KR101581897B1 - 희귀 동위원소 생산용 표적계 - Google Patents

희귀 동위원소 생산용 표적계 Download PDF

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Abstract

희귀 동위원소 생산용 표적계에 대해서 개시한다.
상기 희귀 동위원소 생산용 표적계는, 일측이 양성자 빔의 입측으로 형성되는 원통 형상의 몸체를 갖는 표적 컨테이너; 상기 표적 컨테이너 내에 형성되고, 원뿔 형상이며, 내부에 상기 원뿔 형상에 대응하는 형상의 중공을 갖는 표적 베이스; 상기 표적 베이스 내의 상기 중공에 설치되는 냉각 자켓; 및 상기 표적 베이스의 외측 표면을 따라서 상기 원뿔의 꼭지점에서 상기 원뿔의 모선을 따라서 배치되고, 상기 양성자 빔에 의해서 타격되는 다수의 표적 핀(fin);을 포함하며, 상기 표적 베이스의 원뿔 꼭지점은, 상기 양성자 빔의 입측으로 향해서 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 표적 베이스의 외측면에는 상기 표적 베이스의 형상과 동일한 원뿔 형상으로 형성되고, 상기 표적 핀이 고정되는 표적 핀 베이스가 더 형성될 수도 있다.

Description

희귀 동위원소 생산용 표적계{TARGET ASSEMBLY FOR GENERATING RARE ISOTOPES}
본 발명은 표적계에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 점차 고출력화되고 있는 ISOL용 표적에서 효율적으로 희귀 동위원소를 획득하기 위한 희귀 동위원소 생산용 표적계에 관한 것이다.
동위원소는, 특정 원소의 핵을 이루는 중성자의 숫자가 다른 원소로 정의되며, 방사성 붕괴를 통해서 다른 원소로 변환되는 불안정 동위원소와 그렇지 않은 안정 동위원소로 나뉠 수 있다.
상기 동위원소 중 불안정 동위원소는 그 붕괴 반감기를 측정하여 지질학적 연대를 결정하는데 사용될 수 있으며, 안정 동위원소는 해당 원소의 기원이나 유래를 파악하는데 사용될 수 있다. 이상의 불안정 동위원소는 인위적으로 형성되는 동위원소가 아니기 때문에 필요에 따라서 대량으로 생산하여 적절한 용도로 사용하기에 불편하였다.
근래에 들어서, 중이온 가속기 등의 장치를 사용하여 양성자(Proton)를 빔의 형태로 가속하여 표적과 충돌시켜서 지구상에 자연적으로는 존재하지 않는 희귀 동위원소(Rare Isotope)를 생성하여 이를 다양한 연구에 활용하고 있다.
상기 희귀 동위원소는, 여러가지 기초과학 연구에 활용되고 있는 바, 활용되고 있는 기초과학 분야의 예를 들면, 우주 원소지도나 별의 생성 기원을 연구하기 위한 핵과학 분야, 핵력 등의 물리학 법칙을 연구하기 위한 원자 및 분자과학 분야, 신소재를 개발하기 위한 물성과학 분야, 및 암 치료 연구 등을 위한 의생명과학 분야 등을 들 수 있다.
한편, 상기 희귀 동위원소를 생성하기 위한 방법으로는 ISOL(Isotope Separation On-Line)과 IF(In-Flight) 방식이 고안되어 있다. 여기에서, ISOL 방식은 두꺼운 표적 사용으로 많은 양의 다양한 희귀 동위원소를 생산하는데 적합하며, IF 방식은 얇은 표적을 사용하여 반감기가 매우 짧은 희귀 동위원소 생산에 적합하다. 이들 중에서, 높은 세기의 고순도 희귀 동위원소 생성에 적합한 방식은 ISOL 방식이다.
상기 ISOL 방식에서 사용하고 있는 표적은, 고온에서 사용되어야 하기 때문에 녹는점이 높은 금속 또는 금속 화합물로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 녹는점이 높은 금속 또는 금속 화합물의 예로는 W, Ti, Ta, SiC, UCx 등을 들 수 있다.
