A target for a high-brightness microfocus x-ray tube, which is based on carbon nanotubes (CNT) as electron source, is designed. The x-ray tube has the following specifications: brightness of $1 X 10^{11} ph/s-㎟mrad^2$, spot size ~ 5㎛, and average x-ray energy of 20~40 keV. In order to satisfy the specifications, the design parameters of the target, such as configuration, material, thickness of the target as well as the required beam current, were optimized using computer code MCNPX. The design parameters were determined from the calculation of both x-ray spectrum and intensity distribution. From the calculation, transmission type was chosen for the target configuration. The material of the target was selected as molybdenum (Mo) and the optimized thickness was 7.2㎛ . Since such a thin target should withstand vacuum pressure and localized thermal loading, structural stability and temperature distribution were also considered. According to the analytic calculation, the transmission Mo target itself could not withstand the vacuum pressure. An alternative is to use backing material of 150㎛ beryllium (Be) on the backside of the Mo target. In addition, the calculation shows that the maximum temperature of the transmission target can be reduced to a stable-operation regime by forced air-convection cooling.
탄소나노튜브(CNT)를 전자 방출원으로 이용한 고휘도 마이크로 포커스 X-ray 튜브를 고안하였다. X-ray 는 의료영상, 리소그래피, 비파괴검사, 보안 시스템 등의 다양한 산업에 적용이 쉽기 때문에 널리 쓰이고 있다. X-ray 의 질을 결정하는 주된 요인은 brightness와 focal spot size 이다. 해상도는 focal spot size 의 영향을 크게 받기 때문에 현대의 X-선원은 focal spot size 에 중점을 두어 고안되고 있다. micron 때문에 Microfocus X-ray 튜브가 각광을 받고 있다. 최근에 CNT 의 우수한 전계 방출과 방출 전류 밀도를 고려하여, 이 연구의 목적은 CNT 에 기초한 $10^{11}$ 정도의 brightness 와 5㎛ 보다 작은 focal spot size, 평균 X-ray 에너지 20~40 keV 를 가진 X-ray 튜브의 타겟을 제작하는데 있다.
타겟을 제작하는데 있어서 선택한 중요한 매개변수는 타겟의 geometry 와 재질, 입사 전자빔의 에너지이다. 이 모든 매개변수에 대한 X-ray 스펙트럼을 계산하였다. X-ray 스펙트럼과 각도에 따른 분포를 계산하기 위하여 MCNPX code 를 사용하였다. 먼저 어떤 특정한 geometry 에 대해 다양한 전자빔 에너지를 사용하였다. 발생된 brightness, 평균 X-ray 에너지, 원하는 brightness 를 얻기 위해 필요한 빔전류 결과로부터 입사빔 에너지를 80 keV 로 결정하였다. 그리고 80 keV 에너지의 입사 전자빔을 이용하여 텅스텐, 몰리브덴 등 각종 물질에 대하여 side window와 end window configuration 에 대한 X-ray 스펙트럼을 계산하였다. 타겟 물질의 선택은 photon brightness 와 평균 빔 에너지, configuration, 물질과 geometry 에 달려있다. 결과들을 비교하여 7.2㎛ 의 transmission 형태의 몰리브덴 foil 이 가장 높은 brightness를 나타내고 빔 전류가 가장 적게 든다는 것을 밝혔다.
X-ray 스펙트럼 계산은 단순한 일이 아니라 thermal loading, 압력차에 따른 구조적 불안전성 등을 포함한 기계적인 고안이 함께 고려되어야 한다. Focal spot 의 온도를 steady 하게 유지하기 위한 열전달 계산에서 공기의 속력이 Focal spot 온도의 함수로서 계산되었다. 그리고 기냉식이 적합함을 알게되었다. Foil 의 structural strength 계산에서 압력차에 의한 structure failure 를 피하기 위해 타겟에 베릴륨 backing 이 필요하다는 것이 나타났다. 마지막으로 기계적인 constraint 를 고려하여 7.2㎛ 두께의 transmission 형태의 몰리브덴과 최소 150㎛ 두께의 베릴륨 backing 이 CNT 에 기초한 고휘도 microfocus X-ray tube의 타겟으로 제안되었다.
