KR101967266B1

KR101967266B1 - 선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치

Info

Publication number: KR101967266B1
Application number: KR1020170178097A
Authority: KR
Inventors: 이강선; 한재은; 김동수; 최병호; 박선순
Original assignee: 주식회사 다원메닥스; 주식회사 다원시스
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-04-09

Abstract

선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 양성자 빔 전달관; 및 양성자 빔 전달관의 일단을 차폐하는 베릴륨 타겟으로서, 양성자 빔 전달관으로부터 양성자 빔이 조사되는 베릴륨 타겟의 일면에서 복수의 패턴형 구획홈에 의해 형성된 복수 개의 베릴륨 절편을 포함하는 베릴륨 타겟을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체를 제공한다.

Description

선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치 {Linear Proton Beam Target Assembly and Proton Beam Scanning Apparatus Including The Same}

본 개시는 선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 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 환자에게 유도하는 진공 배관인 빔 라인과, 양성자선을 집속하고 양성자선의 지향성을 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.

열외중성자속을 형성하기 위하여, 베릴륨층을 포함하는 타겟이 사용될 수 있다. 다만, 베릴륨 타겟에 지속적으로 양성자가 조사되는 경우, 베릴륨 타겟 내부에 포집된 수소 증기의 압력 증가로 인한 블리스터링 현상이 발생될 수 있다. 이러한 블리스터링은 특히 타겟의 내구 수명을 감소시키는 주요한 요인이 되고 있다. 아울러, 블리스터링으로 인한 수소 가스 누출은 BNCT 장치 내 진공도를 급격히 변동시킬 수 있고, 이는 계측 장치의 에러 문제를 유발하며, 연속 운전에 장애 요소가 될 수 있다.

나아가, 10MeV 양성자 빔 에너지를 베릴륨 타겟에 조사하며 운전과 정지를 반복할 경우, 베릴륨 타겟의 온도는 급격하게 올라갔다가 내려갈 수 있다. 이러한 온도 상승과 하강의 반복으로 인하여, 베릴륨 타겟의 열팽창 및 수축(Thermal Cycling)에 따른 변형이 야기될 수 있으며, 이때, 진공을 유지하는 진공 씰(Seal)에 틈이 발생하여 BNCT 장치 내 진공도를 급격히 낮추어 연속 운전에 장애 요소가 될 수 있다.

이에, 본 발명은 블리스터링 현상을 최소화하여 지속적인 중성자 발생이 가능한 선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 베릴륨 타겟의 열팽창 및 수축을 완화하여 지속적인 진공유지 및 운전이 가능한 선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 양성자 빔 전달관; 및 양성자 빔 전달관의 일단을 차폐하는 베릴륨 타겟으로서, 양성자 빔 전달관으로부터 양성자 빔이 조사되는 베릴륨 타겟의 일면에서 복수의 패턴형 구획홈에 의해 형성된 복수 개의 베릴륨 절편을 포함하는 베릴륨 타겟을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치는, 베릴륨 타겟의 일면에 형성된 복수 개의 절편을 포함할 수 있고, 이를 통해, 블리스터링 현상에 의해 소수 증기가 유출되어 BNCT 장치의 운전이 중단되는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 선형 양성자 빔 타겟 조립체 및 이를 포함하는 양성자 빔 주사 장치는, 베릴륨 타겟의 일면에 형성된 복수 개의 절편을 통해, 베릴륨 타겟의 열팽창 및 수축(Thermal Cycling)이 베릴륨 절편 단위로 이루어지도록 하고, 이를 통해, 진공을 유지하는 진공 씰(Seal)에 틈이 발생하여 BNCT 장치 내 진공도를 급격히 낮아져 BNCT 장치의 운전이 중단되는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체의 예시적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베릴륨 절편의 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 발명 및 종래 기술의 시간에 따른 양성자 빔 전달관 내의 가스 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베릴륨 타겟의 일면을 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 빔에 의해 베릴륨 절편의 견격 및 높이가 달라지는 것을 나타낸 것이다.
도 6은 비교를 위해 예시된 중성자 타겟의 예시적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 타겟 조립체의 예시적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체를 포함하는 양성자 빔 주사 장치를 예시하는 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 양성자 빔 주사 장치로부터 선형 양성자 빔 타겟 조립체가 제거되는 모습을 예시하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양성자 빔 주사 장치를 예시하는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양성자 빔 주사 장치의 빔 스캐닝 제어 방식을 예시하는 예시도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 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.

