KR20100030061A - 저출력 엑스선관 및 광 이오나이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자를 방출하는 음극과 대향되는 위치에 타겟 물질이 코팅된 엑스선 창이 구비된 엑스선관에 관한 것으로서, 상기 음극과 양극에 인가되는 관전압은 3kV 이상 5kV미만이며, 상기 타겟 물질은 특성 파장이 관전압의 제동방사선 컷오프 파장의 1.2~2배 범위 내인 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다. 타겟 물질은 Pd, Ag, Sn, Sb, Te중의 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 또는 금속 화합물일 수 있으며, ITO를 포함할 수 있다. 상기 엑스선관을 포함하여 광 이오나이저를 구성할 수 있다.

엑스선, 엑스선관, 타겟, 양극, 음극

Description

저출력 엑스선관 및 광 이오나이저 {Low Power X-ray tube and Photo Ionizer using the same}

본 발명은 연엑스선관을 이용하여 대전체 표면에 축적된 정전기를 제전 하는 정전기 제거장치 및 이에 사용되는 엑스선관에 대한 것이다.

엑스선 이오나이저는 엑스선관을 이용하여 발생시킨 연엑스선을 대전체를 향하여 방사하여 대전체 주변의 기체 분자를 이온화하여 대전체의 표면에 존재하는 정전기를 중화하는 것이다. 여기에 사용되는 엑스선관은 음극과 양극을 구비하며 이 두 전극은 서로 절연되어 지지된다.

통상의 엑스선관은 절연체로 된 용기 내부를 진공으로 만들고 그 내부에 양극과 음극이 각각 대향하도록 위치하고 양극과 음극의 중심축과 수직한 방향으로 발생한 엑스선이 용이하게 방사될 수 있도록 엑스선창을 구비하고 있다. 양극과 음극 사이에 인가되는 전위차를 관전압이라고 하고, 관전압이 높을수록 물질에 대한 투과력이 강하고 파장이 짧은 엑스선을 경엑스선(Hard X-ray)이 발생되고, 관전압 이 낮을수록 물질에 대한 투과력이 상대적으로 약하고 파장이 긴 엑스선을 연엑스선(Soft X-ray)이 발생된다.

경엑스선은 사물을 절연체로 된 관을 잘 투과하므로 별도의 창을 필요로 하지 않는 경우가 많으나, 연엑스선은 절연체 관을 통과하는 동안에 많은 감쇄가 일어나므로 엑스선을 잘 통과시키는 물질로 만들어진 창이 필요로 된다. 엑스선 창으로서 가장 잘 알려진 물질은 베릴륨이며, 그 외에 비정질탄소, 알루미늄, 실리콘, 티타늄 등이 사용될 수도 있다.　

양극이 엑스선창의 기능을 동시에 하도록 배열된 엑스선 관을 '양극 투과형 엑스선관'이라 불린다.　 양극투과형 엑스선관은 창 내측에 양극을 얇게 코팅하여 발생된 엑스선이 양극막을 투과하여 방출되는 구조를 가진다.

종래에 연엑스선을 이용한 이오나이저는 창 재료로는 주로 Be(베릴리움)을 사용하고 양극 타겟 물질로는 W(텅스텐)을 사용하였으며, 관전압은 9 kV 이상을 사용하여 왔다. 그러나 관전압이 높을수록, 전력구동장치가 대형화 되고, 전기적 안전장치가 강화되어야 함은 물론, 방사선의 인체 위험도도 증가되는 것이 불가피하게 된다.

관전압에 비례하여 인체에 대한 방사선 위험이 증가되는 점은 방사선발생장치에 대한 규제가 발생 방사선의 최대 에너지를 기준으로 차등 적용되는 예에서도 알 수 있다. 예를 들면, 대한민국 원자력법(과학기술부고시 제2004 - 19호)에서는 ‘하전입자를 가속시켜 방사선을 발생하는 장치로서 가속된 하전입자 및 이로 인해 부수적으로 발생하는 모든 방사선의 최대 에너지가 5keV 이하인 것’은 방사 선 발생장치에서 신고 또는 허가가 필요 없는 면제 대상 장치로 분류하고 있다.

