Development of simple structure 3D X-ray microscope and its application

뉴엔탄하이 전남대학교 대학원 2013 국내박사

The aim of this study is to develop a simple structure of 3D x-ray microscope and some application. This research consists of four main parts: i) design an anode exchangeable x-ray tube of very simple structure with three kinds of target materials (copper, chromium and aluminum); ii) develop a multilayer mirror producing high-intensity monochromatic x-rays including parallel x-ray beam based on the glass substrate using lab-based x-ray source; iii) design and fabricate mirror deposited by six couples of tungsten and aluminum based on stainless steel substrate that can generate high-intensity monochromatic parallel x-ray; iv) investigate the effects of multilayer mirror on x-ray images obtained by using mirror and without mirror. In design of an anode exchangeable x-ray tube, the operation principle and the structure of the x-ray tube will be described in details. As a result, x-ray spectra of each target material were investigated using spectrometer. X-ray images of a thin wood plate were taken using those targets. The measured energies of the characteristic x-rays of each target agreed well with the presented results. The difference of resolution and brightness of each image was found based on MTF values and intensities. The developed x-ray tube can give high durability, and higher quality x-ray images of an arbitrary object by exchanging anode targets. In another part, the design and fabrication of a parabolic multilayer mirror based on the glass substrate that can produce the high-intensity monochromatic x-rays containing parallel x-rays using a lab-based x-ray source will be described. For fabricating the mirror, a glass substrate was fabricated and its surface was precisely polished. Six W/Al bilayers were deposited on the glass substrate surface to form the mirror. The effects of the mirror on an x-ray image were investigated using the calculated MTF and image intensity values of the image. The higher MTF and intensity values of the x-ray image, which indicated higher image resolution and brightness, were obtained using the mirror. The results show a high potential for the fabricated mirror to produce high resolution x-ray images using a lab-based x-ray source. The rest of major purposes of this research is to design and fabricate a multilayer mirror generating high-intensity monochromatic parallel x-ray beam based on stainless steel substrate using a lab-based x-ray source. The mirror is then formed by depositing six W/Al bilayers on the polished stainless steel substrate. The multilayer mirror is utilized for investigating its effects based on the taken x-ray images. Using this kind of multilayer mirror, the high-intensity monochromatic parallel x-ray region can be obtained. The mirror also shows the high-intensity monochromatic x-ray beside the high-intensity monochromatic parallel x-rays due to the effects of large size of focal spot on target. Based on the obtained x-ray images, the intensity of the image using mirror is larger than that of without mirror. The wood plate as a sample was used to check the effects of multilayer mirror on specific material. 이 연구의 목적은 단순 구조 3차원 X-선 현미경의 개발과 그에 대한 응용이다. 이 연구는 4가지 파트로 구성되어 있다. i) 3가지 종류의 타겟 (구리, 크롬, 알루미늄)을 이용하여 양극이 교환 가능한 단순 구조의 X-선 튜브의 설계 ii) 랩 기반 X-선 소스에서 이용 가능한 글라스 기판의 고강도 단파장 평행 X-선 형성용 다층 거울의 개발 iii) 고강도 단파장 평행 X-선 형성을 위하여 스테인리스 스틸 기판에 6층의 텅스텐과 알루미늄을 증착한 거울의 설계 및 제작 iv) 거울의 유무에 의해 얻어지는 X-선 영상을 통한 다층 거울의 효과에 대한 연구 양극이 교환 가능한 X-선 튜브의 설계를 통해, X-선 튜브의 작동원리와 그 구조의 자세한 설명이 가능하다. 각 타겟 물질에 대한 X-선 스펙트럼을 조사하기 위해 분광계를 이용하였다. 얇은 나무 플레이트의 X-선 영상들은 각각의 타겟들에 의해 얻어졌다. 측정된 각 타겟에 대한 특성 X-선의 에너지 값은 기존의 연구 결과들과 잘 일치 하는 것을 확인 할 수 있었다. 각 영상의 해상도와 밝기의 차이는 MTF 값과 강도의 계산에 의해 밝혀졌다. 개발된 X-선 튜브는 양극 타겟을 교환함으로써 적용 대상에 따라 높은 내구성과 높은 품질의 X-선 영상을 얻을 수 있다. 다음으로 랩 기반 X-선 소스에서 이용 가능한 포물선 형태를 갖는 글라스 기판의 고강도 단파장 X-선 형성용 다층거울의 디자인 및 제작이 진행되었다. 거울을 제작하기 위해, 글라스 기판의 표면은 정밀하게 연마되었다. 글라스 기판 표면 위에는 6층의 텅스텐/알루미늄 층이 증착 되었다. X-선 영상을 이용한 거울의 효과는 영상의 MTF와 강도 값에 의해 계산되었다. 고해상도 영상과 밝기를 나타내는 X-선 영상의 높은MTF와 강도 값은 거울을 이용하여 얻어진다. 이 결과로 랩 기반 X-선 소스에서 고해상도 엑스선 영상을 얻기 위한 거울 제작의 높은 가능성을 확인할 수 있었다. 이 연구의 또 다른 목표는, 랩 기반 X-선 소스에서 이용 가능한 스테인리스 스틸 기판의 고강도 단파장 평행 X-선 형성용 다층 거울의 설계 및 제작이다. 거울은 정밀하게 연마된 스테인리스 스틸 기판 위에 여섯 쌍의 텅스텐/알루미늄 층의 증착을 통해 형성된다. 다층 거울은 얻어진 X-선 영상에 대한 거울의 영향을 연구하기 위해 이용되었다. 이 같은 종류의 다층 거울을 이용함으로써, 고강도 단파장 평행 X-선을 얻을 수 있다. 거울은 타겟 위의 큰 크기의 초점 때문에 고강도 단파장 X-선과 고강도 단파장 평행 X-선을 보여준다. 특정 재료에서 다층 거울의 효과를 확인하기 위해, 나무 플레이트를 사용하였다. 얻어진 X-선 영상을 통해 거울이 없을 때보다 있을 때, 영상의 강도가 더 크다는 것을 알 수 있다.

