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문제 정의
- 인버터를 사용한 고전압 발생장치는 높은 주파수를 사용, 고전압을 발생시키므로 소형화가 가능할 뿐 아니라 X선 발생효율 증가 및 정밀한 출력제어가 가능하다 [7-10]. 본 논문에서는 X선 고전압 발생 장치의 정류방식에 따른 차이를 연구하기 위해 배전압 방식과 전파 정류방식의 X선 발생장치를 제작한 후, X선의 출력 및 선질을 비교하여 보고 하였다.
- 상기 실험에서 X선관에 인가되는 직류 고전압인 관전압의 변화에 의해 조사되는 X선의 양이 변화하는 것을 확인하였다. 이는 X선관에 인가되는 관전압이 평활할수록 균일한 X선의 발생이 가능 하며 이를 알아보기 위해 X선관에 인가되는 관전압의 리플률을 확인하였다.
제안 방법
- 그림 1과 2에 전파 정류회로를 이용한 X선 발생장치와 배전압 정류회로를 이용한 X선발생장치의 구성도를 나타냈다. 그림 1의 전파 정류방식의 X선 발생장치는 고압 1차코일 1조, 고압 2차코일 1조, 페라이트 코어 1조, 필라멘트 1차코일 1조, 필라멘트 2차코일 1조, 전파 정류회로 및 감압회로 각1조, 양극 및 음극 케이블 리셉터클 (receptacle) 등으로 구성되어 있으며, X선 관에 인가되는 고압은 전파 정류방식의 정류회로로 제작하였다. 고전압트랜스포머의 1차 코일에 공급된 전압은 약 DC 320 V이며 PWM 제어 진폭에 의해 전압이 조절되어 공급된다.
- 실험에 사용된 반가층 실험은 리플 비교실험과 동일한 실험 조건으로 X선관 초점으로부터 X선 측정용 multi-purpose detector 중심까지 100 ㎝ 거리를 이격시킨 후 설정 조건으로 X선 조사하여 고 유여과 상태의 X선량을 기록하였다. 동일조사 조건에서 감약 흡수물질 장치의 필터 지지대 위에 2.0, 2.3, 3.0, 3.5 mm 두께의 알루미늄 필터를 장착하여 각 필터당 3회 X선을 조사하여 각각 선량(mR)을 기록한 후 평균선량과 투과율을 구하였다. 표 1과 2에 반가층 실험결과를 나타냈으며 그림 7에 그 결과를 도식화 하였다.
- 사용된 X선 발생 장치의 HV driver의 인버터에 공급되는 직류전원은 저전압 정류장치를 사용하였으며 HV driver에서 발생된 직 류 전압을 높은 주파수의 교류 전압으로 만들기 위해 고속 스위칭 소자인 IGBT (insulated gate bipolar transistor) 소자를 사용하였다. 또한 filament driver는 관전류의 정밀한 제어를 위해 별도의 고주파 인버터를 사용하여 구성하였다.
- 따라서 X선관에 가해지는 직류 고전압은 상승시간이 짧고 맥동률이 작아 야 한다. 본 연구에서 제작한 전파 정류방식과 배전압 정류방식의 X선 장치를 스페인 RTI사의 Barracuda를 사용하여 관전압과 관전류, 조사선량을 비교하였다. 정확한 측정을 위해 온도 25°C, 습도 65%, 기압 1,060 hpa의 균일한 실험 조건을 조성한 후 시행하였고 측정자의 안전을 위해 납으로 구성된 별도의 공간에서 실험을 하였다.
- 상용전원을 사용하는 공진형 인버터 방식의 X선 발생장치를 전파 정류방식과 배전압 정류방식으로 재작하여 출력 및 선질을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 전파 정류방식과 배전압 정류방식의 리플 비교에 사용된 실험조건은 관전압 80 kV, 관전류 200 mA, 조사시간 100 msec의 동일조건을 사용하였으며, X선 관에 입력되는 고전압 측정을 위해 1/10000 감압회로를 구성한 후 감압한 신호를 오실로스코프로 측정하여 그림 5와 6에 나타냈다. 실험에 사용된 X선 장치는 정밀한 방사선 조사를 위해 보상회로를 별도로 구성하였으며, 메인 컨트롤러인 DSP (digital signal processor)에 알고리즘으로 구성된 기본값과 X선 조사 후 피드백 신호 간의 상호 비교를 출력의 duty비를 조정하여 동일 조건하에서 항상 일정한 출력이 발 생 하도록 하였다. 그림 5와 6의 그림에서 상단의 파형은 X선관에 인가되는 관전압의 파형이며, 하단의 파형은 X선관에 인가된 관전류 파형이다.
