이러한 전자 방출 모드의 사용은 핫 필라멘트 기반의 시스템들에 공통적인 쿨링 시스템 또는 긴 냉각 및 승온 주기에 대한 필요성을 제거한다.
여기에 개시된 예시적인 실시예들에 따르면, 전기 전도성 기판을 포함하는 적어도 하나의 전자 에미터(들)을 포함하는 x-선 발생 장치와 관련된다. 전기 전도성 기판은 나노구조물의 코팅을 포함한다. x-선 장치는 적어도 하나의 전자 에미터(들)의 각각의 전기 전도성 기판에 부착가능한 가열 요소를 추가로 포함한다. x-선 장치는 적어도 하나의 전자 에미터(들)로부터 방출된 전자들을 받도록 배치되는 전자 받음 요소를 추가로 포함한다. x-선 장치는 적어도 하나의 전자 에미터(들), 가열 요소 및 전자 받음 요소를 수용하도록 배치되는 진공 인클로저(evacuated enclosure)를 추가로 포함한다. 적어도 하나의 전자 에미터(들)은 가열 요소가 온-상태에 있고 적어도 하나의 전자 에미터(들)이 역방향으로 바이어스될 때 쇼트키 방출되도록 설정된다.
상기 실시예의 예시적인 장점은 열이온적 방출을 활용하는 핫 필라멘트 기반의 시스템에 공통적인 냉각 시스템 또는 긴 냉각 및 승온 주기를 제거하는 것이다. 따라서, 보다 포터블한 x-선 장치가 얻어질 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 가열 요소가 오프-상태(off-state)에 있고 상기 적어도 하나의 전자 생성 요소(들)이 역방향으로 바이어스될 때 적어도 하나의 전자 에미터(들)은 전계 방출(field emission)하도록 추가로 설정된다.
그러므로, 이러한 예시적인 실시예들에 따르면, x-선 장치는 전계 방출 및 쇼트키 기반의 방출 모두를 가능하게 하는 듀얼 작동 모드로 설정될 수 있다. 이러한 실시예는 다양한 해상도 및 콘트라스트 레벨에서 x-선 이미지를 제공할 수 있는 범용 장치를 제공하는 예시적 장점을 갖는다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, x-선 장치는 가열 요소의 작동 상태를 제어하도록 설정된 전원을 추가로 포함할 수 있다.
전원은, 예를 들어, 적어도 하나의 전자 에미터(들)로부터 전자 방출을 제어할 수 있다. 더욱이, 예시적인 실시예에 따르면, 적어도 하나의 전자 에미터(들)은 복수의 전자 에미터들을 포함하고, 전원은 서로 다른 전자 에미터들을 선택적으로 활성화하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 장치의 분리된 요소들이 개별 제어될 수 있는, 보다 범용의 장치를 제공하는 예시적인 장점을 갖는다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 3가지 바이어스 모드들, 즉 (-,0: 캐소드 네가티브, 애노드 그라운드), (-,+: 캐소드 네가티브, 애노드 포지티브) 및 (0,+: 캐소드 그라운드, 애노드 포지티브)에서 다이오드 튜브를 위한 전자 받음 요소와 적어도 하나의 전자 생성 요소(들) 사이에 전위차를 공급하도록 전원(28)이 추가로 배치된다. 이러한 바이어스 모드들의 사용은 쇼트키 방출 또는 전계 방출을 유도하도록 제공된다.
그러므로, 이러한 실시예의 예시적인 장점은 전계 방출을 활용하는 핫 필라멘트 기반의 시스템에 공통적인 냉각 시스템 또는 긴 냉각 및 승온 주기를 제거이다. 그러므로, 보다 포터블한 x-선 장치가 얻어질 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 전원은 DC 모드, 즉 일정한 (-, 0), (-, +), (0, +); 펄스 모드, 즉 애노드에서 Vp>0 또는 캐소드에서 Vp<0인 구형파; 또는 AC 모드, 즉 사인파(sinus wave)에서 작동되도록 구성된다.
