KR101377171B1 - 사이클로트론 - Google Patents

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KR101377171B1
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채종서
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 박막의 손상을 감지하여 양성자 빔의 변환 효율 저하를 방지할 수 있도록 박막 손상 감지 장치가 구비된 사이클로트론에 관한 것이다. 본 발명에 따른 사이클로트론은 입자 가속화된 빔(beam)이 생성되는 본체와, 본체 내부에 배치되며 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환하는 박막을 갖는 홀더조립체와, 박막의 판면을 사이에 두고 배치되어 각각 빛을 발광 및 수광하는 적어도 하나의 발광부 및 수광부와, 박막의 이상 여부를 경고하는 경고부와, 발광부로부터 발광된 광량과 수광부에 의해 수광된 광량을 비교 판단한 신호에 기초하여 경고부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 박막 영역에 배치된 발광부 및 수광부를 이용하여 박막 이상 상태를 감지할 수 있으므로, 양성자 빔의 변환 효율 저하를 방지할 수 있고, 이에 따라 작동 신뢰성을 확보할 수 있다.

Description

사이클로트론{CYCLOTRON}
본 발명은, 사이클로트론에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시켜 외부로 인출시키는 사이클로트론에 관한 것이다.
입자가속기는 전자기의 원리를 이용하여 대전입자를 인공적으로 가속하는 장치이다. 입자가속기는 그 가속 방법에 따라 선형 가속기와 원형 가속기로 구분된다.
선형 가속기는 주로 전자를 고진공 직선궤도에 따라서 가속하는 것이고, 코크로프트-윌턴장치나 밴더그래프정전고압발생기(Van der Graff generator)와 같이 직류 고전압으로서 일시에 가속하는 것과 고주파 전기장을 이용하는 것 등이 있다.
반면, 원형 가속기는 입자를 고진공 원형 궤도에 따라 가속하는 것으로, 사이클로트론(cyclotron), 베타트론(betatron) 및 싱크로트론(synchrotron) 등이 있다.
한편, 입자가속기의 원형 가속기 중 사이클로트론은 그 구성요소를 크게 구분하면 입자 가속화된 빔이 생성되는 본체와, 본체 내부에 입자 가속화되어 일정 회전 주기를 가지고 궤도를 형성하는 빔을 양성자 빔으로 변환시키는 박막을 갖는 홀더조립체를 포함한다.
여기서, 본체 내부는 입자 가속화된 빔이 기체와 충돌하여 전자가 손실되는 것을 방지하기 위해 진공 상태로 유지된다. 그리고, 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시키는 박막은 빔이 관통될 수 있도록 그 두께는 수
Figure 112010012790677-pat00001
의 얇은 두께를 가진다.
그런데, 종래의 사이클로트론은 전술한 바와 같이, 본체 내부의 진공 상태를 유지시키기 위해 본체 내부를 펌핑하고, 이때 발생되는 진동이나 기체의 흐름에 의해 매우 얇은 두께를 가진 박막에 손상이 가해질 수 있고, 이에 따라 손상된 박막을 이용하여 양성자 빔 변환 시 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 박막의 손상을 감지하여 양성자 빔의 변환 효율 저하를 방지할 수 있도록 박막 손상 감지 장치가 구비된 사이클로트론을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라, 사이클로트론에 있어서, 입자 가속화된 빔(beam)이 생성되는 본체와, 상기 본체 내부에 배치되며 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환하는 박막을 갖는 홀더조립체와, 상기 박막의 판면을 사이에 두고 배치되어 각각 빛을 발광 및 수광하는 적어도 하나의 발광부 및 수광부와, 상기 박막의 이상 여부를 경고하는 경고부와, 상기 발광부로부터 발광된 광량과 상기 수광부에 의해 수광된 광량을 비교 판단한 신호에 기초하여 상기 경고부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론에 의해 이루어진다.
여기서, 상기 박막에는 상기 발광부 및 상기 수광부에 대응하여, 상기 발광부로부터의 빛이 상기 수광부로 도달되도록 관통 형성된 천공부가 마련되는 것이 바람직하다.
