KR102026127B1

KR102026127B1 - A High Current and Compact LEBT(Low Energy Beam Transport) for BNCT Incinerator

Info

Publication number: KR102026127B1
Application number: KR1020170171378A
Authority: KR
Inventors: 황정진; 이강선; 이수영; 김효진; 김동수; 최병호; 박선순
Original assignee: 주식회사 다원메닥스
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-09-27
Also published as: KR20180104545A

Abstract

본 발명은 BNCT 입사기용 대전류 컴팩트 저에너지빔 수송 계통(LEBT) 구성 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명은 빔 집속을 위한 제1솔레노이드 렌즈를 진공 내에 배치하여 이온빔을 초기에 효과적으로 집속하고, 빔 조향기구를 단일 철심에 구현하여 부품 설치에 필요한 폭을 줄이며, 빔 측정 장치를 진공 챔버에 교체 설치되도록 모듈형으로 구비함으로써 대전류임에도 불구하고 LEBT의 길이가 크게 단축된 것이 특징이다. The present invention relates to a large current compact low energy beam transport system (LEBT) configuration and apparatus thereof for a BNCT injector. The present invention places the first solenoid lens for beam focusing in a vacuum to effectively focus the ion beam initially, and implements a beam steering mechanism in a single iron core to reduce the width required for component installation, and replaces the beam measuring device in the vacuum chamber. It is characterized by the fact that the length of the LEBT is greatly shortened by the modular type.

Description

A High Current and Compact Low Energy Beam Transport (LEBT) for BNCT Incinerator}

본 발명은 BNCT 입사기용 대전류 컴팩트(compact) 저에너지빔 수송계통(LEBT)에 관한 것이다.The present invention relates to a large current compact low energy beam transport system (LEBT) for a BNCT injector.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute a prior art.

붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)는 인체 외부에서 중성자를 조사하면 암세포 안에 함유된 붕소와 핵반응을 일으켜, 생성된 입자가 암세포를 파괴하는 치료 방법이다. BNCT는 정상조직의 피폭이 최소화되고, 분해능이 높아 암 조직을 세포단위로 치료가 가능하여, 기존의 양성자치료기에 비해 우수한 치료 효과를 보인다. Boron neutron capture therapy (BNCT) is a method of treating neutrons from outside the body, causing nuclear reactions with boron contained in cancer cells, and the resulting particles destroy cancer cells. BNCT minimizes the exposure of normal tissues and has high resolution, and can treat cancer tissues on a cell basis, thus showing an excellent therapeutic effect compared to conventional proton therapy devices.

중성자를 얻는 방법에는 원자로, 가속기가 있으며, 가속기에는 사이클로트론 방식 및 선형가속기 방식이 있다. 병원시설에 설치되는 것을 고려하면 선형가속기가 유리하며, 의료, 산업 분야에 적용되고, 제작비 및 운영비를 절감할 수 있도록 이러한 이온빔가속기는 연구용 장비에 비해 소형화가 요구된다. The method of obtaining neutrons includes a reactor and an accelerator, and the accelerator has a cyclotron method and a linear accelerator method. Considering the installation in a hospital facility, the linear accelerator is advantageous, it is applied to the medical, industrial field, the ion beam accelerator is required to be smaller than the research equipment to reduce the manufacturing cost and operating cost.

이온빔가속기는 이온빔(ion beam)을 발생시키는 이온원(ion beam source), 이온빔을 집속하여 다음 단으로 전달하는 LEBT(low energy beam transport)를 포함한다. LEBT에 설치되어 이온원에서 출사된 이온빔을 집속하는 빔집속렌즈로는 통상 솔레노이드 코일(solenoid coil)을 이용한 자기장 렌즈가 사용된다.The ion beam accelerator includes an ion beam source for generating an ion beam and a low energy beam transport (LEBT) for focusing and delivering the ion beam to the next stage. As a beam focusing lens installed at the LEBT to focus the ion beam emitted from the ion source, a magnetic field lens using a solenoid coil is generally used.

