KR20220107905A - X-선 튜브를 위한 관전류 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

관전류 제어 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 관전류 제어 방법은, X-선 튜브의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정하는 단계와, 상기 전류 및 상기 전압에 기초하여 상기 X-선 튜브의 음극의 임피던스를 추정하는 단계와, 상기 임피던스에 기초하여 상기 음극의 온도를 추정하는 단계와, 상기 온도에 기초하여 상기 X-선 튜브에 흐르는 관전류를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

X-선 튜브를 위한 관전류 제어 방법 및 장치{TUBE CURRENT CONTROL METHOD AND APPRATUS FOR X-RAY TUBE}
실시예들은 X-선 튜브를 위한 관전류 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
필라멘트(filament)기반의 X-선 튜브는 고속 펄싱(pulsing)과 같이 고속 관전류 제어를 필요로 하는 상황에서 관전류의 측정과 제어가 쉽지 않다. X-선 튜브의 관전류는 필라멘트의 온도에 의해 결정되기 때문에 KVP(Kilovoltage Peak) 스위칭(또는, 양극(anode) 전원 스위칭), 그리드(grid) 스위칭과 같이 빠른 속도의 관전류 제어를 할 경우 전류 제어가 어려워질 수 있다.
KVP스위칭이나 그리드 스위칭을 할 경우 관전류가 흐르는 시간과 흐르지 않는 시간이 구분되는데, 관전류가 흐르지 않는 상태에서 갑자기 관전류가 흐를 경우 관전류 제어를 빠른 속도로 할 수 없기 때문에 관전류의 제어에 어려움이 있을 수 있다.
따라서, 보다 정확하고 빠르게 관전류를 제어할 수 있는 기술이 요구된다.
실시예들은 X-선 튜브를 위한 관전류 제어 기술을 제공할 수 있다. 다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 실시예에 따른 관전류 제어 방법은, X-선 튜브의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정하는 단계와, 상기 전류 및 상기 전압에 기초하여 상기 X-선 튜브의 음극의 임피던스를 추정하는 단계와, 상기 임피던스에 기초하여 상기 음극의 온도를 추정하는 단계와, 상기 온도에 기초하여 상기 X-선 튜브에 흐르는 관전류를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 임피던스를 추정하는 단계는, 상기 전류 및 상기 전압의 제곱 평균 제곱근에 기초하여 상기 음극의 임피던스를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 온도를 추정하는 단계는, 상기 임피던스 및 상기 X-선 튜브가 동작하지 않을 때의 상기 음극의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 상기 온도를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어하는 단계는, 상기 온도 및 상기 X-선 튜브에 인가되는 관전압에 따른 상기 관전류에 대한 테이블을 생성하는 단계와, 상기 테이블에 기초하여 상기 관전류를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 테이블에 기초하여 상기 관전류를 제어하는 단계는, 상기 테이블에 기초하여 상기 전류 또는 상기 전압을 제어함으로써 상기 관전류를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음극은 전자를 방출하는 필라멘트(filament)를 포함할 수 있다.
상기 관전류 제어 방법은, 상기 X-선 튜브의 양극에 전원을 공급하기 위한 펄스(pulse) 전원을 생성하는 단계와, 상기 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거하는 단계와, 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환하는 단계와, 상기 고압 직류 전원을 양극에 인가함으로써 상기 음극으로부터 방출되는 전자를 가속시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고압 직류 전원으로 변환하는 단계는, 상기 고조파가 제거된 펄스 전원을 복수의 캐패시터 및 복수의 다이오드를 포함하는 배압회로에 입력함으로써 상기 고압 직류 전원으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 관전류 제어 방법은, 상기 X-선 튜브의 음극에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성하는 단계와, 상기 정현파 전원으로부터 고조파를 제거하는 단계와, 고조파가 제거된 정현파 전원을 변압시킴으로써 음극 전원을 생성하는 단계와, 상기 음극 전원을 상기 음극에 인가함으로써 전자를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 정현파 전원을 생성하는 단계는, 풀 브릿지 인버터(full bridge inverter)를 SPWN(Sine Pulse Width Modulation) 모드로 동작시킴으로써 상기 정현파 전원을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 관전류 제어 장치는, X-선 튜브의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정하는 센서와, 상기 전류 및 상기 전압에 기초하여 상기 X-선 튜브의 음극의 임피던스를 추정하고, 상기 임피던스에 기초하여 상기 음극의 온도를 추정하고, 상기 온도에 기초하여 상기 X-선 튜브에 흐르는 관전류를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
상기 컨트롤러는, 상기 전류 및 상기 전압의 제곱 평균 제곱근에 기초하여 상기 음극의 임피던스를 추정할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 임피던스 및 상기 X-선 튜브가 동작하지 않을 때의 상기 음극의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 상기 온도를 추정할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 온도 및 상기 X-선 튜브에 인가되는 관전압에 따른 상기 관전류에 대한 테이블을 생성하고, 상기 테이블에 기초하여 상기 관전류를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 테이블에 기초하여 상기 전류 또는 상기 전압을 제어함으로써 상기 관전류를 제어할 수 있다.
