KR101094128B1 - 복사열에 의한 초전기 결정 x-선 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전기 결정에 복사열을 조사하여 결정의 양단면에 유도되는 표면전하와 X-선 타깃 간의 전위차에 의한 가속 전자빔에 의해 X-선을 발생하는 방법 및 장치이다. 복사열을 조사하여 초전기 결정의 온도 변화를 유도함으로써 초전기 결정 양 단면의 길이방향과 직경 방향으로의 온도 편차를 최소화함으로써 종래 기술에서 사용하는 초전기 결정의 크기 한계 및 구조 한계를 극복하여 유도되는 표면전하의 수의 증가에 따른 전위차를 증가시켜 X-선을 발생하고 이를 이용한 X-선 발생장치의 성능을 향상시킨다.

Description

복사열에 의한 초전기 결정 X-선 발생 장치{X-Ray Generator Driven by Pyroelectric Crystals using The Radiation Heat Source}

본 발명은 복사열에 의한 초전기 결정 X-선 발생 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 복사열을 초전기 결정에 조사하여 초전기 결정의 길이 및 축방향으로의 온도 편차를 최소화하면서 초전기 결정의 온도를 증가시켜 X-선을 발생시키는 X-선 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.

삭제

삭제

삭제

초전기 현상이란 초전기 결정을 분극 방향에 수직한 방향으로 결정을 절단하고 이 결정에 일정 열을 가하면 결정 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 유도 자발 분극되는 현상이다. 표면에 유도된 전하는 X-선을 발생시키기 충분히 큰 전위차 형성하게 된다.
상기와 같은 초전기 현상을 나타내는 초전기 결정은 열용량이 작고 열전도율이 낮아 초전기 결정의 열원 접촉 단면과 그 맞은편 단면은 온도 편차가 커서 일정 크기 이상의 초전기 결정의 표면 전하 유도가 온도 상승에 비례하여 증가하지 않거나 오히려 감소하는 문제점이 있다.
초전기 결정과 타깃으로 구성된 장치에서의 전기장의 크기는

로 주어지며,

삭제

또한, 두 개의 초전기 결정을 각기 다른 전하가 유도되게 배열된 장치에서 전기장의 크기는

삭제

로 주어진다.

초전기 결정에 의해 형성되는 전기장은 수학식 1에서 보는 바와 같이 초전기 결정과 타깃 사이의 거리 (d_gap)가 짧을수록 전기장이 증가한다. 또, 수학식 2에서 보는바와 같이 두 결정의 거리(D_gap)가 가까울수록, 초전기 결정의 길이(L)가 길수록, 온도변화가 클수록 유도되는 전기장은 크게 된다.

초전기 결정의 단면에 전하를 유도하기 위해 가열 또는 냉각 시 초전기 결정의 열전도율이 커야 열전달을 원활히 할 수 있다. 그러나 초전기 결정의 열전도율은 대표적인 초전기 결정인 LiTaO₃의 경우 45 mJ/cm^-sec 로 건물의 단열재로 사용되는 유리섬유와 비슷한 정도이다.
일반적으로 LiTaO₃ 이외의 초전기 결정도 LiTaO₃와 유사한 열 특성을 가지고 있다. 상기한 초전기 결정의 열특성으로 인하여 종래 기술에서 사용되는 초전기 결정의 가열 방법인 저항 가열 또는 열전효과장치 (thermoelectric cooling device:TEC)에 의한 열전도 방법으로 가열할 경우 열원 접촉 단면과 그 반대면 사이에 온도 편차가 발생한다.

이러한 열전도에 의한 온도 상승-강하는 결정의 열전도율에 따라 결정되고 결정을 길이 방향으로 연결할 경우 양단면 간 온도편차는 더욱 커져 결과적으로 초전기 결정의 길이가 길어짐에도 표면전하가 증가하지 않게 된다.
한편, 종래 기술은 전위차를 증가시키기 위하여 두 개의 초전기 결정의 단면에 유도되는 전하의 극성이 다른 면을 마주하게 함으로써 전위차를 증가시키고 있다 이러한 개념은 전위차를 2배까지 증가시킬 수 있는 한계를 갖는다. 이러한 한계를 극복하기 어려운 이유는 길이가 긴 초전기 결정을 사용하거나 두 결정을 결정의 길이 방향으로 직렬 연결시킬 경우 기존의 접촉식 저항 가열법에 의한 가열 방법으로는 결정의 길이 방향의 온도 편차가 증가되고 초전기 결정 양단면의 온도편차는 전위차 증가를 둔화 시키거나 감소시키는 결과를 초래한다.

