KR20220148725A - 엑스선 튜브 - Google Patents

엑스선 튜브 Download PDF

Info

Publication number
KR20220148725A
KR20220148725A KR1020220023495A KR20220023495A KR20220148725A KR 20220148725 A KR20220148725 A KR 20220148725A KR 1020220023495 A KR1020220023495 A KR 1020220023495A KR 20220023495 A KR20220023495 A KR 20220023495A KR 20220148725 A KR20220148725 A KR 20220148725A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
spacer
ray tube
ceramic insulator
conductive
Prior art date
Application number
KR1020220023495A
Other languages
English (en)
Inventor
송윤호
강준태
김재우
정진우
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to US17/712,639 priority Critical patent/US11791123B2/en
Priority to JP2022069689A priority patent/JP2022171592A/ja
Priority to DE102022109499.5A priority patent/DE102022109499A1/de
Priority to CN202210473026.2A priority patent/CN115274383A/zh
Publication of KR20220148725A publication Critical patent/KR20220148725A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/112—Non-rotating anodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06—Cathodes
    • H01J35/064—Details of the emitter, e.g. material or structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/18—Windows, e.g. for X-ray transmission

Landscapes

  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

본 발명의 개념에 따른 엑스선 튜브는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격하는 제2 전극, 상기 제2 전극의 하부에 배치되는 타겟, 상기 제1 전극 상의 에미터, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 에미터와 수직으로 대응되는 위치에 개구부를 포함하는 제3 전극, 및 상기 제3 전극 상에 제공되고, 상기 애노드 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함한다. 상기 스페이서는 상기 제3 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함한다. 상기 스페이서는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체 내에 분산된 전도성 도펀트들을 포함한다. 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 전도성 도펀트들의 농도는 상기 제2 부분의 전도성 도펀트들의 농도보다 크다. 상기 제3 전극은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 접촉한다.

Description

엑스선 튜브{X-ray tube}
본 발명은 엑스선 튜브에 관한 것이다.
엑스선 튜브는 진공 용기 내부에서 전자를 발생시키고, 전자를 고전압이 인가된 애노드 전극 방향으로 가속시켜 애노드 전극 상의 금속 타겟에 충돌시킴으로써, 엑스선을 발생시킨다. 이 때 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 전압 차이가 전자를 가속하는 가속 전압으로 정의된다. 엑스선 튜브의 용도에 따라서, 수 내지 수백 kV의 가속 전압으로 전자를 가속한다. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 게이트 전극 등이 제공된다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고전압에서도 안정적으로 구동하는 엑스선 튜브의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 엑스선 튜브는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격하는 제2 전극, 상기 제2 전극의 하부에 배치되는 타겟, 상기 제1 전극 상의 에미터, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 에미터와 수직으로 대응되는 위치에 개구부를 포함하는 제3 전극, 및 상기 제3 전극 상에 제공되고, 상기 제2 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 제3 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함하고, 상기 스페이서는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체 내에 분산된 전도성 도펀트들을 포함하되, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 전도성 도펀트들의 농도는 상기 제2 부분의 전도성 도펀트들의 농도보다 크고, 상기 제3 전극은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 내지 제3 전극들은 각각 금속을 포함하고, 상기 제3 전극은 상기 제2 전극과 가장 인접하게 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 접점의 레벨은 상기 타겟의 최하부의 레벨보다 낮을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 사이에 개재되는 제4 전극을 더 포함하고, 상기 제4 전극은 상기 제3 전극보다 상기 제2 전극에 인접하게 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 세라믹 절연체는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 전도성 도펀트는 티타니아(TiO2)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 체적 저항율은 상기 제2 부분의 체적 저항율보다 작을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서의 상기 제1 부분은 1012Ω•cm 이하의 비저항을 가지고, 상기 스페이서의 상기 제2 부분은 1012Ω•cm 초과의 비저항을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서는 원통형의 튜브 형상을 가지고, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 외주면 상에 제공되는 금속 막을 더 포함하고, 상기 금속 막은 접지 전원과 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 금속 막은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 금속 막은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 전기적으로 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 세라믹 절연체는 알루미나(Al2O3)를 포함하고, 상기 전도성 도펀트는 티타니아(TiO2)를 포함하되, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 상기 티타니아(TiO2)의 농도는 2wt% 이상이고, 상기 스페이서의 상기 제2 부분의 상기 티타니아(TiO2)의 농도는 0 초과 2 wt% 미만일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서 및 상기 제3 전극 사이에 개재되는 도전 구조체를 더 포함하고, 상기 도전 구조체는 코바(Kovar) 합금을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 도전 구조체는 튜브(tube) 형상을 가지되, 구부러진 형태를 가지고, 상기 도전 구조체를 관통하는 윈도우(window)를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브는 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극과 수직으로 이격하는 애노드 전극, 상기 애노드 전극의 하부에 배치되는 타겟, 상기 캐소드 전극 상의 에미터, 및 상기 캐소드 전극 상에 제공되고, 상기 애노드 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함하고, 상기 스페이서는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체 내에 분산된 전도성 도펀트들을 포함하고, 상기 스페이서는 상기 캐소드 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함하되, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 전도성 도펀트들의 농도는 상기 제2 부분의 전도성 도펀트들의 농도보다 크고, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 최하부의 레벨은 상기 에미터의 최상부의 레벨 이상일 수 있다.
