KR101151859B1

KR101151859B1 - 비확산 게터가 장착된 엑스선관

Info

Publication number: KR101151859B1
Application number: KR1020100027522A
Authority: KR
Inventors: 박래준; 김현숙
Original assignee: 주식회사엑스엘
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: WO2011118883A1; US20160260573A1; KR20110028422A; US20120257721A1

Abstract

본 발명은 진공 유지를 위해 비확산 게터를 이용한 엑스선관에 관한 것으로서, 비확산 게터를 엑스선관 내부에 장착하여 엑스선관 작동시 정격전력을 즉시 인가하여도 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스가 상존하는 잔류가스에 부가 되더라도 고압전원이 인가되는 순간부터 시작해서 인가되고 있는 동안 가스흡착이 충분히 발휘되어 안정적으로 성능 및 기능이 유지되는 비확산 게터가 장착된 고정양극 엑스선관 및 회전양극 엑스선관의 구조를 제공한다.

Description

비확산 게터가 장착된 엑스선관{X-ray Tube Having Non-evaporable Getter}

본 발명은 엑스선관의 진공 유지를 위해 비확산 게터 구조물을 엑스선관 내에 장착하는 것과 양극과 음극의 집속관에 비확산 게터를 장착한 고정양극 및 회전양극 엑스선관에 관한 것이다.

일반적인 진공배기시스템은 진공배기하고자 하는 용기에 직접 진공펌프를 장착하면서 보조펌프를 직렬로 연결하여 사용한다. 그리고, 진공용기 및 진공배기라인의 재료는 알류미늄, 스테인레스 스틸, 석영 또는 파이렉스가 주로 이용되고 있다. 진공도 10^-3 Torr 정도의 중, 저진공에 필요한 진공배기시스템은 부스터펌프와 로터리펌프가 직렬로 연결되어 챔버에 부착하거나 로터리펌프를 단독으로 챔버에 부착하여 사용한다. 진공도 10^-4~10^-7 Torr의 고진공에 필요한 진공배기시스템은 액체질소 냉각트랩이 부착된 오일확산펌프 또는 터보분자 펌프가 설치되고 보조펌프로서 로터리펌프와 같은 중, 저진공펌프가 직렬로 연결된다. 엑스선관 진공배기를 위해서는 10^-8 ~10^-11Torr의 초고진공 배기능력을 갖춘 진공시스템을 이용해야 하는데 크라이오펌프 또는 이온펌프가 사용된다.

일반적인 엑스선관의 진공배기는 봉입 전 진공배기와 봉입 후 진공배기로 크게 두 단계로 이루어진다. 봉입 전 진공배기는 크라이오펌프 또는 이온펌프가 부착된 초고진공 배기시스템을 이용하여 이루어진다. 엑스선관의 진공배기와 같은 초고진공이 요구되는 진공공정에서는 극히 미량일지라도 산소나 수분은 제품의 성능에 악영향을 미친다. 특히 수분의 물리적 흡착 시간은 수 ms로서 불활성기체와 수소를 비롯한 기타 가스입자에 비해 대단히 길어서 진공공간 중에 오래 머물면서 복잡한 흡착양상을 연출하기 때문에 진공의 질을 떨어뜨리는 주원인을 제공한다. 진공용기 내의 수분을 짧은 시간 내에 배출하여 그 잔류량을 낮추기 위해서는 진공용기를 가열하여 수분의 물리적 흡착시간을 짧게 해주어야 한다. 수분탈착을 위한 진공용기의 가열은 일반적으로 150℃ 정도로 하지만, 진공시스템의 사양과 목표진공도에 따라서 가열온도를 다르게 할 수 있다. 엑스선관의 진공배기와 같은 초고진공을 목적으로 할 때 일반적인 진공배기공정의 순서는 1) 중, 저진공배기, 2) 고진공배기, 3)진공용기 및 진공배기라인 가열상태 진공배기, 4) 가열된 진공용기가 냉각되기 전에 진공게이지와 같은 진공용기 내의 각종 발열소자 탈가스, 5) 베이스 진공배기 등과 같은 과정들로 이루어진다.

엑스선관의 진공배기를 위한 봉입 후의 진공배기는 진공 봉입된 엑스선관 내의 잔류가스를 줄이기 위해 게터(getter)를 사용하여 내부흡착을 통한 진공배기 과정으로 이루어진다. 주로 확산 게터를 이용하고 있으며 비확산 게터를 이용하는 경우도 있다. 확산 게터의 재료로서는 Ba, Ba-Al-Ni alloy 가 주로 쓰이고, 용도에 따라 Ca(미국특허 US6583559B1)이나 알칼리 금속 종류(미국특허 US4665343)가 쓰이기도 한다. 일반적으로 확산게터는 음극 배면에 장착되어 음극배선 사이에 전기적 접촉이 되지 않는 좁은 영역에 확산 코팅하여 이 코팅층에서 잔류가스 흡착이 이루어 지도록 설계한다. 비확산 게터는 Zr, Ti, Ni 또는 이들을 베이스로 하는 다양한 합금이 이용되며 분말을 성형 후 소성과정을 통하거나 분말 압착과정을 통하여 다공질 구조로 성형하여 이용한다.