삭제

종래 기술에서는 유도전기장을 배가하기 위한 방법으로 쓰이는 방법 중의 하나인 두개의 초전기 결정을 표면 전하의 극성이 반대인 결정의 단면을 마주 배치하는 방법이 적용되고 있다. 이 경우 초전기 결정에 의해 유도되는 전기장은 상기 수학식 2에서 보는 바와 같이 마주보는 두 개의 결정의 거리(d_gap)가 가까울수록 초전기 결정의 단면적(A)이 넓을수록, 길이(L)가 길수록, 온도변화가 클수록 유도되는 전기장은 크게 된다.
결정의 온도변화를 유도하기 위해 가열 때 결정의 열전도율이 커야 열전달을 원활히 할 수 있어 결정의 양단면의 온도편차를 줄일 수 있다. 그러나 재료의 열전도율이 작은 경우 재료의 한 면으로부터 가열하면 열전달은 열전도율이 낮아 반대편과의 온도편차를 갖게 된다. 이 경우 시료의 길이가 길수록 온도 편차는 더욱 커지게 된다. 대표적인 초전기 결정의 열전도율은 LiTaO₃의 경우 45 mJ/cm^-sec 로 건물의 단열재로 사용되는 유리섬유 단열재와 비슷한 정도이다. 이렇게 열전도율이 낮은 초전기 결정은 초전기 결정의 길이가 길고 단면적이 큰 경우 또한 여러 개의 결정을 길이 방향으로 직렬로 연결할 경우에 초전기 결정의 길이방향 또는 축방향으로의 온도차를 적게 유지하며 결정의 온도를 증가시키는 데는 한계에 있다.
종래의 초전기 결정 가열방법은 저항 가열에 의한 접촉식 방법으로 열전달이 열전도에 의존하기 때문에 열전도도가 낮은 초전기 결정의 열원 접촉면과 그 반대면 사이의 온도편차가 초전기 결정의 길이가 길수록 큰 편차를 가져온다. 이러한 온도차 증가는 전위차를 증가를 현저히 둔화시키거나 일정 길이 이상에서는 감소시키는 결과를 초래한다.

삭제

삭제

삭제

삭제

열유도에 의한 초전기 결정 장치의 전위차를 증가시키고 X-선 발생 장치의 성능을 향상 시키기 위한 목적으로 초전기 결정의 크기를 크게 하거나 장치의 구성을 용이하게 하기 위해서는 종래 기술에서 사용되는 열전도 방식으로는 초전기 결정 양 단면의 온도 편차를 줄이기가 어렵다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 한계를 극복할 수 있는 복사열 조사 방식으로 초전기 결정의 길이와 축 방향의 온도편차를 최소화하여 전위차를 증가시켜 고에너지 X-선을 발생시키는 방법과 장치를 제공하는 것이다.

종래의 초전기 결정을 가열방법은 저항가열 및 열전효과장치(TEC)에 의한 접촉식 방법으로 열전달이 열전도에 의존하기 때문에 열용량 및 열전도도가 작은 초전기 결정의 열원 접촉면과 그 반대면 사이의 온도편차가 초전기 결정의 길이가 길수록 큰 편차를 가져온다. 이러한 온도편차는 전위차 증가를 현저히 둔화시키거나 초전기 결정의 길이가 소정 범위, 약 10mm 이상에서는 감소시키는 결과를 초래한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 X선 발생 장치는 초전기 결정 내에서의 열전달을 열전도가 아닌 복사에 의한 열전달 방법을 사용한다. 적외선 램프 또는 태양광을 집속한 복사열원을 초전기 결정에 조사하는 비접촉 방법으로 종래 기술에서 사용되는 길이보다 긴, 20 mm 이상의 초전기 결정 또는 길이 방향으로 직렬 연결된 초전기 결정의 길이 축 방향으로의 온도 편차를 최소화하며 가열함으로써 종래 기술의 한계를 극복한다.

초전기 결정에 복사열을 조사하여 초전기 결정의 온도를 증가시키면 초전기 결정의 길이가 길고 단면적이 넓은 초전기 결정에서도 길이 방향 및 축방향의 온도 편차를 최소화하여 길이 및 단면적 증가에 의한 유도 표면 전하가 증가되고 이로 인하여 전기장이 증가하는 결과를 얻게 된다. 상기 전기장의 증가는 전자 및 이온 가속 성능을 향상 시키게 되어 이 장치를 이용한 X-선 발생, 성능을 크게 향상 시킬 것이다.