본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)의 예시적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)는 양성자 빔 전달관(200), 베릴륨 타겟(100), 포집함(120)을 포함할 수 있다.

양성자 빔 전달관(200)은 일 방향으로 연장되는 중공형 관형 부재일 수 있다. 양성자 빔의 일단에는 베릴륨 타겟(100)에 의해 차폐될 수 있다.

양성자 빔 전달관(200)의 타단은 개방될 수 있고, 양성자 빔 공급 라인(도 8의 30)을 통해 공급되는 선형 양성자 빔은 개방된 양성자 빔 전달관(200)의 타단을 통해 양성자 빔 전달관(200) 내부로 진입할 수 있다.

또한, 양성자 빔 전달관(200)은 그 타단에 배치되는 제1 연결 플랜지(210) 및 그 내부에 배치되는 역류 차단판(220)을 포함할 수 있다.

제1 연결 플랜지(210)는 양성자 빔 전달관(200)의 타단에 장착 또는 형성될 수 있고, 외부의 다른 부재 예를 들어, 양성자 빔 공급 라인과의 연결 및 고정을 위해 사용될 수 있다.

역류 차단판(220)은 양성자 빔 전달관(200)의 내면을 둘러싸며 양성자 빔 전달관(200)의 타단으로부터 양성자 빔 전달관(200)의 일단 방향으로 기울어진 형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)는, 예를 들어, BNCT 장치에 장착될 수 있고, BNCT 장치의 가동 중 양성자 빔 전달관(200)의 내부가 진공으로 유지될 수 있다.

예를 들어, 장치 점검 또는 타겟 교체 시, 양성자 빔 전달관(200)의 내부의 진공이 해제되는 진공 밴팅이 이루어질 수 있고, 이 때, 양성자 빔 전달관(200)의 내부에 누적된 베릴륨 분말은 비산될 수 있다. 특히, 비산하는 베릴륨 분말은 개방된 양성자 빔 전달관(200)의 타단을 향해 비산될 수 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 빔 전달관(200) 내부의 역류 차단판(220)은 베릴륨 분말의 비산 방향에 대한 반대 방향으로 기울어진 형상을 가지므로, 역류하는 비산 베릴륨 분말은 역류 차단판(220)에 의해 대부분 그 진행이 차단될 수 있다.

또한, 역류 차단판(220)은 양성자 빔 전달관(200) 내부의 양성자 빔의 진행 방향으로 기울어진 바, 양성자 빔의 진행을 방해하지 않는 범위 내에서, 비산되는 베릴륨 분말을 충분히 포획할 수 있는 면적을 가질 수 있다.

베릴륨 타겟(100)은 양성자 빔 전달관(200)의 일단에 배치될 수 있고, 양성자 빔 전달관(200)의 일단을 차폐할 수 있다. 양성자 빔 전달관(200)의 내부를 진행하는 양성자 빔은 베릴륨 타겟(100)에 조사될 수 있고, 양성자 빔과 베릴륨 타겟(100) 사이의 충격 에너지에 의해 베릴륨 열외 중성자가 방사될 수 있다.

베릴륨 타겟(100)은 양성자 빔 전달관(200)으로부터 양성자 빔이 조사되는 베릴륨 타겟(100)의 일면에서 복수의 패턴형 구획홈(104)에 의해 형성된 복수 개의 베릴륨 절편(102)을 포함할 수 있다.

복수의 구획홈(104)이 베릴륨 타겟(100)의 일면에 형성될 수 있으며, 직선 또는 곡선의 형성을 가질 수 있고, 이러한 직선 또는 곡선은 서로 교차함으로써 패턴을 형성할 수 있다. 여기서, 복수의 패턴형 구획홈(104)에 의해 형성된 패턴을 베릴륨 절편(102)이라고 정의한다. 따라서, 베릴륨 절편(102)는 복수의 구획홈(104)에 의해 둘러싸인 형상일 수 있다.

