KR20180046950A - 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 타겟에 충돌되는 전자빔의 정확성을 향상하여 엑스선발생의 효율성을 향상할 수 있는 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치에 관한 것으로서, 캐소드 전극이 형성되어 전자빔을 방출하는 전자발생부, 상기 전자빔의 충돌에 의하여 엑스선을 발생시키며 아노드 전극을 포함하는 타겟 및 상기 전자빔의 경로상에 배치되는 방출부와 방출부의 외주측으로 형성되고 양전하 대전되어 전자빔의 확산을 제한하는 제한영역으로 구성되는 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치를 제공한다.

Description

전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치{X-RAY TUBE HAVING ELECTRON BEAM CONTROL MEANS}

본 발명은 엑스선 발생장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 타겟에 충돌되는 전자빔의 정확성을 향상하여 엑스선발생의 효율성을 향상할 수 있는 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치에 관한 것이다.

엑스선관이란 비접촉 또는 비파괴 방식으로 물체 등을 검사하는 장비의 엑스선 발생원으로 사용되는 것으로, 전자를 소정 타겟에 충돌시켜서 엑스선을 발생하는 장치를 말한다.

실개평3-110753호는 엑스선관, 더욱 구체적으로는 클로즈드 타입(Closed Typr) 엑스선 발생장치를 개시하는데, 유리재질 등의 절연재를 대략 원통형상으로 가공한 튜브가 하측의 본체와 결합하고, 상기 튜브에는 타겟을 지지하는 타겟 지지체가 고정되고, 본체에는 전자총이 수용된다.

상기 전자총으로부터 방출되는 전자는 타겟에 충돌하여 엑스선을 발생하고 상기 엑스선관의 외부로 엑스선을 방출하게 된다.

도 1은 종래기술의 엑스선관을 도시한 도면이다.

종래의 엑스선관의 구조를 도 1을 참고하여 설명하면, 도시된 바와 같이 튜브(11)는 유리재질로 이루어지고 내부는 전자의 이동 및 엑스선이 산란이 정확하게 이루어지도록 하기 위하여 진공상태가 유지된다.

그리고, 튜브(11)의 내부에는 외부로부터 인가되는 고압의 전력이 입력되어 전자가 방출되는 음극부(12)가 배치되고, 상기 음극부(12)에는 한 쌍의 필라멘트(13)가 구비된다. 이러한 음극부(12)에 대향되어 양극부(14) 및 이에 연결되며 임의의 방향으로 엑스선을 방출하는 타겟(15)을 포함한다.

경우에 따라 상기 타겟(15)은 튜브(11)의 내부에서 고속으로 회전 가능하게 축설된 회전축의 선단에 연결되어 음극부에서 방출되는 전자가 충돌되는 등의 다양한 구성을 가지기도 한다.

또한, 상기 튜브(11)는 외부로 엑스선이 투과되어 방출될 수 있는 투과부(미도시)가 구비된다.

이와 같이 구성된 종래의 엑스선관의 동작상태를 설명하면, 외부에서 입력된 고압의 전력을 음극부(12)로 인가하면, 음극부(12)에서는 전자를 방출하여 타겟(15)에 충돌하게 되고, 타겟의 표면은 미세하게 흠이 발생하면서 엑스선이 발생되는 방식으로 이루어진다.

이와 같이 발생되는 엑스선은 튜브(11)에 구비되는 투과부를 통하여 외부로 방출되며 소정의 검출수단을 통하여 피검사물의 내부나 표면에서 산란되거나 투과된 엑스선을 검출함으로써 검사가 이루어질 수 있다.

이러한 과정에서 발생된 전자는 초기 속도에 의하여 한 점으로 집속되지 못하고 유한한 크기의 전자빔을 형성하며, 이후 엑스선 타겟과 충돌할 경우 발생 엑스선의 직경이 커서 엑스선 영상의 해상도가 저하된다. 이를 해결하기 위한 기존의 방법으로 양극과 전자빔 집속 광학계 사이에 전자빔 어퍼쳐(aperture)를 설치하여 집속된 전자빔의 외곽을 걸러내지만, 동시에 전자빔 전류가 손실되기 때문에 엑스선관의 휘도가 저하되어 고해상도 엑스선 영상의 획득시간이 길어지는 문제가 초래되었다.

이를 위하여 전자빔의 집속을 위한 시도들이 있어왔는데, 그 하나로 냉전계방출(Cold field emission)은 음극을 가열하지 않고 강한 전기장(Electric field)을 인가하여 전자를 발생하는 방법으로 음극재의 양자 터널링 효과(Quantum tunneling effect)에 기인한다. 냉전계방출에서 전자빔의 인출은 음극에 인가된 전기장에만 의존하기 때문에 초기 속도분포가 열전자 방출에 비해 균일하다.