서로 다른 작동모드들로 전원을 공급하는 예시적인 장점은 보다 범용의 장치를 제공하는 것이 가능하다는 것이다. 예를 들어, 펄스 및 AC 모드에서, 파형의 정의된 라이징 타임, 주파수, 듀티 사이클 및 펄스 형상이 얻어질 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 전기 전도성 기판은 스테인리스 스틸, 니켈, 니켈계 합금, 철 또는 철계 합금 재질이다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나노 구조물은 원소 주기율표에서 IA족, IIA족, IB족, IIIA족, VIA족 또는 VIIA족에 포함되는 도펀트 원소로 도핑 또는 코도핑되어 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나노구조물은 ZnO 재질이다.
이러한 실시예들의 예시적인 장점은 CNT 기반의 전자 에미터들에 대한 대안을 제공할 수 있다는 것이다. 이러한 대안의 사용은 쇼트키 기반의 방출과 더욱더 양립할 수 있는 전자 에미터 제공의 예시적인 장점을 제공한다. 탄소 기반의 전자 에미터들은 일반적인 튜브 제조 프로세스의 온도 및 반응성 가스 환경에서 데미지를 받기 쉽다. 반면, ZnO 및 관련된 재질은 CNT들과 동일한 매력적인 전계 방출 성능을 가지면서도 용융 온도가 높고 화학적으로 보다 안정하다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 전자 받음 요소는 금속, 금속 합금, 금속 화합물 또는 금속 세라믹 복합재 재질이다.
예시적인 일부 실시예들은 예시적인 일부 실시예들은 보안 x-선 스캐닝 장치에서, 전술한 x-선 발생 장치의 사용에 관련된다.
예시적인 일부 실시예들은 예시적인 일부 실시예들은 컴퓨터 단층촬영 스캐닝 장치에서, 전술한 x-선 발생 장치의 사용에 관련된다.
C-아암형(C-arm type) 스캐닝 장치에서, 전술한 x-선 발생 장치의 사용에 관련된다.
예시적인 일부 실시예들은 지질 조사(geological surveying) 장치에서, 전술한 x-선 발생 장치의 사용에 관련된다.
예시적인 일부 실시예들은 x-선 형광 분석기에서, 전술한 x-선 발생 장치의 사용에 관련된다.
전술한 바는 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 아래의 예시적인 실시예들의 보다 특정한 설명으로부터 명백해질 것이고, 서로 다른 도면들 전반에 걸쳐 유사 참조 부호는 동일한 부분을 나타낸다. 도면은 스케일, 강조에 필수적인 것은 아니며, 대신 예시적인 실시예들에 놓인다.
도 1은 열이온적 방출에 기반한 x-선 장치의 개략도이다.
도 2는 여기서 설명된 예시적인 실시예들에 따른, x-선의 개략도이다.
도 3은 여기서 설명된 예시적인 일부 실시예들에 따른, 그리드를 갖는 전자 에미터의 예를 나타낸다.
도 4는 여기서 설명된 예시적인 일부 실시예들에 따른, 전자 에미터가 가질 수 있는 상이한 형상들의 예를 나타낸다.
도 5는 여기서 설명된 예시적인 일부 실시예들에 따른, 다중의 전자 에미터들을 포함하는 x-선 장치의 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 여기서 설명된 예시적인 일부 실시예들에 따른, 도 5의 전자 에미터들의 I-V 특성을 나타내는 그래프이다.
이하의 설명에서, 예시적인 실시예들에 대한 순수한 이해를 제공하기 위해, 제한이 아닌 설명의 목적으로, 특정한 세부 사항들이 특정 컴포넌트, 요소, 기술 등과 같이 설명된다. 그러나, 예시적인 실시예들이 이들 특정 세부 사항에서 벗어나지 다른 방식으로 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예로, 예시적인 실시예의 설명을 모호하게 하지 않도록 잘 알려진 방법 및 요소의 상세한 설명은 생략한다. 여기서 사용되는 용어는 예시적인 실시예들을 설명하기 위한 목적이며, 여기서 개시된 실시예들에 제한하도록 의도한 것은 아니다.