- 반가층은 X선광자의 수를 50%로 감소시키는데 필요한 흡수물질의 두께를 의미하며 사용되는 흡수 물질은 순수한 알루미늄(Al)로 알루미늄 당량(mmAl) 로 표시한다. 실험에 사용된 반가층 실험은 리플 비교실험과 동일한 실험 조건으로 X선관 초점으로부터 X선 측정용 multi-purpose detector 중심까지 100 ㎝ 거리를 이격시킨 후 설정 조건으로 X선 조사하여 고 유여과 상태의 X선량을 기록하였다. 동일조사 조건에서 감약 흡수물질 장치의 필터 지지대 위에 2.
- 실험에 사용된 조사조건은 관전압 80 kV, 관전류 200 mA, 조사시간 100 msec로 고정한 후 측적 하였다. 조사가 진행되는 동안 전파 정류방식 및 배전압 정류 방식 모두 약 18 msec에서 X선관에 인가되는 관전압이 인가한 조사조건과 같아 졌으며, 안정화 되는 것을 확인하였다.
- X선 피폭의 최소화를 위한 방법으로는 짧은 시간 동안 높은 선량으로 X선 조사가 주로 이루어지며, 이를 위해서는 X선관에 인가되는 관전압의 빠른 안정화가 필수적이다. 이를 확인하기 위해 단위 시간 동안 직류 고전압의 상승시간과 인가 되는 직류 고전압에 따른 X선 조사량을 측정하였으며 다음 그림 3과 4에 전파 정류방식과 배전압 정류방식에서의 결과를 나타냈다.
- 전파 정류방식과 배전압 정류방식의 리플 비교에 사용된 실험조건은 관전압 80 kV, 관전류 200 mA, 조사시간 100 msec의 동일조건을 사용하였으며, X선 관에 입력되는 고전압 측정을 위해 1/10000 감압회로를 구성한 후 감압한 신호를 오실로스코프로 측정하여 그림 5와 6에 나타냈다. 실험에 사용된 X선 장치는 정밀한 방사선 조사를 위해 보상회로를 별도로 구성하였으며, 메인 컨트롤러인 DSP (digital signal processor)에 알고리즘으로 구성된 기본값과 X선 조사 후 피드백 신호 간의 상호 비교를 출력의 duty비를 조정하여 동일 조건하에서 항상 일정한 출력이 발 생 하도록 하였다.
- 정확한 측정을 위해 온도 25°C, 습도 65%, 기압 1,060 hpa의 균일한 실험 조건을 조성한 후 시행하였고 측정자의 안전을 위해 납으로 구성된 별도의 공간에서 실험을 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 HVT는 HV driver에서 발생한 출력을 바탕으로 고압으로 승압하기 위한 고전압 변압기와 X선관에 실질적인 직류고전압의 인가를 위해 전파 및 배전압 정류회로로 구성되어 있다. 그림 1과 2에 전파 정류회로를 이용한 X선 발생장치와 배전압 정류회로를 이용한 X선발생장치의 구성도를 나타냈다.
- 실험에 사용된 공진형 인버터 식 X선 발생장치는 HV (high voltage) driver와 filament driver, 전파 및 배전압 정류방식의 HVT (high voltage transformer), X선관으로 구성되어 있다. 사용된 X선 발생 장치의 HV driver의 인버터에 공급되는 직류전원은 저전압 정류장치를 사용하였으며 HV driver에서 발생된 직 류 전압을 높은 주파수의 교류 전압으로 만들기 위해 고속 스위칭 소자인 IGBT (insulated gate bipolar transistor) 소자를 사용하였다. 또한 filament driver는 관전류의 정밀한 제어를 위해 별도의 고주파 인버터를 사용하여 구성하였다.
- 실험에 사용된 공진형 인버터 식 X선 발생장치는 HV (high voltage) driver와 filament driver, 전파 및 배전압 정류방식의 HVT (high voltage transformer), X선관으로 구성되어 있다. 사용된 X선 발생 장치의 HV driver의 인버터에 공급되는 직류전원은 저전압 정류장치를 사용하였으며 HV driver에서 발생된 직 류 전압을 높은 주파수의 교류 전압으로 만들기 위해 고속 스위칭 소자인 IGBT (insulated gate bipolar transistor) 소자를 사용하였다.
이론/모형
- 2. X-ray occurrence system used by dual voltage rectification method.