본 발명에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)는, 양성자 빔 전달관(200)으로부터 베릴륨 타겟(100)으로 양성자 빔이 조사될 때, 각각의 베릴륨 절편(102) 범위에서 국부적인 블리스터링을 유도할 수 있다.

또한, 베릴륨 절편(102)은, 고에너지 양성자 빔에 의한 베릴륨 타겟(100)의 열팽창 및 열수축을 각각의 베릴륨 절편(102) 범위에서 이루어지도록 유도할 수 있다. 상술한 내용은 도 2 내지 도 5에서 상세히 기술하도록 한다.

다시 도1을 참조하면, 베릴륨 타겟(100)은 사각 또는 원형 판재일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 베릴륨 타겟(100)은 베릴륨으로만 구성될 수 있고, 베릴륨으로 이루어진 단일층 구조를 형성될 수 있다.

또한, 베릴륨 타겟(100)은 타면에 냉각 수단(110)을 포함할 수 있다. 냉각 수단(110)을 통해 냉각 유체, 예를 들어, 냉각수가 유동할 수 있고, 이로써, 기기 작동 시 가열된 베릴륨 타겟(100)의 온도가 냉각될 수 있다.

냉각 수단(110)은 베릴륨 타겟(100)의 타면을 관통하는 냉각 도관을 포함할 수 있으며, 냉각 도관은 베릴륨으로 이루어진 베릴륨 판의 내부가 비워져 이루어진 도관일 수 있다

본 발명의 일 실시예에서, 베릴륨 타겟(100)은 양성자 빔 전달관(200)의 길이 방향에 대하여 기울임 각도(α)로 기울어질 수 있다. 기울임 각도(α)는 예를 들어, 20 내지 50도 일 수 있다. 도시된 본 발명의 일 실시예에서, 베릴륨 타겟(100)은 양성자 빔 전달관(200)의 길이 방향 및 중력 방향에 수직한 축선을 중심으로 기울어 질 수 있다.

포집함(120)은 양성자 빔 전달관(200)의 일단의 중력 방향 하부에 배치될 수 있다. 포집함(120)은 양성자 빔 전달관(200)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 예시적으로, 포집함(120)은, 양성자 빔 전달관(200)의 일단 하부를 절개한 후, 절개된 부위에 부착, 예를 들어, 용접하여 장착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 포집함(120)은 양성자 빔 전달관(200)과 일체로 형성될 수 있다.

양성자 빔 전달관(200) 내부에서 베릴륨 타겟(100)과 양성자 빔의 충돌에 의해 베릴륨 절편(102) 또는 베릴륨 분말이 발생될 수 있고, 발생된 베릴륨 절편(102) 또는 베릴륨 분말은 중력에 의해 낙하되어 포집함(120) 내부에 포집될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베릴륨 절편(102)의 예시적인 형상을 나타낸 것이다.

도 2(a) 내지 도 2(d)를 참조하면, 복수 개의 베릴륨 절편(102)은 동일한 면적을 가지는 정다각형 또는 동일한 면적을 가지는 원의 형상을 가질 수 있으며, 구체적으로는, 서로 인접하는 복수 개의 베릴륨 절편(102) 사이의 간격은 5 mm 일 수 있다. 여기서, 베릴륨 절편(102) 사이의 간격은 베릴륨 절편(102)의 형상인 정사각형 또는 원의 무게중심 사이의 간격을 의미한다.

베릴륨 절편(102)이 정다각형 또는 원일 경우, 복수의 베릴륨 절편(102)은 베릴륨 타겟(100)의 일면 상에서 더욱 조밀하게 배치될 수 있으며, 양성자 빔에 의한 국부적인 블리스터링 및 국부적인 열팽창 내지 열수축이 균일하게 이루어지도록 할 수 있다.

특히, 도 2(a) 내지 도 2(d)에서 도시된 바와 같이, 베릴륨 절편(102)의 형상이 정삼각형, 정사격형 및 정육각형 중 하나의 형성을 가질 경우, 복수의 정다각형 베릴륨 절편(102) 사이의 공간에, 정다각형 또는 원의 형상이 아닌 절편을 배치하지 않아도 되므로, 이러한 효과는 극대화될 수 있다.