그러나 종래의 엑스선 이오나이저는 제전을 위한 충분한 기체 이온화 성능을 확보하기 위하여 충분한 강도의 엑스선을 얻어야 하나, 특히 양극 투과형 엑스선 관에서는 방열 구조상의 한계 때문에 관전류가 제한될 수 밖에 없고, 통상 9 kV이상의 고전압이 인가되기 때문에 엑스선의 최대 에너지도 9 Kev 이상이었다.

본 발명에서는 관전압이 5kV 미만인 저출력의 양극 투과형 엑스선관(X-ray tube)에 적용이 가능하면서도 제전 성능이 충분히 확보되는 저출력 엑스선관 및 이를 이용한 광 이오나이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전자를 방출하는 음극과 대향되는 위치에 타겟 물질이 코팅된 엑스선 창이 구비된 엑스선관으로서, 상기 음극과 양극에 인가되는 관전압이 3kV 이상 5kV미만이며, 상기 타겟 물질은 상기 관전압의 제동방사선 컷오프 파장의 1.2~2.0배 범위 내에 특성엑스선 파장을 갖는 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원소는 원자번호 44-52인 것을 특징으로 한다.

상기 타겟 물질은 Pd, Ag, Sn, Sb, Te중의 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 또는 금속 화합물일 수 있으며, 금속화합물은 ITO(Indium Tin Oxide)일 수 있다. 상기 엑스선관을 포함하여 저출력 광 이오나이저를 구성할 수 있다.

본 발명은 엑스선관 양극의 타겟으로서 은, 주석, 또는 ITO등의 특정 물질을 선택함으로써 인체에 대한 방사선 위험을 감소시키고, 고전압 발생에 따른 전기적 부하를 감소시킴으로써 이러한 엑스선관을 이용한 광 이오나이저를 경량화 및 저가화할 수 있는 효과가 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예가 더욱 상세히 설명된다. 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것이며, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수도 있다.

도1은 본 발명이 적용되는 양극 투과형 엑스선관의 전형적인 예이다. 도1의 엑스선관은 필라멘트 혹은 장 방출에 의해 전자를 방출하는 냉음극(6)을 둘러싸는 음극(5)이 구비되고, 관축에 대하여 대향되는 위치에 통상 베릴륨으로 이루어진 엑스선 창(2)이 구비되고, 이 엑스선 창 표면에 타겟물질(3)이 피막되어 형성된 양극(2)이 구비되고, 유리나 세라믹으로 된 절연체(4)가 엑스선 관을 외부와 차단하고 양극과 음극을 지지하며, 창(2)의 외주변으로 프레임에 지지하기 위한 금속지지부(4)가 형성되어 있다. 상기 양극과 음극 사이에는 가속전압인 관전압이 인가된다.

엑스선관에서 발생되는 엑스선의 총강도(total intensity)는 아래 수학식1과 같이 주어진다. (Analytical Chemistry,　 H. A. Liebhafsky,　 Wiley-Interscience 1972, John Wiley & Sons. Inc., p.16 참조)

여기서, i 는 관전류, Z 는 원자번호, V 는 관전압이다.

엑스선의 총강도는 관전압의 제곱에 비례하고 관전류에 비례하게 된다. 관전압이 낮을 수록 얻어지는 엑스선의 양은 적어지게 된다. 일반적으로 제전에 필요한 이온화는 엑스선의 강도를 높임에 따라 증가하므로, 관전압이 5kV 미만의 낮은 에너지의 엑스선에 있어서 충분한 양의 엑스선을 얻기 위해서는 관 전류를 높이는 것이 바람직하지만, 양극 투과형 엑스선관의 구조에서는 방열의 한계로 인하여 관 전류를 증가시키는 것에 한계가 있다.

수학식1에 따르면 관전류와 관전압이 같은 조건이면 타겟 물질의 원자번호에 비례하여 엑스선 강도가 증가되므로, 예컨대 원자번호가 74인 텅스텐 보다 낮은 원자번호를 갖는 재료는 타겟으로 고려되지 않아 왔다.