상기 음극은 전자를 방출하는 필라멘트(filament)를 포함할 수 있다.
상기 관전류 제어 장치는, 상기 X-선 튜브의 양극에 전원을 공급하기 위한 펄스(pulse) 전원을 생성하는 양극 전원 인버터와, 상기 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거하는 출력 필터와, 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환하는 배압 회로를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 고압 직류 전원을 양극에 인가함으로써 상기 음극으로부터 방출되는 전자를 가속시킬 수 있다.
상기 배압 회로는, 복수의 캐패시터 및 복수의 다이오드를 이용하여 상기 고조파가 제거된 펄스 전원을 상기 고압 직류 전원으로 변환할 수 있다.
상기 관전류 제어 장치는, 상기 X-선 튜브의 음극에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성하는 음극 전원 인버터와, 상기 정현파 전원으로부터 고조파를 제거하는 LC 필터와, 고조파가 제거된 정현파 전원을 변압시킴으로써 음극 전원을 생성하는 음극 변압기를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 음극 전원을 상기 음극에 인가함으로써 전자를 생성할 수 있다.
상기 음극 전원 인버터는 풀 브릿지 인버터(full bridge inverter)를 포함하고, 풀 브릿지 인버터는 SPWN(Sine Pulse Width Modulation) 모드로 동작함으로써 상기 정현파 전원을 생성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 관전류 제어 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 X-선 튜브의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 관전류 제어 장치의 회로도의 예를 나타낸다.
도 4는 관전류 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 관전류 제어 장치의 동작의 흐름도를 나타낸다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 관전류 제어 장치의 개략적인 블록도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 X-선 튜브의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브(400)의 관전류를 제어할 수 있다. X-선 튜브(400)는 입력 전기 에너지를 X-선으로 변환하는 진공 튜브를 포함할 수 있다. X-선 튜브(400)는 양극(410) 및 음극(430)을 포함할 수 있다. 음극(430)은 전자를 방출하는 필라멘트(filament)를 포함할 수 있다.
관전류는 X-선 튜브(400)의 음극(430)으로부터 방출된 전자가 양극(410)으로 이동하면서 발생될 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브(400)의 음극의 온도에 기초하여 X-선 튜브(400)의 관전류를 제어할 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 센서(100) 및 컨트롤러(200)를 포함한다. 관전류 제어 장치(10)는 메모리(300)를 더 포함할 수 있다. X-선 튜브(400)는 관전류 제어 장치(10)의 내부 또는 외부에 구현될 수 있다.
센서(100)는 관전류 제어 장치(10)에 포함된 회로의 전기적 특성을 측정 및/또는 감지할 수 있다. 센서(100)는 관전류 제어 장치(10)에 포함된 회로의 저항, 전류 및/또는 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 센서(100)는 X-선 튜브(400)의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정할 수 있다.
센서(100)는 측정한 전기적 특성을 컨트롤러(200)에 출력할 수 있다.
컨트롤러(200)는 관전류 제어 장치(10)에 포함된 회로의 동작을 제어할 수 있다. 컨트롤러(200)는 프로세서를 이용하여 회로의 동작을 제어할 수 있다.