도 3은 본 발명 및 종래 기술의 시간에 따른 양성자 빔 전달관(200) 내의 가스 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베릴륨 타겟(100)의 일면을 확대한 단면도이다.

도 3에서 도시된 그래프의 Y축에 해당하는 농도는, 양성자 빔 전달관(200) 내부의 가스 농도를 의미한다. 여기서, 양성자 빔 전달관(200) 내부의 가스는, 기체 분자, 이온, 비산된 고체 분말 등 양성자 빔 전달관(200) 내부의 진공도를 낮추는 모든 성분을 의미한다.

양성자 빔 전달관(200) 내부에서는, 고에너지를 가지는 양성자 빔이 베릴륨 타겟(100)을 향해 조사된다. 이때, 양성자 빔 전달관(200) 내부에 가스 성분이 포함되어 진공도가 낮아질 경우, 양성자 빔과 가스 성분이 충돌을 일으켜 양성자 빔의 경로가 어긋나는 문제가 발생할 수 있다. 이때, 베릴륨 타겟(100)에 조사되는 양성자 빔의 양은 감소될 수 있으며, 이러한 문제가 심화되면, 전체 BNCT 장치의 연속 운전에 장애를 일으킬 수 있다. 여기서, BNCT 장치의 연속 운전을 중단시키는 양성자 빔 전달관(200) 내부의 최소 가스 농도를 임계값이라고 칭한다.

또한, 도 3에 도시된 그래프에서, 실선(A)은 베릴륨 절편(102)을 포함하지 않는 종래 기술의 시간에 따른 양성자 빔 전달관(200) 내의 가스 농도 변화를 나타낸 것이며, 점선(B)은 본 발명의 일 실시예의 시간에 따른 양성자 빔 전달관(200) 내의 가스 농도 변화를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 베릴륨 절편(102)을 포함하지 않는 종래 기술(A)은, 베릴륨 타겟(100)에 양성자 빔이 조사될 때 발생되는 충격 에너지에 의해, 베릴륨 타겟(100)으로부터 일부 베릴륨 분말이 비산될 수 있고, 이로 인해, 가스 농도는 상승할 수 있다. 그러나, 이때의 가스 농도는 임계값보다 낮은 값이므로 BNCT 장치의 연속 운전에는 영향을 끼치지 않는다.

그러나, 베릴륨 타겟(100)은, 양성자 빔의 지속적인 조사에 의해, 베릴륨 타겟(100)의 일면의 내측에 포집되는 수소 증기의 양이 증가될 수 있다. 이렇게 포집되는 수소 증기의 양이 어느 수치 이상이 될 경우, 베릴륨 타겟(100)에서는, 증가된 수소 증기 압력에 의해, 베릴륨 타겟(100)의 일면의 일부분이 떨어져나가는 블리스터링 현상이 발생할 수 있다.

블리스터링 현상이 발생할 경우, 베릴륨 타겟(100) 내부에 축적된 수소 증기가 한번에 양성자 빔 전달관(200)을 향해 누출되면서 양성자 빔 전달관(200) 내부의 가스 농도를 크게 상승시킬 수 있다. 이때의 가스 농도(P)는 임계값 이상의 값을 가지므로 전체 BNCT장치의 운전이 중단될 수 있다. 이후, 진공 벤팅 등의 수단을 통해, 다시 양성자 빔 전달관(100) 내부의 가스 농도는 임계값 미만의 값으로 감소될 수 있다.

이에 반해, 베릴륨 절편(102)을 포함하는 본 발명의 일 실시예(B)는, 양성자 빔이 지속적으로 조사될 경우, 베릴륨 절편(102)의 범위 내에서 국부적으로 블리스터링 현상이 발생하게 되며, 블리스터링에 의해 떨어져나가는 베릴륨 타겟(100) 부분도 베릴륨 절편(102)의 크기로 제한될 수 있다.

