KR20240053255A - 엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엑스선 소스 오프(off)시 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 최소화하여 엑스선 소스의 고속 펄스 구동을 가능케 하고 원치 않는 엑스선 출력을 감소할 수 있는 엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치에 관한 것으로, 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 타겟을 갖는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 전계방출형 엑스선 소스와, 전원 공급부로부터 공급되는 전압으로 상기 애노드 전극, 캐소드 전극, 게이트 전극으로 각각 인가되는 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 생성하는 고전압 생성부와, 상기 엑스선 소스를 온/오프 제어하는 컨트롤러와, 상기 엑스선 소스의 오프 시에 상기 게이트 전극의 전위를 상기 캐소드 전극의 전위와 등전위로 가변시키는 게이트 전위 가변부를 포함함을 특징으로 한다.

Description

엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치{X-ray source driving device and X-ray generator using the same}

본 발명은 엑스선 소스 구동장치에 관한 것으로, 특히 엑스선 소스 오프(off)시 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 최소화하여 엑스선 소스의 고속 펄스 구동을 가능케 하고 원치 않는 엑스선 출력을 감소할 수 있는 엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치에 관한 것이다.

엑스선 촬영장치는 일정량의 엑스선을 촬영대상에 조사하고, 촬영대상을 투과한 엑스선을 엑스선 센서로 감지하여, 감지된 전기적 신호를 바탕으로 촬영대상의 내부에 대한 엑스선 영상을 재구성하는 장치를 말한다.

이러한 엑스선 촬영장치는 엑스선을 생성해서 촬영대상에 조사하는 엑스선 발생장치를 포함하고, 엑스선 발생장치는 엑스선을 생성하는 엑스선 소스(엑스선 튜브 또는 엑스선관) 및 이의 구동을 위한 구동장치를 포함한다. 엑스선 발생장치는 의료, 치과용이나 비파괴 검사용, 화학분석용 등 다양한 검사장치(진단장치)에 사용되고 있다.

종래의 엑스선 소스는 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하여 고전압으로 텅스텐 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키고, 방출된 열전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 열음극 방식의 구조를 갖는 것이 일반적이었으나, 최근에는 열음극 대비 실온 구동 및 빠른 스위칭이 가능하다는 장점이 부각되면서 냉음극 전자 방출원인 탄소나노소스(CNT) 등의 나노 구조물을 에미터(emitter)로 사용하는 전계방출형 엑스선 소스의 보급이 급속히 이루어지고 있다.

전계방출형 엑스선 소스(이하, 엑스선 소스)는 도 1에 도시한 바와 같이 캐소드 전극(C)과 애노드 전극(A)에 엑스선 출력 전압인 관전압을 인가하고, 게이트 전극(G)으로 인가되는 게이트 전압으로 에미터(E)의 전자방출(e)을 유도함으로써 전자를 애노드 전극(A) 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선 출력이 이루어지도록 한다. 즉, 엑스선 소스는 게이트 전극(G)에 인가되는 게이트 전압을 제어하여 엑스선 출력을 온/오프 제어한다.

이러한 경우 이론상으로는 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 빠르게 하면 엑스선 출력의 고속 펄스 구동(고속 제어)이 가능하다.

그러나 엑스선 소스 및 구동장치의 내부 회로의 RC 성분에 의한 잔류 전류로 인해 폴링 타임의 지연이 발생하게 되고, 이는 곧 엑스선 출력을 고속 제어하는데 하나의 장애요인으로 작용하기에 이를 해결하기 위한 방안이 필요하다.

또한 엑스선 출력을 정지시킬 경우(엑스선 오프)에도 위와 같은 이유로 폴링 타임의 지연이 발생되어 원치 않는 지연시간 동안 엑스선에 불필요하게 노출되는 문제도 발생한다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0001119호

이에 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 창안된 발명으로써, 본 발명의 주요 목적은 엑스선 소스의 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 최소화하여 고속 펄스 구동이 이루어질 수 있도록 한 엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치를 제공함에 있다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 엑스선 소스의 오프(off)시 게이트 전압의 폴링 타임을 줄여 원치 않는 엑스선 노출시간을 최소화한 엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치를 제공함에 있다.

