KR20220096628A - 전계방출 x선 소스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하우징, 상기 하우징 일단의 캐소드 전극, 상기 하우징 내부의 상기 캐소드 전극 일면의 에미터 기판 및 상기 에미터 기판 일면에 구비된 전자방출원을 포함하는 에미터; 상기 캐소드 전극의 일면에 구비되고 상기 전자방출원을 제외한 상기 에미터 기판의 일면의 적어도 일부를 덮어 상기 캐소드 전극으로 가압하는 지지프레임; 상기 하우징 타단의 애노드 전극; 상기 하우징 내부의 상기 캐소드 전극을 향하는 상기 애노드 전극의 일면에 구비된 타겟을 포함하는 전계방출 X선 소스를 제공한다.

Description

전계방출 X선 소스{Field emission X-ray source}

본 발명은 전계방출 X선 소스에 관한 것이다.

X선 발생장치의 소형화와 경량화를 위해 금속나노팁(Metal Nano Tip) 또는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 등의 냉음극 에미터를 이용한 전계방출 X선 소스(Field emission X-ray source )가 상용화되고 있다.

전계방출 X선 소스는 고온 가열에 의한 등방성의 열전자를 방출하는 열음극의 필라멘트 대신, 상온에서 양자역학적으로 터널링된 이방성의 냉전자를 방출하는 냉음극의 에미터를 사용한다. 따라서 상대적으로 낮은 전력으로 전자 방출이 가능하고, 전자의 방향지향성이 우수하여 X선 방출 효율이 높다. 또한 열음극의 필라멘트 대비 발열량이 적어 절연구조를 간소화할 수 있고, 펄스 형태의 X선을 방출하는 것이 용이해서 치과 또는 의료 부문에 활용성이 높다.

한편, 일반적인 전계방출 X선 소스는 원통형의 하우징 양단에 캐소드 전극과 애노드 전극이 배치되고, 캐소드 전극과 애노드 전극의 대향면에 각각 에미터와 타겟이 구비되며, 에미터와 타겟 사이로 게이트 전극이 배치되는 3극관 또는 게이트 전극과 타겟 사이로 집속 전극이 추가 배치되는 4극관 구조를 나타낸다. 그리고 에미터는 별도의 에미터 기판에 금속나노팁 또는 탄소나노튜브가 소정의 형태로 패터닝 된 칩으로 제공되어 캐소드 전극에 브레이징 접합될 수 있다.

하지만, 에미터 기판과 캐소드 전극의 브레이징 접합은 그 사이로 개재되는 용가재의 용융을 위한 고온의 공정환경을 필요로 한다. 때문에 자칫 에미터 기판 이면의 금속나노팁 또는 탄소나노튜브 등의 전자방출원이 열화되거나 에미터 기판을 비롯한 칩의 형태가 변형되는 등의 문제점이 발생될 가능성이 높고, 그 밖에도 액체 상태로 용융된 용가재의 유동불량으로 인한 접합부 성능 저하나 불필요하게 에미터 기판의 일 지점으로 응력이 집중되는 등 예기치 못한 문제가 발생될 가능성이 높다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 캐소드 전극과 에미터의 긴밀하고 안정적인 결합을 가능케 하는 구체적인 방도를 제시하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하우징, 상기 하우징 일단의 캐소드 전극, 상기 하우징 내부의 상기 캐소드 전극 일면의 에미터 기판 및 상기 에미터 기판 일면에 구비된 전자방출원을 포함하는 에미터; 상기 캐소드 전극의 일면에 구비되고 상기 전자방출원을 제외한 상기 에미터 기판의 일면의 적어도 일부를 덮어 상기 캐소드 전극으로 가압하는 지지프레임; 상기 하우징 타단의 애노드 전극; 상기 하우징 내부의 상기 캐소드 전극을 향하는 상기 애노드 전극의 일면에 구비된 타겟을 포함하는 전계방출 X선 소스를 제공한다.

