WO2013154259A1

WO2013154259A1 - 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브

Info

Publication number: WO2013154259A1
Application number: PCT/KR2013/000127
Authority: WO
Inventors: 허성환; 조성오; 김현진; 하준목
Original assignee: PARTICLA CO Ltd; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: PARTICLA CO Ltd; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2014-10-13

Description

탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브

본 발명은 엑스선 튜브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브에 관한 것이다.

엑스선 튜브는, 음극(Cathode)과 양극(Anode) 사이에 고전압이 인가되면 필라멘트로 이루어진 음극에서 발생한 열전자(thermal electron)가 금속물질인 양극에 부딪치게 되어, 금속 내 전자와의 충돌로 엑스선을 발생시키는 원리를 이용한다.

엑스선 튜브 안은 전자가 타겟으로 날아가는 동안 분자와의 충돌에 의한 운동에너지 감소와 편향(defection)을 줄이기 위해 진공상태를 유지한다. 타겟은 얇은 금속막으로 되어 있으며 그 두께는 전자의 투과 깊이와 타겟에 서 발생하는 열의 흡수 능력을 고려하여 결정된다.

엑스선 튜브는 양극의 동작 방식에 따라 고정형 엑스선 튜브와 회전형 엑스선튜브로 나뉜다. 회전형 엑스선 튜브는 양극이 회전하여 타겟에서 발생하는 열을 분산시키는 기능 외에는 고정형 엑스선 튜브와 대체로 동일하다.

이와 같은 기존 엑스선 튜브의 경우에는, 타겟에서 발생한 엑스선이 중심선으로부터 음극 쪽으로 갈수록 강도가 강해져서 실효초점치수(effective focal spot size)가 커지고 반대로 양극 쪽으로 갈수록 엑스선 강도가 약하여져서 실효초점치수 가 작아지는 양극효과(anode heel effect)가 발생하게 된다.

이로 인해, 실제로 방사선 기사들이 엑스선 촬영 장치를 운용할 때, 두꺼운 부위를 측정할 때는 음극 쪽으로, 얇은 부위를 찍을 때는 양극 쪽으로 이동하면서 촬영한다. 이러한 불균일한 엑스선 강도 분포는 양극의 경사각도 때문에 발생하게 된다.

소형 엑스선 튜브는 지름 10mm 이하의 소형 엑스선 발생 장치이다. 협소한 공간에 설치가 용이하고, 전기적인 엑스선 제어가 가능하기 때문에 소형 엑스선 튜브는 방사성 동위원소를 대체하여 엑스선 비파괴 검사와 휴대용 엑스선 분광기, 전기적 근접암치료, 강내 삽입형 방사선 치료 혹은 의료 영상에 쓰일 수 있다.

소형 엑스선 튜브는 지금까지 열전자 에미터와 이차 엑스선원 등을 통해 개발되어 왔다.

이와중에, 열전자빔원에 비해 다양한 장점을 가진 탄소나노튜브 전자빔원을 이용한 엑스선 튜브가 활발히 개발되고 있다. 첫째로 전자빔 인출에 열이 거의 발생하지 않고, 둘째로 간략한 에미터 구조와 펄스 구동제어의 편리성, 셋째 고해상도 엑스선관에 있어서 높은 전자빔 휘도를 사용할 수 있는 장점이 있다.

지금까지 탄소나노튜브 기반의 다양한 엑스선 튜브가 개발되었지만, 그 중에 소형 엑스선 튜브는 진공 밀봉되어 있지 않은 채 외부 진공 펌프와 연결되거나, 진공 챔버 안에서 구동되는 것이었다. 게다가 최대 관전압이 30kV로 현실적으로 타 분야에 응용되지 않았다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다. 기존의 엑스선 튜브는 타겟에서 발생한 엑스선이 중심선으로부터 음극 쪽으로 갈수록 강도가 강해져서 실효초점치수(effective focal spot size)가 커지고 반대로 양극 쪽으로 갈수록 엑스선 강도가 약하여져서 실효초점치수 가 작아지는 양극효과(anode heel effect)가 발생하게 된다.

