KR20230126097A - 엑스레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 엑스레이 장치는 전자를 방출하는 에미터; 상기 에미터와 마주하여, 상기 에미터로부터 방출된 전자를 추출하는 게이트; 상기 게이트와 마주하여, 상기 전자의 진행 방향을 안내하는 애노드; 상기 게이트의 전자방출 방향에 설치되어 게이트를 통과하는 전자를 집속시켜 상기 애노드로 안내하는 1차 집속제어부; 및 상기 1차 집속제어부에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부;를 포함한다.

Description

엑스레이 장치{X-RAY APPARATUS}

본 발명은 엑스레이 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 목적은 1차 집속제어부에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부를 제공하는 엑스레이 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엑스레이는 진공관인 X선관(X-ray tube)을 구비하여, X선을 방출한다. 이러한 X선관의 음극은 텅스텐 필라멘트로 형성되며, 전류에 의해 가열되어 열 전자를 방출시킨다. 이에 대하여, 수만 볼트 이상의 고전압이 X선관의 양극에 인가되면, 음극에서 방출된 전자류가 고속으로 양극을 향해서 운동한다.

이때, 전자류가 양극의 텅스텐, 몰리브덴 등으로 만든 대항극에 충돌하였을 때 가지고 있는 에너지를 X선으로 방출한다.

한편, 엑스레이의 전계 방출원으로 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)의 성장을 이용한 엑스레이의 개발이 활발하게 진행 중이다. 탄소나노튜브는 탄소로 이루어진 탄소 동소체(carbon allotrope)로서, 하나의 탄소 원자가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있어 다양한 전기 전자 분야에서 응용되고 있다. 이에 따라, 근래에는 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 소스인 에미터의 전자 방출 효율을 증가시키기 위한 다양한 연구가 다양하게 이루어지고 있다.

한국등록특허 제10-0851950호 한국등록특허 제10-0490480호

본 발명의 목적은 1차 집속제어부에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부를 제공함으로써, 다양한 전자 방출 조건에 대응하여 적용성이 우수하여 고성능 및 고효율, 고정밀 엑스레이 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 전자를 방출하는 에미터; 상기 에미터와 마주하여, 상기 에미터로부터 방출된 전자를 추출하는 게이트; 상기 게이트와 마주하여, 상기 전자의 진행 방향을 안내하는 애노드; 상기 게이트의 전자방출 방향에 설치되어 게이트를 통과하는 전자를 집속시켜 상기 애노드로 안내하는 1차 집속제어부; 및 상기 1차 집속제어부에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부;를 포함하는 엑스레이 장치가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 1차 집속제어부와 애노드 사이를 일정거리 이격시켜서 1차 집속제어부를 통과한 전자가 포커싱 궤적을 따라 이동되도록 하는 포커싱 궤적구간을 형성할 수 있다.

이때, 상기 1차 집속제어부의 시작단부로부터 애노드 본체까지를 포함하도록 2차 집속제어부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 1차 집속제어부의 토출단부에서 애노드 본체까지를 포함하도록 2차 집속제어부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 1차 집속제어부의 시작단부에서 애노드 본체 이후의 장치전체를 포함하도록 2차 집속제어부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 2차 집속제어부는 영구자석 또는 전자석 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 에미터, 게이트 및 애노드를 내부에 지지하는 챔버를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 챔버 외경에 2차 집속제어부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 챔버 외경에서 2차 집속제어부가 전자 방출방향으로 위치가 가변되도록 형성할 수 있다.

그리고, 상기 에미터는, 베이스부; 상기 베이스부에 대해 지지되되, 전자의 방출 방향으로 돌출된 첨단 형상을 가지고 상기 전자를 방출하는 적어도 하나의 에미터부; 및 상기 베이스부에 대해 상기 적어도 하나의 에미터부를 자세 고정시키는 고정부; 를 포함하며, 상기 에미터부의 개수는 조절되어 상기 고정부에 의해 전극 체결되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 에미터부는, 상기 고정부에 의해 상기 베이스부에 결합되는 에미터 몸체; 및 상기 에미터 몸체로부터 상기 전자의 방출 방향으로 돌출된 첨단 형상을 가지는 에미터 돌기; 를 포함하며, 상기 에미터 몸체와 에미터 돌기는 금속 또는 탄소 계열 물질로 마련되되, 상호 일체로 마련되도록 할 수 있다.

