KR20210021671A - 방사각이 확장된 x선관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사각이 확장된 X선관에 관한 것으로, 자세하게는 포토 이오나이저에 있어서, 가속된 전자의 충돌로 X선을 방사하는 X선관의 X선 방사각을 증대시키는 방사각이 확장된 X선관에 관한 것으로, 내부에 진공 상태를 유지하기 위한 게터가 설치되는 유리관과, 상기 유리관의 상단부에 형성되는 X선 조사부와, 상기 유리관의 하단부에 형성되는 스템부와, 상기 X선 조사부에는 Be(베릴륨)로 형성되는 투과부가 마련되는 방사각이 확장된 X선관에 있어서, 상기 투과부는, X선 조사 방향으로 돌출된 원뿔의 중심축에서 수직한 방향으로 절단된 형태로서 X선 조사 방향으로 테이퍼지게 형성되어 제전범위가 확대되는 것을 포함하여 구성된다.

Description

방사각이 확장된 X선관{X-ray tube with extended radiation angle}

본 발명은 방사각이 확장된 X선관에 관한 것으로, 자세하게는 포토 이오나이저에 있어서, 가속된 전자의 충돌로 X선을 방사하는 X선관의 X선 방사각을 증대시키는 방사각이 확장된 X선관에 관한 것이다.

일반적으로, 물질투과성에 따라서 얇은 공기층에 의해서도 쉽게 흡수되는 투과성이 낮은 방사선을 연X선이라 하고, 륀트겐 등에 사용하는 투과성이 높은 것을 경X선이라 한다.

연X선의 에너지는 경X선에 비해 수십분의 일 정도로 낮고, 직접 조사에 의한 영향 또한 훨씬 적다.

이러한 연X선과 경X선의 특성을 구분하여 설명하면 표 1과 같다.

구분	파장	에너지	용도
연X선	1~1000Å	1~10keV	분석용, 정전기 제거
경X선	0.01~1Å	10~1000keV	의료용, 공업용

연X선은 가속된 전자가 금속 타겟에 충돌하면 발생되는 것이므로, 연X선 발생기는 전자를 고속으로 가속시키는 고전압발생장치로 구성되어 있다.

극에 인가되는 전압을 가속전압(target voltage) 이라고 하면, 충돌할 때의 전자의 운동에 에너지 E는 다음과 같은 식으로 표시된다.

E=eV=(1/2)mv²

여기서,

e: 전자전하(-1.602X10^-19C)

m: 전자질량(9.109X10^-31kg)

V: 가속전압

v: 전자속도

알려진 바와 같이, 전자의 운동에너지는 극과 충돌할 때 대부분 열로 변하고 약 1% 정도의 에너지만이 연X선으로 발산되고, 연X선 발생 효율을 다음과 같은 식으로 표시된다.

발생효율=1.1X10^-9ZV

여기서, Z는 타겟 물질의 원자 번호이다.

이러한 연X선 조사식은 대전체 중화에 필요한 이온 및 전자를 대전체 주위의 가스분자 및 원자의 광자흡수에 의하면 이온을 생성하는 방식으로 이루어지며, 이러한 연X선 조사식의 특징은 고농도의 이온 및 전자를 생성할 수 있기 때문에 단시간 내에 정전 제거가 가능하고 또한 잔류 정전기압을 거의 0 V로 유지할 수 있으며, 대기압 상태의 불활성가스 분위기에서도 정전기 제거가 가능하다는 장점이 있어 정전기 제거를 위한 이오나이저로 널리 활용되고 있다.

알려진 바와 같이, 코로나 방전식에서는 이온의 이송을 위하여 별도의 송풍장치가 필요하나, 연X선 조사식은 무풍 상태의 분위기 속에서도 제전할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 연X선 조사식은 에너지가 높기 때문에(파장은 약 1.3Å 이하) 산소분자 또는 원자도 신속히 이온화할 수 있고 따라서 오존의 발생을 거의 유발하지 않는다.(참고로, 공기중에 오존이 생성되면 오존에 의해 반도체웨이퍼 산화, 플라스틱 물질의 산화, 특히 인체의 영향을 미친다)

코로나 방전시에는 이 에너지 영역대의 빛이 발생하고 전자의 생성이 많기 때문에 산소 라디칼이 발생하여 오존이 생성된다는 문제점이 있으나, 연X선의 경우에는 광자에너지가 수백~수천eV로 높고, 광자를 흡수한 산소원자 또는 분자가 전부 이온화 에너지로 작용하여 오존 생성원인 산소 라디칼을 거의 생성하지 않아 오존이 거의 발생하지 않는다는 이점이 있다.