여기에 개시된 예시적인 실시예들은 쇼트키 기반 전자 방출을 활용하는 x-선 장치에 관한 것이다. 예시적인 실시예들의 더 나은 설명을 위하여, 문제점이 먼저 확인되고 논의될 것이다. 도 1은 전통적인 x-선 튜브를 나타낸 것이다. 도 1의 x-선 튜브는 핫 필라멘트 캐소드(12) 및 내화 금속/합금 재질의 애노드(14)를 포함하는 진공 글래스 튜브(10)가 특징점이다. 애노드(14)의 표면은 미리 정해진 경사각에서 캐소드(12)와 마주본다. 파워 서플라이(13)에서 제공된 전기적 전류는 필라멘트로부터 전자 빔(16)을 방출하는 수준으로 필라멘트(12)의 온도 상승을 유발하는 필라멘트 캐소드(12)를 통과한다. 전자 빔(16)의 전자들은 이후 가속되어 전기장을 갖는 애노드(14)로 향한다. 이는 윈도우(20)를 통하여 장치 바깥쪽으로 향하는 x-선 빔(18)을 가져온다. 캐소드와 애노드의 전압차는 x-선 빔의 에너지를 결정한다.
아마도 x-선 이미징에 사용되는 모든 x-선 튜브는 열이온적 방출에 기반한 텅스텐 필라멘트의 핫 캐소드를 활용한다. 지난 10년 정도에, 전계 방출에 의해 X-선들을 생성하기 위한 콜드 캐소드로서 탄소나노튜브들(CNTs)을 사용하는 시도가 있었다. 이러한 전자 방출은 가열없이 높은 전기장에 의해 유도된다. CNT들은 전자들의 이상적인 에미터로 생각된다. 그러나, x-선 소스로서 그들을 사용하는 것은, 그들의 재료 특성에 제조 프로세스 및 작업 조건이 심각한 도전을 주는 것으로 보인다. 전류 출력은 여전히 실용적 적용을 위한 수준보다 훨씬 아래에 있다. 그러므로, 여기서 개시된 예시적인 실시예들의 적어도 하나의 목적은 핫 캐소드뿐만 아니라 CNT들에 기초한 콜드 캐소드에 내재하는 재료 및 작동상 단점을 극복하기 위해 전자 방출의 수단을 대체하도록 제공될 수 있는 대안적인 전자 에미터에 기인하여, 향상된 성능을 갖는 포터블 X-선 소스를 제공하는 것이다. 따라서, 여기에 개시된 예시적인 실시예들은 하이브리드 방출, 전계 방출 또는 열적으로 도움을 받는 방출-쇼트키 방출을 활용하는 x-선 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 여기에 개시된 예시적인 실시예들은 쇼트키 기반의 전자 방출을 활용한다. 하이브리드 방출로부터 야기되는 낮은 전력 소비는 활용되어지도록 보다 컴팩트한 전원을 가져올 것이고, 이에 의해 x-선 장치가 보다 포터블하게 되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 이러한 전자 방출 모드의 사용은 핫 필라멘트 기반의 시스템들에 공통적인 쿨링 시스템 또는 긴 냉각 및 승온 주기에 대한 필요성을 제거한다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 x-선 장치를 나타낸다. 도 2의 x-선 장치는 전자 에미터(22) 또는 캐소드 및 전자 받음 요소(14)를 포함하는 진공 글래스 튜브(10)를 포함한다. 전자 받음 요소(14)의 표면은 미리 정해진 경사각에서 전자 에미터(22)와 마주본다. 파워 서플라이(28)에서 제공되는 전기적 전류는 전자 에미터(22)로부터 전자 빔(25)을 방출하는 레벨까지 전자 에미터(22)의 온도 증가를 유발하는 가열 요소(21)를 통과한다. 이러한 방출은 쇼트키 방출로 알려져 있다. 정전기장의 사용으로 유도되는 도 1의 전자 방출과는 다르게, 도 2의 방출은 열적 가열을 통하여 유도된다.