도 1은 복사열 조사 장치(20)에 의한 초전기 결정(10) 조사를 이용하여 X-선을 발생시키는 본 발명에 따른 X-선 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 2는 종래 기술인 저항 가열법에 의한 X-선 발생 장치를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 X-선 발생 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 X-선 발생장치의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 5(a)는 길이가 긴 초전기(11) 결정을 복사열을 조사하여 가열하여 표면전하를 유도하는 본 발명에 따른 X-선 발생 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면, 그리고,
도 5(b)는 복수 개의 초전기 결정(14)을 길이 방향으로 정렬한 본 발명에 따른 X-선 발생 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

초전기 결정(pyroelectric crystal)은 비등방성 결정으로 일정 평형상태에서 외부 전기장의 인가가 없어도 분극이 되어 있던 쌍극자 모멘트를 일정 값을 갖는다. 즉, 이방성 결정인 초전기 결정은 평형상태에서 분극되어 외부 전기장이 가해지 않은 상태에서도 총 쌍극자 모멘트의 값이 존재한다.

이 초전기 결정을 분극 방향에 수직인 방향으로 절단하면 이 절단면의 양 단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도된다. 즉, 상기 절단면의 한 면에 표면 양전하가 다른 한 면에 표면 음전하가 대전 된다. 이렇게 외부 전계 또는 온도변화가 없는 상태에서 결정의 분극 값을 자발분극(P_s, spontaneous polarization)이라 한다. 이런 초전기 결정에 열을 가하여 초전기 결정의 온도를 변화시키면 자발 분극 값이 변화(ΔP_s)되는데 이런 현상을 초전기 현상(초전기 효과(pyroelectrie effect)라고도 함, 이하 초전기 효과)라고 한다. 상기 초전기 효과는 전자를 방출하거나 유효한 방사선을 발생시키기 충분히 큰 전기장을 형성하다. 상기 전기장은 유도된 표면 전하에 비례한다.
단위면적당 표면 전하의 크기는 초전기 결정을 가열하면 ΔP_s=γΔT 로 주어진다. 여기서 γ는 초전기 상수이고 ΔT 초전기 결정의 온도 변화이다. 초전기 결정에 유도되는 표면 전하량은 온도변화에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 표면 전하량은 초전기 표면 전하에 단면적을 곱한 값이 되므로, 초전기 결정 단면의 전체 전하는 Q=γΔTA이며 여기서 A는 단면적이다. 이렇게 유도된 표면 전하에 의한 전위차는 V=Q/C 가 된다.
대표적인 초전기 결정인 LiTaO₃의 경우 직경 10 mm 길이 10 mm인 초전기 결정에 의해 형성되는 전위차는 약 100 keV정도이다.

초전기 결정에 의한 X-선 발생장치의 실용화를 위해서는 성능을 응용단계로 향상시키기 위해서는 유도 표면 전하의 증가가 필수적이다. 표면 전하를 증가시키기 위해서는 초전기 결정의 온도변화를 크게 하거나 단면적과 길이를 크게 하는 방법이 있다.

온도 변화를 크게 하는 방법은 결정의 특성에 의해 결정되고 그 한계 값을 갖는다. 즉, 결정의 온도를 퀴리(Curie) 온도 이상으로 가열할 경우, 초전기 결정의 초전기성은 영구적으로 소멸된다. 대표적인 초전기 결정인 BaTiO₃의 Curie 온도는 393K(절대온도), LiTaO₃는 813 내지 970K, LiNbO₃는 1488K이다. 즉, LiTaO₃결정은 540℃ 이상으로 가열할 경우 초전기성을 잃게 된다. 그러나 대부분의 초전기 결정의 열용량는 470J/kg·K 이며 열전도율은 45 mJ/cm^-sec로 작아 초전기 결정의 온도를 결정 양단면 및 축방향의 온도 편차 없이 Curie 온도 까지 상승시키기에 제한이 있다.

