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KR101194652B1 - 고전류 디시 양성자 가속기 - Google Patents

고전류 디시 양성자 가속기 Download PDF

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KR101194652B1
KR101194652B1 KR1020117004708A KR20117004708A KR101194652B1 KR 101194652 B1 KR101194652 B1 KR 101194652B1 KR 1020117004708 A KR1020117004708 A KR 1020117004708A KR 20117004708 A KR20117004708 A KR 20117004708A KR 101194652 B1 KR101194652 B1 KR 101194652B1
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Abstract

고 에너지에서 고전류의 양성자 빔을 가속할 수 있는 dc 가속기 시스템이 제공된다. 가속기 시스템은 dc 고-전압, 고-전류 전력 공급기, 진공 이온 가속 튜브, 양성자 이온 소스, 쌍극자 분석 자석 및 고-전압 터미널에 위치하는 진공 펌프를 포함한다. 고-전류, 고-에너지 dc 양성자 빔은 붕소 중성자 포획 요법(BNCT) 분야, NRA 분야 및 실리콘 절단과 같은 분야에 따라 다수의 타겟으로 유도될 수 있다.

Description

고전류 디시 양성자 가속기{HIGH-CURRENT DC PROTON ACCELERATOR}
본 발명은 양성자 가속기에 관한 것이다. 본 출원은 동일한 제목으로 2008년 8월 11일자에 출원된 미국 가특허 출원 제61/087,853호의 이익을 주장하고, 그 전체는 본 출원에 참조로서 통합된다.
1920년대 말과 1930년대 초에, 실험 핵 물리학 연구는 다양한 입자 가속기의 발명으로 인하여 활발해졌다. 이들 시스템은 롤프 비더뢰(Rolf Wideroe)에 의한 고주파(Radio Frequency; RF) 드리프트- 튜브(drift-tube) 선형(linear) 가속기, 어니스트 로렌스(Ernest Lawrence)에 의한 RF 나선-궤도 사이클로트론(spiral-orbit cyclotron), 존 콕크로프트(John Cockcroft) 및 어니스트 왈톤(Ernest Walton)에 의한 직류(dc) 캐스케이드-정류기(cascaded-rectifier) 고전압 발생기 및 로버트 반 데 그라프(Robert Van de Graaff)에 의한 직류 정전 고전압 발생기를 포함한다. 대략 600 반 데 그라프 이온 및 전자 가속기는 매샤추세츠 인스티투트 오브 테크놀로지(Massachusette Institute of Technology; MIT) 교수들에 의하여 1946년 설립된 하이 볼테지 엔지니어링 코포레이션(High Voltage Enginnering Corporation)에서 제작되었다. 이들 정전 시스템은 작은 직경 및 미세하게 제어 가능한 에너지를 가진 낮은 다이버전스(divergence) 입자 빔을 제공하는 능력 때문에 매우 유명하게 되었다. 이온 소스는 낮은 전력의 RF 발생기에 의하여 여기된(excited) 플라즈마를 갖는 전형적으로 작은 글래스 튜브이다. 양성자 빔 전류는 수백 마이크로암페어로 제한되었고, 그러나 이는 핵 물리학에 있어서 많은 연구 프로그램을 수행하기에 충분하였다.
물리학자와 다른 과학자는 다양한 분야에서 고전류 빔을 제공할 수 있는 가속기를 찾아내었다. 예를 들어, 미항공우주국(NASA)은 우주에서 위성에 대한 반 알렌 복사(Van Allen radiation)의 해로운 영향을 조사하기 위하여 높은 양성자 빔 전류를 제공할 수 있는 가속기를 찾아내었다. 이들의 요구는 듀오플라즈마트론(Duoplasmatron) 형태 이온 소스를 갖는 다이나미트론 dc 가속기의 발전을 가져왔다(M. von Ardenne, Tabellen der Electrophysik, Ionenphysik und Ubermikroskopie I.V.E.B. Deutcher Verlag der Wissenschaften, 544-549 (1956); C.D. Moak, H.E. Banta, J.N. Thurston, J.W. Johnson, R.F. King, Duoplasmatron Ion Source for Use in Accelerators, Rev. Sci. Instrum. 30, 694 (1959)). 라디에이션 다이나믹스사(Radiation Dynamics, Inc.; RDI, 최근에 IBA 인더스트리얼사로 변경됨)에 의하여 개발된 개선된 듀오플라즈마트론 이온 소스는, 수소 또는 듀테륨(deuterium) 플라즈마로부터 획득한 단원자(atomic), 이원자(diatomic) 및 삼원자(triatomic) 이온을 10 밀리암페어(mA) 이상 방출할 수 있었다(M.R. Cleland, R.A. Kiesling, Dynamag Ion Source with Open Cylindrical Extractor, IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-14, No. 3, 60-64(1967); M.R. Cleland, C.C. Thompson, Jr., Positive Ion Source for Use with a Duoplasmatron, U.S. Patent No. 3,458,743, Patented July 29, 1969).
