KR101809090B1 - 붕소중성자포획 치료 빔라인 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 붕소중성자포획 치료장치에 관한 것으로, 붕소중성자포획 치료장치는, 빔 공급 라인으로 가속된 양성자선을 공급하는 선형양성자가속기; 상기 빔 공급 라인으로부터 공급된 가속된 양성자선을 제1 빔 분기 라인, 제2 빔 분기 라인 및 제3 빔 분기 라인 중 하나로 분기하는 빔 선택 분배부; 및 상기 제1 빔 분기 라인, 제2 빔 분기 라인 및 제3 빔 분기 라인의 말단에 배치되는 중성자 타겟을 포함하는 방사선 치료기를 포함한다.

Description

붕소중성자포획 치료 빔라인 장치{An beam line appratus of bron Neutron capture therapy system}
본 발명은 붕소중성자 포획 치료 빔라인 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
붕소중성자포획치료법(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy, 이하, BNCT라 한다)은 중성자선의 조사에 의하여 암세포를 사멸시키는 중성자 포착요법이다. BNCT에서는 붕소를 포함하는 약재를 환자에게 투여하여 암세포가 존재하는 부위에 붕소를 집적시키고, 이 붕소가 집적된 부위에 중성자선을 조사하면 암세포에 모인 붕소화합물이 중성자를 집중적으로 흡수하게 되고, 이때 나오는 2차 방사선으로 암세포를 사멸시킨다.
이러한 중성자 포착요법 장치는 양성자선 발생장치와, 양성자선을 조사대상인 타겟장치에 유도하는 진공 배관인 빔라인과, 양성자선을 집속하고 중성자선 방향성을 높이는 콜리메이터(collimator), 양성자선의 진행 방향을 제어하는 전자석, 중성자 생성을 위한 중성자 표적계 등의 장치 요소를 포함한다.
중성자선은 원자로, 가속기로부터 인출할 수 있다. 원자로는 열중성자(Thermal neutron)가 대부분이며 유해 방사선 피폭 문제 외에도 치료 깊이가 낮다는 단점이 있다. 최근에는 가속기를 이용한 BNCT 연구가 활발하며, 특히 치료 깊이가 열중성자의 2~3 cm 보다 깊은 7~8 cm수준인 고강도의 열외중성자속(Epithermal neutron flux)을 생성할 수 있고, 잔류 방사선량이 작은 선형가속기가 주목 받고 있다.
선형 양성자가속기형 BNCT시설에서는 양성자가속기로부터 수십mA 이상의 양성자선을 수 MeV 이상으로 가속하여 표적에 조사하여 다량의 중성자를 발생시켜 사용하게 된다. 이때 선형 양성자가속기로부터 발생된 양성자선은 표적까지 수송되는 동안 공간전하효과(space charge effect)인 양성자간의 척력으로 인해 쉽게 발산되는 특성이 있어, 빔을 표적까지 손실 없이 수송하기 위해서는 빔라인은 가능한 한 짧고, 작은 각도로 구부려야 한다.
또한, 빔의 분기를 위해 빔을 구부릴 때, 빔 단위로 구부려지는 각도, 즉, 편향 각도가 상이할 수 있고, 편향된 빔들에 일종의 광학적 색수차에 가까운 현상이 발생될 수 있다. 이에 따라 상이한 각도로 편향된 일부 빔들은 표적까지 도달할 수 없고 심대한 빔 손실이 야기될 수 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 선형 양성자가속기로부터의 양성자선을 표적까지 효율적으로 전달할 수 있는 최적의 빔라인 구성 요소를 갖는 붕소중성자포획 치료장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 하는 다른 과제는, 빔의 분기 시, 분기된 빔들의 상이한 편향 각도로 발생되는 빔 에너지 떨림을 방지하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 붕소중성자포획 치료 시설은, 빔 공급 라인으로 가속된 양성자선을 공급하는 선형양성자가속기; 상기 빔 공급 라인으로부터 공급된 가속된 양성자선을 제1 빔 분기 라인, 제2 빔 분기 라인 및 제3 빔 분기 라인 중 하나로 분기하는 빔 선택 분배부; 및 상기 제1 빔 분기 라인, 제2 빔 분기 라인 및 제3 빔 분기 라인의 말단에 배치되는 중성자 타겟을 포함하는 방사선 치료기를 포함하되, 상기 빔 선택 분배부는, 제2 빔 분기 라인에 제1 각도로 배치되며 상기 빔 공급 라인과 상기 제1 빔 분기 라인을 연결하는 제1 중간 라인; 제2 빔 분기 라인에 제1 각도로 배치되며 상기 빔 공급 라인과 상기 제3 빔 분기 라인을 연결하는 제2 중간 라인; 상기 빔 공급 라인을 상기 제1 중간 라인, 상기 제2 빔 공급 라인 및 상기 제2 중간 라인으로 분기하는 분지 구조를 갖는 라인 분배부; 적어도 일부가 상기 라인 분배부 상에 배치되는 제1 이극 전자석; 적어도 일부가 상기 제1 중간 라인과 상기 제1 빔 분기 라인의 연결 지점 상에 배치되는 제2 이극 전자석; 및 적어도 일부가 상기 제2 중간 라인과 상기 제3 빔 분기 라인 상에 배치되는 제3 이극 전자석을 포함한다.