바람직하게 상기 제어부는 상기 발광부로부터 발광된 광량과 상기 수광부에 의해 수광된 광량을 상호 비교하여 발광부로부터 발광된 광량보다 상기 수광부에 의해 수광된 광량이 적은 것으로 판단되면, 상기 경고부가 작동되도록 상기 경고부를 제어할 수 있다.
반면, 바람직하게 상기 제어부는 상기 발광부로부터 발광된 광량과 상기 수광부에 의해 수광된 광량을 상호 비교하여 발광부로부터 발광된 광량보다 상기 수광부에 의해 수광된 광량이 많은 것으로 판단되면, 상기 경고부가 작동되도록 상기 경고부를 제어할 수 있다.
그리고, 상기 발광부는 레이저 램프 및 적외선 램프 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 경고부는 경고 신호를 시각 신호 및 음성 신호 중 적어도 어느 하나로 알려줄 수 있다.
한편, 상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라, 사이클로트론에 있어서, 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환하는 박막을 갖는 홀더조립체와, 상기 박막의 판면을 사이에 두고 배치되어 각각 빛을 발광 및 수광하는 적어도 하나의 발광부 및 수광부와, 상기 발광부로부터의 광량과 상기 수광부로부터의 광량을 상호 비교하여 광량의 차이가 발생될 때 상기 박막의 이상 상태로 판단하여 시각 및 음성 신호 중 적어도 어느 하나의 경고 신호를 발생시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론에 의해서도 이루어진다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
따라서, 상기 과제의 해결 수단에 따르면, 박막 영역에 배치된 발광부 및 수광부를 이용하여 박막 이상 상태를 감지할 수 있으므로, 양성자 빔의 변환 효율 저하를 방지할 수 있고, 이에 따라 작동 신뢰성을 확보할 수 있는 사이클로트론이 제공된다.
또한, 발광부 및 수광부를 이용한 박막 상태의 감지에 따라 박막 이상 상태 시, 사이클로트론 작동 전에 박막을 교체하여 작동 손실을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 제어블럭도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 평면 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 홀더조립체 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 홀더조립체의 주요부 사시도,
도 5는 도 4에 도시된 A 영역의 확대 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 구성 및 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서 설명되는 사이클로트론은 운동하는 하전입자가 자기장 속에서 원을 그린다는 것을 이용해서, 자기장 속에서 입자를 회전시키면서 그 회전 주기에 맞추어 고주파 전압을 되풀이하여 가속하는 입자가속기의 한 종류이다. 이러한 사이클로트론은 1932년 미국의 E.O 로렌스가 고안한 것으로, 큰 전자석의 극 사이에 원통형의 가속관을 두고, 이 관을 끼고 D라는 반원형 중공 전극을 서로 마주보도록 배치하였다. 여기서, 입자는 가속관의 중앙에 있는 이온원에서 방출되어, 강력한 자기장 안에서 운동을 시작하며 D의 틈새를 입자가 통과할 때마다 진행 방향으로 가속을 받도록 전압을 걸어준다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 제어블럭도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 평면 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론(1)은 본체(100), 스위칭 마그네틱부(switching magnetic part)(200), 홀더조립체(400), 발광부(500), 수광부(600), 경고부(800) 및 제어부(900)를 포함한다.
본체(100) 내부에는 입자 가속화된 빔이 생성된다. 본 발명의 본체(100)는 챔버(chamber)(120) 및 빔 인출부(140)를 포함한다. 본체(100)의 형상을 원통형을 갖는다. 본체(100)의 외부에는 본체(100) 내부로 자기장을 걸어주기 위해 외부로부터의 전원을 공급 받아 자기장을 발생하는 코일부(미도시)가 적어도 하나 배치된다. 코일부는 사이클로트론(1)의 일반적인 구성 요소 중 하나이므로, 이하에서 상세한 설명은 생략한다.