한편, 다른 하나로 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극은 종래의 탄소나노튜브 전자빔원과 달리 뾰족한 바늘형태의 금속 팁 끝에 탄소나노튜브가 선택적으로 증착되어 있는 것으로, 금속 팁의 에칭(Etching) 정도에 따라 팁 끝의 직경을 수 마이크로미터에서 수십 나노미터까지 작게 할 수 있다. 팁 끝에 설치된 탄소나노튜브에서 전자빔이 인출되기 때문에 전자 발생부의 크기가 작으면서도 초기 속도가 균일한 전자빔 인출이 가능하여 열전자 방출원보다 작은 전자빔 집속점을 이룰 수 있게 된다.

그러나, 이러한 방식들의 적용을 위하여서는 입력전압의 적절한 제어가 매우 중요한 요소가 되는데, 전자빔 전류가 작은 경우에는 엑스선의 휘도 감소로 인하여 영상 획득에 어려움이 있었다.

고출력의 엑스선의 발생과 전자빔의 제어 및 입력 전압의 제어는 상호 간에 연관성이 높고 이는 장비의 설계와 운용에 있어서 한계로 작용하게 된다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 전자빔의 타겟에 대한 충돌의 정확성을 향상하여 전류를 향상하여 고출력의 엑스선의 발생이 가능한 엑스선 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 캐소드 전극이 형성되어 전자빔을 방출하는 전자발생부, 상기 전자빔의 충돌에 의하여 엑스선을 발생시키며 아노드 전극을 포함하는 타겟 및 상기 전자빔의 경로상에 배치되는 방출부와 방출부의 외주측으로 형성되고 양전하 대전되어 전자빔의 확산을 제한하는 제한영역으로 구성되는 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치를 제공한다. 따라서, 바람직하지 않은 전자빔의 확산을 제어할 수 있다.

일실시예로서 상기 전자빔제어수단은, 제어부로부터 제어전류를 인가를 받아 전계를 형성하도록 방출부를 중심으로 하는 복수의 동심원을 이루는 와이어부를 포함할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 전자빔제어수단은, 중심측에 방출부가 형성되는 원반 형태의 페널부와, 상기 패널부의 적어도 어느 일면에 형성되어 제어부로부터 제어전류를 인가를 받아 전계를 형성하는 패터닝부로 구성될 수 있다.

본 발명에 따라, 단순한 구조로서 제한된 구조와 공간에서 전자빔의 타겟충돌의 정확성을 증가시킬 수 있고 이는 엑스선 발생의 효율 향상으로 이어지게 된다.

또한, 단순한 구조로서 전자빔을 가속할 수 있으며 타겟으로 충돌되는 전자빔의 강도를 증가시킬 수 있으므로 동일한 강도에서 상대적으로 고출력의 엑스선의 획득이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 엑스선관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치의 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치를 상세히 설명한다.

이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 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.

본 발명은 기본적으로, 본 발명은 캐소드 전극이 형성되어 전자빔을 방출하는 전자발생부, 상기 전자빔의 충돌에 의하여 엑스선을 발생시키며 아노드 전극을 포함하는 타겟 및 상기 전자빔의 경로상에 배치되는 방출부와 상기 방출부의 외주측으로 형성되고 양전하로 대전되어 전자빔의 확산을 제한하는 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치를 제공한다.

본 발명은 전자발생부로부터 방출된 전자가 튜브 내부에 수용된 타겟 지지체에 고정된 타겟에 충돌하여 엑스선을 방출하는 엑스선관을 구성하는데, 이러한 엑스선관은 내부가 대략 진공상태이며 고출력인 클로즈드 타입(closed type)의 튜브는 물론 오픈 타입(open type) 등 다양한 유형의 엑스선관에 적용될 수 있다.

본 발명의 설명에 있어서, 길이방향이란 전자발생부로부터 타겟에 이르는 전자빔의 경로의 방향을 의미하는 것으로 정의된다.

도 2는 본 발명에 따른 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치를 나타내는 개념도이다.

본 발명에 따른 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치는 기본적으로 전자발생부(120)와 타겟(113)을 구비한다.

상기 전자발생부(120)는 캐소드(Cathode)를 포함하는 것으로, 다공질의 텅스텐 등의 금속에 바륨옥사이드(BaO)를 도포한 것일 수 있다. 또한, 타겟(113)은 탄소재질로 이루어지며, 상층에 텅스텐 등의 엑스선 발생을 위한 코팅이 형성될 수 있다.