또한 본 발명은 경량화 및 소형화가 가능한 고전압 생성부를 포함하되, 상기 고전압 생성부에서 출력되어 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 폴링 타임을 줄여 고속 펄스 구동이 가능한 엑스선 소스 구동장치 및 이를 이용한 엑스선 발생장치를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 타겟을 갖는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 전계방출형 엑스선 소스의 구동장치로서,

전원 공급부로부터 공급되는 전압으로 상기 애노드 전극, 캐소드 전극, 게이트 전극으로 각각 인가되는 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 생성하는 고전압 생성부와;

상기 엑스선 소스를 온/오프 제어하는 컨트롤러와;

상기 엑스선 소스의 오프 시에 상기 게이트 전극의 전위를 상기 캐소드 전극의 전위와 등전위로 가변시키는 게이트 전위 가변부;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 구성을 포함하는 엑스선 소스 구동장치에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 고전압 생성부를 오프해서 상기 엑스선 소스를 오프함을 특징으로 하며,

상기 게이트 전위 가변부는 상기 게이트 전압이 미리 정해진 기준 값 이하가 되면 상기 게이트 전극의 전위를 상기 캐소드 전극의 전위와 등전위로 가변시킴을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 게이트 전위 가변부는,

상기 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극 사이에 연결되는 스위칭 소자와;

상기 스위칭 소자와 상기 고전압 생성부 사이에 연결되는 제1저항과;

상기 스위칭 소자와 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항;을 포함함을 특징으로 하고,

경우에 따라서는 상기 게이트 전위 가변부는 상기 제1저항과 상기 스위칭 소자에 연결되는 역전류 유입 방지용 다이오드;를 더 포함할 수도 있다.

또한 상술한 구성을 포함하는 엑스선 소스 구동장치에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,

베이스가 공통 연결되고 상기 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되, 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 상기 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자와;

공통 연결된 상기 베이스와 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단 사이에 연결되는 제1저항과;

상기 제1 및 제2스위칭 소자의 에미터들 연결점과 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항;을 포함함을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는 엑스선 소스의 오프 시 게이트 전극의 전위를 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변시킴으로써, 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 현저히 줄여 고속 구동이 가능함은 물론 엑스선 노출시간을 최소화하는 효과를 제공한다.

또한 본 발명은 고전압 생성부 내에 구비되는 복수의 전압 변환부들의 절연거리를 줄일 수 있어 엑스선 발생장치를 경량화 및 소형화할 수 있다.

도 1은 엑스선 소스의 구조와 전원공급의 관계를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성 예시도.
도 3 및 도 4는 도 2 중 고전압 생성부의 구성 예시도.
도 5 내지 도 7은 도 2 중 게이트 전위 가변부의 또 다른 구성 예시도.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성 예시도.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성 예시도.
도 10은 게이트 전압의 파형 예시도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 한편 동일한 도면 부호는 동일한 특성을 갖는 구성요소임을 나타내는 것으로서, 한 도면에 관한 설명에서 언급된 것과 동일한 도면 부호를 갖는 구성요소에 대한 설명은 다른 도면에 대한 설명에서는 생략될 수 있다.

더 나아가 하기에서 사용되는 용어 중 스위칭 소자 및 스위칭부는 전압 혹은 전류를 이용하여 스위칭 온/오프 동작 가능한 전기(자)적, 기계적 스위치들(IGBT, FET, TR, 릴레이 스위치 등)을 포괄하는 것으로 가정하기로 한다.

우선 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성도를 예시한 것이며, 도 10은 이상적인 경우, 종래의 경우, 본 발명의 실시예에 따른 게이트 전압의 파형도를 예시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는 전자 방출원(에미터)을 갖는 캐소드 전극, 타겟을 갖는 애노드 전극, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 전계방출형 엑스선 소스(300, 이하 엑스선 소스)를 포함할 수 있다.