이온원에서 출사된 이온빔은 공간 전하 효과(space charge effect)에 의해 빔 직경이 빔의 진행방향으로 커지며 확산된다. 이온빔을 다음 단인 RFQ(radio frequency quadrupole)에 효율적으로 전달하기 위해서는 확산된 빔을 솔레노이드 코일을 사용한 자기장 렌즈로 집속하게 된다. The ion beam emitted from the ion source is diffused while the beam diameter becomes larger in the traveling direction of the beam due to the space charge effect. To efficiently deliver the ion beam to the next stage, the radio frequency quadrupole (RFQ), the diffused beam is focused onto a magnetic field lens using a solenoid coil.

일반적으로 자기장 렌즈는 이온빔가속기의 빔 수송관 외부에 설치되며, 이온빔과 솔레노이드 코일의 거리가 멀기 때문에 이온빔을 집속하기 위해서는 큰 용량의 자기장 렌즈와 직류 전원 공급기가 필요하다. In general, the magnetic field lens is installed outside the beam transport tube of the ion beam accelerator, and since the distance between the ion beam and the solenoid coil is large, a large capacity magnetic field lens and a DC power supply are required to focus the ion beam.

종래 대형 양성자가속기 입사기의 이온원 뒤에 위치한 LEBT는 통상 3 m 이상의 상당한 길이와 큰 크기의 구성품을 가진다. 대전류 이온원에서 방출된 이온빔은 이온원으로부터 먼 거리의 제1솔레노이드 렌즈에서 집속되고, 2극 전자석으로 구성된 2개의 수평, 수직 빔방향 조종계, 다양한 빔 전류측정장치, 빔 단면 측정장치 등을 거친 다음, 제2 솔레노이드 렌즈에서 다시 집속되어 다음 단인 RFQ에 입사시키는 구조로 이루어져 있다. Located behind the ion source of conventional large proton accelerator injectors, LEBT typically has significant lengths and components of greater than 3 m. The ion beam emitted from the high current ion source is focused on the first solenoid lens at a distance from the ion source, and is subjected to two horizontal and vertical beam direction control systems composed of two-pole electromagnets, various beam current measuring devices, and beam cross-section devices Next, the second solenoid lens is focused again, and the second stage is incident on the RFQ.

이러한 구조는 이온빔 전류가 30 mA 이하에서는 어느 정도 적용이 가능하지만, 50 mA 이상의 이온빔(예컨대, 45 keV, 60 mA)을 다루는 대전류 LEBT의 경우에는 큰 기자력(magnetomotive force)을 가지는 자기장 렌즈가 요구된다. 이온빔에 작용하는 기자력이 충분하지 않으면 LEBT의 길이는 더 늘어나게 된다. 즉, 대전류의 이온빔의 경우, 공간 전하 효과의 영향이 더 커져서 빔의 발산 정도가 커지고, 자기장 렌즈의 용량이 커지고, LEBT의 길이가 길어지며, 출력되는 이온빔의 손실이 커지는 단점이 있다. This structure can be applied to some extent when the ion beam current is 30 mA or less, but a magnetic field lens having a large magnetomotive force is required for a large current LEBT that handles an ion beam of 50 mA or more (eg, 45 keV, 60 mA). . If there is not enough magnetizing force on the ion beam, the length of the LEBT will be increased. That is, in the case of a large current ion beam, the effect of the space charge effect is greater, resulting in a greater divergence of the beam, a larger capacity of the magnetic lens, a longer length of the LEBT, and a larger loss of the output ion beam.

본 발명은 대전류를 다루는 LEBT의 길이를 단축하여 BNCT를 소형화하는 것이 목적이며, 이를 위해 짧은 이온빔 경로가 구현되도록 개선된 형태의 이온빔 제어 및 측정 기구부를 제공하는 것이 목적이다. It is an object of the present invention to shorten the length of the LEBT to deal with large currents and to miniaturize the BNCT. To this end, it is an object of the present invention to provide an ion beam control and measurement mechanism of an improved type to implement a short ion beam path.