프로세서는 메모리(300)에 저장된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서는 메모리(300)에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서에 의해 유발된 인스트럭션(instruction)들을 실행할 수 있다.
"프로세서"는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.
컨트롤러(200)는 음극(430)에 인가되는 전류 및 전압에 기초하여 X-선 튜브(400)의 음극(430)의 임피던스를 추정할 수 있다. 컨트롤러(200)는 음극(430)에 인가되는 전류 및 전압의 제곱 평균 제곱근(root mean square)에 기초하여 음극(430)의 임피던스를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 추정한 임피던스에 기초하여 음극(430)의 온도를 추정할 수 있다. 컨트롤러(200)는 임피던스 및 X-선 튜브(400)가 동작하지 않을 때의 음극(430)의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 온도를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 온도에 기초하여 X-선 튜브(400)에 흐르는 관전류를 제어할 수 있다. 컨트롤러(200)는 온도 및 X-선 튜브(400)에 인가되는 관전압에 따른 관전류에 대한 테이블을 생성할 수 있다. 컨트롤러(200)는 테이블에 기초하여 관전류를 제어할 수 있다.
컨트롤러(200)는 테이블에 기초하여 음극(430)에 인가되는 전류 또는 전압을 제어함으로써 관전류를 제어할 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브(400)의 양극(410)에 전원을 공급하기 위한 펄스(pulse) 전원을 생성하는 양극 전원 인버터, 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거하는 출력 필터 및 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환하는 배압 회로를 더 포함할 수 있다.
배압 회로는 복수의 캐패시터 및 복수의 다이오드를 이용하여 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환할 수 있다.
컨트롤러(200)는 고압 직류 전원을 양극(410)에 인가함으로써 음극(430)으로부터 방출되는 전자를 가속시킬 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브의 음극에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성하는 음극 전원 인버터, 정현파 전원으로부터 고조파를 제거하는 LC 필터 및 고조파가 제거된 정현파 전원을 변압시킴으로써 음극 전원을 생성하는 음극 변압기를 더 포함할 수 있다.
음극 전원 인버터는 필라멘트 전원 인버터를 포함할 수 있다. 음극 전원 인버터는 풀 브릿지 인버터(full bridge inverter)를 포함하고, 풀브릿지 인버터는 SPWN(Sine Pulse Width Modulation) 모드로 동작함으로써 정현파 전원을 생성할 수 있다. 음극 변압기는 필라멘트 변압기를 포함할 수 있다.
컨트롤러(200)는 음극 전원을 음극(430)에 인가함으로써 전자를 생성할 수 있다.
메모리(300)는 프로세서에 의해 실행가능한 인스트럭션들(또는 프로그램)을 저장할 수 있다. 예를 들어, 인스트럭션들은 프로세서의 동작 및/또는 프로세서의 각 구성의 동작을 실행하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수 있다.
메모리(300)는 휘발성 메모리 장치 또는 불휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다.
휘발성 메모리 장치는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory), T-RAM(thyristor RAM), Z-RAM(zero capacitor RAM), 또는 TTRAM(Twin Transistor RAM)으로 구현될 수 있다.
불휘발성 메모리 장치는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시(flash) 메모리, MRAM(Magnetic RAM), 스핀전달토크 MRAM(Spin-Transfer Torque(STT)-MRAM), Conductive Bridging RAM(CBRAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), PRAM(Phase change RAM), 저항 메모리(Resistive RAM(RRAM)), 나노 튜브 RRAM(Nanotube RRAM), 폴리머 RAM(Polymer RAM(PoRAM)), 나노 부유 게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory(NFGM)), 홀로그래픽 메모리(holographic memory), 분자 전자 메모리 소자(Molecular Electronic Memory Device), 또는 절연 저항 변화 메모리(Insulator Resistance Change Memory)로 구현될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 관전류 제어 장치의 회로도의 예를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 관전류 제어 장치(10)는 양극 전원 인버터(311), 출력 필터(313), 양극 전원 변압기(315), 배압 회로(317), 양극 저항(319), X-선 튜브(323), 양극 전압 측정 저항(327), 필라멘트 전원 인버터(329), LC 필터(331) 및 필라멘트 변압기(333)를 포함할 수 있다.