이러한 엑스선 소스는 세라믹 등 절연재질의 하우징에 의해 캐소드 전극, 게이트 전극, 및 애노드 전극이 차례로 대향 고정되어 하우징 내부의 진공 공간에서 게이트 전극을 사이에 두고 캐소드 전극의 에미터와 애노드 전극의 타겟이 서로 대향 배치된다. 그리고 애노드 전극과 캐소드 전극에 각각 애노드 전압과 캐소드 전압이 인가되고, 게이트 전극에 게이트 전압이 인가되면, 캐소드 전극의 에미터로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자는 캐소드 전극과 애노드 전극 간의 전위차로 인해 애노드 전극 측으로 가속되어 타겟에 충돌함으로써 엑스선이 출력되는 구성을 갖는다.

도 2에서는 전계방출형 엑스레이 소스(300)를 설명의 편의상 애노드 전극, 게이트 전극, 캐소드 전극으로 단순화하여 도시하였지만, 공지된 여러 형상 및 구조의 전계방출형 엑스선 소스에도 본 발명의 실시예들에 따른 엑스선 소스 구동장치를 적용할 수 있다.

한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는 전원 공급부(100)로부터 공급되는 전압을 엑스선 소스(300)의 애노드 전극, 캐소드 전극, 게이트 전극으로 각각 인가하기 위한 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압으로 변환해 출력하는 고전압 생성부(200)를 더 포함한다.

상기 전원 공급부(100)는 배터리로부터 공급되는 전원이나, 전원 어댑터로부터 전원 케이블을 통해 공급된 전원을 이용하여 장치 내부의 컨트롤러(400), 고전압 생성부(200)에 소정 전압의 전원을 제공한다.

고전압 생성부(200)는 상기 전원 공급부(100)로부터 전원을 공급받아 애노드 전극, 캐소드 전극, 게이트 전극으로 각각 인가되는 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 변환 출력한다.

이러한 고전압 생성부(200)는 도 3과 도 4에 도시한 구성들을 포함할 수 있다. 이는 하나의 예시일 뿐 게이트 전압을 생성하여 게이트 전극으로 인가하는 공지의 고전압 생성회로를 이용하여 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.

도 3을 참조하면, 고전압 생성부(200)는 전원부(100)로부터 소정의 전압을 인가받아 승압하기 위한 제1 및 제2전압 변환부(210, 220)를 포함할 수 있다.

고전압 생성부(200)는 애노드 전극과 캐소드 전극에 각각 인가되는 애노드 전압과 캐소드 전압을 생성하는 제1전압 변환부(210)와 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압을 생성하는 제2전압 변환부(220)를 포함할 수 있다.

이때, 제1전압 변환부(210)의 하이 전압은 애노드 전극에 인가되고, 제2전압 변환부(220)의 하이 전압은 게이트 전극에 인가되며, 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)의 로우 전압은 공통(common) 연결되어 캐소드 전극에 인가될 수 있다.

참고로, 치과용 엑스선 영상 촬영을 위한 엑스선 소스의 경우 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 50~100 kV의 상대적으로 높은 전위차를 가지고, 상기 캐소드 전극과 게이트 전극은 0.5~20 KV의 상대적으로 낮은 전위차를 가질 수 있다. 이는 하나의 예시일 뿐 이에 국한되지 않는다.

상술한 제1전압 변환부(210)는 캐소드-애노드 간 전압 레벨을 위한 전원부로, 제1인버터(211), 제1트랜스포머(212), 제1-1배전압부(213) 및 제1-2배전압부(214)로 구성될 수 있다

제2전압 변환부(220)는 캐소드-게이트 간 전압 레벨을 위한 전원부로, 제2인버터(221), 제2트랜스포머(222) 및 제2배전압부(223)로 구성될 수 있다. 제1-1배전압부(213), 제1-2배전압부(214) 및 제2배전압부(223)는 입력 전압을 n배의 전압으로 승압하는 n배 전압 정류회로 또는 코크로프트 배전압 정류회로로서 구성될 수 있다.

제1전압 변환부(210)의 제1인버터(211)는 전원부(100)로부터 입력된 전원을 직류전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 제1트랜스포머(212)는 제1인버터(211)에서 출력된 전압을 1차 승압할 수 있다.