엑스선관에 게터를 적용한 선행기술들은 다음과 같은 예가 있다.

두 개의 비확산 게터를 진공봉입된 하우징 벌브 내에 양극과 인접한 위치와 음극부에 장착하는 구조가 있다. 양극이 고온상태가 되었을 때 양극에서 방사되는 고온의 방사열에 의해 흡착이 이루어지는 비확산 게터가 양극에 근접해서 장착되어 있고, 고온의 방사열에 의해 흡착이 이루어지는 비확산 게터가 음극부에 장착되어 엑스선관이 반복 작동되어 양극이 가열되었을 때 흡착이 이루어지는 게터시스템이 제시되었다. (US005838761).

또한,금속 하우징 벌브의 음극측 부위에 확산 게터시스템이 장착되어 있고, 엑스선관 외부에서 전원을 공급하므로서 접지되어 있는 금속하우징 내부의 넓은 영역에 확산게터를 도포하여 잔류가스흡착율이 향상되도록 하고, 또한 현장 사용중에 게터 도포층의 활성이 저하되는 즈음에 반복해서 게터를 확산시킬 수 있는 구조에 대한 예도 있다(미국특허 US6570959B1).

또한, 음극 상단부에 복수개의 확산게터가 장착되어 있으며 엑스선관 외부에서 선택적으로 확산게터 전원을 공급하여 음극상층부에 인접한 하우징 벌브의 제한된 영역에 반복해서 게터를 확산시킬 수 있는 구조에 대한 예도 있다(US6192106A1, US06192106B1).

또한, 캡 내부의 원형 홈에 비확산 게터를 다공성으로 소성시켜 성형을 하여 캡을 엑스선관 내부에 장착하는 구조로서, 비확산 게터를 엑스선관 내부 구조에 부착하면 조립작업공정 중의 대기중 가열로 인한 표면산화로 흡착포화상태에 이르게 되지만 진공 봉입 후 엑스선관 작동중에 발생되는 양극의 열로 인해 게터가 장착된 캡이 가열되면서 게터가 재활성화되어 잔류가스 흡착이 이루어지는 게터구조가 제시된 경우도 있다(US05509045).

이와 같이 진공봉입된 엑스선관의 고진공 상태를 유지하기 위한 다양한 방법이 제시되어 왔는데, 현재 사용되고 있는 엑스선관들은 여전히 봉입된 상태에서 봉입시의 잔류가스 및 탈가스에 의해 유입되는 가스, 필라멘트 가열시 발생되는 가스, 엑스선관 작동시 타겟에서 발생되는 탈가스에 의해 내부압력이 상승하여 사용시 작동제한요인들이 발생되고, 그 기능이 상실되는 경우도 발생된다.

봉입된 엑스선관은 지속적으로 발생되는 탈가스 때문에 내부압력이 증가되는데 그 이유는 증착된 확산게터 또는 비활성화 상태에 있는 비확산게터가 탈가스에 의해 증가된 가스량을 다 흡착하지 못하기 때문이다. 더군다나 엑스선관을 작동시키기 위해서 필라멘트를 가열할 때 발생되는 가스와 전원을 인가하여 엑스선이 발생될 때 타겟에서 급격히 발생되는 가스가 더해져서 엑스선이 처음 발생될 때는 급격히 압력이 증가하게 된다. 일반적으로 엑스선관을 작동하는데 있어서 엑스선 발생 초기에 급격한 압력증가로 인해 방전현상이 발생되어 엑스선관의 기능이 상실되는 경우가 있기 때문에 이를 방지하기 위해서 현재 사용되는 엑스선관은 엑스선관에 정격전력을 인가하기 전에 저전력으로 일정시간 작동시켜서 가스발생을 완화시킴과 동시에 자체흡착에 의한 진공배기 기능을 이용해서 증가되어 있는 압력을 낮추는 에이징(aging) 과정을 거쳐야 된다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 엑스선관 작동시 바로 정격전력을 인가하여도 발생되는 엑스선에 의한 비확산 게터의 활성화로 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스의 가스흡착이 충분히 발휘되어 엑스선관의 내부압력이 증가하는 것을 방지하여, 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있는 엑스선관을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 엑스선관이 작동되는 동안 양극이 고온상태가 되면 양극에서 방사되는 열에 의한 비확산 게터의 활성화로 가스흡착이 효과적으로 발휘되어 내부압력이 증가하는 것을 방지하는 엑스선관을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 엑스선관이 작동되는 동안 양극의 온도가 상승되면 온도의 전도에 의한 비확산 게터의 활성화로 가스흡착이 효과적으로 발휘되어 내부압력이 증가하는 것을 방지하는 엑스선관을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 엑스선관 작동시 에이징 과정을 생략하고 바로 정격 전력을 인가하여도 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있는 엑스선관을 제공하는 데 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 외관벌브와, 상기 외관벌브의 내부에 고정장착되고 필라멘트가 설치되는 음극집속관과, 상기 외관벌브의 내부에 일측이 장착되고 타측은 외부로 돌출되며 상기 필라멘트에서 발생되는 전자빔이 충돌하는 경사진 타겟이 장착된 양극과, 상기 양극에 장착되어 상기 타겟을 차폐하고 상기 타겟에서 발생한 엑스선이 방사되는 방사창이 형성된 양극실드부로 구성되는 엑스선관에 있어서, 상기 타겟을 차폐하는 양극실드부는, 상기 양극실드부 상단이 상기 양극실드부 몸체의 직경보다 더 작은 직경의 중심구멍을 가지며, 상기 양극실드부의 상기 중심구멍과 상기 타겟 사이의 내면에 형성되는 비확산 게터를 포함하되, 상기 양극실드부의 상기 중심구멍과 상기 타겟 사이의 내면에 형성되는 비확산 게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 양극실드부의 내주면에 장착되거나 상기 양극실드부의 내주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관을 제공한다. 비확산 게터는 게터 특성을 갖는 물질로서 금속, 합금 또는 다공질 금속 화합물 등을 다공성 구조로 도포할 때 이 물질들을 복수 층으로 도포할 수도 있다.

