최근 의료영상기술에서 유방암 엑스선 진단기술의 주요 이슈는 정확한 조기암 진단과 환자의 피폭선량의 감소에 있다. 엑스선 영상대비도를 높이고 피폭선량을 줄이는 기술 중 하나로써 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선을 획득하는 연구가 선행되어 왔다. 그러나 기존의 Uniform 다층박막거울은 거울면의 일부 반사영역에서만 원하는 파장대역의 단색 엑스선을 얻을 수 있어서 엑스선 영상기술 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색엑스선을 얻기 위해 거울에 입사하는 백색 엑스선의 입사각에 상응하는 선형적 기울기의 박막두께를 갖는 Graded 다층박막거울을 설계하였고, 기존 이온빔스퍼터링 장치에 마스크 제어 장치를 추가 제작하여 $100{\times}100mm^2$ 크기로 제작하였다. 제작된 Graded 다층박막거울은 17.5keV의 단색 엑스선을 획득할 수 있도록 설계하였으며 박막두께주기는 2.88nm~4.62nm(Center 3.87nm)이다. 엑스선 반사율은 60% 이상이며, 단색 엑스선의 FWHM은 1.4keV 이하이고 엑스선 빔 폭은 3mm정도이다. 유방촬영에 적합한 몰리브덴 특성엑스선에 해당하는 17.5keV의 단색 엑스선을 얻음으로써 저선량 고감도 유방암 진단장치 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 의료영상기술에서 유방암 엑스선 진단기술의 주요 이슈는 정확한 조기암 진단과 환자의 피폭선량의 감소에 있다. 엑스선 영상대비도를 높이고 피폭선량을 줄이는 기술 중 하나로써 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선을 획득하는 연구가 선행되어 왔다. 그러나 기존의 Uniform 다층박막거울은 거울면의 일부 반사영역에서만 원하는 파장대역의 단색 엑스선을 얻을 수 있어서 엑스선 영상기술 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색엑스선을 얻기 위해 거울에 입사하는 백색 엑스선의 입사각에 상응하는 선형적 기울기의 박막두께를 갖는 Graded 다층박막거울을 설계하였고, 기존 이온빔 스퍼터링 장치에 마스크 제어 장치를 추가 제작하여 $100{\times}100mm^2$ 크기로 제작하였다. 제작된 Graded 다층박막거울은 17.5keV의 단색 엑스선을 획득할 수 있도록 설계하였으며 박막두께주기는 2.88nm~4.62nm(Center 3.87nm)이다. 엑스선 반사율은 60% 이상이며, 단색 엑스선의 FWHM은 1.4keV 이하이고 엑스선 빔 폭은 3mm정도이다. 유방촬영에 적합한 몰리브덴 특성엑스선에 해당하는 17.5keV의 단색 엑스선을 얻음으로써 저선량 고감도 유방암 진단장치 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
At a recent medical imaging technology, the major issue of X-ray diagnosis in breast cancer is the early detection of breast cancer and low patient's exposure dose. As one of studies to acquire a monochromatic X-ray, Technologies using multilayer mirror had been preceded. However, a uniform multilay...
At a recent medical imaging technology, the major issue of X-ray diagnosis in breast cancer is the early detection of breast cancer and low patient's exposure dose. As one of studies to acquire a monochromatic X-ray, Technologies using multilayer mirror had been preceded. However, a uniform multilayer mirror that consists of uniform thin-film thickness can acquire a monochromatic X-ray only in the partial area corresponds to angle of incidence of white X-ray, so there are limits for X-ray imaging technology applications. In this study, we designed laterally graded multilayer mirror(below GML) that reflects same monochromatic X-ray over the entire area of thin-film mirror, which have the the thickness of the linear gradient that correspond to angle of incidence of white X-ray. By using ion-beam sputtering system added the mask control system we fabricated a GML which has size of $100{\times}100mm^2$. The GML is designed to achieve the monochromatic X-ray of 17.5kev energy and has thin-film thickness change from 4.62nm to 6.57nm(3.87nm at center). It reflects the monochromatic X-ray with reflectivity of more than 60 percent, FWHM of below 2.6keV and X-ray beam width of about 3mm. The monochromatic X-ray corresponded to 17.5keV using GML would have wide application in development of mammography system with high contrast and low dose.
At a recent medical imaging technology, the major issue of X-ray diagnosis in breast cancer is the early detection of breast cancer and low patient's exposure dose. As one of studies to acquire a monochromatic X-ray, Technologies using multilayer mirror had been preceded. However, a uniform multilayer mirror that consists of uniform thin-film thickness can acquire a monochromatic X-ray only in the partial area corresponds to angle of incidence of white X-ray, so there are limits for X-ray imaging technology applications. In this study, we designed laterally graded multilayer mirror(below GML) that reflects same monochromatic X-ray over the entire area of thin-film mirror, which have the the thickness of the linear gradient that correspond to angle of incidence of white X-ray. By using ion-beam sputtering system added the mask control system we fabricated a GML which has size of $100{\times}100mm^2$. The GML is designed to achieve the monochromatic X-ray of 17.5kev energy and has thin-film thickness change from 4.62nm to 6.57nm(3.87nm at center). It reflects the monochromatic X-ray with reflectivity of more than 60 percent, FWHM of below 2.6keV and X-ray beam width of about 3mm. The monochromatic X-ray corresponded to 17.5keV using GML would have wide application in development of mammography system with high contrast and low dose.