일 실시예로서, 캐소드 전극에 음(-) 전압을 인가하고, 애노드 전극에 양(+) 전압을 인가하는 양전원(dual power supply)을 가정하면, 제1-1배전압부(213)는 제1트랜스포머(212)의 2차측 양(+) 전극 전압을 배압하여 애노드 전극에 인가할 수 있고, 제1-2배전압부(214)는 제1트랜스포머(212)의 2차측 음(-) 전극 전압을 배압하여 캐소드 전극에 인가할 수 있다. 이를 위해 제1-1배전압부(213)와 제1-2배전압부(214)는 센터 접지될 수 있다.

그리고 제2전압 변환부(220)의 제2인버터(221)는 전원부(100)로부터 입력된 전원을 직류전압으로 변환하여 출력하고, 제2트랜스포머(222)는 제2인버터(221)에서 출력된 전압을 1차 승압하며, 제2배전압부(223)는 제2트랜스포머(222)의 2차측 양(+) 전극 전압을 게이트 전압으로 배압하여 게이트 전극에 인가할 수 있다.

특히, 본 실시예에서는 캐소드 전극과 제2트랜스포머의 2차측 음(-) 전극을 커먼(common)으로 연결하여 제2전압 변환부(220)의 제2인버터(221)와 제2배전압부(223)을 전기적으로 절연(isolation)시킴과 동시에, 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)의 2차측이 실질적으로 연결된 회로가 되도록 함으로써, 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)의 절연거리를 줄일 수 있다.

또 다른 구성의 고전압 생성부(200)를 도시한 도 4를 참조하면, 고전압 생성부(200)는 전원부(100)로부터 소정의 전압을 인가받아 애노드 전압과 캐소드 전압과 게이트 전압을 생성하는 제1 및 제2전압 변환부(210, 220)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 고전압 생성부(200)는 애노드 전극에 애노드 전압을 인가하기 위한 제1전압 변환부(210)와, 게이트 전극에 게이트 전압을 인가하기 위한 제2전압 변환부(220)를 포함할 수 있다.

이때, 제1전압 변환부(210)의 하이 전압은 애노드 전극에 인가되고, 제2전압 변환부(220)의 하이 전압은 게이트 전극에 인가되며, 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)의 로우 전압은 공통(common) 연결되어 캐소드 전극에 인가될 수 있다.

특히 고전압 생성부(200)는 캐소드 전극에 음(-) 전압을 인가하고, 애노드 전극에 0V를 인가하는 마이너스(-) 단전원(single power supply)을 포함할 수 있다. 게이트 전극에는 캐소드 전극의 전압을 기준으로 수 kV 높은 음(-) 전압을 인가할 수 있다. 이를 위해 제1전압 변환부(210)의 제1배전압부(213)는 제1트랜스포머(212)의 2차측 양(+) 전극 전압을 접지 연결하여 애노드 전극에 0V를 인가할 수 있다. 또한, 제1트랜스포머(212)의 2차측 음(-) 전극 전압을 배압하여 캐소드 전극에 - 수 십∼수 백 kV를 인가할 수 있다.

그리고 제2전압 변환부(220)의 제2배전압부(223)는 제2트랜스포머(222)의 2차측 양(+) 전극 전압을 게이트 전압으로 배압하여 게이트 전극에 인가할 수 있다.

특히, 본 실시예에서는 캐소드 전극과 제2트랜스포머(222)의 2차측 음(-) 전극을 커먼(common)으로 연결하여 제2전압 변환부(220)의 제2인버터(221)와 제2배전압부(223)을 전기적으로 절연(isolation)시킴과 동시에, 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)의 2차측이 실질적으로 연결된 회로가 되도록 함으로써, 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)의 절연거리를 줄일 수 있다.

이하 도 2를 다시 참조하면, 전원 공급부(100), 고전압 생성부(200), 엑스선 소스(300) 외에 본 발명의 제1실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는, 상기 고전압 생성부(200)의 전압 출력을 제어하는 컨트롤러(400)와, 엑스선 소스의 오프에 따른 게이트 전압의 폴링 에지(edge)시에 게이트 전극의 전위를 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변시키기 위한 게이트 전위 가변부(500)를 더 포함한다.

