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문제 정의
- 따라서 본 연구는 몬테카를로 코드를 이용하여 최적의 에너지 값을 갖는 기준에 따라 설계⋅제작하고, 정전기제거성능을 측정하여 최적의 X선관을 제작하는 기본 자료를 제공하고자 하는 것이다.
제안 방법
- 본 연구는 한국안전학회지(Vol. 32, No.2, pp. 34-37,2017, Phil Hoon Jeong, Dong Hoon Lee)에 게재된‘Monte Calro N-particle Extended Code를 이용한 연X선 정전기제거장치의 최적설계에 관한 연구4)에 계속된 연구로서 최적화된 값을 기준으로 실제로 연X선관을 제작하여 전자가속전압 및 텅스텐 증착두께의 변화에 따른 정전기제거성능(정전기대전완화시간, 이온 밸런스)을 실험하였다.
- 본 연구에서는 시뮬레이션결과를 기준으로 제작하여 정전기제거성능을 측정하였다. Table 2에서 알 수 있듯이 가속전압이 5 kV인 경우 최적에너지 값은 0.
- . 증착물질로서 금(Au), 텅스텐(W) 및 은(Ag)을 적용하여 몬테카를로 코드로 전산모사를 실시하여 에너지 스펙트럼을 분석한 결과 금(Au)이 가장 우수하였으나, 가격대비 가성비에서 텅스텐을 증착물질로 선정하였고, 연X선관을 제작하여 실험하였다.
- 2은 제작된 X선관의 실물사진이다. 첫번째 변수로는 타겟물질의 증착두께를 변화시켰고, 두번째 변수로는 X선관의 가속전압을 5, 10 및 15 kV로 설정하여 실험하였다. 이 때 이격거리는 100 ㎜, 300 ㎜, 500 ㎜로 설정하였다.
- 최대의 X선 발생효율을 구하기 위하여 몬테카를로 코드를 이용한 시뮬레이션 결과와 실제로 제작된 연X선식 정전기제거장치를 이용한 것과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 1에서 알 수 있듯이 동일한 가속전압일 경우 발생효율은 금, 텅스텐, 은 및 티타늄 순으로 되어있다. 따라서 본 실험에서는 가격이 저렴하면서도 발생효율이 비교적 높은 텅스텐을 선정하여 실험하였다. Fig.
- 본 연구에서 제작된 연X선관은 고진공(10-7 torr) 유리관 내에 열전자발생장치와 타겟(양극)으로 구성되어져 있다. 필라멘트에서 발생된 전자는 타겟에 인가된 고전압(5∼15 KeV, DC)에 의해 가속되어 타겟(Tungsten, W)에 충돌하여 흡수된 에너지 중 99%는 열로 소비되지만, 나머지 1% 만이 특성X선을 발생한다6).
데이터처리
- 실험결과는 신뢰성을 확보하기 위해 모든 실험은 5회 이상 실시하였으며, 그 평균값을 구하여 데이터를 확보하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 가속전압 5 kV에서 X선 발생효율이 최대인 타겟물질의 두께는 0.05 ㎛이고, 거리 100 ㎜에서 ㊉측 전하완화시간은 0.28 sec., ㊀측 전하완화시간은 0.30 sec.로 측정되었다.
- 2) 가속전압 10 kV에서 X선 발생효율이 최대인 타겟물질의 두께는 0.16 ㎛이고, 거리 100 ㎜에서 ㊉측 전하완화시간은 0.13 sec., ㊀측 전하완화시간은 0.12sec.로 측정되었다.
- 3) 가속전압 15 kV에서 X선 발생효율이 최대인 타겟물질의 두께는 0.28 ㎛이고, 거리 100 ㎜에서 ㊉측전하완화시간은 0.04 sec., ㊀측 전하완화시간은 0.05sec.로 측정되었다.
- 3가지 조건의 실험을 통하여 MCNPX 코드를 이용하여 가속전압 5, 10 및 15 kV에서 타겟물질의 최적두께를 검증할 수 있었다. 이는 투과형 X선관(Transmission Type X-ray tube)의 경우, 일반적으로 타겟물질의 두께가 증가할수록 X선 발생량이 증가한다.
- 20 ㎛ 로 변화시켰을 때, 이격거리 100 ㎜, 300 ㎜, 500 ㎜에서의 전하완화시간 및 이온밸런스를 측정한 표이다. 가속전압이 10 kV일 경우, MCNPX로 시뮬레이션한 결과 타겟물질의 최적의 증착두께는 0.16 ㎛, 0.20 ㎛ 및 0.09 ㎛ 순으로 나타났다. 본 연구에서는 시뮬레이션결과를 기준으로 제작하여 정전기제거성능을 측정하였다.
- 35 ㎛로 변화시켰을 때, 이격거리 100 ㎜, 300 ㎜, 500 ㎜에서의 전하완화시간 및 이온밸런스를 측정한 표이다. 가속전압이 15 kV일 경우, MCNPX로 시뮬레이션한 결과 타겟물질의 최적의 증착두께는 0.28 ㎛, 0.35 ㎛ 및 0.21 ㎛ 순으로 나타났다.
- 08 ㎛로 변화시켰을 때, 이격거리 100 ㎜, 300 ㎜, 500 ㎜에서의 전하완화시간(Charge Decay Time) 및 이온밸런스(Ion Balance)를 측정한 표이다. 가속전압이 5 kV일 경우, MCNPX로 시뮬레이션한 결과 타겟물질의 최적의 증착두께는 0.05 ㎛, 0.08 ㎛ 및 0.02 ㎛ 순으로 나타났다.
- 이런 다양한 변수의 통제를 실제제작을 통해 특성을 측정하는 것은 현실적으로 많은 제작 시간과 높은 비용 등이 필요하다. 그러나 몬테카를로 코드를 이용하여 전산모사를 통한 결과를 토대로 적용한 결과 최적의 제전성능을 갖는 X선관을 제작할 수 있었다.
- 02 ㎛ 순으로 시뮬레이션의 결과와 일치하였다. 제작된 정전기제거장치에서 전하완화시간을 측정한 결과 거리 100 ㎜, 표적두께가 0.05 ㎛에서 ㊉측 전하완화시간은 0.28 sec, ㊀측 전하완화시간은 0.30 sec로 측정되어 최적의 에너지효율을 보였다. 이온밸런스는 디스플레이 및 반도체 제조공정에서의 관리기준인 1 Volt 이하로 측정되었다.
- 09 ㎛ 순으로 시뮬레이션의 결과와 일치하였다. 제작된 정전기제거장치에서 전하완화시간을 측정한 결과 거리 100 ㎜, 표적두께가 0.16 ㎛에서 ㊉측 전하완화시간은 0.13 sec, ㊀측 전하완화시간은 0.12 sec로 측정되어 최적의 에너지효율을 보였다. 이온밸런스 역시 디스플레이 및 반도체 제조공정에서의 관리기준인 1 volt 이하로 측정되었다.
- 21 ㎛ 순으로 시뮬레이션의 결과와 일치하였다. 제작된 정전기제거장치에서 전하완화시간을 측정한 결과 이격거리 100 ㎜, 표적두께가 0.28 ㎛에서 ㊉측 전하완화시간은 0.04초, ㊀측 전하완화시간은 0.05초로 측정되어 최적의 에너지 효율을 보였다. 이온밸런스 역시 디스플레이 및 반도체 제조공정에서의 관리기준인 1 volt 이하로 측정되었다.
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