KR20170024984A - 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관에 관한 것으로, 진공 튜브; 상기 진공 튜브 내 일 측에 배치되고 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드; 상기 에미터에서 방출된 전자를 집속하는 게이트 및 포커스 전극; 상기 에미터를 사이에 두고 상기 캐소드와 대향하도록 상기 진공 튜브 내 타측에 위치하고, 상기 게이트 및 포커스 전극에서 집속된 전자의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타깃이 형성된 애노드; 상기 캐소드 주변에 형성되고 제 1 온도에서 활성화되는 제1 게터; 및 상기 애노드 주변에 형성되고, 상기 제 1 온도 보다 높은 제 2 온도에서 활성화되는 제2 게터를 포함한다.

Description

이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관{MICRO X-RAY TUBE HAVING HYBRID GETTER}

본 발명은 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관에 관한 것으로서, 특히 기체를 흡수하는 게터를 이용하여 진공 튜브 내 진공도를 유지시킬 수 있는 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관에 관한 것이다.

현재 상용되고 있는 엑스선관은 진공 튜브 내부에 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)가 설치되어 있고 캐소드에서 발생된 전자가 캐소드와 애노드 사이에 인가되는 고전압에 의해 가속되어 애노드의 타깃(Target)에 충돌하면서 엑스선이 발생하는 현상을 이용하고 있다.

도 1은 일반적인 전계 방출형 엑스선관을 제작하는 과정을 나타낸 흐름도로서, 도 1을 참조하여 일반적인 전계 방출형 엑스선관을 제작하는 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 3차원 시뮬레이션 등의 기법을 이용하여 엑스선관을 설계하고(S100), 설계한 바에 따라 에미터(Emitter)를 제작하는 등 엑스선관 생산에 필요한 부품을 준비한다(S200). 다음에, 준비된 부품을 조립하여 엑스선관 형태를 만들고(S300), 조립된 엑스선관을 브레이징(Brazing) 로에 안치하여 진공 브레이징 공정을 수행한다(S400). 이후에, 브레이징 공정을 거친 엑스선관에 대하여 상온에서 전기적 안정화 공정을 거친 후에(S500), 최종적으로 제품 테스트를 통하여 불량품을 폐기한다(S600).

이 때, 진공 브레이징 공정 중에 발생하는 기체를 흡수하여 엑스선관 내 진공도를 유지하기 위하여 게터(Getter), 즉, 진공 장치 안의 기체 분자를 흡착하여 진공도가 높은 상태로 만드는 물질을 사용하게 되는데, 브레이징 완료 후에도 전기적 안정화 공정 등에서 계속적으로 기체가 발생될 수 있다.

따라서, 위와 같은 공정에 따라 제작된 엑스선관은, 진공 튜브 내 진공도를 유지하는 것이 제품 품질 유지에 필수적임에도 불구하고, 진공 브레이징에 의한 밀봉 후에 에미터, 금속, 세라믹 등의 부분에서 기체가 발생하여 진공도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여, 중온에서 활성화되는 게터 및 고온에서 활성화되는 게터를 모두 구비하고, 이를 통하여 밀봉 후에 발생하는 기체를 효과적으로 제거함으로써 진공도를 향상시키는 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 진공 튜브; 상기 진공 튜브 내 일 측에 배치되고 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드; 상기 에미터에서 방출된 전자를 집속하는 게이트 및 포커스 전극; 상기 에미터를 사이에 두고 상기 캐소드와 대향하도록 상기 진공 튜브 내 타측에 위치하고, 상기 게이트 및 포커스 전극에서 집속된 전자의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타깃이 형성된 애노드; 상기 캐소드 주변에 형성되고 제 1 온도에서 활성화되는 제1 게터; 및 상기 애노드 주변에 형성되고, 상기 제 1 온도 보다 높은 제 2 온도에서 활성화되는 제2 게터를 포함한다.

여기서, 상기 애노드는, 측면은 원기둥형이고, 상기 캐소드와 대향된 면은 타원 모양의 경사면을 이루며, 상기 제2 게터는, 상기 애노드의 측면을 둘러싸는 필름 형태일 수 있다.

또한, 상기 제1 게터는 300℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 활성화되는 이종 게터를 가질 수 있다.

한편, 상기 제2 게터는 600℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 활성화되는 이종 게터를 가질 수 있다.

또한, 상기 제2 게터는 알루미늄 10 ~ 20중량%와 나머지 지르코늄으로 구성되는 합금 조성물일 수 있다.

전술한 본 발명에 따르면, 중온에서 활성화되는 게터 및 고온에서 활성화되는 게터를 모두 구비하고, 이를 통하여 진공 브레이징 공정에서 발생되는 기체 및 안정화 공정에서 발생되는 기체를 모두 흡수할 수 있게 되어, 밀봉 후에 야기되는 진공도의 저하를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 전계 방출형 엑스선관을 제작하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관의 진공 브레이징 과정 중 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 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 의미 한다.