이로 인해, 실제로 방사선 기사들이 엑스선 촬영 장치를 운용할 때, 두꺼운 부위를 측정할 때는 음극 쪽으로, 얇은 부위를 찍을 때는 양극 쪽으로 이동하면서 촬영하는 과정에서 발생되는 불균일한 엑스선 강도 분포를 균일한 엑스선 강도 분포로 나타낼 수 있는 탄소나노튜브 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브는 원통형 형상으로 형성된 집속 전극을 구비하며, 상기 집속 전극 중심부에 삽입된 탄소나노튜브 전자빔 에미터를 통해 전자빔을 인출하는 전자빔 발생부; 상기 전자빔 발생부가 일면에 삽입되며, 상기 집속 전극을 감싸는 세라믹 튜브; 상기 전자빔이 인출되는 방향에 구비되어, 상기 전자빔이 충돌하여 치료 및 진단용 방사선을 발생시켜 전리 방사선을 대기중으로 방사하는 엑스선 투과창이 동시에 구비된 투과형 엑스선 타겟; 상기 투과형 엑스선 타겟과 상기 세라믹 튜브 사이에 구비된 연결 양극을 포함한다.

상기 엑스선 투과창은, 원통형, 원뿔형, 원뿔통형, 갓형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 엑스선 투과창은, 외측이 베릴륨, 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄 나이트라이드, 알루미늄베릴늄 합금, 산화 규소, 티타늄 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 엑스선 투과창은, 내측이 텅스텐, 이트륨, 몰리브데눔, 탄탈륨, 은 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전자빔 발생부는 상기 엑스선 튜브 내측 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 한다.

상기 엑스선 튜브의 단면 길이는 적어도 10mm 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브는 탄소나노튜브 전자빔 에미터 기반의 전자빔 발생부, 세라믹 튜브, 연결 양극, 엑스선 타겟이 구비되며, 상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터와 상기 세라믹 튜브, 상기 연결 양극, 상기 엑스선 타겟을 진공 납재 접착을 통해 진공밀봉하고, 상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터를 금속 나노 분말 공정을 통해 용융접합시키는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브는 금속 팁의 일 단면에 탄소나노튜브와 나노 금속 분말이 용융으로 접합된 팁 형상의 전계방출형 전자빔 에미터; 상기 전자빔 에미터 일 단면에 이격되어 설치된 연결 양극; 상기 전자빔 에미터와 상기 연결 양극 사이에 구비되며, 상기 전자빔 에미터와 상기 연결 양극 사이에 형성된 전자빔을 집속시키는 집속 전극을 포함한다.

상기 전자빔 에미터와 상기 집속 전극은 동일 전압으로 인가되나, 상기 연결 양극에 대하여 10~150 kV의 전압 차가 생성되며, 상기 집속 전극과 상기 연결 양극은 세라믹 절연체로 연결되는 이극관형 냉전계 전자빔 방출 구조로 체결되는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 절연체는 중공 원통 형상으로 일측 개구부에 상기 전자빔 에미터와 상기 집속 전극이 접합되고 타측 개구부는 연결 양극과 엑스선 타겟가 접합되어 내부가 고진공으로 유지되고 외부는 대기에 노출될 수 있도록 진공 밀봉되는 것을 특징으로 한다.

상기 엑스선 타겟부는 상기 연결 양극에 접합되어, 상기 연결 양극을 통과한 전자빔의 충돌을 통해 방사형 분포의 엑스선을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 전자빔 에미터는 직경이 0.01 mm 내지 수 mm인 일 단면이 평평하게 연마된 원통형의 자성 또는 비자성 금속 팁이며, 산화 정제된 관 지름이 1 내지 100 mm, 길이 0.5 내지 100μm의 상기 탄소나노튜브와, 가열에 의해 상기 탄소나노튜브의 산화기와 화학적, 물리적 접착이 가능한 지름 1 nm 내지 1 μm의 자성 또는 비자성 나노 금속 분말을 상기 금속 팁의 평면상에 접착되는 것을 특징으로 한다.

상기 연결 양극은 상기 전자빔 에미터에 접착된 상기 탄소나노튜브에서 전자빔 발생과 가속을 위한 고전압을 대전하기 위한 상대 전극으로 구비되고, 고전압 방전을 방지하기 위해 각 모서리가 굴곡져 있고, 고전압 대전에 의해 가속된 전자빔이 통과할 수 있도록 어퍼쳐가 형성되어 있는 중공 원통형인 것을 특징으로 한다.