연X관 튜브의 외형 구조는 유리관과, 유리관의 일측 종단부에 결합되는 X선 조사부와, 유리관의 타측 종단부에 결합되는 유리로 된 스템으로 이루어지며,

연X관 튜브는 유리관 내부에 위치하여 전자를 집속시키는 역할을 수행하는 원통형의 캐소드(집속관이라고도 함), 고전압 발생기에서 출력되는 약 -11kV의 전압이 인가되는 도전 와이어(코바 와이어(kovar wire)), 유리관 내부로 삽입된 도전 와이어를 상호 연결시키는 유리 재질의 클립부, 가이드 스프링, 유리관 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 게터(getter) 등과 같은 구성 요소를 포함한다.

한편, 기존의 바형 포토 이오나이저의 X선관에 마련되는 평평한 플레이트 형태의 베릴륨 창은 방사되는 X선 조사각의 한계가 있고, 조사각의 한계로 인해 바형 포토 이오나이저에 좁은 간격으로 X선관이 마련되어야 하는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0030061호 대한민국 등록특허 제10-0512129호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 포토이오나이저에 있어서, X선 방사각이 증대된 X선관을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 방사각이 확장된 X선관은, 내부에 진공 상태를 유지하기 위한 게터가 설치되는 유리관과, 상기 유리관의 상단부에 형성되는 X선 조사부와, 상기 유리관의 하단부에 형성되는 스템부와, 상기 X선 조사부에는 Be(베릴륨)로 형성되는 투과부가 마련되는 방사각이 확장된 X선관에 있어서, 상기 투과부는, X선 조사 방향으로 돌출된 원뿔의 중심축에서 수직한 방향으로 절단된 형태로서 X선 조사 방향으로 테이퍼지게 형성되어 제전범위가 확대되는 것을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관은, 투과부가 X선 조사 방향으로 돌출된 원뿔의 중심축에서 수직한 방향으로 절단된 형태로서 X선 조사 방향으로 테이퍼지게 형성되는 것을 통해 X선 방사각이 확장되는 효과가 있다.

도 1은, 종래의 X선관의 연X선 방사과정을 개략도로 나타낸 것이다.
도 2는, 종래의 X선관의 구조를 정단면도로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관의 일실시예에 따른 구조를 개략도로 나타낸 것이다.
도 4 (a)는, 본 발명에 베릴륨 창 구조의 비교를 위해 종래 기술에 따른 X선관의 구조를 개략도로 나타낸 것이다.
도 4 (b)는, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관의 일실시예에 따른 구조를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관의 일실시예에 따라 선택적으로 마련될 수 있는, 넓이에 따른 X선 조사부의 구조를 개략도로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관의 일실시예에 따라 선택적으로 마련될 수 있는, 높이에 따른 X선 조사부의 구조를 개략도로 나타낸 것이다.
도 7은, 종래의 기술과 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관의 일 실시예에 따른 X선 조사각의 차이를 나타낸 것이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관은, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 내부에 진공 상태를 유지하기 위한 게터가 설치되는 유리관(1)과, 상기 유리관(1)의 상단부에 형성되는 X선 조사부(2)와, 상기 유리관(1)의 하단부에 형성되는 스템부(3)와, 상기 X선 조사부(2)에는 Be(베릴륨)로 형성되는 투과부(21)가 마련되는 방사각이 확장된 X선관에 있어서, 상기 투과부(21)는, X선 조사 방향으로 돌출된 원뿔의 중심축에서 수직한 방향으로 절단된 형태로서 X선 조사 방향으로 테이퍼지게 형성되어 제전범위가 확대되는 것을 포함하여 구성될 수 있다.

도 1에는 X선관의 연X선 방사과정을 대략적인 개략도로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 원통형의 진공 유리관(1)(Glass)의 내부에는 원통형의 캐소드(집속관(6))가 구비되고, 캐소드(집속관(6))는 전자를 방출하는 필라멘트(5)를 에워싸는 방식으로 제공된다. 필라멘트(5)에서 방출된 가속 전자는 타겟물질에 충돌하고 베릴륨 창을 통해, 연X선이 조사되는 방식이다.

