A detailed study of the designing of an X-ray target is enclosed with an emphasis on maximizing the brightness of X-rays produced. The research is aimed at the minimization of the focal spot size by virtue of the geometric parameters of the transmission-type targets. Two different configurations of the transmission-type target have been considered. X-ray emissions from these targets were studied in detail using Monte-Carlo simulation code MCNP5.
In the first part, parameters of a laminated configuration of transmission-type target have been optimized for a microfocus X-ray tube to produce high brightness of X-rays for a broad range of electron energies from 30 keV to 150 keV. In the second part, a novel concept is put forth to develop a microfocus X-ray tube based on a microstructured X-ray target that is irradiated with a nonfocused electron beam. The calculations revealed that the microstructured targets are quite capable of minimizing the effective X-ray spot sizes compared with those having a laminated configuration. Based on the simulation results of X-ray brightness, optimum geometric parameters were derived for the microstructured targets with different morphologies. The combination of the micro-structured targets and nonfocused electron beam allows the miniaturization of a microfocus X-ray tube by eliminating the needs for massive and complex focusing devices. Moreover, limitations of the maximum allowable electron beam currents for the stable operation of the X-ray targets are presented.
마이크로포커스 엑스선관은 고해상도의 엑스선 영상을 얻는 핵심기기로 주요하게 개발되고 있다. 고품질 엑스선 영상과 고휘도 엑스선원은 점광원과 같이 작은 초점에서 엑스선이 발생되는 것에 기인하는데, 보다 높은 영상품질과 휘도를 얻기 위해 엑스선 발생 초점의 크기를 줄이기 위한 가장 일반적인 방법으로 엑스선 타겟에 충돌하는 전자빔의 크기를 전자빔 집속계나 어퍼쳐를 이용해 줄일 수 있지만, 비록 집속된 전자빔이라도 엑스선 타겟 내부를 통과할 때 타겟 물질과의 충돌로 인해 효과적인 엑스선 발생 초점은 입사된 전자빔의 크기보다 커지게 된다. 최근, 타겟의 두께를 조절할 수 있는 투과형 엑스선 타겟이 엑스선 초점을 최소화하는데 보다 유효한 구조임이 밝혀졌다. 이러한 투과형 타겟 구조를 바탕으로 하여, 발생 엑스선 초점을 최소화하고 고휘도 엑스선 발생이 가능한 엑스선 타겟을 설계하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구에서 마이크로포커스 엑스선원을 설계하기 위해 두가지 접근 방법이 시도되었다. 한가지 방법으로 마이크로미터 크기의 집속 전자빔과 박막 구조의 투과형 엑스선 타겟을 이용하는 것이고, 다른 방법으로 본 연구에서 제안된 방법인 마이크로 구조의 타겟 물질과 집속되지 않은 전자빔을 이용하는 것이다. 둘을 비교하였을 때, 후자의 경우가 엑스선 초점 최소화에 보다 효과적일 것으로 판단되었다.
첫번째 방법으로, 박막 구조 투과형 엑스서 타겟의 다양한 설계 변수에 대한 발생 엑스선 세기와 안정성 변화를 조사하였다. 투과형 엑스선 타겟의 두께가 발생 엑스선 세기의 가장 중요한 변수였고, $30 \sim 150 keV$의 전자빔에 대해 최대 엑스선 광량을 발생하는 투과형 타겟의 최적화된 두께가 몰리브데늄(Mo)과 텅스텐(W) 박막에 대해 조사되었다. 또한 전자빔이 엑스선 타겟에 충돌하는 마이크로미터 영역에 대해 온도분포를 계산함으로써 열적, 기계적 안정성을 분석하였다. 열적 안정성 분석에서는 정상적인 엑스선원 동작을 위한 인가 전자빔의 최대 출력이 도출되었다. (최대 출력의 한계는 마이크로포커스 엑스선원의 발생 광량 한계를 의미한다.) 본 논문에서 논하고 있는 계산 방법과 결과는 일반적인 고휘도 마이크로포커스 엑스선관의 설계와 제작에 응용될 수 있을 것이다. 하지만 마이크로미터로 집속된 전자빔을 얻기 위해 부가적인 전자빔 집속계가 필요하며, 이 때문에 엑스선원의 소형화가 저해될 수도 있다.
두번째 방법으로, 마이크로포커스 엑스선원에 시도된 새로운 방법인, 집속하지 않은 전자빔이 마이크로 구조의 엑스선 타겟에 충돌하는 것이다. 다양한 마이크로 구조 타겟에 대해 엑스선 광량, 유효한 초점 크기, 휘도가 몬테-카를로 전산모사로 계산되었고, 그 결과에 의하면 본 구조가 마이크로미터 초점의 엑스선을 얻는데 매우 유용함이 밝혀졌다. 또한, 높은 엑스선 휘도를 얻는데 최적화된 타겟의 외형이 조사되었다. 마이크로 구조의 타겟은 지속된 열부하를 지탱할 수 없기 때문에 펄스화된 장치에 한정될 수 밖에 없지만, 제안된 설계 개념은 마이크로미터로 집속된 전자빔을 위한 부가적인 전자빔 집속가 필요하지 않기 때문에 소형화된 마이크로포커스 엑스선관을 실현하는데 유용할 것이다.