다른 예로, 독일에 있는 함부르크-에펜도르프(Hamburg-Eppendorf) 대학 병원에서 AEG 텔레푼켄(Telefunken)과 합작한 RDI에 의하여 1970년대 초반에 개발된 고속 중성자 암 치료 시스템은, 회전하는 트리티움(tritium) 코팅된 타겟으로부터 14 MeV 중성자(시간당 > 2×1012 중성자)의 고강도 소스를 생산하기 위하여, 원자 및 분자 듀테륨 이온의 12 밀리암페어(mA) 빔을 600 킬로전자볼트(keV) 에너지까지 가속하였다(M.R. Cleland, The Dynamic IV Fast Neutron Therapy System, Proceedings of the Work-Shop on Practical Clinical Criteria for a Fast Neutron Generator, Tufts-New England Medical Center, Boston, Massachusetts, 178-189(1973) and B.P. Offermann, Neutron-Therapy Unit for the Universitatskrankenhaus Hamburg-Eppendorf Radiologische Universitatsklinik, in the same Work-Shop Proceedings, 67-86(1973)).
그러나, 더 큰 다이나미트론에서 더 높은 에너지(4.5 메가전자볼트(MeV) 까지)를 위한 원자 및 분자 수소 이온의 혼합 빔의 가속은 오직 몇 밀리암페어로 제한되었다. 더 긴 가속 튜브를 통하여 흐르는 이온 소스로부터의 잔류 수소 가스와 에너지 이온의 충돌은, 포커싱되지 않은(unfocussed) 수소 이온 및 자유 전자를 생성하는 바람직하지 않은 영향을 미쳤다. 이들 원하지 않는 이온과 전자의 일부는 중간 다이노드(dynodes)에 의하여 가로막혔고, 가속 튜브를 따라 전압 분배를 왜곡하였다. 이 영향은 높은 빔 전류에서 불안정한 동작을 일으켰다. 이들 충돌에 의하여 생성된 자유 전자는 양의(positive) 고전압 터미널을 향하여 되돌아 갔고, 여기서 X-선을 발생시켰다. X-선은 고전압 발생기를 절연하기 위하여 사용되었던 설퍼 헥사플루오라이드(sulfur hexafluoride) 가스를 고압력에서 생산하였다. 이 결과는 고-전압 정류기 칼럼으로부터, 캐스케이드 정류기 시스템에 의하여 둘러싸이고 전압이 인가된 RF 전극으로의 dc 전류 흐름에 의하여 표시되고, 또한 압력 용기의 외부에서 X-선 패턴을 측정함으로써 증명되었다. 가속 튜브에서 자유 전자에 의한 X-선 발생은, 가속기 설비에서 고전압 전력을 소모하고, 방사 차폐 요구를 증가시키기 때문에 바람직하지 않다.
상술한 이온 전류 제한은, 가속 튜브로의 수소 가스의 흐름을 감소시키기 위하여 이온 소스 주위에 티타늄 게터(getter) 펌프를 추가함으로써 경감될 수 있다는 추가적인 연구가 발표되었다. 분자 수소 이온을 편향하고 분자 수소 이온이 가속 튜브에 진입하는 것을 방지하기 위하여, 이온 소스 뒤에 정전 아인젤(einzel) 렌즈 및 교차된 전기장 및 자기장 질량 분석기가 추가되었다(E.M. Kellogg, Ion-Gas Collisions During Beam Acceleration, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-12, No. 3, 242-246(1965); M.R. Cleland, P.R. Hanley, C.C. Thompson, Acceleration of Intense Positive Ion Beams at Megavolt Potentials, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-16, No. 3, 113-116(1969)).
그러나, 수 밀리암페어보다 더 많은 빔 전류를 제공할 수 있는 고-에너지 dc 양성자 가속기들은 이전에 개발되지 않았다. 고-전류, 고-에너지 dc 양성자 가속기를 필요로 하는 또는 이로부터 이득을 얻는 많은 매우 중요한 분야가 있다. 예를 들어, 붕소 중성자 포획 요법(Boron Neutron Capture Therapy; BNCT), 핵공명 흡수(Nuclear Resonance Absorption; NRA)에 의한 폭발 물질 검출 및 태양 전지에 사용되는 얇은 실리콘 웨이퍼의 생산을 위한 실리카 분열 등과 같은 분야가 그런 능력을 가진 가속기로부터 이득을 얻는다.
이러한 가속기에 대한 필요가 높아짐에도 불구하고, 고-전류 및 고-전력 특성 모두를 갖는 양성자 가속기 개발에 대한 시도는 성공적이지 않았다. 고-전류, 고-전력 펄스 양성자 빔은 고주파 쿼드러플(Radio-Frequency Quadrupole; RFQ) 가속기의 사용에 의하여 생성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, dc 양성자 가속기는, RFQ 가속기로부터의 펄스 빔에 비하여 훨씬 전기적으로 능률적이며, 연속 빔을 생산할 수 있기 때문에 더 바람직하다. 연속 dc 빔은 큰 영역 타겟을 스캔할 때 펄스 빔보다 균일한 선량 분포(dose distribution)를 생산할 수 있다. 또한, dc 가속기는 에너지 변화가 훨씬 적은 양성자 빔을 생산할 수 있고, 이는 얇은 실리콘 웨이퍼의 생산과 NRA 분야에 있어서 중요하다.
본 발명은 고에너지에서 고전류 양성자 빔을 가속할 수 있는 dc 가속기 시스템이 제공된다.