여기에서, 종래의 희귀 동위원소 생산용 표적계, 및 그 동작 원리에 대해서 간략하게 설명하기로 한다.
도 1은, 종래 기술에 따른 표적계의 한 가지 예를 나타낸 단면도이며, 도 2는, 종래 기술에 따른 표적계의 다른 예를 나타낸 도면으로, 도 2(a)는 일부분을 절개하여 나타낸 사시도, 도 2(b)는 측단면도이다.
도 1에 나타낸 표적계(10)는 양성자(Proton) 빔을 비교적 저출력으로 가속하여 입사시키는 가속기에서 사용되는 것으로, 원통 형상의 표적 컨테이너(12), 및 상기 표적 컨테이너(12) 내에 배치되는 디스크 형상의 다수의 표적(18)으로 이루어져 있다.
이때, 표적(18)은 상기 표적 컨테이너(12)의 직경과 거의 동일한 직경으로 형성되어 있으며, 표적(18)들끼리는 밀착되어 있는 것이 바람직하나, 표적이 녹는 현상을 방지하기 위하여 약간의 간격(19)을 두고 배치되어 있을 수도 있다.
도 1에서 양성자 빔은 상기 표적 컨테이너(12)의 입측(14)으로 입사되어, 상기 표적 컨테이너(12) 내부로 입사된 다음, 표적(18)과 충돌하고, 그 결과 희귀 동위원소를 생성하며, 입사된 양성자 빔 중 일부 양성자는 출측(16)으로 빠져 나간다. 안전을 위해서, 출측(16)에는 빠져 나오는 양성자를 차폐하기 위한 덤프(dump)가 설치되어 있을 수 있다.
이상의 도 1에 나타낸 표적계는 수백 와트 수준의 저출력이므로, 출력을 높이는 경우, 표적 컨테이너(12) 내에 설치된 표적(18)에서 발생하는 고열 때문에 녹는점 이상으로 온도가 올라가 희귀 동위원소가 원활하게 생성-방출되지 못하는 문제가 있었다.
또한, 출력이 높아지게 되면 표적계(10)를 융점 아래의 온도로 방사 냉각을 하기 위해서는 표적(18)의 크기가 커져야 하지만, 표적의 크기가 커지게 되면 양성자가 산란되는 현상에 의해 표적에 충돌하지 않은 양성자가 많아져 비효율적인 표적이 된다.
다음으로, 도 2는 대략적인 사시도(도 2(a))와 측단면도(도 2(b))를 나타내며, 전체적인 외관은 도 1과 사실상 동일함을 알아야 한다.
도 2의 표적계(20)는, 양성자 빔의 에너지와 세기, 즉 출력이 조금 더 높아진 중출력 표적 (23)용으로 제작한 것이다.
도 2에 따르면, 표적 컨테이너(21) 내에는 디스크 형상의 표적(23, 24)이 다수 배치되어 있다.
중출력용 표적은 도 1 표적(18) 간격과 같이 밀착하여 놓으면 표적계(20)가 융점 이상의 고온에서 녹음으로서 표적으로서의 기능을 상실한다. 이는 표적(23, 24, 25, 26, 27)의 간격을 넓히고 표적간 간격을 최적화함으로써 해결할 수 있다.
도 2에서, 양성자 빔은 입측(28)으로 입사되어, 표적 창(22)을 통과하여 출측(29)으로 방출된다. 상기 표적 컨테이너(21)의 몸통의 일부에는 생성된 희귀 동위원소를 송출하기 위한 수송 라인(transfer line)(미도시)을 두어 희귀 동위원소가 빠져 나가도록 한다.
한편, 도 2의 표적 컨테이너(21)에서의 몸통의 재질은 흑연으로 되어 있기 때문에, 희귀 동위원소 생산을 위해서 표적 컨테이너(21)의 몸통 전체를 가열하는데 불리하였다.