본 발명에 따른 전계방출 X선 소스는 캐소드 전극과 에미터의 긴밀하고 안정적인 결합을 가능케 한다. 특히 본 발명에 따른 전계방출 X선 소스는 캐소드 전극과 에미터의 긴밀한 결합을 위해 에미터 기판을 물리적으로 가압하는 지지프레임을 사용한다. 때문에 고온의 브레이징 접합 등의 불필요하므로 전자방출원이 열화되거나 에미터의 형태가 변형되는 등의 문제점이 발생될 가능성이 없고, 유동불량으로 인한 접합부 성능 저하나 불필요하게 에미터 기판의 일 지점으로 응력이 집중되는 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전계방출 X선 소스의 사시도.
도 2는 도 1의 II-II 선에 대한 단면도
도 3은 도 1의 III-III 선에 대한 단면도

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴본다.

도 1은 본 발명에 따른 전계방출 X선 소스의 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선에 대한 단면도이며, 도 3은 도 1의 III-III 선에 대한 단면도이다.

보이는 것처럼, 본 발명에 따른 전계방출 X선 소스는 튜브 형상의 하우징(10), 하우징(10) 일단에 배치되는 캐소드 전극(20), 하우징(10) 타단에 배치되는 애노드 전극(40), 애노드 전극(40)을 향한 캐소드 전극(20)의 일면에 구비된 에미터(30), 캐소드 전극(20)을 향한 애노드 전극(40)의 일면에 구비된 타겟(50), 에미터(30)와 타겟(50) 사이에 배치된 게이트 전극(G)을 포함한다. 특히 본 발명에 따른 에미터(30)는 별도의 에미터 기판(32)에 금속나노팁 또는 탄소나노튜브 등의 나노물질(34)이 복수의 도트 형태로 패터닝 된 칩의 형태를 나타낼 수 있고, 캐소드 전극(20)의 일면에는 에미터(30)를 캐소드 전극(20) 측으로 물리적으로 가압하는 소정의 프레임이 구비되어 에미터(30)와 캐소드 전극(20)을 물리적으로 접촉시키는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 하우징(10)은 튜브 또는 원통 형상을 나타낸다. 하우징(10)은 절연성과 기계적 강도가 높은 알루미나(Al2O3), 질화규소, 탄화규소, 그라파이트, 다이아몬드, 질화알루미늄, 텅스텐카바이드 등 원하는 절연성과 기계적 강도를 만족시키는 재질을 적절히 선택하여 형성한 세라믹 재질로 구현될 수 있다.

하우징(10)의 일단에는 캐소드 전극(20)이 배치된다. 필요하다면 캐소드 전극(20)은 하우징(10)의 일단을 밀폐하도록 하우징(10)의 일단에 직접 접합되는 것도 가능하고, 하우징(10)의 내부로 하우징(10)의 타단을 향해 소정높이 돌출된 제 1 돌출단(22)을 제공할 수 있다. 이와 달리 캐소드 전극(20)은 하우징(10)의 일단에 접합된 절연체를 관통해서 하우징(10)의 내부로 노출되는 것도 가능하다.

하우징(10)의 타단을 향하는 캐소드 전극(20)의 일면에는 에미터(30)가 배치된다.

에미터(30)는 에미터 기판(32) 및 이의 일면에 복수의 도트형태로 패터닝된 금속나노팁 또는 탄소나노튜브 등의 나노물질(34)을 포함한다.

하우징(10)의 타단에는 애노드 전극(40)이 배치된다. 필요하다면 애노드 전극(40)은 하우징(10)의 타단을 밀폐하도록 하우징(10)의 타단에 직접 접합되는 것도 가능하고, 하우징(10)의 내부로 에미터(30)를 향해 소정높이로 돌출된 제 2 돌출단(42)을 제공할 수 있다. 이와 달리 애노드 전극(40)은 하우징(10)의 타단에 접합된 별도의 절연체를 관통해서 하우징(10)의 내부로 노출되는 것도 가능하다.

에미터(30)를 향하는 애노드 전극(40)의 일면에는 타겟(50)이 배치된다. 타겟(50)은 텅스텐(W), 이트륨(Y), 몰리브데눔(Mo), 탄탈륨(Ta), 은(Ag) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.

타겟(50)이 배치되는 애노드 전극(40)의 일면은 에미터(30)에 대해 소정 각도로 경사진 경사면을 나타낸다. 따라서 에미터(30)에서 방출된 전자가 타겟에 충돌하면 X선은 캐소드 전극(20)과 애노드 전극(40) 사이의 하우징(10) 일측을 향해 조사된다.

