KR101068680B1 - 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 엑스선관의 크기를 소형화하고 출력을 향상하여 근접 암 치료 방사선원으로의 신체 삽입기술 접목성을 향상시킬 수 있는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 편평한 일 단면에 나노물질 전계방출원이 형성되어 전자빔을 발생시키는 팁 형 음극 전극과, 중공 원통형상으로 상기 음극 전극의 외주면을 감싸며 설치되되 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부가 형성되며 상기 전자빔의 인출 전압이 인가되는 게이트 전극과, 중공 원통 형상으로 상기 게이트 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 고전압 절연체와, 상기 고전압 절연체의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되는 양극 전극 및 상기 고전압 절연체와 양극 전극 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절하는 전기장 조정 전극을 포함하되, 상기 양극 전극은 일 측에 상기 전기장 조정 전극이 설치되는 개구부가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 편평한 일 단면에 나노물질 전계방출원이 형성되어 전자빔을 발생시키는 팁 형 음극 전극과, 중공 원통형상으로 상기 음극 전극의 외주면을 감싸며 설치되되 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부가 형성되며 상기 전자빔의 인출 전압이 인가되는 게이트 전극과, 중공 원통 형상으로 상기 게이트 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 고전압 절연체와, 상기 고전압 절연체의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되는 양극 전극 및 상기 고전압 절연체와 양극 전극 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절하는 전기장 조정 전극을 포함하되, 상기 양극 전극은 일 측에 상기 전기장 조정 전극이 설치되는 개구부가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에 관한 것으로서 크기를 소형화하고 출력을 향상하여 근접 암 치료 방사선원으로의 신체 삽입기술 접목성을 향상시킨 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에 관한 것이다.
기존의 암 치료기술은 외과적 수술(물리적 선택성)과 화학요법(생물학적 선택성)의 두가지 방향으로 전개되어 왔다.
외과적 수술의 경우 목적부위의 암을 성공적으로 제거할 수 있지만, 시술 도중에 생긴 커다란 물리적 상처와 기능성 장기의 손실로 인한 신체의 침해가 불가결하며, 기계적으로 제거되지 못한 잔여 암에 의한 재발 가능성이 높다.
화학요법은 암세포에만 치사적으로 작용하는 물질을 투여하여 암을 제거하는 방법이지만, 대체적으로 암의 성장과 전이를 일시간 지연시킬 뿐 환자 신체에 부작용이 나타나고 완치가 어렵다는 단점이 있다.
일반적으로, 방사선을 이용한 암 치료기술은 방사선 에너지를 체내의 목적부위에 집중시켜 정상세포보다 세포분열 주기가 빠른 암세포치사를 유도하는 것이다.
기존 임상결과에 의하면 외과수술로 접근할 수 없는 신체부위에 적용되어 그 치료효과가 가시적으로 나타나고 있으며, 동시에 인체 침해가 최소화되고 장기의 손실이 없어 신체 기능을 보전할 수 있다는 장점이 있다.
방사선 암치료방법으로는 환자 외부에 설치된 비교적 대형의 가속기나 방사성 동위원소에서 발생된 방사선을 인체 내부로 조사시키는 외부치료법(external radiotherapy;teletherapy)과 암 주위에 방사선 발생원을 설치하여 치료하는 근접치료법(brachytherapy)으로 구분된다.
외부치료법은 암 주위의 정상조직에도 방사선이 조사되므로, 정상세포에 대한 손상을 피할 수가 없으나, 근접치료의 경우에는 정상세포에 대한 손상을 최소화 할 수 있는 이점이 있다. 또한 근접치료의 경우 상대적으로 높은 선량률을 조사할 수 있어 치료기간이 짧다는 이점도 있다.
일반적으로, 근접치료법을 위한 방사선원으로 대개 방사선 동위원소가 사용된다.
방사선 동위원소는 소형화에 유리하지만, 1)방사선이 항상 발생하므로 시술자도 방사선에 피폭될 위험성이 항상 존재하며, 2)짧은 반감기로 인한 방사선원의 정기적인 공급, 동위원소의 보관 및 관리, 사용 후 방사선 폐기물의 처리 등 까다로운 작업이 필요하며, 3)발생하는 방사선의 에너지와 선량 조절이 어려워 암 주위의 선량분포를 조절하기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 인체 내부에 삽입할 수 있는 정도의 크기를 가진 소형 엑스선관이 개발되어 상용화되고 있다.