또한 본 발명은, 외관벌브와, 상기 외관벌브의 내부에 고정장착되고 필라멘트가 설치되는 음극집속관과, 상기 외관벌브의 내부에 일측이 장착되고 타측은 외부로 돌출되며 상기 필라멘트에서 발생되는 전자빔이 충돌하는 경사진 타겟이 장착된 노출형 양극으로 구성되는 엑스선관에 있어서, 상기 타겟이 장착된 노출형 양극을 감싸며, 상기 타겟에 충돌한 전자빔에 의해 발생된 엑스선이 방사되는 방사창을 가지는 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터를 포함하되, 상기 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 금속 실린더의 내주면에 장착되거나 상기 금속 실린더의 내주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관을 제공한다. 비확산 게터는 게터 특성을 갖는 물질로서 금속, 합금 또는 다공질 금속 화합물 등을 다공성 구조로 도포할 때 이 물질들을 복수 층으로 도포할 수도 있다.

또한 본 발명은 외관벌브와, 상기 외관벌브의 내부에 고정장착되는 전극스템부와, 상기 전극스템부에 고정장착되고 필라멘트가 설치되는 음극집속관과, 상기 필라멘트에서 발생되는 전자빔이 충돌하는 회전양극 타겟과, 상기 회전양극 타겟을 회전시키는 로터로 구성되는 엑스선관에 있어서, 상기 타겟이 장착된 회전 양극을 감싸며, 상기 타겟에 충돌한 전자빔에 의해 발생된 엑스선이 방사되는 방사창을 가지는 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터와, 상기 음극집속관에 가스 흡착을 위해 형성되는 비확산 게터를 포함하되, 상기 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 금속 실린더의 내주면에 장착되거나 상기 금속 실린더의 내주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되고, 상기 음극집속관에 형성되는 비확산 게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 상기 음극집속관의 외형에 따라 제작된 형태로 상기 음극집속관의 외주면에 장착되거나, 상기 음극집속관의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관을 제공한다. 비확산 게터는 게터 특성을 갖는 물질로서 금속, 합금 또는 다공질 금속 화합물 등을 다공성 구조로 도포할 때 이 물질들을 복수 층으로 도포할 수도 있다.

본 발명에서, 음극집속관에는 가스 흡착을 위한 비확산 게터가 형성될 수 있다. 음극집속관에 가스 흡착을 위해 형성되는 비확산게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 상기 음극집속관의 외형에 따라 제작된 형태로 상기 음극집속관의 외주면에 장착되거나, 상기 음극집속관의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성될 수 있다.

본 발명에서, 외관벌브의 내부에 위치하는 양극의 외주면에 가스흡착을 위한 비확산 게터가 형성될 수 있다. 양극의 외주면에 가스흡착을 위해 형성되는 비확산 게터는, 상기 양극의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되거나, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 양극의 외주면에 장착되어 구성될 수 있다. 비확산 게터는 게터 특성을 갖는 물질로서 금속, 합금 또는 다공질 금속 화합물 등을 다공성 구조로 도포할 때 이 물질들을 복수 층으로 도포할 수도 있다.

삭제

본 발명에서, 로터에는 가스흡착을 위한 비확산 게터가 형성될 수 있다. 본 발명에서 로터에 가스흡착을 위해 형성되는 비확산 게터는, 로터의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되거나, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 로터의 외주면에 장착되어 구성될 수 있다. 비확산 게터는 게터 특성을 갖는 물질로서 금속, 합금 또는 다공질 금속 화합물 등을 다공성 구조로 도포할 때 이 물질들을 복수 층으로 도포할 수도 있다.