전자 빔(25)의 전자들은 이후 전기장을 갖는 전자 받음 요소(14)를 향하여 가속된다. 이것은 윈도우(20)를 통하여 장치의 밖으로 향하는 x-선 빔(26)을 가져온다. 전자 에미터와 전자 받음 요소 간의 전압 차는 x-선 빔의 에너지를 결정한다.
전자 에미터(22)는 나노구조물 코팅(24)을 포함하는 전기 전도성 기판(23)을 포함한다. 가열 요소(21)는 튜브의 캐소드 끝단에서 2개의 전기적 피드-스루(feed-through)를 통하여 전기 전도성 기판(23)에 부착 가능하다. 나노구조물 코팅(24)는 전기 전도성 기판(23) 상에 성장될 수 있다. 나노구조물 코팅은 나노파티클, 나노와이어, 나노로드, 나노 테트라포드(nano tetrapod) 또는 나노튜브 형태로 될 수 있다. 기판의 재질은 스테인리스 스틸, 니켈, 니켈계 합금, 철 또는 철계 합금이 될 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 기판은 다양한 형상으로 미리 성형된다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 그리드(30)가 전자 에미터의 나노구조물(24)을 포함하는 표면(23)과 전자 받음 요소(14) 사이에 위치하고, 도 3에 도시된 바와 같이, 추출 전극으로 작용한다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 스페이서(31)가 전자 에미터와 그리드(30) 사이에 위치한다. 그리드는 스페이서를 통하여 고정되는 전자 에미터에 100um 내지 1000um의 간격 거리에 위치할 수 있다. 원형 커버가 그리드의 탑(top) 상에 위치하여 그리드에 전압을 제공하는 그리드 전극(32)으로 작용한다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 스페이서는 세라믹 스페이서가 될 수 있다.
그리드는 동일한 직경을 갖는 전기적 전도성 와이어 재질이다. 더욱이, 와이어는 W, Mo, Ta, Ni, 스테인리스 스틸 또는 니켈계 합금과 같은 고융점, 저증기압 및 전기전도성 재질이다. 와이어의 직경은 30um 내지 150um에서 변화된다. 그리드의 개구율(opening ratio)은 50% 내지 80%에서 변화된다. 더욱이, 그리드에 있는 와이어의 표면은 MgO 및 관련된 재질과 같은 확연한 이차 전자 방출 특성을 갖는 박막 또는 다층 재질로 코팅되어 있다. 대안적으로, 코팅은 UV 방출 재질, GaN 및 관련된 재질이다.
그러므로, 코팅은 전자 에미터로부터 전자들의 출력 강도를 증가시킨다. 그러므로 도 5에 도시된 바와 같이, 트리오드(triode) X-선 튜브로 표시된 바와 같은 이러한 유형의 전자 에미터의 전반적인 장점은 애노드 상에서의 전자 빔의 독립성 및 강화된 전류 출력이다. 더욱이, 전자 에미터와 그리드 사이에서 수립된 필드는 전자 빔의 강도를 결정한다. 다시, 전자 에미터와 전자 받음 요소(24) 간의 전압차는 x-선 빔의 에너지를 결정한다.