상기 컨트롤러(400)는 고전압 생성부(200)를 구성하는 전압 변환부들(210,220) 내의 인버터를 온/오프 제어해서 애노드 전압, 게이트 전압, 캐소드 전압의 출력을 제어할 수 있다. 도 8과 도 9에서 언급하겠지만 이와 달리 컨트롤러(400)는 전압 변환부들(210,220)의 직접적인 제어 없이, 즉 엑스선 소스(300)의 구동중 전압 변환부들(210,220)로부터 각 전극에 인가하기 위한 구동전압이 생성되도록 하고, 게이트 전압이 전달되는 경로 만을 단속 제어하여 엑스선 출력의 제어가 이루어지도록 할 수도 있다.

게이트 전위 가변부(500)는 고전압 생성부(200)에서 출력되는 게이트 전압을 게이트 전극에 전달하되, 엑스선 소스의 오프 시 게이트 전극의 전위를 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변시켜 게이트 전압의 폴링 타임을 단축시키는 역할을 수행한다.

이러한 게이트 전위 가변부(500)는 도 5에 도시한 바와 같이, 엑스선 소스의 게이트 전극과, 캐소드 전극 사이에 연결되는 스위칭 소자 Q1과, 설명의 편의상 스위칭 소자 Q1을 트랜지스터로 가정하면, 상기 스위칭 소자 Q1의 베이스와 고전압 생성부(200)의 게이트 전압 출력단 사이에 연결되는 전압 강하용 제1저항(R1)과, 상기 스위칭 소자 Q1의 에미터와 엑스선 소스의 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항(R2)을 포함한다.

이와 같은 구성의 게이트 전위 가변부(500)를 포함하는 전계방출형 엑스선 소스 구동장치의 동작을 도 2, 3, 4, 5를 참조하여 부연 설명하면,

우선 컨트롤러(400)는 애노드 전극, 게이트 전극, 캐소드 전극 각각에 애노드 전압, 게이트 전압, 캐소드 전압이 인가되도록 고전압 생성부(200)내의 제1전압 변환부(210)와 제2전압 변환부(220)를 제어한다. 즉, 컨트롤러(400)는 각 전압 변환부(210,220)내 인버터를 구동시키기 위한 제어신호를 출력해 애노드 전압, 게이트 전압, 캐소드 전압의 출력이 이루어지도록 한다.

이와 같이 각 전극에 각각의 전압이 인가되면 캐소드 전극의 에미터에서 방출된 전자가 충분히 가속되어 애노드 전극의 타겟에 충돌하면서 엑스선이 출력(방출)될 수 있다.

만약 엑스선 출력을 오프시키기 위해 컨트롤러(400)가 고전압 생성부(200) 내 제2전압 변환부(220)를 제어해 게이트 전압의 출력을 차단하면, 게이트 전압의 레벨이 하강하는 폴링 에지시에 스위칭 소자인 Q1의 에미터 전위가 엑스선 소스(300)의 내부 RC 성분에 의해 상대적으로 높은 상태가 되고, 스위칭 소자 Q1은 턴온된다. 그 결과 엑스선 소스(300)의 게이트 전극의 전위가 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변됨으로써, 엑스선 소스(300) 내부 회로의 RC 성분에 의한 잔류 전류가 신속히 제거되어 결과적으로 게이트 전극에 인가되는 구동전압의 폴링 타임을 단축시키는 결과를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 실시예는 엑스서 소스의 오프에 따른 게이트 전압의 폴링 에지시에 게이트 전극의 전위를 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변시키도록 게이트 전위 가변부(500)를 구비함으로써, 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 줄여 엑스선 소스의 고속 펄스 구동이 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 펄스 동작 뿐만 아니라 엑스선 소스의 오프 후 잔류 엑스선이 방출되는 시간을 최소화 할 수 있는 효과를 제공한다.

한편 도 6은 도 2에 도시한 게이트 전위 가변부(500)의 또 다른 구성도를 예시한 것으로, 도 5에 도시된 게이트 전위 가변부(500)의 상세 구성에 역전류 유입 방지용 다이오드(D1)를 추가한 경우를 도시한 것이다. 이러한 게이트 전위 가변부(500)의 동작은 고전압 생성부(200), 보다 구체적으로는 제2전압 변환부(220)로의 역전류 유입을 방지하기 위한 것 외에 도 5에서 설명한 게이트 전위 가변부(500)와 동일하므로 이하 생략하기로 한다.