X-선 튜브(323)는 양극(321) 및 필라멘트(325)를 포함할 수 있다. 필라멘트(325)는 음극으로 동작할 수 있다. X-선 튜브(323)는 내부가 진공으로 구성되어 전자가 이동할 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 양극(321)은 도 2의 양극(410)과 동일하게 동작할 수 있다. 필라멘트(325)는 도 2의 음극(430)과 동일하게 동작할 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브(323)의 양극(321)을 제어하기 위한 양극 전원 및 음극을 제어하기 위한 음극 전원을 별도로 포함할 수 있다.
양극 전원 인버터(311)는 양극(321)에 전원을 공급하기 위한 펄스 전원을 생성할 수 있다. 양극 전원 인버터(311)는 반도체 소자(예: 트랜지스터)를 스위칭함으로써 펄스 전원을 생성할 수 있다. 양극 전원 인버터(311)는 배압 회로(317)를 구동시켜 고전압을 생성하기 위한 전원을 공급할 수 있다.
출력 필터(313)는 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거할 수 있다. 출력 필터(313)는 고조파가 제거된 펄스 전원을 양극 전원 변압기(315)에 전달할 수 있다.
양극 전원 변압기(315)는 출력 필터(313)와 배압 회로(317)를 절연시키고, 출력 필터(313)로부터 전달받은 고조파가 제거된 펄스 전원을 배압 회로(317)에 전송할 수 있다. 양극 전원 변압기(315)는 교류 전압의 형태로 전력을 배압 회로(317)에 전송할 수 있다.
배압 회로(317)는 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환할 수 있다. 배압 회로(317)는 양극 전원 변압기(315)의 2차 측에서 생성된 교류 전압을 직류로 변환하고, 직류로 변환된 전압을 수 배로 증폭시킬 수 있다. 배압 회로(317)는 증폭된 전압을 양극 저항(319)을 통해 양극(321)에 전달할 수 있다.
양극 저항(319)은 X-선 튜브(323)의 구동 시의 안전 장치로 동작할 수 있다. 양극 저항(319)은 X-선 튜브(323) 내의 아크(arc) 생성시에 최대 전류를 제한할 수 있다.
양극(321)에 전달된 증폭된 전압은 필라멘트(325)로부터 생성된 전자(예: 자유 전자)를 가속시켜 양극(321)에 충돌시킴으로써 X-선을 발생시킬 수 있다.
필라멘트(325)는 전류가 공급될 경우 주울(joule) 열에 의해 온도가 상승하고, 온도가 임계값 이상으로 상승하면 전자를 방출시킬 수 있다.
양극 전압 측정 저항(327)은 양극 전압을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 컨트롤러(200)는 저항 분압 원리를 이용하여 양극 전압 측정 저항(327)에 인가되는 전압을 측정함으로써 양극(321)의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 양극 전압은 수십 kV에서 수백 kV의 범위를 가질 수 있다.
필라멘트 전원 인버터(329)는 X-선 튜브(323)의 음극(예: 필라멘트(325))에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성할 수 있다. 예를 들어, 필라멘트 전원 인버터(329)는 사인파(sine wave) 전원을 생성할 수 있다.
필라멘트 전원 인버터(329)는 반도체 소자(예: 트랜지스터)를 이용하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환함으로써 필라멘트(325)에 교류 전원을 공급할 수 있다. 필라멘트 전원 인버터(329)는 풀 브릿지 인버터 구조를 가질 수 있다. 필라멘트 전원 인버터(329)는 SPWM 모드로 동작함으로써 정현파 전원을 생성할 수 있다.
LC 필터(331)는 필라멘트 전원 인버터(329)로부터 생성된 정현파 전원으로부터 고조파를 제거할 수 있다. 필라멘트 전원 인버터(329)는 반도체 소자를 이용하여 정현파 전원을 생성하기 때문에 고조파 성분이 함유될 수 있다. LC 필터(331)는 정현파로부터 고조파 성분을 제거하고, 고조파가 제거된 정현파 전원을 필라멘트 변압기(333)에 전달할 수 있다.