본 발명의 가속기 시스템은 dc 고-전압, 고-전류 전력 공급기, 진공 이온 가속 튜브, 양성자 이온 소스, 쌍극자(dipole) 분석 자석 및 고-전압 터미널에 위치한 진공 펌프를 포함한다.
dc 가속 시스템은 종종 빔 튜브라고도 불리고, 절연 링에 의하여 서로 각각 분리된 복수의 전도성 전극으로 이루어진 가속 튜브를 갖는다. 상기 가속 튜브는 양성자 빔에 균일하고 포커싱된 가속 전기장을 제공하도록 구성된다. 바람직하게는 0.4 메가전자볼트(MeV) 또는 그 이상의 고전압, 5 밀리암페어(mA) 또는 그 이상의 고전류 전력 공급기는 가속 튜브에 가속 전압을 공급한다. 이온 소스는 외부 마이크로웨이브 발생기에 의하여 공급된 마이크로웨이브 전력으로 수소 가스를 이온화함으로써 양성자를 생성한다. 플라즈마는 소스를 둘러싼 영구 자석으로 발생된 축 자기장에 의하여 제한된다. 이온 소스는 작은 빔 추출 개구(beam extraction aperture)를 갖고, 빔 추출 개구를 통하여 바람직하게는 초당 3 표준 ㎤(standard cubic centimeters per minute; SCCM) 보다 적은 중성 수소 가스를 방출하면서, 바람직하게는 5 밀리암페어(mA) 또는 그 이상의 고전류의 양성자 빔을 제공한다.
바람직하게는 가속기 시스템은 가속 튜브에서 이온-가스 충돌과 같은 해로운 영향을 감소시키는 구성요소를 포함한다. 쌍극자 분석 자석은 이온 소스와 가속 튜브 사이에 위치한다. 분석 자석의 자기장 구성은 이온 소스에 의하여 생성된 양성자 이외의 이온이 가속 튜브에 도달하는 것을 방지한다. 이온 소스 및 가속 튜브 사이에 연결된 진공 흡착(sorption) 펌퍼가 가속 튜브에 진입하는 중성 수소 가스의 양을 감소시키기 위하여 포함될 수도 있다. 작은 개구가 가속될 빔의 다이버전스를 제한하고, 가속 튜브에 진입하는 중성 가스의 양을 더 제한하기 위하여 가속 튜브의 입구에 위치할 수도 있다.
고-전류, 고-에너지 dc 양성자 빔은 분야에 따라 다수의 타겟으로 유도될 수 있다. 예를 들어, 붕소 중성자 포획 요법(BNCT) 분야에서, 가속된 양성자 빔은 중성자 생성을 위하여 두 개의 리튬 코팅된 타겟 중 하나로 향하게 될 수 있다. 하나의 타겟은 다른 방향으로부터 암 환자들을 치료하기 위하여 회전 갠트리(gantry)에 장착될 수 있다. 다른 하나는 회전 갠트리의 사용이 필요하지 않은 치료를 위하여 고정된 위치에 장착될 수 있다. 가속기의 축에 위치한 쌍극자 자석은 작동기가 하나의 타켓으로부터 다른 타겟으로 빔을 스위칭할 수 있도록 한다. 가속 튜브의 기저(base) 주위의 압력 용기 내부에 위치한 자기 쿼드러플 렌즈는 복합 빔 수송 시스템의 제1 구성요소이다.
또는, NRA 분야에서, 폭발 물질에 전형적으로 존재하는 핵종(nuclides)을 여기하기 위하여 적합한 에너지의 감마선을 생성하는데 다른 타겟이 사용된다.
본 발명에 제공된 개시에서 본 발명의 다른 측면이 당업자에게는 자명할 것이다.
본 발명에 의하면 고 에너지에서 고전류 양성자 빔을 가속할 수 있는 dc 가속기 시스템이 제공된다. 본 발명에 따라 생산된 양성자 가속기는 빔의 에너지를 유지하는 동안 적어도 약 5 밀리암페어(mA) 및 100 밀리암페어(mA)만큼 높은 전류에서 양성자 빔을 가속할 수 있다.
아래의 도면들은 본 발명을 예시하는 목적을 위한 것이고, 어떤 방식으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 고-전류, 고-에너지 dc 양성자 가속기의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 이온 소스, 쌍극자 분석 자석, 진공 챔버 및 고-전류, 고-에너지 dc 양성자 가속기의 가속 구조의 입구의 실시예의 두 개의 시점을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 고-전류, 고-에너지 dc 양성자 가속기의 이온 소스의 실시예의 두 개의 시점을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 고-전류, 고-에너지 dc 양성자 가속기의 쌍극자 분석 자석의 실시예의 두 개의 시점을 나타내는 도면이다.
도 9는 X, Y 방향에서 양성자 빔 프로파일의 측정값을 나타내는 그래프이다.
고 에너지(high energies)에서 고전류(high currents) 양성자 빔을 가속할 수 있는 dc 가속기 시스템(1)이 기술된다. 본 발명의 양성자 빔은 적어도 약 0.3 메가전자볼트(MeV), 매우 높은 전류에 대해서는 5 메가전자볼트(MeV)만큼 높은 에너지를 갖고 있다. 이들 에너지에서, 본 발명에 따라 생산된 양성자 가속기는 빔의 에너지를 유지하는 동안 적어도 약 5 밀리암페어(mA) 및 100 밀리암페어(mA)만큼 높은 전류에서 양성자 빔을 가속할 수 있다.
dc 가속기 시스템(1)의 특정 레벨은 의도된 분야에 따라 결정될 것이다. 예를 들어, BNCT에서는 10-20 밀리암페어(mA)의 빔 전류로 1.9-3.0 메가전자볼트(MeV) 범위의 에너지가 사용된다. 핵 공명 흡수(nuclear resonance absorption; RNA)에 의한 폭발 물질의 검출은 검출되는 물질에 따라 가변적이다. 광전지를 생산하기 위한 실리콘 블록의 실리콘 절단에 있어서, 두꺼운 실리콘 웨이퍼를 생산하기 위하여 약 4 메가전자볼트(MeV)의 에너지 또는 얇은 슬라이스를 생산하기 위하여 1 메가전자볼트(MeV) 또는 그보다 작은 에너지에서, 15-25 밀리암페어(mA) 또는 심지어 30-40 밀리암페어(mA)만큼 높은 전류가 사용된다.