또한, “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관을 도시한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관은, 진공 튜브(100), 캐소드(200), 게이트(Gate) 및 포커스(Focus) 전극(300), 애노드(400), 제1 게터(500) 및 제2 게터(600)를 포함한다.

진공 튜브(100)는, 양 측이 폐쇄되어 튜브 내부에 진공이 유지될 수 있는 구조를 가진다. 여기서, 진공 튜브(100)는, 원통형 구조일 수 있고, 그 소재는 절연체인 세라믹(Ceramics) 재질일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 진공 튜브(100)의 양 측은, 폐쇄전 양단에 형성되는 개구를 금속 재질의 캐소드(200) 및 애노드(400)를 접합하여 막을 수도 있고, 별도의 절연체인 원형 부재(도시되지 않음)를 사용하여 캐소드(200) 및 애노드(400)를 원형 부재에 부착한 후 캐소드(200) 및 애노드(400)가 부착된 원형 부재를 접합하여 막을 수도 있으나 이에 한정되지 않는다.

또한, 캐소드(200)는, 진공 튜브(100) 내 일 측에 배치되고 전자 방출을 위한 에미터(210)가 형성된다. 이 때, 캐소드(200)는, 원기둥 형태의 금속 재질로 형성되는데, 이와 같은 금속 재질인 캐소드(200)를 절연체인 진공 튜브(100) 또는 원형 부재에 접합시키기 위하여 금속과 절연체에 모두 잘 달라붙는 필러를 이용하게 된다. 즉, 필러를 캐소드(200)와 진공 튜브(100)(또는 원형 부재) 간 접합 부위에 녹인 후에 냉각함으로써 용접이 불가능한 이종 재질을 접합할 수 있게 된다. 여기서, 에미터(210)는, 캐소드의 전자 방출 수단으로서 양자역학적인 전계 방출 방식을 이용함으로써 상대적으로 적은 전력이 소비되는 CNT(Carbon Nano Tube) 등의 나노 구조 물질을 이용하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

한편, 게이트 및 포커스 전극(300)은, 에미터(210)의 전자 방출을 활성화하고 에미터(210)에서 방출된 전자를 집속한다. 즉, 게이트 및 포커스 전극(300)은, 에미터(210)의 전자 방출을 활성화 하고, 에미터(210)에서 방출된 전자를 가속시키는 한편, 전자를 애노드(400) 상의 타깃(410)에 집속시키는 역할을 한다. 여기서, 게이트 및 포커스 전극(300)은, 절연체 재질의 진공 튜브(100)와 접합되어야 하므로, 캐소드(200)와 마찬가지로 필러를 이용하여 접합하게 된다.

참고로, 게이트 전극과 포커스 전극은 별개로 구비될 수도 있고, 도면에서와 같이 일체로 이루어질 수도 있다.

또한, 애노드(400)는, 에미터(210)를 사이에 두고 캐소드(200)와 대향하도록 진공 튜브 내 타측에 위치하고, 게이트 및 포커스 전극(300)에서 집속된 전자의 충돌에 의해 엑스선(700)을 발생시키는 타깃(410)이 형성된다. 여기서, 애노드(400)는, 원기둥 형태의 금속 재질로서 절연체 재질의 진공 튜브(100)(또는 원형 부재)와 접합되어야 하므로, 캐소드(200)와 마찬가지로 필러를 이용하여 접합하게 된다. 여기서, 애노드(400)는, 열전도가 좋은 OFC(Oxygen-Free Copper)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 애노드(400)는, 측면은 원기둥형이고, 캐소드(200)와 대향된 면은 타원 모양의 경사면을 이루도록 형성될 수 있다.

이 때, 애노드(400)의 타깃(410)에 전자가 충돌하면서 열이 발생되어 약 850℃이상의 온도로 가열되는데, 애노드(400)의 일부가 외부에 노출되는 구조의 경우 발생된 열을 배출하는 데에 유리하나 절연성 강화의 측면에서 불리하므로, 애노드(400)를 원형 부재에 접합하여 애노드(400)가 외부에 노출되지 않는 구조로 엑스선관을 제작하는 것이 바람직하다. 다만, 애노드(400)에 발생하는 발열 문제를 해결하기 위하여, 캐소드(200)의 원기둥의 지름과 비교하여 애노드(400)의 원기둥의 지름을 3배 정도가 되도록 구성하여 표면적과 부피를 크게 늘림으로써, 열을 수용하는 열용량을 높임과 동시에 표면을 통한 방열 효과를 높일 수 있다.

