KR100293690B1 - 방사성동위원소액체표적조사장치 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치에 관한 것으로, 고에너지로 입사되는 양성자빔의 에너지를 효율적으로 감쇄시키는 동시에 감쇄수단으로서 사용되는 알루미늄막 및 양성자빔이 입사되어 방사성동위원소가 생산되는 타겟 챔버를 효율적으로 냉각시키기 위해, 양성자빔이 통과하면서 에너지가 감쇄하도록 후단에 알루미늄막이 부착되어 있는 빔감쇄관과; 상기 빔감쇄관의 후단에 위치되어 헬륨 기체가 흐를 수 있도록 헬륨관이 형성되어 있고, 후단에는 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 형성되어 있으며, 상기 냉각수관의 전면에는 양성자빔의 에너지를 감쇄시키는 동시에 냉각수가 유출되지 않토록 알루미늄막이 부착되어 있는 제1차냉각부와; 상기 1차냉각부의 후단에 밀착되어 있으며, 양성자빔이 입사됨으로써 방사성동위원소 유체를 생산하도록 유체의 표적물질이 가두어져 있는 타겟 챔버와; 상기 타겟 챔버의 후단에 밀착되어 있고, 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 형성되어 있는 2차냉각부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

방사성동위원소 액체 표적 조사 장치
본 발명은 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면 고에너지로 입사되는 양성자빔의 에너지를 효율적으로 감쇄시키는 동시에 감쇄수단으로서 사용되는 알루미늄막 및 양성자가 입사되어 방사성동위원소가 생산되는 타겟 챔버를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치에 관한 것이다.
일반적으로 방사성동위원소라 함은 α선, β선 및 γ선과 같은 방사선을 방출하는 동위원소를 뜻하며, 동위원소라 함은 보통의 일반원소와 화학적 특성은 같으나 그 원자량이 다른 원소를 뜻한다. 이러한 방사성동위원소는 크게 원자로 핵종과 가속기(싸이클로트론) 핵종으로 분류할 수 있으며, 원자로 핵종은 주로 치료용으로 사용되고, 가속기 핵종은 주로 진단용으로 사용되고 있다.
상기한 핵종중에서 가속기 핵종은 원자로 핵종과는 다르게 무담체의 높은 비방사능(specific activity)을 가질뿐만 아니라 전자포획이나, 양전자(β+) 방출을 통하여 붕괴하므로 환자에 대한 방사능 피폭을 현저히 줄일 수 있고, 진단시에 선명한 영상을 얻을 수 있으므로 핵의학에서는 주로 가속기 핵종을 선호하고 있다. 더욱이 상기 양전자 방출핵종은 양전자방출단층촬영술(positron emission tomography, PET)에 사용되어 인체의 물질대사 연구, 암진단, 심장 이상 진단 및 신경계통의 이상으로 유발되는 여러가지 질병진단용으로 사용되고 있다.
이러한 가속기 핵종을 제조하기 위해서는 통상 가속기를 이용하여 양성자나 α입자와 같은 하전입자(이하의 설명에서는 "양성자빔"을 예로 설명함)를 가속한후, 이를 표적물질의 핵에 충돌시킴으로써 소위 방사성동위원소를 제조하고 있다. 이때 상기 표적물질은 통상 특수하게 제작된 타겟 챔버와 같은 밀폐된 공간에 수납시킨 채 사용하고 있으며, 그 반응이 완료된 후에 상기 표적물질을 수집하여 목적이 되는 방사성동위원소를 추출하거나 또는 분리함으로써 소정의 방사성동위원소를 생산하고 있다.
여기서, 상기 표적핵을 X, 입사입자를 a, 잔류핵을 Y, 방출입자를 b로 표시하면 상기의 반응식을 a + X ---> Y + b 라고 쓸 수 있으며, 간단히 X(a, b)Y라고도 쓴다. 이와 같은 반응식을 이용하여 방사성동위원소가 생성되는 예를 들면,209Bi(α,2n)211At,124Xe(p,2n)123Cs,18O(p,n)18F 등등이 있다.
또한, 상기의209Bi,124Xe,18O 등의 표적은 고체, 기체 및 액체와 같이 다양한 상태로 존재할 수 있으며, 표적물질이 고체인 경우에는 그 표적물질의 외부누출 위험이 적고 또한 발열문제가 심각하게 대두되지 않음으로 그 타겟 챔버의 제작 및 관리가 비교적 양호한 편이다.