엑스선관은 전기를 인가할 경우에만 엑스선이 발생하므로 환자나 시술자가 불필요한 방사선에 노출될 가능성이 거의 없고, 발생하는 방사선의 에너지와 선량을 쉽게 조절할 수 있으므로 선량분포를 조절하여 효과적으로 암을 치료할 수 있으며, 전기만으로 방사선을 발생함으로 방사선 물질에 대한 생산, 유지, 관리, 폐기물 관리 등이 전혀 필요하지 않다.
현재 개발된 엑스선관의 경우, 텅스텐 등의 금속을 필라멘트 형태로 만들어 고온으로 가열할 때 발생하는 열전자를 빔형태로 만드는 열전자방출 방식을 전자빔원으로 이용하고 있다.
그러나, 열전자빔원을 소형 엑스선관에 사용할 경우 발열에 의해 정상세포의 피해가 발생할 뿐만 아니라, 발생하는 전자빔 전류밀도의 한계로 선원의 크기를 줄이는 데 한계가 있다.
최근 나노기술의 발전과 더불어, 나노 전계방출원(nano field emitter)을 이용한 엑스선관에 대한 많은 연구개발이 이루어지고 있다.
나노 전계방출원은 전계인가 방식으로 전자빔을 인출하므로 열이 발생하지 않을 뿐 아니라 구동 전원장치가 간단하고, 발생하는 전자빔의 전류밀도가 열전자방식에 비해 100배 이상 커서 고출력의 엑스선을 발생할 수 있다. 또한, 음극의 크기를 소형화할 수 있으며 엑스선이 발생하는 시간구조 (time structure)를 쉽게 조절할 수 있는 이점이 있다.
현재 개발된 근접 방사선치료 장치는 거의 모두 열전자방식을 이용하고 있으나, 나노물질 전계방출원을 이용한 신기술을 이용할 경우 기존 장치보다 더 소형이면서 더 높은 선량을 가진 엑스선을 발생할 수 있어 기존 장치보다 월등한 근접 방사선 치료장치를 개발할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 팁 형 나노물질 음극 전극을 사용하여 종래의 필라멘트 음극 전극의 가열로 인한 전력 과소비 및 외부 냉각계의 과대화를 해소하고, 엑스선관의 크기를 보다 소형화하고 출력을 향상하여 근접 암 치료 방사선원으로의 신체 삽입기술 접목성을 향상시키는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 편평한 일 단면에 나노물질 전계방출원이 형성되어 전자빔을 발생시키는 팁 형 음극 전극과, 중공 원통형상으로 상기 음극 전극의 외주면을 감싸며 설치되되 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부가 형성되며 상기 전자빔의 인출 전압이 인가되는 게이트 전극과, 중공 원통 형상으로 상기 게이트 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 고전압 절연체와, 상기 고전압 절연체의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되는 양극 전극 및 상기 고전압 절연체와 양극 전극 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절하는 전기장 조정 전극을 포함하되, 상기 양극 전극은 일 측에 상기 전기장 조정 전극이 설치되는 개구부가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극 전극의 개구부 내측에 설치되어 엑스선관 내부의 진공 상태를 유지시키는 게터 타겟을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엑스선 발생부는 가속된 전자빔의 충돌로 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 타겟 및 상기 엑스선 타겟의 외측면을 폐구시키며 상기 엑스선 타겟이 적층되되 상기 엑스선(X-RAY)을 외부로 인출시키는 엑스선 투과창을 포함할 수 있다.
또한, 상기 엑스선 타겟은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 엑스선 투과창은 베릴륨(Be), 베릴륨동(BeCu), 알루미늄(Al), 탄소(C), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전기장 조정 전극은 상기 전자빔을 집속시키거나 발산시킬 수 있다.