- 1. X-ray occurrence system used by full-wave rectification method.
성능/효과
- 그림 5와 6의 그림에서 상단의 파형은 X선관에 인가되는 관전압의 파형이며, 하단의 파형은 X선관에 인가된 관전류 파형이다. 감압회로를 통해 동일 조건하에서의 리플을 확인한 결과 전파 정류방식이 배전압 정류방식에 비해 관전압과 관전류의 리플이 감소하여 보다 안정적임을 확인하였다.
- 동일 조건(관전압 80 kV, 관전류 200 mA, 조사 시간 100 msec)에서 단위 시간동안 관전압과 조사선량을 비교한 결과 전파 정류방식과 배전압 정류방식 모두 약 18 msec에서 안정화 되는 것을 확인하였으며, 관전압의 변화에 의해 조사선량도 동일하게 변화하였다. 보다 정확한 X선 장치의 출력 특성을 분석하기 위해 리플의 변화를 비교 하였으며 그 결과 전파 정류방식이 배전압 정류방식에 비해 리플이 적은 것을 확인하였다.
- 조사가 진행되는 동안 전파 정류방식 및 배전압 정류 방식 모두 약 18 msec에서 X선관에 인가되는 관전압이 인가한 조사조건과 같아 졌으며, 안정화 되는 것을 확인하였다. 또한 관전압의 변화에 따라 실제 발생하는 X선의 양도 안정화 되는 것을 확인하였다.
- 하지만 전파 정류방식의 경우 리플 폭의 감소에 의해 메인 컨트롤러인 DSP에서 인식하는 오차가 줄어들 것이며 이는 X선 기기의 장기간 운용에서 작동 딜레이 시간의 감축이 가능 할 것으로 예상된다. 또한 전파 정류방식과 배전압 정류방식에서 발생되는 X선의 선질 평가를 위한 반가층 실험에서는 국내 시험 기준인 2.3 mmAl에 서 전파 정류방식이 배전압 정류방식에 비해 약 3% 정도 투과율이 높은 것으로 나타났으며, 이는 동 조건하에서 전파 정류방식의 선질이 우수하여 동일 조건하에서 조사 하였을 경우 양질의 영상 획득이 가능 할 것으로 사료된다.
- 동일 조건(관전압 80 kV, 관전류 200 mA, 조사 시간 100 msec)에서 단위 시간동안 관전압과 조사선량을 비교한 결과 전파 정류방식과 배전압 정류방식 모두 약 18 msec에서 안정화 되는 것을 확인하였으며, 관전압의 변화에 의해 조사선량도 동일하게 변화하였다. 보다 정확한 X선 장치의 출력 특성을 분석하기 위해 리플의 변화를 비교 하였으며 그 결과 전파 정류방식이 배전압 정류방식에 비해 리플이 적은 것을 확인하였다.
- 본 논문에서는 고전압의 분석을 위해 감압회로를 사용하였으며 X선관에 실제 인가되는 직류 고전압의 경우 리플의 폭이 더욱 커지며 이에 따라 발생하는 X선의 양 또한 차이를 보일 것이라 예상된다. 하지만 단위 시간당 발생하는 관전압과 X선의 차이는 전파 정류방식과 배전압 정류방식를 이용한 X선 장치 모두 재현성 확보를 위해 별도로 구성된 보상회로를 통해 큰 차이를 보이지 않았다.
- 상기 실험에서 X선관에 인가되는 직류 고전압인 관전압의 변화에 의해 조사되는 X선의 양이 변화하는 것을 확인하였다. 이는 X선관에 인가되는 관전압이 평활할수록 균일한 X선의 발생이 가능 하며 이를 알아보기 위해 X선관에 인가되는 관전압의 리플률을 확인하였다.
- 전파 정류방식의 투과율은 59 %이며 배전압 정류방식에서의 투과율은 56 %로 나타났으며 이는 전파 정류방식이 배전압 정류방식에 비해 투과력이 높은 것을 확인하였다.
- 실험에 사용된 조사조건은 관전압 80 kV, 관전류 200 mA, 조사시간 100 msec로 고정한 후 측적 하였다. 조사가 진행되는 동안 전파 정류방식 및 배전압 정류 방식 모두 약 18 msec에서 X선관에 인가되는 관전압이 인가한 조사조건과 같아 졌으며, 안정화 되는 것을 확인하였다. 또한 관전압의 변화에 따라 실제 발생하는 X선의 양도 안정화 되는 것을 확인하였다.
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