이때, 상기 에미터 몸체는 플레이트 형상을 가지며, 상기 에미터 돌기는 상기 에미터 몸체의 일측 변으로부터 면방향으로 일체로 연장될 수 있다.

또한, 상기 에미터 돌기로부터 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)가 성장되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 고정부는 상기 에미터부를 관통하여 상기 베이스부에 결합되는 적어도 하나의 볼트를 포함하며, 상기 에미터부에는 상기 볼트가 삽입되는 고정홀이 적어도 하나 마련될 수 있다.

그리고, 상기 에미터부는 스페이서를 사이에 두고 상호 동일 간격으로 이격되도록 복수개 마련되며, 상기 고정부는 상기 복수의 에미터부를 동시에 관통하여 상기 베이스부에 체결될 수 있다.

그리고, 상기 고정부는 한 쌍으로 마련되어, 상기 에미터부를 관통하여 상기 베이스부에 결합될 수 있다.

그리고, 상기 에미터와 게이트 사이의 간격은 0.3 내지 0.5mm를 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 1차 집속제어부에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부를 제공함으로써, 엑스레이 장치의 정밀도를 향상하는 효과를 갖는다.

둘째, 단부가 뾰족한 첨단을 구비하는 에미터부가 사용 조건에 따라 개수를 조절할 수 있어, 다양한 전자 방출 조건에 대한 적용성이 우수한 고성능 및 고효율의 엑스레이 장치를 제공할 수 있게 된다.

셋째, 에미터부 사이의 간격을 조절하면서 고정부로 복수의 에미터부를 간단하게 전극 체결할 수 있어, 스크리닝 효과와 함께, 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.

넷째, 에미터부를 베이스부에 대해 고정부가 간편하게 체결하여 고정시킴으로써, 공정법 개선으로 인한 제조 단가도 감소시킬 수 있다.

다섯째, 포인트 에미터 형상으로 인해 아킹에 강한 엑스레이 장치를 제공할 수 있다.

여섯째, 게이트 누설전류를 저감하여 전력 효율을 증가시켜 수명 증가에 보다 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 1실시예에 따른 엑스레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에미터를 개략적으로 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 에미터를 개략적으로 확대 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 에미터가 2개의 에미터부를 포함하는 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 에미터가 5개의 에미터부를 포함하는 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 2실시예에 따른 엑스레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 3실시예에 따른 엑스레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 엑스레이 장치의 게이트 누설을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 9는 종래의 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이다.
도 10은 본 발명의 1실시예에 따른 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이다.
도 11은 본 발명의 2실시예에 따른 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이다.
도 12는 본 발명의 3실시예에 따른 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이다.
도 13은 종래의 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이다.
도 14는 본 발명의 1실시예에 따른 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이다.
도 15는 본 발명의 2실시예에 따른 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이다.
도 16은 본 발명의 3실시예에 따른 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 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 본 발명이 속하는 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 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 에미터(1)를 포함하는 엑스레이 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 엑스레이 장치(100)는 전자를 방출하는 에미터(1); 상기 에미터(1)와 마주하여, 상기 에미터(1)로부터 방출된 전자를 추출하는 게이트(2); 상기 게이트(2)와 마주하여, 상기 전자의 진행 방향을 안내하는 애노드(3); 상기 게이트(2)의 전자방출 방향에 설치되어 게이트를 통과하는 전자를 집속시켜 상기 애노드(3)로 안내하는 1차 집속제어부(5); 및 상기 1차 집속제어부(5)에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드(3) 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부(7)를 포함한다.

이때, 상기 1차 집속제어부(5)와 애노드(3) 사이를 일정거리 이격시켜서 1차 집속제어부(5)를 통과한 전자가 포커싱 궤적을 따라 이동되도록 하는 포커싱 궤적구간(6)을 형성한다.

이때, 도 1에서는 상기 1차 집속제어부(5)의 시작단부(5a)로부터 애노드(3) 본체까지를 포함하도록 2차 집속제어부(7)를 형성하는 1실시예를 도시하고, 도 6에서는 상기 1차 집속제어부(5)의 토출단부(5b)에서 애노드(3) 본체까지를 포함하도록 2차 집속제어부(7)를 형성하는 2실시예를 도시하여, 도 7은 상기 1차 집속제어부(5)의 시작단부(5a)에서 애노드(3) 본체 이후의 장치전체를 포함하도록 2차 집속제어부(7)를 형성하는 3실시예를 도시한다.