도 4는 전자 에미터들이 형상화될 수 있는 예시적 형상을 나타낸다. 전자 에미터(22a)는 전기 전도성 기판(23a) 및 나노구조물 코팅(24a)을 포함하는 라운드형 피라미드 형태이다. 전자 에미터(22b)의 추가적인 예는 전기 전도성 기판(23b) 및 나노구조물 코팅(24b)을 또한 포함하는 솔리드 실린더(solid cylinder) 형태로 제공된다. 도 4는 전기 전도성 기판(23c) 및 나노구조물(24c)를 특징으로 하는 중공형 실린더 형태의 전자 에미터(22c)의 추가적인 예를 제공한다. 전자 에미터의 추가적인 예는 전기 전도성 기판(23d) 및 나노구조물 코팅(24d)을 포함하는 중공형 별(22d) 형태로 제공된다. 형상들이 방출된 전자들의 방향에 영향을 미칠 수 있음에 따라 이러한 형상들은 x-선의 서로 다른 사용들에 맞추어 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다른 형상들 또한 예시적인 실시예들에 따른 x-선 장치에 채용될 수 있다는 것이 추가로 이해되어야 한다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나노구조물 코팅은 고상-액상-기상 방법, 화학기상증착(CVD) 프로세스, 또는 화학적 용액 공정에 의해 성장된다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나노구조물 코팅은 모폴로지와 관련하여, 성장 프로세스에서 혹은 성장 프로세스 이후 화학적, 전기화학적 또는 광학적 수단에 의해 전자 방출을 추가로 용이하게 하도록 변화되어 구성된다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나노구조물 코팅은 산화물, 질화물, 실리사이드, 셀리나이드 또는 텔루라이드 재질일 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나노구조물 코팅은 예를 들어 ZnO와 같은 산화물 반도체 재질일 수 있다. ZnO는 n형이고, 넓은 밴드갭을 갖는 반도체이다. 전도도는 성장 프로세스에서 생성되는 산소 공공(oxygen vacancy)와 관련된다.
전도성의 향상은 원소 주기율표에 있는 IA, IIA, IB, IIIA, VIA, VIIA 족에 있는 화학적 원소들을 도핑하는 것에 의해 얻어진다. 도펀트들을 균질화하기 위하여 또는 표면에 그들을 부분적으로 분리(segregation)하기 위하여 성장후 열처리가 적용된다. 나노구조물의 모폴로지는 국부적 필드 강화를 위해 화학적 또는 전기화학적 수단에 의해 변화될 수 있다. 표면 특성을 향상시키기 위해 UV 처리가 또한 적용될 수 있다. 에미터의 표면에서 일함수를 감소시키는 것을 통하여 전자 방출 프로세스를 추가로 강화하기 위하여 표면 코팅이 나노구조물에 적용될 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면 나노구조물의 코팅이 존재하지 않는 영역에 있는 전기 전도성 기판 상에 예를 들어 SiO2와 같은 유전층이 추가될 수 있다. 이러한 유전 코팅은 전자 방출을 안내(directing)하는 데 유용할 수 있다.
가열 요소(21)를 통하여 적절한 열이 가해지고, 전자 에미터들이 역방향으로 바이어스되면, 쇼트키 방출에 의해 전자들이 방출된다. 가열이 꺼지고 캐소드가 역방향으로 바이어스될 때, 전계 방출에 의해 전자들이 방출된다. 현재 전계 방출 x-선 소스에 있지 않은 가열의 추가 기능(function)이, 캐소드 오염의 경우에 에미터들의 표면으로부터 원하지 않게 흡수된 화학종들을 제거하는 것에 의해 전자 에미터를 재생하도록, 또한 적용될 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, x-선 장치에 다중 전자 에미터들이 사용될 수 있다. 도 5는 다중 전자 에미터들을 갖는 x-선 튜브를 나타낸다. 이 실시예에서, 3개의 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)이 에미터들과 마주하는 전자 받음 요소(14)와 함께 밀폐된 튜브(10) 내에 조립되어 있다. 전자 에미터들의 개수와 간격은 변화될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 x-선 장치에서 어떠한 개수의 전자 에미터들도 채용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도 5의 전자 에미터들이 도 2 내지 도 4 중 임의의 것에 특징되어진 전자 에미터, 또는 다른 형태의 전자 에미터가 될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 전자 에미터들이 동일하게 될 필요는 없고 서로 상이한 형태 및/또는 특징을 포함할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
전자 에미터들의 배열 패턴은 선형, 직사각형, 정사각형, 원형 또는 육각형이 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전자 받음 요소(14)와의 관계에 대하여, 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)은 그들 모두 전자 받음 요소(14) 상의 하나의 초점을 향하는 전자들(25a-25c)을 방출하도록 배열될 수 있거나, 전자 받음 요소(14) 상에의 방출 패턴의 확대된 또는 축소된 이미지를 투영하도록 배열될 수 있다.