High quality micro-focused X-ray source using vertically aligned carbon nanotubes cold cathode electron beam (C-beam)

유이인 경희대학교 대학원 2023 국내박사

High quality X-ray imaging capability is readily requested for various purposes which is not limited to medical applications such as mammography but non-destructive test (NDT) in manufacturing process for quality control of products. In addition, as the feature sizes are shrunk in integrated circuits (ICs) manufacturing to satisfy robust performances of the chips in limited die area, defect screening for sub-micrometer interconnections, metal pillars and through via holes (TSVs) are imperative. Moreover, as packaging of electronic components is not limited to two-dimensional packaging, and the importance of a three-dimensional X-ray imaging method has been highlighted due to a multi-layer stacking structure of the devices. It is important to achieve high quality X-ray imaging such as small focal spot size (FSS), better signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio (CNR), and material separation capability for advanced X-ray imaging. Among the many types of electron emitters, cold cathodes are regarded as one of the most promising candidates for advanced X-ray sources due to their smaller spatial resolution, instantaneous switching, room temperature operation and extended life time based on no heating of emitter itself and the possibility of quasi-monochromatic X-ray generation. Among many promising cold cathodes for electron emitters in X-ray sources, vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) are one of the most prominent field electron emitters due to their outstanding characteristics such as small spatial resolution and high electron to photon conversion efficiency based on robust electron transmittance along with gate mesh triode configuration. In this dissertation, I suggest (1) fabrication method of high performance triode type electron beam which represents high electron transmittance over 93 % therefore, high electron to photon conversion ratio is achievable; (2) By applying the robust electron beam module with a combination of vertically aligned carbon nanotube field emitters and gate mesh structure, high quality X-ray imaging system was demonstrated which can distinguish 40 μm of spatial resolution; and (3) the X-ray image qualities were compared to TE based and paste CNTs applied commercial type X-ray sources and I confirmed that our VACNTs employed X-ray system outperformed the counterparts due to the superiority of X-rays quality by C-beam. Moreover, 3-D imaging of a printed circuit board (PCB) have been demonstrated for advanced X-ray electronic inspection applications. The outstanding X-ray image quality by our X-ray source stems from narrow electron beam divergence due to the peculiar geometric shape of free-standing CNTs along with sophisticated gate mesh structure and I believe my VACNTs based triode electron beam is viable for next generation X-ray sources for micro-meter scale NDT applications by 3-D imaging techniques.

High-resolution pipeline ADC with SAR technique for X-ray detection

최정열 University of Seoul 2018 국내박사

X-ray was discovered by Dr. W. Roentgen in 1895 and have been continuously utilized for medical diagnosis and non-destruction inspection in various industry fields. With advances in image sensor and flat panel display (FPD) technologies, X-ray detection system is rapidly retrofitted with flat panel digital radiography (FPDR) rather than conventional analog film. The flat panel digital X-ray detector converts the detected analog signal from the X-ray image sensor into a digital one through an analog to digital converter (ADC), and the digital signal can be utilized as analysis data for further digital image processing. Therefore, a high-resolution ADC should be essential for more precise inspection and analysis with wide dynamic range. In addition, as the number of pixels of image sensor has been increased for precise X-ray image detection and display frame rate has been increased for motion image detection, high-speed analog to digital conversion is required. In addition, with the advent of portable X-ray detectors using batteries, power consumption of ADC should be minimized. Conventional topologies and circuit techniques have limitations in realizing a high-resolution, high-speed, low-power ADC that must meet the requirements of ADC imposed by flat panel digital X-ray detector systems. In this thesis, a novel high-resolution, high-speed, low-power ADC that can overcome limitations of conventional ADC technologies is presented. The proposed ADC has a pipeline structure based on a multi-bit/cycle successive approximation register ADC (SAR ADC). In addition, a calibration circuit is incorporated to improve linearity and resolution performance of the entire ADC by correcting non-linearity caused by mismatches of internal passive elements. It utilizes self-calibration method that can correct the mismatch without needing an external test system. The proposed ADC is designed to have 17-bit resolution with a conversion rate of 5MHz. It is fabricated in 0.18-um 1-poly 4-metal process with dual power supply voltages of 1.8V and 5V. Simulation results of the ADC after layout parasitic extraction (LPE) show the signal to noise + distortion ratio (SNDR) of 88dB, effective number of bit (ENOB) of 14.3 bits, integral non-linearity (INL) of ±2LSBs. From the measured results of the proposed ADC, it is verified that performance improvement with calibration process can be achieved. Finally, the proposed ADC has measured performance of SNDR over 71.5dB and effective resolution of 14.1 bits. 1895 년 Dr. W. Roentgen에 의해 발견된 X-선은 현재 다양한 산업 분야에서 의료 진단 및 비파괴 검사를 위해 지속적으로 활용되고 있다. X-선 검출을 위한 이미지 센서 및 FPD (Flat Panel Display, 평판 패널 디스플레이) 기술의 발전으로 FPDR(Flat Panel Digital Radiography, 평판 디지털 X-선 검출기)가 기존의 아날로그 필름 X-선 검출기를 빠르게 대치하고 있다. 평판 디지털 X-선 검출기는 X-선 이미지 센서에서 검출된 아날로그 신호를 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환하고 변환된 디지털 신호는 이어지는 디지털 이미지 처리를 위한 분석 데이터로 활용할 수 있다. 따라서 넓은 동적 범위를 통해 보다 정밀한 검사 및 분석을 위해서는 고해상도 ADC가 필수적이다. 또한, 정밀한 X-선 영상 검출을 위해 이미지 센서의 화소 수가 증가되고, 동화상 검출을 위해 디스플레이 프레임 속도가 증가함에 따라, 고속의 아날로그-디지털 변환이 요구되고 있다. 그리고 배터리를 사용하는 휴대용 X-선 검출기의 출현으로 ADC의 전력 소비는 최소화되어야 한다. 종래의 ADC 기법과 회로 기술은 플랫 패널 디지털 X-레이 검출기에 의해 부과된 ADC의 요구 사항을 충족시키는 고해상도, 고속, 저전력 ADC 구현에 한계가 있다. 본 논문에서는 기존 ADC 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고해상도, 고속, 저전력 ADC를 제시한다. 본 논문에서 제안하는 ADC는 멀티 비트/사이클 Successive Approximation Register ADC (SAR ADC) 기반의 파이프 라인 구조를 갖는다. 또한 내부 수동 소자의 불일치로 인한 비선형성을 보정하여 전체 ADC의 선형성 및 분해능을 향상시키는 보정 회로가 내장되어 있으며 이는 부정합에 대한 보정을 위해 외부 수동 시험 시스템을 필요로 하지 않는 자체 보정 회로로 구현된다. 제안된 ADC는 5MHz의 변환 속도로 17비트 분해능을 갖도록 설계되었고, 1.8V 및 5V의 전원 공급 전압을 갖는 0.18-um 1-poly 4-metal 공정으로 제작되었다. 레이아웃 기생 추출(LPE) 진행 후 제안된 ADC의 시뮬레이션 결과는 88dB의 Signal-to-Noise + Distortion Ratio(SNDR), 14.3비트의 Effective Number of Bits(ENOB), ±2LSB의 Integral non-linearity(INL)의 성능을 보여준다. 제안된 ADC의 측정 결과를 통해 보정 프로세스로 인한 성능 향상을 검증했고, 제안된 ADC는 71.5dB의 SNDR 과 14.1비트의 유효 해상도 성능을 보여준다.

