KR101127679B1 - 비평행 지오메트리를 갖는 ｘ-선 소스 - Google Patents

Abstract

개선된 x-선 발생 시스템은 특히 실질적으로 원통형 또는 구형 처리 장치에 적합한 수렴 또는 발산하는 방사 패턴을 생성한다. 일 실시예에서, 시스템은 폐쇄된 또는 오목한 내측벽 주위에 폐쇄되거나 오목한 외측벽을 포함한다. 전자 방출기는 외측벽의 내측 표면 상에 위치되고 타겟 필름은 내측 벽의 외측 표면 상에 위치된다. 방출기에서 추출 전압은 가속 전압에 의해서 내측벽을 향해 가속되는 전자를 추출한다. 다르게는, 전자 방출은 열 이온 수단에 의해 될 수도 있다. 전자의 타겟 필름과의 충돌은 x-선 방출을 유발하고, 이의 상당한 부분은 내측벽을 통해 그 내부에 한정된 공간 내로 안내된다. 일 실시예에서, 방출기 및 타겟 필름의 위치는 역전되어, 수렴 패턴을 위한 투과 모드 및 발산 패턴을 위한 투과 모드 대신에 반사 모드를 확립한다.

방출기, 타겟 필름, x-선 발생 시스템, 가속 전압, 열 이온 수단

Description

비평행 지오메트리를 갖는 Ｘ-선 소스{X-RAY SOURCE WITH NONPARALLEL GEOMETRY}

본 발명은 일반적으로 x-선 발생 및 이용에 관한 것으로, 특히 연속적인 소스로부터 수렴 또는 발산하는 x-선 방출 패턴을 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

x-선 형태의 고에너지 전자기 방사선이 광범위한 분야 및 시도에서 이용되는 것이 발견된다. 의료용 영상 진찰에서 x-선의 이용은 대부분의 사람들에게 가장 친밀한 이야기이지만, 다른 용도도 또한 풍부하다. 예를 들면, x-선은 영상 진찰보다는, 약물 또는 물질 등의 활성화를 위한 의료용 설정에 사용될 수 있다. 더욱이, 토양 및 지리학적인 탐사에서 x-선 방사선의 많은 이용이 오일 탐사 또는 물질 영상화 등과 관련하여 알려져 있다. x-선 방사선의 하나의 효과적인 이용은 생물학적 및 다른 오염물을 감소시키기 위한 물질의 처리에서이다. 예를 들면, 식품이 조사되어 살균되어, 식품은 소비하기에 더 안전해질 수 있다. 폐수 또는 유거수가 오염물을 감소시키는 동일한 방식으로 조사될 수도 있다.

그러나, 이들 용량의 일부에서 x-선과 마찬가지로 유용하지만, 방사선이 생성되고 지향되는 효율은 현재 준최적 상태이다. 전형적인 x-선 소스는 포인트 소 스 전자 생성기, 가속기 및 금속 타겟을 포함한다. 작동 시에, 포인트 소스에 의해서 발생된 전자는 가속기를 통해서 가속되어 금속 타겟에 충돌한다. 타겟과 고에너지 전자의 충돌 시에 x-선 방사선이 방출된다.

전형적으로 방출된 방사선은 타겟의 조성 및 형상, 충돌 전자의 에너지 및 분산 등에 따라서 충돌의 구역 위로 원뿔형 패턴으로 퍼진다. 발산하는 방사 패턴이라고 하면, 충돌의 구역으로부터 주어진 거리(r)에서 방사선량은 대략 역제곱(1/r²) 식으로 떨어진다는 것을 알 있다. 적절한 양에서 방사 패턴을 효과적으로 사용하기 위하여, 거리에 따른 떨어짐을 설명하는 강한 방사선 필드가 발생되어야만 하고, 관심의 대상은 방사 원뿔에서 적절하게 위치설정되어야만 한다. 비록 일부 방사선 소스가 준최적(suboptimal) 방출 패턴을 보충하기 위하여 다수의 포인트 소스 또는 하나 이상의 이동식 포인트 소스를 이용하지만, 이러한 시스템은 그들 자체의 고유한 단점 및 복잡성을 갖는다. 특히, 소스 타이밍, 위치설정 등을 포함하는 복잡성이 일반적이다.

본 발명의 실시예는 x-선 발생 및 이용을 위한 신규한 기술을 제공한다. 여기서 설명된 기술은 포인트 소스(point source)가 아닌 하나 이상의 방출 표면을 이용한다. 방출 표면 및 타겟 표면의 지오메트리는, 본 발명의 실시예에서 타겟 표면 상으로의 방출 표면으로부터의 전자의 충돌이 수렴하는 방사선 필드를 생성하도록 구성된다. 본 발명의 추가 실시예에서, 타겟 표면은 관형 부재의 외측 표면에 위치되어 수렴하는 방사선 필드가 관형 부재 내부에서 일어난다. 이는 액체, 기체 등과 같은 유동가능한 재료의 방사선 처리에 특히 유용하다.

보다 일반적으로, 그러나 본 발명은, 실시예에서, 부재들 중 하나에서 발생된 전자가 수렴 및 발산하는 방식으로 부재들 사이에서 가속되어 제2 부재에서 또는 그 상에서 금속 타겟 필름에 충돌하도록 위치되어 구성된 유사한 오목부(정도에서 반드시 그렇지는 않지만 방향에서)을 갖는 2개의 부재의 사용을 포함한다. 이들 충돌에 응답하여 발생된 x-선은 수렴하는 패턴으로 제2 부재를 통해 또는 이를 넘어서 방사되거나 또는 제2 부재로부터 반사된다.

본 발명의 실시예에서, 다수의 분리된 x-선 발생 장치가, 액체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 유동가능한 재료를 조사하기 위하여 직렬 및/또는 병렬로 사용된다. 본 발명의 추가의 실시예에서, 제1 및 제2 부재 사이의 공간은 전자 손실 및 전자 에너지 손실을 최소화하도록 비워져서, 전자가 원점(origin)의 표면과 x-선 발생 표면 또는 소자 사이를 이동하는 동안 효율적으로 에너지를 얻는 것을 허용한다.

본 발명의 추가적인 구성 및 이점이 첨부된 도면을 참조하여 진행된 예시적인 실시예의 후속 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

첨부된 청구범위는 상세하게 본 발명의 구성을 나타내지만, 본 발명은, 이의 목적 및 이점과 함께 첨부된 도면과 연결하여 취해진 후속 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 측단면도이다.

도2는 본 발명의 추가 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 측단면도이다.

도3A는 본 발명의 실시예에 따른 반구형 x-선 발생 장치의 측면도이다.

도3B는 본 발명의 실시예에 따른 내측 및 외측 만곡 시트를 포함하는 x-선 발생 장치의 측면도이다.

도4는 오목부가 명확성을 위하여 생략된 본 발명의 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 일부의 단순화된 개략도이다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 패스 관통 유동 처리 시스템 및 구성부품 x-선 발생 장치의 개략도이다.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 이중 x-선 발생 장치를 포함하는 단일 패스 평행 처리 시스템의 개략도이다.

도7은 본 발명의 실시예에 따른 프로토타입 x-선 발생 장치의 사진이다.

도8은 본 발명의 대체적인 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 측단면도이다.

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 선 A의 레벨에서 도8의 방향 B를 따라 취한 단부 단면도이다.

도10은 본 발명의 다른 대체적인 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 측단면도이다.

도11은 본 발명의 실시예에 따른 장치 내부에서 40 kV 전자 에너지에서 x-선 스펙트럼의 도면이다.

도12는 본 발명의 또 다른 대체적인 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 측단면 도이다.

도13은 도12의 장치를 위한 본 발명의 실시예에 따른 사용 환경의 개략도이다.

도14는 본 발명의 실시예에 따른 x-선 방출 장치의 측단면도이다.