한편, 실제로 상기 가속기로부터 인출되는 양성자빔은 대개 그 에너지가 고정되어 있으나, 표적 물질은 다양하게 교체되어 사용됨으로써, 인출된 양성자빔의 에너지를 적절히 조절하여 표적 물질에 입사시킬 필요가 있다. 왜냐하면, 표적물질의 종류와 입사되는 양성자빔의 에너지에 따라서 핵반응 확률이 변하기 때문이다. 여기서 상기 핵반응 확률을 반응 단면적이라고 한다. 이와 같은 반응 단면적은 방사성동위원소의 생산수율과 비례 관계에 있음으로 통상 상기 양성자빔의 에너지를 반응 단면적이 가장 양호한 값으로 조절하여 사용하여야 한다.
이를 위해서 종래에는 통상 알루미늄막 등으로 상기 양성자빔의 에너지를 감쇄하는 방법이 알려져 있으나, 감쇄시 그 알루미늄막에 발생하는 열을 효과적으로 냉각하는 방법이 구체적으로 개시되어 있지 않은 문제점이 있다.
또한 상기했듯이, 표적물질이 기체나 액체와 같은 유체인 경우에는 그 표적물질이 타겟 챔버의 외부로 유출될 확률이 크기 때문에 그 타겟 챔버의 밀폐성을 크게 하고, 상기 양성자빔과 유체 표적의 핵반응으로 인하여 발생되는 열 및 상기 열로 인한 유체의 부피 변화에 상기 타겟 챔버가 충분히 견디도록 냉각수단을 구비하는 방법이 알려져 있으나 이것 역시 구체적인 양태가 개시되어 있지 않음으로서 유체 표적물질을 이용한 방사성동위원소의 생산이 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로, 본 발명의 목적은 고에너지로 입사되는 양성자빔의 에너지를 반응 단면적이 가장 양호한 에너지대로 감쇄시키는 동시에 감쇄수단으로서 사용되는 알루미늄막 및 양성자빔이 입사되는 타겟 챔버를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치를 제공하는데 있다.
도1은 본 발명에 의한 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치를 도시한 분해 단면도이다.
도2는 본 발명에 의한 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치를 도시한 결합 단면도이다.
-도면중 주요부분에 대한 부호의 설명-
100 ; 표적 장치 10 ; 빔감쇄관
18,28 ; 통로 12,22 ; 알루미늄막
20 ; 1차냉각부 23 ; 헬륨관
24 ; 냉각수관 25 ; 냉각링
25a ; 캐필러리관 26 ; 절연체링
27,47 ; 개방구 30 ; 타겟 챔버
31 ; 유입관 32 ; 유출관
33 ; 티타늄 포일 40 ; 2차냉각부
44 ; 냉각수관
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치의 구성은, 양성자빔이 통과하면서 에너지가 감쇄하도록 후단에 알루미늄막이 부착되어 있는 빔감쇄관과; 상기 빔감쇄관의 후단에 위치되어 헬륨 기체가 흐를 수 있도록 헬륨관이 형성되어 있고, 후단에는 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 형성되어 있으며, 상기 냉각수관의 전면에는 양성자빔의 에너지를 감쇄시키는 동시에 냉각수가 유출되지 않토록 알루미늄막이 부착되어 있는 1차냉각부와; 상기 1차냉각부의 후단에 밀착되어 있으며, 양성자빔이 입사됨으로써 방사성동위원소 유체를 생산하도록 유체의 표적물질이 가두어져 있는 타겟 챔버와; 상기 타겟 챔버의 후단에 밀착되어 있고, 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 형성되어 있는 2차냉각부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
참고로 이하의 설명에서 유체표적은 H2 18O를 예로 하였고, 생성되는 방사성동위원소는18F를 예로 하였으며, 물론 입사되는 입자는 양성자빔으로 하였다.
먼저 도1은 본 발명에 의한 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치(100)를 도시한 분해 단면도이다.
도시된 바와 같이 가장 좌측에는 빔감쇄관(10)이 위치되어 있으며, 이는 대략 원통형으로서 내측에 통로(18)가 구비되어 있고, 후방에는 상기 통로(18)를 폐쇄하는 알루미늄막(12)이 부착되어 있다. 따라서, 가속기로부터의 양성자빔은 상기 빔감쇄관(10)의 통로(18)를 통과하면서 상기 알루미늄막(12)에 의하여 에너지가 1차로 감쇄한다.
상기 빔감쇄관(10)의 후부에는 역시 통공(28)이 형성된 1차냉각부(20)가 위치되어 있으며, 이 1차냉각부(20)에는 헬륨 기체가 흐를 수 있도록 전방부근에 헬륨관(23)이 형성되어 있고, 냉각수가 흐를 수 있도록 후방부근에는 냉각수관(24)이 형성되어 있다. 또한 상기 냉각수관(24)의 전면에는 상기 통로(28)를 폐쇄함으로써, 양성자빔의 에너지를 2차로 감쇄시키는 동시에 냉각수가 외부로 유출되지 않토록 하는 알루미늄막(22)이 부착되어 있다.