일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브는 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극과 수직으로 이격하는 애노드 전극, 상기 애노드 전극의 하부에 배치되는 타겟, 상기 캐소드 전극 상의 에미터, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하고 상기 에미터와 수직으로 대응되는 위치에 개구부를 포함하는 게이트 전극, 및 상기 게이트 전극 상에 제공되고, 상기 애노드 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 게이트 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함하고, 상기 스페이서의 상기 제1 부분은 제1 세라믹 절연체를 포함하고, 상기 제2 부분은 제2 세라믹 절연체를 포함하고, 상기 제1 세라믹 절연체는 상기 제2 세라믹 절연체와 다른 금속 산화물을 포함하되 상기 제1 세라믹 절연체의 비저항은 상기 제2 세라믹 절연체의 비저항보다 작고, 상기 스페이서의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 접점의 레벨은 상기 타겟의 최하부의 레벨보다 낮을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 세라믹 절연체에 분산되는 전도성 도펀트들을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서의 상기 제1 부분은 1012Ω•cm 이하의 비저항을 가지고, 상기 스페이서의 상기 제2 부분은 1012Ω•cm 초과의 비저항을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서는 원통형의 튜브 형상을 가지고, 상기 스페이서의 상기 제1 부분의 외주면 상에 제공되는 금속 막을 더 포함하고, 상기 금속 막은 접지 전원과 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 스페이서 및 상기 게이트 전극 사이에 개재되는 도전 구조체를 더 포함하고, 상기 도전 구조체는 코바(Kovar) 합금을 포함하고, 상기 도전 구조체는 접지 전원과 연결될 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 엑스선 튜브는 서로 다른 비저항을 가지는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 스페이서를 포함한다. 스페이서의 제1 부분은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 개재되는 전극들 중에서 애노드 전극과 가장 인접한 전극과 접촉한다. 스페이서의 제1 부분의 비저항을 제2 부분의 비저항보다 낮게 조절하여, 고전압에서도 엑스선 튜브가 안정적으로 구동이 가능하다. 또한, 제1 부분 및 제2 부분의 접접 위치가 타겟의 최하부보다 낮게 위치함으로써, 엑스선 튜브의 신뢰성이 증가할 수 있다.
도 1은 엑스선 튜브의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 개념에 따른 엑스선 튜브의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브의 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 엑스선 튜브의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 엑스선 튜브는 캐소드 전극(11), 에미터(12), 애노드 전극(14), 타겟 (15), 게이트 전극(13), 제1 스페이서 (SP1), 제2 스페이서(SP2), 및 절연 캡(16)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 캐소드 전극(11)은 제1 전극(11)으로, 애노드 전극(14)은 제2 전극(14)으로, 게이트 전극(13)은 제3 전극(13)으로 명칭될 수 있다.
캐소드 전극(11) 및 애노드 전극(14)은 서로 마주하도록 위치하며, 제1 방향(D1)을 따라서 이격할 수 있다. 본 명세서에서, 제1 방향(D1)은 캐소드 전극(11)의 상면에 수직한 방향을 나타낸다. 또는 제1 방향(D1)은 캐소드 전극(11)으로부터 애노드 전극(14)을 향하는 방향을 지칭한다.