도 7은 도 2에 도시한 게이트 전위 가변부(500)의 또 다른 구성도를 예시한 것으로, 도시한 게이트 전위 가변부(500)는, 베이스가 공통 연결되고 엑스선 소스의 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되, 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 엑스선 소스의 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자(Q2,Q3)와, 공통 연결된 상기 베이스와 상기 게이트 전압 출력단 사이에 연결되는 제1저항(R1)과, 상기 제1 및 제2스위칭 소자(Q2,Q3)의 에미터들 연결점과 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항(R2)을 포함한다.

이러한 게이트 전위 가변부(500)에서 NPN 트랜지스터에 해당하는 제1스위칭 소자(Q2)와 PNP 트랜지스터에 해당하는 제2스위칭 소자(Q3)는 서로 연결된 베이스에 인가되는 게이트 전압의 레벨에 따라 각각 교번적으로 턴온, 턴오프 동작한다. 즉, 게이트 전압이 '하이'가 되면 제2스위칭 소자 Q3는 턴오프 되고, 제1스위칭 소자 Q2는 턴온되어 게이트 전극에 게이트 전압이 인가된다.

이에 반해, 엑스선 소스의 오프에 따라 게이트 전압이 폴링 에지로 천이되어 일정 전압 레벨 이하가 되면 제1스위칭 소자 Q2가 턴오프되고, 제2스위칭 소자 Q3가 턴온되어 게이트 전극의 전위가 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변됨으로써 게이트 전압의 폴링 타임을 줄일 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성도를 예시한 것이다.

도 8에 도시한 엑스선 소스 구동장치는, 도 2에서와 같이 에미터를 갖는 캐소드 전극, 타겟을 갖는 애노드 전극, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되는 게이트 전극을 포함하는 전계방출형 엑스선 소스(300)와, 전원 공급부(100)로부터 공급되는 전압을 상기 애노드 전극, 캐소드 전극, 게이트 전극으로 각각 인가하기 위한 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 생성하는 고전압 생성부(200)와, 게이트 전극으로 인가되는 게이트 전압을 단속하기 위한 스위치 제어신호(CS)를 출력하는 컨트롤러(400)와, 상기 스위치 제어신호에 따라 게이트 전압을 상기 게이트 전극에 인가하거나 차단하되, 차단시 게이트 전극의 전위를 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변시키는 게이트 전위 가변부(500)를 포함한다. 그리고 컨트롤러(400)는 애노드 전압, 게이트 전압, 캐소드 전압의 생성 및 출력을 제어할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 게이트 전위 가변부(500)는 도 8에 도시한 바와 같이, 베이스가 공통 연결되고 엑스선 소스(300)의 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부(200)의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 엑스선 소스(300)의 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자(Q2,Q3)와, 상기 게이트 전압 출력단과 상기 베이스 사이에 연결되어 상기 스위치 제어신호(CS)에 따라 스위칭 온오프 동작하는 스위칭부(SW)와, 상기 스위칭부(SW)의 일측과 상기 베이스 사이에 연결된 제1저항(R1)과, 상기 제1 및 제2스위칭 소자(Q2,Q3)의 에미터들 연결점과 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항(R2)을 포함한다.

상기 스위칭부(SW)는 상기 스위치 제어신호(CS)에 따라 스위칭 온오프 동작하는 전기적 혹은 기계적 스위치일 수 있다.

상술한 구성들을 포함하는 게이트 전위 가변부(500)에서, NPN 트랜지스터에 해당하는 제1스위칭 소자(Q2)와 PNP 트랜지스터에 해당하는 제2스위칭 소자(Q3)는 서로 연결된 베이스를 통해 입력되는 게이트 전압의 레벨에 따라 각각 교번적으로 턴온, 턴오프 동작할 수 있는데, 스위칭부(SW)의 온오프 상태에 따라 그 동작이 좌우된다.