한편, 상기 빔 선택 분배부는, 상기 제1 중간 라인 상에서 상기 제1 이극 전자석 및 상기 제2 이극 전자석 사이에 배치되는 제1 중간 빔 집적부 및 제2 중간 라인 상에서 상기 제1 이극 전자석 및 상기 제3 이극 전자석 사이에 배치되는 제2 중간 빔 집적부를 더 포함한다.
한편, 상기 제1 중간 빔 집적부는 4극 전자석을 포함하고, 상기 제2 중간 빔 집적부는 4극 전자석을 포함한다.
한편, 상기 제1 이극 전자석, 제1 중간 빔 집적부 및 제2 이극 전자석, 또는 상기 제1 이극 전자석, 제2 중간 빔 집적부 및 제3 이극 전자석은 아크로매틱(achromatic) 광학계(optics)를 형성한다.
한편, 상기 제1 중간 라인은 상기 제1 중간 라인의 연장선이 제1 분기 라인에 제2 각도를 갖도로 배치되고, 상기 제2 중간 라인은 상기 제2 중간 라인의 연장선이 제2 분기 라인에 제2 각도를 갖도로 배치되며, 상기 제1 중간 라인과 상기 제2 중간 라인은 상기 제2 빔 분기 라인을 중심으로 선대칭되도록 배치된다.
한편, 상기 제1 이극 전자석, 상기 제2 이극 전자석 및 상기 제3 이극 전자석은 동일한 이극 전자석이며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 동일하다.
한편, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도는 20도 내지 30도이다.
또는, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도는 25도이다.
한편, 제1 이극 전자석, 제2 이극 전자석 및 제3 이극 전자석에는 동일한 극성의 바이어스 전압이 인가된다.
한편, 붕소중성자포획 치료장치는, 상기 빔 공급 라인 상에 배치되는 제1 빔 집적부, 상기 제1 빔 분기 라인 상에 배치되는 제2 빔 집적부, 상기 제2 빔 분기 라인 상에 배치되는 제3 빔 집적부, 및 상기 제3 빔 분기 라인 상에 배치되는 제4 빔 집적부를 더 포함한다.
한편, 상기 제1 빔 집적부는, 3 개의 4극 전자석을 포함한다.
한편, 상기 제2 빔 집적부, 제3 빔 집적부 및 제4 빔 집적부는 각각 교번적으로 배치되는 2개의 4극 전자석 및 2 개의 8극 전자석을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 붕소중성자포획 치료 시설의 빔라인을 효율적으로 구성할 수 있다.
또한, 붕소중성자포획 치료 시설의 빔 분기 시 발생되는 빔 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 붕소중성자포획(Boron Neutron Capture Therapy; 이하, "BNCT") 장치의 전체에 대한 예시적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 장치 대략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 기기의 빔 선택 분배부에 대한 블록도이다.
도 4는 예시적인 2극 전자석에 의해 양성자 빔이 편향되는 것을 예시하는 예시도이다.