또한, 상기 전기장 조정 전극은 내주면에 상기 양극 전극 방향으로 경사진 후방 돌출부 또는 상기 음극 전극 방향으로 경사진 전방 돌출부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 전방 돌출부 또는 후방 돌출부는 상기 전기장 조정 전극의 내주면을 기준으로 0도 내지 40도로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 테이퍼부는 상기 게이트 전극의 내주면을 기준으로 5도 내지 30도로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 게이트 전극은 상기 음극 전극이 고정되는 제 1단차부가 내주면에 구비되고, 상기 고전압 절연체의 일 측 개구부가 고정되는 제 2단차부가 외주면에 구비될 수 있다.
또한, 상기 고전압 절연체는 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 편평한 일 단면에 나노물질 전계방출원이 형성되어 전자빔을 발생시키는 팁 형 음극 전극과, 중공 원통 형상으로 상기 음극 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 제 1고전압 절연체와, 중공 원통형상으로 상기 제 1고전압 절연체의 외주면을 감싸며 설치되되 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부가 형성되며 상기 전자빔의 인출 전압이 인가되는 게이트 전극과, 중공 원통 형상으로 상기 게이트 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 제 2고전압 절연체와, 상기 제 2고전압 절연체의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되는 양극 전극 및 상기 제 2고전압 절연체와 양극 전극 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절하는 전기장 조정 전극을 포함하되, 상기 양극 전극은 일 측에 상기 전기장 조정 전극이 설치되는 개구부가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부가 구비되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 양극 전극의 개구부 내측에 설치되어 엑스선관 내부의 진공 상태를 유지시키는 게터 타겟을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엑스선 발생부는 가속된 전자빔의 충돌로 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 타겟 및 상기 엑스선 타겟의 외측면을 폐구시키며 상기 엑스선 타겟이 적층되되 상기 엑스선(X-RAY)을 외부로 인출시키는 엑스선 투과창을 포함할 수 있다. 이때, 상기 엑스선 타겟은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있고, 상기 엑스선 투과창은 베릴륨(Be), 베릴륨동(BeCu), 알루미늄(Al), 탄소(C), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전기장 조정 전극은 상기 전자빔을 집속시키거나 발산시킬 수 있고, 이때, 상기 전기장 조정 전극은 내주면에 상기 양극 전극 방향으로 경사진 후방 돌출부 또는 상기 음극 전극 방향으로 경사진 전방 돌출부를 구비할 수 있으며, 상기 전방 돌출부 또는 후방 돌출부는 상기 전기장 조정 전극의 내주면을 기준으로 0도 내지 40도로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 테이퍼부는 상기 게이트 전극의 내주면을 기준으로 5도 내지 30도로 경사지게 형성될 수 있고, 상기 게이트 전극은 상기 제 1고전압 절연체가 고정되는 제 1단차부가 내주면에 구비되고, 상기 제 2고전압 절연체의 일 측 개구부가 고정되는 제 2단차부가 외주면에 구비될 수 있으며, 상기 제 1고전압 절연체 및 제 2고전압 절연체는 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에 의하면, 나노물질 전계방출원을 이용하여 종래 열전자 방출 구조가 지니고 있는 발생 전자빔의 선질 저하로 인한 엑스선 출력 한계를 해소할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존 필라멘트 음극 기반의 엑스선관에 비해 전원 인가 구조가 단순하고 엑스선 발생에 있어서 열을 가할 필요가 없기 때문에 엑스선관의 크기를 최소로 하여 방사선 치료선원으로서 다양한 신체부위에 접목할 수 있는 효과가 있다.
또한, 근접 암치료 엑스선원 관련 산업을 주도할 수 있는 계기를 마련하여 방사선 의료 이외에도, 영상, 나노, 첨단 기계 산업에 경제적인 파급효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 단면도.
도 2는 도 1의 A부분 확대도.
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 단면도.
도 4는 도 3의 A부분 확대도.
도 5는 본 발명에 따른 팁 형 음극 전극을 제작하는 방법을 설명하는 도.
도 6은 본 발명에 따른 팁 형 음극 전극과 팁 형 음극 전극의 끝을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 촬영한 사진.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 엑스선 발생부를 이용한 엑스선관 내의 전기장 형성을 도시한 전산모사 결과를 나타내는 도.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에서 전기장 조정 전극을 이용한 전자빔의 유동 모식도.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에서 엑스선 발생부와 전기장 조정 전극을 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 A부분 확대도.