필라멘트 변압기(333)는 LC 필터(331)와 필라멘트(325) 사이를 절연할 수 있다. 필라멘트 변압기(333)는 고조파가 제거된 정현파 전원을 변압하여 필라멘트(325)에 전달할 수 있다.
접지(335)는 양극 전원 및 음극 전원의 공통 접지일 수 있다.
컨트롤러(예: 도 1의 컨트롤러(200))는 필라멘트(325)에 정현파 전원을 공급함으로써 2000 ℃ 이상으로 가열시킬 수 있다. 가열된 필라멘트(325)는 진공으로 전자(예: 자유 전자)를 방출할 수 있다. 이 때, 양극(321)에 전압을 인가하면 자유 전자가 가속되어 양극(321)에 충돌함으로써 X-선이 발생될 수 있다.
X-선의 선량 및 관전류는 두 가지 요소에 의해 결정될 수 있다. X-선의 선량은 열전자 방출(thermionic emession) 원리에 의한 필라멘트(325)의 온도에 의해 결정될 수 있고, 공간 전하 효과(space charge effect) 원리에 의한 양극(321)의 전압(예: 관전압)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 관전류는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Itube는 관전류를 나타내고, Vtube는 관전압을 나타내고, Tfilament는 필라멘트(325)의 온도를 나타낼 수 있다. 즉, 관전압이 결정되면 필라멘트(325)의 온도에 의해 관전류가 결정될 수 있다. 컨트롤러(200)는 X-선 튜브(323)의 종류에 따라 관전압 및 필라멘트 온도에 따른 관전류를 측정함으로써 수학식 1의 함수를 획득할 수 있다.
컨트롤러(200)는 필라멘트(325)의 온도를 간접적으로 측정하고, 수학식 1의 함수 관계를 이용하여 관전류를 직접적으로 측정하지 않고도 관전류를 제어할 수 있다. 이를 통해, 컨트롤러(200)는 X-선 튜브(323)의 펄스 구동과 같이 전류 측정이 어려운 상황에서도 정확하게 X선의 선량 제어를 수행할 수 있다.
도 4는 관전류 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러(예: 도 1의 컨트롤러(200))는 필라멘트(예: 도 3의 필라멘트(325)에 인가되는 전류 및 전압에 기초하여 필라멘트(325)의 임피던스를 추정할 수 있다. 컨트롤러(200)는 음극(430)에 인가되는 전류 및 전압의 제곱 평균 제곱근(root mean square)에 기초하여 음극(430)의 임피던스를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 센서(예: 도 1의 센서(100))를 이용하여 필라멘트(325)의 상온에서의 임피던스 Zoff를 추정할 수 있다. 컨트롤러(200)는 센서(100)를 이용하여 필라멘트(325)가 정상 구동 할 때(예를 들어, 관전류Itube 가 발생할 때)의 임피던스Zon을 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 필라멘트(325)에 인가한 사인파 전압과 전류의 제곱 평균 제곱근의 비율에 의해 임피던스를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 추정한 임피던스에 기초하여 음극(430)의 온도를 추정할 수 있다. 컨트롤러(200)는 임피던스 및 X-선 튜브(400)가 동작하지 않을 때의 음극(430)의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 온도를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 온도에 기초하여 X-선 튜브(400)에 흐르는 관전류를 제어할 수 있다. 컨트롤러(200)는 온도 및 X-선 튜브(400)에 인가되는 관전압에 따른 관전류에 대한 테이블을 생성할 수 있다. 컨트롤러(200)는 테이블에 기초하여 관전류를 제어할 수 있다.
컨트롤러(200)는 테이블에 기초하여 음극(430)에 인가되는 전류 또는 전압을 제어함으로써 관전류를 제어할 수 있다.
필라멘트(325)의 임피던스는 온도에 따른 함수(예: 수학식 1)에 의해 결정될 수 있다. 컨트롤러(200)는 정상 구동 시의 임피던스와 관전류 발생 시 임피던스의 비율을 이용하여 온도를 간적접으로 추정할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(200)는 수학식 2를 이용하여 필라멘트(325)의 온도를 간접적으로 추정할 수 있다.