도 2는 종래 기술인 저항가열법에 의한 X-선 발생 장치의 예를 보이고 있다. 종래 기술에서는 초전기 결정(10)의 길이 및 단면적을 크게 하면 표면전하의 유도를 크게 할 수 있으나 길이를 길게 했을 경우, 초전기 결정(10)은 온도 특성으로 인하여, 열원(60)과 접촉된 면과 그렇지 않은 면과의 온도 차가 커지게 된다. 이러한 온도편차는 표면전하의 수가 일정 길이 이상에서 더 이상 증가하지 않는 원인이다. 현재 연구 결과로서 10 mm 이상의 길이에서는 표면 전하가 증가하지 않는 것으로 보고되고 있다. 또한 단면적을 크게 하였을 경우, 초전기 결정의 표면과 중심부의 온도 차가 발생하고 이에 따라 표면 전하의 증가가 둔화되어 초전기 결정의 길이가 10 mm보다 길어도 발생되는 에너지가 증가하지 않게 된다. 따라서 X-선 에너지 또한 증가하지 않게 된다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 복사선 조사 장치(20)를 이용하여 초전기 결정(10)을 가열하여 전하를 방사시키는 본 발명에 따른 X-선 발생 장치의 일 실시예를 도시한 측면도(도1(a))와 도1(a)의 X-선 발생 장치를 위에서 본 평면도(도1(b))이고, 도 3은 초전기 결정이 나선형 열원으로 구성된 실시예를 나타낸 측면도(도3(a))와 평면도(도3(b))이고, 도 4 는 X-선 타깃을 반사형으로 구성한 실시예를 나타낸 측면도이고, 도 5(a)는 길이가 긴 초전기 결정를 포함한 실시예를 나타낸 측면도이고 도5(b)는 복수의 초전기 결정이 축방향으로 직렬 연결된 실시예를 나타낸 측면도이다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 의한 X-선 발생 장치는 초전기 결정(10), 복사선 조사장치(20), 진공 용기(30), 및 X-선 타깃(75)을 포함한다.
진공 용기(30)는 밀폐 용기로 상단에 발생된 X-선이 투과할 수 있도록 베리릴륨 창(70)이 형성되며, 내부에는 초전기 결정(10)이 설치된다. 진공 용기(30)는 초전기 결정(10)이 내부에 설치된 후 내부를 진공 시키는 것이 바람직하다. 진공 용기(30) 내부의 진공도는 10^-4 ~ 10^-3 Torr로 유지하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 X-선 발생 장치에서는 X-선 타깃(75)이 진공 용기(30) 내부의 베릴륨 창(70) 앞에 위치한다. X-선 타깃은 투과형 또는 반사형으로 구성될 수 있고 도 1의 X-선 타깃(75)은 투과형으로 타깃의 두께는 유도된 전위차와 타깃을 구성하는 물질에 따라 선택하되, 수 마이크로미터인 것이 바람직하다. 베릴륨 창(70)은 도1(b)에 도시된 바와 같이 초전기 결정(10)의 축방향으로 진공 용기(30) 상단에 형성되는 것이 바람직하다. 베릴륨 창(70)은 X-선이 투과하는 물질인 베릴륨으로 형성된다.
초전기 결정(10)은 분극 축방향이 길이 방향인 기둥 형상으로 형성되고, 분극 축 방향에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 진공 용기(30) 내의 X-선 타깃(75)을 향하여 설치된다.
복사열 조사장치(20)는 초전기 결정(10) 둘레에서 초전기 결정(10)을 조사할 수 있도록 설치된다. 도 1에 도시된 복사열 조사장치(20)는 직선형 열원으로 초전기 결정(10) 측면을 둘러싸도록 복수개 설치되는 것이 바람직하다.복사열 조사장치(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 진공 용기(30) 외부에 설치될 수도 있고, 도시되지는 않았지만 진공 용기 내부에서 설치되어 초전기 결정(10)을 조사할 수도 있다. 복사열 조사장치(20)는 초전기 결정(10)을 조사하여 초전기 결정(20)의 온도가 실온으로부터 약 110℃에 도달할 때까지 상승시킨다.
도 3에 도시된 X-선 발생장치는, 초전기 결정(10) 둘레를 나선형으로 둘러싸는 나선형 복사열 조사장치(21)를 포함한다. 나선형 복사열 조사장치(21)는 나선형으로 형성된 적외선 램프로 구성될 수 있다. 진공 용기(30) 외부에서 초전기 결정(10) 둘레를 감싸는 구조를 가진 실시예이다. 상기 나선형 열원(21)은 직선형 열원(20) 구조보다 초전기 결정의 길이 방향과 축방향으로의 온도 균일성이 우수하다. 도 3(a)는 측면도이고, 도 3(b)는 도 3(a)의 X-선 발생 장치의 평면도이다.
도 4에 도시된 X-선 발생장치는, X-선 타깃(75)을 반사성 물질로 구성된 타깃을 적용한 초전기 X-선 발생장치의 실시예이다. 도 4의 X-선 타깃(75)은 초전기 결정(10)의 단면과 소정 각도를 갖도록 설치하고 초전기 결정(10)에서 방사된 전하(50)가 X-선 타깃(75)을 타격하여 발생한 X-선(80)이 타깃(75)에서 반사하여 베릴륨 창(70)을 통해 외부로 방사하도록 X-선 타깃(75)의 각도를 설정하는 것이 바람직하다.
도 5(a)는 분극 축 방향으로 길이가 긴 초전기 결정(11)을 포함하는 X-선 발생 장치를 나타낸 측면도로서, 종래 기술에 따른 초전기 결정의 한계 길이인 20 mm 이상의 초전기 결정(11)을 진공용기(30)에 장착하고 복사열 조사장치(21)로 가열함으로써 표면전하를 유도하는 실시 예로 유도 표면 전하의 수가 결정의 길이에 비례하여 증가하게 되어 종래기술의 한계를 극복한다. 도 5(b)는 표면 전하 유도를 증가시키는 또 다른 실시 예로 초전기 결정(14)을 두 개 이상 길이 방향로 정렬하여 결정(14)과 X-선 타깃(75) 사이에 높은 전위차를 유도하여 X-선 발생 효율을 증가시키는 실시예를 도시한 측면도이다.
상기와 같이 구성된 X-선 발생장치의 작동 과정을 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도시된 바와 같이 초전기 결정(10,11,14)의 주위를 둘러싸는 복사열 조사장치(20,21)로 초전기 결정(10)을 가열한다. 초전기 결정(10,11,14)의 주위를 둘러싸는 복사열 조사장치(20,21)로 조사하면, 초전기 결정(10,11,14) 단면에 유도되는 전하가 표면에 결집하여 높은 전위차를 형성하고 이들 전하가 X-선 타깃(75) 쪽으로 방사되어 X-선 타깃과 충돌하여 X-선을 발생하게 된다. 초전기 결정의 온도는 실온으로부터 섭씨 110도까지 증가시키는 것이 바람직하다. X-선 타깃(75)은 투과형으로 X-선 타깃과 전하가 충돌하여 발생한 X-선은 X-선 타깃(75)을 투과하고 베릴륨창(70)을 통과하여 용기 외부로 방사하게 된다. 이때 초전기 결정(10)의 양단면의 온도차는 도 2와 같은 종래의 기술에서 적용하고 있는 접촉식 가열원(60)으로 가열한 경우에서보다 결정 양 단면의 온도편차가 매우 작게 된다. 초전기 결정 양단면의 온도편차의 최소화는 결정의 길이를 길게 할 경우 더욱 효과적으로 표면전하를 유도하게 된다. 결과적으로 복사열에 의한 가열방법은 초전기 결정에 의해 형성되는 전기장을 결정의 길이 증가에 비례하여 증가하게 하여 가속전압을 증가시키고 이를 이용한 X-선 발생 장치의 성능을 크게 향상시켜 상용화가 가능하게 될 것이다.
초전기 결정을 냉각 시키는 방법은 도면에 나타나 있지는 않으나 방열판 또는 방열핀을 진공장치 외부에 부착하여 열전도에 의한 자연냉각법 또는 강제냉각법을 실시한다.