캐소드 전극(11), 애노드 전극(14), 및 게이트 전극(13)은 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 캐소드 전극(11)에는 양전압 또는 음전압이 인가되거나 접지 전원과 연결될 수 있다. 애노드 전극(14) 및 게이트 전극(13)에는 캐소드 전극(11)보다 더 높은 전위를 가지는 전압이 인가될 수 있다.
애노드 전극(14), 캐소드 전극(11), 및 게이트 전극(13)은 전도성 물질을 포함할 수 있고, 일 예로 전도성 물질은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 및 몰리브덴(Mo) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 애노드 전극(14)은 일 방향으로 회전하는 회전형 애노드 전극 또는 고정형 애노드 전극일 수 있다.
게이트 전극(13)은 에미터(12) 및 애노드 전극(14) 사이에 위치할 수 있다. 게이트 전극(13)은 애노드 전극(14) 보다 에미터(12)에 인접하게 배치될 수 있다. 게이트 전극(13)은 캐소드 전극(11)의 상부에 위치하고, 에미터(12)와 대응되는 위치에 개구부(OP)를 포함할 수 있다.
애노드 전극(14)의 하부에는 타겟(15)이 제공될 수 있다. 타겟(15)의 하부면, 즉, 캐소드 전극(11)과 마주하는 타겟(15) 표면은 기울어질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 타겟(15)은 애노드 전극(14)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 타겟(15)은 전자 빔(E-Beam)이 집속하는 애노드 전극(14)의 일부분에 해당할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 타겟(15)은 애노드 전극(14)과 다른 물질을 포함할 수 있다.
예를 들면 타겟(15)은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
에미터(12)는 금속 필라멘트 또는 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 일 예로, 금속 필라멘트는 일반적으로 용융점이 높고 기화점이 높은 텅스텐(W)과 같은 재질로 구성될 수 있다. 캐소드 전극(11)으로부터 공급되는 전류에 의해서 고온으로 가열된다. 필라멘트는 고온 상태에서 열전자(Thermal electron)를 방출하게 되고, 방출된 열전자는 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(14)의 양극간 전위차에 의해서 가속된다. 다른 일 예로, 에미터(12)는 탄소 나노 튜브들로 구성된 도트 어레이(Dot array) 형태로 배열되거나, 탄소 나노 튜브들이 꼬아져서 만든 얀(yarn)의 형태를 가질 수 있다.
에미터(12)가 도트 어레이(Dot array) 형태 또는 복수개의 탄소 나노 튜브 얀들로 구성되는 경우에, 게이트 전극(13)은 복수개의 개구부(OP)들을 포함할 수 있다. 게이트 전극(13)은 메쉬 형태 또는 그리드 형태를 가질 수 있다.
에미터(12)에서 방출된 전자 빔(E-beam)은 진공 상태에서 발생 및 가속될 수 있다. 에미터(12)로부터 방출된 전자빔(E-beam)은 게이트 전극(13)의 개구부(OP)를 통과하여 타겟(15)에 집속될 수 있다. 전자빔(E-beam)은 타겟(15)에 충돌하여 엑스선(X-ray)을 발생시킨다. 엑스선(X-ray)은 제2 스페이서(SP2)를 관통하는 윈도우(window)(WW)를 통하여 외부로 조사될 수 있다. 윈도우(WW)는 베릴륨(Be), 구리(Cu) 등으로 이루어진 엑스선(X-ray)을 거의 흡수하지 않는 물질을 포함할 수 있다.
진공 상태를 만들기 위하여, 엑스선 튜브는 완전히 밀봉된 상태로 제작될 수 있다. 또는 제작되는 방법에 따라서, 엑스선 튜브는 외부에 연결된 진공 펌프(미도시)를 통해 그 내부가 진공 상태가 될 수 있다.
제1 스페이서(SP1) 및 제2 스페이서(SP2)는 각각 원통의 튜브(tube) 형태를 가질 수 있다. 제1 스페이서(SP1)는 캐소드 전극(11) 및 게이트 전극(13) 사이에 개재될 수 있다. 제2 스페이서(SP2)는 게이트 전극(13) 및 애노드 전극(14) 사이에 개재될 수 있다.