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 단면도.
도 4는 도 3의 A부분 확대도.
도 5는 본 발명에 따른 팁 형 음극 전극을 제작하는 방법을 설명하는 도.
도 6은 본 발명에 따른 팁 형 음극 전극과 팁 형 음극 전극의 끝을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 촬영한 사진.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 엑스선 발생부를 이용한 엑스선관 내의 전기장 형성을 도시한 전산모사 결과를 나타내는 도.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에서 전기장 조정 전극을 이용한 전자빔의 유동 모식도.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에서 엑스선 발생부와 전기장 조정 전극을 도시한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 단면도이고, 도 2는 도 1의 A부분 확대도이다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 팁 형 음극 전극(100)과, 게이트 전극(200)과, 고전압 절연체(300)와, 양극 전극(400) 및 전기장 조정 전극(500)을 포함한다.
상기 팁 형 음극 전극(100)은 금속 와이어로 이루어지되 일 단에 편평한 면이 형성되며, 상기 편평한 면에 나노물질 전계방출원(110)이 형성되어 전자빔을 발생시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 팁 형 음극 전극을 제작하는 방법을 설명하는 도이다.
상기 팁 형 음극 전극(100)은 나노물질 전계방출원 방울 코팅법을 이용하여 일 단에 나노물질 전계방출원(110)을 접합시킬 수 있다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 일 측 끝이 편평하게 다듬어진 금속 와이어의 편평한 면에 나노물질 전계방출원(Nano Field Emitter)과 금속 나노입자 접착재료(Metal Nanoparticle Binder)가 용해된 혼합 용액(Solvent)의 소량 방울을 매달아 말린 후 가열함으로써 나노물질 전계방출원 음극 전극을 제작할 수 있다.
금속 나노입자 접착재료(Metal Nanoparticle Binder)가 용융되어 형성한 금속 접착층은 나노물질 전계방출원(Nano Field Emitter)을 강하게 고정하고, 높은 열전도도와 낮은 전기저항을 가지기 때문에 낮은 진공환경에서도 장수명, 고출력 전자빔을 발생하는 안정된 나노물질 전계방출원층을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 팁 형 음극 전극과 팁 형 음극 전극의 끝을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 촬영한 사진이다.
상기 팁 형 음극 전극(100)은 도 6에 도시된 바와 같이, 와이어 형태의 금속 팁과 상기 금속 팁의 끝에 조밀하게 설치된 나노물질 전계방출원이 구비될 수 있다.
상기 팁 형 음극전극(100)은 지름이 0.1 내지 1mm의 금속 와이어 끝을 기계적 연마 또는 화학적으로 에칭하여 편평한 일 단면을 형성한 후, 상기 편평한 일 단면에 상기 나노물질 전계방출원을 설치함으로써 제작될 수 있다.
이때, 상기 금속재는 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 은(Ag), 구리(Cu) 등이 사용될 수 있고, 상기 나노물질 전계방출원은 유전영동법(Dielectrophoresis), 레이저증착법(Laser vaporization), 화학증착법(CVD: Chemical vapor deposition), 프린팅기법 또는 도 5에 도시된 방울 코팅법으로 설치될 수 있다.
상기 게이트 전극(200)은 전자빔을 발생시키는 전자빔 인출 전압이 인가되며, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 중공 원통형상으로 이루어지되 상기 음극 전극(100)의 외주면을 감싸며 설치되고, 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부(210)가 형성된다.
이때, 상기 테이퍼부(210)는 상기 게이트 전극(200)의 내주면을 기준으로 5도 내지 30도로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극(200)은 팁 형 음극 전극(100)과 양극 전극(400)으로 이루어진 이극관형 엑스선관에서 나노물질 전계방출원(110)의 낮은 전자 인출 전기장 때문에 상기 팁 형 음극 전극(100)과 양극 전극(400)의 이격거리가 늘어가는 것을 방지하기 위해 상기 팁 형 음극 전극(100) 상에 설치되어 인가 전기장을 완화시킨다.
