KR20230095763A - 회전 애노드를 구비한 엑스레이 튜브 - Google Patents

Abstract

회전 애노드를 구비한 엑스레이 튜브가 개시된다. 개시된 엑스레이 튜브는 인가된 전압에 의해 열전자를 방출하는 캐소드와, 캐소드에서 방출된 열전자가 충돌하여 엑스레이를 발생하는 애노드와, 애노드를 회전시키는 회전 구동부를 포함하며, 애노드는, 일측에 원주 방향을 따라 형성되는 경사면에 열전자가 충돌하는 초점 트랙(focal track)이 마련된 타겟과, 초점 트랙을 따라 적층되는 코팅층과, 타겟의 타측에 결합되어 상기 타겟을 냉각시키기 위한 냉각 부재를 포함할 수 있다.

Description

회전 애노드를 구비한 엑스레이 튜브{X-RAY TUBE INCLUDING ROTATING ANODE}

본 개시는 엑스레이 튜브에 관한 것으로, 특히 회전 애노드를 구비한 엑스레이 튜브에 관한 것이다.

일반적으로 엑스레이 튜브는 1회용으로 공급되는 폐쇄형과 진공 상태를 임의로 만들어 낼 수 있어 소모품인 필라멘트나 타겟을 교환할 수 있는 개방형으로 구분된다.

엑스레이 튜브는 고진공으로 감압된 진공챔버 내부에 필라멘트를 구비한 캐소드와, 타겟을 구비한 애노드를 포함한다. 엑스레이 튜브는 필라멘트로부터 발생한 열전자(thermo electron)가 타겟(target)에 충돌되면서 발생된 엑스레이를 엑스레이 윈도우를 통하여 방출시키는 장치이다.

엑스레이 튜브의 일반적인 동작은 다음과 같다. 필라멘트에 전류가 흐르면 필라멘트에 열이 발생하면 열전자가 발생한다. 필라멘트에 고전압을 인가하여 열전자를 가속시키면, 열전자가 타겟에 충돌되고 파장이 짧고 투과력이 높은 엑스레이가 발생하게 된다.

한편, 회전 애노드를 구비한 엑스레이 튜브는 고진공으로 유지된 하우징 내에서 필라멘트에서 방출된 열전자가 고속으로 회전하는 애노드에 충돌하여 엑스레이를 방출한다.

본 개시는 내구성을 가지며 영상 품질 개선에 기여하는 회전 애노드를 구비한 엑스레이 튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시는 상기 목적을 달성하기 위해, 인가된 전압에 의해 열전자를 방출하는 캐소드; 상기 캐소드에서 방출된 열전자가 충돌하여 엑스레이를 발생하는 애노드; 및 상기 애노드를 회전시키는 회전 구동부를 포함하며, 상기 애노드는, 일측에 원주 방향을 따라 형성되는 경사면에 상기 열전자가 충돌하는 초점 트랙(focal track)이 마련된 타겟; 상기 초점 트랙을 따라 적층되는 코팅층; 및 상기 타겟의 타측에 결합되어 상기 타겟을 냉각시키기 위한 냉각 부재를 포함하는 엑스레이 튜브를 제공한다.

상기 타겟에 형성된 경사면의 경사 각도는 5도~10도일 수 있다.

상기 타겟은 TMZ 합금이고, 상기 코팅층은 텅스텐-라듐 합금일 수 있다.

상기 타겟에 형성된 경사면의 표면 거칠기(Ra)는 0.05mm~0.5mm일 수 있다.

상기 냉각 부재는 카본 또는 그라파이트로 이루어지며, 상기 냉각 부재의 하부에는 냉각 유로를 이루는 복수의 냉각핀이 동심원 방향으로 배열될 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브의 애노드를 나타낸 사시도이다.
도 4은 도 3에 표시된 Ⅳ 부분을 측면에서 바라본 확대도이다.

이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 개시에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

또한, 본 개시에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.