이때, 상기 2차 집속제어부(7)는 영구자석 또는 전자석 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 에미터(1), 게이트(2) 및 애노드(3)를 내부에 지지하는 챔버(4)를 더 포함할 수 있다.

상기 챔버(4) 외경에는 2차 집속제어부(7)를 형성할 수 있는데, 상기 챔버(4) 외경에서 2차 집속제어부(7)가 전자 방출방향으로 위치가 가변되도록 결합될 수 있다.

상기 에미터(1)는 전자를 방출하는 엑스레이 장치(100)의 전자방출 소스이다. 이러한 에미터(1)는 자세히 도시되지 않았으나, 캐소드(Cathode)를 구비하여 전자를 방출한다.

본 실시예에 의한 에미터(1)는 도 2의 도시와 같이, 베이스부(10), 에미터부(20) 및 고정부(30)를 포함한다.

베이스부(10)는 에미터부(20) 및 고정부(30)를 지지하기 위한 일종의 받침대이다. 이러한 베이스부(10)는 에미터부(20)가 놓이는 상면이 평탄한 플레이트 형상으로 마련될 수 있다. 한편, 베이스부(10)에는 자세히 도시되지 않았으나, 상술한 캐소드와 같은 전극이 마련될 수 있다.

에미터부(20)는 베이스부(10)에 대해 지지되며, 적어도 하나 마련된다. 이러한 에미터부(20)는 도 2와 같이, 에미터 몸체(21) 및 에미터 돌기(22)를 포함하는 일종의 포인트 에미터 전극이다.

에미터 몸체(21)는 후술할 고정부(30)에 지지되어 간섭된다. 여기서, 에미터 몸체(21)는 플레이트 형상을 가질 수 있다.

에미터 돌기(22)는 에미터 몸체(21)로부터 전자 방출 방향으로 단부가 뾰족한 첨단 형상으로 마련된다. 여기서, 에미터 돌기(22)는 일종의 팁(Tip)과 같이, 첨단(尖端)을 가지도록 에미터 몸체(21)로부터 일체로 연장되어 마련된다. 이때, 에미터 돌기(22)는 에미터 몸체(21)의 일측 변으로부터 복수개가 일체로 연장되며, 연장되는 방향은 후술할 게이트(2)와 마주하는 전자 방출 방향이다.

여기서, 하나의 에미터 몸체(21)로부터 돌출된 에미터 돌기(22)의 개수는 도시된 예로만 한정되지 않는다.

참고로, 에미터 몸체(21) 및 에미터 돌기(22)는 상호 일체인 금속 또는 탄소 계열 물질로 구성될 수 있다. 여기서, 에미터부(20)의 에미터 돌기(22)는 에미터 몸체(21)로부터 상대적으로 돌출된 첨단 형상을 가짐으로써, 에미터 돌기(22)로부터 나노 소재인 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)가 상대적으로 집중 성장될 수 있다.

탄소나노튜브의 성장 공정은 탄화수소 기체를 공급하는 플라즈마 화학증착 공정(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 열 화학기상증착 공정(Thermal CVD; Thermal Chemical Vapor Deposition)을 이용할 수 있다. 이러한 탄소나노튜브의 성장 공정은 본 발명의 요지가 아니므로, 자세한 도시 및 설명은 생략한다.

한편, 에미터부(20)는 단일개로 마련될 수 있으나, 도 3과 같이 복수개가 동시에 베이스부(10)에 지지될 수도 있다. 이러한 에미터부(20)가 복수개 마련되는 구성은 고정부(30)의 구성과 함께, 보다 자세히 후술한다.

고정부(30)는 베이스부(10)에 대해 적어도 하나의 에미터부(20)를 자세 고정시킨다. 이러한 고정부(30)는 도 3의 도시와 같이, 볼트와 같은 소정 고정수단을 포함할 수 있다. 한편, 고정부(30)는 전도성 재질로 마련될 수 있으며, 바람직하게는 금속 재질로 마련될 수 있다. 그로 인해, 고정부(30)는 에미터 전극인 에미터부(20)를 관통하여 베이스부(10)에 결합되도록 마련됨으로써, 복수의 에미터부(20)를 상호 전극 체결되도록 할 수 있다.

즉, 에미터부(20)는 하나 또는 복수개 마련되되, 고정부(30)가 에미터부(20)를 관통하여 베이스부(10)에 결합됨으로써, 에미터부(20)를 상호 전극 체결시킨다.