챔버(120)는 본체(100) 내부에 일정한 공간을 두고 형성된다. 챔버(120)는 원통 형상을 갖는 본체(100)의 형상에 따라 형성되고, 원주 방향을 따라 연속적으로 상이한 공간 크기를 가지고 형성된다. 챔버(120)에는 코일부의 자기장 영향 등에 의해 각각 상이한 에너지 준위(여기서, 에너지 준위는 A < B < C < D의 크기를 갖는다.)를 가진 복수의 빔이 상이한 회전 반경의 궤도를 가지고 입자 가속화된다.
챔버(120)는 입자 가속화되는 빔이 기체 입자들과 충돌하여 전자의 손실이 발생되지 않도록 진공 상태로 유지되어야 한다. 상세히 설명하면, 입자 가속화된 H- 빔의 두 번째 전자는 원자핵과의 결합력이 매우 약하고, 이로 인해 후술할 홀더조립체(400)의 박막(420)을 통과하기 전에 주변의 기체 입자들과 충돌하여 전자가 손실되는 경우가 발생된다. 그래서, H- 빔의 전자 손실을 방지하기 위해 챔버(120) 내부는 진공도가
Figure 112010012790677-pat00002
torr 이하로 유지되어야 한다.
전술한 바와 같이, 챔버(120) 내부의 진공도를 유지시키기 위해 본체(100) 내부를 펌핑한다. 즉, 외부의 펌핑 장치와 챔버(120)를 연결하여 펌핑 작업을 수행함으로써, 챔버(120) 내부의 진공도를 유지시키는 것이다.
빔 인출부(140)는 챔버(120)에 생성된 입자 가속화된 빔을 외부로 인출시키는 통로 역할을 한다. 빔 인출부(140)로는 입자 가속화된 빔이 홀더조립체(400)에 의해 양성자 빔으로 변환되어 인출된다. 빔 인출부(140)에는 양성자 빔을 수령하는 스위칭 마그네틱부(200)가 배치된다.
스위칭 마그네틱부(200)는 빔 인출부(140)에 배치되어, 빔 인출부(140)로 유도되는 양성자 빔을 자체의 자기장을 이용하여 분산시키는 역할을 한다. 스위칭 마그네틱부(200)에 의해 분산되는 양성자 빔은 18H2O가 수용된 표적시스템(미도시)으로 유도된다. 여기서, 표적시스템은 공지된 기술 사항이므로, 상세한 설명은 이하에서 생략하기로 한다.
다음으로 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 홀더조립체 사시도, 도 4는 도 3에 도시된 홀더조립체의 주요부 사시도, 그리고 도 5는 도 4에 도시된 A 영역의 확대 사시도이다.
홀더조립체(400)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본체(100) 내부에 생성된 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시킨다. 본 발명의 홀더조립체(400)는 박막(420)과 박막지지부(440)를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예로서, 홀더조립체(400)는 A, B, C, D의 입자 가속화된 빔에 박막(420)이 배치될 수 있도록 병진 운동되는 피스톤 방식으로 마련된다. 여기서, 홀더조립체(400)의 역할은 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환과 함께 변환된 양성자 빔을 빔 인출부(140)로 유도하는 역할을 한다.
박막(420)은 본 발명의 일 실시 예로서, 탄소 재질로 마련되어 H- 빔으로 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시킨다. 박막(420)은 입자 가속화된 빔이 관통될 수 있도록 수
Figure 112010012790677-pat00003
의 아주 얇은 두께를 갖는다. 본 발명의 박막(420)은 박막본체(422) 및 천공부(424)를 포함한다. 박막본체(422)는 얇은 판상으로 마련되어, 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시키는 역할을 한다.
그리고, 천공부(424)는 본 발명의 일 실시 예로서, 박막본체(422)의 양측에 관통 형성된다. 천공부(424)는 발광부(500) 및 수광부(600)의 위치에 대응되어, 발광부(500)로부터의 빛이 관통될 수 있도록 마련된다. 물론, 천공부(424)의 크기는 챔버(120) 내부의 진공 과정 시, 그 영향이 미치지 않도록 아주 미세한 크기를 갖는 것이 바람직하다.
박막지지부(440)는 박막(420)을 지지하는 역할을 한다. 본 발명의 박막지지부(440)는 박막(420)을 지지하는 역할 이외에도 발광부(500) 및 수광부(600)를 지지하는 역할도 수행한다.
