초록

○ 진공 밀봉형 초소형 X-선 튜브 개발
-초소형 X-선 튜브 핵심 기술 개발
전자빔 광학계, X-선 타겟, 저온 브레이징 공정 최적화, 고전압 인가 시스템 개발
- 외경 : 10mm 이하, 길이 40mm 이하
-관전압 > 50kV, 관전류 > 253μA
- X-선 스펙트럼 측정, X-선 흡수선량 및 공간분포 측정
○ 초소형 X-선 튜브의 치료 계획용 전산모사 선량계산 알고리즘 연구
-치료계획용 전산모사 선량계산
-치료빔 측정 프로토콜 구축
-CT 영상기반 선량계산

Abstract ▼

Ⅳ. Result of R&D

1) Blueprint of super-miniature x-ray tube based on field emitters for brachytherapy
- vacuum sealed type
- outter diameter < 10mm, length < 50mm
2) Development of miniature electron beam source using field emitters
- Structural op

Ⅳ. Result of R&D

1) Blueprint of super-miniature x-ray tube based on field emitters for brachytherapy
- vacuum sealed type
- outter diameter < 10mm, length < 50mm
2) Development of miniature electron beam source using field emitters
- Structural optimization of electron beam source by simulation
- field emitter source : carbon nano-tube and titania nano-tube
- type : diode
- max. emission current > 340 μA
- operation stability < 4% at 100 μA for 2000 min
3) Development of miniature x-ray target
- Structual optimization of x-ray by simulation and calculation result of x-ray emission characteristics
- target shape : transmission type shaped cone and cylinder
- targer material : tungsten, X-ray window material : Be
- An external diameter : 7 mm
4) Metal – Ceramic brazing
- Brazing filler for low temperature brazing process
5) Vacuum sealed miniature X-ray tube brazing
- Fabrication of optimized brazing zig
- Getter attachment for high vacuum of miniature X-ray tube
- Low temperature brazing process optimization
- Fabrication of vacuum sealed miniature X-ray tube
6) Operational characteristics of fabricated miniature X-ray tube
- Tube voltage > 50 kV
- Tube current > 253 μA
- X-ray tube operating stability
- Measurement X-ray spectrum
- Development of X-ray aborded dose system
- Measurement X-ray dose distribution (at 1cm, 3cm)
- Measurement X-ray aborded dose
X-ray dose rate > 102 Gy/min (at 1 cm air depth)
7) Measurement and evaluation of therapy beam produced from miniature X-ray tube