더욱 구체적으로, 베릴륨 창에는 타겟물질(W, 텅스텐)이 코팅되어 있다. X선관의 X선 방출은 상기 필라멘트(5)에서 발생된 열전자가 가속 전압에 의해 베릴륨 창에 코팅된 타겟물질(W)에 충돌하여, 타겟물질과의 상호 작용에 의해 방출되게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 X선관 구조는, 원통형의 진공 유리관(1)(Glass)과, 상기 진공 유리관(1) 상단부에 형성되는 X선 조사부(2)와, 상기 진공 유리관(1)의 하단부에 형성되는 스템부(3)(Stem)를 포함하며, 상기 스템부(3)를 통하여 상기 진공 유리관(1) 내부로 유입된 적어도 2개의 도전 와이어(4)(본 발명에서는 Kovar를 사용하나 이에 한정하지 않는다)는 전자 방출용 필라멘트(5)(filament)를 통하여 상호 연결되어, 상기 필라멘트(5)에서 방출되는 전자가 상기 X선 조사부(2)로 집속 가능하도록 하는 집속관(6)이 마련된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 X선 조사부(2)는, 중앙 개구부가 형성되어 있는 스테인레스 스틸 재질의 서스플랜지(7)(SUS Flange)와, 플랜지의 개구부를 폐쇄하는 방식으로 부설되어 있는 베릴륨으로 이루어진 투과부(21)와, 상기 서스플랜지(7)(SUS Flange)가 안착되며 중앙 개구부가 형성되어 있는 Kovar와 같은 도전성 재질로 이루어진 코바플랜지(8)(Kovar Flange)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 상기 투과부(21)에는 타겟물질로서 텅스텐(W)이 코팅되어 있다.

본 발명의 X선 조사부(2)의 형태는 일예에 불과한 것으로 이러한 구조의 변경은 당업계에서 취사 선택 가능할 것이다.

다음으로, 상기 진공 유리관(1)의 하단부에 형성되어 있는 상기 스템부(3)는 그 재질이 유리로 되어 있으며, 상기 유리관(1)의 하단부와 접합되어 있다.

고전압 발생기(미도시)로부터 인가되는 예컨대 대략 -11kV의 고전압은 적어도 2개의 도전 와이어(4)(Kovar wire)에 공급되며, 상기 진공 유리관(1) 내부로 유입된 도전 와이어(4)(Kovar wire)는 상기 필라멘트(5)를 통하여 상호 연결되는 구조로 되어 있고, 상기 필라멘트(5)를 통하여 다량의 음전하가 방출된다.

또한, 상기 스템부(3)를 통하여 유입된 또 다른 도전 와이어(4)의 일측에는 진공 상태를 유지하기 위한 게터가 부착될 수 있다.

도 3에 개략도로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관은, 상기 X선 조사부(2)에 마련되는 상기 투과부(21)가 기존의 평평한 플레이트(plate) 형태가 아닌 X선 조사 방향으로 돌출된 것으로 방사각 증가로 및 선량이 증가하는 효과가 있다.

구체적으로, 상기 투과부(21)는 X선 조사 방향으로 돌출된 원뿔의 중심축에서 수직한 방향으로 절단된 형태로서 X선 조사 방향으로 테이퍼지게 형성될 수 있다.

즉, 상기 투과부(21)는 하단면이 개방된 콘 형태에서 상단면이 평평한 원반형으로 이루어져 있는 것이다.

구체적으로, 상기 투과부(21)에는 평평한 원반 형태로 마련되는 원반부(211)가 마련될 수 있다.

또한, 상기 투과부(21)에는 상기 원반부(211)에서 상기 진공 유리관(1) 방향으로 연속 마련되며 소정의 경사각을 갖는 사이드부(212)가 마련될 수 있다.

도 4의 (a)는, 종래의 X선관을 나타낸 개략도로서, 평평한 플레이트 형태의 베릴륨 창의 구조를 가지고 있다.

도 4의 (b)는, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관의 개략도로서, 상기 투과부(21) 베릴륨 창이 X선 조사 방향으로 돌출되어 있는 구조로 형성되어 있다.

더욱 상세하게는, 상기 원반부(211)의 지름은 2 mm 내지 8 mm 이고, 상기 원반부(211)의 중심으로부터 상기 사이드부(212) 하단 외주면을 둘레로 하는 가상의 원의 중심까지 높이는 1 mm 내지 4 mm 로 마련될 수 있다.

일 실시예로, 상기 원반부(211)의 지름이 4 mm 이고, 상기 가상의 원 중심으로부터 상기 원반부(211)까지의 높이가 2 mm 인 것이 바람직하다.

바람직한 실시예로, 상기 원반부(211)의 지름과, 상기 원반부(211)의 중심에서 상기 가상의 원의 중심까지 높이의 비는 2:1로 마련될 수 있다.

즉, 상술한 바와 같은 지름과 높이 비에 의해 상기 투과부(21)의 방사각 및 방사선량이 확대될 수 있다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 X선 조사부(2)에 마련되는 상기 투과부(21)의 구조를 넓이 또는 높이를 다르게 하여 전산모사 실시하였다.

여기서, 전산모사 조건은 다음과 같다.

Simulation geometry : Ceramic tube (Φ8, 26 mm)

Target/thickness ; W (0.33 ㎛)

Tube Voltage / Current : 15 kV /250 ㎂

아래의 표 2는 상기 원반부(211)의 넓이 증가에 대한 전산모사 결과이다.