본 발명은 x-선 발생 및 이용에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에서 특히 매체를 통한 유동의 조사에 적합하지만 다른 용도에도 또한 사용될 수 있는 수렴하는 방사선 필드를 발생시키는 신규한 시스템 및 기술을 포함한다. 전체적인 개요에서, 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 구성은 내측 튜브 및 외측 튜브를 포함한다. 전자는 외측 튜브의 내측 표면 상에서 방출기 층으로부터 추출되어 내측 튜브를 향해서 가속된다. 내측 튜브의 외측 표면 상의 타겟 층과 충돌할 때, x-선 방사선이 방출된다. 충격의 지점이 내측 튜브의 표면 주위에서 실질적으로 균일하게 놓일 것이기 때문에, 결과적인 방사선 필드는 본질적으로 축 대칭이고 내측 튜브의 중심축을 향해 수렴한다.

본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 x-선 발생 장치의 측단면도가 도시된다. x-선 발생 장치(100)는 중공 관형 내측 부재(103)와 실질적으로 동축 관계인 중공 관형 외측 부재(101)를 포함한다. 내측 및 외측 관형 부재(103, 101)는 제1 환형 절연 단부 캡(105) 및 제2 환형 절연 단부 캡(107)에 의해서 개별 위치에 유지되고 서로로부터 전기적으로 분리되어 유지된다. 단부 캡(105, 107)은 나사 결합 또는 활주 접촉 등을 통해서 내측 및 외측 관형 부재(103, 101)와 직접 접촉할 수도 있다. 다르게는, 환형 시일 또는 개스킷(109, 111)이 도시된 것과 같이 단부 캡(105, 107)과 내측 및 외측 관형 부재(103, 101) 사이 등에 개재될 수도 있다. 적절한 시일 및 개스킷은 기술 분야의 숙련자에 의해서 이해될 수 있는 것과 같이 바이톤과 같은 고무 시일 또는 구리 개스킷 등을 포함한다.

게이트 필드 방출기 소스(gated field emitter source)와 같은 환형 전자 방출기 소스(113)가 외측 관형 부재(101)의 내부 벽을 따라 위치된다. 마찬가지로, 환형 금속 타겟 층(115)이 내측 관형 부재(103)의 외측 표면 상에 위치되고 도시되지 않은 절연층에 의해서 내측 관형 부재(103)로부터 절연되거나 절연되지 않을 수 있다. 금속 타겟층(115) 및 게이트 필드 방출기 소스(113)의 게이트는 단부 캡(107) 외부로부터 전기적으로 접근될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 개별 리드(121, 119)는 해당 기술 분야의 숙련자에 의해서 이해될 수 있는 것과 같이 고전압 관통 공급부(high voltage feed through) 등에 의해서 단부 캡(107)을 통해서 구성부품에 연결된다. 부가적으로, 게이트 필드 방출기 소스(113)의 방출기 필름은 고전압 관통 공급부 또는 유사 기구 등을 통해서 단부 캡(107)을 통해서 리드(117)를 거쳐 전기적으로 접근될 수 있다.

최종적으로, 외측 관형 부재(101)는 외측 관형 부재(101), 내측 관형 부재(103) 및 단부 캡(105, 107)에 의해 한정된 내측 공간(125)으로의 외측 관형 부재(101)의 외부로부터 포털(120)을 갖는다. 이 포털(portal)은 장치(101)의 작동 동안 진공(10^-6 Torr 미만과 같은)으로 내측 공간(125)을 비우기 위해 주로 사용되어, 방출기 필름을 떠난 후 그리고 금속 타겟층(115)에 충돌하기 전에 외부 분자 또는 입자와 가속된 전자의 충돌을 최소화한다. 부가적으로, 포털(123)은 장치(100)가 사용되지 않을 때 질소 또는 다른 불활성 기체 등으로 내측 공간(125)을 다시 채우는 데 이용될 수도 있다.

다양한 재료가 내측 및 외측 관형 부재(103, 101)의 제조에 사용될 수 있다. 그러나, 내측 및 외측 관형 부재(103, 101) 모두는 내측 공간(125)에 유지되는 진공 수준을 유지시키고 견딜 수 있어야 하는 것이 필수적이다. 부가적으로, 내측 관형 부재(103)의 두께 및 재료는 내측 관형 부재(103)가 x-선 방사선에 대하여 실질적으로 투과성이어서, 가속된 전자의 금속 타겟층(115)과의 충돌에 의해서 발생된 임의의 내향으로 지향된 x-선이 내측 관형 부재(103)의 벽을 통해서 내측 공간(127)으로 통하도록 되는 것이 바람직하다. 충분한 x-선 투과성을 갖는 예시적인 재료는 유리, 플라스틱, 얇은 금속, 베릴륨, 수정, 흑연, 질화붕소 등을 포함한다.

부가적으로, 외측 관형 부재(101)와 관련하여, 이 부재는 기구에 의해서 발생된 x-선에 실질적으로 비투과성이거나 또는 x-선에 실질적으로 비투과성인 재료로 코팅되는 것이 바람직하다. 이는 장치 내부에서 발생된 x-선의 일부가 외향으로 지향되거나 또는 흩어질 수 있기 때문이다. 따라서 외측 관형 부재(103)의 차폐 특성은 방사선 손상으로부터 주변의 인원 및/또는 재료를 보호하는 것이 요구될 때 중요하다. 바람직하게는, 외측 관형 부재(103)는 0.12"의 합리적인 두께의 관형 스테인레스강 또는 알루미늄으로 제조되지만, 임의의 다른 재료 또는 재료들이 위에서 설명된 원리 내에서 사용될 수도 있다.

금속 타겟층(115)에 관하여, 이 층은 바람직하게는 사용된 간격 및 특정 전압에 의해 발생된 전자 에너지가 재료로부터 x-선 방출을 유발하기에 충분하도록 된 것이 바람직하다. 적절한 재료는 예를 들면 Cu, W, Mo 등을 포함한다. 이 층은 기상 증착법, 스퍼터링 등에 의해서 증착될 수 있거나 포일의 형태 등으로 위치될 수도 있다.

기술 분야의 숙련자에 의해서 이해될 수 있는 것과 같이, 이러한 시스템에서 사용가능한 가속 전압은 비교적 높아서, 유전체 파손이 우려된다. 통상적인 전압은 10 - 500 kV 정도이다. 더욱이, 전기장은 전술된 관형 부재의 단부와 같은 돌기 또는 불규칙한 곳에 집중되기 쉽다. 유전체 파손을 방지하기 위하여, 따라서 전자 방출 표면과 타겟 x-선 발생 표면 또는 요소 사이에서 노출부 및 불규칙한 곳을 최소화하는 것이 일반적으로 바람직하다.

도2는 오목부가 실질적으로 동일한 방향인 오목한 전자 방출 및 x-선 방출 표면을 갖는 x-선 발생 장치의 단면도이다. 비록 도2가 도3A에 도시된 구성의 장치에서 취해진 측단면도를 나타내도록 도시되지만, 이는 또한 구형 또는 반구형 오목부보다는 원통형 오목부를 갖는 장치에 적용될 수 있다.

외측 관형 부재의 벽(203)이 내측 관형 부재의 벽(201)과 마찬가지로 단면으로 도시될 수 있다. 방출기 필름 및 게이트는 개별 요소(205, 207)에 의해서 지시 된다. 금속 타겟층은 요소(209)로 유사하게 지시된다. 인가된 전압은, 비록 조립된 시스템에서 리드(209)에 의해 공급되는 것과 같은 임의의 고전압이 단순한 리드가 아닌 고전압 관통 공급부를 통해 통상적으로 공급될 수 있는 것을 알 수 있지만 또한 개략적으로 도시된다.