도 2의 표적계(20) 역시 출력이 높아지는 경우 방사냉각에 의한 발열 문제 해결을 위해서 표적의 크기가 커지게 되고, 이는 희귀 동위원소의 획득 수율에 악영향을 초래하였다. 출력이 더욱 높아지면 양성자 빔의 산란 현상에 의해 표적(23, 24)에서의 동위원소 생성반응에 기여하지 못하는 비율이 증가하여, 도 1의 표적계와 마찬가지로, 동위원소 생성율이 저하되는 문제가 있었다.
한편, 선행기술문헌 중의 특허문헌 1은 저농축 우라늄(238U) 표적을 이용하여 의료용 방사성 동위원소 99Mo를 생산하는 장치에 대해서 개시하고 있다.
특허문헌 2는 C-11과 같은 기체 동위원소를 얻기 위한 기체 표적에 관한 것으로, 표적 챔버(target chamber)를 냉각하기 위한 다수의 내부 핀(inner fin) 및 외부 핀(outer fin)이 표적 챔버의 내측 및 외측으로 각각 돌출되어 형성되는 기체 표적계의 구성에 대해서 개시하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0031278호(2011년03월25일 공개)(발명의 명칭: "의료용 동위원소를 생산하는 디바이스 및 방법") 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0114797호(2009년 11월 04일 공개)(발명의 명칭: "내부 핀 구조를 가지는 동위원소 생산 기체 표적")
따라서, 본 발명은, 입사된 양성자 빔의 에너지와 세기가 높아지더라도 희귀 동위원소의 획득 수율을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 희귀 동위원소를 생성하는데 사용되지 못하고 표적 외부로 방출되는 양성자를 최소화하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 표적계가 융점 아래의 고온으로 유지되도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계는, 일측이 양성자 빔의 입측으로 형성되는 원통 형상의 몸체를 갖는 표적 컨테이너; 상기 표적 컨테이너 내에 형성되고, 원뿔 형상이며, 내부에 상기 원뿔 형상에 대응하는 형상의 중공을 갖는 표적 베이스; 상기 표적 베이스 내의 상기 중공에 설치되는 냉각 자켓; 및 상기 표적 베이스의 외측 표면을 따라서 상기 원뿔의 꼭지점에서 상기 원뿔의 모선을 따라서 배치되고, 상기 양성자 빔에 의해서 타격되는 다수의 표적 핀(fin);을 포함하며, 상기 표적 베이스의 원뿔 꼭지점은, 상기 양성자 빔의 입측으로 향해서 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계는, 일측이 양성자 빔의 입측으로 형성되는 원통 형상의 몸체를 갖는 표적 컨테이너; 상기 표적 컨테이너 내에 형성되고, 원뿔 형상이며, 내부에 상기 원뿔 형상에 대응하는 형상의 중공을 갖는 표적 베이스; 상기 표적 베이스 내의 상기 중공에 설치되는 냉각 자켓; 및 상기 표적 베이스의 외측 표면을 따라서 상기 원뿔의 꼭지점에서 상기 원뿔의 모선을 따라서 배치되고, 상기 양성자 빔에 의해서 타격되는 다수의 표적 핀(fin);을 포함하며, 상기 표적 베이스의 원뿔 꼭지점은, 상기 양성자 빔의 입측으로 향해서 배치되며, 상기 표적 베이스의 외측면에는 상기 표적 베이스의 형상과 동일한 원뿔 형상으로 형성되고, 상기 표적 핀이 고정되는 표적 핀 베이스가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 표적 컨테이너는, Ta으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 표적 베이스는, 그래파이트(graphite)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 표적 핀 및 상기 표적 핀 베이스는, UCx로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원뿔 형상에서의 원뿔각 및 상기 표적 핀의 높이와 배치 간격은, 상기 표적 핀의 종류 및 양성자 빔의 에너지 및 세기에 따라서 상이해질 수 있다.