본 개시에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 튜브의 구성을 설명한다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브의 애노드를 나타낸 사시도이고, 도 4은 도 3에 표시된 Ⅳ 부분을 측면에서 바라본 확대도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 엑스레이 튜브(10)는 열전자를 방출하는 캐소드(30)와 캐소드에서 방출되는 열전자가 충돌하여 엑스레이를 방출하는 애노드(50)를 포함할 수 있다.

캐소드(30)는 고전압 공급부(미도시)로부터 고전압을 인가 받을 수 있도록 고전압 공급부와 연결되는 리셉터클(35)의 선단에 배치될 수 있다. 리셉터클(35)은 내열성 및 내구성을 가지는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.

캐소드(30)는 필라멘트(미도시)를 포함할 수 있다. 필라멘트는 일종의 저항체로서 필라멘트에 인가되는 전원이 제공하는 전기 에너지를 열에너지로 전환하며, 이러한 열에너지의 일부가 필라멘트 내의 열전자에 제공됨으로써 열전자가 필라멘트로부터 방출될 수 있다. 필라멘트는 융점이 높으면서도 기화성이 낮은 텅스텐을 재질로 이루어질 수 있다. 텅스텐으로 제작된 필라멘트의 경우 고온(예를 들면, 1000℃~3300℃)으로 가열되면 열전자를 방출할 수 있다.

캐소드(30) 및 리셉터클(35)은 제1 하우징(37) 내부에 배치될 수 있다. 이 경우 리셉터클(35)의 후단부는 제1 하우징(37)의 외부로 노출될 수 있다.

제1 하우징(37)은 애노드(50)가 내부에 배치된 제2 하우징(57)과 연결될 수 있다. 제2 하우징(57)은 구동부(70)가 내부에 배치된 제3 하우징(58)과 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제3 하우징(37, 57, 58)의 내부는 고진공 상태가 유지될 수 있다.

고진공 분위에서 필라멘트와 타겟(51) 사이에는 고전압에 의해 전기장이 형성된다. 필라멘트에서 방출된 열전자는 타겟(51) 측으로 가속될 수 있다. 가속된 열전자는 타겟(51)에 충돌하기 직전 매우 빠른 속도를 갖는다. 즉 타겟(51)에 충돌하기 직전 열전자는 매우 큰 운동에너지를 갖게 되며, 열전자가 타겟(51)에 충돌 시 열전자가 가지고 있던 운동에너지의 일부가 엑스레이의 형태로 전환된다. 이러한 과정을 통하여 타겟(51)에서는 엑스레이가 발생되며, 발생된 엑스레이는 엑스레이 윈도우(59)를 투과하여 피검사체(미도시) 측으로 조사될 수 있다.

애노드(50)는 제2 하우징(57) 내부에 배치되고, 타겟(51)과 냉각 부재(55)를 포함할 수 있다. 타겟(51)은 회전 구동부(70)에서 생성되는 회전력에 의해 일 방향으로 회전한다.

타겟(51)은 회전 구동부(70)와 연결되는 축 구조에 의해 회전력을 전달받아 고속으로 회전할 수 있다. 타겟(51)은 티타늄, 지르코늄, 몰리브덴 분말을 혼합하여 형성한 TZM 합금으로 이루어질 수 있다.

타겟(51)은 필라멘트에서 방출된 열전자가 충돌하는 초점 트랙(focal track)이 타겟(51)의 일면에 원주 방향을 따라 형성될 수 있다. 초점 트랙은 타겟(51)의 일면 즉, 소정의 경사 각도(A, 도 4 참조)를 가지는 경사면에 마련될 수 있다. 이 경우, 초점 트랙은 타겟(51)의 경사면의 전체 영역에 해당할 수 있다.

상기 경사면의 경사 각도(A)는 액티브 초점 스폿(active focal spot)과 이펙티브 초점 스폿(effective focal spot)을 결정하는 요소일 수 있다. 액티브 초점 스폿은 필라멘트에서 방출된 열전자가 타겟(51)의 초점 트랙에 충돌되는 크기일 수 있고, 이펙티브 초점 스폿은 타겟(51)에서 엑스레이로 전환되어 엑스레이 윈도우(59)로 출사될 때의 엑스레이 빔의 크기이며 'projected focal spot' 이라고도 부를 수 있다.

