KR101378385B1 - 사이클로트론 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이클로토론 장치는 진공 용기와, 상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과, 상기 진공 용기 내에서 상기 전자석과 미리 결정된 간격을 두고 설치되는 전극과, 상기 전자석과 상기 전극 사이의 진공 공간에 삽입되는 유전체를 포함한다. 본 발명에 의하면, 사이클로트론 장치에서 전자석과 전극 사이의 진공 공간에 유전체를 삽입함으로써 전체 사이클로트론 장치의 크기 또는 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

사이클로트론 장치{Cyclotron apparatus}

본 발명은 사이클로트론(cyclotron) 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전하를 띤 원자나 분자 및 그 무리를 이온이라 한다. 전기적으로 중성인 원자나 분자로부터 전자를 떼어내면 양전하를 띤 양이온(cation)이 되며, 반대로 별도의 전자를 부착시키면 음이온(anion)이 된다. 이온은 전기장에 의해 가속된다. 전기장에 의해 가속된 이온은 고에너지 상태가 되며 더 높은 에너지를 얻기 위해서는 진행방향에 수직으로 자기장을 가하여 원운동을 시킨다.

사이클로트론 장치는 전자나 양성자와 같은 하전입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동에너지를 발생시키는 장치로서 원자핵이나 소립자에 관한 물질의 심층 구조를 탐구하는 물리실험에 사용되며, 암치료를 위한 의료장비 등에도 사용되고 있다. 이러한 사이클로트론 장치는 원자핵파괴장치, 이온가속기로도 부르며 입자 가속기라고도 한다.

사이클로트론 장치는 1932년 E.O.로렌스에 의하여 고안된 것으로서, 동일한 자기장에서 하전입자의 원운동주기는 입자의 질량에 비례하고, 전하와 질량의 세기에 반비례한다는 원리를 이용한 사이클로트론 장치이다. 고속중성자선, 양자선, α선 등의 방사선이 이 장치에서 발생한다. 이들 방사선은 각종 종양에 조사하여 종양이 치유되게 하는 것들이다. 고속중성 자선은 여성성기암, 골육종, 경부암, 폐암, 연조직육종 등에 이용되고 있다.

도 1 내지 도 3은 사이클로트론의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 사이클로트론의 자극 및 전극 구조를 보여주는 도면, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 D 전극에 의한 공진 원리를 설명하기 위한 도면 그리고 도 3은 도 1의 D 전극상에서 입자의 운동궤도를 보여주는 도면이다.

도면을 참조하여, 사이클로트론은 전자석 N, S 극(10, 12) 사이에 마주보는 한쌍의 D 전극(14)이 구비된다. D 전극(14)은 동판으로 구성되고 이는 회로적으로 공진기(20)의 구성을 갖는다. D 전극(14)은 N, S 극(10, 12)에 의해 형성되는 자기장안에 잠겨져 있고, 일정 주파수가 제공되면서 진공 상태의 D 전극 틈새(16)에 가속 전위가 형성된다. 이 D전극 틈새(16)에 하전입자(22)가 입사되면 자기장의 방향과 입사방향 모두에 대해 수직방향으로 로렌츠힘을 받게 되어, 일정한 원궤도(18)를 그리면서 운동하게 되면서 가속을 받게된다.

이러한 사이클로트론 장치는 기초연구, 특히 고에너지 물리에서 사용하고 있으며 의학, 생물학적 응용과 방사선 치료에도 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 사이클로트론 장치는 그 크기가 매우 커서, 제조 및 관리가 용이하지 않았다. 따라서 최근에는 좀 더 작고 효율적인 사이클로트론 장치에 대한 요구가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존의 사이클로트론 장치보다 크기가 작은 사이클로트론 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 사이클로토론 장치는 진공 용기와, 상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과, 상기 진공 용기 내에서 상기 전자석과 미리 결정된 간격을 두고 설치되는 전극과, 상기 전자석과 상기 전극 사이의 진공 공간에 삽입되는 유전체를 포함한다.

여기에서, 상기 유전체는 고전압에 전기적으로 반응하지 않는 물질로 구현될 수 있다.

여기에서, 상기 사이클로트론 장치의 사이클로트론 주파수는 상기 유전체의 유전율에 따라 결정된다.