상기 집속 전극은 상기 전자빔 에미터가 중공 원통의 중앙에 고정되어 설치되며, 상기 전자빔 에미터 외곽을 둘러싸는 내측 원통면과 원통의 끝 단면의 경사가 굴곡져 있어 상기 전자빔 에미터를 향한 돌출각이 제거되어 있고, 중공 원통의 외측 원통면과 원통의 끝 단면의 경사도 굴곡져 있어 외부로 향한 돌출각이 제거되어 있고, 상기 전자빔 에미터가 중공 원통 끝 단면의 하단에 설치되어, 전자빔 인출 전기장이 집속형으로 모아주어 인출된 전자빔을 집속되게 하는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 절연체는 외구경이 1 내지 30 mm, 내구경 0.5 내지 25 mm 길이가 5 내지 100 mm, 순도 90 내지 99.99%인 알루미나로 이루어진 중공 원통형의 고전압 절연체로, 금속재질의 초소형 전극과 진공 밀봉 접합이 가능하도록 양 끝단에 망간/몰리브데눔 혼합체 10 내지 70 μm, 니켈 0.5 내지 5 μm가 증착되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 엑스선 타겟는 베릴륨 (Be), 알루미늄 (Al), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 나이트라이드 (AlN), 알루미늄베릴륨 합금 (AlBe), 산화 규소 (SixOy), 티타늄 (Ti)을 원뿔형으로 형성한 상기 투과형 엑스선 윈도우 내측면에 텅스텐 (W), 이트륨 (Y), 몰리브데눔 (Mo), 탄탈륨 (Ta), 은 (Ag)의 8 내지 30 keV 혹은 50 내지 70 keV의 특성 방사선을 발생하는 상기 엑스선 타겟층을 증착하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브를 구비한 고전압 구동케이블은 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브 및 고전압 케이블을 구비하며,

상기 고전압 케이블은, 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브의 세라믹 절연체 외구경 측면 및 상기 집속 전극 비삽입 측면, 상기 집속 전극 후면에 삽입 연결되도록 형성되며, 고전압 케이블의 접합부를 실리카 수지(디메틸 실록산, 트리메틸레이티드 실리카 등)와 같은 고전압 레진을 통하여 진공 큐어링(curing) 몰딩하고, 은 페이스트와 같은 금속 접지 페이스트를 몰딩의 외면에 상기 연결 양극 외면과 연결 코팅하여 대기중에서도 원활한 고전압 구동이 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 고전압 레진 몰딩층과 상기 금속 접지 페이스트 몰딩층 외곽에 상기 엑스선 타겟에서 발생하는 열을 식힐 수 있도록 공기, 물 등의 냉각재를 주입할 수 있는 냉각재로가 구비되어 있는 최외곽 폴리머 몰딩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브는 70kV의 구동 관전압과 엑스선 선량율, 비교적 균일한 엑스선 공간분포를 가질 수 있으며, 엑스선 튜브 내의 전자빔의 크기가 작기 때문에 보다 소형화된 엑스선 튜 제작이 가능하고, 향후 다양한 산업, 의료 진단/치료에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 소형 엑스선 튜브는 탄소나노튜브 냉전계방출형 전자빔 원을 이용하여 기존 열전자 빔 원의 엑스선 출력 한계, 엑스선 발생 반응속도, 소비전력, 초소형화 한계를 해소할 수 있다.

또한, 방사선 치료선원으로서 다양한 신체부위에 접목할 수 있도록 외부에 전기적인 접지가 이루어진 고전압 구동 구조를 가지고 있어 실제 다양한 의료/산업 분야에 응용될 수 있다. 이러한 첨단 엑스선 장비의 개발은 해외 기술에만 의존했던 근접 암치료 엑스선원 관련 산업을 주도할 수 있는 계기를 마련하여 방사선 의료 이외에도, 영상, 나노, 첨단 기계 산업에 경제적인 파급효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브의 개략도이다.

도 2는 도 1의 구체도이다.

도 3은 도 2를 실제 촬영한 사진이다.

도 4는 도 2에 도시된 소형 엑스선 튜브의 엑스선 검사 사진이다.

도 5는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브의 전자빔 원의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다.

도 6의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브의 구동 특성을 전압-전류 그래프이며, 도 6의 (b)는 소형 엑스선 튜브의 엑스선 선량율과 시간에 따른 선량율 안정성을 측정한 그래프이다.

도 7의 (a)는 50kV 구동시 소형 엑스선 튜브의 에너지 스펙트럼을 측정한 결과이며, 도 7의 (b)는 공기중 1, 3cm 거리에서 측정된 엑스선 공간분포 결과이다.

도 8의 (a)는 소형 엑스선 튜브와 CMOS 영상 검출기를 이용하여 측정한 작은 물고기의 확대율 1.02 배의 엑스선 영상이며, 도 8의 (b)는 유럽표준 EN12543-5를 이용하여 거리와 엑스선 강도에 따른 엑스선 초점 크기를 분석한 그래프이다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반 초소형 엑스선 튜브용 고전압 구동 케이블를 나타낸 예시도이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소 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.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합하는 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브 장치의 개략도이며, 도 2는 도 1의 구체도이며, 도 3은 도 2를 실제 촬영한 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브(100)는 전자빔 발생부(200), 세라믹 튜브(160), 엑스선 타겟(180) 및 연결 양극(170)을 포함한다.