또한 상기 빔감쇄관(10)과 1차냉각부(20) 사이에는 절연체링(26)이 더 설치되어 있음으로써, 빔감쇄관(10)과 1차냉각부(20)를 전기적으로 절연시키고 있다. 이와 같이 절연체링(26)을 설치한 이유는 1차냉각부(20) 또는 그것에 전기적으로 연결된 타겟 챔버(30) 및 2차냉각부(40)에 흐르는 전류만을 감지하여 실제로 타겟 챔버(30)에서 생산되는 방사성동위원소의 생산수율을 계산하기 위함이다. 여기서 상기 방사성동위원소의 생산수율은 반응 단면적 및 전류에 비례한다.(A(dps)σ(E)*i)
또한 상기 1차냉각부(20)의 후방에 형성된 통공(28)에는 상기 헬륨관(23)과 연통되도록 다수의 미세한 캐필러리관(25a)이 상기 빔감쇄관(10)에 부착된 알루미늄막(12)을 향하여 경사지게 형성된 냉각링(25)이 더 설치되어 있다. 상기 냉각링(25)의 외경 표면에는 다수의 오링(25b)이 끼워져 있음으로서 헬륨기체의 외부 유출을 방지하도록 되어있다. 이와 같이 상기 냉각링(25)을 설치한 이유는 상기 1차냉각부(20)의 알루미늄막(12)을 냉각하기 위함이다.
한편, 상기 1차냉각부(20)의 후방에는 타겟 챔버(30)가 위치되어 있으며, 이는 양성자빔이 입사됨으로써, 방사성동위원소18F를 생산하도록 H2 18O 용액이 가두어져 있다.
여기서 상기 타겟 챔버(30)의 상,하부에는 H2 18O가 유입 및 유출될 수 있도록 유입관(31)과 유출관(32)이 연결되어 있으며, 양성자빔이 상기 타겟 챔버(30)내로 입사되는 동안 상기 H2 18O는 타겟 챔버(30)내로 유입되거나 유출되지 않는다. 또한 상기 타겟 챔버(30)의 전,후면은 티타늄 포일(33)로 용접되어 H2 18O의 외부 유출을 방지하도록 되어 있다.
마지막으로 상기 타겟 챔버(30)의 후부에는 2차냉각부(40)가 위치되어 있으며, 이 2차냉각부(40)에는 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관(44)이 형성되어 있다.
여기서 상기 2차냉각부(40)는 타겟 챔버(30)와 접촉하는 전면의 중앙 부분에 개방구(47)가 형성되어 있음으로써, 냉각수가 직접 상기 타겟 챔버(30)의 후면상에 접촉하여 흐를 수 있도록 되어 있다. 또한 상기 1차냉각부(20)도 마찬가지로 상기 타겟 챔버(30)와 접촉하는 후면의 중앙 부분에 개방구(27)가 형성되어 있음으로써, 냉각수가 직접 상기 타겟 챔버(30)의 전면에 접촉하여 흐를 수 있도록 되어 있다.
도면중 미설명 부호 A1, A1' 및 A3, A3'는 냉각수가 흐르는 방향이고, A2, A2'는 헬륨기체가 흐르는 방향이며, A4, A4'는 H2 18O용액이 흐르는 방향이다.
이와 같은 구성을 하는 본 발명의 작용을 첨부된 도면 도2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
가속기로 가속되어 약 35MeV의 에너지를 갖는 양성자빔은 먼저 빔감쇄관(10)의 통로(18)로 입사된다.
이어서 상기 양성자빔은 상기 빔감쇄관(10)의 후방에 부착된 알루미늄막(12)을 통과하면서 에너지가 1차로 감쇄된다.
이때 상기 알루미늄막(12)은 양성자와의 반응에 의해 소정의 열이 발생하게 되며, 이 열은 헬륨 기체에 의해 냉각된다.
즉, 1차냉각부(20)에 형성된 헬륨관(23)을 통해서 유입된 헬륨 기체는 냉각링(25)의 캐필러리관(25a)을 통하여 빔감쇄관(10)의 알루미늄막(12)상에 분사된다. 이때 상기 헬륨 기체는 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect) 즉, 에너지의 변화없이 헬륨 기체가 헬륨관(23)과 캐필러리관(25a)을 통과하면서 그 압력이 변화하게 되어 소정의 온도로 하강하게 됨으로써, 상기 빔감쇄관(10)의 알루미늄막(12)을 냉각하게 된다.
상기와 같이 빔감쇄관(10)의 알루미늄막(12)을 통과한 양성자빔은 계속해서 절연체링(26), 냉각링(25) 및 1차냉각부(20)의 통로(28)를 통과하게 되며, 상기 1차냉각부(20)의 후방에 부착된 알루미늄막(22)을 통과하면서 그 에너지가 2차로 감쇄되며, 마침내 1차냉각부(20)의 냉각수를 통과하여 타겟 챔버(30)에 입사하게 된다.