참고로, 본 실시예에서는 한 쌍의 고정부(30)가 복수의 에미터부(20)를 관통하여 베이스부(10)에 고정시키는 것으로 예시하나, 도시된 예로만 한정되지 않는다.

고정부(30)가 삽입될 수 있도록, 에미터부(20)의 에미터 몸체(21)에는 고정홀(31)이 적어도 하나 관통 형성된다. 이때, 에미터부(20)가 복수개 마련될 경우, 에미터부(20)는 상호 동일한 형상을 가지며, 상호 대응되는 위치에 고정홀(31)이 각각 관통 형성된다. 그로 인해, 에미터부(20)의 개수에 상관없이 고정부(30)가 복수의 에미터부(20)에 각각 마련된 고정홀(31)을 순차적으로 경유하여, 베이스부(10)에 대해 복수의 에미터부(20)를 고정시킬 수 있다.

한편, 에미터부(20)의 개수는 도 4 내지 도 7과 같이, 다양하게 변형할 수 있다.

즉, 사용 조건에 따라 에미터부(20)의 개수를 자유롭게 조절할 수 있는 것이다. 예컨대, 도 4의 도시와 같이, 스페이서(S)를 사이에 두고 2개의 에미터부(20)가 볼트를 포함하는 고정부(30)에 의해 관통되어 베이스부(10)에 고정될 수 있다.

또는, 도 5의 도시와 같이, 스페이서(S)를 사이에 두고 3개, 4개 및 5개의 에미터부(20)가 고정부(30)에 의해 스페이서(S)와 체결되도록 고정될 수 있다.

참고로, 스페이서(S)를 사이에 두고 복수의 에미터부(20)가 마련되지 않고, 복수의 에미터부(20)가 상호 면접촉되도록 상호 나란하게 마련되는 변형예도 가능하다.

또한, 도 4 내지 도 5에서는 복수의 에미터부(20)가 상호 동일 형상을 가지고 상호 고정부(30)에 전극 체결되는 것으로 예시하나, 복수의 에미터부(20)가 서로 다른 형상을 가지는 변형예도 가능하다. 예컨대, 복수의 에미터(20)가 서로 다른 높이의 에미터 돌기(22)를 가지거나, 서로 다른 개수의 에미터 돌기(22)가 에미터 몸체(21)로부터 돌출되는 다양한 실시예들이 가능한 것이다.

이러한 구성으로 인해, 사용자가 3mA 이하의 전류가 필요할 때에는 에미터부(20)를 1개만 고정부(30)를 이용해 베이스부(10)에 고정시킬 수 있다. 또는, 10mA 정도의 많은 전류가 필요할 때에는 5개의 에미터부(20)를 동시에 고정부(30)가 베이스부(10)에 고정시킬 수 있다.

여기서, 복수의 에미터부(20)의 사이에 스페이서(S)가 마련될 경우, 에미터부(20)들 사이의 간격을 스페이서(S)로 조절할 수 있어, 낮은 전류 흐름에 따른 스크리닝 효과를 기대할 수 있다.

이상과 같은 에미터(1)는 엑스레이 장치(100)의 전자방출 소스로써, 에미터부(20)의 개수를 조절하여 방출하는 전자의 전류 크기를 조절할 수 있다.

게이트(2)는 에미터(1)와 마주하여, 에미터(1)로부터 방출된 전자를 추출한다. 이를 위해, 게이트(2)는 전자를 추출하기 위한 게이트홀(2a)이 관통 형성되는 얇은 판상의 전극으로 마련된다.

또한, 게이트(2)는 에미터부(20)의 에미터 돌기(22)의 첨단과 소정 간격(d) 이격된 위치에 적층되도록 마련된다. 즉, 게이트(2)를 관통하지 않고 에미터 돌기(22)는 게이트(2)와 이격된 간격(d)을 유지하는 것이다. 이러한 게이트(2)는 에미터 돌기(22)와 일정 간격(d)을 두고 마주함으로써, 에미터 돌기(22)로부터 성장되어 방출된 전자를 게이트홀(2a)을 통해 무리없이 통과하여 효율적으로 방출할 수 있다. 여기서, 게이트(2)와 에미터 돌기(22) 사이의 간격(d)은 대략 0.3 내지 0.5mm 이내로 마련되어, 게이트(2)의 누설율을 저하시킴이 좋다.