방출기 필름(205)이 접지 또는 기준 전압(V_REF)에서 유지되는 것을 볼 수 있다. 방출기 추출 그리드(게이트)(207)는 추출 전압 V_E에서 유지되고, 전위 V_E-V_REF는 방출기 필름(205)으로부터 전자를 추출하는 데 충분하다. 금속 타겟층(209)은 가속 전압(V_A)에서 유지된다. 작동 시, 방출기 필름(205)으로부터 추출된 전자가 게이트(207)와 타겟층(209) 사이의 구역에서 일단 가속되기 시작한다. 이들의 가속은, 전압 차이(V_A-V_E)에 그 자체로 비례하고 게이트(207)와 타겟층(209) 사이의 반경방향 거리에 반비례하는, 인가되는 정전 가속력에 본질적으로 비례한다. 비록 더 높은 가속 전압이 더 높은 전자 에너지를 내지만, 최대의 이러한 전압은 아크 발생(arcing)의 시작 또는 유전체 파괴뿐만 아니라 단부 캡 관통 공급부의 절연 한계 등에 의해서 제한될 수도 있다.

비록 상술된 시스템의 일부가 동심형 관형 부재를 이용하지만, 다수의 다른 지오메트리가 원통형으로 또는 구형으로 수렴하는 x-선 필드를 산출하기 위하여 동일한 원리를 채용할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 배열의 예시적인 선택이 도3A 및 도3B에 도시된다. 특히, 도3A에는, 반구형 x-선 발생 장치(301)가 도시된다. 내측 및 외측 쉘(305, 303)은 전술된 실시예의 내측 및 외측 관형 부재 와 동일한 기능을 수행한다. 특히, 셀(303, 305) 사이의 공간은, 타겟층(도시 생략)이 내측 쉘(305)의 외부에 배치되고 게이트 또는 다른 전자 방출기(도시 생략)가 외측 쉘(303)의 내부에 배치되는, 전자 가속 구역이다. 전자 가속 구역을 비우기 위하여, 쉘(303, 305)의 에지가 절연 단부 링 등에 의해서 함께 밀봉되거나 또는 장치가 단순히 분리된 비워진 챔버 내부에서 사용될 수도 있다.

내측 쉘(305)이 오목하기 때문에, 발생된 방사선 필드는 동심 구형 쉘(303, 305)의 중심에 가까운 구역에서 실질적으로 수렴할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 추가적인 비수렴(non-convergent) 방사선 필드가 또한 발생될 수도 있지만 여기서는 관심사가 아님을 알 수 있을 것이다. 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에서 동심 구형 쉘(303, 305)의 초점은 내측 쉘(305)에 의해서 한정된 부분적으로 포위된 타겟 볼륨(target volume) 내부에 또는 그 상에 위치된다.

내측 및 외측 쉘(305, 303)의 오목부는 장치에 의해 생성된 방출의 수렴 패턴을 한정하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 보다 집중된 오목부는 방출 패턴을 조이거나 좁게하는 반면에 덜 집중된 오목부는 패턴을 넓히는 경향이 있을 것이다. 이 식으로, 방출의 수렴 패턴의 단면은 10도, 45도, 90도, 180도, 270도 등과 같은 임의의 원하는 정도로 또는 제한없이 임의의 중간값으로 크게 한정될 수도 있다. 구형 또는 부분 구형 지오메트리에 관하여, 방출의 수렴 패턴은 동일한 방식으로 한정될 수도 있고, 즉 이는 π 스테라디안, 2π 스테라디안 등 또는 임의의 중간값으로 크게 한정될 수도 있다.

대체적인 배열이 도3B에 도시된다. 특히, x-선 발생 장치는 내측 및 외측 만곡 시트(311, 309)를 포함한다. 상술된 본 발명의 실시예와 비슷하게, 내측 및 외측 시트(311, 309)는 내측 및 외측 관형 부재와 동일한 기능을 수행한다. 시트(309, 311) 사이의 공간은, 도시되지 않은 타겟층이 내측 시트(311)의 외부에 배치되고 도시되지 않은 게이트 또는 게이트없는(ungated) 방출기가 외측 시트(309)의 내부에 배치된, 전자 가속 구역이다. 다시, 전자 가속 구역을 비우기 위하여, 시트(309, 311)의 에지는 절연 에지 피팅(insulating edge fitting) 등에 의해서 함께 밀봉될 수도 있거나, 또는 장치가 단순히 비워진 챔버 내부에서 사용될 수도 있다. 더욱이, 내측 시트(311)가 오목하기 때문에, 발생된 방사선 필드는 내측 시트(311) 내부에 한정된 볼륨 내부 또는 부근에서 실질적으로 반경 방향으로 수렴할 것이다.

독자의 편의를 위하여, x-선 방출 공정과 함께 전자 추출 및 가속 공정의 간단한 설명이 도4를 참조하여 주어진다. 도4는 이해의 편의를 위해 오목부가 생략된, x-선 발생 장치의 일부분의 간략화된 개략도를 도시한다. 외측벽의 섹션(401)은 그 상에 방출기 필름의 섹션(403) 및 추출 게이트(405)를 갖는다. 내측벽의 섹션(409)은 그 상에 타겟 금속 필름 또는 포일의 섹션(407)을 갖는다. 작동 시에, 단일 전자의 경로를 보면, 그 전자(411)는 추출 전압(V_E)에 의해서 방출기 필름(403)에서부터 추출되고, 가속 전압(V_A)에 의해서 내측벽(407)을 향해 가속된다.

벽간(interwall) 공간(413)을 횡단하고 그 내부에서 가속된 후, 전자는 지점(415)에서 금속 타겟 필름(407)과 충돌한다. 충돌은 x-선 범위의 에너지를 갖는 하나 이상의 광자(417)를 발생시킨다. 비록 도시된 x-선(417)이 장치의 중심을 향해 지향되도록 도시되지만, 일부 x-선(418)은 또한 외측벽을 향해 거꾸로 산란할 수도 있다(또는 관형 조립체에서, 내측 관형 부재의 먼 쪽을 지나서 외측 관형 부재 상의 반대 지점을 향해서 계속된다). 따라서, 상술한 것과 같이, 외측벽은 차폐 특성을 갖거나 또는 차폐층을 포함하여야 한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다수의 x-선 발생 장치가 설명되지만, 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이러한 시스템의 일부 예시적인 이용이 이제 설명될 것이다. 도5는 높은 레벨의 개략적인 형태로 상술된 것과 같은 다중 패스 관통 유동 처리 시스템(500) 및 구성부품 x-선 발생 장치를 도시한다. 시스템(500)은 입구(503) 및 출구(505)를 갖고 도1을 참조하여 상술된 것과 같은 제1 및 제2 x-선 발생 장치(507, 509)를 통과하는 파이프 또는 도관(501)을 포함한다. 각각의 x-선 발생 장치(507, 509)에 연결된 공용 펌프(513) 및 전원(511)이 도시된다.

액체 물질이 입구(503) 내로 통과된 후, 이는 제1 x-선 발생 장치(507)를 우선 통과하고, 그런 후 재료가 출구(505)로부터 방출되기 전에 유동은 제2 x-선 발생 장치(509)를 통해서 복귀된다. x-선 발생 장치의 각각의 패스 동안, 액체는 x-선 방사선이 조사되고 상술한 방식으로 발생 및 안내된다. 이 방식으로, 이 형태의 방사선에 영향을 받는 임의의 생물학적 또는 화학적 구성성분이 죽게되거나, 파괴되거나 또는 원하는 형태로 변형된다. 요구되는 방사선의 강도 및 에너지 스펙트럼은 영향을 받을 미생물의 밀도, 타겟 재료 등뿐만 아니라 이의 x-선 흡수 특성, 원하는 최종 제품(들)을 포함하는 조사될 재료에 기초하여 산출되어야 한다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, PCB의 파손을 유발하는 것이 요구될 수도 있다. 만일 분자의 염소 원자가 x-선 방사선으로 이의 결합의 절단을 통해 제거된다면, HCl, 물 및 CO₂와 같은 무해한 최종 제품이 생긴다. 위 예에서 지적한 것과 같이, x-선 방사선을 조정함에 의해서 특정 반응을 목표로 할 수 있다.