본 발명에 따른 엑스선관은 비확산 게터를 상기와 같이 장착하므로서 엑스선관 작동시 바로 정격전력을 인가하여도 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스에 대해서 고압전원이 인가되는 순간부터 시작해서 인가되고 있는 동안 흡착이 충분히 발휘되어 위와 같은 가스들에 의하여 급격히 압력이 증가하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 엑스선관이 봉입된 상태에서 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 엑스선관에 따르면, 엑스선관 작동시 에이징 과정을 생략하고 바로 정격 전력을 인가하여도 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지함으로써, 산업용 또는 의료용 등으로 응용하여 활용할 수 있다.

도 1은 실드형 고정 양극 엑스선관의 단면도.
도 2는 실드형 고정 양극 엑스선관의 양극부 단면도.
도 3은 노출형 고정 양극 엑스선관의 단면도.
도 4는 노출형 고정 양극 엑스선관에 장착된 비확산 게터 도포용 금속 실린더의 사시도 및 일부 단면도.
도 5는 회전 양극 엑스선관의 단면도.
도 6은 회전 양극 엑스선관에 장착된 비확산 게터 도포용 금속 실린더의 단면도.
도 7은 음극 집속관에 도포된 비확산 게터의 단면도.
도 8은 고정 양극 엑스선관의 양극에 도포된 비확산 게터의 단면도.
도 9는 회전 양극 엑스선관의 양극부에 도포된 비확산 게터의 단면도.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 실드형 고정 양극 엑스선관의 단면도이고, 도 2는 실드형 고정 양극 엑스선관의 양극부 단면도이고, 도 3은 노출형 고정 양극 엑스선관의 단면도이고, 도 4는 노출형 고정 양극 엑스선관에 장착된 비확산 게터 도포용 금속 실린더의 사시도 및 일부 단면도이고, 도 5는 회전 양극 엑스선관의 단면도이고, 도 6은 회전 양극 엑스선관에 장착된 비확산 게터 도포용 금속 실린더의 단면도이고, 도 7은 음극 집속관에 도포된 비확산 게터의 단면도이고, 도 8은 고정 양극 엑스선관의 양극에 도포된 비확산 게터의 단면도이고, 도 9는 회전 양극 엑스선관의 양극부에 도포된 비확산 게터의 단면도이다.

먼저 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 실시예들의 구조를 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 실드형 고정양극 엑스선관의 기본 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1의 양극 실드부(102)의 내부표면에 도포되는 비확산 게터(201)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 실드형 고정양극 엑스선관은, 실드형 양극(101), 양극 실드부(anode shield unit)(102), 타겟(103), 음극 집속관(104), 외관벌브인 파이렉스 벌브(pyrex bulb)(105), 음극 필라멘트(106), 일정 두께로 소성 도포된 비확산 게터(201)를 포함한다. 본 실시예에서 설명되지 않은 부호는 전극스템(110)과, 전극스템의 절연을 위한 절연관(108)과, 음극집속관(104)을 파이렉스 벌브(105)에 고정하기 위한 코바 어댑터(107)과, 진공배기를 위한 진공배기관 봉입부(109)이다. 본 발명의 일실시예에 따른 타겟(103)이 양극 실드부(102)에 의하여 차폐되어 있는 실드형 양극을 적용한 구조에서는 양극 실드부(102)의 내면에 비확산 게터(201)를 장착한 구조를 갖는다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 노출형 고정양극 엑스선관의 기본 구조와 비확산 게터가 도포되는 금속실린더 및 접지용 전극스템의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 금속실린더(301)의 내부표면에 도포되는 비확산 게터(401)를 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 노출형 고정양극 엑스선관은, 비확산 게터가 도포되는 금속실린더(301), 접지배선(303), 접지용 전극스템(304), 노출형 양극(305), 타겟(306), 음극 집속관(307), 음극 필라멘트(308), 외관벌브인 파이렉스 벌브(pyrex bulb)(313), 금속실린더(301)에 일정 두께로 소성 도포된 비확산 게터(401)를 포함하며, 비확산 게터가 도포되는 금속실린더(301)는 엑스선이 방사되는 방사창(302)이 형성된 구조이다. 상기 방사창(302)은 엑스선이 조사될 수 있도록 원형 홀(hole)로 형성된다. 본 실시예의 도면에서 설명되지 않은 도면부호는, 음극 집속관(307)을 외관벌브(313)에 고정하기 위한 코바 어댑터(309)와, 음극 집속관(307)에 삽입되는 전극스템(312)의 한 쪽을 절연하기 위한 절연관(310)과, 진공배기를 위한 진공배기 봉입부(311)이다. 본 발명에 따른 제2실시예인 타겟(306)이 노출되어 있는 구조에서는 타겟의 주변에 위치한 금속실린더(301)의 내부표면에 비확산 게터(401)가 도포된 구조를 갖는다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 회전양극 엑스선관의 기본 구조와 비확산 게터가 도포되는 금속실린더(501) 및 접지용 전극스템(503)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 도 5의 금속실린더(501)의 내부표면에 도포되는 비확산 게터(601)를 설명하기 위한 도면이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 회전양극 엑스선관은, 비확산 게터가 도포되는 금속실린더(501), 금속실린더(501)에 형성되는 엑스선이 방사되는 방사창(502), 접지용 전극스템(503), 접지배선(504), 회전양극 타겟(506), 회전양극 로터(505), 외관벌브인 파이렉스 벌브(pyrex bulb)(509), 음극 집속관(507), 음극 필라멘트(508), 금속실린더(501)에 일정 두께로 소성 도포된 비확산 게터(601)를 포함한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 회전양극의 타겟(506) 구조에서는 금속실린더(501)의 내부표면에 비확산 게터(601)가 도포된 구조를 갖는다.