상기 게이트 전극(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형 홈으로 이루어진 제 1단차부(220)가 내주면에 형성될 수 있고, 동시에 원통형 홈으로 이루어진 제 2단차부(230)가 외주면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 1단차부(220)에는 상기 팁 형 음극 전극(100)이 삽입되어 고정될 수 있고, 상기 제 2단차부(230)에는 상기 고전압 절연체(300)의 일 측 개구부가 삽입되어 고정될 수 있다.
상기 고전압 절연체(300)는 중공 원통 형상으로 이루어지되 상기 게이트 전극(200)의 외주면을 감싸며 설치된다.
상기 고전압 절연체(300)는 상기한 바와 같이, 상기 게이트 전극(200)의 제 2단차부(230)에 일 측 개구부가 삽입되어 고정됨으로써 상기 음극 전극(100)과 양극 전극(400)을 일정간격 이격시켜 절연시킬 수 있으며, 이때, 상기 고전압 절연체(300)는 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 양극 전극(400)은 상기 고전압 절연체(300)의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극(100)에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가된다.
상기 양극 전극(400)은 도 1에 도시된 바와 같이, 일 측에 상기 전기장 조정 전극(500)이 설치되는 개구부(410)가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부(420)가 구비된다.
상기 엑스선 발생부(420)는 엑스선 타겟(421)과 상기 엑스선 타겟(421)의 외측면을 폐구시키는 엑스선 투과창(422)을 포함한다.
상기 엑스선 타겟(421)은 가속된 전자빔의 충돌로 엑스선(X-RAY)을 발생시킬 수 있으며, 이때, 상기 엑스선 타겟(421)은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 엑스선 타겟(421)은 투과형 엑스선 타겟과 반사형 엑스선 타겟으로 이루어질 수 있는데, 상기 투과형 엑스선 타겟은 상기 엑스선 투과창(422) 위에 텅스텐(W) 박막이 설치되어 형성될 수 있고, 상기 반사형 엑스선 타겟은 상기 엑스선 투과창(422) 위에 텅스텐(W) 덩어리가 설치되어 형성될 수 있다.
상기 엑스선 투과창(422)은 상기 엑스선 타겟(421)의 외측면을 폐구시키고, 상기 엑스선 타겟(421)이 적층되며, 상기 엑스선(X-RAY)을 외부로 인출시킬 수 있다.
상기 엑스선 투과창(422)은 상기 엑스선 타겟(421)에서 발생된 엑스선(X-RAY)을 손실없이 통과시키기 위해 견고한 고체물질이면서 동시에 낮은 원자질량수를 가진 물질이 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 엑스선 투과창(422)은 베릴륨(Be), 베릴륨동(BeCu), 알루미늄(Al), 탄소(C), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 전기장 조정 전극(500)은 도 1에 도시된 바와 같이, 중공 원통형상으로 이루어지며, 상기 고전압 절연체(300)와 양극 전극(400) 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 엑스선 발생부를 이용한 엑스선관 내의 전기장 형성을 도시한 전산모사 결과를 나타내는 도이다.
상기 전기장 조정 전극(500)은 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 내주면에 상기 양극 전극(400) 방향으로 경사진 후방 돌출부(520)나 상기 음극 전극(100) 방향으로 경사진 전방 돌출부(510)를 구비하여 전자빔을 집속시키거나 발산시킬 수 있다.
구체적으로, 도 7a에 도시된 바와 같이, 내면이 편평한 전기장 조정 전극(500)에 의해 양극 전극(400)의 내면 상에 발산형 전기장이 형성되며, 평행 전자빔이 상기 발산형 전기장을 지나갈 경우, 중심 바깥 방향으로 가속되어 엑스선 타겟(421) 상에 넓은 면적으로 충돌할 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 양극 전극(400) 방향으로 경사진 후방 돌출부(520)가 내주면에 구비된 전기장 조정 전극(500)에 의해 양극 전극(400)의 내면 상에 도 7a의 발산형 전기장보다 약한 발산형 전기장이 형성되며, 평행 전자빔이 약한 발산형 전기장을 지나갈 경우, 중심 바깥 방향으로 도 7a의 평행 전자빔보다 덜 가속되어 엑스선 타겟(421) 상에 충돌할 수 있다.