바람직한 실시예의 설명이 도 1 및 도 2에서 제공된다. 도 1 및 도 2는 고 에너지에서 고전류의 양성자 빔을 가속할 수 있는 dc 가속기 시스템(1)의 주요 구성요소를 나타내고 있다. dc 가속기 시스템(1)은 진공 챔버(40)를 통하여 dc 가속 구조체(30)에 결합된 양성자 이온 소스(10)를 포함한다. 쌍극자 분석 자석(20)은 이온 소스(10) 및 dc 가속 구조체(30) 사이에 위치하고 있다. dc 가속 구조체(30)는 dc 가속 구조체(30)에 대하여 가속 전압을 제공하는 고전압, 고전류(5 밀리암페어(mA) 이상) 전력 공급기(50)와 연결된다. dc 가속 구조체(30)는 특정 분야에 대하여 빔 형상을 제어하기 위한 빔 포커싱 렌즈로 나간다.
주요 구성요소는 압력 용기(71)에 싸여 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 가속기 용기 냉각기(79), 절연 지지체(72)가 도시되어 있다. 또한, RF 고전압 변환기(77) 및 RF 전극(75)도 도시되어 있다. 이들 구성요소는, 양성자 이온 소스(10), 쌍극자 자석(20), 진공 챔버(40) 및 가속 구조체(30)의 가속 튜브(32)를 도시하기 위하여, 도 2에 포함되어 있지는 않다.
양성자 이온 소스(10), 쌍극자 자석(20), 진공 챔버(40) 및 가속 구조체(30)의 가속 튜브(32)의 입구에 대한 두 개의 확대도가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3 및 도 4는 같은 구성요소의 다른 시점에서의 도면을 나타낸다.
양성자 이온 소스
도 5 및 도 6은 양성자 이온 소스(10)의 일 실시예를 나타낸다. 도 5는 내부의 측면을 나타내고 있고, 도 6은 정면을 나타내고 있다. 적은 양의 잔류 가스를 유입하면서, 양성자 이온 소스(10)는 약 5 밀리암페어(mA) 또는 그 이상의 고전류 양성자를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 양성자 소스는 동시에 양성자의 필요한 양을 생성하면서, 약 3 sccm 이하, 더욱 바람직하게는 1 sccm 이하의 잔류 가스를 생성한다. 도 2에 도시된 양성자 소스(10)는 빔 추출 개구(또는 출구 개구)를 갖고, 쌍극자 분석 자석(20) 및 진공 챔버(40)로 통한다.
바람직한 실시예에서, 컴팩트 고-전류, 마이크로웨이브-구동 양성자 소스가 이용된다. 본 발명의 시스템에서 사용되기에 특히 적합한 하나의 이온 소스는 마이크로웨이브 구동 시스템에 의하여 에너지를 공급받는 자기적으로 제한된 플라즈마를 포함한다(J.S.C. Wills, R.A. Lewis, J. Diserens, H. Schmeing, and T. Taylor, A Compact High-Current Microwave-Driven Ion Source, Reviews of Scientific Instruments, Vol. 69, No. 1, 65-68 (1998)). 이 이온 소스는 단수명 산화-피복 캐소드 및 양성자보다 더 분자 수소 이온을 방출하는 초기 다이나미트론에 사용된 듀오플라즈마트론 이온 소스와는 다르다. 고체-상태 마이크로웨이브 발생기(15)는 약 2.5 기가헤르쯔(GHz) 주파수에서 약 400 와트(watts)까지의 전력을 공급할 수 있다. 열전자(thermionic) 캐소드는 이온 소스 또는 마이크로웨이브 발생기에서 필요하지 않다. 이들 특징은 정기적 유지가 요구되기 전에 양성자 가속기의 작동 시간을 실질적으로 증가시킨다.
가요성(flexible) 동축 케이블(16) 및 테이퍼(tapered) 마이크로웨이브 도파관(18)은 발생기(15)로부터 이온 소스(10)로 마이크로웨이브 전력을 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 선택적으로, 영구 자석(19)이 이온 소스(10) 주위에 위치한다. 영구 자석(19)은 이온의 손실을 일으킬 수 있는 플라즈마와 소스 벽과의 접촉을 감소시키기 위하여 플라즈마를 제한하는 축 자기장(axial magnetic filed)을 제공한다. 사용되는 영구 자석(19)의 형태는 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 영구 자석 및 예를 들어, 사마륨 코발트(samarium cobalt) 또는 네오디뮴(neodymium)과 같은 영구 자기화할 수 있는 것을 포함한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에서 자석(19)의 위치를 나타내고 있다. 점선은 자기장을 변화시키기 위하여 자석(19)의 위치를 변경시키는데 사용될 수 있는 스페이서(spacers)를 나타낸다.