이 경우, 누출되는 수소 증기의 양도 베릴륨 절편(102)의 범위 내에서 적은 양만 발생되므로 양성자 빔 전달관(200) 내부의 가스 농도도 작은 범위 내에서 상승하게 된다. 이 때, 가스 농도의 상승은 복수 개의 베릴륨 절편(102)에 의해 종래 기술(A)보다 더 잦은 빈도로 발생하게 되지만, 각각의 가스 농도 상승값이 임계값 미만의 값을 가지므로 BNCT 장치의 연속 운전이 가능해진다.

또한, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예(B)에서는, 베릴륨 절편(102) 사이의 공간으로부터 수소 증기가 지속적으로 누출될 수 있으며, 이를 통해, 블리스터링 현상에 의해 누출되는 수소 증기의 양은 감소될 수 있다.

일반적으로 베릴륨 타겟(100)에 조사되는 양성자 빔은 대략 10 MeV 정도의 고에너지를 가지며, 이때, 베릴륨 타겟(100) 상에서 블리스터링이 일어나는 수직 평균 깊이는 약 800 μm 이다. 따라서, 도 3 및 도 4에서 기술된 본 발명의 효과를 극대화하기 위해, 베릴륨 타겟(100)의 일면 상에서의 구획홈(104)의 수직 깊이는 800 μm 이상인 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 빔에 의해 베릴륨 절편(102)의 견격 및 높이가 달라지는 것을 나타낸 것이다.

도 5(a)를 참조하면, 베릴륨 타겟(100)에 고에너지의 양성자 빔이 조사되는 경우, 베릴륨 타겟(100)과 양성자 빔 사이의 충돌 에너지로 인해, 베릴륨 타겟(100)의 온도가 상승할 수 있다.

도 5(b) 및 도 5(c)를 참조하면, 베릴륨 타겟(100)의 온도가 상승하면서, 베릴륨 타겟(100)의 일면에 배치된 베릴륨 절편(102)은 열팽창이 일어날 수 있으며, 그 후, 양성자 빔의 조사가 중단되면서 베릴륨 타겟(100)의 냉각이 이루어지게 되고, 이에 따라, 베릴륨 절편(102)은 열수축이 일어날 수 있다.

베릴륨 절편(102)을 포함하는 본 발명의 일실시예에서는, 베릴륨 타겟(100)의 열팽창 및 열수축은 베릴륨 절편(102)의 국부적인 범위 내에서 발생하게 된다. 따라서, 지속적인 온도 상승 및 하강에 의해 베릴륨 타겟(100)에서 발생하게 되는 열변형의 전체 양 또한 감소하게 되며, 이를 통해, 베릴륨 타겟(100)의 둘레를 따라 형성된 진공 씰(seal)에 틈이 발생하여 BNCT 장치 내의 진공도가 감소하는 문제를 방지할 수 있다.

도 6은 비교를 위해 예시된 중성자 타겟의 예시적인 단면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 타겟 조립체(10)의 예시적인 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 타겟 조립체와의 비교를 위하여 예시적인 중성자 타겟이 예시되었다.

예시적인 중성자 타겟은 베릴륨층(1110), 팔라듐층(1120) 및 구리층(1130)을 포함하는 것으로 예시되었다. 또한, 중성자 타겟은 빔 전달 라인(1200)에 대하여 수직으로 배치되는 것으로 예시되었다.

이 경우, 양성자 빔은 베릴륨층(1110)에 직접 타격될 것이다. 조사된 양성자 빔과 베릴륨층(1110)의 충격 에너지에 의해, 또는 블리스터링(blistering)에 의해 베릴륨층(1110)의 일부 베릴륨이 떨어져 나갈 수 있다. 떨어져 나간 베릴륨은 분말 형태로 빔 전달 라인(1200) 내부에 비산될 것이다.

또한, 이와 같이 양성자 빔의 진행 방향에 대하여 중성자 타겟이 수직하게 배치되는 경우, 양성자 빔의 진행 방향에 수직한 양성자 빔의 단면적과 양성자 빔에 타격되는 중성자 타겟의 타격 면적은 실질적으로 동일하다.

대비적으로, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)의 베릴륨 타겟(100)은 포집함(120)을 향하여 기울어질 수 있다.