도 5에서 서로 다른 운동량을 갖는 3 개의 양성자 빔들(a, b, c)가 예시적인 2극 전자석을 통과하여 편향되는 것이 예시되었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 BNCT 기기의 빔 선택 분배부의 아크로메틱 빔 광학계에 따른 빔 경로를 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 장치의 더 세부적인 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 붕소중성자포획 치료(Boron Neutron Capture Therapy; 이하, "BNCT") 장치의 전체에 대한 예시적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 장치 대략적인 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 장치(1)는 선형양성자가속기(20), 빔 선택 분배부(10), 복수의 방사선 치료기(30, 32, 36)를 포함한다.
선형양성자가속기(20)는 빔 공급 라인(22)으로 가속된 양성자를 공급할 수 있다. 도시되지 않았으나, 선형양성자가속기(20)는 양성자 등의 하전 입자선을 생성하는 입사기, RFQ(Radio-Frequency Quadrupole) 및 DTL(Drift Tube Linac)을 포함할 수 있고, 생성된 양성자를 가속하여 빔 공급 라인(22)으로 전달할 수 있다.
빔 선택 분배부(10)는 빔 공급 라인(22)으로부터 공급된 가속된 양자선을 제1 빔 분기 라인(12), 제2 빔 분기 라인(14) 및 제3 빔 분기 라인(16) 중 하나로 분기할 수 있다.
빔 선택 분배부(10)는 빔 공급 라인(22)에 수직한 상하 방향에서 가속된 양성자의 진행 방향에 수직한 자기장을 방사할 수 있다. 이로써, 빔 선택 분배부(10)를 지나는 가속된 양성자는 그 진행 방향이 빔 선택 분배부(10)의 자기장에 수직한 평면 상에서 자기장에 의해 구부러져 편향될 수 있다. 예를 들어, 빔 선택 분배부(10)는 하나 이상의 2극 전자석을 포함할 수 있다.
제1 빔 분기 라인(12), 제2 빔 분기 라인(14) 및 제3 빔 분기 라인(16)은 서로 다른 방향으로 가속된 양성자 빔을 전달할 수 있다.
복수의 방사선 치료기(30, 32, 36)는 각각 중성자 타겟을 포함하는 제1 방사선 치료기(30), 제2방사선 치료기(32) 및 제3 방사선 치료기(36)를 포함할 수 있다. 중성자 타겟은 제1 빔 분기 라인(12), 제2 빔 분기 라인(14) 및 제3 빔 분기 라인(16)의 말단에 배치될 수 있다.
중성자 타겟은 두꺼운 차폐벽 내부에 매립될 수 있고, 각각의 분기 라인을 통해 전달되는 양성자 빔의 충돌 에너지에 의해 열외 중성자를 방사선 치료기(30, 32, 36)로 방사할 수 있다. 방사선 치료기(30, 32, 36)는 적어도 일부가 차폐벽 너머의 치료실 내부에 위치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 붕소중성자포획 치료장치는 제1 빔 집적부(40), 제2 빔 집적부(52), 제3 빔 집적부(54) 및 제4 빔 집적부(56)를 더 포함할 수 있다.
제1 빔 집적부(40)는 빔 공급 라인(22) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 빔 집적부(40)는 가속된 양성자를 전달하는 파이프 형 빔 공급 라인(22) 상에서 빔 공급 라인(22)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 제1 빔 집적부(40)는 양성자 빔의 진행방향에 수직인 평면상에 평행한 자기장을 형성할 수 있다. 제1 빔 집적부(40)로부터 방사되는 자기장은 빔의 중심으로부터 멀어질수록 거리에 비례해서 강해질 수 있다. 예를 들어, 제1 빔 집적부(40)는 4극 자석, 6극 자석, 및 8극 자석 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이로써, 빔 공급 라인(22)을 따라 진행하는 양성자 중에서, 그 진행 방향을 이탈하려하는 양성자는 중심 방향으로 힘을 받아 다시 정상 궤도로 진행될 수 있다.
제2 빔 집적부(52)는 제1 빔 분기 라인(12) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 빔 집적부(52)는 제1 빔 분기 라인(12) 상에서 파이프 형인 제1 빔 분기 라인(12)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 빔 집적부(52)는 4극 자석, 6극 자석, 및 8극 자석 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 제1 빔 집접부와 마찬가지로 진행 방향을 이탈하려는 양성자가 다시 정상 궤도로 진입하도록 힘을 가할 수 있다.