상기 전자총으로부터 발생된 전자가 애노드(Anode)와 연결 또는 이를 포함하는 타겟(113)에 충돌하면, 엑스선이 출사부(미도시)를 통하여 출력된다.

이러한 전자총을 구성함에 있어서, 게이트전극, 양극, 음극 등이 구성될 수 있는데 이는 공지의 다양한 요소가 적용될 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도시된 상태를 기준으로 전자발생부(120)는 소정의 하우징 내지는 튜브의 내측에서 일측에 단자부(참조번호 미표시)를 통하여 외부의 고출력 전압이 인가될 수 있도록 고정배치되며, 타측으로는 이로부터 발생된 전자빔에 충돌될 수 있는 타겟(113)이 배치된다.

상기 타겟(113)의 배치부위에는 출사부(미도시)가 형성되어 발생된 엑스선이 외부로 방사될 수 있는 기능을 수행하게 된다.

본 발명에서는 이러한 길이방향으로 형성되는 전자빔의 경로상에 전자빔제어수단(300)이 배치되어 전자빔이 이에 의한 전계를 경유하도록 한다.

전자빔의 경우 이상적으로는 전자발생부(120)에서 발생된 전자들이 대부분 타겟으로 충돌되는 것이 바람직하나, 확산 및 전자기장에 의한 편향 등의 원인으로 정확한 제어가 어려운 문제가 있다.

이를 위하여 종래기술에서 설명한 바와 같이 전자빔 집속수단들을 사용하여 전자빔을 제어하고자 하나 실무적으로는 정확한 집속에는 한계가 있으며 이를 제어하기 위한 부담도 가진다.

본 발명에서는 전자발생부(120)와 타겟(113)의 중심측을 연결하는 가상의 중심선을 기준으로 소정의 방출부(310)가 형성되고 그 외주연으로 양전하가 대전된 제한영역을 형성함으로써 타겟(113) 이외의 부분에 충돌될 수 있는 전자빔의 영역을 제한하도록 하는 개념을 제시한다.

상기 방출부(310)의 크기는 타겟(113)의 크기를 기반으로 하나 전자발생부(120)와 방출부(310)의 거리 및/또는 방출부(310)와 타겟(113)의 거리에 따라 방출부(310)를 통과한 전자빔의 확산을 고려하여 선택적으로 형성될 수 있을 것이다.

이러한 전자빔제어수단(300)의 양전하로 대전된 제한영역은 전자발생부(120)로부터 확산될 가능성이 있는 영역을 고려하여 형성될 수 있으며 후술될 실시예들과 같이 상기 중심선을 중심으로 하는 원반 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 개념에 따라 방출부(310)를 중심으로 하는 원반 형태의 전자빔제어수단(300)은 소정의 전자빔렌즈로서 기능할 수 있을 것이다.

상기 제한영역은 통전 또는 대전이 가능한 도선 내지는 금속패턴 등으로 형성될 수 있으며 이와 관련된 구체적인 실시예는 후술하도록 한다. 이렇게 제한영역이 양극으로 형성되는 경우 타겟(113)의 외곽을 벗어나도록 진행하는 전자들이 타겟(113)으로 진행되지 않게 된다.

또한, 상기 제한영역의 양전하 전계형성으로 인하여 전자발생부(120)로부터의 전자빔이 가속되어 타겟(113)에 충돌되는 에너지가 더욱 증가될 수 있는 장점을 가질 수 있다.

상기 방출부(310)는 원반 형태의 전체적인 영역의 중심에 관통홀의 형태로 형성될 수 있으나 전자의 통과가 가능하다면 반드시 물리적으로 개방된 구조만으로 이루어지는 것은 아님에 유의하여야 한다.

도 3은 본 발명의 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치의 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.

일실시예에서는 상기 제한영역의 형성을 위하여 도선 형태의 와이어가 배치되는 경우를 설명하도록 한다.

와이어부(320)는 대략 방출부(310)를 중심으로 하여 반경방향으로 동심원 형태로 배열된 전계형성부(참조번호 미표시)와 상기 전계형성부들을 상호 전기적 및 기계적으로 연결하는 연결부(참조번호 미표시)를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 와이어부(320)는 외부의 제어부(700)에 제어전류에 의하여 양전하로 대전된 상태를 유지할 수 있으며, 전자빔의 반대되는 극성에 의하여 타겟(113)에 충돌되지 않는 전자빔의 영역에 대한 인력을 작용하여 제한하는 기능을 수행하게 된다. 따라서, 상기 전계형성부들은 소정의 간극을 형성하더라도 그 사이에 소정의 전계가 형성될 수 있어 전자들의 투과를 방지할 수 있을 것이다.