그러면 상기 양성자빔은 예를 들면,18O(p,n)18F라는 핵반응을 통하여 H2 18O용액내에서 방사성동위원소18F를 생산하게 된다. 이때 양성자빔의 입사 에너지는 대략 18MeV로 감쇄된 상태이며, 타겟 챔버(30)내18O와의 반응 단면적은 가장 크게 된때이다.
그러나 상기 양성자빔은 알루미늄막(12,22), 냉각수 및 타겟 챔버(33)의 티타늄 포일(33)과의 반응 단면적은 거의 0에 가깝기 때문에 알루미늄막(12,22), 냉각수 및 티타늄 포일(33)을 통과하는 동안에는 방사성동위원소를 생성하지 않는다.
한편, 상기 1차냉각부(20)의 알루미늄막(22) 및 타겟 챔버(30)도 양성자빔과 지속적인 반응을 하게 되어 소정의 열을 발산하게 되지만, 상기 1차냉각부(20)에 형성된 냉각수관(24)의 냉각수가 상기 알루미늄막(22) 및 타겟 챔버(30)의 일면에 직접 접촉됨으로써, 상기 알루미늄막(22) 및 타겟 챔버(30)의 일면을 냉각하게 된다.
또한 상기 타겟 챔버(30)의 후면에도 냉각수관(44)이 형성된 2차냉각부(40)가 밀착되어 냉각수가 상기 냉각수관(44)의 개방구(47)를 통하여 상기 타겟 챔버(30)의 후면에 직접 접촉됨으로써, 상기 타겟 챔버(30)의 후면을 냉각하게 된다.
한편, 1차냉각부(20), 타겟 챔버(30), 2차냉각부(40) 등의 전류를 감지함으로써 양성자빔의 전류를 계산하고, 또한 H2 18O의 밀도, 분자량,18F의 붕괴상수, 핵반응 단면적 등을 이용하여 타겟 챔버내의 방사성동위원소의 생산량 또는 조사시간을 결정한다.
이와 같이 하여 상기 타겟 챔버(30)내에 소정량의 방사성동위원소가 형성된 후에는 종래와 같이 상기 유입관(31)으로 일정 압력의 헬륨 가스를 보내어 H2 18O용액을 회수 용기로 회수하는 동시에 방사성동위원소18F를 추출하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만, 여기에만 한정되지 않으며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지로 변형된 실시예도 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 의한 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치에 의하면, 타겟 챔버에서는 양성자빔의 입사로 인한 많은 량의 열이 발생하게 되지만, 상기 타겟 챔버의 전,후면에 직접 냉각수가 흐를 수 있도록 함으로써, 과열에 의한 타겟 챔버의 파괴를 방지하여 안전한 환경에서 방사성동위원소 유체(18F)를 생산할 수 있다.
더구나, 상기 가속기로부터 얻어지는 고에너지의 양성자빔을 유체표적(18O)과 반응 단면적이 가장 양호한 에너지대인 약18MeV로 알루미늄막을 이용하여 감쇄시킴으로써, 방사성동위원소 유체(18F)의 생산 수율을 극대화시키는 것이 가능하다.
마지막으로 상기 양성자빔의 에너지를 감쇄시키기 위한 2개의 알루미늄박을 각각 헬륨과 냉각수를 이용하여 효과적으로 냉각시킴으로써, 알루미늄박의 전소(全燒) 현상을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 양성자빔이 통과하면서 에너지가 감쇄하도록 후단에 알루미늄막이 부착되어 있는 빔감쇄관과;
    상기 빔감쇄관의 후방에 위치되어 헬륨 기체가 흐를 수 있도록 헬륨관이 형성되어 있고, 후단부근에는 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 형성되어 있으며, 상기 냉각수관의 전면에는 양성자빔의 에너지를 감쇄시키는 동시에 냉각수가 유출되지 않토록 알루미늄막이 부착되어 있는 1차냉각부와;
    상기 1차냉각부의 후단에 밀착되어 있으며, 양성자빔이 입사됨으로써 방사성동위원소 유체를 생산하도록 유체표적이 가두어져 있는 타겟 챔버와;
    상기 타겟 챔버의 후단에 밀착되어 있고, 냉각수가 흐를 수 있도록 냉각수관이 형성되어 있는 2차냉각부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔감쇄관과 1차냉각부 사이에는 절연체링이 더 설치되어 빔감쇄관과 1차냉각부가 전기적으로 절연되도록 한 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 1차냉각부에는 상기 헬륨관과 연통되도록 다수의 캐필러리관이 빔감쇄관의 알루미늄막을 향하여 형성되어 있고, 표면에는 다수의 오링이 끼워져 있는 냉각링이 더 설치된 것을 특징으로 하는 방사성동위원소 액체 표적 조사 장치.
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