도 7은 본 발명에 따른 제4실시예 및 제5실시예에 관한 것이다. 도 7의 (a) 도면에 도시된 바와 같이, 제4실시예는 실드형 고정양극 엑스선관의 음극집속관(104)의 필라멘트 주위를 제외한 외주면에 비확산 게터(701)가 도포된 구조이고, 제5실시예는 노출형 고정양극 엑스선관의 음극집속관(307)의 필라멘트 주위를 제외한 외주면에 비확산 게터(701)가 도포된 구조이다. 또한, 도 7의 (b)도면에 도시된 바와 같이, 제6실시예 및 제7실시예는 실드형 및 노출형 고정양극 엑스선관에서 비확산 게터가 필라멘트 주변까지 확대하여 도포된 것을 나타낸다.

도 8은 제8실시예에 대한 도면으로서, 노출형 고정양극의 엑스선관에서 타겟(306) 부위를 제외한 양극(305)의 외주면에 비확산 게터(801)가 도포된 구조이다.

도 9는 제9실시예 및 제10실시예에 대한 도면으로서, 도면에 도시된 바와 같이 제9실시예는 회전양극(506)의 배면에 비확산 게터(901)가 도포된 구조이고, 제10실시예는 로터(505)의 외주면에 비확산 게터(902)가 도포된 구조이다.

이하에서는 엑스선관 각부의 기능을 설명하기로 한다.

실드형 고정양극 엑스선관(100) 및 노출형 고정양극 엑스선관(300)에서 음극 집속관(104,307)은 필라멘트 지지대 및 필라멘트(106,308)를 지지함과 동시에 필라멘트(106,308) 가열시 방출되는 열전자를 가속시킨 전자빔을 타겟(103, 306)에 일정한 사이즈(직경 크기)로 집속시키는 기능을 한다. 타겟(103,306)은 가속된 전자빔이 충돌할 때 엑스선을 발생시키는 기능을 한다. 양극(101,305)은 타겟(103,306)을 지지하고 타겟(103,306)에서 발생된 열을 흡수하여 저장함과 동시에 외부로 전도하여 방출시키는 기능을 하며, 고전압이 인가되는 양극의 역할을 한다. 필라멘트(106,308)는 필라멘트 전원과 고전압 전원이 인가되는 지지전극에 의해 지지되고, 지지전극을 통하여 인가되는 전원에 의해 가열되어 열전자를 방출하는 전자원 기능을 한다.

파이렉스 벌브(105,313)는 음극부(음극 집속관(104,307), 음극 필라멘트(106,308) 포함)와 양극부(101,305)를 절연상태로 지지하고 내부진공이 유지될 수 있도록 밀폐시키는 기능을 한다.

회전양극엑스선관(500)의 양극부는 디스크 타입의 회전양극 타겟(506)과 이를 지지하는 로터(505) 및 회전축(512)으로 구성되며, 엑스선 발생시 타겟(506)이 회전함으로써 전자빔 충돌영역이 원형 트랙으로 형성되어 높은 출력의 엑스선을 발생시킬 수 있다.

노출형 고정양극 엑스선관(300)의 접지배선(303) 및 접지용 전극스템(304)과 회전양극엑스선관(500)의 접지배선(503) 및 접지용 전극스템(504)은 비확산 게터 도포용 금속 실린더(301,501)에 발생된 정전하를 배출하는 기능을 한다.

엑스선관 내부의 기체는 봉입되기 전에 진공 시스템을 이용하여 소정의 공정을 통하여 배출된 후 봉입되므로써 엑스선관 내부는 진공 상태가 유지될 수 있으며, 엑스선관 작동시 진공상태에 따라 엑스선관의 기능과 성능이 좌우된다.

이하에서는 엑스선관 작동에 따른 문제점과 이를 해결하기 위한 구조 및 기능을 설명하기로 한다.

필라멘트를 가열하면 필라멘트에서 열전자가 방출되는데, 소정 전압이 인가된 양극과 음극 집속관 사이의 높은 전압 차에 의해 가속되어 관전류를 형성하고, 음극 집속관에 의하여 집속된 관전류 전자빔이 타겟에 충돌하여 엑스선이 발생된다. 이때 일정 각도로 경사지게 배치된 타겟에 의하여 엑스선은 전방(도 1, 도 3, 도 5에서 A와 B사이의 조사각)으로 가장 높은 세기로 방사된다.