제1 스페이서(SP1) 및 제2 스페이서(SP2)는 진공 상태에서도 견고한 재질을 포함할 수 있다. 일 예로 제1 스페이서(SP1) 및 제2 스페이서(SP2)는 세라믹 절연체를 포함할 수 있다. 제2 스페이서(SP2)에 관한 것은 도 2에서 자세하게 설명하도록 한다.
일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브는 적어도 하나의 집속 전극 (focusing electrode)을 더 포함할 수 있다. 집속 전극은 게이트 전극(13) 및 애노드 전극(14) 사이에 위치할 수 있다. 집속 전극은 애노드 전극(14) 보다 게이트 전극(13)에 인접하게 배치될 수 있다. 집속 전극은 게이트 전극(13)과 유사한 형상을 가질 수 있다.
에미터(12)에서 방출된 전자빔(E-beam)의 일부의 전자들은 정상 궤도에서 벗어나서 제2 스페이서(SP2)와 충돌할 수 있다. 고전압 조건에서, 에미터(12)로부터 방출된 전자빔(E-beam) 외의 전자가 삼중점(triple point)에서 방출될 수 있다. 삼중점은 유전상수(dielectric constant)가 서로 다른 진공, 금속, 절연체가 만나는 지점에 해당되며, 엑스선 튜브에서는 애노드 전극(14)에 인가되는 고전압으로 인해 게이트 전극(13)과 제2 스페이서(SP2)의 절연체가 만나는 점(P1) (집속 전극이 있는 경우는 집속 전극과 제 2 스페이서의 절연체가 만나는 점)에서 삼중점 문제가 가장 심각할 수가 있다. 즉, 애노드 전극(14)에 인가되는 고전압으로 인해 삼중점(P1)에 강한 전계(electric field)가 유도되고 이에 따라 삼중점(P1)에서 원치 않는 전자가 방출될 수 있다. 상기 방출된 전자들은 제2 스페이서(SP2)와 충돌할 수 있다. 또한, 전자빔(E-beam)의 일부 전자들은 타겟(15)과 충돌하고, 산란되어 제2 스페이서(SP2)와 충돌할 수 있다.
제2 스페이서(SP2)에 전자들이 충돌함에 따라서, 전자들이 제2 스페이서(SP2)에 축적될 수 있다. 고전압 하에서 전자가 제2 스페이서(SP2)에 축적되는 경우 아크(arc) 발생 위험이 있고, 이는 엑스선 튜브의 동작 안정성, 즉 신뢰성이 문제될 수 있다.
도 2는 본 발명의 개념에 따른 엑스선 튜브의 구조를 나타내는 단면도이다. 이하에서 설명하는 것들을 제외하면 도 1에서 설명한 것과 중복되므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제2 스페이서(SP2)는 서로 연결되는 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)을 포함할 수 있다. 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)은 일체(one body)의 제2 스페이서(SP2)를 이룰 수 있다. 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)은 애노드 전극(14)을 둘러쌀 수 있다. 제1 부분(ILL)은 제2 부분(ILH)보다 게이트 전극(13)에 가깝게 위치할 수 있다.
제1 부분(ILL)은 저-비저항 절연체를 포함하고, 제2 부분(ILH)은 고-비저항 절연체를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 저-비저항 절연체, 및, 고-비저항 절연체는 체적저항률(Volume resistivity)(또는 비저항(resistivity))의 크기에 따라서 정의된다. 저-비저항 절연체는 1012Ω•cm 이하의 비저항을 가지는 물질로, 고-비저항 절연체는 1012Ω•cm 초과의 비저항을 가지는 물질로 정의될 수 있다.
저-비저항 절연체 및 고-비저항 절연체는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체 내에 분산된 전도성 도펀트(dopant)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 고-비저항 절연체는 전도성 도펀트들을 거의 포함하지 않을 수도 있다. 전도성 도펀트들은 상기 세라믹 절연체 내에서 균일하게 분포될 수 있다.