다음으로 발광부(500) 및 수광부(600)는 박막(420)의 판면을 사이에 두고 배치되어, 각각 빛을 발광 및 수광한다. 정확히 설명하면, 발광부(500) 및 수광부(600)는 박막(420)의 천공부(424) 위치에 대응되어 천공부(424)를 사이에 두고 배치되는 것이다. 본 발명의 천공부(424)는 박막본체(422)의 양측에 2개가 마련됨으로, 이에 대응하여 발광부(500) 및 수광부(600)는 각각 한 쌍의 조합으로 2개의 천공부(424)에 배치된다. 본 발명의 일 실시 예로서, 발광부(500) 및 수광부(600)는 각각 2개가 배치되나, 천공부(424)의 개수에 따라 그 개수는 변경될 수 있다.
발광부(500) 및 수광부(600)는 빛의 발광 및 수광을 이용하여 챔버(120)의 진공 상태 유지 시, 박막(420)의 구겨짐 또는 찢어짐을 감지할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 발광부(500)로부터 조사된 광량이 천공부(424)를 통과하여 수광부(600)에 수광되면 박막(420)의 정상 상태로 감지될 수 있으나, 발광부(500)의 발광 광량 대비 수광부(600)의 수광 광량의 차이가 발생될 때는 박막(420)의 이상 상태로 감지될 수 있다.
본 발명의 발광부(500)는 박막지지부(440)에 지지되는 램프지지대(520) 및 램프지지대(520)에 지지되며 천공부(424)에 대응되는 위치에 배치되는 램프(540)를 포함한다. 여기서, 램프(540)는 레이저 및 적외선을 조사하는 레이저 램프 및 적외선 램프 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
본 발명의 수광부(600)는 박막지지부(440)에 지지되는 센서지지대(620) 및 센서지지대(620)에 지지되며 천공부(424)에 대응되는 위치에 배치되는 수광센서(640)를 포함한다. 물론, 수광센서(640)는 천공부(424)를 사이에 두고 램프(540)와 동일선상에 위치되어야 된다. 수광부(600)는 발광부(500)로부터의 빛을 수광하는 장치이므로, 공지된 광 감지센서 등이 사용될 수 있다.
경고부(800)는 박막(420)의 이상 여부를 경고한다. 즉, 경고부(800)는 사이클로트론(1)의 사용자에게 박막(420) 이상 여부를 알려주는 역할을 한다. 경고부(800)는 경고 신호를 시각 신호 및 음성 신호 중 적어도 어느 하나로 알려주도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 사이클로트론(1) 외부에 디스플레이부(미도시) 및 스피커(미도시)가 배치되어, 경고 시각 신호 및 음성 신호를 알려줄 수 있다. 물론, 시각 신호 및 음성 신호는 어느 하나만 사용되도 무관하다.
마지막으로 제어부(900)는 발광부(500)로부터 발광된 광량과 수광부(600)에 의해 수광된 광량을 비교 판단한 신호에 기초하여, 경고부(800)의 작동을 제어한다.
상세히 설명하자면, 제어부(900)는 발광부(500)로부터 발광된 광량과 수광부(600)에 의해 수광된 광량을 상호 비교하여 발광부로(500)부터 발광된 광량보다 수광부(600)에 의해 수광된 광량이 적은 것으로 판단되면, 경고부(800)가 작동되도록 경고부(800)를 제어한다. 이때, 박막(420)은 천공부(424) 영역이 겹치는 구겨짐 상태가 발생된 것으로 유추될 수 있다.
반면, 제어부(900)는 발광부(500)로부터 발광된 광량과 수광부(600)에 의해 수광된 광량을 상호 비교하여 발광부(500)로부터 발광된 광량보다 수광부(600)에 의해 수광된 광량이 많은 것으로 판단되면, 경고부(800)가 작동되도록 경고부(800)를 제어한다. 이때, 박막(420)은 천공부(424) 영역이 찢어지는 상태가 발생된 것으로 유추될 수 있다.