목차 Contents

• 표지 ... 2
• 제출문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 4
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 13
• 목차 ... 19
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 25
• 제1절 연구개발의 기술경제사회적 중요성과 필요성 ... 25
• 1. 기술적 측면 ... 25
• 2. 경제․산업적 측면 ... 26
• 3. 사회․문화적 측면 ... 27
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 제1절 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 1. 국외 기술 현황 ... 29
• 2. 국내 기술 현황 ... 30
• 제2절 현 기술상태의 취약성 ... 32
• 제3절 앞으로의 전망 ... 33
• 제4절 국내에서 연구개발 하는 대신 기술도입 가능성 ... 34
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 35
• 제1절 초소형 X-선원 제원 및 설계변수 도출 ... 35
• 1. 암환자 치료에 목적한 초소형 X선관의 기본 설계변수 도출 ... 35
• 2. 근접방사선 치료용 초소형 X선 장비의 기본 설계변수 ... 38
• 제2절 초소형 X-선원의 설계 ... 39
• 1. 전자근접방사선치료 X-선 기기의 구조와 제원 ... 39
• 2. 초소형 X-선원 개념설계 ... 40
• 가. 초소형 X-선원의 중요 설계요인 설정 ... 40
• 나. 초소형 X-선원의 핵심부품 설계 ... 41
• 다. 개념 설계로부터 도출된 초소형 X-선관의 기본 설계도면 ... 43
• 3. 초소형 X-선원 내의 전자광학계산 ... 43
• 가. 설계된 초소형 X-선 튜브 내 게이트 전극의 형태에 따른 전자빔 수송 변화 ... 43
• 나. 설계된 초소형 X-선 튜브 내 양극 전극의 형태에 따른 전자빔 수송 변화 ... 43
• 4. 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 초소형 X-선 장비의 모델링 ... 45
• 제3절 전계방출형 고전류 음극 개발 ... 46
• 1. CNT 프린팅기법을 이용한 전계방출형 음극 제작 ... 46
• 가. 금속 나노 분말을 이용한 고접착성 CNT 음극 용액 ... 46
• 나. 텅스텐 팁을 이용한 소형 전자빔 음극 제작 ... 46
• 다. CNT 용액 혼합 비율 조절 ... 48
• 2. 티타늄 다이옥사이드(TiO2)를 이용한 전계방출원 개발 ... 49
• 제4절 초소형 X-선원용 전자빔원 개발 ... 51
• 1. 전계인가를 이용한 전자빔 인출 장치 제작 ... 51
• 2. 제작된 전계방출형 전자빔원의 특성조사 ... 52
• 3. 초소형 X-선원 핵심 부품 테스트 장비 구축 ... 52
• 4. 전자빔 인출을 통한 전자총의 최적화 구조 도출 ... 54
• 가. 이극관형 초소형 X-선원 ... 54
• 나. 삼극관형 초소형 X-선원 ... 56
• 제5절 소형 X-선 튜브 타겟구조 최적화 및 타겟 개발 ... 57
• 1. X-선 발생량 계산으로부터 타겟 구조 최적화 ... 57
• 가. X-선 타겟구조 계산모델 ... 57
• 나. 전자빔 에너지에 따른 X-선 타겟 두께 최적화 ... 57
• 다. X-선 타겟의 열변형에 의한 초소형 X-선관 한계 출력 ... 58
• 라. 초소형 X-선 타겟의 온도분포 계산 ... 59
• 2. 다양한 타겟 모양에 따른 X-선 발생량 분포 ... 60
• 가. 최적화된 X-선 타겟의 설계에서 X-선원 변수에 따른 시뮬레이션 ... 60
• 3. X-선 튜브의 타겟에서 X-선원 변수에 따른 시뮬레이션 ... 65
• 제6절 소형 X-선 타겟의 X-선 발생특성 및 흡수선량 전산모사 ... 66
• 1. X-선 발생 스펙트럼 전산모사 ... 66
• 2. X-선 발생선량 전산모사 ... 67
• 가. X-선 흡수선량 계산모델 ... 67
• 나. X-선 발생선량 계산결과 ... 68
• 다. 전자빔 출력별 X-선 흡수선량 계산 ... 70
• 제7절 흡수선량 분포 계산 및 측정 ... 71
• 1. 물에서의 흡수선량 분포계산 ... 71
• 가. 근접치료 장치의 커미셔닝 ... 71
• 나. 선량분포 계산 및 측정 ... 73
• 2. 자기공명 영상에 기반한 근접치료법에 관한 연구 ... 76
• 제8절 초소형 X-선원의 고진공 접합기술 개발 ... 78
• 1. 진공 밀봉용 초소형 X-선 튜브 상세 설계 ... 78
• 가. 진공 밀봉용 초소형 X-선 튜브 상세 설계도 ... 78
• 나. 전자빔음극 및 집속전극 설계 ... 79
• 다. 세라믹 절연체 설계 ... 80
• 라. X-선 타겟 및 고정 슬리브 설계 ... 81
• 2. 초소형 X-선 튜브 접합 부품 ... 82
• 가. 진공 브레이징 접합 ... 82
• 나. 메탈라이즈드 세라믹 (Metallized ceramic) ... 83
• 다. 코바 (Kovar) 금속 지지대 ... 84
• 라. 투과형 X-선 타겟 ... 86
• 마. 진공 게터 ... 87
• 바. 브레이징 필러 ... 88
• 3. 진공 브레이징용 X-선 튜브 부품 테스트 ... 90
• 가. 진공 챔버 내 조립 후 전자빔 인출 실험 ... 90
• 4. 진공 브레이징 및 초소형 X-선 튜브 시작품 제작 완성 ... 90
• 가. 진공 브레이징로 및 브레이징 지깅 (Zigging) ... 90
• 나. 진공 브레이징 및 초소형 X-선 튜브 시작품 제작 ... 92