세라믹 절연체는 일 예로 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 및 이트리아(Y2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 전도성 도펀트들은 티타늄 산화물(TixOy, x=1~3, y=1~3)을 포함할 수 있다. 다른 일 예로, 제2 금속 산화물은 산화 크롬(Cr2O3)을 포함할 수 있다. 일 예로, 세라믹 절연체는 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있고, 전도성 도펀트는 티타니아(TiO2)를 포함할 수 있다. 저-비저항 절연체 내에서 전도성 도펀트의 양은 2wt% 이상일 수 있다. 고-비저항 절연체 내에서 전도성 도펀트의 양은 2wt% 미만일 수 있다.
제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)이 모두 티타늄 산화물(TixOy, x=1~3, y=1~3)을 포함하는 경우, 제1 부분(ILL) Ti2O3, 및/또는 TiO의 농도는 제2 영역 내의 Ti2O3, 및/또는 TiO의 농도보다 클 수 있다.
제2 스페이서(SP2)는 첨가제 및 기타 불순물을 더 포함할 수 있다. 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH) 내에서 첨가제 및 기타 불순물의 종류 및 양은 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 스페이서(SP2) 내에서 첨가제의 양의 총합은 1wt% 내지 4wt%일 수 있다. 제2 스페이서(SP2) 내에서 불순물의 양의 총합은 2wt% 미만일 수 있다. 첨가제는 실리콘 산화물(SiO2) 및 이산화망간(MnO2)과 같이, 제2 스페이서(SP2)의 강성을 증가시키고, 후술할 브레이징 공정시의 전극들과의 접착력을 증가시키는 물질을 포함할 수 있다. 불순물은 탄소 및 기타 산화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제2 스페이서의 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)은 각각 서로 다른 종류의 세라믹 절연체를 포함할 수 있다. 제1 부분(ILL)이 낮은 비저항을 가지는 제1 세라믹 절연체를 포함하고, 제2 부분(ILH)이 상기 제1 세라믹 절연체보다 더 높은 비저항을 가지는 제2 세라믹 절연체를 포함할 수 있다. 제1 세라믹 절연체 및 제2 세라믹 절연체는 서로 다른 물질의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 제1 부분(ILL)은 전도성 도펀트를 더 포함할 수 있다.
엑스선 튜브 동작에서 가장 문제가 되는 삼중점(P1)은 진공, 최인접 전극(ex: 게이트 전극(13)), 및 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL) 이 서로 만나는 점에 해당한다. 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL)은 저-비저항 절연체를 포함함으로써, 상기 삼중점(P1)에서의 전자 발생이 억제될 수 있다. 또한 전자가 제1 부분(ILL)에 산란되더라도, 전자가 축적되지 않도록 할 수 있다. 이에 반하여, 제2 스페이서(SP2)의 제2 부분(ILH)은 전자가 잘 발생하지도 않고, 산란된 전자의 충돌 빈도가 낮은 부분에 해당한다. 제2 스페이서(SP2)의 제2 부분(ILH)은 고-비저항 절연체를 포함함으로써, 고전압 상태에서도 엑스선 튜브가 절연 상태를 유지하게 할 수 있다.
제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)의 접점의 제1 레벨(LV1)은 타겟(15)의 최하부의 제2 레벨(LV2)보다 낮을 수 있다. 즉, 제1 레벨(LV1)은 제1 부분(ILL)의 최상부의 레벨(LV1)과 실질적으로 동일할 수 있다.제1 부분(ILL)의 최하부의 레벨은 에미터(12)의 최상부의 레벨보다 높을 수 있다.