이의 다른 예는 배치, 중합 반응이 아니라 관통 유동을 용이하게 하는 것이다. 적절한 단량체 및/또는 저중합체가 상술된 임의의 시스템을 통해 통과될 수 있다. 시스템에 의해서 발생된 x-선은 그 후 이온화가 자유 라디칼 중합 반응을 유발하도록 할 수 있다. 이러한 연속 처리에 의해 제공되는 많은 이점에 더하여, 이 시스템은 또한 x-선이 낮은 흡광을 가지는 점에서 전통적인 UV 중합 반응에 비해 개선점을 제공한다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 e-비임 장치는, 비록 고에너지 전자가 통상적으로 증가된 흡광을 경험한다는 사실을 설명하기 위하여 허용이 요구될 지라도, 이 방식으로 또한 이용될 수 있다.

대량의 재료를 처리하거나 또는 주어진 양의 재료를 아주 신속하게 처리하는 것이 요구되는 본 발명의 다른 실시예에서, 대상 재료는 높은 처리량으로 도6에 도시된 병렬 방식으로 처리될 수도 있다. 특히, 도6의 단일 패스 병렬 처리 시스템(600)은 공용 펌프(613) 및 전원(611)과 마찬가지로 도5를 참조하여 상술된 것과 같은 이중 x-선 발생 장치(607, 609)를 포함한다. 그러나, 도5에 도시된 장치와는 달리, 처리 시스템(600)은 단일 패스(single pass)로 폐기물을 처리하지만 처리량을 개선하기 위하여 다중 패스를 제공한다. 따라서, 입구(601) 내로 유입된 액체 재료는 x-선 발생 장치(607, 609)의 둘다가 아닌 하나를 통과할 수도 있다. x-선 발생 장치(607, 609)에서의 처리 후에, 액체는 합쳐져서 출구(603)에서 배출된다.

도5 및 도6에 따른 처리 시스템이 유지보수, 보관 또는 운송을 위하여 분리될 수 있는 것이 본 발명의 실시예에서 바람직하다. 따라서, 입구, 출구 및 연결 파이프, 도관 등은 바람직하게는 표준 진공, 배관 또는 전기적인 하드웨어 등을 통해서 제거 및 재설치될 수 있다.

상술된 처리 시스템은 단지 예이며 요소의 임의의 조합 및 구성이 본 발명 내에서 가능하다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 일련의 병렬 서브시스템(subsystem)을 포함하는 직렬 처리 시스템뿐만 아니라 각각의 경로에 다중 x-선 발생 장치를 포함하는 병렬 시스템이 가능하다. 더욱이, 비록 공용 구성부품이 도시되지만, 그와 관련하여 본 발명에 아무런 제한이 없고, x-선 발생 장치는 필요에 따라 전용 또는 공용 지원 장비를 이용할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로토타입(prototype) 장치의 구성 및 작동이 아래에서 보다 상세하게 설명된다. 장치는 바람직하게는 발생된 x-선이 대략 1000 그레이의 튜브의 중심에서의 분량으로 처리될 재료에 조사되도록 구성 및 작동된다. 이 분량 수준은 식료품 내의 박테리아를 죽이기에 일반적으로 적절하고 또한 예를 들면 폐수 화합물 내부의 기본 결합을 분리하는 데 일반적으로 충분한 에너지이다.

프로토타입 장치(701)가 도7에 도시된다. 장치는 길이가 대략 91.44㎝(36")이고 높이가 152.40㎝(60")이지만, 이들 값은 중요한 것이 아니며, 이들 중 하나 또는 모두가 그 대신에 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 훨씬 크거나 또는 훨씬 작을 수도 있다. 장치의 눈에 보이는 외측 용기(703)는 도1의 튜브(101)와 같은 장치의 외측 튜브에 대응한다. 비록 프로토타입의 방출기 층이 게이트되지 않지만, 즉 프로토타입 x-선 소스가 다이오드 모드로 작동되지만, 장치는 도1에 개략적으로 도시된 것과 유사하다. 8.42 ㎝(3.315 인치)의 직경을 갖는 흑연 원통체의 5.08 ㎝(2") 길이 섹션으로 구성된 장치(701)는 12.5 ㎛ 두께의 구리 포일이 그 상에 감기거나 또는 납땜된 7.62 ㎝(3") 직경 수정 튜브를 둘러싸서 동심으로 위치설정된다. 따라서, 흑연 튜브는 도1의 방출기 층(113)(게이트 생략)에 대응하고, 구리 포일은 환형 금속 타겟 층(115)에 대응한다. 7.62 ㎝(3") 직경 내측 수정 튜브는 도1의 중공 관형 내측 부재(103)에 대응한다.

기술 분야의 숙련자에 의해서 이해될 수 있는 것과 같이, 고진공 및 초고진공 수준은 일반적으로 다단 펌핑(pumping)에 의해서만 얻어질 수 있다. 예를 들면, 고진공(10^-6 torr 정도)은 기계적인 또는 "초기배기(roughing)" 펌프에 의해서 지지되는 터보 분자 펌프에 의한 챔버의 펌핑에 의해서 달성될 수도 있다. 초고진공은 상술된 시스템 등에 의해서 고진공으로의 제1 펌핑 및 그런 후 이온 펌프(ion pump)와 같은 UHV-가능 펌프로의 절환(switching)에 의해 (적절한 챔버 내에서) 달성될 수 있다. 본 발명의 대부분의 실시예에서, 고진공 수준은 충분하며, 초고진공은 불필요하다. 따라서, 프로토타입은 도시되지 않은, 기계적인 초기배기 펌프에 의해서 지지되는 터보 분자 펌프(705)를 이용하였다.

40㎸ 전자 에너지에서 공간(127) 내부에 취해진 통상적인 x-선 스펙트럼이 도11에 도시된다. 도면에 도시된 플롯의 세로좌표는 광자 수를 나타내고 가로좌표는 광자 에너지를 나타낸다. 장치(701)의 기본 압력은 5.1 × 10^-7 torr에서 고정되었다.

본 발명의 실시예에서, 구리 포일이 아닌 퇴적된 구리 필름이 금속 타겟층으로서 이용된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 몰리브덴 타겟층이 이용된다. 텅스텐이 또한 사용될 수도 있지만 몰리브덴이 코팅의 용이함 때문에 바람직하다.

비록 프로토타입이 투과 모드 장치이지만, 아래에서 아주 상세하게 설명되는 것과 같이 이는 또한 유사하게 구성되지만 반사 모드로 작동할 수도 있다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 실시예에서, 필드 방출기는 열이온 방출기로 대체될 수 있다. 열이온 장치는 또한 반사 또는 투과 모드에서 작동될 수 있다.

이 점에서 설명된 본 발명의 실시예는 내측 튜브(103) 부근에서 x-선 방출을 유발하는 외측 튜브(101) 부근의 전자 방출을 예로서 사용한다. 그러나, 이 모드에서 투과 모드를 참조하여(x-선은 발생되는 깊이에 따라 금속 타겟층을 적어도 부분적으로 통과하여야 하기 때문에), x-선 강도는 타겟층(예를 들면, 층(115))에서 재흡수에 기인하여 어느정도 감소될 수도 있다. 이 문제점을 완화시키기 위하여, 반사 모드가 또한 사용될 수 있다. 반사 모드에서 작동가능한 예시 장치가 도8 및 도9를 참조하여 기재될 것이다.