이에 따라, 양성자 빔과 베릴륨 타겟(100)의 충돌에 의해 다소 발생될 수 있는 베릴륨 분말은 전반적으로 포집함(120)을 향하여 떨어져 나갈 것이다.

떨어져 나간 베릴륨 분말은 중력 방향으로 낙하될 것이며, 베릴륨 타겟(100)에 인접한 포집함(120) 내부에 포집될 것이다. 또한, 일부의 베릴륨 분말이 다른 방향으로 비산되더라도 양성자 빔에 재충돌 하여 베릴륨 타겟(100) 방향으로 전달될 것이다. 그렇지 않은 비산 베릴륨 분말은 역류 차단판(220)에 의해 포집될 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따를 때, 양성자 빔 전달관(200) 내부를 진행하는 양성자 빔의 진행 방향에 수직한 단면적과 양성자 빔에 타격되는 베릴륨 타겟(100)의 타격 면적은 상이할 수 있다. 예를 들어, 베릴륨 타겟(100)이 양성자 빔의 진행 방향에 대해 기울임 각도(α)로 기울어질 때, 베릴륨 타겟(100)의 타격 면적은 "양성자 빔의 단면적/sin(α)"가 될 것이다. 가령, 기울임 각도(α)가 45도일 때, 베릴륨 타겟(100)의 타격 면적은 양성자 빔의 단면에 비해 대략 1.42배 클 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 빔 타겟 조립체의 냉각 수단(110)의 타겟 면 방향을 따른 배치 밀도가 도 6에 예시된 냉각수 유로(1130)와 동일하다고 가정할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 베릴륨 타겟(100)의 타격 면적이 증가하기 때문에, 타격 면적 내부의 냉각 수단(110)의 분포 면적도 증가될 것이다. 이에 따라, 양성자 빔의 단면적에 대응하는 냉각 수단(110)의 밀도가 도 6의 예시된 냉각수 유로(1130)에 비해 증가될 수 있다.

이는, 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 베릴륨 타겟(100)이 양성자 빔의 타격 면적을 더 크게 분산하는 것뿐만 아니라 더 효율적인 냉각을 실현할 수 있음을 의미한다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 베릴륨 타겟(100)은 충돌 에너지 대비 온도 증가가 상대적으로 억제될 수 있고, 그로 인한 블리스터링과 같은 악영향이 방지될 수 있다.

도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)를 포함하는 양성자 빔 주사 장치를 예시하는 단면도이다.

도 9는 도 8에 도시된 양성자 빔 주사 장치로부터 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)가 제거되는 모습을 예시하는 단면도이다.

도 8를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)를 포함하는 양성자 빔 주사 장치는, 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10) 및 이에 연결되는 빔 공급 라인(30)을 포함한다.

도시되지 않았으나, 빔 공급 라인(30)은 선형 양성자 가속기 및 가속 양성자 분배기와 같은 양성자 빔 공급 수단들로부터 양성자 빔을 전달 받아 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)로 공급할 수 있다.

빔 공급 라인(30)은 또한, 게이트 밸브(300, 제2 연결 플랜지(310) 및 연결 클램프(320)을 포함할 수 있다.

제2 연결 플랜지(310)는 빔 공급 라인(30)의 일단에 장착될 수 있다. 제2 연결 플랜지(310)는 양성자 빔 전달관(200)의 제1 연결 플랜지(210)(210)에 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 연결 클램프(320)은 빔 공급 라인(30)의 제2 연결 플랜지(310) 및 양성자 빔 전달관(200)을 탈부착하게 연결할 수 있고, 예를 들어, 연결 클램프(320)는 제1 연결 플랜지(210)를 둘러쌀 수 있고 이들의 기밀을 유지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 연결 클램프(320)는 체인 클램프일 수 있다.

연결 클램프(320)를 제거함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)는 빔 공급 라인(30)으로부터 용이하게 탈착 될 수 있다.