또한, 상기 표적 컨테이너의 외측에는, 상기 표적을 가열하기 위한 히터가 더 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다수의 표적 핀은, 상기 표적 베이스에 형성한 다수의 홈에 고정되거나, 상기 표적 핀 베이스에 형성한 다수의 홈에 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각 자켓은, 복사 냉각 방식으로 동작하는 것이 바람직하며, 이때 상기 복사 냉각은, 수냉식인 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 표적 컨테이너의 출측에는 안전을 위해서 덤프가 더 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 표적 컨테이너의 몸체의 일측에는 생성된 희귀 동위원소를 수송하기 위한 수송 라인이 더 설치될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 일부 과장되어 기술되어 있을 수도 있음을 알아야 한다.
본 발명에 따르면, 희귀 동위원소를 생성하기 위해 입사되는 양성자 빔의 에너지와 세기가 높아지더라도 안정적으로 희귀 동위원소를 생성할 수 있으므로, 희귀 동위원소의 수율이 역시 높아지게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 희귀 동위원소를 생성하는데 사용되지 않고 배출되는 양성자가 최소화되므로, 에너지의 낭비를 적극 회피할 수 있다.
도 1은, 종래 기술에 따른 표적계의 한 가지 예를 나타낸 단면도이다.
도 2는, 종래 기술에 따른 표적계의 다른 예를 나타낸 도면으로, 도 2(a)는 일부분을 절개하여 나타낸 사시도, 도 2(b)는 측단면도이다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 측단면도이다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 일부분(A)을 확대한 확대도이다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 실제 사용을 예시적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 희귀 동위원소 생산용 표적계에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 발명자들은 종래 기술의 표적계(10, 20; 도 1 및 도 2 참조)에서 양성자 빔의 에너지와 세기, 즉 출력이 높아지게 되면서 표적이 녹는 현상과 입사된 양성자 빔의 일부가 표적후단에서 희귀 동위원소 생성에 기여하지 못하는 현상을 발견하고, 이를 해결하고자 본 발명을 도출하였다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 측단면도이다.
도 3에 따르면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계(30)는, 일측이 양성자 빔의 입측(38)으로 형성되는 원통 형상의 몸체를 갖는 표적 컨테이너(31), 표적 컨테이너(31) 내에 형성되고, 원뿔 형상이며, 내부에 상기 원뿔 형상에 대응하는 형상의 중공(37)을 갖는 표적 베이스(35), 상기 표적 베이스(35) 내의 상기 중공(37)에 설치되는 냉각 자켓, 및 상기 표적 베이스(35)의 외측 표면을 따라서 상기 원뿔의 꼭지점에서 상기 원뿔의 모선을 따라서 배치되고, 상기 양성자 빔에 의해서 타격되는 다수의 표적 핀(fin)(33, 34)을 포함하고 있다.
이때, 상기 표적 베이스(35)의 원뿔 꼭지점은, 상기 양성자 빔의 입측(38)으로 향해서 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 표적 컨테이너(31)는 일측이 양성자 빔의 입측(38)이 되는 직경 84 mm, 길이 422 mm의 원통 형상일 수 있다. 상기 치수는, 필요에 따라서 변경될 수 있음을 잘 알 것이다.
여기에서, 상기 표적 컨테이너는 Ta(Tantalum)으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 Ta는 내열성이 뛰어날 뿐만 아니라 표적 컨테이너(31) 내부를 가열할 때 열 손실을 최소화하는데 매우 효과적인 소재이다.
이때, 표적 컨테이너(31) 내부를 히터(미도시)를 사용하여 가열하는 이유는, 표적 컨테이너(31) 내부에 위치한 표적(33, 34)이 충분히 가열되어 있으면, 양성자 빔의 조사에 의해서 생성되는 희귀 동위원소를 더욱 효율적으로 수송할 수 있기 때문이다. 히터는 표적 컨테이너(31)의 외측에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
그러나, 상술한 종래 기술의 표적계에서와 같이, 양성자 빔의 출력이 높아지거나, 희귀 동위원소를 지속적으로 생성하게 되면, 발열 문제가 대두되기 때문에, 표적계(30) 자체를 효과적으로 냉각시켜야 할 필요가 있다. 이 냉각에 대해서는 후술한다.