Filament 온도 간접 추정 기반 온도제어를 이용한 저선량 X-ray 전원 구동 방안

장제진 건국대학교 대학원 2021 국내석사

X-ray 장비는 X-ray관에서 신체를 통과한 광자들을 디텍터에 조사하여 이미지를 회득하고 이를 통해 진단 및 수술에 이용한다. 이러한 X-ray는 방사선이기 때문에 대량 피폭에 의해 신체 내 암과 같은 질병 발생 확률이 증가한다. 따라서 X-ray 피폭량 저감을 위한 연구가 요구되며, 본 연구에서는 저선량 X-ray 구동을 위한 전원 제어 방안에 대한 연구를 진행한다. 먼저, X-ray 발생시 filament 가열 온도가 고온이고 진공상에 존재하여 온도의 직접 측정이 어렵기 때문에 filament의 전기적 저항 값에 따른 온도 간접 추정 알고리즘을 제안한다. 두 번째로 해당 알고리즘 결과를 기반으로 filament 가열을 위한 온도 제어기를 구성한 뒤, 저선량 X-ray를 위한 가열 방안을 제시한다. 제안한 온도 추정 및 제어의 정확성과 반복성 검증을 위해 filament 이용 온도 구간인 1700 K이상의 온도를 기준으로 100 K 단위로 2100 K까지 총 5개의 온도 지령을 기준으로 각 지령마다 10번의 반복실험을 통해 평균 3.46 K의 온도 오차를 실험적으로 얻음으로 검증하였다. 온도 제어를 이용한 가열 방식과 기존 가열 방식간 X-ray 피폭량 저감 검증을 위해 먼저 시간에 따라 X-ray 진공관 내 관전류 및 filament의 크기 변화를 비교하고 두번째로 관전류의 평균 값 비교 마지막으로 상용 피폭 측정 장비를 이용하여 누적 피폭량 관점에서 비교 분석을 진행하였다. 해당 비교 분석을 통해 기존 가열 방식 대비 시간에 따른 X-ray 출력의 일정성을 검증하였으며, 관전류의 면적과 누적 피폭량은 기존 가열 방식 대비 각각 평균 12%, 8.5%의 저감을 확인하여 가열방식에 따른 피폭량 저감을 확인하였다. 뿐만 아니라, 기존 X-ray 저선량 전원 기법인 grid (-)전압 펄싱 방안을 적용하여 기존과 동일한 관점에서 비교 분석하였다. 해당 결과를 통해 기존 가열 방식 대비 각각 8%, 6%의 평균관전류의 크기가 저감되었으며, 시간에 따른 관전류의 변화 저감을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 방법을 적용할 경우 기존에 x-ray 장비 운영 시간에 따라 filament의 온도가 변화하게 되어 발생하는 x-ray 추가 방사를 줄임으로 인해 환자 및 의료 당사자에게 누적되는 피폭량 저감 가능함을 검증하였다. In this study, a study on the power control method for low-dose X-ray driving is conducted. After configuring a temperature controller for filament heating, a heating method for low-dose X-rays is presented. Through comparative analysis, the uniformity of X-ray output over time was verified compared to the existing heating method, and the reduction in exposure dose according to the heating method was confirmed. Based on the results of the analysis by applying the grid (-) voltage pulsing method, which is a low-dose X-ray power method, when the method presented in this paper is applied, the temperature of the filament changes depending on the operating time of the existing x-ray equipment. It was verified that it is possible to reduce the amount of accumulated exposure to patients and medical personnel by reducing the additional x-ray radiation.

Dzyaloshinskii-Moriya Interaction Induced Spin Structure in Multiferroic RMnO3 : 지얄로신스키-모리야 상호작용에 의해 나타나는 다강성 희토류 망간산화물의 자기 배열 구조 연구

