KR102283035B1 - 전자빔 증폭형 초소형 엑스선 튜브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력의 초소형 엑스선 튜브에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 초소형 엑스선 튜브는 절연 케이스, 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극, 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 제공하는 애노드 전극, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되어, 에미터의 전자 방출을 제어하는 게이트 전극, 및 게이트 전극 상에 배치되며, 에미터에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 이차전자를 발생시키는 전자 증폭 플레이트를 포함한다. 이와 같이, 에미터의 출력을 증폭시키기 위한 전자 증폭 플레이트를 초소형 엑스선 튜브에 적용함으로써, 고출력의 초소형 엑스선 튜브를 구현할 수 있다.

Description

전자빔 증폭형 초소형 엑스선 튜브{ELECTRONICALLY AMPLIFIED COMPACT X-RAY TUBE}
본 발명은 초소형 엑스선 튜브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에미터로부터 방출되어 가속된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 방출시키는 초소형 엑스선 튜브에 관한 것이다.
일반적으로, 엑스선(X-ray) 튜브는 의료 진단용이나 비파괴 검사용 또는 화학분석용 등 다양한 검사장치 또는 진단장치에 응용되어 폭넓게 사용되고 있다.
종래의 엑스선 튜브는 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하며, 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고, 방출된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 열음극 방식의 구조를 갖는다.
그러나, 열음극 방식의 엑스선 튜브는 전자 방출을 위해 텅스텐 필라멘트를 1000도 이상의 고온으로 상승시켜야 하므로, 전자를 방출시키기 위해 추가 전력이 소모되며, 발생되는 전자가 스파이럴 구조를 갖는 텅스텐 표면에서 무작위로 방출되기 때문에 엑스선 방출 효율 및 집속성능이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 최근에는 냉음극 전자 방출원으로 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube: CNT) 등의 나노 구조물을 이용한 전계방출형 엑스선 튜브에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전계방출형 엑스선 튜브는 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 세라믹 재질의 진공 튜브 내에 캐소드 전극, 게이트 전극, 및 애노드 전극을 구비하고 있으며, 캐소드 전극의 표면에 CNT 등의 나노 구조물로 형성된 에미터와 상기 에미터로부터 전자를 방출시키기 위한 전계입력(전압입력)을 담당하는 게이트 전극 그리고 방출된 전자를 가속시켜 애노드 전극 상에 형성된 타겟에 충돌하여 엑스선이 발생되는 구성을 갖는다.
이러한 탄소나노튜브 기반의 전계방출형 엑스선 튜브는 열음극 방식의 엑스선 튜브에 비하여 열에 의한 전력손실이 발생하지 않는 장점과 더불어, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이 방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 타겟을 향한 전자의 방향 지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율 및 집속성능이 향상된다. 또한, 열음극에서의 전자방출은 필라멘트 특유의 웜업(Warm-up)시간으로 인해 전자방출특성이 아날로그에 준하여 이루어지나, 냉음극 CNT 전계방출의 경우 상기 웜업시간이 불필요하므로 매우 빠른 온-오프(On-Off)특성에 기반한 디지털 구동이 가능한 장점이 있다.
한편, 엑스선 튜브를 치과 및 의료용 등의 영상진단분야 및 비파괴검사 분야로 사용하기 위해 고출력의 엑스선 튜브가 사용되고 있으나, 장비의 소형화 진전에 따라 장비에 장착되는 엑스선 튜브도 소형화되고 있어 고출력을 구현할 수 있는 초소형 엑스선튜브가 절실히 요구되는 실정이다.
(특허문헌 1) KR2016-0102741 A
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 치과 및 의료용 등의 영상진단분야 및 비파괴검사 분야 등의 엑스선 발생장치에 장착되는 초소형 엑스선 튜브의 고출력을 구현할 수 있는 엑스선 튜브를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 초소형 엑스선 튜브는 절연 케이스, 상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극, 상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 제공하는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치되어, 상기 에미터의 전자 방출을 제어하는 게이트 전극, 및 상기 게이트 전극 상에 배치되며, 상기 에미터에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 이차전자를 발생시키는 전자 증폭 플레이트를 포함한다.
상기 초소형 엑스선 튜브는 상기 게이트 전극과 상기 전자 증폭 플레이트 사이에 형성된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 에미터는 탄소나노튜브로 이루어진 나노 구조물로 형성될 수 있다.
상기 전자 증폭 플레이트는 상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀이 형성된 절연성 기판, 상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극층 및 하부 전극층, 및 상기 관통홀의 내주면에 형성되며, 상기 에미터에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 이차전자를 방출시키는 이차전자 방출층을 포함할 수 있다.
상기 절연성 기판은 상기 이차전자 방출층과 동일한 재료로 구성될 수 있다.