게이트 밸브(300)는 빔 공급 라인(30) 내부를 외부로부터 차단할 수 있다. 게이트 밸브(300)의 차폐 시 빔 공급 라인(30) 내부의 진공 상태가 유지될 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)가 BNCT 장치에 설치될 때, 베릴륨 타겟(100)을 비롯한 선형 양성자 타겟 조립체의 적어도 일부는 차폐벽(20) 내부에 또는 이동식 차폐 모듈(22) 내부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 차폐벽(20)은 이동식 차폐 모듈(22)을 더 포함할 수 있다. 이동식 차폐 모듈(22)은 차폐벽(20) 내부에서 삽입 또는 제거될 수 있는 차폐벽 모듈로서, 예를 들어, 그 바닥면에 설치된 레일(미도시)과 같은 이동 보조 수단을 포함할 수 있다.

도 9에 예시된 바와 같이, 진공 벤팅시 또는 타겟 교체시, 이동식 차폐 모듈(22)이 제거될 수 있다. 이후 게이트 밸브(300)를 이용하여 빔 공급 라인(30)을 차폐 시킬 수 있다. 이후, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)를 빔 공급 라인(30)으로부터 탈착시킬 수 있고, 이로써 빔 공급 라인(30) 내부의 진공 상태가 유지될 수 있다. 이후, 진공 벤팅 또는 선형 양성자 타겟 빔 조립체의 교체가 이루어질 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양성자 빔 주사 장치를 예시하는 블록도이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양성자 빔 주사 장치의 빔 스캐닝 제어 방식을 예시하는 예시도이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양성자 빔 주사 장치는, 빔 공급 라인 상에 배치되는 빔 수평 이동부(400)를 포함할 수 있다.

빔 수평 이동부(400)는, 입력 신호, 예를 들어, 디지털 신호 또는 아날로그 전압 신호에 따라 양성자 빔의 진행 방향을 양성자 빔의 진행 방향에 수직한 평면 상에서 편향시킬 수 있다.

예를 들어, 빔 수평 이동부(400), 빔 공급 라인을 둘러싸는 스캐닝 전자석일 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 빔 수평 이동부(400)는 빔 공급 라인(30)을 지나는 양성자 빔을 양성자 빔의 진행 방향에 수직한 평면상에서 순차적으로 수평이동시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 수평 이동부(400)는 양성자 빔을 순차적으로 수평이동 시켜, 베릴륨 타겟(100)에 양성자 빔이 타격되는 타격 지점들(P11~P55)이 사행 패턴(meandering pattern) 또는 지그재그 패턴(zigzag pattern)을 이루게 할 수 있다.

베릴륨 타겟(100)의 가로 길이(L1) 및 베릴륨 타겟(100)의 세로 길이(L2)는 예를 들어, 각각 15cm일 수 있고, 양성자 빔의 타격 지점의 직경(D_B)은 3cm일 수 있다.

도 11에서는 양성자 빔의 타격 지점이 원형으로 도시되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)와 같이 베릴륨 타겟(100)이 기울어져 배치된다면, 양성자 빔 타격 지점은 타원형으로 형성될 것이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 양성자 빔은 베릴륨 타겟(100)에 비해 충분히 작은 크기(약 1/5 크기)로 포커싱될 수 있고, 포커싱된 양성자 빔을 수평 이동시켜 베릴륨 타겟(100) 전체에 골고루 조사할 수 있다.

일반적으로, 양성자 빔이 포커싱될수록, 타격 지점을 타격하는 에너지 밀도가 증가될 것이다. 이는 베릴륨 타겟층, 특히 그 타격 지점의 급격한 온도 증가, 예를 들어, 500도씨 이상의 온도 증가를 유발하여 블리스터링 현상을 가속할 수 있다.

다만, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체(10)는 빔 입사 면적 또는 빔 타격 면적을 증가시켜 에너지 밀도를 분산시킬 수 있고 나아가 그 냉각 효율(타격하는 양성자 빔에 대한 냉각 수단(110) 밀도)를 증가시킬 수 있으므로, 상대적으로 더 높은 에너지 밀도, 즉, 상대적으로 더 포커싱된 양성자 빔이 타격되는 것을 허용한다.