도8은 도1에 도시된 것과 유사한 원통형 x-선 발생 장치의 측단면도이다. 그러나, 도8의 장치는 2개의 주요 측면에서 도1의 장치와 다르다. 첫번째로, 도8의 장치는 전자 발생 요소(813)가 내측 튜브(803)의 외측 표면에 있고 전자 타겟(x-선 발생) 요소(815)가 외측 튜브(801)의 내측 표면에 있는 역전(reverse) 구성이다. 둘째로, 도8에 도시된 장치는 도1에서와 같은 트리오드 장치가 아니라 다이오드 장치(비게이트(non-gated) 전자 방출기(813)에 기인함)이다. 후자의 구별은 중요한 것은 아니지만, 투과 및 반사 장치 모두가 제작자의 선호에 따라서 다이오드 또는 트리오드 모드로 구성 및 작동될 수도 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 기술 분야의 숙련자는 도1의 장치와 같은 장치가 필드 방출기 층(113) 대신에 열이온 방출기 층을 사용할 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 더욱이, 비록 도8의 반사 장치가 열이온 다이오드 모드 장치와 같이 구성되는 것으로 기술되지만 게이트 방출기 층이 요소(813) 대신에 사용될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

도8에 도시된 전자 배출 요소(813)는 절연 내측 튜브(803) 둘레에 감긴 와이어이다. 도시된 것과 같은 와이어 감김의 간격은 대략 50% 이며, 훨씬 큰 또는 작은 간격이 또한 사용될 수 있을 것이다. 와이어(813)의 전자 발생 특성 및 x-선 흡수 특성은 만일 요구된다면 최적 간격을 결정하기 위하여 이용될 수 있다. 열 이온 방출 요소는 작동 시에 아주 고온이 될 수도 있고, 따라서 절연 스페이서 로드 등을 이용함에 의해서 하나 또는 양 튜브로부터 일정 거리에 열 이온 방출 요소를 유지하는 것이 내측 및/또는 외측 튜브의 재료에 따라 바람직할 수도 있다. 예시적인 장치가 도10을 참조하여 이하에서 후술된다.

타겟 층(815)은 투과 모드에서와 같이 구리 필름 또는 포일일 수도 있지만, 층을 통한 x-선 투과가 요구되거나 또는 필요하지 않기 때문에 훨씬 더 두꺼울 수도 있다. 몰리브덴, 텅스텐 등과 같은 다른 재료가 이 층(815)을 위해 대신 이용될 수도 있다. 타겟 층(815)의 원하는 품질은 충분히 높은 에너지의 전자에 의해서 충돌된 때 x-선을 방출하는 것이다.

타겟층(815)이 리드(821)를 거쳐 전압 소스에 연결되고, 전자 발생 요소(813)는 리드(817a, 817b)를 거쳐 전압 소스에 연결된다. 이 경우, 와이어(813)의 단부에서 상대적인 전압이 와이어를 통한 전류를 성립시키지만, 타겟 층(815)과 와이어(813) 상의 지점 사이에서 전압차가 방출된 전압의 충돌 에너지를 성립시킨다.

도시된 것과 같은 열이온 다이오드 모드에서 작동될 때, 전자 발생 요소(813)를 가로질러 전압이 인가되고 타겟 층(815)에 전압이 인가된다. 결과적인 필드 강도는 타겟 층(815)에서 x-선 발생을 유발하기에 충분한 충돌 에너지를 얻도록 타겟 층(815)을 향해 방출된 전자를 가속하기에 충분하다. 타겟 층이 x-선에 대하여 아주 투과성인 것은 아니기 때문에, 대부분의 발생된 x-선은 장치의 내부를 향해 반사되거나 또는 지향된다. 많은 이 방사선은 발생 요소(813)에 충돌하거나 또는 대신에 요소(813)의 코일 사이에 지나서 내부 공간(827)에 유입하여 이의 내용물을 조사할 것이다. 전압은 장치의 지오매트리, 구성 및 재료가 주어지면 방상의 원하는 레벨을 달성하도록 설정될 수도 있다.

도9는 전자 및 x-선 방출 공정을 보다 상세하게 도시한다. 도9는 도8의 라 인 B 주위에서 그리고 라인 A를 따라 취해진 얇은 슬라이스의 상부 단면도이다. 장치(901)는 재료를 통한 유동의 조사를 위하여 내향 동심 순서로 외측 튜브(903(801)), 전자 타겟 및 x-선 방출 층(905(815)), 전자/x-선 횡단 공간(907(825)), 전자 방출 요소(909(813)), 내측 튜브(911(803)) 및 타겟 볼륨(913(827))을 포함한다. 작동 시에 전압이 전자 방출 요소(909)를 가로질러 인가되고, V₁의 평균 전압이 또한 요소(909) 상의 위치들에 성립되고, 그리고 전압(V₂)이 전자 타겟 및 x-선 방출 층(905)에 인가된다. 전압 차이(V₂-V₁)는 크거나 작은 전압이 사용될 수도 있지만 전술된 것과 같이 통상적으로 10 - 500㎸ 정도이다.

인가된 전압 차이의 결과로서, 전자는 전자 방출 요소(909)로부터 방출되어 전자 타겟 및 x-선 방출 층(905)을 향해서 가속된다. 비록 오직 3개의 전자가 명료성을 위하여 도시되지만, 거대한 수의 전자가 작동 전압에서 통상적으로 발생될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 이렇게 가속된 전자는 충돌 구역(915)에서 전자 타겟 및 x-선 방출 층(905)에 충돌하여, 많은 이러한 구역(915)으로부터 x-선 방사선의 발생을 일으킨다. 비록 각각의 도시된 구역(915)이 x-선 방출을 표시하지만, x-선 방출은 각각의 충격 구역에서 일정하게 일어나지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 더욱이, 비록 x-선 방사선이 내향으로 지향되는 것으로 도시되지만, 일부 발생된 x-선 방사선이 상이하게 지향될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

도시된 것과 같이, 발생된 x-선 방사선의 일부분이 타겟 볼륨(913)을 향해 안내된다. 본 발명의 도시된 실시예에서 전자 방출 요소(909)가 나선형으로 감긴 와이어이고, 타겟 볼륨(913)을 향해 안내된 방사선의 일부분은 전자 방출 요소(909)에 의해 정지되고, 다른 부분은 내측 튜브(911)와 요소(909)의 코일들 사이를 통과하고 타겟 볼륨(913)에 유입하여 이의 현재 내용물을 조사한다는 것을 명심하자.

도시된 반사 모드 장치는 본 발명의 범위 내에서 상당하게 변화될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 전자 방출 요소(909)는 와이어 대신에 시트, 리본, 필름 또는 포일일 수도 있다. 더욱이, 열이온 방출 대신에, 요소(909)의 재료는 흑연, 금속, 또는 금속 합금, 또는 비금속 합금, 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 적절한 재료일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 토리에이티드 텅스텐(Thoriated Tungsten) 및 란탄 헥사보라이드(Lanthanum Hexaboride)가 적절한 재료이다. 더욱이, 전자 방출의 메커니즘은 열이온 방출, 필드 방출 등을 포함하는 임의의 적절한 메커니즘일 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 더욱이, 전자 타겟 및 x-선 방출층(905)은 임의의 적절한 재료 및 구성일 수도 있다. 예를 들면, 구리, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 임의의 적절한 재료가 사용되고, 층(905)의 구성은 부분적이거나 또는 연속적일 수도 있고 x-선 차폐물로서 작용을 하거나 하지 않을 수도 있다. 더욱이, 비록 도8 및 도9에 도시된 반사 장치의 지오메트리가 원통형이지만, 위에서 또는 달리 설명된 것들과 같은 임의의 다른 적절한 지오메트리가 본 발명의 범위 내에서 이용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.