그러나 본 발명의 발명자는 저전압으로 구동 가능하고 제전 효과가 우수한 광 이오나이저에 대한 연구를 지속적으로 수행한 결과, 5kV 미만의 관전압에서 낮은 원자번호를 갖는 특정 타겟 물질을 사용하여 제전 용도로 적용하기에 충분한 정도의 기체 이온화 성능을 갖는 엑스선관을 이용한 광 이오나이저를 발명하게 되었다.

효과적인 제전을 위하여는 X-선원으로부터 통상 15cm - 20cm거리에서 제전이 이루어 지는 것이 바람직하다. 도2의 흡수층 두께(Thickness of Absorption 에 대한 투과율(Transmission) 데이터를 참조하면 3keV미만의 X-ray는 15cm거리 이내에서 대부분 공기중에 흡수되고 그 이상의 거리에서는 제전 기능을 거의 발휘하지 않게 되는 것을 알 수 있다. 따라서 광이오나이저용 X선관의 관전압은 3kV이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

또한 공기를 이온화하기 위하여는 공기의 주성분인 질소와 산소의 흡수계수[cm²/g]가 커야 하는데, X-선의 에너지에 따라 흡수계수가 비례적으로 감소하나, 3-5keV의 범위에서 X-선의 흡수계수가 비교적 충분히 확보된다.

양극투과 엑스선관으로부터 방출되는 엑스선은 특성엑스선(Characteristic X-ray) 성분과 제동방사선(Bremsstrahlung)의 성분을 포함하고 있는데, 특성엑스선은 타겟 물질에 따라 특정 에너지에서 발생되는 엑스선이고, 제동방사선은 관전압보다 작은 에너지의 모든 연속 영역에서 발생되는 엑스선이다. 제동방사선의 이론적인 최대 에너지는 전자를 가속한 관전압에 의하여 주어지며, 플랑크의 양자식에 의하여 최소 컷오프 파장(λ₀)이 계산될 수 있다.

최소 컷오프 파장(λ₀)을 옹스트롬(Å) 단위로 관전압(V)의 함수로 계산하면 다음과 같다.(Introduction to Atomic Physics, Enge, et. al, Addison-Wesley Publishing Co., 1973, p.284 참조)

제동방사선의 파장 스펙트럼은 피크파장=3/2λ₀부근에서 최대강도를 갖는 것으로 나타난다. 예컨대, 관전압이 4.8kV인 경우는 λ₀이 2.58Å이고 제동복사 엑스선의 강도는 제동방사 피크파장3/2λ₀인3.87Å 부근에서 최대 스펙트럼이 된다. 여기서 금속 타겟 물질의 특성파장이 제동방사선의 피크파장 주변에 일치되는 경우에, 엑스선 강도가 크게 향상되는 것으로 나타나며, 이러한 경우에 광 이오나이저의 제전 효과도 현저히 향상되는 것으로 나타났다.

도3은 은(Ag) 타겟을 사용하여 관전압이 4.8kV인 경우에 발생되는 X-선 스펙트럼을 텅스텐 타겟과 비교하여 나타내었다. 텅스텐 타겟은 3Å부근에서 광강도는 은 타겟 보다 크나, 이 영역에서는 흡수계수가 비교적 작기 때문에 제전효과에 대한 기여도는 낮은 반면, 은 타겟은 에너지 흡수계수가 비교적 큰 3.87Å 부근에서 X-선 강도가 크게 증가되는 것을 관찰할 수 있으며 이는 결국 제전 효과의 현저한 증가로 이어진다.

이하에서 은과 유사한 특성을 보이는 다른 타겟 물질들에 대하여 검토한다.

3-5kV관전압이 인가되는 엑스선 관에서 6주기 원소인 텅스텐인 보다 원자번호가 낮은 5주기 원소들 중 제동방사 파장 스펙트럼의 저연속성 범위인 3Å - 5Å 에서 특성엑스선 파장을 가지는 금속 물질들은 다음 표1과 같다. 상기 특성파장은 관전압을 3-5kV로 인가할 때 컷오프 파장의 약 1.2~2.0배의 범위에 분포된다.