제3 빔 집적부(54)는 제2 빔 분기 라인(14) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 빔 집적부(54)는 제2 빔 분기 라인(14) 상에서 파이프 형인 제2 빔 분기 라인(14)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 빔 집적부(54)는 4극 자석, 6극 자석, 및 8극 자석 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 제1 빔 집접부와 마찬가지로 진행 방향을 이탈하려는 양성자가 다시 정상 궤도로 진입하도록 힘을 가할 수 있다.
제4 빔 집적부(56)는 제3 빔 분기 라인(16) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 빔 집적부(54)는 제3 빔 분기 라인(16) 상에서 파이프 형인 제3 빔 분기 라인(16)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 빔 집적부(54)는 4극 자석, 6극 자석, 및 8극 자석 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 제1 빔 집접부와 마찬가지로 진행 방향을 이탈하려는 양성자가 다시 정상 궤도로 진입하도록 힘을 가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 기기의 빔 선택 분배부(10)에 대한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 기기의 빔 선택 분배부(10)는, 제1 이극 전자석(100), 제2 이극 전자석(120), 제3 이극 전자석(130), 라인 분배부(106), 제1 중간 라인(102), 제2 중간 라인(104), 제1 중간 빔 집적부(140) 및 제2 중간 빔 집적부(150)를 포함할 수 있다.
라인 분배부(106)는 빔 공급 라인(22)을 제1 중간 라인(102), 제2 빔 분기 라인(14), 제2 중간 라인(104)으로 분기하는 분지 구조를 가질 수 있다.
제1 중간 라인(102)은 라인 분배부(106)로부터 제1 빔 분기 라인(12)을 연결할 수 있다. 제2 중간 라인(104)은 라인 분배부(106)로부터 제3 빔 분기 라인(16)을 연결할 수 있다.
제1 중간 라인(102)은 제2 빔 분기 라인(14)에 제1 각도(α)로 배치될 수 있고, 제2 중간 라인(104) 역시 제2 빔 분기 라인(14)에 제1 각도(α)로 배치될 수 있다. 또한, 제1 중간 라인(102)은 그 연장선이 제1 빔 분기 라인(12)에 제2 각도(β)를 갖도록 배치될 수 있고, 제2 중간 라인(104) 역시 그 연장선이 제3 빔 분기 라인(16)에 제2 각도(β)를 갖도로 배치될 수 있다. 즉, 제1 중간 라인(102)과 제2 중간 라인(104)은 제2 빔 분기 라인을 중심으로 선 대칭되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는 동일한 각도일 수 있다. 예를 들어, 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는 20 내지 30도 일 수 있고, 구체적으로, 25도일 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서, 제1 빔 분기 라인(12) 및 제3 빔 분기 라인(16)은 제2 빔 분기 라인(14)에 대해 40 내지 60도의 각도를 이룰 수 있고, 구체적으로, 50도의 각도를 이룰 수 있다.
제1 이극 전자석(100)은 적어도 일부가 라인 분배부(106) 상에 또는 라인 분배부(106)에 인접한 빔 공급 라인(22) 상에 배치될 수 있다. 제1 이극 전자석(100)은, 입력되는 전원의 바이어스 극성에 따라 그 자기 극성이 바뀌는 2극 전자석일 수 있다. 또한, 제1 이극 전자석(100)은 빔 공급 라인(22) 내의 양성자의 진행 방향에 수직한 방향으로 자기장을 방사할 수 있다. 이로써, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자는 그 진행 방향이 제1 이극 전자석(100)의 자기장에 수직한 평면상에서 자기장에 의해 구부러져 편향될 수 있다.
또한, 제1 이극 전자석(100)의 자기 극성은 인가되는 전원의 바이어스 극성(전압 극성)에 따라 달라질 수 있다. 제1 이극 전자석(100)의 자기 극성이 달라짐에 따라, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 양성자의 편향 방향은 달라질 수 있다.