본 발명에 의하면, 사이클로트론 장치에서 전자석과 전극 사이의 진공 공간에 유전체를 삽입함으로써 전체 사이클로트론 장치의 크기 또는 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 사이클로트론의 자극 및 전극 구조를 보여주는 도면,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 D 전극에 의한 공진 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 1의 D 전극 상에서 입자의 운동궤도를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 사이클로트론 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론 장치의 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 사이클로트론 장치의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 사이클로트론 장치는 진공 용기(110), N극 전자석(101), S극 전자석(103), 한 쌍의 전극(120,122)을 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전자석들(101,103)과 전극(120,122) 사이에는 각각 진공 공간이 존재한다. 이러한 진공 공간은 전체 사이클로트론 장치의 크기를 증가시키고 있다. 기술의 발달과 작은 크기의 컴팩트한 크기의 사이클로트론 장치의 수요가 증가하면서 이러한 진공 갭을 줄이는 요구가 증가하고 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론 장치의 단면도이다.

도 5를 참조하면, 사이클로트론 장치는 진공 용기(110), N극 전자석(101), S극 전자석(103), 한 쌍의 전극(120,122)을 포함한다. 전극(120,122)은 통상적으로 디(Dee)라고도 한다. 진공 용기(110)는 진공 상태의 중공(中空) 용기이다. 전자석들(101,103)과 전극(120,122) 사이에는 각각 진공 공간이 존재한다. 전자석들(101,103)은 진공 용기(110) 내에 설치할 수 있다. 또 진공 용기가 비자성 재료인 경우에는 전자석들(101,103)을 진공 용기(110) 외측에 설치하여 진공 용기 내에 자장 분포를 형성하는 구조로 할 수 있다. 즉, 전극(120, 122)은 상기 진공 용기(10) 내에서 상기 전자석(101,103)과 미리 결정된 간격을 두고 설치된다.

여기에서, 사이클로트론 원리이자 전자석 설계의 기준이 되는 사이클로트론 주파수 ω는 다음 수학식 1과 같다.

여기에서, M은 가속하는 입자의 질량을 나타내고, q는 전하량을 나타내며, B는 전자석의 자기장을 나타낸다.

상기 전하량 q= CV 이다. 상기 C는 비례 상수로서 전기 용량에 비례하며, 그에 따라 진공의 유전율에 비례한다. 그러므로, 기존 사이클로트론 장치에서는 진공의 유전율로 사이클로트론 주파수가 결정된다.

이러한 진공의 유전율은 진공 공간의 부피에 비례하므로, 적은 체적의 진공 공간으로는 이상적인 진공의 유전율을 달성할 수 없다. 그에 따라, 기존에는 이러한 최적의 진공 공간의 체적을 달성하기 위해 진공 부피를 크게하였다. 또한, 이러한 진공 공간에서는 고전압 스파크가 잘 발생하여 사이클로트론 장치 고장의 원인이 되기도 했다.

본 발명은 이러한 진공 공간에 유전체(dielectrics)를 삽입한다. 즉, 도 5를 참조하면, 진공 용기(110) 내부로 유전체를 삽입한다. 그에 따라 진공 공간의 유전율을 증가시킨다. 다시 말해, 사이클로트론 주파수는 상기 유전체의 유전율에 따라 결정된다.

유전체는 고전압을 견딜 수 있는, 즉 고전압에 전기적으로 반응하지 않는 물질로 구현되는 것이 바람직하다. 이는 기존 사이클로트론 장치에서 전극과 전자선 사이에 발생하는 고전압에 쉽게 반응하지 않아야 스파크를 발생시키지 않기 때문이다.

그에 따라 진공 용기(110)의 대략적인 폭은 1 미터 이내가 될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 전자석들(101,103)과 전극(120,122) 사이에 진공 공간이 도 4의 종래 사이클로트론 장치에 비해 현저하게 감소시킬 수 있다. 그에 따라 전체 사이클로트론 장치의 전체 크기 또는 부피를 줄일 수 있게 된다.

한편, 본 실시예는 사이클로트론 장치의 간략화된 구조에 기초하여 설명하였지만, 전자석과 전극 사이에 진공 공간을 가지는 어떠한 사이클로트론 장치, 예컨대, 근래 제안되거나 생산되는 어떠한 사이클로트론 장치에도 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

101: N극 전자석
103: S극 전자석
120, 122: 한 쌍의 전극
110: 진공 용기

Claims (3)

1. 사이클로트론 장치에 있어서,
   진공 용기와,
   상기 진공 용기 내 또는 진공 용기 밖에 설치되는 전자석과,
   상기 진공 용기 내에서 상기 전자석과 미리 결정된 간격을 두고 설치되는 전극과,
   상기 전자석과 상기 전극 사이의 진공 공간에 삽입되는 유전체를 포함하고,
   상기 사이클로트론 장치의 사이클로트론 주파수는 상기 유전체의 유전율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 사이클로트론 장치.
   
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