모든 이러한 변형들이 x-선 빔(26)의 치수 및 형상에 대한 요구를 충족시키도록 의도된다. 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)은 집합적으로 또는 개별적으로, 동시에 또는 순차적으로 활성화될 수 있다. 이러한 플렉서블 활성화 체제는 전원의 출력 주파수를 세팅하는 것에 의해 x-선 생성에 대한 고주파, 펄싱 모드, 그리고 활성화된 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)의 개수를 선택하는 것에 의한 넓은 범위의 도즈(dose) 선택을 가능하게 한다. 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)의 활성화는 파워 서플라이(28)에 의해 제어될 수 있다.
여기에 개시된 예시적인 실시예들은 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)의 개별적 활성화를 가능하게 하고, 이에 의해, 현재의 x-선 시스템에서는 불가능한, 방출 전류를 안정화하는 메카니즘을 제공한다. 방출에서의 비균질성은 대면적 캐소드 또는 다중 캐소드에서 심각한 문제라는 것이 이해되어야 한다. 이 문제는 에미터들의 기하학적 그리고 물리적 비균질성에 기인한다.
다른 말로 하면, 위에 설명된 에미터들의 문제점은 재료 및 프로세싱 이슈에 기인한다. 그러므로, 예시적인 일부 실시예들은 기판 상에 에미터 재료의 성장보다 나은 방향으로 향해 있다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 에미터들 중의 비균질성의 존재가 또한 기기수준(component level)에서 해결된다. 이러한 예시적 실시예는 도 5의 예시와 같이 3-캐소드 구성을 취하는 것으로 의해 설명된다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 전자 에미터 구성의 전류 및 전압 특징을 나타낸다. 각 그래프에서, 삼각형, 사각형 및 원형 플롯들로 표시된 플롯 포인트들은 도 5의 전자 에미터(22_1, 22_2 및 22_3)를 각각 나타낸다.
도 6a는 동일한 전자 에미터와 전자 받음 요소 간의 동일한 거리가 유지되면서, 전압(V)의 인가를 나타낸다. 각 전자 에미터(22_1, 22_2 및 22_3)는 전류(i1, i2 및 i3)를 각각 방출할 것이다. 도 6a의 그래프에 도시된 바와 같이, 각 전자 에미터의 전자 방출에 의해 공급되는 전류의 양은 상이하다. 비록 불균질성이 당해 모든 에미터들의 측정된 전류 값들의 평균 제곱 오차 또는 평균 제곱근 편차를 형식적으로 정의하는 것에 의해 정량적으로 설명될 수 있지만, 도 6a에 도시된 그래프적 차이는 이 점을 나타내기에 충분하다.
