KR101969912B1 - 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치에 관한 것으로, 입사기에서 방출된 이온원의 양성자빔을 1차적으로 가속하기 위한 장치로서 저에너지 대전류의 빔을 안정적으로 가속하고 에너지손실을 최소화하는 기술에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 내부에 공간부가 마련된 관의 형태로 형성되는 몸체부와, 상기 몸체부의 내측면에 가로세로 각각 마주보는 형태의 날개부가 중앙으로 연장형성되되, 연장단부에는 양성자 가속을 위한 요철부가 길이방향으로 반복형성되어 있는 날개부와, 상기 몸체부의 내부로 고주파를 공급하는 고주파공급부와, 상기 몸체부 내부의 진공조건을 유지하는 진공포트;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치{RF Quadrupole device for Boron Neutron Capture Therapy}

본 발명은 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치에 관한 것으로, 입사기에서 방출된 이온원의 양성자빔을 1차적으로 가속하기 위한 장치로서 저에너지 대전류의 빔을 안정적으로 가속하고 에너지손실을 최소화하는 기술에 관한 것이다.

붕소 중성자 포획방식의 암치료(BNCT : Boron Neutron Capture Therapy)란 암환자의 체내에 붕소(Boron)가 함유된 약물을 사전에 주입하게 되면 암세포 내에 붕소가 축적되게 되는데, 이때 중성자를 조사하여 암세포와 중성자의 핵반응을 유도하게 된다. 이렇게 조사된 중성자에 의해 암 세포핵의 DNA를 파괴하여 효과적으로 암세포만을 사멸시키는 치료법이다.

이러한 붕소 중성자 포획방식에 사용되는 장치는 크게 입사기, 양성자 가속기, 중성자 발생장치, 치료시설로 구분되어 있다.

① 입사기는 이온원과 빔수송계로 구성되며 대전류 양성자 생산에 적합한 듀오플라즈마트론으로 사용하여 첨두전류 50mA의 양성자를 50kV로 인출하여 빔수송계로 보내고 빔수송계에서는 양성자 가속기에서 적합한 입사조건으로 양성자 빔을 집속성형하게 하여 제공한다.

② 양성자 가속기는 입사기로부터 전달받은 양성자빔을 가속하여 에너지를 10MeV까지 만드는 장치로서, 다양한 원리의 양성자 가속기가 사용되고 있다.

③ 중성자 발생장치는 빔라인, 베릴륨표적, 감속집합체로 구성되며 10MeV 정도로 가속된 양성자빔을 제공받아 베릴륨(Be) 표적에 조사하면 (p,n)핵반응에 의해 고속중성자빔으로 변환하게 되고, 고속중성자빔은 감속집합체를 통해 환자의 치료에 적합한 열외중성자로 감속하게 된다.

④ 치료시설은 환자를 고정하는 치료대, 조사위치 정렬장치로 구성되어 중성자 발생장치의 열외중성자를 암 환자의 환부에 조사하여 치료가 이루어지는 것이다.

본 발명은 붕소 중성자 포획방식의 암치료(BNCT : Boron Neutron Capture Therapy)에 사용되는 장치들 중에서 양성자 가속기에 관한 기술로서, 종래의 양성자 가속기는 구성이 효과적이지 못해 양성자 가속도중 빔손실의 문제가 있었으며 장치의 안정성이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 에너지 효율에 비해 장치의 구조가 지나치게 크기 때문에 때문에 병원시설에 설치가 어려운 문제점이 있었다.

KR 제10-1194652호 KR 제10-1403662호 KR 제10-0768944호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 본 발명은 입사기로부터 제공받은 50mA, 50 KeV의 대(大)전류 저에너지의 양성자 빔을 3 MeV의 에너지로 가속함으로써, 별도의 2차 가속장치에 적합한 에너지로 제공할 수 있도록 하고, 전극의 형상을 효율적으로 구성하여 양성자 빔의 에너지손실을 최소화할 수 있는 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치를 제공함에 목적이 있다.

또한 가속장치 내부에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각하여 고출력 운전이 용이한 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 내부에 공간부가 마련된 관의 형태로 형성되는 몸체부와, 상기 몸체부의 내측면에 가로세로 각각 마주보는 형태의 날개부가 중앙으로 연장형성되되, 연장단부에는 양성자 가속을 위한 요철부가 길이방향으로 반복형성되어 있는 날개부와, 상기 몸체부의 내부로 고주파를 공급하는 고주파공급부와, 상기 몸체부 내부의 진공조건을 유지하는 진공포트;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 몸체부의 단면형상은 8각형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 날개부는 몸체부에 가까운 부분으로 갈수록 두께가 점점 커지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 날개부에 형성된 요철부의 형상은 사인파 곡선형태로 형성되며, 마주보는 요철부의 형상과 상호 대칭구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 몸체부와 날개부의 재질은 무산소동으로 적용되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 몸체부의 일측에는 냉각수를 외부에서 공급하고 배출하는 냉각장치가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 냉각장치는 몸체부와 날개부상에 길이방향으로 다수의 냉각유로가 형성되되, 상기 몸체부의 둘레상에 형성되는 제1냉각유로와, 상기 날개부의 요철부와 인접한 부분에 형성되는 제2냉각유로와, 상기 제2냉각유로보다 몸체부와 가까운 위치의 날개부상에 형성되는 제3냉각유로;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 입사기로부터 제공받은 50mA, 50 KeV의 대(大)전류 저에너지의 양성자 빔을 3 MeV의 에너지로 가속함으로써, 별도의 2차 가속장치에 적합한 에너지로 제공할 수 있도록 하고, 전극의 형상을 효율적으로 구성하여 양성자 빔의 에너지손실을 최소화할 수 있다.