참고로, 게이트(2)의 게이트홀(2a)의 개수, 형상 및 크기 등의 조건은 도시된 예로만 한정되지 않으며, 게이트홀(2a)이 메쉬 형태로 게이트(2)에 마련되는 것과 같이, 다양한 변형예가 가능하다.

애노드(3)는 게이트(2)와 마주하여, 전자의 진행 방향을 안내한다. 즉, 에미터(1)로부터 발생된 전자는 게이트(2)를 통과하여 추출된 후에, 애노드(3)에 간섭되어 진행 방향이 안내된다. 이러한 애노드(3)는 전자와 충돌하기 위한 반사면을 구비하며, 본 실시예에서는 반사면이 대략 12.5도 정도의 경사각도(a)를 가지는 것으로 예시하였으나, 도 1에 도시된 예로만 한정되지 않는다.

이상과 같은 구성을 가지는 엑스레이 장치(100)의 에미터(1), 게이트(2) 및 애노드(3)는 중공의 챔버(4)의 내부에 지지된다. 이러한 챔버(4)는 절연성 재질로 마련되어, 엑스레이 발생을 위한 전자와의 전기적 간섭을 억제함이 좋다. 본 실시예에서는 챔버(4)가 원통 형상을 가지는 것으로 예시하나, 엑스레이 발생 조건 및 사용 환경 등에 따라 챔버(4)의 형상은 변형 가능하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 엑스레이 장치(100)의 엑스레이 발생 동작을 정리하면, 다음과 같다.

도 1 및 도 2와 같이, 챔버(4)의 하부에 마련된 에미터(1)로부터 전자가 방출된다. 여기서, 에미터(1)는 도 3과 같이, 에미터 몸체(21)로부터 일체로 연장된 첨단 형상을 가지는 복수의 에미터 돌기(22)를 포함하는 에미터부(20)로 마련되며, 에미터부(20)는 도 4 내지 도 5와 같이 사용 조건에 따라, 개수가 가변된다. 이때, 에미터부(20)는 복수개가 상호 나란하게 배치된 상태에서 고정부(30)에 의해 베이스부(10)로 고정된다. 그로 인해, 복수의 에미터부(20)는 상호 전극 체결되어, 전기적으로 연결될 수 있다.

이러한 에미터(1)로부터 발생된 전자는 게이트(2)를 통과하여 추출되며, 추출된 전자는 애노드(3)로부터 반사되어 엑스레이로 전환되어 챔버(4)의 외부로 안내된다.

한편, 도 8을 참고하면, 에미터(1)로부터 발생된 전자가 게이트(2)로부터 추출됨에 있어서의 게이트 누설율을 비교한 그래프가 개략적으로 도시된다. 도 8과 같이, 게이트 전압에 따른 전류를 비교한 결과, 게이트 누설이 대략 20% 이하임을 확인할 수 있다. 즉, 에미터(1)가 뾰족한 첨단 형상의 에미터 돌기(22)를 구비함으로써, 종래의 에미터와 비교하여 2배가량의 전류가 발생된다. 이때, 에미터 돌기(22)와 게이트(2)가 0.3 내지 0.5mm 정도의 간격을 유지함으로써, 게이트(2)를 통과하는 전자의 누설율이 낮음을 확인할 수 있다.

도 9를 참고하면, 종래의 엑스레이 장치(100)의 입자 궤적(Particle Trajectory) 분포가 개략적으로 도시된다. 도 9의 (a)는 엑스레이 장치(100)를 측면에서 개략적으로 바라본 상태이고, 도 9의 (b)는 엑스레이 장치(100)를 정면에서 개략적으로 바라본 상태이다. 도 9의 (a) 및 (b)와 같이, 에미터(1)로부터 발생된 전자는 게이트(2)를 통과하여 애노드(3)에 집중되어 충돌한다. 이때, 게이트(2)와 애노드(3)의 사이에는 1차 집속제어부(5)가 마련됨으로써, 게이트(2)를 통과한 전자가 애노드(3)로 집중된다.

하지만, 종래에는 1차 집속제어부(5)에서 집속된 전자가 포커싱 궤적구간(6)을 통과하면서 점차 집속력이 약화되어 애노드(3) 측에 도달하는 전자는 확산형태를 분포를 보이게 된다.

이에, 본 발명에서는 상기 1차 집속제어부(5)에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드(3) 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부(7)를 제공하게 된다.