즉, 스위치 제어신호(CS)가 스위칭부(SW)에 전달되어 스위칭 온 동작이 이루어지면 '하이'상태의 게이트 전압이 인가되는 구간에서는 제2스위칭 소자 Q3가 턴오프 되고, 제1스위칭 소자 Q2는 턴온되어 결과적으로 게이트 전극에 구동전압이 인가된다.

이에 반해, 스위치 제어신호(CS)가 차단되어 스위칭부(SW)가 스위칭 오프되면 제1스위칭 소자 Q2가 턴오프되고, 제2스위칭 소자 Q3가 턴온되어 게이트 전극의 전위가 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변됨으로써 게이트 전압의 폴링 타임은 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이 현저히 줄어든다.

따라서 본 발명의 제2실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치 역시 고속 펄스 구동이 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 엑스선 소스의 오프시 잔류 엑스선에 노출되는 시간을 줄여줄 수 있는 효과를 제공한다.

상술한 제2실시예에서, 특히 컨트롤러(400)는 게이트 전압의 공급경로를 단속하는 것만으로도 엑스선 소스의 오프와 동시에 게이트 전압의 폴링 타임을 줄일 수 있기 때문에, 본 발명은 엑스선 발생장치의 용도, 사용환경에 맞춰 엑스선 소스 구동장치를 선택 사용할 수 있는 편의를 제공한다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성도를 예시한 것이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치 역시 에미터를 갖는 캐소드 전극, 타겟을 갖는 애노드 전극, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 엑스선 소스(300)와, 전원 공급부(100)로부터 공급되는 전압으로 상기 애노드 전극, 게이트 전극, 캐소드 전극에 각각 인가되는 애노드 전압, 게이트 전압, 캐소드 전압을 생성하는 고전압 생성부(200)와, 상기 게이트 전극으로 인가되는 상기 구동전압을 단속하기 위한 제어신호를 출력하는 컨트롤러(400)와, 상기 제어신호에 따라 상기 구동전압을 상기 게이트 전극에 인가하거나 차단하되, 차단시 상기 게이트 전극의 전위를 상기 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변시키는 게이트 전위 가변부(500)를 포함한다.

본 실시예에 따른 게이트 전위 가변부(500)는 도 9에 도시한 바와 같이, 베이스가 공통 연결되고 엑스선 소스(300)의 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되, 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부(200)의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 엑스선 소스(300)의 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자(Q2,Q3)와, 공통 연결된 상기 베이스와 상기 제어신호의 입력단 사이에 연결되는 제1저항(R1)과, 상기 제1 및 제2스위칭 소자(Q2,Q3)의 에미터들 연결점과 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항(R2)을 포함할 수 있다.

이러한 게이트 전위 가변부(500)에서, NPN 트랜지스터에 해당하는 제1스위칭 소자(Q2)와 PNP 트랜지스터에 해당하는 제2스위칭 소자(Q3)는 공통 연결된 베이스를 통해 입력되는 제어신호의 레벨에 따라 각각 교번적으로 턴온, 턴오프 동작한다. 즉, 제어신호의 레벨이 '하이'가 되면 제2스위칭 소자 Q3는 턴오프 되고, 제1스위칭 소자 Q2는 턴온되어 게이트 전극에 고전압 생성부(200)에서 출력되는 게이트 전압이 인가된다.

만약 엑스선 소스의 출력을 정지시키고자 제어신호의 레벨이 '로우'로 천이되면 제1스위칭 소자 Q2가 턴오프되고, 제2스위칭 소자 Q3가 턴온되어 게이트 전극의 전위가 캐소드 전극의 전위와 동전위로 가변되어 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 폴링 타임은 급격히 감소한다.

이에 본 발명의 제3실시예 역시 엑스선 소스의 고속 펄스 구동이 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 엑스선 소스의 오프시 게이트 전압의 폴링 타임이 줄어 결과적으로 전류 엑스선 방출 시간을 크게 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

참고적으로 도 10은 게이트 전압의 온/오프 시 각각 (a)이상적인 게이트 전압의 파형, (b) 본 발명이 적용되지 않은 종래의 게이트 전압파형, (c)본 발명이 적용된 경우의 게이트 전압 파형을 나타낸 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스의 구동장치는 엑스선 소스의 오프 시 게이트 전극과 캐소드 전극을 등전위로 가변시킴으로써 게이트 전압의 폴링 타임(falling time)을 현저히 줄여 엑스선 소스의 고속 펄스 구동이 가능함은 물론, 엑스선 소스의 오프 후 잔류 엑스선 노출시간을 최소화하는 효과를 제공한다.