Figure pat00002
컨트롤러(200)는 측정된 온도Tfilament와 인가한 관전압Vtube에 따른 관전류 정보를 테이블 데이터의 형태로 메모리(예: 도 1의 메모리(300))에 저장할 수 있다.
서로 다른 규격의 X-선 튜브에 대하여 수학식 1의 관전류 함수가 다르기 때문에, 컨트롤러(200)는 사용하고자 하는 X-선 튜브의 관전류 함수 데이터에 대응하는 테이블을 저장하고, 실제 발생하는 관전류와 비교하여 튜닝을 수행할 수 있다.
컨트롤러(200)는 튜닝된 관전류 데이터 테이블을 바탕으로 출력되는 관전압Vtube에 맞는 필라멘트(325)의 온도Tfilament에 대해 제어를 수행함으로써 온도에 기초한 관전류 제어를 수행할 수 있다.
컨트롤러(200)는 필라멘트(325)의 온도 및 X-선 튜브(323)의 관전압과 관전류와의 관계를 이용하여 관전류를 간접적으로 제어함으로 X-선의 고속 펄싱과 같은 응용 상황에서 관전류의 변화폭이 커질 때, 전류 측정 대역의 제한을 받지 않고 정확하게 관전류 및 X-선의 선량을 제어할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 관전류 제어 장치의 동작의 흐름도를 나타낸다.
센서(100)는 X-선 튜브(예: 도 1의 X-선 튜브(400))의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정할 수 있다(510).
컨트롤러(200)는 음극(430)에 인가되는 전류 및 전압에 기초하여 X-선 튜브(400)의 음극(430)의 임피던스를 추정할 수 있다(530). 컨트롤러(200)는 음극(430)에 인가되는 전류 및 전압의 제곱 평균 제곱근(root mean square)에 기초하여 음극(430)의 임피던스를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 추정한 임피던스에 기초하여 음극(430)의 온도를 추정할 수 있다(550). 컨트롤러(200)는 임피던스 및 X-선 튜브(400)가 동작하지 않을 때의 음극(430)의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 온도를 추정할 수 있다.
컨트롤러(200)는 온도에 기초하여 X-선 튜브(400)에 흐르는 관전류를 제어할 수 있다(570). 컨트롤러(200)는 온도 및 X-선 튜브(400)에 인가되는 관전압에 따른 관전류에 대한 테이블을 생성할 수 있다. 컨트롤러(200)는 테이블에 기초하여 관전류를 제어할 수 있다.
컨트롤러(200)는 테이블에 기초하여 음극(430)에 인가되는 전류 또는 전압을 제어함으로써 관전류를 제어할 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브(400)의 양극(410)에 전원을 공급하기 위한 펄스(pulse) 전원을 생성하는 양극 전원 인버터, 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거하는 출력 필터 및 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환하는 배압 회로를 더 포함할 수 있다.
배압 회로는 복수의 캐패시터 및 복수의 다이오드를 이용하여 고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환할 수 있다.
컨트롤러(200)는 고압 직류 전원을 양극(410)에 인가함으로써 음극(430)으로부터 방출되는 전자를 가속시킬 수 있다.
관전류 제어 장치(10)는 X-선 튜브의 음극에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성하는 음극 전원 인버터, 정현파 전원으로부터 고조파를 제거하는 LC 필터 및 고조파가 제거된 정현파 전원을 변압시킴으로써 음극 전원을 생성하는 음극 변압기를 더 포함할 수 있다.
음극 전원 인버터는 필라멘트 전원 인버터를 포함할 수 있다. 음극 전원 인버터는 풀 브릿지 인버터(full bridge inverter)를 포함하고, 풀브릿지 인버터는 SPWN(Sine Pulse Width Modulation) 모드로 동작함으로써 정현파 전원을 생성할 수 있다. 음극 변압기는 필라멘트 변압기를 포함할 수 있다.