더불어, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 음극 전극(100) 방향으로 경사진 전방 돌출부(510)가 내주면에 구비된 전기장 조정 전극(500)에 의해 양극 전극(400)의 내면 상에 거의 평행한 전기장이 형성되며, 평행 전자빔이 평형 전기장을 지나갈 경우 크기 변화 없이 엑스선 타겟(421) 상에 충돌할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에서 엑스선 발생부와 전기장 조정 전극을 도시한 단면도이다.
상기 전기장 조정 전극(500)은 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 양극 전극(400)의 개구부(410)에 연결되며, 전자빔의 집속 크기에 따라 상기 전방 돌출부(510) 또는 후방 돌출부(520)가 상기 전기장 조정 전극(500)의 내주면을 기준으로 0도 내지 40도로 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 도 1 및 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 게터 타겟(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 게터 타겟(600)은 상기 양극 전극(400)의 개구부(410) 내측이나 전기장 조정 전극(500)의 내면에 설치되어 엑스선관 내부의 진공 상태를 유지시킬 수 있다.
상기 게터 타겟(600)은 기체화 혹은 비기체화되는 합금물질로, 진공내의 잔유 대기 기체를 흡수하는 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 코발트(Co), 티타튬(Ti), 팔라디움(Pd) 또는 이들 금속의 합금으로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 단면도이고, 도 4는 도 3의 A부분 확대도이다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 팁 형 음극 전극(100)과, 제 1고전압 절연체(310)와, 게이트 전극(200)과, 제 2고전압 절연체(320)와, 양극 전극(400) 및 전기장 조정 전극(500)을 포함한다.
상기 팁 형 음극 전극(100)은 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 팁 형 음극 전극과 그 구성 및 내용이 동일하다.
즉, 상기 팁 형 음극 전극(100)은 금속 와이어로 이루어지되 일 단에 편평한 면이 형성되고, 나노물질 전계방출원 방울 코팅법을 이용하여 상기 편평한 면에 나노물질 전계방출원(110)을 접합시킴으로써 전자빔을 발생시킬 수 있다.
상기 제 1고전압 절연체(310)는 중공 원통 형상으로 이루어지되 상기 음극 전극(100)의 외주면을 감싸며 설치된다.
구체적으로, 상기 음극 전극(100)은 상기 제 1고전압 절연체(310)의 내주면에 금속 접착제 등을 이용하여 고정할 수 있고, 이때, 상기 제 1고전압 절연체(310)는 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 게이트 전극(200)은 전자빔을 발생시키는 전자빔 인출 전압이 인가되고, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 중공 원통형상으로 이루어지되 상기 제 1고전압 절연체(310)의 외주면을 감싸며 설치되며, 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부(210)가 형성된다. 이때, 상기 테이퍼부(210)는 상기 게이트 전극(200)의 내주면을 기준으로 5도 내지 30도로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극(200)은 도 4에 도시된 바와 같이, 원통형 홈으로 이루어진 제 1단차부(220)가 내주면에 형성될 수 있고, 동시에 원통형 홈으로 이루어진 제 2단차부(230)가 외주면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 1단차부(220)에는 상기 제 1고전압 절연체(310)가 삽입되어 고정될 수 있고, 상기 제 2단차부(230)에는 상기 제 2고전압 절연체(320)의 일 측 개구부가 삽입되어 고정될 수 있다.
즉, 상기 팁 형 음극 전극(100)과 게이트 전극(200)은 전계방출을 위해 서로 다른 전위가 인가되어야 하므로 상기 제 1고전압 절연체(310)에 의해 서로 전기적으로 절연될 수 있고, 상기 제 2고전압 절연체(320)에 의해 상기 양극 전극(400)과 각각 전기적으로 절연될 수 있다.
상기 제 2고전압 절연체(320)는 중공 원통 형상으로 이루어지고, 상기 게이트 전극(200)의 외주면을 감싸며 설치되되 상기 게이트 전극(200)의 제 2단차부(230)에 일 측 개구부가 삽입되어 고정됨으로써 상기 게이트 전극(200)과 양극 전극(400)을 일정간격 이격시켜 절연시킬 수 있다.