이를 위해, 제1솔레노이드 렌즈를 진공 챔버 내에 배치하여 이온원 및 이온빔 경로에 가깝게 설치함으로써 작은 기자력으로 이온빔을 효과적으로 집속하고, 이온빔이 크게 발산되기 전에 빔을 집속하여 결과적으로 이온빔의 경로를 단축하는 것이 목적이다. To this end, by placing the first solenoid lens in a vacuum chamber and close to the ion source and the ion beam path, the ion beam can be effectively focused with a small magnetic force, and the beam is focused before the ion beam is divergent, resulting in shortening the path of the ion beam. Purpose.

또한, 빔 경로의 방향 제어를 위한 자기회로를 단일 철심에 구비함으로써 제어 부품이 차지하는 폭을 최소화하고, 빔 측정을 위한 필수 측정 기구를 교체형으로 구성하여 LEBT의 길이를 단축하는 것이 목적이다. In addition, by providing a magnetic circuit for controlling the direction of the beam path in a single iron core, the purpose is to minimize the width occupied by the control component, and to shorten the length of the LEBT by configuring the necessary measuring mechanism for beam measurement in a replaceable manner.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNCT 입사기용 대전류 컴팩트 저에너지 빔수송계통(LEBT)은, 이온빔을 출사하는 이온원; 이온원에 일측이 연결되는 진공 챔버; 및 진공 챔버의 타측에 연결되는 빔 수송관;을 포함하고, 진공 챔버 내에 이온빔 출사 방향으로 순차적으로 배치되는 제1빔집속렌즈; 및 제1패러데이컵(Faraday cup);을 포함하며, 빔 수송관에 이온빔 출사 방향으로 순차적으로 배치되는 자기 빔 조향기(magnetic beam steerer); 빔 단면형상 측정기(beam profile monitor); 제2패러데이컵; 제2빔집속렌즈; 및 ACCT(AC current transformer);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, a large current compact low energy beam transport system (LEBT) for a BNCT injector according to an embodiment of the present invention, an ion source for emitting an ion beam; A vacuum chamber having one side connected to the ion source; And a beam transport tube connected to the other side of the vacuum chamber, wherein the first beam focusing lens is sequentially disposed in the ion beam emission direction in the vacuum chamber; And a first Faraday cup; a magnetic beam steerer sequentially disposed in an ion beam exit direction in a beam transport tube; Beam profile monitors; Second Faraday Cup; A second beam focusing lens; And an AC current transformer (ACCT).

또한, 제1빔집속렌즈는, 이온빔의 진행 방향 상에 배치되며 이온빔을 감싸는 형태로 권선되는 개별 코일; 및 개별 코일을 감싸는 코일 절연재;를 포함하는 솔레노이드 코일 조립체; 및 솔레노이드 코일 조립체를 감싸며 진공으로부터 솔레노이드 코일 조립체를 밀폐하는 기체방출(outgas) 차단케이스;를 포함하여 진공 챔버 내에 설치되도록 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the first beam focusing lens may include: an individual coil disposed on a traveling direction of the ion beam and wound in a form surrounding the ion beam; And a coil insulator surrounding the individual coils; And an outgas blocking case surrounding the solenoid coil assembly and sealing the solenoid coil assembly from the vacuum.

또한, 제1빔집속렌즈는, 진공 챔버 내에 배치되고, 이온원에 가장 짧은 거리에 위치하되, 방출된 대전류 이온빔이 공간전하 효과로 인하여 발산되기 전에 이온빔을 집속하도록 배치되는 것을 특징으로 한다. In addition, the first beam focusing lens is disposed in the vacuum chamber and positioned at the shortest distance to the ion source, and is arranged to focus the ion beam before the emitted large current ion beam diverges due to the space charge effect.

