The operational characteristics of the carbon nanotube based miniaturized X-ray tubes were analyzed using MCNP5 computer code. The angle-dependent behavior of characteristic X-rays emission was analyzed using partial-transmission-type tungsten targets under the influence of low, medium, and high energies of incident electron beams. The partial-transmission-type X-ray target is analyzed for the non-isotropic polar emission of characteristic X-rays. The photon flux, which was obtained using MCNP5 computer code, shows that the angular distribution of characteristic X-rays is not always isotropic around the target. The distribution mainly depends on the optimized thickness of the partial-transmission-type targets and the energy of the incident electron beam. This result suggests that the partial-transmission-type X-ray targets should be used to emit high-energy characteristic X-rays in the forward direction of the incident electron beam, whereas the target itself acts as a filter for the low-energy characteristic X-rays. Moreover, the angle-dependent behavior of focal spot size was analyzed. Another interesting aspect of this thesis is to obtain the angle dependent behavior of the focal spot size. Misaligned phantoms may severely affect the focal spot calculations. A method is proposed to determine the geometry of the X-ray target and the position of the image radiograph around the X-ray target to get a relatively smaller focal spot size. The results suggest that the angular distribution of the X-ray focal spot size depends on the geometry of the target, and mainly on the angular orientation of the phantom and its aligned tally. Results reveal that the focal spot size decreases as the point of observation shifts radially away from the center line of the conical X-ray target. It was found that the conical X-ray target produces a relatively large focal spot size along its tip while a relatively small focal spot size was achieved along the sides of the X-ray tube as the point of observation shifts radially away from the center line of the conical X-ray target. This research will help in producing high quality X-ray images in multi directions by properly aligning the phantoms and the radiograph tallies. Practical applications of our proposed carbon nanotube based miniaturized X-ray tubes were also analyzed. Fabrication of the miniature X-ray tube, surface applicators, and their respective flattening filters were realized for the treatment of the superficial skin cancer lesions. Further work is in progress to realize the proposed X-ray tubes for the postoperative irradiation of the keloids as well.
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.