엑스선 튜브는 고전압 상태에서 절연성을 유지하기 위하여, 제2 스페이서(SP2) 내에서 일정 비율 이상의 제2 부분(ILH)이 요구된다. 본 발명의 실시예들과 달리, 제2 레벨(LV2)이 제1 레벨(LV1)보다 낮게 구성되는 경우는 타겟(15)이 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)의 접점보다 캐소드 전극(11)과 인접하도록 애노드 전극(14)이 제1 방향(D1)을 따라서 연장되는 경우에 해당된다. 이 경우, 에미터(12)와 타겟(15)이 인접하게 위치하고, 전자빔(E-Beam)과 타겟(14)의 충돌로부터 발생된 산란 전자들 중 일부가 에미터(12)와 충돌할 수 있고, 에미터(12)의 손상 위험이 있다. 본 발명의 개념에 따르면, 타겟(15) 은 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)의 접점보다 높게 배치되어, 타겟(15)에서 발생된 산란 전자가 에미터(12)와 충돌하는 것을 방지할 수 있고, 엑스선 튜브의 신뢰성이 증가할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 제2 스페이서(SP2)는 아래와 같은 방법을 통해서 형성된다. 일 예로, 첨가제가 포함된 알루미나(Al2O3) 절연체의 총량을 기준으로 하여, 상기 알루미나의 일 부분에(제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL)에 대응) 2wt% 초과의 티타니아(TiO2)를 첨가하고, 나머지 부분(제2 스페이서(SP2)의 제2 부분(ILH)에 대응)에 2wt% 이하의 티타니아(TiO2)를 첨가하여 소결할 수 있다. 수소 기체 분위기에서 고온의 열처리를 함으로써, 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL) 및 제2 부분(ILH)을 형성할 수 있다. 이산화 티타늄(TiO2)의 적어도 일부는 수소 기체 분위기에서 환원되어 Ti2O3 및/또는 TiO를 형성할 수 있다. 추가적으로 게이트 전극(13)과 접촉하는 부분에 메탈라이징(Metallizing) 공정이 이루어질 수 있다. 메탈라이징 공정을 통하여 진공 상태에서 제2 스페이서(SP2)와 게이트 전극(13) 사이의 접착력이 증가할 수 있다(브레이징 접합).
도 3은 일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브의 구조를 나타내는 단면도이다. 이하에서 설명하는 것들을 제외하면 도 2에서 설명한 것과 중복되므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL)의 외주면 상에 금속 막(17)이 선택적으로 제공될 수 있다. 금속 막(17)은 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL)과 직접 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 금속 막(17)은 추가적인 연결 수단을 통하여 제2 스페이서(SP2)의 제1 부분(ILL)과 전기적으로 연결될 수 있다. 금속 막(17)은 제2 스페이서(SP2)의 제2 부분(ILH)의 외주면 상에는 제공되지 않을 수 있다. 또한 금속 막(17)은 제2 스페이서(SP2)의 내주면 상에는 제공되지 않을 수 있다.
금속 막(17)은 일 예로 구리 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 금속 막(17)은 제1 부분(ILL) 상에 직접(directly) 코팅된 박막(thin film)(ex: 두께가 1μm 이하)일 수 도 있고, 벌크 형태의 금속 후막(thick film)(ex: 두께가 1μm 초과)일 수 도 있다. 금속 막(17)은 접지 전원과 연결되어 제1 부분(ILL)과 충돌한 전하를 제거할 수 있다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브의 구조를 나타내는 단면도이다. 이하에서 설명하는 것들을 제외하면 도 3에서 설명한 것과 중복되므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 일부 실시예들에 따른 엑스선 튜브는 제2 스페이서(SP2) 및 게이트 전극(13) 사이에 제공되는 도전 구조체(MS)를 포함할 수 있다. 도전 구조체(MS)는 일 예로, 금속 합금을 포함할 수 있다. 금속 합금은 철, 니켈, 및 코발트를 포함하는 코바(kovar) 또는 수퍼 코바(Super Kovar)을 포함할 수 있다.
도전 구조체(MS)는 튜브 형상을 가지되, 구부러진 형태를 가질 수 있다. 일 예로, 도전 구조체(MS)의 일 측면은 "L"형상을 가질 수 있다. 에미터(12)는 타겟(15)과 수평으로 이격하게 배치될 수 있고, 윈도우(WW)는 타겟(15)과 수직으로 이격하게 배치될 수 있다. 도전 구조체(MS)의 형상을 조절하여 에미터(12), 타겟(15), 및 윈도우(WW)의 위치 및 배열을 조절할 수 있다.
윈도우(WW)는 타겟(15)과 수직으로 중첩하는 도전 구조체(MS)의 영역 상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 윈도우(WW)는 도전 구조체(MS)를 관통하여 형성될 수 있다. 도전 구조체(MS)는 접지 전원과 연결될 수 있다.
