KR101151278B1 - 태양열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전기 결정에 태양열을 조사하여 결정의 양단면에 유도되는 표면전하와 엑스선 타깃 간의 전위차에 의한 가속 전자빔에 의해 엑스선을 발생하는 방법 및 장치이다. 태양광을 조사하여 초전기 결정의 온도 변화를 유도함으로써 전위차를 증가시켜 고에너지 전자빔을 발생하고 이를 이용한 엑스선을 발생시킨다.

Description

태양열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치{X-Ray Generator Driven by Pyroelectric Crystals using Solar Radiation}

본 발명은 태양열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치에 관한 것으로, 특히, 태양열을 초전기 결정에 조사하여 초전기 결정의 길이 방향과 축 방향으로의 온도편차를 최소화시키며 표면 전하를 유도하여 엑스선을 발생시키는 장치에 관한 것입니다.

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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.
이방성 결정인 초전기 결정은 평형상태에서 분극되어 외부 전기장이 가해지 않은 상태에서도 총 쌍극자 모멘트의 값이 존재한다. 초전기 결정을 분극 방향에 수직한 방향으로 절단하면 절단면 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 외부 전기장이나 온도변화가 없는 상태에서 자발분극(P_s)이 존재한다. 이러한 초전기 결정에 열을 인가하면 온도 변화를 유도하면 자발분극의 변화(ΔP_s)가 생기고 이를 초전기 효과(pyroelectric effect)라고 한다. 상기 초전기 효과는 전자를 방출하거나 유효한 방사선을 발생시키기 충분히 큰 전계를 형성하다. 상기 전계는 유도된 표면 전하에 비례한다. 단위면적당 표면 전하의 크기는 초전기 결정을 가열하면 때 ΔP_s=γΔT 로 주어진다. 여기서 γ는 초전기 상수이고 ΔT 초전기 결정의 온도 변화이다. 초전기 결정에 유도되는 표면전하량은 온도변화에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
초전기 표면전하에 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.

초전기 결정과 타깃으로 구성된 장치에서의 전기장의 크기는

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

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초전기 결정에 의해 형성되는 전기장은 수학식 1에서 보는 바와 같이 초전기 결정과 타깃의 거리 (d_gap)가 짧을수록 전기장이 증가하고 또한 수학식 2에서 보는 바와 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 대표적인 초전기 결정의 열전도율은 LiTaO₃의 경우 45 mJ/cm-sec 로 건물의 단열재를 쓰이는 유리섬유와 비슷한 정도이다. 일반적으로 LiTaO₃ 이외의 초전기 결정도 LiTaO₃와 유사한 열 특성을 가지고 있다. 상기한 초전기 결정의 열특성으로 인하여 종래 기술에서 사용되는 초전기 결정의 가열방법인 저항가열 또는 열전효과장치 (thermoelectric cooling device:TEC)에 의한 열전도 방법으로 가열할 경우 열원 접촉 단면과 그 반대면 사이에 큰 온도편차를 가져온다.

열용량이 작고 열전도율이 낮은 초전기 결정은 열원 접촉 단면과 그 맞은편 단면의 온도편차가 커서 일정 크기 이상의 초전기 결정의 경우, 표면 전하 유도가 온도 상승에 비례하여 증가하지 않거나 오히려 감소하는 한계가 있습니다.
즉, 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 약 10mm 이상에서는 오히려 전위차를 감소시키는 결과를 초래하는 문제점이 있습니다.
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 수학식 2서 보는 바와 같이 마주보는 두개의 결정의 거리(d_gap )가 가까울수록 초전기 결정의 단면적(A)이 넓을수록, 길이(L)가 길수록, 온도변화가 클수록 유도되는 전기장은 크게 되는 데, 종래의 초전기 결정 가열방법은 저항가열에 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.

본 발명에 의한 엑스선 발생 장치는 이와 같은 문제점을 극복하기 위한 것으로, 청정 무한 에너지원인 태양광을 엑스선 발생 장치에 이용하여 초전기 결정에 온도 편차로 인한 전위차 증가의 감소를 방지하고자 한다.