또한, 자기 빔 조향기는, 4각형 형태의 단일 철심 자기회로(magnetic circuit); 및 4각형의 각 변에 각각 권선되는 4개의 코일;을 포함하여, 이온빔의 방향을 수평, 수직 두 방향으로 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다. In addition, the magnetic beam steering apparatus includes a single iron core magnetic circuit of a quadrangular shape; And four coils wound around respective sides of the quadrilateral. The direction of the ion beam may be adjusted in two horizontal and vertical directions.

또한, 이온원으로부터 출사되는 이온빔의 특성을 측정하기 위해 진공 챔버에 교체 설치되는 다중 슬릿(multi aperture slit); 및 빔 주사장치(beam scanning instrument)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, a multi aperture slit alternately installed in the vacuum chamber to measure the characteristics of the ion beam emitted from the ion source; And a beam scanning instrument.

또한, 다중 슬릿은 제1빔집속렌즈와 교체 설치되도록 모듈형태로 형성되고, 빔 주사장치는 제1패러데이컵과 교체 설치되도록 모듈형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the multiple slits are formed in a module form so as to be replaced with the first beam focusing lens, and the beam scanning device is formed in a module form so as to be replaced with the first Faraday cup.

또한, 제2빔집속렌즈는, 빔 수송관의 종단에 근접한 위치에 배치되고, 빔 수송관의 외측에 근접하여 배치되어, 이온빔을 집속하여 양성자를 분리하고, LEBT의 다음 단인 RFQ(radio frequency quadrupole)에 대전류 이온빔을 입사하는 것을 특징으로 한다. In addition, the second beam focusing lens is disposed at a position close to the end of the beam transport pipe, is disposed close to the outside of the beam transport pipe, focuses an ion beam to separate protons, and is the next stage of LEBT, a radio frequency quadrupole. And a large current ion beam is incident on ().

본 발명은 빔 집속을 위한 제1솔레노이드 렌즈를 진공 내에 배치하여 이온빔을 초기에 효과적으로 집속하고, 빔 조향기구를 단일 철심에 구현하여 부품 설치에 필요한 폭을 줄이며, 빔 측정 장치를 진공 챔버에 교체형으로 설치되도록 모듈형태로 구비함으로써 대전류임에도 불구하고 LEBT의 길이가 크게 단축되는 효과가 있다. The present invention places the first solenoid lens for beam focusing in a vacuum to effectively focus the ion beam initially, and implements a beam steering mechanism in a single iron core to reduce the width required for component installation, and replaces the beam measuring device in the vacuum chamber. By providing in the form of a module so as to be installed in the form of a large current has the effect of significantly shortening the length of the LEBT.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT를 나타내는 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT의 진공 내 솔레노이드 렌즈를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT의 이온광학계의 전산모사 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 자기회로를 가지는 양방향 조절형 자기 빔 방향 조향기의 개념도이다. 1 is a perspective view showing the configuration of a LEBT according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a side cross-sectional view showing a LEBT according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view illustrating a solenoid lens in vacuum of a LEBT according to an embodiment of the present invention.
4 is a computer simulation result of an ion optical system of LEBT according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram of a bidirectional adjustable magnetic beam direction steering device having a single magnetic circuit according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible even though they are shown in different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. Throughout the specification, when a part is said to include, 'include' a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. . In addition, as described in the specification. The terms 'unit' and 'module' refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT의 구성을 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing the configuration of a LEBT according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT(1)는 이온원(ion source, 10)에서 생성된 이온빔(ion beam)을 집속하여 RFQ에 전달하는 역할을 한다. LEBT(1)는 통상 두 개의 빔집속렌즈를 빔 경로에 포함한다. 이온빔을 집속하는 빔집속렌즈로는 솔레노이드 코일 조립체를 이용한 자기장 렌즈가 주로 사용되며, 통상 빔 수송관(120) 외경을 감싸며 진공 배관 외부에 설치되는 것이 일반적이다. Referring to FIG. 1, the LEBT 1 according to an embodiment of the present invention focuses an ion beam generated from an ion source 10 and transmits the ion beam to an RFQ. LEBT 1 typically includes two beam focusing lenses in the beam path. A magnetic field lens using a solenoid coil assembly is mainly used as the beam focusing lens for focusing the ion beam, and is generally installed outside the vacuum pipe while surrounding the outer diameter of the beam transport pipe 120.