예를 들어, 제1 이극 전자석(100)에 정바이어스의 전압이 인가될 때, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자 빔은 제1 중간 라인(102)을 통과하도록 편향될 수 있다. 또한, 제1 이극 전자석(100)에 역바이어스의 전압이 인가될 때, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자 빔은 제2 중간 라인(104)을 통과하도록 편향될 수 있다. 또한, 제1 이극 전자석(100)에 아무런 바이어스도 인가되지 않을 때, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자 빔은 편향되지 않을 수 있고 제2 빔 분기 라인(14) 내부로 직진할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따를 때, 빔 선택 분배부(10)의 제1 이극 전자석(100)에 인가되는 바이어스를 "+", "-" 및 "0"의 3가지 모드로 선택할 수 있고, 이에 따라, 양성자 빔의 진행 경로를 3가지로 선택할 수 있다.
제1 중간 빔 집적부(140)는 제1 중간 라인(102) 상에서 제1 이극 전자석(100) 및 제2 이극 전자석(120) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 중간 빔 집적부(140)는 가속된 양성자를 전달하는 파이프 형 제1 중간 라인(102)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 중간 빔 집적부(140)는 하나의 4극 전자석일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 중간 빔 집적부(140)는 그 진행 방향을 이탈하려하는 양성자에 힘을 가해 궤도를 수정할 수 있는 복수의 전자석들을 포함할 수 있고, 예를 들어, 예를 들어, 4극, 6극 및 8극 전자석 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제2 중간 빔 집적부(150)는 제2 중간 라인(104) 상에서 제1 이극 전자석(100) 및 제3 이극 전자석(130) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 중간 빔 집적부(150)는 가속된 양성자를 전달하는 파이프 형상인 제2 중간 라인(104)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 중간 빔 집적부(150)는 하나의 4극 전자석일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제2 중간 빔 집적부(150)는 그 진행 방향을 이탈하려하는 양성자에 힘을 가해 궤도를 수정할 수 있는 복수의 전자석들을 포함할 수 있고, 예를 들어, 예를 들어, 4극, 6극 및 8극 전자석 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제2 이극 전자석(120)은 적어도 일부가 제1 중간 라인(102)과 제1 빔 분기 라인의 연결 지점 상에 또는 그에 인접하게 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제3 이극 전자석(130)은 적어도 일부가 제2 중간 라인(104)과 제3 빔 분기 라인의 연결 지점 상에 또는 그에 인접하게 배치될 수 있다.
제2 이극 전자석(120) 및 제3 이극 전자석(130)은 제1 이극 전자석(100)과 실질적으로 동일한 전자석일 수 있다.
즉, 제1 이극 전자석(100), 제2 이극 전자석(120) 및 제3 이극 전자석(130)은 그 배치 위치 상의 차이를 가질 뿐 동일한 구조, 크기 및 배치 방향을 갖는 이극 전자석일 수 있다.
또한, 제2 이극 전자석(120) 및 제3 이극 전자석(130)은 제1 이극 전자석(100)과 동일한 바이어스 전압을 인가 받을 수 있다.
즉, 제1 이극 전자석(100)에 "+", "-" 및 "0"의 3가지 모드의 바이어스 전압이 인가될 때, 제2 이극 전자석(120) 및 제3 이극 전자석(130)에도 동일한 3 가지 모드의 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
따라서, 예를 들어, 제1 이극 전자석(100) 및 제2 이극 전자석(120)에 정바이어스의 전압이 인가될 때, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자 빔은 제1 중간 라인(102)을 통과하도록 편향될 수 있고 제1 중간 라인(102)을 통해 진행하는 가속된 양성자 빔은 제2 이극 전자석(120)을 지나면서 편향되어 제1 빔 분기 라인(12)으로 전달될 수 있다.
또한, 예를 들어, 제1 이극 전자석(100) 및 제3 이극 전자석(130)에 역바이어스의 전압이 인가될 때, 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자 빔은 제2 중간 라인(104)을 통과하도록 편향될 수 있고 제2 중간 라인(104)을 통해 진행하는 가속된 양성자 빔은 제3 이극 전자석(130)을 지나면서 편향되어 제3 빔 분기 라인(16)으로 전달될 수 있다.
또한, 예를 들어, 제1 이극 전자석(100), 제2 이극 전자석(120) 및 제3 이극 전자석(130)에 아무런 바이어스도 인가되지 않을 때(전자석의 두 극에 같은 전압이 인가될 때), 제1 이극 전자석(100)을 지나는 가속된 양성자 빔은 직진하여 제2 빔 분기 라인으로 진행할 수 있다.