상기 관통홀의 직경 및 길이는 상기 전자 증폭 플레이트의 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정될 수 있다.
상기 관통홀의 직경에 대한 길이의 비는 20 ~ 200 으로 설정될 수 있다.
상기 관통홀의 직경은 5 ~ 100um이고, 상기 관통홀의 길이는 0.2 ~ 2mm 으로 형성될 수 있다.
상기 이차전자 방출층은 Al2O3, MgO 및 SiO2 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이와 같은 초소형 엑스선 튜브에 따르면, 에미터 출력을 증폭시키기 위한 전자 증폭 플레이트를 엑스선 튜브에 적용함으로써, 고출력의 초소형 엑스선 튜브를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전자 증폭 플레이트를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 관통홀의 직경 및 거리를 나타낸 도면이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브(100)는 절연 케이스(110), 캐소드 전극(120), 애노드 전극(130), 게이트 전극(140) 및 전자 증폭 플레이트(150)를 포함한다.
절연 케이스(110)는 원통 형상의 튜브 형태로 형성되며, 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연성 물질로 형성된다. 절연 케이스(110)는 절연성 물질로 형성되어 내부의 개별 기능소자들을 상호 전기적으로 절연시킨다.
캐소드 전극(120)은 절연 케이스(110)의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터(122)를 포함한다. 캐소드 전극(120)은 절연 케이스(110)의 일측에 결합되어 절연 케이스(110)의 일측을 진공 밀폐시키거나, 또는 밀폐된 절연 케이스(110)의 내부에 배치된 구조를 가질 수 있다.
에미터(122)는 전자를 방출하는 전자 방출원으로 캐소드 전극(120) 상에 형성된다. 에미터(122)는 별도의 기판에 형성되어 캐소드 전극(120)에 결합되거나, 또는 캐소드 전극(120)의 표면에 직접 형성될 수 있다. 에미터(122)는 예를 들어, 탄소나노튜브와 같은 다수의 나노 구조물로 형성될 수 있다. 탄소나노튜브로 에미터(122)를 형성할 경우, 캐소드 전극(120)의 표면에 화학기상증착법(CVD) 등을 이용하여 다수의 탄소나노튜브를 직접 성장시키거나, 탄소나노튜브 페이스트를 인쇄한 후 소성하는 등의 방법으로 형성할 수 있다.
애노드 전극(130)은 절연 케이스의 타측에 캐소드 전극(120)과 대향하도록 배치된다. 애노드 전극(130)은 절연 케이스(110)의 타측에 결합되어 절연 케이스(110)의 타측을 진공 밀폐시키거나, 또는 밀폐된 절연 케이스(110)의 내부에 배치된 구조를 가질 수 있다.
외부 회로로부터의 전압 인가에 의해, 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130) 사이에는 수kV에서 수백 kV에 달하는 높은 전위차가 형성된다. 따라서, 에미터(122)에서 방출된 전자는 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130) 사이의 전위차로 형성된 전계에 의해 애노드 전극(130) 방향으로 가속된다.
애노드 전극(130)은 캐소드 전극(120) 측으로부터 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟(132)을 제공한다. 이를 위해, 애노드 전극(130)의 타겟면에는 엑스선의 방출을 위한 별도의 타겟(132)을 형성시켜 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 방출하게 된다.
게이트 전극(140)은 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130) 사이에 배치되어, 에미터(122)의 전자 방출을 유도 및 제어한다. 게이트 전극(140)은 에미터(122)에 가깝게 배치되어 전자 방출을 개시하는 전계를 형성한다. 게이트 전극(140)은 에미터(122)로부터 방출된 전자가 통과할 수 있도록 다수의 게이트 홀이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬의 형태로 형성될 수 있다.
전자 증폭 플레이트(150)는 게이트 전극(140) 상에 형성되며, 에미터(122)에서 방출되어 게이트 전극(140)을 통과한 전자로부터 내부 충돌에 의해 이차전자를 발생시켜, 에미터(122)의 출력을 증폭시키는 역할을 수행한다. 전자 증폭 플레이트(150)와 게이트 전극(140) 사이에는 절연층(160)이 개재되어 상호간의 단락을 방지하는 구조로 형성되거나, 또는 상기 절연층(160)을 제거하여 전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극층과 게이트 전극(140)이 전기적으로 연결된 구조로 형성될 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 전자 증폭 플레이트를 나타낸 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 관통홀의 직경 및 거리를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전자 증폭 플레이트(150)는 에미터(122)에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀(152a)이 형성된 절연성 기판(152), 절연성 기판(152)의 상면과 하면에 각각 형성된 상부 전극층(154) 및 하부 전극층(156), 관통홀(152a)의 내주면에 형성된 이차전자 방출층(158)을 포함할 수 있다. 여기서, 관통홀(152a)은 원통 형상으로 형성될 수 있다. 이차전자 방출층(158)은 금속 산화물 또는 불화물로 구성할 수 있으며 최종적으로 이차전자 방출 계수를 고려하여 금속 산화물 또는 불화물이 선택된다. 본 발명에서는 가급적 이차전자 방출계수가 큰 Al2O3, MgO, SiO2, La2O3 등의 산화물이나, CaF2, MgF2 등의 불화물을 이용한다. 한편, 상기 절연성 기판(152)을 이차전자 방출층(158)과 동일한 재료로 구성할 수도 있다.