상기 경사면의 경사 각도(A)의 범위는 5도~10도일 수 있다. 경사 각도(A)가 5도 미만이면 엑스레이 윈도우(59)를 통해 엑스레이 튜브(10)의 외부로 방출되는 엑스레이의 선량이 줄어들어 영상 품질이 낮아진다. 또한, 경사 각도(A)가 10도를 초과하면 이펙티브 초점 스폿의 사이즈 가 커져 분해능이 낮아진다.

따라서, 경사 각도(A)의 범위로 경사지게 형성된 타겟(51)의 경사면(초점 트랙이 마련된 면)은 영상 품질을 개선하는데 기여할 수 있다.

타겟(51)은 초점 트랙에 소정 두께를 가지는 코팅층(53)이 형성될 수 있다. 코팅층(53)의 재질은 텅스텐-레늄 합금(W-Re alloy)일 수 있다.

코팅층(53)은 예를 들면 VPS(vacuum plasma spray) 방식에 의해 타겟(51)은 초점 트랙에 코팅될 수 있다. 이 경우, TZM 합금으로 이루어진 타겟(51)과 텅스텐-레늄 합금층(53) 간의 결속력을 향상하기 위해 타겟(51)의 초점 트랙은 소정의 표면 거칠기를 가질 수 있도록 처리될 수 있다. 여기서, 표면 거칠기는 산출 평균 거칠기(Ra)를 의미한다.

상기 표면 거칠기(Ra)의 범위는 0.05mm~0.5mm일 수 있다. 표면 거칠기(R)가 0.05mm 미만이면 타겟(51)과 코팅층(53) 간의 표면적이 적어 결합력이 낮아진다. 표면 거칠기(R)가 0.5mm를 초과하면 초점 스폿(focal spot)이 형성되는 코팅층(53)의 표면이 불규칙한 형상을 이루게 되므로 엑스레이의 선질에 영향을 미쳐 영상 품질의 저하를 초래한다.

따라서, 코팅층(53)이 형성되는 면에 상기와 같은 표면 거칠기(Ra)를 가지도록 처리된 타겟(51)은 코팅층(53)과 견고하게 결합될 수 있다. 또한, 코팅층(53)은 상기 표면 거칠기(Ra)의 범위와 동일 또는 거의 유사한 표면 거칠기를 가질 수 있다. 따라서, 코팅층(53)에 열전자가 충돌하는 경우, 적정한 선량을 방출할 수 있다.

애노드(50)는 엑스레이 방출 시 고온 상태가 되는 타겟(51)을 냉각시키기 위해 타겟(51)에 냉각 부재(55)를 포함할 수 있다.

냉각 부재(55)는 예를 들면 타겟(51)의 저면(예를 들면, 초점 트랙이 형성되는 면의 반대 면)에 예를 들면, 블레이징(brazing) 방식으로 접합될 수 있다. 냉각 부재(55)의 재질은 열 흡수 성능이 높은 카본(carbon)이나 그라파이트(graphite)로 형성될 수 있다.

냉각 부재(55)는 하부에 복수의 냉각핀(fin)(56)이 형성될 수 있다. 복수의 냉각핀(56)은 냉각 부재(55)의 중심으로부터 외측으로 소정 간격을 두고 형성될 수 있다. 예를 들면, 복수의 냉각핀(56)은 동심원 방향으로 배열될 수 있다.

이 경우, 인접한 복수의 냉각핀들(56) 사이에는 냉매(예: 냉각수)가 흐르는 냉각 유로가 마련될 수 있다. 이에 따라, 냉각 부재(55)는 냉각 유로를 따라 순환하는 냉매에 의해 타겟(51)을 냉각시킬 수 있다.