상기 전자빔 발생부(200)는 원통형 형상으로 형성된 집속 전극(130)을 구비하며, 상기 집속 전극(130) 중심부에 삽입된 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)를 통해 전자빔을 인출한다.

또한, 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)는 단일벽 탄소나노튜브와 은나노입자를 섞은 탄소나노튜브 페이스트를 코팅시켜 제작되며, 예컨대, 지름 0.8mm 의 끝이 평평한 텅스텐 와이어를 고온에서 소결하여 제작할 수 있다.

상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)는 일단의 끝에 편평한 와이어 형태의 금속 팁(111)을 더 포함하며, 상기 팁(111) 끝에는 탄소나노튜브와 금속나노분말이 조밀하게 혼합되며, 상기 에미터 팁(111)을 가열시킴으로써 탄소나노튜브 냉전계방출 전자빔원을 생성할 수 있다.

상기 에미터 팁(111)은 지름 0.01 내지 수 mm의 금속 와이어(Wire) 끝을 기계적 연마 혹은 화학적으로 에칭하여 형성할 수 있다. 재질로는 금속재인 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 은(Ag), 구리(Cu) 중 어느 하나일 수 있다.

이때, 상기 에미터 팁(111)은 지름이 1 내지 100nm, 길이 0.5 내지 100μm의 탄소나노튜브를 가열시켜 상기 탄소나노튜브의 산화기와 화학적, 물리적 접착이 가능한 1 nm 내지 1 μm의 지름을 갖는 비자성 또는 자성 나노 금속 분말을 통해 형성할 수 있다.

상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)는 상기 집속 전극(130)의 중공 원통의 중앙에 고정되어 설치되며, 상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)의 외곽을 둘러싸는 내측 원통면과 원통의 끝 단면의 경사가 굴곡되어, 외부로 향한 돌출각이 제거되어 있고, 상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)가 중공 원통 끝 단면의 하단에 설치됨으로써, 전자빔 인출 시, 전자빔 인출 전기장을 집속시키는 기능을 수행한다.

이때, 집속 전극(130)의 형상은 상기 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)에서 발생된 전자빔이 세라믹 절연체(예컨대, 세라믹 튜브(160))와 충돌 및 손실 없이 엑스선 타겟(180)에 도달할 수 있도록 전자빔광학코드를 이용하여 설계된다.

이러한 전자빔광학코드를 이용하는 이유는 세라믹 절연체에서 소량의 전자빔 충돌이 고전압 방전을 야기할 수 있으므로, 전자빔 광학계는 빔손실 여부에 주의하여야 하기 때문이다.

따라서, 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)의 집속 전극(130) 내부 위치는 인출되는 전자빔 전류와 전자빔 궤적에 영향을 주기 때문에 이 역시 전자빔계산코드와 전자빔 인출 실험을 통해 조건이 결정된다.

또한, 상기 집속 전극(130)은 비휘발성 진공 게터 필름(120)을 구비하며, 상기 진공 게터 필름(120)은 상기 집속 전극(130)에 접착되어 밀봉된 엑스선 튜브(100) 내부의 잔여 기체를 흡착하는 기능을 수행한다.

상기 세라믹 튜브(160)는 상기 전자빔 발생부(200)의 일면과 삽입되어, 상기 집속 전극(130)을 감싸도록 형성되며, 알루미나(Al₂O₃) 재질로 형성되어 내부에서 발생되는 고전압을 차단하기 위한 절연체로서의 기능을 수행한다.

보다 구체적으로, 상기 세라믹 튜브(160)는 외구경이 1 내지 30 mm, 내구경 0.5 내지 25 mm 길이가 5 내지 100 mm, 순도 90 내지 99.99%인 알루미나로 이루어진 중공 원통형의 고전압 절연체일 수 있으며, 금속재질의 초소형 전극과 진공 밀봉 접합이 가능하도록 양 끝단이 망간/몰리브데눔 혼합체 10 내지 70 μm, 니켈 0.5 내지 5 μm가 증착되도록 설계된다.

상기 엑스선 타겟(180)는 상기 전자빔(예컨대, X-ray)이 인출되는 방향에 구비된다. 상기 엑스선 타겟(180)는 엑스선 투과창(150), 엑스선 타겟층(140)을 구비한다.