관전압(kV)	관전류 (㎂)	Target / Thickness	Be 사양	X-ray flux(#/cm 2 )	Dose rate(mSv/h)
15	250	W (0.33)	기존(plate)	4.44E+11	1.44E+05
			개선_2 mm	5.75E+11	1.84E+05
			개선_4 mm	6.33E+11	2.03E+05
			개선_6 mm	6.30E+11	2.02E+05
			개선_8 mm	6.26E+11	2.00E+05

다음으로, 아래의 표 3은 상기 원반부(211)의 지름이 2 mm 일 때, 높이 증가에 따른 전산모사 결과이다.

관전압 (kV)	관전류 (㎂)	Target / Thickness	Be 높이(mm)	X-ray flux(#/cm 2 )	Dose rate(mSv/h)
15	250	W (0.33)	2.0	5.75E+11	1.44E+05
			2.5	5.74E+11	1.84E+05
			3.0	5.71E+11	2.03E+05

상기한 바와 같은 전산모사 결과, 기존의 플레이트형 보다 X선 조사 방향으로 돌출된 상기 투과부(21) 형태가 X선 선속 및 방사선량이 높게 나타났다. 특히 상기 원반부(211)의 지름이 4 mm 일 때, 가장 높은 선속이 나타났다.

바형 포토 이오나이저에 있어서, 기존에는 베릴률 창이 플레이트 형상으로 X선 조사각이 약 130°이며, 이에 따라 바형 포토 이오나이저에 구비되는 X선관 간격(pitch) 확장에 한계점이 있었다. 하지만, 본 발명에 따른 방사각이 확장된 X선관은 180°이상으로 조사각을 확대 가능하므로, 조사각 증대에 따른 수평 방향의 제전 성능이 증대되고, 결과적으로 바형 포토 이오나이저에 있어서, 구비되는 X선관 간의 간격이 증가하게 되고 결과적으로 탑재되는 X선관의 개수를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 또 다른 실시예로, 반원형 즉, 돔 형태의 상기 투과부(21)가 마련될 수 있으나, 타겟물질 코팅의 균일성과, 베릴륨 창의 가공성이 저하되어 경제성이 떨어지는 어려움이 있다.

도 7은, 기존의 X선관의 X선 조사범위와 본 발명에 따라 개선된 X선관의 X선 조사범위를 보여주는 일 실시예를 보여주고 있다. 이와 같이 기존의 플레이트 구조는 방사각이 180° 이하가 된다. 반면에, 상기 투과부(21)의 형태는 음전자가 타겟물질(W)과 반응하여 후방 선량이 발생하여 상기 투과부(21)의 측면으로도 투과가 되기 때문에 비교적 넓은 방사각을 활용할 수 있다.

참고로, 본 발명의 경우 정전기 제거용의 연X선관 튜브에 사용되는 것도 가능하며 본 발명에서 언급한 구조를 갖는 모든 종류의 X선관 튜브에도 그 기술적 사상은 동일하게 적용된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 유리관
2 : X선 조사부
21 : 투과부
211 : 원반부
212 : 사이드부
3 : 스템부
4 : 도전 와이어
5 : 필라멘트
6 : 집속관
7 : 서스플랜지
8 : 코바플랜지

Claims (4)

1. 내부에 진공 상태를 유지하기 위한 게터가 설치되는 유리관과, 상기 유리관의 상단부에 형성되는 X선 조사부와, 상기 유리관의 하단부에 형성되는 스템부와, 상기 X선 조사부에는 Be(베릴륨)로 형성되는 투과부가 마련되는 방사각이 확장된 X선관에 있어서,
   상기 투과부는,
   X선 조사 방향으로 돌출된 원뿔의 중심축에서 수직한 방향으로 절단된 형태로서 X선 조사 방향으로 테이퍼지게 형성되어 제전범위가 확대되는 것을 특징으로 하는 방사각이 확장된 X선관.
2. 제1항에 있어서,
   상기 투과부는 평평한 원반 형태로 마련되는 원반부와, 상기 원반부에서 상기 유리관 방향으로 연속 마련되며 소정의 경사각을 갖는 사이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사각이 확장된 X선관.
3. 제2항에 있어서,
   상기 원반부의 지름은 2 mm 내지 8 mm 이고, 상기 원반부의 중심으로부터 상기 사이드부 하단 외주면을 둘레로 하는 가상의 원의 중심까지 높이는 1 mm 내지 4 mm 인 것을 특징으로 하는 방사각이 확장된 X선관.
4. 제3항에 있어서,
   상기 원반부의 지름과, 상기 원반부의 중심에서 상기 가상의 원의 중심까지 높이의 비는 2:1인 것을 특징으로 하는 방사각이 확장된 X선관.

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