장호영 포항공과대학교 일반대학원 2011 국내박사

최근의 TbMnO3에서 발견된 큰 값의 자전효과는 관련 연구영역에 큰 자극을 주었다. 많은 종류의 자전물질들이 발견되고 합성되고 있고, 이들 물질에 대한 수많은 이론 및 실험 연구가 진행되고 있다. 이 물질들에서의 스핀 배열과 강유전성의 깊은 관련성 때문에, 뉴트론 및 X-선 산란을 이용한 스핀 구조 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이 논문에서는 다강성 사방정구조의 망간산화물 TbMnO3와 Eu3/4Y1/4MnO3 단결정에 대한 다양한 연 X-선 공명 산란 실험을 하였고, F형 스핀 구조에서의 결과 및 그에 대한 분석을 정리하였다. TbMnO3 및 그와 유사하게 사이클로이드 형태로 스핀 배열된 다강성 망간산화물들은 A형 스핀 사이클로이드가 나타나면서 강유전성을 보이고, 이는 ’역지얄로신스키-모리야 상호작용 모형’ 및 ’스핀-전류 모형’으로 잘 설명된다. 한편 이 물질들은 크기가 큰 A형 스핀 배열 뿐만 아니라 상대적으로 약한 F형, C형, G형 스핀 구조도 가진다. 이 약한 스핀들에 대한 몇몇 연구들이 있었지만, 그러한 스핀 구조의 발생 원인과 특성에 대해서는 명확하게 설명되지 않았다. 따라서 우리는 F형 스핀 구조의 발생원인과 특성을 명확하게 알아내기 위해, TbMnO3와 Eu3/4Y1/4MnO3의 F형 (0 q 0) 반사 봉우리에 대한 Mn L-끝머리에서의 연 X-선 산란실험을 온도, 산란평면, 및 입사광의 편광을 변화시키며 수행하였다. Mn L-끝머리에서의 산란실험을 통해 직접적인 2p ∪ 3d 전이에서 오는 향상된 반사 봉우리 크기를 얻을 수 있었다. 선평광된 X-선을 사용하여, F형 스핀의 각 축에 대한 성분의 크기를 얻을 수 있었고, 원편광된 X-선과 전기분극을 이용하여, F형 스핀 배열이 나선형인지, 사인모형인지 확인할 수 있었다. 이 두 가지 편광된 X-선을 이용한 실험을 통해, F형 스핀 배열이 TbMnO3의 경우 bc-사이클로드이 (T < TC) 또는 c-사인모형이 (TC < T < TN), Eu3/4Y1/4MnO3의 경우 c-사인모형이 (T < TN) 됨을 확인할 수 있었다. 이 F형 스핀 배열을 각 A형 스핀 배열과 비교한 결과, 페로브스카이트 구조의 망간산화물에서 나타나는 구조왜곡에 의해 발생하는 지얄로신스키-모리야 상호작용을 통해 A형 스핀 배열이 기울어지고, 이 기울어진 성분들에 의해 F형 스핀 배열이 나타난다고 결론 내릴 수 있었다. 또한, 자성 대칭 분석, 다른 기울어진 배열인 C형 및 G형 스핀 배열, 및 외부 자기장에 의한 약한 강자성에 대한 관계에 대한분석도 진행되었다. 또한 이 시료에서 2q와 관련된 (0 1-2q 0)와 (0 2q 0) 반사봉우리를 망간 L-끝머리에서 실험을 수행하였다. 결정구조 격자 변조와 자기 배열의 두번째 조화 반사에 의한 효과가 섞여서 나타났다. 추가적인 Tb과 Eu의 M-끝머리, Mn K-끝머리, Tb L-끝머리에서의 X-선 산란 실험도 수행되었다. 이들 결과가 다강성 망간 산화물의 스핀 구조 연구 및 X-선 산란실험 연구에 도움이 되길 기대한다. Recent discovery of large magnetoelectric effect in TbMnO3 has stimulated related research field. Many kinds of magnetoelectric materials have been found and synthesized and enormous theoretical and experimental studies have been performed on these materials. Due to close relationship between spin order and ferroelectricity, spin structure studies by using neutron and x-ray scattering studies have been performed so far. In this dissertation, we performed soft x-ray resonant scattering on multiferroic orthorhombic manganite TbMnO3 and Eu3/4Y1/4MnO3 single crystals and summarized the results and analysis about F-type spin structures. TbMnO3 and similar cycloidal spin ordered RMnO3 show ferroelectricity with occurrence of A-type spin cycloid, which is well explained by inverse Dzyaloshinskii-Moriya interaction model or spin-current model. But the materials have not only strong A-type spin but also relatively weaker F-, C-, and G-type spin structures. There have been several studies on the weaker reflections, but the origin and properties of the structures were not clearly shown. Therefore we performed soft x-ray resonant scattering on the F-type (0 q 0) reflections of TbMnO3 (A-type bc-cycloid, q ≒ 0.28) and Eu3/4Y1/4MnO3 (A-type ab-cycloid, q ≒ 0.25) at Mn L-edge with temperature, scattering plane, and incident photon polarization dependencies, in order to clarify the origin and properties of F-type spin structures. At the Mn Ledge, it was possible to obtain clearly enhanced reflections which were originated from direct 2p ∪ 3d transition. With using linearly polarized light, we could obtain the axial components of the F-type spins. With using circularly polarized light and electric polarization, we could verify their F-type spin orders if the spin orders were spiral or sinusoidal. Through these two photon polarization dependent measurements, we could identify the F-type spin order of TbMnO3 as bc-cycloid (T < TC) and c-sinusoid (TC < T < TN) and one of Eu3/4Y1/4MnO3 as c-sinusoid (T < TN). With comparing these F-type spin orders with their A-type spin orders, we could conclude that the F-type spin order comes from the canting of the A-type spin order via Dzyaloshinskii-Moriya interaction which originated from a structural distortion in perovskite manganites. In addition, the relation with magnetic symmetry analysis, other canted structure C- and G-type order, and magnetic field induced weak ferromagnetism was studied. In addition, 2q-related (0 1-2q 0) and (0 2q 0) reflections in the samples at Mn L-edge were studied. Both crystalline lattice modulation and second harmonic reflection of spin order are mixed in the reflections. Additional Tb and Eu M-edge, Mn K-edge, and Tb L-edge x-ray resonant scattering studies were performed. We expect the results can be ingredients of spin structure studies and x-ray resonant scattering studies of RMnO3.

포항방사광가속기를 이용한 방사광 X선 영상

김섭구 대구가톨릭대학교 대학원 2020 국내석사

Synchrotron radiation provides an alternative mean to generate X-rays, which features a highly directed beam emanating from a naturally tiny source. It has been widely used as a premium X-ray source for X-ray diffraction, X-ray scattering, and X-ray absorption spectroscopy. However, its use for X-ray imaging is relatively a recent development amid well-documented merits of synchrotron radiation X-ray imaging of high spatial resolutions and high imaging contrast using a monochromatic X-ray beam illumination. One factor behind this lagging is opposing requirement of illumination characteristics: synchrotron radiation develops to minimize both source size and beam divergence that necessarily reduces the illumination size, while X-ray imaging requires a large illumination for full-field imaging. Pohang Light Source-II (PLS-II) is the only synchrotron radiation facility in Korea. It is operating one X-ray imaging beamline at port 6C that uses a monochromatic beam illumination for X-ray projection imaging and computed tomography. This beamline uses a unique double crystal monochromator (DCM) with very large crystals to generate a centimeter-sized illumination. However, the illumination is unstable as it starts to generate a monochromatic beam and slowly stabilized over time. In this thesis work, I first reviewed the principle of synchrotron radiation generation and its use for X-ray imaging. Second, I addressed the monochromatic beam instability issue at beamline 6C of PLS-II by constructing a photon beam position monitor (PBPM) that uses a pair of X-ray photodiodes to sense displacement of beam illumination and developing a feedback control system that automatically monitors the PBPM input and triggers adjustment of the second crystal pitch angle of 6C DCM. This system quickly restored pre-defined illumination position and kept both the position and beam intensity stable for X-ray imaging. Third, I measured the spatial resolution of the X-ray imaging at beamline 6C. The spatial resolution was determined primarily by the sample-to-detector distance and also affected by the opening size of upstream slits and the presence of attenuation material.