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열유도에 의한 초전기 결정 장치의 전위차를 증가시키고 엑스선 발생 장치의 성능을 향상시키기 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 발명에서는 종래 기술의 한계를 극복할 수 있으며 청정 무한 에너지인 태양열 조사 방식으로 엑스선을 발생시키는 방법과 장치에 관한 것이다.
이러한 태양열 조사에 의한 가열 방법은 태양열 조사시 초전기 결정의 내부로 복사열이 침투해서 초전기 결정의 내부-외부를 동시에 가열함으로써 초전기 결정의 길이 방향과 축 방향으로의 온도편차가 최소화되고 이에 따라 효율적인 표면 전하 유도를 할 수 있는 엑스선 발생 장치를 제공하게 된다.

본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는 초전기 결정 내에서의 열전달을 열전도가 아닌 복사에 의한 열전달 방법을 사용하는 것이다. 태양광을 집속한 복사열원을 초전기 결정에 조사하는 비접촉 방법으로 종래 기술에서 사용되는 길이보다 긴 약 20 mm 이상의 초전기 결정 또는 길이 방향으로 직렬 연결된 초전기 결정의 길이 축 방향으로의 온도 편차를 최소화하며 가열함으로써 종래 기술의 한계를 극복한다.

태양광을 이용한 엑스선 발생 장치는 무한 에너지인 태양에너지를 사용하여 엑스선을 발생시키는 것으로 향후 광범위한 응용분야에 적용될 것이다. 또한 초전기 결정에 태양열을 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 표면전하가 증가되고 이로 인하여 전기장이 증가하는 결과를 얻게 된다. 상기 전기장의 증가는 전자 및 이온 가속 성능을 향상시키게 되어 이 장치를 이용한 엑스선 발생, 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 조사에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 종래의 저항 가열법에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치를 개략적으로 나타낸 도면, 및
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포물선형 반사면에 의해 초전기 결정에 조사되는 태양광 빔의 전사모사도이다.

초전기 결정에 의한 고에너지 발생장치의 실용화를 위해서는 성능을 응용단계로 향상시키기 위해서는 유도 표면전하의 증가가 필수적이다. 표면전하를 증가시키기 위해서는 초전기 결정의 온도변화를 크게 하거나 단면적과 길이를 크게 하는 방법이 있다.