표적 컨테이너(31)의 양성자 빔의 입측(38)에는 표적 컨테이너(31)를 형성하는 소재와 동일한 소재로 형성된 양성자 빔 입사창(32)이 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 빔 입사창(32)의 탄탈륨은, 상술한 내열성 등의 장점 이외에도, 입사되는 양성자 빔을 용이하게 투과시킨다는 장점이 있다.
한편, 상기 표적 컨테이너(31)의 입측(38)의 반대쪽에는 양성자 빔의 출측(39)이 형성되며, 이 출측(39)에는, 상술한 바와 같이, 안전을 위해서 덤프가 더 설치되어 있는 것이 특히 바람직하다.
상기 표적 컨테이너(31)의 내부에 형성된 표적 베이스(35)의 내부에는 중공(37)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 표적 베이스(35)는, 양성자 빔의 입측(38)을 이루는 원뿔 꼭지점에서부터 균일한 두께로 연장되는 것이 바람직하며, 후술하는 표적 핀의 설치가 끝나가는 부분에서부터는 강도 유지를 위해서 더 두껍게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 표적 베이스(35)의 외측면, 즉 표적 컨테이너(31) 측으로 향한 표면측에는 후술하는 표적 핀을 고정 설치하기 위한 다수의 홈이 일정한 간격으로 형성되어 있을 수 있다. 상기 다수의 홈에 대해서는 표적 핀의 설명과 함께 후술하기로 한다.
상기 표적 베이스(35) 내의 중공(37)에는 냉각 자켓(미도시)이 더 설치되는 것이 바람직하다. 이 냉각 자켓은 복사냉각 방식으로 동작하는 것이 바람직하며, 냉각의 열용량 및 냉각능을 고려하여 수냉식으로 동작하는 것이 더욱 바람직하다.
냉각 자켓을 설치하는 이유는, 상술한 바와 같이, 양성자빔의 지속적인 타격에 의해 희귀 동위원소를 생성하게 되면 대두되는 발열 문제 때문이다.
상기 발열 문제를 회피하기 위해서, 본 발명의 발명자는, 종래와 다르게, 표적 컨테이너(31)의 내측에, 중공(37)이 형성된 표적 베이스(35)를 형성하고, 이 표적 베이스(35)의 내측을 냉각시키는 구성을 채택하였다.
상술한 바와 같이, 희귀 동위원소를 효율적으로 생성하기 위해서는, 표적 컨테이너(31) 전체에 대해서 히터(미도시)를 사용하여 미리 가열하여 두는 것이 바람직하다. 이때, 가열 온도는 2000 ~ 2100 ℃인 것이 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같이, 희귀 동위원소를 계속 생산하게 되면, 발열 문제가 대두되는데, 이때, 표적 컨테이너(31) 내부가 상기 가열 온도를 초과할 우려가 있으므로, 안정적으로 냉각시키기 위해서 상기 냉각 자켓을 설치하여 상기 온도 범위를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
도 3으로부터, 표적 컨테이너(31) 내부의 표적 베이스(35)에는 표적 핀(fin)(33, 34)이 다수 설치되어 있음을 알 수 있다.
상기 다수의 표적 핀(33, 34)은, 상기 표적 베이스(35)의 외측 표면을 따라서 원뿔의 꼭지점에서 원뿔의 모선을 따라서 배치되어 있다. 입사되는 양성자 빔은, 표적 핀(33, 34)을 타격하게 된다.
상기 표적 핀(33, 34) 중에, 양성자 빔의 입측, 즉 원뿔 형상의 꼭지점에 위치하는 표적 핀(33)은 디스크 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 표적 컨테이너(31)의 출측으로 가면서 설치된 표적 핀(33)의 경우에는 고리 형상으로 형성되어 있을 수 있다.
즉, 표적 핀(33, 34)은, 양성자 빔의 입측에서 출측으로 갈수록 디스크 형상에서 점점 직경이 커지는 고리 형상으로 형성된다. 이때, 상기 표적 핀(33, 34)을 용이하게 설치하기 위해서, 상기 표적 베이스(35)의 외측면에는 다수의 홈(미도시)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 홈은 핀 지지 홀더(미도시)를 사용하여 상기 표적 핀(33, 34)을 견고하게 파지하도록 구성될 수도 있다.