양성자들이 이극 전자석들을 지나면서 편향되는 정도는 각각 상이할 수 있다. 예를 들어, 서로 대면하는 두 개의 자극을 갖는 이극 전자석 내부의 자기장 프로파일은 균일하지 않을 수 있다. 또한, 이극 전자석들 내부를 진행하는 양성자들의 속도, 에너지 세기, 질량 및 운동량 등은 상이할 수 있다.
이에 따라, 이극 전자석에 의해 편향되는 양성자 빔은 마치 자연광이 렌즈를 통과하여 굴절될 때 주파수 별로 다른 방향으로 굴절되어 편향되는 것으로 모식하여 해석될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 이극 전자석(100)에 대해, 제1 중간 빔 집적부(140) 및 제2 이극 전자석(120) 또는 제2 중간 빔 집적부(150) 및 제3 이극 전자석(130)은 각각 아크로매틱 광학계(achromatic optics) 또는 아크로매틱(achromatic) 빔 렌즈 방식, 엄밀히 아포크로매틱(apochromatic) 빔 렌즈 방식으로 설계될 수 있다. 이와 같은 광학 설계를 통해, 제1 중간 빔 집적부(140) 및 제2 중간 빔 집적부(150)는 제1 이극 전자석(100)을 지나며 편향 분산된 및 제2 이극 전자석(120) 또는 제3 이극 전자석(130)을 지나며 편향 분산될 양성자 빔의 초점을 모아줄 수 있다.
이와 관련된 상세한 설명은, 이하 도 4 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 예시적인 2극 전자석에 의해 양성자 빔이 편향되는 것을 예시하는 예시도이다.
도 5에서 서로 다른 운동량을 갖는 3 개의 양성자 빔들(a, b, c)가 예시적인 2극 전자석을 통과하여 편향되는 것이 예시되었다.
예를 들어, 3 개의 양성자 빔들은 에너지 세기, 예를 들어, 질량 및 속도에 관한 운동량이 상이할 수 있다. 상대적으로 에너지 세기가 작은 양성자(c), 예를 들어, 속도가 작은 양성자(C)는 다른 양성자들(a, b)에 비해, 이극 전자석을 통과할 때 더욱 많이 휘어질 것이다.
마찬가지로, 상대적으로 에너지 세기 큰 양성자(a), 예를 들어, 속도가 큰 양성자(a)는 다른 양성자들(b, c)에 비해, 이극 전자석을 통과할 때 덜 휘어질 것이다.
이와 같이, 이극 전자석에 의해 편향되는 양성자 빔은 에너지 세기 별로, 때로는 이극 전자석의 자기장 프로필 차이로 인해서, 상이한 정도로 편향될 수 있다. 이는 마치 자연광이 렌즈를 통과하여 굴절될 때 주파수 별로 다른 방향으로 굴절되어 편향되는 것과 유사하기에, 이극 전자석에 의한 양성자 빔의 상이한 편향의 정도는 빛에 대한 렌즈의 작용을 이용하여 해석될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 이온 빔 경로와의 비교를 위해 예시된 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 BNCT 기기의 빔 선택 분배부의 아크로메틱 빔 광학계에 따른 빔 경로를 나타내는 예시도이다.
도 5를 참조하면, 하나의 2극 전자석(1000)에 의해 빔 경로가 굴절되어 하나의 분기 라인(1200)으로 빔이 굴절되는 것이 예시되었다. 참고로, 도 5 및 도 6의 예시에서, 각각의 양성자들(a, b, c)의 에너지 세기, 예를 들어, 운동량 또는 속도의 크기 순서는 도 4에 도시된 양성자들과 유사하다. 즉, 양성자(a), 양성자(b) 및 양성자(c) 순으로 에너지 세기가 증가하는 것으로 예시되었다.
예를 들어, 도 5에 예시된 바와 같이, 하나의 이극 전자석(1000)으로 제3 각도(α+β) 만큼 광 경로를 굴절 시키기 위해서는, 더 용량이 큰, 즉, 더 큰 자기장을 발생하는 이극 전자석(1000)이 사용되어야 할 것이다.
하나의 이극 전자석(1000)을 지나는 양성자들이 편향되는 정도는 로렌츠 법칙을 이용해 하기와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112016116730515-pat00001
즉, 하나의 이극 전자석(1000)을 지나는 양성자들의 곡률 반경은 양성자의 에너지 세기가 클수록 커지며, 전하량 또는 자기장이 클수록 작아진다.