한편, 제1 게터(500)는, 캐소드(200)의 주변에 형성되어 기체를 흡수함으로써 진공 튜브(100) 내 진공도를 향상시킨다. 이 때, 제1 게터(500)는, 진공 브레이징 공정 중 나노 구조 물질에 포함된 수분, 용매, 바인더를 제거하기 위한 초기 공정을 지난 300℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 활성화되는 비휘발성(Non-evaporable) 게터로서, 진공 브레이징 공정 중에 활성화될 수 있고 브레이징 완료 시까지 진공 튜브(100) 내 진공도 향상에 기여할 수 있다. 또한, 제1 게터(500)는, 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 철(Fe)의 합금으로 스테인레스 스틸(Stainless steel), 지르코늄(Zr)의 박막형 기판에 코팅될 수 있으며, 코팅 두께를 75㎛ 내지 250㎛로 하고, 기판 두께를 50㎛로 하여 제품에 적용해 본 결과 450℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 10분 정도 활성화시키는 경우에 기체 흡수량에 있어서 좋은 결과(0.1 ~ 1㎤·torr/㎠)를 보였으나, 400℃에서 2시간, 350℃에서 6시간, 300℃에서 18시간 활성화시키는 경우에도 기체 흡수량은 비슷한 결과를 보이므로 이에 한정되지 않으며, 다만, 활성화 시간 대비 기체 흡수량을 고려할 때 450℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 활성화하는 것이 바람직하며, 진공 브레이징 공정은 이 범위의 온도를 거치므로 진공도가 효과적으로 향상될 수 있다. 여기서, 제1 게터(500)는, 도 2에 도시된 바와 같이 캐소드(200)의 원기둥 형태에 해당하는 측면을 둘러싸는 식으로 배치될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

또한, 제2 게터(600)는, 애노드(400) 주변에 형성되어 애노드(400)의 발열에 의해 활성화된다. 이 때, 제2 게터(600)는, 600℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 활성화되는 비휘발성(Non-evaporable) 게터로서, 안정화 공정 중에 활성화될 수 있고 브레이징 완료 후 접합된 진공 튜브(100) 내부의 진공도 향상에 기여할 수 있다. 또한, 제2 게터(600)는, 지르코늄, 알루미늄(Al)의 합금으로, 지르코늄만으로 구성된 게터가 내지 ㎤·torr/㎠ 범위의 기체 흡수량을 가지는 반면, 지르코늄 80 ~ 90중량%, 알루미늄(Al) 10 ~ 20중량%의 합금으로 구성된 게터, 바람직하게는 지르코늄 84중량%, 알루미늄(Al) 16중량%의 합금으로 구성된 게터는 내지 ㎤·torr/㎠ 범위의 기체 흡수량을 가지므로 제2 게터(600)를 합금으로 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 제2 게터(600)는, 애노드(400)의 발열에 의해 활성화되기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 캐소드(200)의 원기둥 형태에 해당하는 측면을 둘러싸는 식으로 배치될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 즉, 제2 게터(600)는, 활성화를 위하여 별도의 발열 장치를 필요로 하지 않고, 애노드(400)의 발열에 의해 활성화되므로, 엑스선관의 소형화에 기여할 수 있다. 특히, 제2 게터(600)는, 애노드(400)의 측면을 둘러싸는 필름 형태일 수 있다.

이 때, 제2 게터(600)는, 안정화 공정에 있어서 애노드(400)의 발열에 의해 조성되는 온도를 포함할 수 있는 600℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 활성화되는 것이 바람직하며, 지르코늄 84중량%, 알루미늄(Al) 16중량%의 합금의 경우에, 900℃에서 20 내지 30초 정도, 800℃ 이상 850℃ 이하에서 4 내지 5분, 또는 750℃에서 30분 활성화시키면 100% 활성화가 이루어지는 반면, 동일한 합금 조성 조건에서, 750℃에서 3분 활성화시키면 60% 활성화, 600℃에서 30분 활성화시키면 30% 활성화가 이루어지므로, 850℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 활성화되는 것이 바람직하며, 안정화 공정 시 애노드(400)의 발열에 의해 이 범위의 온도가 형성되므로, 제2 게터(600)가 지르코늄 84중량%, 알루미늄(Al) 16중량%의 합금으로 구성되는 것이 진공도의 향상 측면에서 효과적일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관의 진공 브레이징 과정 중 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프로서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관의 제조 공정에 있어서 진공도를 향상시키는 동작에 관하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 3차원 시뮬레이션 등의 기법을 이용하여 초소형 엑스선관을 설계하고(S100), 설계한 바에 따라 캐소드(200) 상에 에미터(210)를 제작하는 등 엑스선관 생산에 필요한 부품을 준비한다(S200). 이 때, 에미터(210)는, CNT 합성, CNT 정제, CNT 페이스트(Paste) 제작, 스크린 프린팅, 소성 및 에미터(210) 활성화 과정을 통하여 제작될 수 있다.