아울러 본 발명은 도 3과 도 4에 도시한 전압 변환부들을 고전압 생성부(200)의 일 구성으로 포함할 수 있어, 결과적으로 전압 변환부들의 절연거리를 줄여 장치를 경량화 및 소형화할 수 있는 장점도 제공한다.

이상 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는 의료, 치과용이나 비파괴 검사용, 화학분석용 등 다양한 엑스선 발생장치들에 적용되어 활용될 수 있다. 또한 본 발명은 제1전압 변환부와 제2전압 변환부가 각각 그라운드를 기준 전압으로 하여 애노드 구동전압과 게이트 전압을 생성하는 고전압 생성부를 이용할 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 타겟을 갖는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 전계방출형 엑스선 소스의 구동장치에 있어서,
   전원 공급부로부터 공급되는 전압으로 상기 애노드 전극, 캐소드 전극, 게이트 전극으로 각각 인가되는 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 생성하는 고전압 생성부와;
   상기 엑스선 소스를 온/오프 제어하는 컨트롤러와;
   상기 엑스선 소스의 오프 시에 상기 게이트 전극의 전위를 상기 캐소드 전극의 전위와 등전위로 가변시키는 게이트 전위 가변부;를 포함함을 특징으로 하는 엑스선 소스 구동장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
   상기 고전압 생성부를 오프해서 상기 엑스선 소스를 오프하는 엑스선 소스 구동장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,
   상기 게이트 전압이 미리 정해진 기준 값 이하가 되면 상기 게이트 전극의 전위를 상기 캐소드 전극의 전위와 등전위로 가변시키는 엑스선 소스 구동장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,
   상기 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극 사이에 연결되는 스위칭 소자와;
   상기 스위칭 소자와 상기 고전압 생성부 사이에 연결되는 제1저항과;
   상기 스위칭 소자와 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항;을 포함함을 특징으로 하는 엑스선 소스 구동장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,
   상기 제1저항과 상기 스위칭 소자에 연결되는 역전류 유입 방지용 다이오드;를 더 포함함을 특징으로 하는 엑스선 소스 구동장치.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,
   베이스가 공통 연결되고 상기 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되, 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 상기 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자와;
   공통 연결된 상기 베이스와 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단 사이에 연결되는 제1저항과;
   상기 제1 및 제2스위칭 소자의 에미터들 연결점과 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항;을 포함함을 특징으로 하는 엑스선 소스 구동장치.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 게이트 전극으로 인가되는 상기 게이트 전압을 차단하여 상기 엑스선 소스를 오프시키는 엑스선 소스 구동장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,
   베이스가 공통 연결되고 상기 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되, 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 상기 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자와;
   상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단과 상기 베이스 사이에 연결되는 스위칭부와;
   상기 스위칭부의 일측과 상기 베이스 사이에 연결된 제1저항과;
   상기 제1 및 제2스위칭 소자의 에미터들 연결점과 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항;을 포함하고,
   상기 컨트롤러는 상기 스위칭부를 오프 제어해서 상기 게이트 전압을 차단하는 엑스선 소스 구동장치.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 게이트 전위 가변부는,
   베이스가 공통 연결되고 상기 게이트 전극에 에미터가 공통 연결되되, 하나의 콜렉터는 상기 고전압 생성부의 게이트 전압 출력단에 연결되고 또 하나의 콜렉터는 상기 캐소드 전극에 연결되는 제1 및 제2스위칭 소자와;
   공통 연결된 상기 베이스와 제어신호의 입력단 사이에 연결되는 제1저항과;
   상기 제1 및 제2스위칭 소자의 에미터들 연결점과 상기 게이트 전극 사이에 연결되는 제2저항;을 포함하고,
   상기 컨트롤러는 상기 입력단에 상기 입력신호를 인가하여 상기 엑스선 소스를 오프시키는 엑스선 소스 구동장치.

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