이때, 상기 제 2고전압 절연체(320)는 상기 제 1고전압 절연체(310)와 동일하게 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제 2고전압 절연체(320)는 일 측에 나노물질 전계방출원(110)이 코팅된 팁 형 음극 전극(100)과, 게이트 전극(200) 및 상기 팁 형 음극 전극(100)과 게이트 전극(200)에 서로 다른 전위를 인가하여 전자빔을 인출할 수 있도록 하는 제 1고전압 절연체(310)가 연결되고, 타 측에 상기 양극 전극(400)이 연결될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 전체적으로 삼극관을 절연시키며 전자빔을 발생 및 가속시킬 수 있다.
상기 양극 전극(400) 및 전기장 조정 전극(500)은 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 양극 전극 및 전기장 조정 전극과 그 구성 및 내용이 동일하다.
즉, 상기 양극 전극(400)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 2고전압 절연체(320)의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극(100)에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되고, 일 측에 상기 전기장 조정 전극(500)이 설치되는 개구부(410)가 구비되며, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부(420)가 구비된다.
또한, 상기 전기장 조정 전극(500)은 중공 원통형상으로 이루어지되 상기 제 2고전압 절연체(320)와 양극 전극(400) 사이에 설치되어 가속 전기장의 형태를 변화시킴으로써 상기 전자빔의 크기를 조절할 수 있으며, 전자빔의 집속 크기에 따라 상기 전기장 조정 전극(500)의 내주면을 기준으로 0도 내지 40도로 경사지게 형성된 전방 돌출부(510) 또는 후방 돌출부(520)가 상기 전기장 조정 전극(500)의 내주면에 구비될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관에서 전기장 조정 전극을 이용한 전자빔의 유동 모식도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 0 내지 -50 kV로 대전된 나노물질 전계방출원(110)과 게이트 전극(200)에서 인출된 전자빔은 접지된 양극 전극(400)으로 가속되며, 이후, 전방 돌출부(510)가 구비된 전기장 조정 전극(500)에 의해 형성된 발산이 억제된 전기장을 통과하여 엑스선 타겟(421)으로 평행하게 입사될 수 있다.
상기 전기장 조정 전극(500)에 구비된 전방 돌출부(510) 또는 후방 돌출부(520)의 경사진 각도에 따라 상기 양극 전극(400)에 도달하는 전자빔의 크기가 최대 30% 이상 변화될 수 있으므로, 상기 전방 돌출부(510) 또는 후방 돌출부(520)는 특정 전자빔의 크기에 따라 상기 양극 전극(400)의 전,후 방향으로 0도 내지 40도 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제 2실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관은 도 3 및 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 게터 타겟(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 게터 타겟(600)은 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관의 게터 타겟과 그 구성 및 내용이 동일하다.
즉, 상기 게터 타겟(600)은 상기 양극 전극(400)의 개구부(410) 내측이나 전기장 조정 전극(500)의 내면에 설치되어 엑스선관 내부의 진공 상태를 유지시킬 수 있으며, 기체화 혹은 비기체화되는 합금물질로, 진공내의 잔유 대기 기체를 흡수하는 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 코발트(Co), 티타튬(Ti), 팔라디움(Pd) 또는 이들 금속의 합금으로 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100:음극 전극 110:나노물질 전계방출원
200:게이트 전극 210:테이퍼부
220:제 1단차부 230:제 2단차부
300:고전압 절연체 310:제 1고전압 절연체
320:제 2고전압 절연체 400:양극 전극
410:개구부 420:엑스선 발생부
421:엑스선 타겟 422:엑스선 투과창
500:전기장 조정 전극 510:전방 돌출부
520:후방 돌출부 600:게터 타겟
700:전자빔 유동선
200:게이트 전극 210:테이퍼부
220:제 1단차부 230:제 2단차부
300:고전압 절연체 310:제 1고전압 절연체
320:제 2고전압 절연체 400:양극 전극
410:개구부 420:엑스선 발생부
421:엑스선 타겟 422:엑스선 투과창
500:전기장 조정 전극 510:전방 돌출부
520:후방 돌출부 600:게터 타겟
700:전자빔 유동선
Claims (13)
- 편평한 일 단면에 나노물질 전계방출원이 형성되어 전자빔을 발생시키는 금속 와이어로 이루어진 팁 형 음극 전극;