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문제 정의
본 연구에서는 유방촬영(Mammography)에 사용되는 몰리브덴 특성엑스선에 해당하는 17.5keV의 단색 엑스선을 획득하기 위한 Graded 다층박막거울을 제작하고 그 특성을 분석한다. 먼저 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색 엑스선을 얻기 위해
본 연구에서는 몰리브덴의 Kα 특성엑스선에 해당하는 에너지인 17.5keV의 단색 엑스선을 얻기 위해 다층박막의 두께가 선형적으로 변화하는 graded 다층박막거울을 제작하였다.
제안 방법
먼저 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색 엑스선을 얻기 위해 입사엑스선에 상응하는 선형적 기울기의 박막두께를 갖는 Graded 다층박막거울을 설계하였고, 설계값에 맞게 박막두께를 증착하기 위하여 기존 이온빔 스퍼터에 마스크 제어 시스템을 추가하여 100×100mm2 크기로 제작하였다.
획득하고자 하는 단색 엑스선의 에너지는 몰리브덴의 Kα 특성에너지인 17.5keV를 목표로 하여 graded 다층박막거울을 설계하였다.
이때 단위막 박막두께주기의 두께비(Ratio of bottom layer thickness: γ)는 0.401이고, 계면거칠기(interfacial roughness: σ)는 0.3nm이하이며 단위막의 층수는 30층으로 설계하였다.
상기 백색 엑스선 입사각을 적용하여 100×100mm2 크기의 Uniform 다층박막거울과 graded 다층박막거울을 각각 설계하고 전체 거울면의 맨 앞쪽과 맨 뒤쪽을 포함한 임의의 5지점에서 이론적으로 얻을 수 있는 단색 엑스선의 스펙트럼을 시뮬레이션하여 비교해보았다.
이를 위해서 100×100mm2의 기판상 8지점에서 텅스텐의 단일박막과 탄소의 단일박막을 증착한 샘플을 제작한 후 XRR 분석을 통해 증착률을 얻었다.
이를 위해서 100×100mm2의 기판상 8지점에서 텅스텐의 단일박막과 탄소의 단일박막을 증착한 샘플을 제작한 후 XRR 분석을 통해 증착률을 얻었다. 분석된 증착률을 적용하여 Graded 다층 박막거울이 전후 방향(x축 방향)으로 선형적 두께 기울기를 갖도록 하고 좌우 방향(y축)으로는 동일한 두께로 증착되도록 하기 위한 마스크 제어부를 제작하였다.
Graded 다층박막거울의 제작은 기판으로는 한 면이 폴리싱된 실리콘 웨이퍼를 100×100mm2의 크기로 다이싱하여 사용하였고, 그 위에 중원소인 텅스텐을 먼저 증착한 후 경원소인 탄소를 증착하여 한 쌍의 단위막을 만들고 이를 총 30번 반복 적층하였다[Fig. 7].
후)다층 박막거울을">다층박막거울을 제작하기 위하여 이온빔 스퍼터링 장비를 이용하였고 전원공급조건은 빔전류(Beam current) 49mA, 빔전압(Beam Voltage) 1500V와 가속전류 (Accelerator current) 12mA, 가속전압(Accelerator Voltage) 200V를 사용하였다. 또한 상기 유도된 식을 적용하여 다층박막이 선형적 기울기를 갖도록 증착하기 위해 마스크
후)전원공급 조건은">전원공급조건은 빔전류(Beam current) 49mA, 빔전압(Beam Voltage) 1500V와 가속전류 (Accelerator current) 12mA, 가속전압(Accelerator Voltage) 200V를 사용하였다. 또한 상기 유도된 식을 적용하여 다층박막이 선형적 기울기를 갖도록 증착하기 위해 마스크 제어시스템을 구축하였다[Fig. 6].
제작된 graded 다층박막거울의 반사율 및 단색 엑스선의 에너지를 분석하기 위한 분석 시스템을 구축하였다.
후)다층 박막거울을">다층박막거울을 고정하기 위한 하우징(Housing)을 자체 제작하였고 하우징의 앞에 1차 콜리메이터(Primary collimator)를 장착하여 불필요한 백색 엑스선을 차단하였다. 그리고 스펙트럼을
후)엑스선광원">엑스선 광원 앞에 10mm 두께의 PMMA를 사용하였다. 또한 회전 및 기울기 각도와 위치 등을 정렬하기 위한 자동 정렬시스템을 구성하였다.
단색 엑스선 분석시스템을 구축하고 동일한 실험조건하에 Uniform 다층박막거울과 graded 다층박막거울을 이용하여 각각 단색 엑스선을 획득하고 그 특성을 비교 분석하였다. Uniform 다층박막거울에서는 몰리브덴의
대상 데이터
Graded 다층박막거울 설계하기 위해서는 엑스선발생장치와 다층박막거울간의 거리(Source to Multilayer mirror Distance, SMD)와 거울의 크기가 우선적으로 고려되어야 하는데 본 연구에서 SMD는 300mm, 거울의 크기는 100×100mm2이다.