도10은 도8의 장치에 일부 관련하여 유사한 열이온 다이오드 모드 투과 x-선 발전 장치를 측단면도로서 도시한다. 열이온 전자 방출 와이어 또는 필라멘트(1013)는 수정 지지 로드(1021)의 원통형 배열 주위에 감긴다. 전기 리드(1017a, 1017b)는 전류가 요소(1013)를 통해 지나가는 것을 허용한다. 외측 튜브(1001)는 전자 충격에 응답하여 x-선을 발생시키는 금속 타겟 재료(1015)가 그 상에 위치되는 내측 튜브(1003) 뿐만 아니라 전자 방출 필라멘트(1013) 및 수정 지지 로드(1021)를 둘러싼다. 내측 및 외측 튜브(1003, 1001) 사이의 공간(1025)이 비워질 수 있도록 단부 캡(1029)이 또한 제공되고 위치된다.

작동 시에, 전자 방출 필라멘트(1013)가 그를 통한 전류의 흐름에 의해서 저항식으로 가열되어, 전자의 방출을 일으킨다. 가속 필드는 방출된 전자가 타겟 재료(1015)를 향해서 가속되어 충돌하도록 이들 요소에 적절한 전압을 인가함에 의해서 필라멘트(1013)와 타겟 재료(1015) 사이에서 확립된다. 이러한 충돌로부터 발생된 x-선은 많은 방향으로 지향되지만, 그러나 상당한 수는 내측 튜브(1003) 내부의 타겟 볼륨(1027)을 향해서 지향된다. 이 x-선 방사선의 일부분은 타겟 재료(1015) 및 내측 튜브(1003)를 관통하여 타겟 볼륨(1027)에 유입된다. 이 방식으로, 타겟 볼륨의 내용물은 효과적으로 조사될 수도 있다.

위에서 교시된 원리가 주어진다면 다수의 작동의 다른 모드가 본 발명의 범위에서 가능하다. 일반적으로, 본 발명에 따른 x-선 발생 장치는 전자 방출과 관련하여 필드 방출 또는 열이온 방출 모드에서 작동할 수도 있다. 이들 모드 내에서, 장치는 다이오드 또는 트리오드 모드로 작동할 수도 있고 추가로 반사 또는 투과 모드로 작동할 수도 있다. 다이오드 모드에서, 전자 방출기는 게이트되지 않으 며, 반면에 트리오드 모드에서는 방출기는 게이트된다. 더욱이, 반사 모드에서 x-선을 위한 타겟 볼륨은 전자 충돌로서 x-선 방출기 표면 또는 요소의 동일 측에 위치된다. 투과 모드에서 x-선을 위한 타겟 볼륨은 전자 충돌로부터 x-선 방출기 표면 또는 요소의 반대측에 위치된다.

이와 같이, 일반적으로 작동의 몇몇 예시적인 모드는 (1) 필드 방출(다이오드/투과), (2) 필드 방출(다이오드/반사), (3) 필드 방출(트리오드/투과), (4) 필드 방출(트리오드/반사), (5) 열이온 방출(다이오드/투과), (6) 열이온 방출(다이오드/반사), (7) 열이온 방출(트리오드/투과), (8) 열이온 방출(트리오드/반사)이다. 전술된 도1, 도2 및 도4는 필드 방출(다이오드/투과) 장치의 예를 도시하고, 도8 및 도9는 열이온 방출(다이오드/반사) 장치의 예를 도시한다. 도10은 열이온 방출(다이오드/투과) 장치의 예를 도시한다. 이들 도면의 요소는 이들이 투과 및 반사 작동, 다이오드 및 트리오드 작동, 및 열이온 및 필드 방출을 도시하기 때문에 임의의 다른 형태의 장치를 구성하도록 상술된 원리에 따라 재배열될 수 있다.

비록 상술된 본 발명의 실시예가 대형 정수 및 폐기물 처리와 같은 산업적인 적용예의 배경에서 설명되지만, 본 발명의 설명된 실시예는 또한 비상업적 장치에도 적합할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서 상술된 원리에 따른 작은 장치는 정화 기능을 제공하기 위한 가정용 키친 용구에 관련된다. 예를 들면, 이러한 장치는 물꼭지, 냉장고, 커피 메이커 등과 같은 식수 공급원에 한 줄로 위치될 수도 있다. 부가적으로, 본 발명의 실시예에서, 전술된 것과 같은 관통 유동 처리 장치는 부패 탱크 또는 지방 하수구 시스템으로의 통 로 등의 이전에 폐수 처리를 위하여 가정에서 사용된다.

본 발명의 상술된 실시예에서, x-선 방사선은 장치의 외부로 연장되지 않도록 장치를 차폐하는 것이 바람직하였을 것이다. 그러나, 본 발명의 대체적인 실시예에서 장치 내부보다는 외부의 재료를 조사하는 것이 바람직하다. 예를 들면, x-선 방사선은 크랙 또는 다른 문제 상태를 검사하기 위하여 파이프 또는 도관과 같은 제한된 공간 내부로부터 사용될 수 있다. 도관 완전성은 핵 발전소 냉각 시스템과 같은 특별한 용도뿐만 아니라 산업 및 가정용 배관에서 특히 중요하다.

x-선을 발생하여 외향으로 안내하기 위한 장치가 도12에 도시된다. 장치는 도8의 것과 유사하지만, 훨씬 더 작을 수도 있고 축방향 관통 유동 개구를 갖지 않을 수도 있다. 보다 상세하게는, 장치(1200)는 이의 내측 표면 상에 타겟 재료(1203)를 갖는 원통형 외측 쉘(1201)을 포함한다. 타겟 재료는 상술된 임의의 타겟 재료일 수 있고, 발생된 x-선을 차폐하지 않을 정도로 충분히 얇거나 또는 확산된다(diffuse). 마찬가지로, 외측 쉘은 중합체 재료, 흑연, 베릴륨, 또는 얇은 금속 재료와 같은 상당한 x-선 투과를 허용하는 재료 및 구성을 포함한다.

외측 쉘(1201) 내부에는, 수정 지지 로드(1205a, 1205b)가 위치되고, 단부 캡(1207a, 1207b)에 의해서 제 위치에 유지될 수도 있다. 단부 캡(1207a, 1207b)은 또한 외측 쉘(1201)에 의해 한정된 내측 공간(1209)을 밀봉하는 역할을 한다. 열이온 전자 방출 요소(1211)가 수정 지지 로드(1205a, 1205b) 주위에 감겨진다. 비록, 2개의 이러한 지지 로드가 간단함을 위하여 도시되지만, 4개 이상의 로드와 같은 더 많은 수의 균일하게 이격된 지지 로드가 보다 균일한 패턴의 전자 및 이에 의한 x-선 발생을 허용할 것을 알 수 있을 것이다. 리드(1213a, 1213b)는 전자 방출 요소(1211)에 전원을 공급하고, 리드(1215)는 타겟 재료(1203)에 전원을 인가한다. 오리피스(1217)는 장치의 작동을 위하여 공간(1209)을 비우기 위하여 사용될 수도 있다. 작동시에, 펌핑은 계속되거나, 또는 오리피스(1217)가 밀봉될 수도 있다.

장치의 작동은 전술된 것과 대체로 같다. 특히, 전압 차이가 열이온 전자 방출 요소(1211)와 타겟 재료(1203) 사이에 인가된다. 열이온 전자 방출 요소(1211)에 의해 방출된 전자는 인가된 필드의 영향 하에서 타겟 재료(1203)를 향해 가속되어 타겟 재료(1203)에 충돌한다. 이 전자 충격에 응답하여, 타겟 재료(1203)는 x-선 방사선을 방출한다. 타겟 재료(1203)와 쉘(1201) 모두가 실질적으로 이러한 방사선을 차폐하지 않기 때문에, 발생된 방사선의 일부분은 장치의 외부로 통과하여, 장치의 현재 환경을 조사한다.