중공 원통형상으로 상기 음극 전극의 외주면을 감싸며 설치되되 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부가 형성되며 상기 전자빔의 인출 전압이 인가되는 게이트 전극;
중공 원통 형상으로 상기 게이트 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 고전압 절연체;
상기 고전압 절연체의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되는 양극 전극; 및
상기 고전압 절연체와 양극 전극 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절하는 전기장 조정 전극을 포함하되,
상기 양극 전극은 일 측에 상기 전기장 조정 전극이 설치되는 개구부가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부가 구비되고,
상기 전기장 조정 전극은 내주면에 상기 양극 전극 방향으로 경사진 후방 돌출부 또는 상기 음극 전극 방향으로 경사진 전방 돌출부를 구비하여 상기 전자빔을 집속시키거나 발산시키고,
상기 엑스선 발생부는, 가속된 전자빔의 충돌로 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 투과형 엑스선 타겟 및 상기 엑스선 타겟의 외측면을 폐구시키며 상기 엑스선 타겟이 적층되되 상기 엑스선(X-RAY)을 외부로 인출시키는 엑스선 투과창을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 편평한 일 단면에 나노물질 전계방출원이 형성되어 전자빔을 발생시키는 금속 와이어로 이루어진 팁 형 음극 전극;
중공 원통 형상으로 상기 음극 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 제 1고전압 절연체;
중공 원통형상으로 상기 제 1고전압 절연체의 외주면을 감싸며 설치되되 일 단에 내부에서 외부로 경사진 테이퍼부가 형성되며 상기 전자빔의 인출 전압이 인가되는 게이트 전극;
중공 원통 형상으로 상기 게이트 전극의 외주면을 감싸며 설치되는 제 2고전압 절연체;
상기 제 2고전압 절연체의 일 단으로부터 일정간격 이격되어 설치되되 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속시키는 가속 전압이 인가되는 양극 전극; 및
상기 제 2고전압 절연체와 양극 전극 사이에 설치되되 가속 전기장의 형태를 변화시켜 상기 전자빔의 크기를 조절하는 전기장 조정 전극을 포함하되,
상기 양극 전극은 일 측에 상기 전기장 조정 전극이 설치되는 개구부가 구비되고, 타 측에 가속된 전자빔의 충돌에 의해 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 엑스선 발생부가 구비되고,
상기 전기장 조정 전극은 내주면에 상기 양극 전극 방향으로 경사진 후방 돌출부 또는 상기 음극 전극 방향으로 경사진 전방 돌출부를 구비하여 상기 전자빔을 집속시키거나 발산시키고,
상기 엑스선 발생부는, 가속된 전자빔의 충돌로 엑스선(X-RAY)을 발생시키는 투과형 엑스선 타겟 및 상기 엑스선 타겟의 외측면을 폐구시키며 상기 엑스선 타겟이 적층되되 상기 엑스선(X-RAY)을 외부로 인출시키는 엑스선 투과창을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 양극 전극의 개구부 내측에 설치되어 엑스선관 내부의 진공 상태를 유지시키는 게터 타겟을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 투과형 엑스선 타겟은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 엑스선 투과창은 베릴륨(Be), 베릴륨동(BeCu), 알루미늄(Al), 탄소(C), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 전방 돌출부 또는 후방 돌출부는 상기 전기장 조정 전극의 내주면을 기준으로 0도 내지 40도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 테이퍼부는 상기 게이트 전극의 내주면을 기준으로 5도 내지 30도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 제 1항에 있어서,
상기 게이트 전극은 상기 음극 전극이 고정되는 제 1단차부가 내주면에 구비되고, 상기 고전압 절연체의 일 측 개구부가 고정되는 제 2단차부가 외주면에 구비되고,
상기 고전압 절연체는 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관.
- 제 2항에 있어서,
상기 게이트 전극은 상기 제 1고전압 절연체가 고정되는 제 1단차부가 내주면에 구비되고, 상기 제 2고전압 절연체의 일 측 개구부가 고정되는 제 2단차부가 외주면에 구비되고,
상기 제 1고전압 절연체 및 제 2고전압 절연체는 알루미나(Al2O3), 사파이어, 테프론, 파이렉스, 초자 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노물질 전계방출원을 이용한 초소형 엑스선관. - 삭제
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