상기 엑스선 투과창(150)은 상기 전자빔이 충돌하여 치료 및 진단용 방사선을 발생시켜 전리 방사선을 대기중으로 방사하는 기능을 수행하며, 모양으로는 원통형, 원뿔형, 원뿔통형, 갓형 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 본 발명의 도 1에서는 원뿔형을 일 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 엑스선 타겟층(140)은 상기 엑스선 투과창(150) 내측면에 얇은 박막으로 형성되며, 그 재질로는 텅스텐(W), 이트륨(Y), 몰리브데눔(Mo), 탄탈륨(Ta), 은(Ag) 중 어느 하나일 수 있다.

예컨대, 상기 엑스선 타겟(180)의 엑스선 윈도우(150)가 원뿔형 구조일 경우, 경사면 사이각이 5도 내지 60도, 엑스선 타겟층(140)의 두께는 0.1 내지 10㎛일 수 있다.

또한, 상기 엑스선 투과창(150)은 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 알루니늄 나이트라이드(AlN), 알루미늄베릴륨 합금(AlBe), 산화 규소(SixOy), 티타늄(Ti) 중 어느 하나의 재질 또는 결합을 통한 합금일 수 있다.

상기 엑스선 타겟(180)과 상기 세라믹 튜브(160)는 연결 양극을 통해 연결되며, 상기 연결 양극은 상기 원뿔형상의 투과형 엑스선 투과창(150)과 엑스선 타겟층(140)에 의해 360도 입체각 방향으로 균일한 엑스선 발생선(162)을 얻을 수 있다.

상기 집속 전극(130)을 통해 전계방출형 전자빔 에미터(110)에 구비된 탄소나노튜브 냉전계방출 전자빔원(111)은 0 내지 -70 kV의 고전압으로 대전되고, 엑스선 타겟(180)를 구성하는 엑스선 타겟층(140)과 엑스선 투과창(150)는 연결 양극(170)을 통해 전기적으로 접지되어 집속 이극관 전계방출형 구조로 초소형 엑스선 튜브(100)의 전자빔의 인출, 가속을 동시에 이루어 낼 수 있다.

여기서, 본 발명에서 제시한 엑스선 타겟(180)의 구조는 몬테카를로 전산모사를 통해 발생되는 엑스선이 균일한 공간분포를 가지도록 설계된 구조로서, 상기 엑스선 타겟(180)는 기계적으로 가공된 베릴륨 엑스선 투과창(140) 내측에 마그네트론 스퍼터를 이용하여 엑스선 타겟층(140)을 증착한 것으로, 예컨대, 텅스텐(W) 박막을 증착, 그 두께는 1.5㎛ 이고, 이는 본 엑스선 튜브(100)의 전자빔 조건에서 발생되는 엑스선을 최대화하도록 최적화된 것이다.

상기 연결 양극(170)은 전원공급을 받기 위해 외부표면과 연결된 리드선(미도시)이 개별적으로 구비될 수도 있다.

여기서, 모든 접합 부위는 단단하게 진공 밀봉되어 있는데, 양측이 개봉된 알루미나 재질의 세라믹 튜브(160)는 전자빔 발생부(200)와 연결 양극(170)으로 접합된다. 양쪽 전극은 알루미나 재질의 세라믹과 유사한 열팽창 계수를 가진 코바로 제작될 수 있다.

상기 연결 양극(170)은 열팽창 계수가 다른 베릴륨 재질의 엑스선 투과창과 세라믹 튜브를 접합하기 위한 중간 구조물로 사용된다.

참고로, 본 발명에 기재된 모든 엑스선 튜브 부품은 550 ℃에서 10 시간 동안 가열하여 표면 탈가스를 시행하였고, 곧바로 680℃에서 30분간 가열하여 브레이징 접합을 완료하였다.

또한, 진공 브레이징 접합 이전에 진공 챔버 속에서 전자빔 인출을 테스트하였고 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)와 집속 전극(130)의 위치를 조정하였다.

또한, 비휘발성 진공 게터 필름(120)은 집속 전극(130)에 접착되어 밀봉된 엑스선 튜브(160) 내부의 잔여 기체를 흡착한다. 상기 진공 게터 필름(120)은 진공 접합 시행시 활성화된다. 접합이 끝난 세라믹 튜브(160)의 외부에 고전압 절연을 향상하기 위한 실리콘 레진을 코팅하여 대기중에서 엑스선 발생 실험을 가능하게 한다. 엑스선 튜브(100)는 70kV에서 안전하게 구동되었으며, 구동시 세라믹 튜브(160) 내외부에는 심각한 고전압 방전은 발생되지 않았다.