컨트롤러(200)는 음극 전원을 음극(430)에 인가함으로써 전자를 생성할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. X-선 튜브의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정하는 단계;
    상기 전류 및 상기 전압에 기초하여 상기 X-선 튜브의 음극의 임피던스를 추정하는 단계;
    상기 임피던스에 기초하여 상기 음극의 온도를 추정하는 단계; 및
    상기 온도에 기초하여 상기 X-선 튜브에 흐르는 관전류를 제어하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스를 추정하는 단계는,
    상기 전류 및 상기 전압의 제곱 평균 제곱근에 기초하여 상기 음극의 임피던스를 추정하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도를 추정하는 단계는,
    상기 임피던스 및 상기 X-선 튜브가 동작하지 않을 때의 상기 음극의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 상기 온도를 추정하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 온도 및 상기 X-선 튜브에 인가되는 관전압에 따른 상기 관전류에 대한 테이블을 생성하는 단계; 및
    상기 테이블에 기초하여 상기 관전류를 제어하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 테이블에 기초하여 상기 관전류를 제어하는 단계는,
    상기 테이블에 기초하여 상기 전류 또는 상기 전압을 제어함으로써 상기 관전류를 제어하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음극은,
    전자를 방출하는 필라멘트(filament)
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 X-선 튜브의 양극에 전원을 공급하기 위한 펄스(pulse) 전원을 생성하는 단계;
    상기 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거하는 단계;
    고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환하는 단계; 및
    상기 고압 직류 전원을 양극에 인가함으로써 상기 음극으로부터 방출되는 전자를 가속시키는 단계
    를 더 포함하는 관전류 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고압 직류 전원으로 변환하는 단계는,
    상기 고조파가 제거된 펄스 전원을 복수의 캐패시터 및 복수의 다이오드를 포함하는 배압회로에 입력함으로써 상기 고압 직류 전원으로 변환하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 X-선 튜브의 음극에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성하는 단계;
    상기 정현파 전원으로부터 고조파를 제거하는 단계;
    고조파가 제거된 정현파 전원을 변압시킴으로써 음극 전원을 생성하는 단계; 및
    상기 음극 전원을 상기 음극에 인가함으로써 전자를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 관전류 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정현파 전원을 생성하는 단계는,
    풀 브릿지 인버터(full bridge inverter)를 SPWN(Sine Pulse Width Modulation) 모드로 동작시킴으로써 상기 정현파 전원을 생성하는 단계
    를 포함하는 관전류 제어 방법.
  11. X-선 튜브의 음극에 인가되는 전류 및 전압을 측정하는 센서; 및
    상기 전류 및 상기 전압에 기초하여 상기 X-선 튜브의 음극의 임피던스를 추정하고,
    상기 임피던스에 기초하여 상기 음극의 온도를 추정하고,
    상기 온도에 기초하여 상기 X-선 튜브에 흐르는 관전류를 제어하는 컨트롤러
    를 포함하는 관전류 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 및 상기 전압의 제곱 평균 제곱근에 기초하여 상기 음극의 임피던스를 추정하는
    관전류 제어 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 임피던스 및 상기 X-선 튜브가 동작하지 않을 때의 상기 음극의 오프-임피던스(off-impedance)에 기초하여 상기 온도를 추정하는
    관전류 제어 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 온도 및 상기 X-선 튜브에 인가되는 관전압에 따른 상기 관전류에 대한 테이블을 생성하고,
    상기 테이블에 기초하여 상기 관전류를 제어하는
    관전류 제어 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 음극은,
    전자를 방출하는 필라멘트(filament)
    를 포함하는 관전류 제어 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 X-선 튜브의 양극에 전원을 공급하기 위한 펄스(pulse) 전원을 생성하는 양극 전원 인버터;
    상기 펄스 전원을 필터링하여 고조파를 제거하는 출력 필터; 및
    고조파가 제거된 펄스 전원을 고압 직류 전원으로 변환하는 배압 회로를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 고압 직류 전원을 양극에 인가함으로써 상기 음극으로부터 방출되는 전자를 가속시키는
    관전류 제어 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 X-선 튜브의 음극에 전원을 공급하기 위한 정현파 전원을 생성하는 음극 전원 인버터;
    상기 정현파 전원으로부터 고조파를 제거하는 LC 필터; 및
    고조파가 제거된 정현파 전원을 변압시킴으로써 음극 전원을 생성하는 음극 변압기를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 음극 전원을 상기 음극에 인가함으로써 전자를 생성하는
    관전류 제어 장치.
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