Fast Time-resolved X-ray Diagnostics for SNU X-pinch

함승기 서울대학교 대학원 2022 국내박사

X-핀치에서 생성되는 고에너지밀도 플라즈마의 특성 덕분에 X-핀치는 높은 시간 및 공간 분해능의 X-선원으로써 뛰어난 장점을 가진다. 기존의 X-핀치 연구에 따르면, X-핀치가 방출 시간이 짧고 강한 X-선 펄스를 방출하기 위해서는 그것의 전류 발생기가 1 kA/ns 이상의 전류 상승률을 충족해야 한다. 하지만 여러 연구들에서 1 kA/ns 미만의 전류 상승률을 가진 느린 X-핀치도 강한 X-선 펄스를 생성할 수 있다는 것을 확인했다. 느린 X-핀치는 비교적 작은 사이즈와 낮은 비용 그리고 간단한 구조의 커패시터 뱅크를 사용한다는 점에서 부피가 크고 비싼 전류 발생기를 사용하는 기존의 X-핀치에 비해 연구실 수준의 연 X-선원으로써 장점이 있다. 반면에 느린 X-핀치는 더 빈번한 다중 방출과 긴 X-선 방출 시간, 큰 지터라는 단점들을 가지고 있다. 이러한 단점들을 개선하기 위해서는 느린 X-핀치에서 방출되는 X-선 펄스들과 그것들을 방출하는 X-핀치 플라즈마의 상태에 대한 분석이 필요하다. 따라서 약 수십에서 수백 나노 초의 X-선 방출 시간과 큰 시간 지터를 가진 느린 X-핀치의 다중 방출을 분석하기에 적합한 Filtered absolute extreme ultraviolet (AXUV) 다이오드 어레이를 개발했다. 그리고 측정된 X-선 스펙트럼을 FLYCHK 코드를 활용하여 분석하여 구리 세선 X-핀치 플라즈마의 변수 추정을 시도하였다. 특히, 느린 X-핀치의 과정에서 다중 방출과 X-선 방출 시간의 증가에 기여하는 늦은 시간의 X-선 펄스에 대한 분석을 진행했다. Filtered AXUV 다이오드 어레이는 1-10 keV의 에너지 영역에서 X-선 스펙트럼의 시간 변화를 측정할 수 있도록 설계되었다. 검출기로 사용된 AXUV-HS5은 0.7 나노 초의 빠른 상승 시간과 넓은 에너지 검출 영역, 그리고 높은 접근성이라는 장점을 가지고 있다. 우리는 가상 채널로부터 낮은 파장 분해능의 불연속 스펙트럼을 재구성하는 least-squares (LS) 방법을 사용했다. Geant4 전산 모사는 평탄한 가상 채널을 만들기 위한 적절한 필터 조합을 설계하기 위해 활용되었다. 또한, Geant4 전산 모사에서 형성된 스펙트럼의 재구성을 통해 가상 채널들의 성능 평가가 진행됐다. 결과적으로, filtered AXUV 다이오드 어레이는 10% 이내의 평균 오차로 X-선 스펙트럼을 재구성한다는 것을 확인하였다. 서로 다른 변수의 플라즈마들은 서로 다른 X-선 스펙트럼을 방출하기 때문에 그것들의 분석을 통해 플라즈마 변수를 계산 할 수 있다. 분석 과정에서 필요한 가상의 스펙트럼을 얻기 위해 우리는 FLYCHK 코드를 X-선 분광 분석 모델을 위한 도구로 활용했다. 다른 전자 온도와 전자밀도, 고속 전자 비율을 가진 구리 플라즈마 스펙트럼 FLYCHK 코드를 이용해 계산했다. 그리고 스펙트럼 분석을 통해 각 다른 구리 선 방사선들을 포함하여 각 변수에 따라 다르게 변화하는 세 개의 파장 영역을 설정했다. 측정한 스펙트럼과 계산된 가상 스펙트럼의 정량적인 비교를 위해 세 개의 파장 영역에서 두 개의 X-선 파워 비율들이 계산되었다. 25 μm 두께의 구리 세선 X-핀치 실험은 SNU X-핀치 장치에서 50 kV 와 55 kV의 두 충전 전압 경우에서 수행되었다. Filtered AXUV 다이오드 어레이로 측정한 X-선 신호들에서 세 가지 종류의 X-선 버스트들이 관찰되었고 이 세 가지 버스트들에 대한 플라즈마 변수 분석이 수행됐다. 첫번째 버스트는 기존의 X-핀치와 비슷한 X-선 방출 특성을 보였다. 핫 스팟에서 방출되는 열 방사선이 첫번째 버스트에서 나타났고 열 방사선으로부터 추정한 핫 스팟의 전자 밀도와 전자 온도는 각 10^23 cm^-3과 1 keV 정도 였다. 충전 전압이 55 kV인 경우에서는 짧은 전자 빔에 의한 X-선 방출이 관찰되었고, 이때 고속 전자 비율이 최대 20%까지 상승한다. 두번째와 세번째 버스트는 긴 전자빔과 낮은 온도의 플라즈마의 상호 작용에 의해 상대적으로 긴 시간 동안 방출 된다. 두번째 버스트에서는 전자빔의 형성이 플라즈마의 전자 밀도의 상승을 동반하였고, 이 때 전자 밀도는 핫 스팟의 전자 밀도와 비슷한 수준까지 상승하였다. 반면, 세번째 버스트에서는 전자 밀도의 상승이 발생하지 않았고 전자 밀도가 두번째 세트의 경우 보다 매우 낮게 추정되었다. 추가적으로 더 두꺼운 구리 세선 X-핀치 실험들이 수행되었고 그 결과들을 비교했다. 와이어 두꺼워지면서 핫 스팟의 파라메터들과 긴 전자빔에 의한 X-선 버스트가 감소하고 핀칭 시점이 지연되었다. 그리고 40 μm 두께의 구리 세선 X-핀치에서는 단일 X-선 펄스가 방출됐다. 절연 세선 부하의 사용은 긴 전자빔에 의한 X-선 방출을 억제하였다. 절연 구리 세선 X-핀치는 강한 단일 X-선 펄스를 생성하였고 이 때, 핫 스팟의 전자 밀도와 전자 온도는 일반 구리 세선 X-핀치의 경우와 비슷하게 추정되었다. 그리고 X-선 다중 방출과 경 X-선의 방출이 감소하였다. 일반적인 구리 세선과 절연 구리 세선 X-핀치의 결과 비교를 통해, 긴 전자빔에 의한 X-선 버스트의 방출은 핫 스팟 형성보다는 핀치 시점과 연관되어 있을 것으로 예상했다. 또한, 본 연구의 실험 결과와 선행 연구들을 토대로 우리는 긴 전자빔에 의해 전자 밀도가 증가하는 것에 대한 가능성 있는 시나리오를 제시하였고 그 시나리오는 고에너지 전자빔들에 의한 추가적인 이온화와 전류 재연결을 포함한다. 본 연구를 통해, 긴 전자빔의 형성은 느린 X-핀치의 X-선 방출에서 중요한 역할을 한다는 것을 확인했고, 그렇기 때문에 그것의 역학에 대한 연구는 느린 X-핀치의 성능 개선에 중요한 단서를 제공할 것이다. 따라서 우리는 시준된 X-선 다이오드와 X-선 및 가시광 이미징 시스템, 가시광을 이용한 전압 및 전류 센서를 추가적인 연구를 위한 진단계로 제시하였다. 이 추가적인 진단계를 이용한 연구를 통해 느린 X-핀치의 최적화을 위한 새로운 요소를 제시할 수 있을 것으로 기대한다. An X-pinch has outstanding advantages as an x-ray source for high temporal and spatial resolutions thanks to its unique characteristics of the hot spot formed at a fixed point. According to conventional X-pinch studies, to emit intense x-ray pulses with low emission time, its current generator should meet a current rise rate of more than 1 kA/ns. However, several studies have confirmed that a slow X-pinch with a current rise rate of less than 1 kA/ns can produce narrow and intense x-ray pulses. Slow X-pinch has advantages as a portable laboratory-scale soft x-ray (SXR) source compared to the conventional X-pinch using a bulky and expensive current generator in that it uses a capacitor bank with a relatively small size, low cost, and simple structure. On the other hand, a slow X-pinch has disadvantages such as more frequent multi bursts, longer x-ray emission time, and larger jitter. An analysis of the x-ray peaks and the X-pinch plasma conditions is needed to improve these disadvantages. Thus, a filtered absolute extreme ultraviolet (AXUV) diode array is developed, suitable for analyzing multi bursts of the slow X-pinch with an x-ray emission time of about tens to hundreds of ns and a large time jitter. In addition, x-ray spectra are analyzed by FLYCHK