도 2를 참조하면, 회전 구동부(70)는 코일부(71)와, 코일부(71)의 둘레를 따라 코일부(71)와 간격을 두고 배치되는 마그네트부(73)를 포함할 수 있다.

마그네트부(73)는 코일부(71)에 전류가 인가됨에 따라 형성되는 자기장에 의해 일 방향으로 회전할 수 있다. 이와 같이, 코일부(71)는 고정자이고 마그네트부(73)는 회전자일 수 있다.

코일부(51)는 상측에는 제1 축부(75)가 연결된다. 제1 축부(75)는 애노드(50)의 중앙을 관통하며 애노드(50)와 연결된 제2 축부(77)의 내측에 삽입될 수 있다.

제1 축부(75)와 제2 축부(77) 사이에는 복수의 베어링(76)이 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 축부(77)는 마그네트부(73)와 연결됨에 따라, 마그네트부(73)가 회전 시 마그네트부(73)와 함께 회전할 수 있다.

이에 따라, 제2 축부(77)와 연결된 애노드(50)는 회전 구동부(70)로부터 생성된 회전력을 제2 축부(77)를 통해 전달받아, 제2 축부(77)와 함께 회전할 수 있다.

회전 구동부(70)에 의해 애노드(50)가 회전할 때, 캐소드(30)의 필라멘트에서 타겟(51)의 코팅층(53)을 향해 열전자가 방출된다. 열전자가 코팅층(53)에 충돌한 후 엑스레이가 발생한다. 발생된 엑스레이는 엑스레이 윈도우(59)를 통해 미리 설정된 방향(예: 피검사체를 향하는 방향)으로 조사될 수 있다.

이때 타겟(51)의 초점 트랙에는 고온의 열이 발생하게 되는데, 애노드(50)가 회전하게 되므로 열전자가 타겟(51)의 초점 트랙의 특정한 지점에만 충돌하지 않는다. 이에 따라, 타겟(51) 전체로 열을 분산시킬 수 있다.

또한, 가열된 타겟(51)은 하부에 접합된 냉각 부재(55)의 복수의 냉각핀(56)에 마련된 냉각 유로를 따라 흐르는 냉매에 의해 냉각될 수 있다. 이 경우, 냉각 유로는 제2 하우징(57)의 내부는 물론 제1 하우징(37)의 내부에도 마련될 수 있다. 이에 따라, 냉매는 제1 하우징(37)을 순환하면서 캐소드(51)를 냉각할 수 있다.

이상과 같이, 본 개시는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 개시의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

30: 캐소드
50: 애노드
51: 타겟
53: 코팅층
55: 냉각 부재
70: 회전 구동부

Claims (5)

1. 인가된 전압에 의해 열전자를 방출하는 캐소드;
   상기 캐소드에서 방출된 열전자가 충돌하여 엑스레이를 발생하는 애노드; 및
   상기 애노드를 회전시키는 회전 구동부;를 포함하며,
   상기 애노드는,
   일측에 원주 방향을 따라 형성되는 경사면에 상기 열전자가 충돌하는 초점 트랙(focal track)이 마련된 타겟;
   상기 초점 트랙을 따라 적층되는 코팅층; 및
   상기 타겟의 타측에 결합되어 상기 타겟을 냉각시키기 위한 냉각 부재;를 포함하는 엑스레이 튜브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 타겟에 형성된 경사면의 경사 각도는 5도~10도인 엑스레이 튜브
3. 제1항에 있어서,
   상기 타겟은 TMZ 합금이고,
   상기 코팅층은 텅스텐-레늄 합금인 엑스레이 튜브.
4. 제3항에 있어서,
   상기 타겟에 형성된 경사면의 표면 거칠기(Ra)는 0.05mm~0.5mm인 엑스레이 튜브.
5. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 부재는 카본 또는 그라파이트로 이루어지며,
   상기 냉각 부재의 하부에는 냉각 유로를 이루는 복수의 냉각핀이 동심원 방향으로 배열된 엑스레이 튜브.

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