이 장치를 이용하는 방법이 도13을 참조하여 이하에서 설명된다. 특히, 장치(1301)는 분석될 파이프(1303) 내부에서 낮아지게 도시된다. 장치는 바람직하게는 지지를 위하여 라인(1305)에 부착된다. 장치를 작동하기 위해 사용되는 리드(1307)가 또한 장치(1301)에 부착된다. 파워가 공급될 때, 장치는 파이프(1303)의 벽에 충돌하는 x-선(1309)을 방출한다. 파이프(1303)의 완전성을 분석하기 위하여, 파이프(1303)를 통한 x-선의 투과에서의 변동이 파이프(1303) 외부에 놓인 x-선 검출기(1311)에 의해서 검출된다. 다르게는, x-선 감지 필름이 장치(1301)의 외부 둘레에 감기고 그리고 화상 강도의 변화를 통해서 파이프 내의 결점을 감지하 도록 이용될 수도 있다.

비록 도시된 장치가 특정 환경에서 이용되지만, 이 환경에는 제한이 없다는 것에 주목하자. 예를 들면, 도시된 장치는, 만일 적절한 치수로 만들어진다면, 의료용 목적을 위하여 이용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 장치는 정맥 및 강과 같은 내부 신체 구조를 분석하거나 또는 이러한 구조에 방사선을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 장치는 특정 지점을 조사하는 데 사용될 수 있다.

비록 상기 예에서 타겟 재료(1203) 및 쉘(1201)이 모두 실질적으로 x-선 방사선에 대하여 투과성이었지만, 이는 요구사항이 아니다. 특히, 타겟 재료(1203)와 쉘(1201) 중 하나 또는 둘 다는 원하는 출력 패턴을 생성하기 위하여 선택된 위치에서 x-선 방사선에 대하여 비투과성일 수도 있다. 예를 들면, 투과성의 링은 도우넛 방사 패턴을 생성할 수 있고, 투과성의 스트라이프는 평면 또는 시트 패턴을 생성할 수 있다.

전자 충격 장치가 동일한 원리 즉, 전자 방출기, 전자 방출기를 둘러싸는 관형 부재 및 전자 방출기로부터 관형 부재를 향해서 방출된 전자를 가속시키는 필드를 생성하기 위한 전압 소스를 사용하여 구성될 수 있다는 것에 주목하자. 관형 부재를 통과하여 장치를 빠져나가는 전자는 그 후 외부 재료를 조사하는 데 이용될 수 있다.

전술한 설명이 반사 또는 투과 모드 중 하나로 작동하는 장치에 중점을 두었지만, 동시에 작동의 양 모드를 이용하는 장치가 가능하다. 도14는 본 발명의 실 시예에 따른 하나의 이러한 장치를 단면도로서 도시한다. 장치(1400)는 도12의 것과 유사하지만, 이의 독특한 작동 모드를 더욱 명확하게 설명하기 위하여 별도로 도시된다.

장치(1400)는 이의 내측 표면 상에 타겟 재료(1403)를 갖는 원통형 외측 쉘(1401)을 포함한다. 다시, 타겟 재료는 실질적으로 발생된 x-선을 차폐하지 않도록 충분히 얇거나 또는 확산된다. 마찬가지로, 외측 쉘(1401)은 전술된 것과 같이 상당한 x-선 투과를 허용하는 재료 및 형상으로 구성된다. 단부 캡(1407a, 1407b)은 외측 쉘(1401)에 의해 한정된 내부 공간(1409)을 밀봉하는 역할을 한다. 열이온 전자 방출 요소(1411)는 외부 쉘(1401) 내부에 위치되고 이와 거의 동심을 이룬다. 열 이온 방출 요소(1411)는 구조적으로 자기 지지형이거나 또는 도시되지 않은 아암, 로드 등에 의해서 지지될 수도 있다.

리드(1413a, 1413b)는 전자 방출 요소(1411)에 전원을 공급하고, 리드(1415)는 타겟 재료(1403)에 전압을 인가한다. 상술된 도12의 장치에서와 같이, 오리피스(1417)는 장치(1400)의 작동을 위해서 공간(1409)을 비우는 데 사용될 수 있고, 장치(1400)의 이용을 위하여 만일 펌핑(pumping)이 중단된다면 밀봉될 수도 있다.

작동 시에, 전압 차이가 열이온 전자 방출 요소(1411)와 타겟 재료(1403) 사이에 인가된다. 열이온 전자 방출 요소(1411)에 의해서 방출된 전자는 인가된 필드의 영향 하에서 타겟 재료(1043)를 향해서 가속되어, 타겟 재료(1403)에 충돌한다. 결과적으로, 타겟 재료(1403)는 x-선 방사선을 방출한다. 전술된 것과 같이, 타겟 재료(1403) 및 쉘(1401) 모두가 이러한 방사선을 실질적으로 차폐하지 않는 다. 따라서, 발생된 방사선의 일부분은 장치(1400)의 외부로 통과한다. 부가적으로, 발생된 방사선의 다른 부분이 외측 쉘(1401)의 대향벽을 향해서 내향으로 반사된다. 외측 쉘(1401) 내부에서 공동을 횡단할 때, 반사된 방사선의 일부분은 외측 쉘(1401)의 대향 벽을 관통하여 장치(1400)를 빠져나간다. 비록 대향 측이지만 초기의 반사된 x-선이 여전히 장치(1400)를 빠져나간다면 이 변형된 작동 모드가 효율성을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.

도14에 도시된 것에 관련된 본 발명의 다른 실시예에서, 장치는 x-선 방출 타겟 재료로 또한 코팅된 내측 관형 부재를 더 포함한다. 가속 필드는 전자 방출기와 양 튜브 부재 사이에서 추가로 유지되어, 전자는 전자 방출기로부터 내향 및 외향 모두로 가속되어 양 타겟 표면에 충돌한다. 외측 표면은 전술된 것과 같이 작동된다. 내측 표면은 내측 튜브에 비해서 더 두꺼울 수도 있고 반사 모드로 작동한다. 즉, 내측 튜브 상의 x-선 방출 타겟 재료에서 발생된 x-선은 외측 튜브를 향해서 안내되어 실질적으로 외측 튜브를 통과한다.

신규한 그리고 유용한 x-선 발생 기술 및 장치가 본 명세서에서 설명되었다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예에 비추어, 도면 번호를 참조하여 본 명세서에서 설명된 실시예는 예시적인 것만을 의미하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 취급되어서는 안 된다는 것을 인식하여야 한다. 예를 들면, 기술 분야의 숙련자는 도시된 정밀한 구성 및 형상이 예시적인 것이고 도시된 실시예가 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않고 배열 및 세부가 변경될 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 도시된 형상 또는 다른 점에서 임의의 것이 또한 하나 이상의 에지에서 확개부 또는 플랜지와 같은 오목하지 않은 부분 또는 요소를 포함하도록 변형될 수도 있고 이러한 것이 영향을 받는 부재의 실질적인 오목함을 부정하지 않을 것이라는 것을 알 수 있을 것이다.

비록 일부 수치적인 예가 본 명세서에서 주어졌지만, 본 발명은 제한 없이 훨씬 크거나 또는 훨씬 작은 크기의 장치 및 시스템에도 동등하게 적용된다는 것을 알 수 있을 것이다. 마찬가지로, 비록 일반적으로 매끄러운 부재가 본 명세서에서 예시되지만, 전체적으로 오목한 부재는 그 자체로 스트라이프 또는 다각형과 같은 많은 개별적인 평평한 구성부품으로 구성될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 다각형 단면을 갖는 튜브가 원형 단면을 갖는 부재 대신에 도1의 장치에서 이용될 수 있다. 최종적으로, 유체(액체 및 기체 포함)뿐만 아니라 고체도 본 명세서에서 설명된 시스템을 통해서 통과되어 이에 의해서 처리될 수 있는 것이 고려된다. 시스템을 통해 유동되는 대신에, 고체는 바람직하게는 벨트 또는 쉐이커 등에 의해서 운반된다. 더욱이, 비록 본 발명의 설명된 실시예가 x-선 발생에 초점을 맞추었지만, 본 발명의 원리가 x-선 방출 없이 재료의 전자 방사를 제공하는 데 또한 이용될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 도1의 장치에서, 만일 타겟 층(115)이 전자에 대하여 실질적으로 투과성으로 만들어지고 내측 튜브(103)가 비교적 전자에 대하여 투과성이면, 장치는 볼륨(127)의 내용물의 전자 조사를 제공하는 데 이용될 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 기재된 것과 같은 발명은 후속하는 청구범위 및 이의 등가물의 범위 내에 드는 많은 모든 이러한 실시예를 고려한다.