제어부(700)는 상기 와이어부(320)에 대해 소정의 제어전류를 인가하게 되는데, 전자들의 충돌 및 이로 인한 전류의 부하에 대응하기 위하여 접지 또는 콘덴서 등의 대응 전기소자들을 구비할 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명의 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

상기와 같이 와이어로 전자빔제어수단(300)이 구성되는 경우 구조적인 안정성과 통전성에 있어서 한계와 경제성의 문제를 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 소정의 패널에 도전성의 패터닝을 형성하는 개념을 제시하도록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전자빔제어수단(300)은 제한영역을 구성하기 위하여 도넛 내지는 원반 형태의 패널부(330)가 형성될 수 있다. 이러한 패널부(330)에는 방출부(310)를 중심으로 하여 반경방향으로 소정의 패터닝부(331)가 형성될 수 있으며, 상기 패터닝부(331)는 접착 또는 증착 등의 방식으로 패널부(330)의 적어도 일면 이상에 구성될 수 있다. 상기 패터닝부(331)는 반드시 도시된 형태에 한정되는 것은 아니다.

이러한 패터닝부(331)는 상호간에 반경방향으로 연결되어 제어부(700)에 의한 제어전류에 따라 소정의 전계를 형성할 수 있으며 이에 따라 전자빔의 제어요소로 작용할 수 있다. 이와 관련하여 상기와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

본 발명의 개념은 타겟(113)에 충돌되는 전자빔의 경로에 방출부(310)를 형성하되 그 외곽에 양극의 형성을 통하여 전자빔의 확산을 제한하는 제한영역을 형성하게 되는데, 본 발명의 추가적인 개념으로서 이러한 전자빔제어수단(300)은 경우에 따라 전자빔의 경로상에 복수로서 형성될 수도 있을 것이다.

이 경우 상호 인접된 전자빔제어수단(300)이 서로 다른 극성으로 교번하여 배치되는 경우도 고려될 수 있다.

경우에 따라 서로 다른 전계의 형성에 의하여 전자빔을 집속하여 전자를 누적하고 제어부(700)의 전계변환 동작에 의하여 극성을 변환하여 전자빔을 타겟(113) 측으로 일시에 방출할 수 있다.

이렇게, 전자를 누적시켜 방출하는 경우 종래기수의 전자집속을 위한 코일의 구조가 생략될 수 있는 가능성을 제공하며, 비교적 낮거나 높은 입력전압에도 엑스선의 강도가 보장될 수 있는 이점을 제공한다. 이 경우, 종래기술과 같이 연속파가 아닌 펄스파의 입력이 가능하다.

펄스전압의 입력을 위하여서는 엑스선 출력장치를 구성하는 장비가 고가이고 종래의 전자총에 있어서 제어가 어려운 문제가 있으나, 본 발명에 따른 엑스선 발생장치에 있어서는 전자의 누적으로 인하여 펄스파의 입력이 가능하다는 이점을 가짐에 유의하여야 한다. 이는 디텍터의 가동에 있어서도 부하의 저감으로 이어질 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 전자빔제어수단을 포함하는 엑스선 발생장치에 의하여, 단순한 구조로서 제한된 구조와 공간에서 전자빔의 타겟충돌의 정확성을 증가시킬 수 있고 이는 엑스선 발생의 효율 향상으로 이어지게 된다.

또한, 타겟으로 충돌되는 전자빔의 강도를 증가시킬 수 있으므로 동일한 강도에서 상대적으로 고출력의 엑스선의 획득이 가능한 이점도 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

113...타겟 120...전자발생부
300...전자빔제어수단 310...방출부
320...와이어부 330...패널부
331...패터닝부 700...제어부

Claims (3)

1. 캐소드 전극이 형성되어 전자빔을 방출하는 전자발생부;
   상기 전자빔의 충돌에 의하여 엑스선을 발생시키며 아노드 전극을 포함하는 타겟; 및
   상기 전자빔의 경로상에 배치되는 방출부와, 방출부의 외주측으로 형성되고 양전하가 배치되어 전자빔의 확산을 제한하는 제한영역으로 구성되는 전자빔제어수단;을 포함하는 엑스선 발생장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전자빔제어수단은,
   제어부로부터 제어전류를 인가를 받아 전계를 형성하도록 방출부를 중심으로 하는 복수의 동심원을 이루는 와이어부를 포함하는 엑스선 발생장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전자빔제어수단은,
   중심측에 방출부가 형성되는 원반 형태의 페널부와, 상기 패널부의 적어도 어느 일면에 형성되어 제어부로부터 제어전류를 인가를 받아 전계를 형성하는 패터닝부로 구성되는 엑스선 발생장치.
   

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