캐소드 전극(20)과 애노드 전극(40) 사이에는 게이트 전극(G)이 배치된다.

이때 특히 게이트 전극(G)은 에미터(30)와 일체로 이루어지는 것도 가능하다. 구체적으로, 에미터(30)는 에미터 기판(32), 에미터 기판(32) 일면에 복수의 도트로 패터닝된 나노물질(34), 적어도 하나의 나노물질 도트를 구획하여 복수의 그룹으로 구분하는 격벽을 포함할 수 있고, 게이트 전극(G)은 격벽 상에 형성되어 나노물질의 그룹과 일대일 대응되는 메쉬홀을 제공할 수 있다.

따라서 캐소드 전극(20)과 애노드 전극(40)에 각각 소정의 구동전압을 인가하여 고전압 레벨을 형성한 후 게이트 전극(G)에 소정의 시그널 전압을 인가하면 에미터(30)로부터 양자역학적으로 터널링된 전자가 방출되고, 방출된 전자는 캐소드 전극(20)과 애노드 전극(40) 사이의 전위차 인해 애노드 전극(40) 측으로 가속되어 타겟(50)에 충돌함으로써 X선이 발생된다.

본 발명에 따른 전계방출 X선 소스는 캐소드 전극(20)의 일면에는 에미터(30)를 캐소드 전극(20) 측으로 물리적으로 가압하는 지지프레(60)임이 구비되어 에미터(30)와 캐소드 전극(20)을 물리적으로 접촉시킨다.

도 2는 도 1의 II-II 선에 대한 단면도이며, 도 3은 도 1의 III-III 선에 대한 단면도이다.

보이는 것처럼, 지지프레임(60)은 에미터 기판(32)의 가장자리를 두르는 링 형상의 가이드부(62), 가이드부(62)로부터 에미터(32)를 향해 연장되어 전자방출원을 제외한 에미터 기판(32)의 일면을 덮는 적어도 하나의 리드부(64)를 포함할 수 있다. 지지프레임(60)은 금속 재질의 판 형태로 이루어질 수 있다. 가이드부(62)의 외주면은 캐소드 전극(20)에 미리 브레이징 등의 결합될 수 있다. 리드부(64)는 소정의 형태로 절곡되어 에미터 기판(32)을 캐소드 전극(20) 측으로 가압할 수 있다. 리드부(64)는 상하좌우 대칭의 형상으로 에미터 기판(32)을 균일하게 가압할 수 있고, 리드부(64)의 말단 내면에는 돌기(66)가 구비되어 접촉면적을 최소화하면서 가압력을 집중시킬 수 있다.

지지프레임(60)은 캐소드 전극(20)에 미리 결합되고, 에미터 기판(32)은 리드부(64) 사이로 끼워 넣어질 수 있다. 따라서 브레이징 접합 등의 고온공정 없이도 캐소드 전극(20)과 에미터 기판(32)은 긴밀하고 안정적으로 결합되므로 전자방출원이 열화되거나 에미터(32)의 형태가 변형되는 등의 문제점이 발생될 가능성이 전혀 없고, 유동불량으로 인한 접합부 성능 저하나 불필요하게 에미터 기판(32)의 일 지점으로 응력이 집중되는 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다.

10: 하우징
20: 캐소드 전극 30: 에미터
32: 에미터 기판 40: 애노드 전극
60: 지지프레임

Claims (1)

1. 하우징, 상기 하우징 일단의 캐소드 전극;
   상기 하우징 내부의 상기 캐소드 전극 일면의 에미터 기판 및 상기 에미터 기판 일면에 구비된 전자방출원을 포함하는 에미터;
   상기 캐소드 전극의 일면에 구비되고 상기 전자방출원을 제외한 상기 에미터 기판의 일면의 적어도 일부를 덮어 상기 캐소드 전극으로 가압하는 지지프레임;
   상기 하우징 타단의 애노드 전극;
   상기 하우징 내부의 상기 캐소드 전극을 향하는 상기 애노드 전극의 일면에 구비된 타겟을 포함하는 전계방출 X선 소스.
   

Images