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15. 타겟 재료의 x-선 처리 방법이며,

    x-선에 대하여 투과성인 주 몸체 및 전자 충격에 응답하여 x-선 방사선을 방출하는 금속 층으로 코팅된 외측 표면을 가지며, 전자 방출기 표면을 포함하는 방출기 튜브의 내측 표면에 의해서 둘러싸인 격납 튜브 내부에 타겟 재료를 위치시키는 단계와,

    방출기 표면으로부터 전자를 추출하는 단계와,

    격납 튜브의 금속 층과 방출기 표면 사이에 가속 전위를 인가하여 추출된 전자가 금속 층을 향해서 가속되고 충돌하여, 그로부터 x-선 방사선을 방출하게 하여 상기 x-선 방사선의 적어도 일부분이 격납 튜브의 몸체를 관통하여 그 내부에 위치된 타겟 재료에 충돌하는 단계를 포함하는 x-선 처리 방법.
16. 제15항에 있어서, 타겟 재료는 액체 재료인 x-선 처리 방법.
17. 제15항에 있어서, 타겟 재료는 가스 또는 플라즈마 재료인 x-선 처리 방법.
18. 제15항에 있어서, 타겟 재료는 고체 또는 슬러리 재료인 x-선 처리 방법.
19. 제15항에 있어서, 대기압 미만으로 공간 내의 압력을 감소시키기 위하여 격납 튜브와 방출기 튜브 사이의 공간을 비우는 단계를 더 포함하는 x-선 처리 방법.
20. 제19항에 있어서, 격납 튜브와 방출기 튜브 사이의 공간을 10^-5 torr 미만으로 비우는 단계를 더 포함하는 x-선 처리 방법.
21. 제15항에 있어서, 격납 튜브는 입구 및 출구를 포함하고, 격납 튜브 내부에 타겟 재료를 위치시키는 단계는 입구에 재료를 도입시키는 단계와, 재료를 튜브를 통해 이동시키는 단계와, 출구에서 재료를 제거하는 단계를 포함하는 x-선 처리 방법.
22. x-선 발생 장치이며,

    전자 방출기 요소를 갖는 외측 표면을 구비한 격납 튜브인 제1 관형 부재와,

    제1 관형 부재를 동심 관계로 둘러싸는 제2 관형 부재를 포함하고,

    격납 튜브는 x-선 방사선에 대하여 투과성이고, 제2 관형 부재의 내측 표면에 의해 둘러싸이며,

    제1 및 제2 관형 부재 사이에는 공동이 있고,

    원통형인 제2 관형 부재는 원통형인 제1 관형 부재의 외측 표면에 대면하는 내측 표면을 갖고,

    내측 표면은 전자 충격에 응답하여 x-선 방사선을 방출하는 타겟 층을 포함하고,

    제2 관형 부재는 x-선 방사선에 대하여 비투과성이며,

    전자 방출기 요소와 제2 관형 부재의 내측 표면 사이에서 가속 필드가 유지되고,

    전자 방출기 요소로부터 방출된 전자는 제2 관형 부재의 내측 표면을 향해 가속되고 그 위의 타겟 층에 충돌하여 x-선 방사선의 방출을 유발하고,

    방출된 x-선 방사선의 적어도 일부분은 제1 관형 부재의 내측 통로를 향해 안내되어 유입되는 x-선 발생 장치.
23. 제22항에 있어서, 전자 방출기 요소는 게이트 전자 방출기 요소인 x-선 발생 장치.
24. 제22항에 있어서, 전자 방출기 요소는 방출기 재료의 나선형 권선으로부터 형성되는 x-선 발생 장치.
25. 제22항에 있어서, 방출된 x-선 방사선의 적어도 일부분은 제2 관형 부재를 통과하여 상기 장치를 빠져나가는 x-선 발생 장치.
26. 제22항에 있어서, 제1 관형 부재의 외측 표면과 제2 관형 부재의 내측 표면은 공동을 형성하고, 공동은 밀봉되고 대기압 미만으로 비워지는 x-선 발생 장치.
27. 제26항에 있어서, 공동은 10^-5 torr 미만으로 비워지는 x-선 발생 장치.
28. 제22항에 있어서, 제2 관형 부재는 x-선 방사선에 대하여 비투과성인 x-선 발생 장치.
29. 타겟 재료의 x-선 처리 방법이며,

    전자 방출기 요소를 그 위에 갖는 외측 표면을 구비하고, x-선에 대하여 투과성이고, 전자 충격에 응답하여 x-선 방사선을 방출하는 타겟 층을 포함하는 x-선 튜브의 내측 표면에 의해 둘러싸인 격납 튜브 내부에 타겟 재료를 위치시키는 단계와,

    전자 방출기 요소로부터 전자를 추출하는 단계와,

    타겟층을 향해 추출된 전자를 가속시켜서, 가속된 전자가 타겟 층에 충돌하여 그로부터 x-선 방사선을 방출하게 하여, 상기 x-선 방사선의 적어도 일부분이 격납 튜브를 관통하여 그 내부에 위치된 타겟 재료에 충돌하게 하는 단계를 포함하는 x-선 처리 방법.
30. 제29항에 있어서, 대기압 미만으로 공간 내의 압력을 감소시키기 위하여 격납 튜브와 x-선 방출기 튜브 사이의 공간을 비우는 단계를 더 포함하는 x-선 처리 방법.
31. 제30항에 있어서, 격납 튜브와 x-선 방출기 튜브 사이의 공간을 10^-5 torr 미만으로 비우는 단계를 더 포함하는 x-선 처리 방법.
32. 제29항에 있어서, 격납 튜브는 입구와 출구를 갖고, 격납 튜브 내부에 타겟 재료를 위치시키는 단계는 입구에 재료를 도입하는 단계와, 튜브를 통해 재료를 이동시키는 단계와, 출구에서 재료를 제거하는 단계를 포함하는 x-선 처리 방법.
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44. 휴대용 하우징으로부터 광각 x-선 방사선을 발생하기 위한 방법이며,

    내부 공간을 형성하고 전자 충격에 응답하여 x-선 방사선을 생성하는 하우징 내부에 전자를 발생시키는 단계와,

    하우징을 향해서 발생된 전자를 가속시키는 단계와,

    발생된 전자의 적어도 일부분이 하우징에 충돌하여 x-선 방사선이 발생되게 하는 단계와,

    발생된 x-선 방사선의 일부분을 하우징을 통하여 통과시키고 발생된 x-선 방사선의 일부분을 하우징으로부터 반사시키는 단계와,

    발생된 x-선 방사선의 반사된 부분을 내부 공간에 통과시킨 후 발생된 x-선 방사선의 반사된 부분의 적어도 일부분을 하우징에 통과시키는 단계를 포함하는 광각 x-선 방사선 발생 방법.
45. 제44항에 있어서, 전자를 발생시키는 단계는 게이트 전자 방출기를 이용하는 단계를 포함하는 광각 x-선 방사선 발생 방법.
46. 제44항에 있어서, 전자를 발생시키는 단계는 열 이온 전자 방출기를 이용하는 단계를 포함하는 광각 x-선 방사선 발생 방법.
47. 제44항에 있어서, 내부 공간은 밀봉되고 대기압 미만으로 비워지는 광각 x-선 방사선 발생 방법.
48. 제47항에 있어서, 내부 공간은 10^-5 torr 미만으로 비워지는 광각 x-선 방사선 발생 방법.
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