이러한 구성에 의해 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론(1)의 작동 과정을 이하에서 살펴보면 다음과 같다.
우선, 입자 가속 작동을 하기 전에 챔버(120)가 진공 상태가 되도록 펌핑 작업을 수행한다. 그러면, 홀더조립체(400)의 박막(420)은 챔버(120)의 진공 상태로의 변환 과정에 의해서 기체의 흐름 영향을 받는다.
챔버(120)의 진공 상태 작업이 완료되면, 입자 가속 작동을 하기 전에 홀더조립체(400)의 박막(420) 상태를 감지한다. 박막(420) 상태를 감지하기 위해 발광부(500) 및 수광부(600)를 작동시켜 발광된 광량과 수광된 광량을 상호 비교 판단한다.
발광된 광량과 수광된 광량이 동일하거나 유사한 것으로 판단되면, 박막(420) 상태가 정상인 것으로 판단하여 사이클로트론(1)을 작동시킨다.
그러나, 발광된 광량과 수광된 광량의 차이가 발생될 경우, 경고부(800)를 작동하여 박막(420)의 이상 상태를 알려준다.
이에, 박막 영역에 배치된 발광부 및 수광부를 이용하여 박막 이상 상태를 감지할 수 있으므로, 양성자 빔의 변환 효율 저하를 방지할 수 있고, 이에 따라 작동 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 발광부 및 수광부를 이용한 박막 상태의 감지에 따라 박막 이상 상태 시, 사이클로트론 작동 전에 박막을 교체하여 작동 손실을 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 사이클로트론(cyclotron) 100: 본체
120: 챔버(chamber) 140: 빔 인출부
200: 스위칭 마그네틱부 400: 홀더조립체
420: 박막 422: 박막본체
424: 천공부 440: 박막지지부
500: 발광부 520: 램프지지대
540: 램프 600: 수광부
620: 센서지지대 640: 수광센서
800: 경고부 900: 제어부

Claims (7)

  1. 사이클로트론에 있어서,
    입자 가속화된 빔(beam)이 생성되는 본체와;
    상기 본체 내부에 배치되며, 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환하는 박막을 갖는 홀더조립체와;
    상기 박막의 판면을 사이에 두고 배치되어, 각각 빛을 발광 및 수광하는 적어도 하나의 발광부 및 수광부와;
    상기 박막의 이상 여부를 경고하는 경고부와;
    상기 발광부로부터 발광된 광량과 상기 수광부에 의해 수광된 광량을 비교 판단한 신호에 기초하여, 상기 경고부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막에는 상기 발광부 및 상기 수광부에 대응하여, 상기 발광부로부터의 빛이 상기 수광부로 도달되도록 관통 형성된 천공부가 마련되는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 발광부로부터 발광된 광량과 상기 수광부에 의해 수광된 광량을 상호 비교하여 상기 발광부로부터 발광된 광량보다 상기 수광부에 의해 수광된 광량이 적은 것으로 판단되면, 상기 경고부가 작동되도록 상기 경고부를 제어하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 발광부로부터 발광된 광량과 상기 수광부에 의해 수광된 광량을 상호 비교하여 상기 발광부로부터 발광된 광량보다 상기 수광부에 의해 수광된 광량이 많은 것으로 판단되면, 상기 경고부가 작동되도록 상기 경고부를 제어하는 것을 특징으로하는 사이클로트론.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 레이저 램프 및 적외선 램프 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경고부는 경고 신호를 시각 신호 및 음성 신호 중 적어도 어느 하나로 알려주는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
  7. 사이클로트론에 있어서,
    입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환하는 박막을 갖는 홀더조립체와;
    상기 박막의 판면을 사이에 두고 배치되어, 각각 빛을 발광 및 수광하는 적어도 하나의 발광부 및 수광부와;
    상기 발광부로부터의 광량과 상기 수광부로부터의 광량을 상호 비교하여 광량의 차이가 발생될 때 상기 박막의 이상 상태로 판단하여, 시각 및 음성 신호 중 적어도 어느 하나의 경고 신호를 발생시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
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