도 2는 종래 기술인 저항가열법에 의한 엑스선 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 엑스선 에너지 또한 증가하지 않게 된다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1(a)는 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 정면도, 도 1(b)는 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 측면도, 그리고, 도 3은 본 발명의 일시예에서 태양광 빔의 전사모사도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엑스선 발생장치는 초전기 결정(10), 내면이 반사면(30)으로 구성된 용기, 냉각유체(40), 엑스선 투과창(20), 엑스선 타깃(25), 태양광 투과창(50), 태양광 차단판(60)을 포함한다.
도 1(a)(b)에 도시된 바와 같이, 초전기 결정(10)이 설치되는 용기는 내면이 반사면(30)으로 구성되어 입사되는 태양광(70)을 반사 및 굴절한다. 또한 용기는 도 1(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 반원통형으로 형성될 수 있다. 또한 용기는 내부에 냉각유체(40)가 들어갈 수 있도록 이중으로 형성될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이 반원통형으로 형성되는 경우 내부의 반사면(30)은 단면이 포물선형으로 형성되어 태양광이 더욱 효율적으로 반사 및/또는 굴절하여 초전기 결정(10)을 다면적으로 조사할 수 있습니다. 용기는 태양광 투과창(50)에 의해 밀폐되어 태양광(70)은 자유롭게 용기 내부로 입사할 수 있게 된다. 태양광 차단판(60)이 태양광 투과창(50) 위에 설치되어 냉각이 필요할 때 태양광(60)을 차단할 수 있게 된다.
용기 일측에는 도 1(b)에 도시된 바와 같이 엑스선 타깃(25)과 엑스선 투과창(20)이 형성되어 가열된 초전기 결정(10)에서 방사된 전하(80)가 엑스선 타깃(25)과 충돌하여 엑스선을 발생시키고 발생된 엑스선은 엑스선 투과창(20)을 통해 외부로 방사되도록 한다.
즉, 태양광 투과창(50)을 통해 태양광(70)이 용기 내로 입사하여, 일부는 초전기 결정(10)을 조사하고, 일부 태양광(70)은 용기를 구성하는 반사면(30)에서 반사 및/또는 굴절하여 초전기 결정(10)을 조사한다. 직접 조사 및 반사면(30)에서 굴절 및 반사되어 조사되는 태양광(70)에 의해 초전기 결정(10)은 복사열이 초전기 결정(10)에 투과되므로 초전기 결정의 내부와 외부를 동시에 가열하여 열전도도가 낮은 초전기 결정을 길이 방향과 축 방향으로 균일하게 가열할 수 있게 된다.
가열된 초전기 결정(10) 단면에 유도되는 전하가 표면에 결집하여 높은 전위차를 형성하고 이들 전하가 엑스선 타깃(25) 쪽으로 방사되어 엑스선 타깃과 충돌하여 엑스선을 발생하게 된다. 이때 엑스선 타깃(25)의 두께는 수 마이크로미터 이다. 상기 타깃의 두께와 유도된 전위차와 타깃 물질에 따라 다른 값을 갖는다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 엑스선 발생 장치의 작동은 다음과 같다. 초전기 결정(10)을 용기 내부에 장치하고 진공도를 10^-4 ~ 10^-3 Torr로 유지하면서 태양광(70)을 조사하기 위하여 태양광 차단판(60)을 열어 태양광(10)을 초전기 결정(10)에 직접 또는 반사면(30)에 반사된 태양광(70)에 의해 가열시킨다. 초전기 결정의 온도는 실온으로부터 섭씨 110도까지 증가시킨다. 이때 초전기 결정(10)의 양단면의 온도차는 도 2와 같은 종래의 기술에서 적용하고 있는 접촉식 가열원(100)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 엑스선 발생 장치의 성능을 크게 향상시켜 상용화가 가능하게 될 것이다.
초전기 결정을 냉각 시키는 방법은 태양광 차단판(60)을 달아 필요한 경우 태양광을 차단하고 이중으로 형성된 태양광 반사면 사이에 냉각 유체(40)를 흘려 강제냉각법을 실시한다.

도 3은 전산 모사에 의한 포물선형 반사면에 의해 태양광이 초전기 결정에 집속되는 형태를 보이고 있다. 용기의 반사면의 형상은 초전기 결정(10)에 태양광이 가장 잘 집속되는 형태를 선택할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 엑스선 발생장치는 태양열 조사에 의한 가열 방법으로 복사열이 초전기 결정에 투과되므로 초전기 결정의 내부와 외부를 동시에 가열함으로써 열전도도가 낮은 초전기 결정을 길이 방향과 축 방향으로 균일하게 가열할 수 있어 초전기 결정의 크기 한계를 극복하여 표면 전하 유도가 증가되고 이에 따라 고전위차를 얻어 더욱 양호한 효율로 엑스선을 발생시키게 되고 자연 에너지를 이용하여 엑스선을 발생시키게 된다.

10 : 초전기 결정
20 : 엑스선 방사 창
25 : 엑스선 타깃
30 : 태양광 반사면
35 : 진공 용기
40 : 냉각 유체
50 : 태양광 투과창
60 : 태양광 차단판
70 : 태양광
80 : 전자빔
90 : 엑스선
100 : 저항가열 장치

Claims (3)

1. 엑스선 발생 장치에 있어서,
   상부가 개방된 용기 형상으로 일 측면에 엑스선 투과창이 설치되고, 상기 엑스선 투과창의 내측에 엑스선 타깃이 부착되며, 내측 표면이 태양광 반사면으로 형성되고, 상기 개방된 상부는 태양광이 입사할 수 있도록 태양광 투과창으로 밀폐되는 용기; 및
   분극 축에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 엑스선 타깃을 향하도록 상기 용기 내부에 설치되는 초전기 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 태양광 반사면은 세로 측 단면이 포물선형인 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용기는 이중 구조로 내면은 태양광 반사면이 증착되고, 이중 구조의 내부에는 냉각 유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.

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