도 5에 도시된 바와 같이, 양성자 빔을 전달하는 이송 라인의 직경은 제한적이기 때문에, 하나의 전자석(1000)을 지나는 양성자(c)가 과도하게 휘어지거나(작은 곡률 반경) 또는 양성자(a)가 너무 적게 휘어지면(큰 곡률 반경), 양성자 빔 이송 라인의 내벽에 충돌하여 경로를 이탈할 수 있다. 이는 이온 빔 전송 손실의 원인이 될 수 있다.
반면에 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 장치의 빔 선택 분배부는 빔 굴절 경로 상에 2 개의 이극 전자석으로 분할하여 배치하며, 그 사이에 광 초점을 모아주는 중간 빔 집적부(140, 150)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 이극 전자석(100)에 대해, 제1 중간 빔 집적부(140) 및 제2 이극 전자석(120), 또는 제2 중간 빔 집적부(150) 및 제3 이극 전자석(130)은 각각 아크로매틱 광학계(achromatic optics) 또는 아포크로매틱(achromatic) 빔 광학계를 형성할 수 있고, 양성자 빔 별 편향의 정도의 차이로 발생되는 색수차 문제를 해소할 수 있다.
예를 들어, 빔 선택 분배부(10)가 +50도, -50도, 0도의 3가지 모드로 빔 공급 라인(22)으로부터 공급되는 가속된 양성자를 분기한다고 할 때, 가장 간단한 접근 방식은 빔 선택 분배부(10)가 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 이극 전자석(100) 보다 그 크기 및 용량이 큰 하나의 이극 전자석을 포함하여 양성자의 진행 방향을 50도로 편향하는 것이다.
그러나, 앞서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 진행하는 양성자 빔을 이극 자석을 이용하여 편향 시킨 경우, 운동량 차이에 따라 양성자 별로 편향되는 정도가 달라질 수 있고, 이는 편향된 양성자에 일종의 색수차 문제를 유발할 수 있다.
특히, 상대적으로 강한 자기장을 가하여, 양성자 빔이 한 번에 휘어지는 정도를 크게한 경우, 각각의 양성자별 편향의 정도 차이는 더 심해질 수 있다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 이극 전자석(100) 및 제2 이극 전자석(120) 또는 제1 이극 전자석(100) 및 제3 이극 전자석(130)이 각각 양성자 빔을 나누어 편향시킴으로써, 일부 양성자들(a, c)이 과도하게 편향되어 소실되는 문제를 해소함은 물론, 이어지는 두 개의 이극 전자석들과 그 사이에 있는 제1 중간 빔 집적부(140) 또는 제2 중간 빔 집적부(150)는 아크로매틱 또는 아포크로매틱 광학계를 형성하여 양성자들(a, b, c)의 색수차 문제를 해소할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 장치의 더 세부적인 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNC 장치의 제1 빔 집적부(40), 제2 빔 집적부(52) 및 제3 빔 집적부(54)는 복수의 다극 전자석을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 빔 집적부(40)는 3 개의 사극 전자석(42, 46, 48)을 포함할 수 있다. 선형양성자 가속기로부터 방출되는 가속된 양성자 빔은 빔 선택 분배부(10)에 전달되기에 앞서 제1 빔 집적부(40)의 3개의 사극 전자석(42, 46, 48)에 의해 그 진행 방향을 중심으로 모아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 빔 집적부(52)는 순차적으로 교번하여 배치되는 2 개의 사극 전자석(522, 526) 및 팔극 전자석(524, 528)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제3 빔 집적부(54)는 제2 빔 집적부(52)와 마찬가지로 순차적으로 교번하여 배치되는 2 개의 사극 전자석(542, 546) 및 팔극 전자석(544, 548)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제4 빔 집적부(56)는 제2 빔 집적부(52)와 마찬가지로 순차적으로 교번하여 배치되는 2 개의 사극 전자석(562, 566) 및 팔극 전자석(564, 568)을 포함할 수 있다.