다르게는, 상기 표적 베이스(35)의 외측에 계단 형상의 핀 설치부를 형성하고, 이 핀 설치부에 각각의 표적 핀을 끼워서 고정할 수도 있다. 이 경우, 출측(39)의 표적 핀을 가장 먼저 삽입하여 고정하고, 차례대로 입측(38)으로 진행하여 나머지 표적 핀을 삽입하여 고정하는 것이 바람직하다. 이때, 입측(38)의 가장 앞쪽의 표적 핀은 디스크 형상일 수 있음을 알아야 한다.
여기에서, 상기 표적 베이스(35)에는 그 외측에 형성되는 표적 핀(33, 34)과의 사이에 표적 핀 베이스(36)가 더 형성되어 있을 수 있다.
상기 표적 핀 베이스(36)는, 상기 표적 베이스(35)의 외측에서, 상기 표적 베이스(35)의 형상을 따라서 형성된다.
이 경우, 상기 표적 핀(33, 34)은, 상기 표적 베이스(35)의 외측에 직접적으로 고정 설치되는 것이 아니라 상기 표적 핀 베이스(36)를 거쳐서 고정된다는 점을 알아야 한다.
이때, 상기 표적 베이스(35)는 그래파이트로 형성될 수 있으며, 상기 표적 핀(33, 34)과 상기 표적 핀 베이스(36)는 동일한 소재, 예를 들면, UCx로 형성될 수 있음을 알아야 한다. 상기 UCx에 대해서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 동작에 대한 설명과 함께 후술한다.
다음으로, 도 4는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 일부분(A)을 확대한 확대도이다.
도 4는 도 3의 일부분(A)을 확대한 도면으로, 도 4에 따르면, 표적 베이스(35)의 원뿔 꼭지점에서의 표적 핀 베이스(36)와 표적 핀(33, 34)의 관계를 알 수 있다.
도 4에서, 표적 핀 베이스(36)는 UCx로 형성되어 있는 것이 바람직하며, 표적 핀(33, 34) 역시 동일한 UCx로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이때, 표적 핀 베이스(36)는 고깔 형태이며, 표적 핀(33, 34)은 디스크 또는 중공 디스크의 형상일 수 있다.
마지막으로, 도 5는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 실제 사용을 예시적으로 나타내는 사시도이다.
도 5로부터, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계는, 입측(38)으로부터 출측(39)까지 고리 형상의 중공 디스크가 연속적으로 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 5의 중공(37)에는, 상술한 냉각 자켓이 설치될 수 있으나, 도시를 간략하게 하기 위해서, 냉각 자켓을 구체적으로 도시하지 않았다.
또한, 도 5로부터, 표적 컨테이너(31)의 몸체의 일측에는 생성된 희귀 동위원소를 수송하기 위한 수송 라인이 형성되어 있음을 알 수 있다. 생성된 희귀 동위원소는, 공간(B)으로 일차적으로 방출되고, 이후에 상기 수송 라인을 통해서, 이 희귀 동위원소를 활용할 수 있도록 수송될 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계의 구성에 대해서 설명하였으며, 이하에서는 상기 희귀 동위원소 생산용 표적계를 사용하여 희귀 동위원소를 생산하는 방법에 대해서 추가적으로 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 희귀 동위원소 생산용 표적계(30)의 표적 컨테이너(31) 내부에, 일정한 간격으로 배치된 다수의 표적 핀(33, 34)을 고정 설치한 표적 베이스(35)를 배치한다.
상기 표적 컨테이너(31)는 Ta으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 표적 컨테이너(31)의 치수는 직경 84 mm, 길이 422 mm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 이때, 히터를 사용하여, 바람직하게는 2000 ~ 2100 ℃ 정도로 표적 컨테이너(31)를 가열해 두는 것이 바람직하다.
이어서, 입측(38)으로 양성자 빔을 조사하면, 양성자 빔은 입사창(32)을 지나서 표적 핀(33)에 충돌하게 된다.