삭제

삭제

삭제

10 : 초전기 결정
11 : 길이가 긴 초전기 결정
14 : 길이방향으로 연결된 초전기 결정
20 : 복사열 조사 장치
21 : 나선형 복사열 조사 장치
30 : 진공 용기
50 : 음전하
60 : 열전도에 의한 가열 장치
70 : 베릴륨 창
75 : X-선 타깃

Claims (7)

1. X-선 발생 장치에 있어서,
   내부에 X-선 타깃이 설치되는 진공 용기;
   분극 축에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 X-선 타깃을 향하도록 상기 진공 용기 내부에 설치되는 초전기 결정; 및
   상기 초전기 결정의 주위를 감싸도록 형성되어 상기 초전기 결정에 복사열을 조사하여 상기 초전기 결정의 상기 단면에 전하가 유도되어 상기 X-선 타깃을 향해 방사하도록 하는 복사열 조사 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선을 발생하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초전기 결정은, 분극 축 방향이 길이 방향인 기둥 형상이고,
   상기 복사열 조사 장치는, 나선형으로 형성되어 상기 기둥 형상의 상기 초전기 결정의 측면을 나선형 형상으로 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 X-선 발생 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 초전기 결정은 길이 방향으로 정렬된 하나 이상의 초전기 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 발생 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 초전기 결정은 전하의 극성이 다른 면이 설정 거리를 이격하여 마주 보고 정렬되는 것을 특징으로 하는 X-선 발생 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 X-선 타깃은 투과성 물질 또는 반사성 물질 중 선택된 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 X-선 발생 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 초전기 결정 주변에 부착되어 열을 방출시키는 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-선 발생 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 복사열 조사 장치는 상기 초전기 결정이 설치된 상기 진공용기 내부 또는 상기 진공 용기 외부 중 선택된 어느 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 X-선 발생 장치.

Images