또한 본 발명은 날개부가 형성된 몸체부를 총 3개의 섹션으로 연결하고 각각의 섹션에 대해 진공포트, 고주파공급부, 튜너장치들을 효율적으로 배치하여, 몸체부 전체에 대한 진공유지 및 고주파공급이 원활히 이루어질 수 있고, 장치의 전반적인 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

또한 본 발명은 몸체부와 날개부상에 수냉식 냉각장치를 설치함으로써 몸체부 및 날개부에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있어 고출력 운전이 용이하게 하고, 냉각이 어려운 날개부의 내부도 2중 냉각구조를 통해 효과적으로 냉각할 수 있는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 가속장치를 나타낸 사시도
도 2는 본 발명의 가속장치를 나타낸 측면도
도 3은 본 발명에 의한 가속장치의 내부구성을 나타낸 단면도
도 4는 도 3의 A-A'선의 절단면을 나타낸 단면도

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치는 도 1 내지 2에 도시한 바와 같이, 내부에 공간부가 마련된 관의 형태로 형성되는 몸체부(100)와, 상기 몸체부(100)의 내측면에 가로세로 각각 마주보는 형태의 날개부(200)가 중앙으로 연장형성되되, 연장단부에는 양성자 가속을 위한 요철부(210)가 길이방향으로 반복형성되어 있는 날개부(200)와, 상기 몸체부(100)의 내부로 고주파를 공급하는 고주파공급부(300)와, 상기 몸체부(100) 내부의 진공조건을 유지하는 진공포트(400);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 몸체부(100)에 고주파공급부(300)와 진공포트(400)가 외측 둘레에 형성되어 각각 별도의 고주파발생장치(미도시)와 진공발생장치(미도시)에 연결 설치되는 것으로, 본 발명의 설계사양은 아래의 표 1과 같다.

RF frequency	352 MHz
Input / output energy	0.05 / 3 MeV
Beam current	60 mA (50 mA @ target)
Duty	20 % (Pulse repetition : 120 Hz)
Length	~ 3 meter (3.5 e
Electric surface field	< 1.8*Ek
Transmission rate	~ 95 %
Power	< 500 kW

본 발명의 몸체부(100)는 3개의 섹션으로 구성되어 몸체부(100) 양단에 형성된 플랜지를 통해 길이방향으로 연결된 형태로 되어 있다. 최적의 조건을 위해 중앙에 위치한 몸체부(100)에는 공진 주파수의 위상 튜닝을 위한 슬러거 튜너(600)와 커플러 포트(700)가 집중적으로 설치되고, 양측에 위치한 몸체부(100)는 양단부와 가장 근접한 부분에 진공포트(400)가 설치되고 진공포트(400)에서 이격된 위치에 고주파공급부(300)가 설치되며 나머지 부분에는 슬러거 튜너(600)가 설치된다. 이와 같은 구조를 통해 몸체부(100) 전체에 대한 진공유지 및 고주파공급이 원활히 이루어질 수 있고, 효율적인 배치의 주파수 튜닝구성을 통해 장치의 전반적인 신뢰도를 향상시킬 수 있는 것이다.

아울러 본 발명의 몸체부(100) 단면형상은 단순히 원통형의 형상이 아닌 8각형의 형태로 이루어지는 것이 바람직한데, 8개의 설치면을 갖도록 하여 4군데의 설치면에는 날개부(200)가 형성될 수 있도록 하고 나머지 4군데의 설치면에는 진공포트(400) 및 고주파공급부(300), 튜닝구성의 설치가 이루어질 수 있도록 한다.

그리고 몸체부(100)와 날개부(200)의 재질은 고순도 무산소동으로 적용되는 것이 바람직하다. 이와 같이 무산소동으로 적용하게 되면 고주파 손실은 줄이면서 열전도도와 전기전도도를 높이고, 표면의 기체발생률을 낮추어 초고진공의 조건에서 유리한 이점을 갖는다.

본 발명의 날개부(200)는 4극 전기장을 통해 양성자 빔을 집속, 뭉침(Bunching), 가속 작용을 하여 양성자 빔의 가속에너지를 높이기 위해 몸체부(100)의 내측에 형성되는 것으로, 하나의 몸체부(100)에 총 4개의 날개부(200)가 형성된다. 즉, 상기 날개부(200)는 몸체부(100) 내측면에 가로세로 각각 마주보는 형태의 날개부(200)가 중앙으로 연장형성되되, 각각의 날개부(200)의 연장단부는 서로 접촉되지 않고 이격된 형태로 되어 있으며 양성자 가속을 위한 요철부(210)가 길이방향으로 반복형성되어 있다.