물질	원자번호	주 특성파장(Å)	비고	물질의 특성
Ru	44	4.8457	L α1	금속　 녹는점 : 2,334°C　 끓는점 : 4,150°C
Rh	45	4.5974	L α1	금속　 녹는점 : 1,964°C　 끓는점 : 3,695°C
Pd	46	4.3676	L α1	금속　 녹는점 : 1,555°C　 끓는점 : 2,963°C
Ag	47	4.1544	L α1	금속　 녹는점 : 961.8°C　 끓는점 : 2,162°C
Cd	48	3.9563	L α1	금속　 녹는점 : 321.1°C　 끓는점 :　 767°C
In	49	3.7719	L α1	금속　 녹는점 : 156.6°C　 끓는점 : 2,072°C
Sn	50	3.5999	L α1	금속　 녹는점 : 231.9°C　 끓는점 : 2,602°C
Sb	51	3.4394	L α1	준금속 녹는점 : 630.6°C 끓는점 : 1,587°C
Te	52	3.3289	L α1	준금속 녹는점 : 449.5°C 끓는점 :　 988°C

특성 엑스선 파장만 고려하면, 상기 원자번호 44 내지 52의 원소들은 모두 타겟 물질로 사용이 가능하다. 그러나, 엑스선관의 열적 안정성과 수명을 고려하면 융점(녹는점)과 비점(끓는점)이 높은 재료가 더욱 유리하다. 이중 가장 바람직한 타겟 원소는 Pd, Ag, Sn, Sb, Te등이다. In의 융점이 다소 낮으나, 금속 화합물로서 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하면 도전성이 좋으며, 증기압이 낮고 녹는점이 높아 타겟으로서 사용하기에 적합하고, In의 특성엑스선이 3.7719Å 으로 3.87Å에 가장 가깝고, Sn 역시 그에 가까우며, 원자번호가 Ag보다 높아서 엑스선의 발생량이 많아 유용한 타겟 물질로서 바람직하다.

기타 상기 표에 기재된 금속 또는 그 화합물을 타겟 물질로 채택하는 양극 투과형 엑스선관을 사용하여, 작동 중에 타겟의 융점에 도달되지 않도록 적절한 냉각 구조 및 필요한 전압공급장치를 부가하여 정전기 제거용도의 저출력 광 이오나이저를 구성하는 것은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 자명한 범위에 속한다.

위에서 개시된 엑스선관 및 광 이오나이저는 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 따라서, 개시된 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 일 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 한다. 첨부된 청구항의 균등물로의 치환은 첨부된 청구항의 보호범위에 속하는 것이다.

도1은 본 발명이 적용되는 양극 투과형 엑스선관의 전형적인 예이다.

도2는 에너지별 엑스선의 공기중 투과율을 나타내는 그래프이다.

도3은 텅스텐 및 은(Ag) 타겟을 사용한 경우의 저전압 X-선 스펙트럼의 그래프이다.

Claims (7)

1. 전자를 방출하는 음극과 대향되는 위치에 타겟 물질이 코팅된 엑스선 창이 구비된 엑스선관으로서,

   상기 음극과 양극에 인가되는 관전압이 3kV 이상 5kV미만이며,

   상기 타겟 물질은 상기 관전압의 제동방사선 컷오프 파장의 1.2~2.0배 범위 내에 특성 파장을 갖는 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선관.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟 물질은 Pd, Ag, Sn, Sb, Te중의 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 또는 금속 화합물인 것을 특징으로 하는 엑스선관.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 타겟 물질은 ITO(Indium Tin Oxide)인 것을 특징으로 하는 엑스선관.
4. 전자를 방출하는 음극과 대향되는 위치에 타겟 물질이 코팅된 엑스선 창이 구비된 엑스선관으로서,

   상기 음극과 양극에 인가되는 관전압이 3kV 이상 5kV미만이며,

   상기 타겟 물질은 원자번호 44-52인 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선관.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 타겟 물질은 Pd, Ag, Sn, Sb, Te중의 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 또는 금속 화합물인 것을 특징으로 하는 엑스선관.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 타겟 물질은 ITO(Indium Tin Oxide)인 것을 특징으로 하는 엑스선관.
7. 제 1 항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따른 엑스선관을 포함하여 구성된 광 이오나이저.

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