다른 형태의 이온 소스도 이온 소스가 전술한 바와 같은 잔류 가스 비율로 높은 양성자를 생성하기만 하면 사용될 수 있다. 예를 들어, 이온 소스는 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 형태가 될 수 있다. 이 형태는 동일한 마이크로웨이브 주파수에 대하여 더 큰 직경을 갖는 플라즈마 챔버가 필요하고, 그러나 자석 구성요소의 비용을 증가시킨다.
전형적인 동작 조건은 약 300 와트(watts)의 마이크로웨이브 전력을 갖는 약 5~20 밀리암페어(mA) 양성자 빔을 제공할 수 있다. 질량 흐름 제어기(mass flow controller)(도시하지 않음)는 약 2 sccm의 수소 가스를 이온 소스(10)의 플라즈마 챔버(17)에 공급하도록 사용될 수 있다. 동작 조건은 빔의 최종 응용분야에 따라 변화할 것이다. 수소는 전형적으로 두 개의 작은 고-압력 탱크(도시하지 않음)에 저장된다. 저장된 가스의 양은 약 일년 동안 하루 8시간의 계속적인 동작을 가능하게 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 고-전압 터미널 내부의 설비에 저-전압 전력이 회전 전기 발생기에 의하여 공급되고, 접지 전위(ground potential)에서 모터에 의하여 절연 샤프트로 구동된다.
양성자 추출 및 주입 시스템
수소 이온은 플라즈마로부터 분리되고 작은-개구 가속 추출 전극(11) 및 이온 소스(10)의 출구 개구(exit aperture)(12) 사이에 형성된 강한 전기장으로 좁은 빔으로 형성된다. 이 개구는 태이퍼 마이크로 도파관(18)에 대향하는 이온 소스(10)의 말단에서 실린더형 플라즈마 챔버(17) 상에 위치한다. 전술한 것과 같이 마이크로웨이브 구동 양성자 소스에 대하여, 양성자 성분은 바람직하게는 전체 이온 방출의 적어도 약 60%가 될 것이다. 나머지들은 주로 이원자 및 삼원자 수소 이온이다. 가속 추출 전극(11) 및 이온 소스(10) 사이에 인가된 전압은 전형적으로 약 30 킬로볼트(kV) 이고, 그러나 특정 응용분야에 따라 더 높을 수도 더 낮을 수도 있다. 감속 전극(13)은 이온-가스 충돌에 의하여 생성된 저-에너지 전자가 이온 소스로 되돌아 오는 것을 방지하기 위하여 추출 전극(110)의 내부 및 하류에 위치한다. 이것은 상기 전자가 추출된 이온 빔에 축적되도록 하고, 이에 의하여 이온 빔의 공간 전하 팽창을 방지하도록 한다. 가속 전극(11) 및 감속 전극(13) 사이의 약 1.5 킬로볼트(kV)에서 2.0 킬로볼트(kV)의 전압차는 이 목적을 위하여 충분하다.
출구 개구(12)는 처음의 빔에서 양성자가 무거운 이온으로부터 분리되는 진공 챔버(40)로 통한다. 분리는 바람직하게는 이온 소스(10) 및 가속 튜브(32) 사이에 위치한 쌍극자 분석 자석(20)에서 이루어진다. 이 쌍극자 분석 자석(20)은 가변-장(variable-field) 전자석 또는 고정-장(fixed-field) 영구 자석 중 하나일 수 있다. 영구 자석은 작다는 이점을 갖고, 전력 공급기 또는 제어 시스템을 필요로 하지 않는다. 쌍극자 분석 자석(20)은 이온 소스(10)에 의하여 생성된 이원자 및 삼원자 수소 이온과 같은 양성자가 아닌 이온이 가속 구조체(30)에 도달하는 것을 방지하는 장(field)을 발생시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 쌍극자 자석(20)은 약 45 도의 각도에 있거나, 분야에 따라 다른 각에 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 쌍극자 분석 자석(20)은 고정-장 분석 자석이고, 영구 자석 물질(28)의 조각으로 구성되고, 자기장의 형상을 제어하기 위하여 철 조각을 포함할 수 있다. 자석 물질(28) 및/또는 철 조각의 정확한 배열은 가변적일 수 있고, 도 7 및 도 8에 하나의 디자인이 도시되어 있다. 자석(28)은 바람직하게는 철로 구성된 자석 폴(pole) 뒤에 설치되고, 균일한 자기장을 제공하는 기능을 한다. 고정-장 분석 자석(20)은 양성자 빔의 다이버전스를 감소시키기 위하여 굴곡 면 및 직각 방향 모두에서 집속도(focusing effect)를 생성하는 비스듬한(angled) 폴 팁(25)을 포함할 수 있다. 초기 다이나미트론과 비교하여, 정전 아인젤 렌즈 및 교차-장(crossed-field) 질량 분석기의 사용은, 공간 전하 팽창 영향을 무효화시키기 위하여 빔에서 저-에너지를 유지하도록 요구되기 때문에, 고-전류 빔에는 적절하지 않을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 진공 흡착 펌프(43)는 이온 소스(10) 및 가속 튜브(32)를 연결하는 진공 챔버(40)에 연결되어 있다. 진공 흡착 펌프(43)는 중성 가스의 가속 튜브(32)로의 흐름을 최소화한다. 진공 흡착 펌프(43)는 수소 가스에 대하여 높은 펌핑 속도를 갖는 흡착 펌프일 수 있다.
