Monte carlo analysis on the operational characteristics of a carbon-nanotube-based miniature X-ray tube

Abstract

탄소나노튜브 기반의 초소형 X-선 튜브 동작 특성을 몬테카를로 시뮬레이션 코드(MCNP5) 를 이용하여 분석하였다. 저에너지, 중에너지, 고에너지의 전자빔을 각각 부분적 투과형 텅스텐 타겟과의 충돌을 통해 특성 X-선 발생의 방향 의존적 특성이 나타났다. 부분적 투과형 텅스텐 타겟을 사용하여 특성 X-선 발생 각도 분포를 분석하였으며, 몬테카를로 시뮬레이션의 탤리는 X-선 타겟을 중심으로 360도 전체를 대응할 수 있도록 위치시켰다. 특성 X-선의 비등방성 극방사도 부분적으로 투과형 텅스텐 타겟을 사용하여 계산을 하였다. 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 얻은 광자속은 X-선 타겟 주위에서 특성 X-선의 각분포가 항상 등방성를 나타나지 않음을 보여준다. 이러한 각분포는 부분적 투과형 타겟의 최적화된 두께와 입사된 전자빔 에너지에 주로 의존하게 된다. 이러한 결과를 통해서 입사된 전자빔의 전진 방향으로 높은 에너지의 특성 X-선(Kα1)의 발생하기 위해 부분적 투과형 X-선 타겟이 사용되어야 하며, 이 때 X-선 타겟은 낮은 에너지의 특성 X-선 (Lα1)의 필터 역할을 동시에 한다. 또한 X-선 초점크기의 방향 의존성은 원뿔모양과 V-자 형태의 텅스텐 타겟을 사용하여 분석하였다. 이 논문의 다른 연구 측면은 X-선 초점 크기의 방향 의존성을 분석한 것이다. 정렬이 안 된 팬텀은 X-선 초점크기 계산에 큰 영향을 미친다. 상대적으로 작은 초점크기의 X-선을 얻기 위해 X-선 타겟 주위의 X-선 디텍터의 위치와 X-선 타겟의 구조를 결정하기 위한 방법이 제안되었다. X-선 초점크기의 각분포는 X-선 타겟 주위에서 항상 같지 않음이 이 결과를 통해 드러난다. 이러한 분포는 타겟의 구조에 의존하며 주로 팬텀과 잘 정열된 FIR 탤리 각의 방향성에 의존을 한다. 이러한 결과를 통해 X-선 초점은 X-선 타겟 주위에서 항성 등방성을 가지지 않는다. 그러나 관찰된 지점이 중심선에서 원뿔형 X-선 타겟으로 움직일수록 X-선 초점은 줄어든다. 원뿔형 타겟은 O도 방향으로 상대적으로 X-선 초점크기가 큰 X-선이 발생을 한다. 반면 관찰된 지점이 중심선에서 원뿔형 X-선 타겟으로 움직일수록 상대적으로 작은 X-선 초점의 X-선이 X-선 튜브 끝을 따라서 발생한다. 이러한 결과는 팬텀과 X-선 디텍터 위치를 적절하게 정열함으로써 여러 방향으로 고화질의 X-선 이미지를 얻는데 도움이 될 것이다. 그리고 제안된 탄소나노튜브 기반의 초소형 X-선 튜브의 실용적인 적용을 위한 연구도 하였다. 초소형 X-선 튜브, 치료용 어플리케이터 및 X-선 발생을 평평하게 하는 필터는 표피상 피부암 치료에 사용될 것이다. 또한 제안된 X-선 튜브를 흉터종의 방사선 치료용으로 적용하는 연구도 진행하고 있다.