만약 3개의 전자 에미터들 모두가 동일한 전류를 방출한다면, 도 6b에서 보일 수 있는 바와 같이, 상이한 전압들(v1, v2, 및 v3)이 전자 에미터들(22_1, 22_2 및 22_3)에 각각 인가될 필요가 있다. 특정한 형상의 x-선 빔을 생성하기 위하여 전자 에미터들이 상이한 초점들에 향해질 때 유리한 결과가 그 자체로 나타난다. 메카니즘은 모든 초점들에서 일정한 전류를 제공하는 것에 의해 x-선 빔의 공간적 균일성을 제공한다. 추가의 장점은 전자 에미터들이 하나의 초점을 향할 때, 그리고 순차적으로 바이어스될 때, 에미터들이 시간이 경과함에 따라 일정한 전류를 갖는 시간적인 균질성을 갖는 전자 방출을 제공한다는 것이다. 게다가, x-선 방출의 안정성 및 균일성을 확실하게 하게 위하여, 전자 방출 프로세스를 제어하는 데에 피드백 모니터링 회로가 사용될 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 3가지 바이어스 모드들, 즉 (-,0: 캐소드 네가티브, 애노드 그라운드), (-,+: 캐소드 네가티브, 애노드 포지티브) 및 (0,+: 캐소드 그라운드, 애노드 포지티브)에서 다이오드 튜브에 대해 전자 받음 요소와 적어도 하나의 전자 생성 요소(들) 사이에 전위차를 공급하도록 전원(28)이 추가로 설정된다. 이러한 바이어스 모드들의 사용은 쇼트키 방출을 유도하기 위하여 제공된다. 그러므로, 이러한 실시예들의 예시적인 장점은 전계 방출을 활용하는 핫 필라멘트 기반의 시스템에 공통적인 냉각 시스템 또는 긴 냉각 및 승온 주기의 제거이다. 그러므로, 더 포터블한 x-선 장치가 얻어질 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 전원은 DC 모드, 즉 일정한 (-, 0), (-, +), (0, +); 펄스 모드, 즉 애노드 그라운드를 갖는 또는 캐소드 그라운드를 갖는 구형파; 또는 AC 모드, 즉, 사인파(sinus wave)에서 동작하도록 배치된다. 서로 다른 동작 모드들로 전원을 제공하는 것의 예시적인 장점은 보다 범용의 장치를 제공할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 펄스 및 AC 모드에서, 파형의 정의된 라이징 타임(rising time), 주파수, 듀티 사이클 및 펄스 형상이 얻어질 수 있다.
여기서 설명된 x-선 장치가 다양한 분야에서 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, x-선 장치는 예를 들어 공항 보안 체크에서 찾을 수 있는 것과 같은 보안 스캐닝 장치에서 사용될 수 있다. 가열 요소 및 쇼트키 방출의 사용이 더 포터블한 장치를 가능하게 함에 따라, x-선 장치는 이러한 보안 시스템에서 쉽게 실행될 수 있다.
여기서 설명된 x-선 장치 사용의 추가적인 예는 미니 C-아암 장치를 포함할 수 있는, 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캐닝 장치 또는 C-아암형 스캐닝 장치와 같은 의학적 스캐닝 장치이다. 여기서 설명된 x-선 장치 사용의 추가적인 예는 지질 조사 장치에서이다.
여기서 설명된 x-선 장치가 어떠한 비파괴 검사 장치에도 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. x-선 장치의 몇몇 예시적인 적용은 유방조영술(mammography), 동물 이미징(veterinary imaging) 및 x-선 형광 분석 등이 될 수 있다.
여기에 제공된 예시적인 실시예들의 설명은 예시의 목적으로 제시되었다. 설명은 개시된 정확한 형태로 예시적인 실시예들을 철저하게 하거나 제한하도록 의도된 것이 아니며 수정 및 변형이 위의 교시들에 비추어 가능하거나 제공된 실시예들에 다양한 대안들의 실시로부터 획득될 수 있다. 여기서 설명된 예들은 당업자가 다양한 방식으로 예시적인 실시예들을 실현하는 것이 가능하도록 다양한 예시적인 실시예들의 원리와 특성 및 그것의 실용적인 응용을 설명하기 위하여 선택되고 설명되었고 고려된 특정한 사용에 적합한 다양한 수정을 가진다. 여기서 설명된 실시예들의 특징점들은 방법, 장치, 모듈, 시스템 및 컴퓨터 프로그램 제품과 가능한 모든 조합으로 조합될 수 있다. 여기서 개시된 예시적인 실시예들이 서로 어떠한 조합으로도 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
용어 "포함하는"은 열거된 것들에 비하여 다른 구성요소들이나 단계들의 존재를 반드시 배제하지는 않으며 구성요소 앞에 있는 "하나의"라는 용어는 복수의 이러한 구성요소의 존재를 배제하지 않는다는 것이 주목되어야 한다. 임의의 참조 부호가 특허청구범위의 범주를 제한하는 것은 아니며, 예시적인 실시예들은 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 적어도 부분적으로 구현될 수 있으며, 몇몇 "수단들", "유닛들" 또는 "장치들"은 하드웨어의 동일 항목으로 대표될 수 있다는 것이 또한 주목되어야 한다.