이때, 위에서도 서술한 바와 같이 일반적으로 기존에는 엑스선관을 작동시킬 때, 열전자를 발생시키기기 위해 음극 필라멘트(106,308,508) 가열시 이 필라멘트에서 발생되는 가스(또는 파티클이나 이온)와 가속된 전자빔이 타겟(103,306,506)에 충돌될 때 이 타겟에서 급격히 발생되는 가스가 엑스선관 내의 잔류가스압력을 급격히 상승시켜 엑스선관의 성능을 제한받게 하거나 기능을 상실하게 한다.

본 발명에서는 엑스선관 작동시 음극 집속관과 양극 사이에 고압전원이 인가될 때부터 고압전원이 인가되고 있는 동안 발생되는 엑스선에 의해 비확산 게터(201,401,601)의 가스 흡착율이 급상승하여 기존의 잔류가스에 엑스선관 작동시 순간적으로 발생되는 가스가 부가됨에도 불구하고 엑스선관의 기능을 안정적으로 유지할 수 있도록 하였다.

이를 위해서 실드형 고정양극 엑스선관(도 1)에서는 양극 실드부(102)의 내면에 비확산 게터(201)가 장착된다. 비확산 게터(201)는 위와 같이 가스의 흡착에 유리하도록 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 금속판에 한면 또는 양면에 도포하여 밴드(band)나 실린더(cylinder) 형태로 만들어, 원통형 양극 실드부(102)의 안쪽 벽면에 삽입하여 장착시킬 수 있다. 원통형 양극 실드부(102)는 그 중심부의 구멍 하부에 타겟(103)이 양극(101)의 상면에 몰딩 장착되어 중심부 구멍을 통과한 전자빔이 충돌되도록 한다. 비확산 게터(201)는 위와 같이 별도로 제작되어 원통형 양극 실드부(102) 내부에 삽입되는 구조일 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 원통형 양극 실드부(102)의 안쪽 벽면에 위와 같은 다공성 물질을 스프레이 분사 또는 프린팅 기법 등으로 직접 도포하여 같은 기능을 발휘하도록 할 수도 있다. 즉, 전자빔이 타겟(103)을 향하여 통과될 수 있도록 구멍을 가지는 원통형 양극 실드부(102)의 안쪽으로 상기 구멍과 타겟(103) 사이의 양극 실드부(102)의 내부 벽면에 게터 특성을 가지는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 비확산 게터(201)로 사용하거나, 또는 게터 특성을 가지는 물질을 다공성 구조로 밴드나 실린더 형상으로 만들어 원통형 양극 실드부(102) 내부의 비확산 게터(201) 해당 위치에 장착하여 사용할 수 있다.

노출형 고정양극 엑스선관(도 3)과 회전양극 엑스선관(도 5)에서는 비확산 게터 도포용 금속 실린더(301,501)에 비확산 게터(401,601)가 장착된다. 비확산 게터(401)는 가스의 흡착에 유리하도록 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 금속 실린더(301,501) 한면 또는 양면에 도포하며, 스프레이 분사 또는 프린팅 기법 등으로 직접 도포하여 소성하거나 진공증착 방법을 이용하여 같은 기능을 발휘하도록 할 수도 있다.

비확산 게터(401,601)는 또한 게터 특성을 가지는 물질을 직접 다공성 구조로 밴드 또는 실린더 형태로 만들어 금속 실린더(301,501)의 해당 위치에 장착하여 사용할 수 있다.

비확산 게터(201, 401, 601, 701, 801, 901)의 재료는 금속, 합금, 또는 다공성 금속 화합물의 분말을 다공성 구조로 도포한 형태를 포함하는데, 예를 들어, Zr, Ni, Ti, Ba 과 같은 단일 금속, 또는 Zr-Al 합금, Zr-V-Fe 합금 등을 다공성 구조로 복수 층으로 직접 도포하거나 밴드 또는 실리더 형태로 제작되는 것을 포함한다.

<제1실험예>

도 1, 도 3 및 도 5와 같이 봉입된 엑스선관의 내부 진공변화를 관찰하는 것은 대단히 어려운 문제이므로 내부에 비확산 게터를 장착했을 때와 장착하지 않았을 때의 진공도의 변화에 대한 정확한 비교자료를 도출하기 위해서 엑스선관이 봉입되기 전의 진공배기 시스템에 부착된 상태로 비교 실험하였다.