상기 날개부(200)에 형성된 요철부(210)의 형상은 사인파 곡선형태로 형성되며, 마주보는 요철부(210)의 형상과 상호 대칭구조로 되어 있다. 즉, 마주보는 요철부(210)의 간극은 길이방향으로 근접되었다가 멀어지는 것을 규칙적으로 반복함으로써, 양성자 빔의 가속작용이 이루어지게 한다.

또한 상기 날개부(200)는 요철부(210)가 형성된 부분에 가까울수록 두께가 점점 작아지고 몸체부(100)에 가까울수록 두께가 넓어지는 형상으로 되는 것이 좋다. 날개부(200)의 형상을 이러한 형태가 됨으로써 양성자 빔의 가속이 이루어지는 날개부(200)의 연장단부는 정밀한 형태가 되고, 몸체부(100)와 연결되는 부분은 안정적인 형태가 되며, 후술하는 냉각장치(500)의 설치가 용이한 구조적 이점을 갖게 되는 것이다.

아울러 본 발명은 몸체부(100)의 일측에는 냉각수를 외부에서 공급하고 배출하는 냉각장치(500)가 더 설치되어, 고출력 운전에도 작동이 용이하도록 한다. 즉, 상기 냉각장치(500)는 도 3 내지 4에 도시한 바와 같이 몸체부(100)와 날개부(200)상에 길이방향으로 다수의 냉각유로가 형성되되, 상기 몸체부(100)의 둘레상에 형성되는 제1냉각유로(510)와, 상기 날개부(200)의 요철부(210)와 인접한 부분에 형성되는 제2냉각유로(520)와, 상기 제2냉각유로(520)보다 몸체부(100)와 가까운 위치의 날개부(200)상에 형성되는 제3냉각유로(530);로 구성된다. 그리고 각각의 냉각유로는 냉각수 유입구와 유출구가 형성되어 있다.

이러한 수냉식 냉각장치(500)가 설치됨으로써 몸체부(100) 및 날개부(200)에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있고, 냉각이 어려운 날개부(200)의 내부도 제2냉각유로(520)와 제3냉각유로(530)를 통해 2중 냉각구조가 되어 효과적으로 냉각할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

100 : 몸체부 200 : 날개부
210 : 요철부 300 : 고주파공급부
400 : 진공포트 500 : 냉각장치
510 : 제1냉각유로 520 : 제2냉각유로
530 : 제3냉각유로 600 : 슬러거 튜너
700 : 커플러 포트

Claims (7)

1. 내부에 공간부가 마련된 관의 형태로 형성되는 몸체부(100)와,
   상기 몸체부(100)의 내측면에 가로세로 각각 마주보는 형태의 날개부(200)가 중앙으로 연장형성되되, 연장단부에는 양성자 가속을 위한 요철부(210)가 길이방향으로 반복형성되어 있는 날개부(200)와,
   상기 몸체부(100)의 내부로 고주파를 공급하는 고주파공급부(300)와,
   상기 몸체부(100) 내부의 진공조건을 유지하는 진공포트(400);로 구성되고,
   상기 몸체부(100)는 3개의 섹션으로 구성되어 몸체부(100) 양단에 형성된 플랜지를 통해 길이방향으로 연결하되,
   중앙에 위치한 몸체부(100)에는 공진 주파수의 위상 튜닝을 위한 슬러거 튜너(600)와 커플러 포트(700)가 설치되고, 양측에 위치한 몸체부(100)는 양단부와 근접한 부분에 진공포트(400)가 설치되고 진공포트(400)에서 이격된 위치에 고주파공급부(300)가 설치되며 나머지 부분에는 슬러거 튜너(600)가 설치되는 한편,
   상기 몸체부(100) 단면형상은 8각형의 형태로 이루어져 8개의 설치면을 갖도록 하여 4군데의 설치면에는 날개부(200)가 형성되고 나머지 4군데의 설치면에는 진공포트(400) 및 고주파공급부(300), 튜닝구성의 설치가 이루어지는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 날개부(200)는 몸체부(100)에 가까운 부분으로 갈수록 두께가 점점 커지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 날개부(200)에 형성된 요철부(210)의 형상은 사인파 곡선형태로 형성되며, 마주보는 요철부(210)의 형상과 상호 대칭구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 몸체부(100)의 일측에는 냉각수를 외부에서 공급하고 배출하는 냉각장치(500)가 더 설치되되,
   상기 냉각장치(500)는 몸체부(100)와 날개부(200)상에 길이방향으로 다수의 냉각유로가 형성되되, 상기 몸체부(100)의 둘레상에 형성되는 제1냉각유로(510)와, 상기 날개부(200)의 요철부(210)와 인접한 부분에 형성되는 제2냉각유로(520)와, 상기 제2냉각유로(520)보다 몸체부(100)와 가까운 위치의 날개부(200)상에 형성되는 제3냉각유로(530);로 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획방식의 암치료를 위한 고주파 4극 양성자 가속장치
   

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