도전 구조체(MS)와 제 2 스페이서(SP2)가 접촉되는 삼중점에서의 전자 발생을 억제할 수 있고, 산란 전자는 접지 전원과 연결된 도전 구조체(MS) 및/또는 금속 막(17)을 통하여 제거될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 도 2 ~ 도4의 제 1 스페이서(SP1)도 제 2 스페이서(SP2)와 같이 비저항이 낮은 제1 부분(ILL)과 비저항이 높은 제2 부분(ILH)을 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수도 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
11: 캐소드 전극
12: 에미터
14: 애노드 전극
15: 타겟
13: 게이트 전극
SP1:제1 스페이서
SP2:제2 스페이서

Claims (20)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 이격하는 제2 전극;
    상기 제2 전극의 하부에 배치되는 타겟;
    상기 제1 전극 상의 에미터; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 에미터와 수직으로 대응되는 위치에 개구부를 포함하는 제3 전극; 및
    상기 제3 전극 상에 제공되고, 상기 제2 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함하고,
    상기 스페이서는 상기 제3 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함하고,
    상기 스페이서는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체 내에 분산된 전도성 도펀트들을 포함하되,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 전도성 도펀트들의 농도는 상기 제2 부분의 전도성 도펀트들의 농도보다 크고,
    상기 제3 전극은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 접촉하는 엑스선 튜브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 전극들은 각각 금속을 포함하고,
    상기 제3 전극은 상기 제2 전극과 가장 인접하게 배치되는 금속 전극인 엑스선 튜브.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 접점의 레벨은 상기 타겟의 최하부의 레벨보다 낮은 엑스선 튜브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 사이에 개재되는 제4 전극을 더 포함하고,
    상기 제4 전극은 상기 제3 전극보다 상기 제2 전극에 인접하게 배치되는 엑스선 튜브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 절연체는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 전도성 도펀트는 티타니아(TiO2)를 포함하는 엑스선 튜브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 체적 저항율은 상기 제2 부분의 체적 저항율보다 작은 엑스선 튜브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분은 1012Ω•cm 이하의 비저항을 가지고, 상기 스페이서의 상기 제2 부분은 1012Ω•cm 초과의 비저항을 가지는 엑스선 튜브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 원통형의 튜브 형상을 가지고,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 외주면 상에 제공되는 금속 막을 더 포함하고,
    상기 금속 막은 접지 전원과 연결되는 엑스선 튜브.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 막은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 접촉하는 엑스선 튜브.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속 막은 상기 스페이서의 상기 제1 부분과 전기적으로 연결되는 엑스선 튜브.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 절연체는 알루미나(Al2O3)를 포함하고, 상기 전도성 도펀트는 티타니아(TiO2)를 포함하되,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 상기 티타니아(TiO2)의 농도는 2wt% 이상이고,
    상기 스페이서의 상기 제2 부분의 상기 티타니아(TiO2)의 농도는 0 초과 2 wt% 미만인 엑스선 튜브.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 및 상기 제3 전극 사이에 개재되는 도전 구조체를 더 포함하고,
    상기 도전 구조체는 코바(Kovar) 합금을 포함하는 엑스선 튜브.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 도전 구조체는 튜브(tube) 형상을 가지되, 구부러진 형태를 가지고,
    상기 도전 구조체를 관통하는 윈도우(window)를 더 포함하는 엑스선 튜브.
  14. 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극과 수직으로 이격하는 애노드 전극;
    상기 애노드 전극의 하부에 배치되는 타겟;
    상기 캐소드 전극 상의 에미터; 및
    상기 캐소드 전극 상에 제공되고, 상기 애노드 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함하고,
    상기 스페이서는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체 내에 분산된 전도성 도펀트들을 포함하고, 상기 스페이서는 상기 캐소드 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함하되,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 전도성 도펀트들의 농도는 상기 제2 부분의 전도성 도펀트들의 농도보다 크고,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 최하부의 레벨은 상기 에미터의 최상부의 레벨 이상인 엑스선 튜브.