실험모델은 노출형 고정양극 엑스선관(도 3)과 같은 형태이고, 진공시스템은 크라이오펌프가 주배기펌프로 사용되는 진공시스템에 엑스선관을 부착한 상태에서 진공시스템의 베이스 진공도가 5×10^-9 Torr가 유지되도록 한다. 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착한 엑스선관과 장착하지 않은 엑스선관을 각각 1개씩 위와 같은 진공배기 시스템에 부착하였다. 진공시스템에 엑스선관을 부착한 상태에서 진공배기 시스템의 진공배기 속도는 일정하다. 진공시스템에 엑스선관을 부착한 상태에서 진공배기를 수행하면서 음극 필라멘트(308)에 전원을 인가하고 음극 집속관(307)과 양극(305) 사이에 고전압 전원을 인가할 수 있다. 고전압은 90kV(+45kV, -45kV)에서 실험하였다.

엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착했을 때와 장착하지 않았을 때 각각에 대한 동일한 조건에 대해서 엑스선관 내의 진공도의 변화는 [표 1], [표 2]와 같다. [표 1]은 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착하지 않은 엑스선관의 경우로서, 관전류 30mA, 음극 집속관과 양극 사이의 고압 관전압 90kV(+45kV, -45kV), 인가시간 20초, 시작상태 양극온도 21℃ 일때 실험 조건의 결과이다.

[표 2]는 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착한 엑스선관의 경우로서, 관전류 30mA, 음극 집속관과 양극 사이의 고압 관전압 90kV(+45kV, -45kV), 인가시간 30초, 시작상태 양극온도 21℃ 일때 실험 조건의 결과이다.

단, 이와 같이 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착하지 않은 엑스선관과 장착한 엑스선관에 대한 [표1]과 [표2]의 결과는 진공배기시스템의 성능, 엑스선관 내의 부품 및 재료의 청정상태, 엑스선관의 내부부피 등에 따라 다르게 나올 수 있으므로 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착하지 않은 엑스선관과 장착한 엑스선관에 대한 상대적 비교자료로써 활용된다.

시간	진공도
전원인가 전	5 × 10^-9Torr
전원인가 직후	7 × 10^-7Torr
전원인가 5초 후	2 × 10^-6Torr
전원인가 10초 후	5 × 10^-6Torr
전원인가 15초 후	7 × 10^-6Torr
전원인가 20초 후	9 × 10^-6Torr

시간	진공도
전원인가 전	5 × 10^-9Torr
전원인가 직후	6 × 10^-11Torr
전원인가 5초 후	5 × 10^-11Torr
전원인가 10초 후	5 × 10^-11Torr
전원인가 15초 후	4 × 10^-11Torr
전원인가 20초 후	4 × 10^-11Torr

<제2실험예>

두 번째 실험에서는 노출형 고정양극 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착했을 때와 장착하지 않았을 때 각각의 엑스선관을 일련의 진공공정을 완료하여 봉입한 뒤 절연유에 함침한 상태에서 고전압을 인가하여 오실로스코프를 이용하여 관전류 파형을 관찰하였다. 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착하지 않은 경우에, 실험 조건은 관전류 20mA, 음극 집속관과 양극 사이의 고압 관전압 120kV(+60kV, -60kV), 인가시간 2초, 절연유 온도 20℃ 에서, 에이징 과정을 생략하고 위와 같은 정격 전압을 인가한 결과, 관전류 파형이 불안정하거나 전원 장치의 페일(fail) 발생하여 다운되는 현상이 발생하였다.

그러나, 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착한 경우, 실험 조건은 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착하지 않은 경우와 마찬가지로 관전류 20mA, 음극 집속관과 양극 사이의 고압 관전압 120kV(+60kV, -60kV), 인가시간 2초, 절연유 온도 20℃ 에서, 에이징 과정을 생략하고 위와 같은 정격 전압을 인가한 결과, 전원 장치의 다운 없이 관전류 파형이 안정되게 출력됨을 확인하였다.

단, 실험 조건인 관전류 20mA, 관전압 120kV(+60kV, -60kV), 인가시간 2초는 엑스선관의 최대입력곡선 자료와는 무관하고 노출형 고정양극 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착했을 때와 장착하지 않았을 때를 상대 비교하기 위한 극한 입력전력조건이다.

위와 같은 <제1실험예>와 <제2실험예>에서의 결과와 같이, 도 2, 도 4, 도 5와 같이 내부에 비확산 게터를 장착한 구조를 엑스선관에 채용하면, 엑스선관 작동 시 에이징 과정을 생략하고 바로 정격전력을 인가하여도, 음극 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스가 상존하는 잔류가스에 부가 되라도 고압 전원이 인가되는 순간부터 시작해서 인가되고 있는 동안 가스흡착이 충분히 발휘되어 엑스선관이 안정한 조건으로 작동될 수 있다는 것이 증명된다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 엑스선관은, 엑스선관 작동시 에이징 과정을 생략하고 바로 정격 전력을 인가하여도 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지함으로써, 산업용 또는 의료용 등으로 응용하여 활용할 수 있다.