전자 증폭 플레이트(150)의 상부 전극층(154)과 하부 전극층(156) 사이에 전압을 인가하면, 절연성 기판(152)의 관통홀(152a) 내부로 입사되는 전자가 이차전자 방출층(158)과 충돌한 후, 상부 전극층(154)과 하부 전극층(156) 사이의 전위차에 의해 이차전자와 함께 가속되어 관통홀(152a) 밖으로 방출된다. 예를 들어, 상부 전극층(154)에는 하부 전극층(156)에 인가되는 전압보다 큰 전압이 인가된다.
한편, 전자 증폭 플레이트(150)의 게인은 하기 수학식 1에 의해 결정된다.
<수학식 1>
게인 = exp G*(L/d)
(여기서, G는 이차전자 방출층의 이차전자 방출계수이며, d는 관통홀의 직경, L은 관통홀의 거리를 나타낸다.)
수학식 1에서 알 수 있듯이, 전자 증폭 플레이트(150)의 게인은 이차전자 방출층(158)의 이차전자 방출계수와, 관통홀(152a)의 직경(d)에 대한 거리(L)의 비(L/d)에 영향을 받는다.
통상적으로, 초소형 엑스선 튜브의 에미터(122)의 출력은 약 1mA 정도이나, 치과 및 의료용 등의 영상진단분야 및 비파괴검사 분야 등의 응용분야에 따라 약 100mA ~ 300mA 정도의 고출력이 요구되는 경우도 있다. 이를 고려하여, 관통홀(152a)의 직경(d) 및 길이(L)는 전자 증폭 플레이트(150)의 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
이러한 조건을 만족하기 위하여, 관통홀(152a)의 직경(d)에 대한 거리(L)의 비(L/d)는 약 20 ~ 200 정도로 형성되는 것이 바람직하며, 이를 위해, 직경(d)은 약 5 ~ 100um, 거리(L)는 약 0.2 ~ 2mm 정도로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 이차전자 방출층(158)은 약 0.1 ~ 1 정도의 이차전자 방출계수를 갖는 것이 바람직하며, 이를 만족하는 물질로 Al2O3, MgO, SiO2 등의 물질을 이용할 수 있다.
이와 같이, 게인이 102 ~ 104 이 되는 전자 증폭 플레이트를 엑스선 튜브에 적용함으로써, 치과 및 의료용 등의 영상진단분야 및 비파괴검사 분야 등에 적합한 초소형 고출력의 엑스선 튜브를 구현할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 엑스선 튜브 110 : 절연 케이스
120 : 캐소드 전극 122 : 에미터
130 : 애노드 전극 132 : 타겟
140 : 게이트 전극 150 : 전자 증폭 플레이트
150 : 절연성 기판 152a : 관통홀
154 : 상부 전극층 156 : 하부 전극층
158 : 이차전자 방출층 160 : 절연층

Claims (9)

  1. 절연 케이스;
    상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극;
    상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 제공하는 애노드 전극;
    상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치되어, 상기 에미터의 전자 방출을 제어하는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 배치되며, 상기 에미터에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 이차전자를 발생시키는 전자 증폭 플레이트;
    상기 게이트 전극과 상기 전자 증폭 플레이트 사이에 형성된 절연층을 포함하고,
    상기 전자 증폭 플레이트는
    상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀이 형성된 절연성 기판;
    상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극층 및 하부 전극층; 및
    상기 관통홀의 내주면에 형성되며, 상기 에미터에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 이차전자를 방출시키는 이차전자 방출층을 포함하며,
    상기 관통홀의 직경 및 길이는 상기 전자 증폭 플레이트의 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 초소형 엑스선 튜브.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에미터는 탄소나노튜브로 이루어진 나노 구조물로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 엑스선 튜브.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 기판은 상기 이차전자 방출층과 동일한 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 엑스선 튜브.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 직경에 대한 길이의 비가 20 ~ 200 인 것을 특징으로 하는 초소형 엑스선 튜브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 직경은 5 ~ 100um이고, 상기 관통홀의 길이는 0.2 ~ 2mm 인 것을 특징으로 하는 초소형 엑스선 튜브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이차전자 방출층은 Al2O3, MgO, SiO2, La2O3 등의 산화물이나, CaF2, MgF2 등의 불화물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 엑스선 튜브.
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