교번하여 배치되는 2 개의 사극 전자석들 및 팔극 전자석들은 타겟을 향해 진행하는 양성자 빔을 더욱 고르게 모아줄 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 선형양성자가속기 20: 빔 선택 분배부
30, 32, 36: 방사선 치료기 100: 제1 이극 전자석
120: 제2 이극 전자석 140: 제1 중간 빔 집적부
150: 제2 중간 빔 집적부 102: 제1 중간 라인
104: 제2 중간 라인

Claims (11)

  1. 빔 공급 라인으로 가속된 양성자선을 공급하는 선형양성자가속기;
    상기 빔 공급 라인으로부터 공급된 가속된 양성자선을 제1 빔 분기 라인, 제2 빔 분기 라인 및 제3 빔 분기 라인 중 하나로 분기하는 빔 선택 분배부; 및
    상기 제1 빔 분기 라인, 제2 빔 분기 라인 및 제3 빔 분기 라인의 말단에 배치되는 중성자 타겟을 포함하는 방사선 치료기를 포함하되,
    상기 빔 선택 분배부는, 제2 빔 분기 라인에 제1 각도로 배치되며 상기 빔 공급 라인과 상기 제1 빔 분기 라인을 연결하는 제1 중간 라인; 제2 빔 분기 라인에 제1 각도로 배치되며 상기 빔 공급 라인과 상기 제3 빔 분기 라인을 연결하는 제2 중간 라인; 상기 빔 공급 라인을 상기 제1 중간 라인, 상기 제2 빔 공급 라인 및 상기 제2 중간 라인으로 분기하는 분지 구조를 갖는 라인 분배부; 적어도 일부가 상기 라인 분배부 상에 배치되는 제1 이극 전자석; 적어도 일부가 상기 제1 중간 라인과 상기 제1 빔 분기 라인의 연결 지점 상에 배치되는 제2 이극 전자석; 적어도 일부가 상기 제2 중간 라인과 상기 제3 빔 분기 라인 상에 배치되는 제3 이극 전자석; 상기 제1 중간 라인 상에서 상기 제1 이극 전자석 및 상기 제2 이극 전자석 사이에 배치되는 제1 중간 빔 집적부 및 제2 중간 라인 상에서 상기 제1 이극 전자석 및 상기 제3 이극 전자석 사이에 배치되는 제2 중간 빔 집적부을 포함하는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 중간 빔 집적부는 4극 전자석을 포함하고, 상기 제2 중간 빔 집적부는 4극 전자석을 포함하는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 이극 전자석, 제1 중간 빔 집적부 및 제2 이극 전자석, 또는 상기 제1 이극 전자석, 제2 중간 빔 집적부 및 제3 이극 전자석은 아크로매틱(achromatic) 광학계(optics)를 형성하는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 중간 라인은 상기 제1 중간 라인의 연장선이 제1 분기 라인에 제2 각도를 갖도로 배치되고, 상기 제2 중간 라인은 상기 제2 중간 라인의 연장선이 제2 분기 라인에 제2 각도를 갖도로 배치되며, 상기 제1 중간 라인과 상기 제2 중간 라인은 상기 제2 빔 분기 라인을 중심으로 선대칭되도록 배치되는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 제1 이극 전자석, 상기 제2 이극 전자석 및 상기 제3 이극 전자석은 동일한 이극 전자석이며, 상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 동일한,
    붕소중성자포획 치료장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도는 20도 내지 30도인,
    붕소중성자포획 치료장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도는 25도인,
    붕소중성자포획 치료장치.
  8. 제1 항에 있어서, 제1 이극 전자석, 제2 이극 전자석 및 제3 이극 전자석에는 동일한 극성의 바이어스 전압이 인가되는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 빔 공급 라인 상에 배치되는 제1 빔 집적부, 상기 제1 빔 분기 라인 상에 배치되는 제2 빔 집적부, 상기 제2 빔 분기 라인 상에 배치되는 제3 빔 집적부, 및 상기 제3 빔 분기 라인 상에 배치되는 제4 빔 집적부를 더 포함하는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제1 빔 집적부는, 3 개의 4극 전자석을 포함하는,
    붕소중성자포획 치료장치.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 제2 빔 집적부, 제3 빔 집적부 및 제4 빔 집적부는 각각 교번적으로 배치되는 2개의 4극 전자석 및 2 개의 8극 전자석을 포함하는,
    붕소중성자포획 치료장치.
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