후)엑스선광원은">엑스선 광원은
몰리브덴 타겟을 사용하는 Oxford의 Ultra-Bright microfocus tube를 사용하였고 분광기(Spectrometer)는 Amtek의 X-123 Si-PIN, 엑스선 검출기는 Photonic science의 VHR ccd camera(12.5㎛ Resolution)를 사용하였다.
후)다층 박막거울을">다층박막거울을 고정하기 위한 하우징(Housing)을 자체 제작하였고 하우징의 앞에 1차 콜리메이터(Primary collimator)를 장착하여 불필요한 백색 엑스선을 차단하였다. 그리고 스펙트럼을 측정하는데 불필요한 전반사를 제거하기 위해 엑스선 광원 앞에 10mm 두께의 PMMA를 사용하였다. 또한 회전 및
후)엑스선광원으로부터">엑스선 광원으로부터 300mm의 거리에 다층박막거울을 배치하였고 다층박막거울과 스펙트럼 검출기간의 거리는 150mm, 광원과 엑스선영상 검출기의 거리는 780mm이다[Fig. 8].
제작된 Graded 다층박막거울을 이용하여 획득된 엑스선의 에너지는 거울의 전면에서 모두 몰리브덴의 특성엑스선 Kα인 17.5keV의 단색 엑스선이며 단색성으로 FWHM은 1.4keV 이하이다.
성능/효과
반면">9]. 반면 graded 다층박막거울의 대부분의 영역에서 17.5keV의 단색 엑스선이 얻어짐을 확인하였다. 또한 얻어진 단색 엑스선의 반사율은 평균 63.
5keV의 단색 엑스선이 얻어짐을 확인하였다. 또한 얻어진 단색 엑스선의 반사율은 평균 63.3%(54.3%~68.3%)로 uniform 다층박막거울과 유사하고, 다층박막거울로부터 얻어진 모든 단색 엑스선의 FWHM는 1.4keV 이하로 단색성이 매우 우수함을 알 수 있다[Fig. 10].
엑스선 검출기에서 얻어진 단색 엑스선의 빔 폭은 1.905mm로 uniform 다층박막거울에 비해 4.2배 넓은 폭을 갖으며, graded 다층박막거울의 반사율은 반사각이 가장 큰 거울면에서 55%로 가장 낮고 가장 높은 반사율 69%로 평균 65%이다.
본 연구 결과로부터 uniform 다층박막거울에 비해 graded 다층박막거울을 이용하여 17.5keV 에너지대역의 단색 엑스선을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 그 단색성을 높이고 빔 폭을 더 확보할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
Graded 다층박막거울을 보다 개선하고 복수 개를 정밀하게 정렬하여 측정하고자 하는 대상물질의 엑스선 검사에 적합한 단색 엑스선을 획득하면 엑스선 영상의 질을 높이고 방사선 피폭량을 현저하게 줄일 수 있어 의료 영상기기 뿐만 아니라 식품이물질검사나 산업용 비파괴검사 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Graded 다층박막거울의 구조는 어떻게 형성되어 있는가?
Graded 다층박막거울은 중원소인 텅스텐과 경원소인 탄소를 수 나노미터로 번갈아 적층되어 있는 구조로 중원소와 경원소 층을 하나의 쌍으로 단위막(bilayer)을 형성하고 총 N개의 단위막이 기판(Substrate) 위에 적층된다[11]. 획득하고자 하는 단색 엑스선의 에너지는 몰리브덴의 Kα 특성에너지인 17.
다층박막거울의 조절 중 무엇을 통해 높은 강도의 단색 엑스선을 얻을 수 있는가?
다층박막거울을 사용하면 매우 높은 효율로 단색 엑스선을 얻을 수 있는데, 다층박막거울의 각도를 조절함으로써 다양한 에너지를 선택적으로 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 타킷 물질의 특성엑스선에 맞는 조건을 부과하면 높은 강도를 갖는 단색 엑스선을 얻을 수 있다. 단색 엑스선을 이용하면 엑스선 영상의 명암도를 높여 영상의 질을 높일 수 있고, 방사선 피폭량을 현저하게 줄일 수 있다[5-8].
실험실 규모의 엑스선발생장치에서 엑스선 세기가 떨어지는 이유는 무엇인가?
주로 방사광가속기의 빔라인에서 사용되는 단결정 모로크로메터(Single Crystal Monochrometor)는 엑스선의 회절 성질을 이용하는 엑스선 광학소자로 반사효율이 매우 낮기 때문에 실험실 규모의 엑스선발생장치에서는 단색 엑스선의 세기가 크게 떨어진다[3]-[4]. 다층박막거울을 사용하면 매우 높은 효율로 단색 엑스선을 얻을 수 있는데, 다층박막거울의 각도를 조절함으로써 다양한 에너지를 선택적으로 얻을 수 있는 장점이 있다.
참고문헌 (12)
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