도 3을 참조하면, 초소형 엑스선관(10)은 탄소나노튜브 냉전계방출 전자빔원(111)과 에미터 팁(112)을 포함하여 설치되어 있는 집속 전극(121)과 고전압 절연 세라믹(150), 연결 양극(131), 원뿔형의 투과형 엑스선 윈도우(132)가 순차적으로 접합되어 있다. 상기 접합은 금속 납재를 각 부위 사이에 위치하여 지그로 고정한 후 진공 고온로에서 함께 용융접합을 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 초소형 엑스선 튜브(100)는 이극관의 음극부와 양극부는 고전압 대전과 접합을 위해 가공성 및 금속 납재와의 접합성이 좋은 금속으로 이루어져 있다.

세라믹 튜브(10)의 양 개구부 단면은 얇은 망간, 몰리브데눔, 니켈 층으로 용융 확산 코팅되어 금속납재 접합 시 진공 유출이 없는 고밀봉도를 제공한다. 투과형 엑스선 윈도우(132) 내면 형상에 따라 얇은 엑스선 타겟층(133)이 설치되어 전자빔 충돌시 가공된 형상에 따라 균일한 분포의 엑스선이 발생한다. 엑스선의 투과를 위해 저 원자량의 베릴륨, 알루미늄, 티타늄 계열의 최대한 가벼운 금속 및 알루미늄 나이트라이드, 베릴륨 옥사이드, 실리콘 옥사이드 등의 반도체/절연체 물질이 이용된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 탄소나노튜브 냉전계방출형 전자빔원의 주사 전자 현미경 사진이다.

도 5를 참조하면, 상기 전계방출형 전자빔 에미터 팁(111)은 끝이 편평한 와이어 형태의 금속 팁으로 그 팁 끝에 탄소나노튜브와 금속나노분말이 조밀하게 설치한 후 가열하여 탄소나노튜브 냉전계방출 전자빔원을 구성한다.

상기 에미터 팁(111)은 지름 0.01 내지 수의 금속 와이어(Wire) 끝을 기계적 연마 혹은 화학적으로 에칭하여 편평한 일단면을 형성한다. 금속재로서 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 은(Ag), 구리(Cu) 등을 사용할 수 있다. 산화 정제된 관 지름이 1 내지 100, 길이 0.5 내지 100μm의 탄소나노튜브와, 가열에 의해 상기 탄소나노튜브의 산화기와 화학적, 물리적 접착이 가능한 지름 1 nm 내지 1 μm의 비자성 및 자성 나노 금속 분말을 사용할 수 있다.

도 6의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 진공 밀봉된 이극관형의 소형 엑스선 튜브의 구동 특성을 전압-전류 그래프이며, 도 6의 (b)는 소형 엑스선 튜브의 엑스선 선량율과 시간에 따른 선량율 안정성을 측정한 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 여기서, 전류(I)는 엑스선 타겟에 도달하는 전자빔 전류를 의미하고, 전압(V)은 전자빔 발생부와 엑스선 타겟 사이에 대전된 관전압을 의미한다.

엑스선 타겟에 모인 전자빔 전류와 탄소나노튜브 전자빔 에미터에서 발생된 전류를 측정하여 비교하였는데, 그 차이가 거의 없음을 알 수 있다.

이는 엑스선 튜브 내에서 전자빔 손실의 거의 없음을 의미한다. 엑스선 튜브 구동을 위해 전자빔 발생부는 (-) 전압으로 대전되고, 양극과 엑스선 타겟은 전기적으로 접지된다.

엑스선 튜브의 10mA/cm² 전자빔 인출을 위한 구동 전압은 29kV이며, 관전압을 70kV 까지 상승하였을 때, 엑스선 타겟부의 전류는 617μA(0.123 A/cm²)임을 알 수 있었다. 또한, 전자빔 전류는 50kV 구동에서 2% 내외로 변하는 것을 확인하였다.

엑스선 튜브는 60kV 이상에 관전압에서는 엑스선 타겟 과열로 인해 연속적으로 긴 시간 동안 구동은 구현될 수 없었다.

본 발명의 엑스선 튜브(100)는 집속 음극(130)에 삽입된 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)의 위치에 따라 구동 시작 전압과 발생 전류가 달라질 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는, 탄소나노튜브 전자빔 에미터(110)는 집속 음극(130)의 0.5mm 하단에 설치되어 진공 접합 이전에 탄소나노튜브 전자빔 에미터 설치 위치에 따른 구동 시작 전압을 조사하였으며, 0mm, 0.3mm, 0.5mm, 0.7mm 위치에서 10mA/cm² 발생을 위한 구동 시작 전압이 8kV, 19kV, 29kV, 40kV로 변하는 것을 확인하였다.