이때, 표적 베이스(35)의 가장 좌측에 있는 표적 핀(33)에서부터 희귀 동위원소가 생성될 수 있다. 이때, 표적의 종류에 따라서 서로 다른 희귀 동위원소가 생성될 수 있음을 알 것이다.
예를 들어, 표적을 UCx 소재로 형성하는 경우, n-rich 동위원소를 얻을 수 있다. 여기에서, n-rich 동위원소는, 중성자(neutron)를 많이 포함하고 있는 희귀 동위원소를 의미한다.
한편, 표적을 SiC, LiF, C, W, Ti 등으로 형성하는 경우에는 8Li, 12Be, 15O, 45V, 68Ni 등을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명에서 사용한 표적은 UCx 소재이며, UCx 분말을 압축하여 디스크 또는 중공 디스크 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명에서의 표적 핀(33, 34)은 표적 베이스(35)의 외측면을 기준으로 하여 높이 5.4 mm, 두께 1.3 mm, 표적 핀(33, 34) 사이의 간격 2.6 mm로 설정되어 있다.
표적 컨테이너(31)의 경우에서와 마찬가지로 이들 수치들은 다르게 변형될 수도 있다. 특히, 표적 핀(33, 34) 사이의 간격은 균일하게 배치될 수도 있고, 원뿔의 꼭지점에서부터 점점 간격이 넓어지도록 형성될 수도 있고, 반대로 점점 간격이 좁아지도록 배치될 수도 있다.
상기 표적 핀(33, 34) 사이에 간격을 설정한 이유는, 양성자 빔이 입사되어 희귀 동위원소를 형성할 때, 표적 핀(33, 34) 내부에 생성된 희귀 동위원소가 효과적으로 표적 컨테이너(31)의 빈 공간(B)으로 방출될 수 있도록 하기 위해서이다. 상기 빈 공간(B)은, 진공 처리되어 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 표적 핀(33, 34)이 설치되는 원뿔 형상의 표적 베이스(35)는, 원뿔 꼭지점에서의 원뿔각이 12°로 형성되는 것이 바람직하다. 이 각도는, 상기 표적 컨테이너(31)의 크기, 및 상기 표적 핀(33, 34)의 크기와 배치 구조를 감안하였을 때의 최적 각도인 점에 유의하여야 한다.
참고로, 원뿔각이 더 커지면, 효과적인 방열은 기대할 수 있지만, 이에 따라서 표적 컨테이너(31)의 크기가 커지게 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 입사된 양성자 빔이 표적 핀(33, 34) 전체를 완전하게 통과하도록 하기 위해서는 표적 핀(33, 34)의 높이를 높여야 하는데, 이 경우, 표적 컨테이너(31)의 대형화를 피할 수 없게 된다.
따라서, 상기 원뿔각은 희귀 동위원소의 생성 수율과, 표적 핀(33, 34) 사이에서의 희귀 동위원소의 효과적인 방출, 및 표적 컨테이너(31)의 크기 등을 모두 고려하여 결정되는 것이 바람직하며, 상술한 바와 같은 조건 하에서는 원뿔각은 12°가 가장 바람직하다.
상술한 바와 같이, 원뿔각 및 표적 핀의 높이와 배치 간격은, 표적 핀의 종류 및 양성자 빔의 에너지 및 세기에 따라서 상이해질 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 원뿔 형상의 표적 베이스(35) 내의 중공(37)에는 냉각 자켓이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 상기 냉각 자켓은, 복사 냉각 방식으로 동작하는 것이 바람직하며, 수냉식으로 동작하면 더욱 바람직하다.