• 다. 제작된 초소형 X-선 튜브 시작품의 진공 테스트 ... 93
• 제9절 초소형 X-선원용 고전압 인가 시스템 개발 ... 94
• 1. 고전압 인가 시스템이 고려된 초소형 X-선 튜브 디자인 ... 94
• 2. 초소형 X-선 튜브 외부의 전압 절연체 ... 95
• 가. Si-폴리머 복합체 (레진) ... 95
• 3. 초소형 X-선 튜브의 고전압 주입부 ... 97
• 가. 고전압 receptacle과 connector ... 97
• 나. 고전압 케이블 및 고전압 전원 주입부 ... 97
• 4. 고전압 인가용 초소형 X-선 튜브 외형 제작 ... 98
• 가. 세라믹 및 Si-폴리머 복합체 레진 고전압 테스트 ... 98
• 나. 고전압 인가용 X-선 튜브 외형 제작 ... 99
• 5. 전계방출원 전자총을 위한 고전압 전원 ... 101
• 가. 이극관용 펄스형 고전압 전원 ... 101
• 나. 직류형 삼극관 전원 ... 102
• 제10절 초소형 X-선 튜브 시작품 제작 ... 104
• 1. CNT 에미터 제작 ... 105
• 가. CNT 에미터 설계 및 제작 ... 105
• 나. 방전에 강한 CNT 팁 제작 ... 108
• 다. 고안정성 CNT 전계방출원 개발 ... 112
• 2. 초소형 X-선 타겟 제작 ... 116
• 가. 초소형 X-선 타겟 설계 ... 116
• 나. 초소형 X-선 타겟 제작 ... 118
• 3. 초소형 X-선 튜브 진공 브레이징 ... 120
• 가. 초소형 X-선 튜브 부품 ... 120
• 나. 개방형 초소형 X-선 튜브 브레이징 ... 121
• 다. 진공 밀봉형 초소형 X-선 튜브 브레이징 ... 123
• 제11절 개발된 초소형 X-선 튜브의 동작특성 측정 ... 126
• 1. X-선 특성 평가를 위한 고전압 절연체 몰딩 ... 126
• 2. 제작된 초소형 X-선 튜브의 동작특성 평가 ... 132
• 가. 초소형 X-선 튜브 관전압-관전류 측정 ... 132
• 나. 초소형 X-선 튜브 작동 안정성 측정 ... 133
• 다. 초소형 X-선 튜브 스펙트럼 측정 ... 134
• 제12절 X-선원 동작변수별 X-선 발생특성 및 선량분포 측정 ... 135
• 1. 선량측정 시스템 기반기술 구축 ... 135
• 가. X-선 선량 측정 시스템 ... 135
• 2. 3차원 X-선 선량 측정 시스템 설계 ... 136
• 가. 3차원 X-선 선량 측정 시스템 설계 도면 ... 136
• 나. 스텝모터를 이용한 방위각 모션 컨트롤 ... 136
• 다. 제작된 X-선 선량 측정 시스템 ... 138
• 3. 원격 컨트롤 유닛 ... 139
• 가. 데이터 입출력을 이용한 초소형 X-선 튜브 전원 및 선량 측정기 원격 컨트롤 유닛 ... 139
• 4. 공간에 따른 X-선 선량분포 측정 ... 140
• 제13절 X-선 발생특성에 대한 전산모의결과 및 측정결과 비교분석 ... 143
• 1. 근전치료용 소형 X-선 튜브의 임상 적용을 위한 선량 인자의 몬테칼로 계산 ... 143
• 가. 소형 X-선 튜브의 선량 인자 ... 143
• 나. 몬테칼로 방법을 이용한 선량 인자 평가 ... 144
• 제14절 초소형 X-선 장비의 치료 계획용 전산모사 선량계산 알고리즘 연구 ... 146
• 1. 치료계획용 전산모사 장비 모델링 ... 146
• 가. 몬테카를로 코드를 이용한 장비 모델링 ... 146
• 2. 치료계획용 전산모사 선량계산 ... 146
• 가. 몬테카를로 코드를 이용한 불균질 물질에서의 선량 분포 ... 146
• 나. HDR용 치료계획장비를 이용한 불균질 물질에서의 선량 분포 ... 147
• 3. 고선량 근접치료에서 고리형 어플리케이터의 기하학적 특성에 따른 선량분포의 변화에 대한 연구 ... 150
• 4. 치료빔 측정 프로토콜 구축 ... 152
• 가. 치료빔 data 및 geometry ... 152
• 나. keV에너지 X-ray 선원에 대한 치료계획시스템 ... 154
• 5. CT영상기반 선량계산 ... 156
• 가. 몬테카를로 (Monte Carlo. MC)코드를 이용한 장비 모델링 ... 156
• 나. MC 코드를 이용한 불균질 물질에서의 선량 분포 ... 157
• 다. Ir-192 동위원소 선량분포 비교분석/CT영상기반 선량계산 ... 160
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 163
• 제1절 연구개발 목표 및 목표달성도 ... 163
• 1. 단계별 목표 및 달성 ... 163
• 2. 상세 연구 추진내용 ... 164
• 가. 1차년도 ... 164
• 나. 2차년도 ... 164
• 다. 3차년도 ... 165
• 라. 4차년도 ... 165
• 마. 5차년도 ... 165
• 제2절 관련 분야에의 기여도 ... 166
• 1. 기술적인 평가 : 적용의 난이성, 기술수준 등 ... 166
• 2. 경제적인 평가 : 제조원가, 투자규모 등 ... 166
• 3. 산업기술에 미치는 파급효과 분석 ... 166
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 167
• 제1절 기술적 측면 ... 167
• 제2절 경제.산업적 측면 ... 167
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 168
• 제1절 유사 연구사례에 대한 조사 현황 ... 168
• 1. 외국의 경우 ... 168
• 2. 국내의 경우 ... 168
• 3. 조사한 연구개발사례에 대한 자체분석 및 평가결과 ... 168
• 제2절 국내.외 세부기술 수준 비교표 ... 169
• 제3절 세계 시장규모 및 성격 ... 169
• 제7장 참고문헌 ... 171
• 끝페이지 ... 175