본 발명의 엑스선 튜브(100)는 이극 관형이기 때문에 삼극관형처럼 고정된 관전압에서 전류변화가 불가능하다. 그렇지만 제작 사전에 집속 음극과 탄소나노튜브 전자빔 에미터의 위치를 조정하면 이러한 단점을 보완할 수 있다.

또한, 도 6의 b를 참고하면, 엑스선 선량율(X-ray dose rate)은 엑스선 튜브로부터 공기중 1cm 거리에서 이온챔버를 이용하여 측정된 것이고, 50kV, 252μA 구동시 108.1Gy·cm²min^-1의 엑스선을 발생하는데 이는 10 Ci HDR 192Ir 동위원소 선원에 비해 15배 높은 수치이다.

엑스선 선량율(X-ray dose rate)은 ±2.7%의 변화율을 보이고 있으며, 동일 조건으로 2달 동안 하루 1시간 연속으로 사용할 경우에도 성능이 유지되고 있다.

결과적으로 개발된 소형 엑스선 튜브는 높은 엑스선 선량율(X-ray dose rate)과 단기간, 장기간 안정성이 매우 높다는 것을 확인할 수 있다.

도 7를 참조하면, 도면에 기재된 스펙트럼은 50keV 이하의 제동복사 엑스선과 텅스텐에서 방출된 특성 방사선을 포함되어 있다. 엑스선은 0 도에서 108.1 Gy·min^-1, ±60℃에서 102.8 Gy·min^-1, ±120℃에서 86.1 Gy·min^-1로 측정되었고, 240도 공간감 범위에서 선량 차이는 20%로 거의 균일한 엑스선이 발생됨을 알 수 있다.

이러한 엑스선 튜브는 근접암치료 혹은 강내 엑스선 진단용으로 사용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 관전압 60kV에서 0.1초 노출로 촬영하였으며, 물고기 내부 장기와 미세한 뼈가 명확하게 관찰된다. 이는 소형 엑스선 튜브의 선량이 엑스선 영상 촬영에 이용될 만큼 충분히 강하기 때문이다.

개발된 엑스선 튜브의 보다 더 상세한 성능평가를 위해 유럽표준 EN12543-5를 이용하여 엑스선 초점 크기를 분석하였다. 1.25 배의 확대율로 십자형의 구리판(0.1mm 두께) 영상을 얻은 후, 수평축과 수직축의 반그림자 영상을 분석하여 소형 엑스선 튜브의 엑스선 초점크기가 3.7mm 내외임을 측정하였다. 이는 소형 엑스선 튜브의 내/외경이 현재보다 더 작아질 수 있으며, 보다 소형화된 엑스선 튜브 제작이 가능할 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 탄소나노튜브 기반의 초소형 엑스선 튜브용 고전압 구동케이블(500)은 고전압 케이블 삽입부(31), 고전압 레진 몰딩부(21), 금속 접지 몰딩부(22), 냉각재 유로(25) 및 고전압 케이블 함입구(32)를 포함한다.

상기 고전압 구동케이블(10)은 내부에 중공이 형성되며, 상기 고전압 케이블(500)의 일단에 상기 고전압 케이블 삽입부(31)가 형성되며, 타단에는 고전압 케이블 함입구(32)가 형성된다.

상기 고전압 케이블 삽입부(31)는 내부에 본 발명의 실시 예에 따른 소형 엑스선 튜브(100)가 삽입된다.

보다 구체적으로, 상기 삽입된 초소형 엑스선 튜브(100)는 상기 고전압 케이블 삽입부(31)를 통해 세라믹 튜브가 외부로 돌출되도록 상기 고전압 케이블에 삽입된다.

상기 고전압 레진 몰딩(21)은 상기 초소형 엑스선 튜브(100)와 고전압 케이블 삽입부(31)를 감싸도록 관 형상으로 형성되며, 상기 초소형 엑스선 튜브(100)로부터 발생되는 고전압을 외부 대기와 절연시키는 기능을 수행한다.

상기 금속 접지 몰딩(22)은 상기 고전압 레진 몰딩(21)을 감싸는 관 형상으로 형성되며, 초소형 엑스선 튜브(100)의 연결 양극과 연결되어, 상기 연결 양극에 접지를 연결하는 기능을 수행한다.

여기서, 외부에 노출된 상기 세라믹 절연체 외구경 측면과 상기 집속 전극 비삽입 측면, 상기 집속 전극 후면에 삽입 연결된 고전압 케이블의 접합부를 실리카 수지(디메틸 실록산, 트리메틸레이티드 실리카 등)와 같은 고전압 레진을 통해 진공 큐어링(curing) 몰딩한다.