다음에, 진공 튜브(100), 캐소드(200), 게이트 및 포커스 전극(300), 애노드(400) 등의 준비된 부품을 조립하여 엑스선관 형태를 만들고(S300), 조립된 엑스선관을 브레이징(Brazing) 로에 안치하여 진공 브레이징 공정을 수행한다(S400). 이 때, 진공 브레이징 공정 중 나노구조물질에 포함된 수분과 용매 등을 제거하는 초기 단계 이후에 진공 튜브(100) 내 온도가 300℃ 이상으로 증가함에 따라 제1 게터(500)가 활성화되기 시작하여 진공 브레이징 완료 시까지 진공 튜브(100) 내 기체를 흡수하게 된다. 이 때, 도 3을 참조하여 진공 브레이징 공정에 대하여 상술하면 다음과 같다.

먼저, 부품을 조립하여 만든 엑스선관의 형태(이하, ‘가조립 제품’이라 함)를 브레이징 로에 넣고, 브레이징 로 내에 150~260℃ 온도 범위를 약 15분 동안 유지하면서 가조립 제품 내 나노 구조 물질에 포함된 수분, 용매 또는 바인더를 제거한다(①). 이 단계는, 주로 CNT 엑스선관 부분과 고정 지그(Jig) 부분의 수분과 이물질을 제거하기 위한 과정이다.

다음에, 브레이징 로의 온도를 분당 약 10℃씩 상승시킨 후, 브레이징 로 내 온도를 약 540℃로 약 10~15분 동안 유지한다(②). 이 단계는, 앞선 공정에서 가조립 제품 내 생성된 유기물들이 기체화하여 배기될 수 있도록 한다.

이후에, 브레이징 로 내 온도를 접합 온도 보다 약 40℃ 정도 낮은 온도로 약 30분 동안 유지한다(③). 이 단계는, 가조립 제품의 전체 온도를 균일하게 가열하기 위한 것이다.

다음에, 브레이징 로의 온도를 분당 약 3℃씩 상승시킨 후, 브레이징 로 내 온도를 접합 온도로 약 10~30분 동안 유지한다(④). 이 단계는, 접합을 위한 부분에 적용된 필러를 녹임으로써 각 부품이 접합되도록 하기 위함이다.

최종적으로, 브레이징 공정을 통하여 녹은 필러를 고체화시키기 위하여 브레이징 로의 온도를 분당 약 5℃씩 서서히 냉각한다. 이 때, 냉각을 위하여 아르곤, 질소 등의 냉각 가스를 주입할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

이후에, 브레이징 공정을 거친 엑스선관에 대하여 상온에서 전기적 안정화 공정을 거친다(S500). 즉, 진공 브레이징 공정을 통하여 접합이 완료되면 에미터(210), 타깃(410) 등에 대한 안정화 공정을 실시하는데, 애노드(400)의 타깃(410)에 전자가 충돌하면서 열이 발생되어 진공 튜브(100) 내부가 약 850℃ 이상의 온도로 가열되므로 제2 게터(600)가 활성화된다. 이 때, 안정화 공정에서 발생되는 기체를 제2 게터(600)가 화학적으로 흡착하므로 우수한 진공 상태를 유지할 수 있게 된다.

최종적으로, 제품 테스트를 통하여 불량품을 폐기한다(S600).

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지, 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다

100: 진공 튜브 200: 캐소드
300: 게이트 및 포커스 전극 400: 애노드
500: 제1 게터 600: 제2 게터
700: 엑스선

Claims (5)

1. 진공 튜브;
   상기 진공 튜브 내 일 측에 배치되고 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드;
   상기 에미터에서 방출된 전자를 집속하는 게이트 및 포커스 전극;
   상기 에미터를 사이에 두고 상기 캐소드와 대향하도록 상기 진공 튜브 내 타측에 위치하고, 상기 게이트 및 포커스 전극에서 집속된 전자의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타깃이 형성된 애노드;
   상기 캐소드 주변에 형성되고 제 1 온도에서 활성화되는 제1 게터; 및
   상기 애노드 주변에 형성되고, 상기 제 1 온도 보다 높은 제 2 온도에서 활성화되는 제2 게터를 포함하는 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 애노드는, 측면은 원기둥형이고, 상기 캐소드와 대향된 면은 타원 모양의 경사면을 이루며,
   상기 제2 게터는, 상기 애노드의 측면을 둘러싸는 필름 형태인 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 게터는 300℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 활성화되는 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 게터는 600℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 활성화되는 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2 게터는 알루미늄 10 ~ 20중량%와 나머지 지르코늄으로 구성되는 합금 조성물인 이종 게터를 갖는 초소형 엑스선관.

Images