이온 소스로부터 추출된 빔의 가로 치수(transverse dimension)가 측정되었다. 빔 라인으로부터 외부로 연장되는 두개의 액추에이터(actuators)가 빔을 통하여 얇은 와이어를 통과시키기 위하여 사용되었다. 이들 액추에이터들은 선형 기어에 의하여 구동되었다. 도 9에 시스템(1)에 의하여 생성된 거의 삼각형 빔 프로파일이 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 쌍극자 자석에서 빔 편향을 증가시키기 위하여 추출 전압을 약간 낮춤으로써 가로(X) 프로파일은 세로(Y) 프로파일로부터 오프셋되었다. 이는 단지 동일 그래프에서 가로 및 세로 프로파일을 표시하는데 있어서 혼동을 방지하기 위하여 이루어졌다. 실제, 가속 구조체(30)에서 추출 전압은 가속 튜브(32)의 축에 편향된 양성자 빔을 정렬하기 위하여 조절된다. 쌍극자 자석(20) 및 가속 튜브(32) 사이에서 양성자 빔의 작은 다이버전스는 가속 튜브(32)에의 입구에서 튀어나온 전기장의 집속 효과와 양립될 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 빔 프로파일이 가속 튜브(32)에 들어갈 때, 발산하는 것에서 수렴하는 것으로 변화하는 것을 보여준다. 가속기 칼럼(32)에서의 균일한 전기장에 의한 가속 동안에는 빔은 거의 병렬일 것이고, 그 결과 가속 튜브(32)의 금속 다이노드(35)(또는 가속 전극)의 큰 개구를 부딪치지 않을 것이다(아래에 자세히 기술함). 이러한 조건에서, 빔 직경은 가속 튜브(32)의 출구에서 약 2 cm 이하가 될 것이다. 출구를 나가는 빔의 직경은 가속 튜브(32)의 기저에 위치한 자기 쿼드러플 더블릿 렌즈로 조절될 수 있다.
선택적으로, 쌍극자 분석 자석(20)의 출구 또는 그 근처에서 그리고 가속 튜브(32)의 입구 전에, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이 작은 금속 개구(36)가 있다. 이 개구(36)는 가속 튜브(32)의 다이노드(35)의 내부 직경보다 작은 직경을 갖는다. 개구(36)는 가속 튜브(32)에 들어오는 중성 가스의 양을 감소시킨다. 또한, 개구(36)는 가속 튜브(32)로 들어올 수 있는 빔의 다이버전스를 제한하는 기능을 하여, 가속 양성자가 가속 튜브(32)에서 다이노드(35)를 부딪치지 않게 한다.
특히 바람직한 실시예에서, 개구(36)의 직경은 약 1 인치이고, 전도성 다이노드(36)의 내부 직경은 약 3 인치이다. 개구(36)는 특히 위에 기술한 진공 펌프(43)와 조합하여 사용될 때에 유용하다. 양성자 소스를 나오는 중성 가스는 가능한 한 최소화되어야 한다. 중성 가스는 흡착 펌프(43)에 의하여 배출되거나 또는 가속 칼럼(32)으로 들어갈 수 있다. 흡착 펌프와의 조합으로 사용될 경우, 흡착 펌프(43)의 하류에 위치한 개구(36)는 중성 가스를 더 높은 비율로 제거하고, 가속 튜브(32)에서 더 좋은 진공이 이루어지도록 한다.
직류( dc ) 가속 구조체
도 1 및 도 2에 도시된 바람직한 양성자 가속기 구조체(30)는 다이나미트론 디자인에 기초한다. 그러나 예를 들어, 콕크로프트-월턴(Cockcroft-Walton) 직렬-결합 캐스케이드 정류기 시스템 또는 자기적으로 결합된 캐스케이드 정류기 시스템과 같은 다른 dc 가속기 디자인이 사용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 고-전압 DC 전력 공급기(50)는 가속 칼럼(32)을 둘러싸고 있는 병렬 결합된 캐스케이드 정류기 어셈블리로 이루어진다. 정류기 어셈블리(38)는 예를 들어, 약 100 킬로헤르쯔(kHz)의 주파수에서 셀프-튜닝 RF 오실레이터 회로 공명으로 에너지를 공급받는다(M.R. Cleland, J.P. Farrell, Dynamitrons of the Future, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-12, No. 3, 227-234 (1965)에 개시).
본 발명의 일 실시예에서, 정류기 어셈블리(38)는 각각 최대 전압에서 50 킬로볼트(kV)를 제공하는 60 개의 고체-상태 정류기를 갖는다. 이 정류기 어셈블리는 3 메가볼트(MV)의 DC 포텐셜을 발생하고, 50 밀리암페어(mA)의 연속 전자 빔 전류 및 150 킬로와트(kW)의 빔 전력을 전달한다(예를 들어, M.R. Cleland, K.H. Morgenstern and C.C. Thompson, H.F. Malone, High-Power Electron dc Electron Accelerators for Industrial Applications, 3rd All-Union Conference on Applied Accelerators, Leningrad, USSR (June 26-28, 1977)에 기술된 디자인). 정류기 어셈블리의 다른 디자인도 가능하다. 가속 시스템(1)의 원하는 전압에 따라 그 이상 도는 그 이하의 고체-상태 정류기가 사용될 수 있다.