따라서, 본 발명에 따른 양성자 빔 주사 장치에서, 더 포커싱된 양성자 빔을 베릴륨 타겟(100) 전체 면적에 걸쳐 골고루 일정한 정도로 타격시키는 것이 가능하며, 이로써 베릴륨 타겟(100)의 사용 수명이 연장될 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: 선형 양성자 빔 타겟 조립체 30: 빔 공급 라인
100: 베릴륨 타겟 102: 베릴륨 절편
110: 냉각 수단 120: 포집함
200: 양성자 빔 전달관 220: 역류 차단판

Claims

양성자 빔 전달관; 및
상기 양성자 빔 전달관의 일단을 차폐하는 베릴륨 타겟으로서, 상기 양성자 빔 전달관으로부터 양성자 빔이 조사되는 상기 베릴륨 타겟의 일면에서 복수의 패턴형 구획홈에 의해 형성된 복수 개의 베릴륨 절편을 포함하는 베릴륨 타겟을 포함하되,
상기 복수의 패턴형 구획홈은 상기 베릴륨 타겟의 일면 상에서 침강된 형상을 가지고,
상기 복수 개의 베릴륨 절편은 상기 복수의 패턴형 구획홈에 의해 서로 이격되어 분리되고,
상기 베릴륨 절편의 적어도 일부는 상기 베릴륨 타겟의 외부에 노출되도록 구성되는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 있어서,
상기 양성자 빔 전달관의 일단의 중력 방향 하부에 배치되는 포집함
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 베릴륨 절편은 동일한 면적의 정다각형 또는 동일한 면적의 원의 형상을 가지는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제3항에 있어서,
상기 복수 개의 베릴륨 절편은 정삼각형, 정사각형 및 정육각형 중 하나의 형상을 가지는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 있어서,
상기 베릴륨 타겟의 일면 상에서, 상기 구획홈의 수직 깊이는 800 μm 이상인 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제3항에 있어서,
서로 인접하는 상기 복수 개의 베릴륨 절편 사이의 간격은 5 mm 인 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 있어서,
상기 베릴륨 타겟의 타면에 냉각 수단을 포함하는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제7항에 있어서,
상기 냉각 수단은 상기 베릴륨 타겟의 타면을 관통하는 냉각 도관을 포함하는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제8항에 있어서,
상기 베릴륨 타겟은 베릴륨으로 이루어진 베릴륨 단일층 구조이며,
상기 냉각 도관은 상기 베릴륨 단일층 내부가 비워져 이루어지는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 있어서,
상기 양성자 빔 전달관은 상기 양성자 빔 전달관의 내면을 둘러싸며 상기 양성자 빔 전달관의 일단 방향으로 기울어진 형상인 역류 차단판을 포함하는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 있어서,
상기 베릴륨 타겟은 상기 양성자 빔 전달관의 길이 방향에 대하여 20 내지 50도로 기울어지는 것
을 특징으로 하는 선형 양성자 빔 타겟 조립체.
제1항에 따른 선형 양성자 빔 타겟 조립체; 및
양성자 빔을 상기 선형 양성자 빔 타겟 조립체에 공급하는 빔 공급 라인을 포함하되,
상기 선형 양성자 빔 타겟 조립체는 상기 양성자 빔 전달관의 일측에 장착된 제1 연결 플랜지를 더 포함하고,
상기 빔 공급 라인은 상기 빔 공급 라인의 일단에 장착된 제2 연결 플랜지, 및 상기 제1 연결 플랜지 및 상기 제2 연결 플랜지를 탈부착 가능하게 연결하는 연결 클램프를 포함하는 것
을 특징으로 하는 양성자 빔 주사 장치.
제12항에 있어서,
상기 빔 공급 라인 상에 배치되는 빔 수평 이동부를 더 포함하되,
상기 빔 수평 이동부는 상기 빔 공급 라인을 지나는 양성자 빔의 진행 방향을 상기 양성자 빔의 진행 방향에 수직한 평면 상에서 편향시키는 것
을 특징으로 하는 양성자 빔 주사 장치.
제13항에 있어서,
상기 빔 수평 이동부는 상기 빔 공급 라인을 지나는 양성자 빔을 편향시켜 상기 베릴륨 타겟에 양성자 빔이 타격되는 타격 지점들을 순차적으로 사행 패턴 또는 지그재그 패턴을 이루게 하는 것
을 특징으로 하는 양성자 빔 주사 장치.