상기 2차 집속제어부(7)는 포커싱 궤적구간(6)에서 포물선 형태의 궤적을 보이는 전자를 끌어당겨 직선형태의 이동궤적을 갖도록 제어하게 된다.

도 10은 본 발명의 1실시예에 따른 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이고, 도 11은 본 발명의 2실시예에 따른 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이며, 도 12는 본 발명의 3실시예에 따른 엑스레이 장치의 입자 궤적 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 시뮬레이션이다.

도 10내지 도 13을 참고하면, 엑스레이 장치(100)의 에너지 분배 분포가 개략적으로 도시된다. 첨부도면에서와 같이, 1실시예, 2실시예, 3실시예 모두 에미터(1)로부터 발생된 전자는 게이트(2)를 통과하여 1차 집속제어부(5)로부터 에너지가 점차 집중되어 뾰족한 첨단형태가 유지되어 애노드(3)로 집속 안내됨을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 다양한 조건에 따라 에미터(1)의 전자 발생을 조절할 수 있어, 전자방출 특성 향상에 따른 고성능 및 고효율의 엑스레이 장치(100)의 제작이 가능하다.

도 13은 종래의 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이고, 도 14는 본 발명의 1실시예에 따른 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이며, 도 15는 본 발명의 2실시예에 따른 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이고, 도 16은 본 발명의 3실시예에 따른 엑스레이 장치의 에너지 분배 분포를 개략적으로 도시한 전기장 분석 그래프이다.

도 13은 2차 집속제어부를 형성하지 않은 레이저 장치의 시뮬레이션 결과로서, 에너지 분배상태가 중앙에 몰려서 형성되는 것을 알 수 있고, 이에 반해, 본발명의 도 14 내지 도 16에 개시된 1, 2, 3실시예에서의 에너지 분배상태는 고르게 분포되어 균일한 형태를 보이는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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.

100: 엑스레이 장치 1: 에미터
2: 게이트 3: 애노드
4: 챔버 5: 1차 집속제어부
5a: 시작단부 5b: 토출단부
6: 포커싱 궤적구간 7: 2차 집속제어부
10: 베이스부 20: 에미터부
21: 에미터 몸체 22: 에미터 돌기
30: 고정부

Claims (10)

1. 전자를 방출하는 에미터;
   상기 에미터와 마주하여, 상기 에미터로부터 방출된 전자를 추출하는 게이트;
   상기 게이트와 마주하여, 상기 전자의 진행 방향을 안내하는 애노드;
   상기 게이트의 전자방출 방향에 설치되어 게이트를 통과하는 전자를 집속시켜 상기 애노드로 안내하는 1차 집속제어부; 및
   상기 1차 집속제어부에 의해 제어되는 전자 방출경로의 외경을 감싸는 외부자기장을 형성시켜 애노드 표면에 도달하는 전자의 집속 단부가 확산되지 않고 뾰족한 첨단의 형태가 유지되도록 초점제어가 가능한 2차 집속제어부;
   를 포함하는 엑스레이 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1차 집속제어부와 애노드 사이를 일정거리 이격시켜서 1차 집속제어부를 통과한 전자가 포커싱 궤적을 따라 이동되도록 하는 포커싱 궤적구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 1차 집속제어부의 시작단부로부터 애노드 본체까지를 포함하도록 2차 집속제어부를 형성하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 1차 집속제어부의 토출단부에서 애노드 본체까지를 포함하도록 2차 집속제어부를 형성하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 1차 집속제어부의 시작단부에서 애노드 본체 이후의 장치전체를 포함하도록 2차 집속제어부를 형성하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 2차 집속제어부는 영구자석 또는 전자석 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 에미터, 게이트 및 애노드를 내부에 지지하는 챔버를 더 포함하는 엑스레이 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 챔버 외경에 2차 집속제어부를 형성하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 챔버 외경에서 2차 집속제어부가 전자 방출방향으로 위치가 가변되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 에미터는, 베이스부;
    상기 베이스부에 대해 지지되되, 전자의 방출 방향으로 돌출된 첨단 형상을 가지고 상기 전자를 방출하는 적어도 하나의 에미터부; 및
    상기 베이스부에 대해 상기 적어도 하나의 에미터부를 자세 고정시키는 고정부; 를 포함하며,
    상기 에미터부의 개수는 조절되어 상기 고정부에 의해 전극 체결되는 엑스레이 장치.

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