101 : 실드형 양극 102 : 양극 실드부
103 : 타겟 104 : 음극 집속관
105 : 파이렉스 벌브 106 : 필라멘트
107 : 코바 어댑터 108 : 절연관
109 : 진공배기관 봉입부 110 : 전극스템
201, 401, 601, 701, 801, 901, 902 : 비확산게터
301 : 금속 실린더 302 : 방사창
303 : 접지배선 304 : 접지용 전극스템
305 : 노출형 양극 306 : 타겟
307 : 음극 집속관 308 : 필라멘트
309 : 코바 어댑터 310 : 절연관
311 : 진공배기관 봉입부 312 : 전극스템
313 : 파이렉스 벌브
501 : 금속 실린더 502 : 방사창
503 : 접지배선 504 : 접지용 전극스템
505 : 로터 506 : 회전 양극
508 : 필라멘트 509 : 파이렉스 벌브
510 : 전극스템 511 : 지지전극스템부
512 : 회전축

Claims

외관벌브와, 상기 외관벌브의 내부에 고정장착되고 필라멘트가 설치되는 음극집속관과, 상기 외관벌브의 내부에 일측이 장착되고 타측은 외부로 돌출되며 상기 필라멘트에서 발생되는 전자빔이 충돌하는 경사진 타겟이 장착된 양극과, 상기 양극에 장착되어 상기 타겟을 차폐하고 상기 타겟에서 발생한 엑스선이 방사되는 방사창이 형성된 양극실드부로 구성되는 엑스선관에 있어서,
상기 타겟을 차폐하는 양극실드부는, 상기 양극실드부 상단이 상기 양극실드부 몸체의 직경보다 더 작은 직경의 중심구멍을 가지며, 상기 양극실드부의 상기 중심구멍과 상기 타겟 사이의 내면에 형성되는 비확산 게터를 포함하되,
상기 양극실드부의 상기 중심구멍과 상기 타겟 사이의 내면에 형성되는 비확산 게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 양극실드부의 내주면에 장착되거나 상기 양극실드부의 내주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
외관벌브와, 상기 외관벌브의 내부에 고정장착되고 필라멘트가 설치되는 음극집속관과, 상기 외관벌브의 내부에 일측이 장착되고 타측은 외부로 돌출되며 상기 필라멘트에서 발생되는 전자빔이 충돌하는 경사진 타겟이 장착된 노출형 양극으로 구성되는 엑스선관에 있어서,
상기 타겟이 장착된 노출형 양극을 감싸며, 상기 타겟에 충돌한 전자빔에 의해 발생된 엑스선이 방사되는 방사창을 가지는 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터를 포함하되,
상기 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 금속 실린더의 내주면에 장착되거나 상기 금속 실린더의 내주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
외관벌브와, 상기 외관벌브의 내부에 고정장착되는 전극스템부와, 상기 전극스템부에 고정장착되고 필라멘트가 설치되는 음극집속관과, 상기 필라멘트에서 발생되는 전자빔이 충돌하는 회전양극 타겟과, 상기 회전양극 타겟을 회전시키는 로터로 구성되는 엑스선관에 있어서,
상기 타겟이 장착된 회전 양극을 감싸며, 상기 타겟에 충돌한 전자빔에 의해 발생된 엑스선이 방사되는 방사창을 가지는 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터와, 상기 음극집속관에 가스 흡착을 위해 형성되는 비확산 게터를 포함하되,
상기 금속 실린더의 내주면에 형성되는 비확산게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 금속 실린더의 내주면에 장착되거나 상기 금속 실린더의 내주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되고,
상기 음극집속관에 형성되는 비확산 게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 상기 음극집속관의 외형에 따라 제작된 형태로 상기 음극집속관의 외주면에 장착되거나, 상기 음극집속관의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 음극집속관에는 가스 흡착을 위한 비확산 게터가 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 4에 있어서,
상기 음극집속관에 가스 흡착을 위해 형성되는 비확산 게터는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 상기 음극집속관의 외형에 따라 제작된 형태로 상기 음극집속관의 외주면에 장착되거나, 상기 음극집속관의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 외관벌브의 내부에 위치하는 양극의 외주면에 가스흡착을 위한 비확산 게터가 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 6에 있어서,
상기 양극의 외주면에 가스흡착을 위해 형성되는 비확산 게터는, 상기 양극의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되거나, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 양극의 외주면에 장착되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 3에 있어서,
상기 회전양극 타겟의 배면에 가스흡착을 위한 비확산 게터가 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 8에 있어서,
상기 회전양극 타겟의 배면에 가스흡착을 위해 형성되는 비확산 게터는, 상기 회전양극 타겟의 배면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되거나, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 회전양극 타겟의 배면 형상에 따라 제작된 원형평판 형태로 상기 회전양극 타겟의 배면에 장착되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 3에 있어서,
상기 로터에 가스흡착을 위한 비확산 게터가 형성되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
청구항 10에 있어서,
상기 로터에 가스흡착을 위해 형성되는 비확산 게터는, 상기 로터의 외주면에 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 직접 도포하여 형성되거나, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 일면 또는 양면에 도포하여 제작된 밴드나 실린더 형태로 상기 로터의 외주면에 장착되는 것을 특징으로 하는 비확산 게터가 장착된 엑스선관.
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