code and a plasma parameter estimation for Cu wires X-pinch is attempted. In particular, late-time x-ray peaks contributing to the increase in multi bursts and x-ray emission time are analyzed. The filtered AXUV diode array is designed to measure the time evolution of the x-ray spectrum in an energy range of 1-10 keV. AXUV-HS5, the detector, has a fast rise time of 0.7 ns, a wide energy detection range, and high accessibility. We use the least-squares (LS) method that reconstructs a discrete spectrum with low spectral resolution directly from virtual channels (VCs). Geant4 simulation is utilized to design an appropriate filter set for flat-and-sharp VCs, where a filter with no spectral edge removes large tails of the response curves. Furthermore, the performance evaluation of VCs is conducted through the reconstruction of reference spectra formed by Geant4 simulation. As a result, it is confirmed that the filtered AXUV diode array reconstructs the x-ray spectrum with an average error of less than 10%. Plasma parameters can be obtained through x-ray spectrum analysis because plasmas with different parameters emit different x-ray spectra. The FLYCHK code is utilized to obtain synthetic spectra as a spectroscopic modeling tool. Synthetic spectra of Cu plasma with different electron temperatures, electron densities, and fast electron fractions are calculated by the FLYCHK code; three spectral ranges containing different Cu line radiations and varying differently with each parameter are specified by analyzing the spectra. For quantitative comparison with the measured spectrum, two x-ray power ratios with the spectral ranges are calculated from the synthetic spectra. 25 μm-thick Cu wires X-pinch experiments are conducted on SNU X-pinch with charging voltages of 50 and 55 kV. Three kinds of x-ray bursts are observed and plasma parameter analysis is performed on them. The first burst shows similar characteristics to those observed in the conventional X-pinch. Thermal radiations by HS are observed at the first set and their electron density and electron temperature are estimated to be around 10^23 cm^-3 and 1 keV, respectively. At a charging voltage of 55 kV, an x-ray peak by the short electron beam is observed, and the fast electron fraction rises to about 20%. The second and third bursts are both generated by the interaction between cold plasmas and long electron beams. In the second burst, the formation of electron beams is accompanied by an increase in electron density and it is similar to that of HS. While in the third burst, there is no increase in the bulk plasma parameters and the electron density is much lower than that of the second burst. Additionally, thicker Cu wires X-pinch experiments are conducted and the results are compared. As Cu wires become thicker, HS parameters and long electron beam generated x-ray bursts decrease, and pinch times are delayed; 40 μm-thick Cu wires X-pinch release a single x-ray peak. The use of an insulated wire load also suppresses the emission of x-rays by the long electron beam. The insulated Cu wires X-pinch produce a single intense x-ray peak from which we estimate similar electron density and electron temperature with those of the 25 μm-thick Cu wires X-pinch; multi bursts and emission of HXR are reduced by using the insulated Cu wires load. The results of bare and insulated Cu wires X-pinch are compared. As a result, the generation of x-ray burst by a long electron beam is expected to be related to the pinch time rather than the HS formation process. Furthermore, based on the experimental results and previous studies, we present a possible scenario for the increase of electron density by long electron beams, which involves additional ionization of plasmas by high-energy electron beams and current reconnection. This study confirms that the generation of long electron beams plays an important role in the x-ray emission of slow X-pinch; thus, its dynamics study will provide clues to the improvement of the slow X-pinch. Accordingly, we suggest the collimated x-ray diode, x-ray and optical imaging system, optical voltage and current sensors as diagnostics for further research. Research using the additional diagnostics is expected to present a new factor for the optimization of slow X-pinch.