  15. 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극과 수직으로 이격하는 애노드 전극;
    상기 애노드 전극의 하부에 배치되는 타겟;
    상기 캐소드 전극 상의 에미터;
    상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하고 상기 에미터와 수직으로 대응되는 위치에 개구부를 포함하는 게이트 전극; 및
    상기 게이트 전극 상에 제공되고, 상기 애노드 전극을 둘러싸는 스페이서(Spacer)를 포함하고,
    상기 스페이서는 상기 게이트 전극과 인접하게 배치되는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 배치되는 제2 부분을 포함하고,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분은 제1 세라믹 절연체를 포함하고, 상기 제2 부분은 제2 세라믹 절연체를 포함하고,
    상기 제1 세라믹 절연체는 상기 제2 세라믹 절연체와 다른 금속 산화물을 포함하되 상기 제1 세라믹 절연체의 비저항은 상기 제2 세라믹 절연체의 비저항보다 작고,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 접점의 레벨은 상기 타겟의 최하부의 레벨보다 낮은 엑스선 튜브.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 절연체에 분산되는 전도성 도펀트들을 더 포함하는 엑스선 튜브.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분은 1012Ω•cm 이하의 비저항을 가지고, 상기 스페이서의 상기 제2 부분은 1012Ω•cm 초과의 비저항을 가지는 엑스선 튜브.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 스페이서는 원통형의 튜브 형상을 가지고,
    상기 스페이서의 상기 제1 부분의 외주면 상에 제공되는 금속 막을 더 포함하고,
    상기 금속 막은 접지 전원과 연결되는 엑스선 튜브.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 스페이서 및 상기 게이트 전극 사이에 개재되는 도전 구조체를 더 포함하고,
    상기 도전 구조체는 코바(Kovar) 합금을 포함하고,
    상기 도전 구조체는 접지 전원과 연결되는 엑스선 튜브.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 도전 구조체는 튜브(tube) 형상을 가지되, 구부러진 형태이고,
    상기 도전 구조체를 관통하는 윈도우(window)를 더 포함하는 엑스선 튜브.
KR1020220023495A 2021-04-29 2022-02-23 엑스선 튜브 KR20220148725A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/712,639 US11791123B2 (en) 2021-04-29 2022-04-04 X-ray tube
JP2022069689A JP2022171592A (ja) 2021-04-29 2022-04-20 Ｘ線チューブ
DE102022109499.5A DE102022109499A1 (de) 2021-04-29 2022-04-20 Röntgenröhre
CN202210473026.2A CN115274383A (zh) 2021-04-29 2022-04-29 X射线管

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210055725 2021-04-29
KR20210055725 2021-04-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220148725A true KR20220148725A (ko) 2022-11-07

Family

ID=84043401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220023495A KR20220148725A (ko) 2021-04-29 2022-02-23 엑스선 튜브

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220148725A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100911434B1 (ko) Ｃｎｔ를 이용한 삼극형 구조의 초소형 ｘ 선관
JP5800578B2 (ja) Ｘ線管
KR100371628B1 (ko) 전계방출장치아크-억제기및전계방출장치형성방법
JP5099756B2 (ja) 電子線発生装置およびその制御方法
US10720299B1 (en) X-ray generating tube, X-ray generating apparatus, and X-ray imaging apparatus
US4764947A (en) Cathode focusing arrangement
KR102467247B1 (ko) 엑스선 튜브
JP7305607B2 (ja) Ｘ線チューブ
WO2002073652A2 (en) Methods and apparatus for oxygen implantation
JP6932777B2 (ja) アルミナセラミックを主成分とする電気絶縁体、その絶縁体を製造する方法およびその絶縁体を含む真空管
KR20220148725A (ko) 엑스선 튜브
US20220351929A1 (en) X-ray tube
US20230036147A1 (en) X-ray tube
US20220199347A1 (en) X-ray tube
US20090295269A1 (en) Electron beam generator
KR20230017718A (ko) 엑스선 튜브
JP5436131B2 (ja) Ｘ線管およびｘ線発生装置
JP4414114B2 (ja) 蛍光表示管及びその駆動方法並びに駆動回路
JP4922884B2 (ja) Ｘ線管
KR20160102748A (ko) 전계 방출 엑스선 소스 장치
US20240006144A1 (en) X-ray system with field emitters and arc protection
US20190189384A1 (en) Bipolar grid for controlling an electron beam in an x-ray tube
JP6124959B2 (ja) Ｘ線管