카본 나노구조체를 이용한 운반 가능형 X선원 개발 

 

일본 산업기술총합연구소 계측프론티어연구부문의 연구그룹은 다이아플라이트저

팬 및 라이프기술연구소와 공동으로 카본 나노구조체의 냉음극 전자원을 이용한 가

반형 X선원을 개발했다고 밝혔다. 이 X선원은 카본 나노구조체의 전계전자 방출현

상을 이용하기 때문에 히터나 필라멘트가 없으며 예열이 불필요하고 필요할 때 바

로 X선을 발생시킬 수 있는 점이 특징이다. 또한 X선 발생 시에만 에너지를 소비하

기 때문에 건전지나 노트북의 USB 전원으로도 비파괴 검사나 의료진단에 사용할 

수 있는 100킬로전자볼트 이상의 X선을 발생시킬 수 있다. 10킬로와트 이상의 전자

빔 출력에 의한 고속 촬영에도 대응 가능하여 신속한 X선 검사가 가능할 것으로 기

대된다. 

 

X선 검사장치는 의료진단, 구조물의 비파괴검사, 공업제품 검사, 공항 등의 수하물 

및 화물검사 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며 안전한 사회의 실현을 위해 앞으

로도 그 이용 기회가 더욱 늘어날 것으로 예상되고 있다. 이 분야에서 이용되는 X선

원은 히터나 필라멘트를 사용하여 전자를 음극하여 방출시켜 양극의 타깃에 입사하

여 X선을 발생시키는 방식이다. 따라서 음극이 일정 온도에 도달할 때까지 장시간

을 필요로 하고 기동 시간이 길며 X선을 발생시키지 않을 때도 히터에 전력을 공급

하기 때문에 전력 소비가 큰 것이 단점이다. 또한 장시간 통전에 의한 히터 및 필라

멘트의 열화 등의 문제도 발생한다. 특히 비파괴검사나 의료진단 등 장치의 운반성

이 요구되는 경우에는 기동시간이 전력소비의 문제 때문에 제한되어 왔다. 

 

이번에 개발한 X선원 본체부는 금속과 세라믹으로 봉지한 메탈 세라믹관으로, 저전

력용과 고전력용의 두 종류의 X선관이 개발되었다. 이 X선관은 카본 나노구조체 전

자원에 마이너스 고전압, 타깃에는 플러스 고전압을 인가하여 전자원에서 방출된 전

자를 타깃에 입사하여 X선을 발생시키는 방식이다. 개발한 X선관은 모두 최대 100킬

로전자볼트 이상의 에너지의 X선을 발생시킬 수 있다. 카본계의 냉음극 전자원은 전

계방출현상에 의해 실온에서도 진공 중에 전자를 방출하지만 X선관과 같이 고전계 

환경에서 사용하는 경우 전자 방출상태가 점차로 저하하는 문제가 있었다. 이 문제

를 회피하기 위해 카본 나노구조체 전자원의 형상과 제조 조건의 최적화를 도모하

는 한편, 전자방출을 안정화시키기 위한 처리방법을 확립하여 장수명화를 실현하였

다. 또한 X선관에 건전지로도 구동할 수 있는 고전압전원을 조합하여 X선의 발생 시

에만 전력을 소모할 수 있도록 하였다. 그 결과 건전지 두 개 또는 PC의 USB 전원으

로도 고에너지 X선을 발생시키는 것이 가능하다. 

 

개발한 X선관은 고전압원 등과 함께 케이스에 넣어 운반 가능하며 현장에서 X선을 

발생시키는 것이 가능하다. 이 X선원은 종래의 열음극형 X선원과 마찬가지로 비파

괴검사나 의료진단 등에 이용될 수 있으나 종래의 열전자 방출형 X선원에서 문제가 

되어 온 예열의 문제가 없기 때문에 사용하고자 할 때 바로 X선을 발생시킬 수 있어 

운반 가능형 X선원으로서의 편의성이 높다. 또한 이번에 개발한 냉음극 전자원은 순

간적으로 대전류를 흘릴 수 있어 고전력용 X선관으로 10킬로와트 이상, 저전력용 X

선관으로는 3킬로와트 이상의 전자빔 출력을 얻을 수 있다. 이에 따라 순간적으로 높

은 선량의 X선을 발생시킬 수 있기 때문에 1000분의 1초의 고속 촬영도 가능하다. 

 

앞으로 연구팀은 카본 나노구조체 전자원을 이용한 X선원의 고에너지, 고출력화를 

실현하여 대형 구조물의 비파괴검사에도 사용할 수 있는 X선원의 개발을 수행하는 

한편, CT용 X선원 등 다양한 용도에의 응용을 목표로 연구를 진행할 예정이다. 한

편, 이번 성과는 3월 24일~25일에 개최되는 [안전, 안심의 사회를 구축하는 선진 재

료, 비파괴 계측기술 심포지엄]에서 발표될 예정이다. 

 

그림 : 노트북의 X선 투과상이다. 저전력 X선관을 사용하였으며 노광시간은 0.5초이

다.

 

http://www.aist.go.jp/

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-23