X-ray 검출용 Zn_(0.03)Cd_(0.97)Te Detector 제작과 그 특성연구

서민령 전북대학교 교육대학원 1993 국내석사

A Zn_0.03 Cd_0.97 Te single crystal for X-ray detection was grown by Bridgman method and its optical property were investigated by photoluminescence measurement. From the photoluminescence measurement, we could estimate the energy bandgap to be 1.628eV at 22K and could calculate energy levels in the energy band gap. For the fabrication of a Schottky type X-ray detector, Au or Ag surface was vacuum-evaporated on the Zn_0.03 Cd_0.97 Te single crystal and its properties were investigated by photoresponse measurement and current-voltage measurement and capacitance-voltage measurement. From above measurements, we could find that the potential barrier height ΦBn, sturation current Js, ideality factor n, effective Richardson constant A'', and built-in potential V_D were 0.777V, 1.7x10^-8 A/㎠, 1.86, 5A/㎠/K^2, 0.514v for Au/Zn_0.03 Cd_0.97Te and 0.782V, 2.0x10^-8A/㎠, 1.84, 2A/㎠/K^2, 0.519v for Ag/Zn_0.03Cd_0.97Te X-ray detectors, respectively. And we could find that the carrier density of the n-type semiconductor was on the order of 10^13 at 300K. According to the above result, the Schottky type detector's Energy band diagrams were constructed with the energy band gap(1.52eV) of Au/Zn_0.03Cd_0.97Te and Ag/Zn_0.03Cd_0.97Te at 300K and the depletion region width was about 4.78㎛. Finally, we have found from X-ray detection measurements that our X-ray detectors have detection capability.

4차원 X선 영상법 개발: 미세기포 동역학 연구 : Development of Four-Dimensional X-ray Imaging for Microbubble Dynamics

정지원 포항공과대학교 일반대학원 2013 국내박사

Four-dimensional (4-D) imaging of bubbles, despite providing useful evidences to investigate their interactions, is largely unexplored for microbubbles, mostly due to strong light scattering and shallow depth of field in conventional optical imaging. In this thesis, a 4-D X-ray imaging method for bubble dynamics is developed based on development of high performance X-ray imaging detector. The high spatio-temporal resolution of the developed detector allows 4-D X-ray microtomography of (rising) microbubbles with high temporal resolution. The thesis consists of three parts; 1) development of a high performance X-ray detector for 4-D microtomography, 2) development of 4-D X-ray microtomography system, and 3) development of tracking 4-D X-ray microtomography. As the first topic, a high performance X-ray imaging detector was developed to realize high spatial and/or temporal resolution for 4-D microtomography. A high spatial resolution (a measurable feature size of 300 nm) without radiation damage of optical lens and camera was achieved by optimizing the optical configuration with high numerical aperture and long working distance, specifically by miniaturizing the conversion (of X-rays to visible lights) system. Temporal resolution is also significantly enhanced up to 9.8 μs, by enhanced light conversion efficiency of scintillation screen and enlarged solid angle of signal collection. The developed detector was successfully tested not only for the visualization of pinch-off phenomenon of a water droplet from a metal needle, but also for bubble detachment of a microbubble from a nozzle. These tests clearly evidenced the capabilities of the X-ray imaging detector for fast microtomography in microbubble systems. The second part of the thesis was to develop a 4D X-ray microtomography system for visualization of microbubble based on the X-ray imaging detector developed above. The 4-D microtomography system was built up in SPring-8 BL29XU RIKEN beamline with bright monochromatic X-rays. The shortest scan time for the acquisition of a tomographic series was 0.25 s with 1.25 μm spatial resolution. The 4-D visualization with the microtomography system was successfully tested by observing quasi-static bubbles in a viscous bubbly flow. The last part of the thesis was to develop ‘Tracking 4-D X-ray microtomography’ for 4-D visualization of rising microbubbles. By counterbalancing their rise, time-dependent information of rising bubbles such as sizes, shapes, position and velocities of rising microbubbles (< 500 μm) were clearly visualized in 3-D geometry. Rising speed of individual bubbles, relative distance and angles could be acquired simultaneously. In addition, high resolution imaging of multiple rising microbubbles could be successfully visualized regardless of horizontal overlap. The tracking X-ray microtomography affords new opportunities for understanding bubble-bubble (or bubble-particle) interactions at micro scales, which is important in various fields such as microfluidics, biomechanics, and floatation.