본 발명에 나타낸 실시예에서, 가속 튜브(32)는 다이노드(35)에서 240 cm(약, 8 피트(ft))의 활동 길이(active length) 및 약 7.5 cm(약 3 인치)의 개구의 내부 직경을 갖는다. 길이 및 내부 직경은 특정 분야에 따라 변경될 수 있다. 도 3 및 도 4에서 도시된 다이노드(35)는 분산된 입자가 절연 링에 부딪히는 것을 방지하기 위하여 회선상이다(convoluted). 다이노드(35)를 지지 및 분리하는 절연 링은 바람직하게는 유리로 구성된다. 도면에서, 다른 구성요소를 방해하지 않기 위하여, 다이노드 및 절연 링의 전체 개수에서 일부만이 도시되어 있다. 가속 튜브(32) 내부에서 이온 가스 충돌에 의한 이차전자(secondary electron)가 고-전압 터미널을 향하여 반대 방향으로 가속되는 것을 방지하기 위하여, 작은 영구 자석이 중간 다이노드(35)의 일부에 부착될 수 있다. 이런 자석은 실제적으로 이차전자에 의한 X-선 생성을 감소시킨다.
본 발명에 나타낸 실시예에서, 가속 튜브(32)는 전력 공급기(50), 이 경우에는 고-전압 발생기, 내부에 동축으로 설치된다. 바람직한 고 전압 전력 공급기는 다이나미트론이다. 그러나, 고전압 전력 공급기(50)는 고전압 및 고전류 전력 공급기인 한에는 다르게 구성될 수도 있다. 전력 공급기(50)는 가속 튜브(32)에 가속 전압을 공급하고, 당해 분야의 기술자에게 알려진 다양한 방법으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 전력 공급기(50)는 적어도 약 0.3 메가볼트(MV) 또는 그 이상 그리고 약 0.5 밀리암페어(mA) 또는 그 이상을 공급할 수 있다.
가속 튜브(32)를 탈출함에 있어서, 빔은 바람직하게는 빔의 전력 밀도를 감소시키기 위하여 스캔된다. 일 실시예에서, 빔은 스캔 자석으로 가속 칼럼(32)을 탈출한다. 빔은 바람직하게는 처음의 작은-직경 빔과 비교할 때 상대적으로 큰 면적에 확산된다. 일 실시예에서, 스캔 자석은 한 쌍의 직교 스캐닝 자석들을 포함하고, 바람직하게는 약 1 ㎡의 면적으로 X 방향으로 한 개, Y 방향으로 한 개를 포함한다. 다른 실시예에서, 빔은 중성자 생성을 위하여 리튬의 얇은 막으로 코팅된 타겟의 표면에 확산된다.
외부 빔 수송 시스템
BNCT 분야에서, 가속된 양성자 빔은 중성자 생성을 위한 두 개의 타겟 중 하나로 향하게 될 수 있다. 하나의 타겟은 암 환자를 치료하기 위한 회전 갠트리에 다른 방향으로부터 장착된다. 다른 하나는 회전 갠트리의 이용이 필요하지 않은 치료를 위하여 고정된 위치에 장착된다. 가속기의 축에 위치한 쌍극자 자석은 작동기가 빔을 하나의 타켓으로부터 다른 타겟으로 스위칭시킬 수 있도록 한다. 가속 튜브(32)의 기저 주위의 압력 용기 안에 위치한 자기 쿼드러플 렌즈는 복합 빔 수송 시스템의 제1 구성요소이다.
다른 타겟들도 다른 분야에서 사용될 수 있다.
리튬 타겟 어셈블리
리튬 금속의 얇은 층은 두 개의 수냉(water-cooled) 금속 패널의 내부 표면에 증착된다. 이들 패널은 양성자 빔의 대칭 축을 기준으로 약 30 도 정도로 장착되고, 양 패널의 표면을 커버하기 위하여 X 및 Y 방향에서 스캐닝된다. 이들 패널의 기울기는 타겟 물질의 면적을 증가시켜, 리튬 코팅 냉각을 강화한다. 리튬 두께는 입사 양성자(incident ) 에너지를 중성자 생산을 위한 7Li(p,n)7Be 반응의 임계 에너지인 1.89 메가전자볼트(MeV)까지 감소시키기에 충분하다. 더 두꺼운 두께는 중성자 수율의 증가 없이 리튬층에 증착된 에너지를 증가시킬 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 리튬은 얇은 철판에 증착된다. 철은 리튬층을 통과하고 배킹(backing) 물질에서 멈추는 양성자로부터 수소 기포의 형성을 방해하는 물질이다. 얇은 철판의 뒤쪽 면은, 효율적인 열 제거를 위하여 두꺼운 수냉 구리 패널에 연결된 냉각 핀을 갖는다. 철판은 수소 기포를 형성할 것 같은 양성자가 구리 패널에 도달하는 것을 막는다. 리튬층은 습한 공기에 노출되어 성능 저하하는 것을 방지하기 위하여 매우 얇은 스테인리스 스틸에 덮여 있다. 이 타겟 어셈블리에 대한 상세한 설명은 다음에 나와 있다(Y. Jongen, F. Stichelbaut, A. Cambriani, S. Lucas, F. Bodart, A. Burdakov, Neutron Generating Device for Boron Neutron Capture Therapy, 국제특허출원 No. WO 2008/025737 A1).