도면 및 명세서에서, 예시적 실시예들이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 실시예들에 많은 변형 및 변경이 있을 수 있다. 따라서, 특정 용어들이 사용되지만, 이들은 일반적이고 설명적인 의미로 사용되는 것이고 한정할 목적으로 사용되는 것은 아니며, 실시예들의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해 정의된다.

Claims (15)

  1. x-선 발생 장치로서,
    나노구조물들의 코팅(24)을 포함하는 전기 전도성 기판(23)을 포함하는 적어도 하나의 전자 에미터(들)(22, 22_1, 22_2, 22_3);
    상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)의 각각의 전기 전도성 기판에 부착가능한 가열 요소(21);
    상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)로부터 방출된 전자들을 받도록 설정된 전자 받음 요소(14); 및
    상기 적어도 하나의 전자 에미터(들), 가열 요소 및 전자 받음 요소를 수용하는 진공 인클로저(10);를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)은 상기 가열 요소가 온-상태(on-state)에 있고 상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)가 역방향으로(negatively) 바이어스될 때 쇼트키 방출(Schottky emission)하도록 설정된, x-선 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)(22, 22_1, 22_2, 22_3)은 상기 가열 요소(21)가 오프-상태(off-state)에 있고 상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)이 역방향으로 바이어스될 때 전계 방출(field emission)하도록 추가로 설정된, x-선 발생 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열 요소(21)의 작동 상태를 제어하도록 설정된 전원(28)을 추가로 포함하는, x-선 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전원(28)은 세가지 바이어스 모드들, 즉 (-,0), (-,+) 및 (0,+)에서 상기 적어도 하나의 전자 발생 요소(들)(22, 22_1, 22_2, 22_3)와 상기 전자 받음 요소(14) 간에 전위차를 공급하도록 추가로 설정된, x-선 발생 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전원(28)이 DC 모드, 펄스 모드 또는 AC 모드로 작동하도록 설정된, x-선 발생 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 기판(23)이 스테인리스 스틸, 니켈, 니켈계 합금, 철 또는 철계 합금 재질인, x-선 발생 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조물(24)이 원소 주기율표에서 IA족, IIA족, IB족, IIIA족, VIA족 또는 VIIA족에 포함되는 도펀트 원소로 도핑 또는 코도핑되어 있는, x-선 발생 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조물(24)이 ZnO 재질인, x-선 발생 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서,
    상기 전자 받음 요소(14)가 금속, 금속 합금, 금속 화합물 또는 금속 세라믹 복합재 재질인, x-선 발생 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 에미터(들)(22, 22_1, 22_2, 22_3)은 스페이서(31)를 통하여 100um와 1000um 사이의 고정된 거리에 위치하는 그리드(30)를 추가로 포함하는, x-선 발생 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 한 항에 따른 x-선 발생 장치의 보안 x-선 스캐닝 장치에서의 사용.
  12. 제1항 내지 제10항 중 한 항에 따른 x-선 발생 장치의 컴퓨터 단층촬영 스캐닝 장치에서의 사용.
  13. 제1항 내지 제10항 중 한 항에 따른 x-선 발생 장치의 C-아암형 스캐닝 장치에서의 사용.
  14. 제1항 내지 제10항 중 한 항에 따른 x-선 발생 장치의 지질 조사 장치에서의 사용.
  15. 제1항 내지 제10항 중 한 항에 따른 x-선 발생 장치의 x-선 형광 분석기에서의 사용.
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