X선 촬영장치의 성능, 화질 및 피폭선량 평가에 관한 연구

민형기 인제대학교 2006 국내박사

Since W.C. Roentgen discovered X-rays in 1895, X-rays has been the technology to provide image information of the inside of human body as a non-invasive method, occupying a large part of medical imaging field. In order to make a diagnose of diseases inside a humanbody, the use of X-rays is indispensible, and in acquiring medical images with X-rays, optimum medical image quality should be obtained with minimum exposure to an X-ray generator. Currently, with the drastic increase of the use of X-rays, a lot of research is ongoing domestically and abroad in the field of diagnostic radiology, especially in terms of image quality and patient dose control for each radiographed part. However, depending on the kinds of diagnostic X-ray generators, the quality and the amount of X-rays vary. Therefore, with analysis on quality of each diagnostic X-ray generator and its quantitative evaluation of patient dose, it is needed to propose regulation plans for each equipment. In this context, this study examines the aspects of image quality and patient dose by the kinds of diagnostic X-ray generators. In this study, first, characteristics of X-ray generation for three different types of diagnostic X-ray generators - single-phase X-ray generator, three-phase X-ray generator, and inverter-type X-ray generator - were analyzed through circuit analysis of equipment, and the measurements of the quality of generated X-rays and the uniformity of X-ray amount. Second, images of various body parts produced by each equipment were obtained and image diagnostic ability of each equipment was assessed through subjective as well as physical appraisals. Lastly, according to the CDRH recommendations, patient doses for various radiographed body parts were measured, and the quality of each equipment and the extent of the differences of patient dose were quantitatively analyzed. As a result, in the case of the X-ray quality and the uniformity of X-ray amount of the diagnostic X-ray generators, each equipment used for this study showed features conforming to safety management regulations for diagnostic X-ray generators. However, in terms of the evaluation of the X-ray quality and the uniformity of X-ray amount, the inverter type had the lower standard deviation than the single-phase generator. Also, under the same exposure condition (80kVp), it was found that the inverter type (38.14KeV) generated the higher quality of X-rays than the single-phase generator (36.363keV) Also, in the case of the quality analysis through obtaining various medical images, the result of clinical radiologists' assessments shows that: even though images produced by both the single-phase generator and the inverter type are sufficiently suitable for making a diagnosis, the inverter type was evaluated as superior by 6% in fine resolution and anatomical index of the images. Moreover, in terms of MTF and DQE, the physical image evaluation indexes of phantom images, the inverter type was again found better by 18% and 35%, respectively. This confirmed that the results of physical evaluation and clinical radiologists' subjective assessments agreed with each other. Regarding the evaluation of patient doses for various radiographed parts, which was performed last, this study was carried out under condition to obtain skull, abdomen, and chest images. The findings show that the inverter type drew the lower patient doses than the single-phase type in all parts - 6.6% in skull, 8.9% in abdomen, and 9.8% in chest image. Therefore, under the same condition, the image quality and patient doses differ depending on the type of diagnostic X-ray generator, and this sufficiently indicates the necessity to prepare different safety management regulations for diagnostic X-ray generators by the type of high voltage power supply. 1895년 W.C.Roentgen에 의해 X선이 발견된 이래, X선은 비침습적 (non-invasive method) 기법으로 인체내 영상 정보를 제공하는 기술로, 현재 의료영상 분야에서 가장 많은 부분을 차지하고 있다. 인체내 질병의 진단을 위해서는 X선의 사용은 필수불가결한 것이므로 엑스선을 이용한 의료 영상의 획득시 엑스선 발생장치 (x-ray generator)의 최소한의 노출 (minimum exposure)로써 최적의 의료 영상 화질 (medical image quality)을 획득해야 한다. 현재 엑스선의 급격한 사용 증가로 인해 진단 방사선 (diagnostic radiology) 영역에서의 화질 (image quality)과 피폭관리 (patient dose control)에 많은 연구가 수행되고 있는 실정이다. 이러한 국내외적인 연구는 진단 영역에서의 각 촬영부위에 대한 환자 피폭선량 규제에 대한 연구에 포커스 되어 있는 것으로 분석된다. 하지만 진단용 엑스선 발생장치의 종류마다 발생되는 엑스선의 선질 (quality)과 양의 차이가 있으므로, 진단용 엑스선 발생장치에 따른 화질의 분석 및 그에 따른 환자 피폭선량의 정량적 평가를 통해, 각 장치에서의 규제안을 마련할 필요성이 있다 할 것이다. 이에 본 연구에서는 진단용 엑스선 발생장치의 종류에 따라 화질적 측면과 환자의 피폭선량 을 연구하였다. 본 연구를 위해 먼저 진단용 엑스선 발생장치의 방식인 단상형 발생장치 (single phase x-ray generator)와 삼상형 발생장치 (three phase generator) 및 인버터 발생장치 (inverter type generator)의 장치에서의 엑스선 발생 특성을 장치의 회로 분석 및 엑스선 발생 선질, 선량 균일도 등의 측정을 통해 분석하였으며, 둘째, 각 장치에서 다양한 인체 부위별 영상을 획득하여 주관적 및 물리적 평가를 통해 각 장치에서의 영상 진단능 (diagnostic ability)을 평가하였으며, 마지막으로 인체의 다양한 촬영 부위에서의 피폭선량 (exposure dose)을 CDRH에서 권고안에 따라 측정하여, 각 장치에서의 화질적 측면과 피폭선량의 차이 정도를 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 먼저 진단용 엑스선 발생장치의 엑스선 발생 선질 및 선량 균일도 (quality uniformity)의 경우, 사용한 각 장치에서마다 진단용 엑스선 발생장치의 안전관리 규제에 적합한 특성을 나타내었으나, 선질 및 선량 균일도 평가의 경우, 인버터 방식에서 단상형 발생장치에서보다 표준편차가 낮음을 알 수 있었으며, 엑스선 선질의 경우에서도 동일한 노출조건(80kVp)에서 인버터 방식(38.14keV)에서 단상형 발생장치(36.363keV)에서보다 높은 엑스선 선질이 발생됨을 알 수 있었다. 또한, 다양한 의료영상 획득을 통한 화질 분석의 경우, 임상판독의(clinical radiologist)의 평가 결과 단상 및 인버터 방식에서 획득한 영상 모두 진단에 충분히 적합하지만, 영상의 미세 분해능 (fine resolution)과 해부학적 지표 (anatomical index)에서 인버터 방식이 6% 정도 우수한 것으로 평가되었다. 또한 phantom 영상의 물리적 영상 평가 지표인 MTF 및 DQE의 경우, 각각 약 18% 및 35% 정도로 인버터 방식이 우수한 것으로 평가되었다. 이를 통해 물리적 평가 결과와 임상의들의 주관적 평가 결과가 일치하고 있음을 확인할 수 있었다. 마지막으로 수행한 다양한 촬영부위에서의 환자 피폭선량 평가의 경우, 본 연구에서는 두부(skull), 복부(abdomen), 흉부(chest) 영상 획득 조건에서 수행한 결과, 모든 부위에서 인버터 방식에서 단상형 방식에서보다 낮은 환자 피폭선량을 도출할 수 있었다. 두부의 경우 6.6%, 복부의 경우 8.9%, 흉부의 경우 9.8% 정도 낮은 결과를 나타내었다. 이렇듯 각 진단용 엑스선 발생장치 방식에 따라 동일 조건에서의 화질과 환자 피폭선량에 있어 그 차이를 나타내고 있으므로, 그 고전압 발생 방식에 따라 진단용 엑스선 발생장치의 안전 규제 기준에 있어 다른 규제안을 마련할 충분한 필요성이 있다고 사료된다.