중성자 빔 성형 어셈블리( Neutron Beam Shaping Assembly )
어셈블리는 중성자 반사기(reflector)에 의하여 둘러싸여진 마그네슘 플루오라이드의 중앙 조정자(moderator), 델리미터(delimiter) 및 여러 물질로 제조된 필터를 포함한다. 어셈블리의 주요 목적은 중성자 에너지 스펙트럼을 감소시켜, 최대 에너지가 약 20 keV를 초과하지 않게 하는 것이다. 이것은 임계 에너지보다 수백 킬로전자볼트(KeV) 초과하는 양성자 빔 에너지를 갖는 리튬 타겟의 방사(irradiation)가 중성자 수율을 증가시키도록 하여준다. 또한, 어셈블리는 종양 부위에 흡수 선량을 집중시키기 위하여 중성자 빔의 직경을 제한한다. 이 빔 성형 어셈블리에 대한 상세한 설명은 다음에 개시되어 있다(Y. Jongen, F. Stichelbaut, A. Cambriani, S. Lucas, F. Bodart, A. Burdakov, Neutron Generating Device for Boron Neutron Capture Therapy, 국제특허출원 No. WO 2008/025737 A1).
당해 분야의 기술자에게 명백할 개시된 발명의 다양한 변형, 수정 및 응용이 있을 수 있고, 본 발명은 그러한 실시예를 포함하도록 의도된 것이다. 또한, 비록 본 발명은 어떤 바람직한 실시예의 내용에 기술하였지만, 이들의 전체적인 범위는 특허청구범위의 범위에 기준하여 결정되도록 의도된 것이다.

Claims (15)

  1. 절연 링에 의하여 서로 각각 분리된 복수의 전도성 전극(35)을 포함하고, 양성자 빔을 가속하기 위하여 가속 전기장을 제공하도록 구성된 가속 튜브(32)를 갖는, dc 가속 구조체(30);
    상기 가속 구조체(30)에 가속 전압을 제공하는 고전압, 고전류 전력 공급기(50);
    빔 추출 개구(aperture)(12)를 갖고, 빔 추출 개구(12)를 통하여 3 SCCM 보다 적은 중성 수소 가스를 방출하면서, 5 밀리암페어(mA) 이상의 양성자 빔을 제공하는, 양성자 이온 소스(10);
    상기 양성자 이온 소스(10)를 가속 구조체(30)에 연결하고, 무거운 이온으로부터 양성자 분리가 일어나는 진공 챔버(40); 및
    상기 양성자 분리를 달성하기 위하여 양성자 이온 소스(10) 및 가속 튜브(32) 사이에 위치하는 쌍극자 분석 자석(20)을 포함하고,
    상기 쌍극자 분석 자석(20)의 장(field)은 양성자 이온 소스(10)에 의하여 생성된 양성자 이외의 이온이 가속 구조체(30)에 도달하는 것을 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 0.3 메가전자볼트(MeV)보다 높은 에너지에서 고전류 양성자 빔을 가속할 수 있는 가속기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버(40)에 연결된 진공 펌프(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고전압 전력 공급기(50)는 다이나미트론 구조인 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양성자 이온 소스(10)는 가스를 이온화하기 위하여 마이크로웨이브를 이용하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 양성자 이온 소스(10)는 가스를 이온화하기 위하여 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance)을 이용하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 쌍극자 분석 자석(20)은 고정장 분석 자석인 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고정장 분석 자석은 이중 포커싱(doubly focusing)되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 이차전자(secondary electron)가 가속 튜브(32)에서 뒤로 가속되는 것을 방지하기 위하여, 상기 가속 튜브(32)의 주위에 위치한 영구 자석 물질의 조각을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가속 튜브(32)의 전극(35)내부의 직경보다 작은 직경을 갖는 개구(36)가 가속 구조체(30)의 입구에 위치하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 상기 가속 튜브(32)의 전극(35) 내부의 직경보다 작은 직경을 갖고, 가속 구조체(30)의 입구에 진공 챔버(40)에 연결되는 진공 펌프(43)의 하류로 위치하는 개구(36)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가속된 빔을 적어도 1 ㎡의 수신 표면에 확산할 수 있는 한 쌍의 직교 스캐닝 자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 챔버(40) 및 쌍극자 분석 자석(20)은, 정전 아인젤 렌즈 및 교차된 장(field) 질량 분석기를 갖지 않는, 양성자 추출 및 주입 시스템의 구성요소인 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양성자 추출 및 주입 시스템은, 양성자 이온 소스(10)의 출구 개구(12)의 앞에 위치한 가속 추출 전극(11); 및 이온-가스 충돌에 의하여 생성된 저-에너지 전자가 양성자 이온 소스(10)로 되돌아오는 것을 방지하기 위하여 가속 추출 전극(11)의 하류에 위치하는 감속 전극(13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  14. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양성자 이온 소스(10)의 출구 개구(12)와 가속 구조체(30)의 입구 사이에 위치하고, 양성자 이온 소스(10)의 출구 개구(12)의 앞에 위치한 가속 추출 전극(11); 가속 추출 전극(11)의 하류에 위치하는 감속 전극(13); 쌍극자 분석 자석(20); 및 진공 챔버(40)가 직렬로 장착된 양성자 추출 및 주입 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양성자 이온 소스(10)의 출구 개구(12)는 쌍극자 분석 자석(20) 및 진공 챔버(40)로 통하는 것을 특징으로 하는 가속기 시스템.
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