상기 금속 접지 몰딩(22)의 외면은 은 페이스트와 같은 금속 접지 페이스트를 상기 연결 양극 외면과 연결 코팅함으로써 대기중에서도 원활한 고전압 구동이 가능하다.

상기 냉각재 유로(25)는 상기 금속 접지 몰딩(22)을 감싸는 관 형상으로 형성되며, 상기 소형 엑스선 튜브(100)에서 발생한 열을 제거하기 기능을 수행한다.

상기 고전압 케이블(500)의 중앙 일 측면에는 냉각재가 유입되는 냉각재 유로의 입구(미도시)가 형성되며, 반대편에는 냉각재 유로의 출구(24)가 형성된다.

상기 고전압 케이블 함입구(32)는 상기 초소형 엑스선 튜브(100)에 고전압을 인가하는 전원 공급 기능을 수행한다.

상기 고전압 레진 몰딩층과 상기 금속 접지 페이스트 몰딩층 사이에 상기 소용 밀봉 엑스선 튜브로부터 발생하는 열을 식힐 수 있도록 공기, 물 등의 냉각재를 주입할 수 있는 냉각유로(25)가 더 구비되며, 상기 냉각유로(25)의 표면은 폴리머 몰딩 고정을 통해 처리된다.

따라서, 본 발명은 탄소나노튜브 전자빔을 이용한 진공 밀봉형의 소형 엑스선 튜브는 70kV의 구동 관 전압과 높은 엑스선 선량율, 비교적 균일한 엑스선 공간분포를 가지고 있다. 엑스선 튜브 내의 전자빔의 크기가 작기 때문에 보다 소형화된 엑스선 튜브 제작이 가능하고 향후 다양한 산업, 의료 진단/치료에 사용될 것이다.

본 발명에 의한, 탄소나노튜브 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

[부호의 설명]

21 : 고전압 레진 몰딩 22 : 금속 접지 몰딩

24: 냉각재 유로 출구 25 : 냉각재 유로

31 : 고전압 케이블 삽입구 32 : 고전압 케이블 함입구

100: 소형 밀봉 튜브 110: 탄소나노튜브 전자빔 에미터

111: 에미터 팁 120: 진공 게터 필름

130: 집속 전극 140: 엑스선 타겟층

150: 엑스선 투과창 160: 세라믹 튜브

162: 엑스선 163: 엑스선 발생선

170: 연결 양극 180: 엑스선 발생부

200: 전자빔 발생부 500: 구동전압 케이블

Claims

원통형 형상으로 형성된 집속 전극을 구비하며, 상기 집속 전극 중심부에 삽입된 탄소나노튜브 전자빔 에미터를 통해 전자빔을 인출하는 전자빔 발생부;

상기 전자빔 발생부의 일면과 삽입되어, 상기 집속 전극을 감싸는 세라믹 튜브;

상기 전자빔이 인출되는 방향에 구비되어, 상기 전자빔이 충돌하여 치료 및 진단용 방사선을 발생시켜 전리 방사선을 대기중으로 방사하는 엑스선 투과창이 구비된 투과형 엑스선 타겟; 및

상기 투과형 엑스선 타겟과 상기 세라믹 튜브 사이에 구비된 연결 양극을 포함하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,

상기 투과형 엑스선 타겟은,

원통형, 원뿔형, 원뿔통형, 갓형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제2항에 있어서,

상기 투과형 엑스선 타겟은,

엑스선 투과창 상에 금속 박막이 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제3항에 있어서,

상기 엑스선 투과창은,

베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 알루니늄 나이트라이드(AlN), 알루미늄베릴륨 합금(AlBe), 산화 규소(SixOy), 티타늄(Ti) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제3항에 있어서,

상기 금속 박막은,

텅스텐(W), 이트륨(Y), 몰리브데눔(Mo), 탄탈륨(Ta), 은(Ag) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,

상기 엑스선 투과창은,

원통형, 원뿔형, 원뿔통형, 갓형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,

상기 전자빔 발생부는,

외부로부터 0 내지 70kV의 인가 전압으로 구동되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,

상기 전자빔 발생부는,

상기 엑스선 튜브 내측 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,

상기 엑스선 튜브의 단면 길이는 적어도 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.
세라믹 튜브 및 엑스선 타겟을 구비되며, 상기 세라믹 튜브와 상기 엑스선 타겟 사이에 연결 양극을 상기 세라믹 튜브와 상기 엑스선 타겟에 진공 납재로 진공 용융 접합시킨 탄소나노튜브 기반의 전자빔 에미터를 이용한 진공밀봉형 소형 엑스선 튜브.