생성된 희귀 동위원소는, 공간(B) 내로 방출되고, 수송 라인(도 5 참조)을 통해서 소정의 용도로 활용될 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 희귀 동위원소 생산용 표적계에 대해서 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
10 ; 20 : (종래의) 표적계 12 : 표적 컨테이너
14, 28 : 입측 16, 29 : 출측
18, 23, 24 : 표적 19 ; 25, 26, 27 : 간격
30 : (본 발명의) 표적계 31 : 표적 컨테이너
32 : 빔 입사창 33, 34 : 표적 핀
35 : 표적 베이스 36 : 표적 핀 베이스
37 : 중공 38 : 입측
39 : 출측

Claims (14)

  1. 일측이 양성자 빔의 입측으로 형성되는 원통 형상의 몸체를 갖는 표적 컨테이너;
    상기 표적 컨테이너 내에 형성되고, 원뿔 형상이며, 내부에 상기 원뿔 형상에 대응하는 형상의 중공을 갖는 표적 베이스;
    상기 표적 베이스 내의 상기 중공에 설치되는 냉각 자켓; 및
    상기 표적 베이스의 외측 표면을 따라서 상기 원뿔의 꼭지점에서 상기 원뿔의 모선을 따라서 배치되고, 상기 양성자 빔에 의해서 타격되는 다수의 표적 핀(fin);을 포함하며,
    상기 표적 베이스의 원뿔 꼭지점은, 상기 양성자 빔의 입측으로 향해서 배치되고,
    상기 다수의 표적 핀은 입측에서 출측으로 갈수록 디스크 형상에서 점진적으로 직경이 커지는 고리 형상으로 형성되며,
    상기 표적 베이스의 외측면에 형성된 다수의 홈에 고정되고,
    상기 표적 베이스의 외측면에는 상기 다수의 표적 핀을 상기 다수의 홈에 파지하는 핀 지지 홀더가 구비되며,
    상기 표적 컨테이너의 양성자 빔의 입측에 탄탈륨 소재의 양성자 빔 입사창이 설치되어, 입사되는 양성자 빔을 용이하게 투과시키는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  2. 일측이 양성자 빔의 입측으로 형성되는 원통 형상의 몸체를 갖는 표적 컨테이너;
    상기 표적 컨테이너 내에 형성되고, 원뿔 형상이며, 내부에 상기 원뿔 형상에 대응하는 형상의 중공을 갖는 표적 베이스;
    상기 표적 베이스 내의 상기 중공에 설치되는 냉각 자켓; 및
    상기 표적 베이스의 외측 표면을 따라서 상기 원뿔의 꼭지점에서 상기 원뿔의 모선을 따라서 배치되고, 상기 양성자 빔에 의해서 타격되는 다수의 표적 핀(fin);을 포함하며,
    상기 표적 베이스의 원뿔 꼭지점은, 상기 양성자 빔의 입측으로 향해서 배치되며,
    상기 표적 베이스의 외측면에는 상기 표적 베이스의 형상과 동일한 원뿔 형상으로 형성되고, 상기 표적 핀이 고정되는 표적 핀 베이스가 형성되고,
    상기 다수의 표적 핀은 입측에서 출측으로 갈수록 디스크 형상에서 점진적으로 직경이 커지는 고리 형상으로 형성되며,
    상기 표적 베이스의 외측면에 형성된 다수의 홈에 고정되고,
    상기 표적 베이스의 외측면에는 상기 다수의 표적 핀을 끼워서 고정하는 계단 형상의 핀 설치부가 구비되며,
    상기 표적 컨테이너의 양성자 빔의 입측에 탄탈륨 소재의 양성자 빔 입사창이 설치되어, 입사되는 양성자 빔을 용이하게 투과시키는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표적 컨테이너는, Ta으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표적 베이스는, 그래파이트(graphite)로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 표적 핀은, UCx로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 형상에서의 원뿔각 및 상기 표적 핀의 높이와 배치 간격은, 상기 표적 핀의 종류 및 양성자 빔의 에너지 및 세기에 따라서 상이해지는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표적 컨테이너의 외측에는, 상기 표적을 가열하기 위한 히터가 더 설치되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 표적 핀 및 상기 표적 핀 베이스는, UCx로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 자켓은, 복사 냉각 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복사 냉각은, 수냉식인 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표적 컨테이너의 출측에는 덤프가 더 설치되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표적 컨테이너의 몸체의 일측에는 생성된 희귀 동위원소를 수송하기 위한 수송 라인이 더 설치되는 것을 특징으로 하는,
    희귀 동위원소 생산용 표적계.


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