본 발명의 일 실시예에 따른 이온가속기는 제1빔집속렌즈(30)가 이온원(10)에 연결된 진공 챔버(20) 내에 배치되는 것이 특징이다. 제1빔집속렌즈(30)의 위치에서 이온빔은 발산 초기 상태이며, 빔 직경이 작다. 또한, 제1빔집속렌즈(30)가 진공 내의 빔 경로에 근접하여 배치되기 때문에 작은 렌즈 구경을 가지며 작은 기자력으로도 이온빔을 효과적으로 집속할 수 있다. 제1빔집속렌즈(30)를 진공 챔버(20) 내에 배치함으로써 더 작은 크기의 솔레노이드 코일 조립체를 사용할 수 있고, 제어용 전원부도 소형화될 수 있다. 무엇보다 이온빔이 발산 초시 상태이므로 이온빔 초기에 설치되는 렌즈에 의해 LEBT(1)의 빔 경로를 짧게 설계할 수 있는 장점이 있다. An ion accelerator according to an embodiment of the present invention is characterized in that the first beam focusing lens 30 is disposed in the vacuum chamber 20 connected to the ion source 10. At the position of the first beam focusing lens 30, the ion beam is in an initial state of divergence and has a small beam diameter. In addition, since the first beam focusing lens 30 is disposed close to the beam path in the vacuum, the first beam focusing lens 30 has a small lens aperture and can effectively focus the ion beam even with a small press force. By disposing the first beam focusing lens 30 in the vacuum chamber 20, a solenoid coil assembly of a smaller size can be used, and the power supply for control can be miniaturized. Above all, since the ion beam is in a divergent initial state, there is an advantage in that the beam path of the LEBT 1 can be shortened by a lens installed at the beginning of the ion beam.

LEBT(1) 종단에 근접한 위치에는 빔 수송관(120) 외경을 감싸며 배치되는 제2빔집속렌즈(90)를 포함한다. 제2빔집속렌즈(90) 위치에서의 이온빔은 제1빔집속렌즈(30) 위치에서보다 큰 빔 직경을 가진다. 제2빔집속렌즈(90)는 빔 수송관(120) 외부에 배치되어 이온빔과의 거리가 멀기 때문에 제1빔집속렌즈(30)에 비해 큰 용량을 가지게 된다. 그러나 모든 빔집속렌즈가 빔 수송관(120)의 외부에만 설치되는 통상의 경우에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 제2빔집속렌즈(90)의 크기는 작게 형성될 수 있다. 이온빔이 LEBT(1) 초단부터 집속되므로 이온빔이 덜 확산된 상태로 제2빔집속렌즈(90) 위치에 도달하기 때문이다. The position close to the end of the LEBT 1 includes a second beam focusing lens 90 disposed to surround the outer diameter of the beam transport pipe 120. The ion beam at the position of the second beam focusing lens 90 has a larger beam diameter than at the position of the first beam focusing lens 30. The second beam focusing lens 90 is disposed outside the beam transport tube 120 and has a larger capacity than the first beam focusing lens 30 because the distance from the ion beam is far. However, the size of the second beam focusing lens 90 according to the exemplary embodiment of the present invention may be smaller than that of all the beam focusing lenses installed only outside the beam transport pipe 120. This is because the ion beam is focused from the first stage of the LEBT 1 so that the ion beam reaches the position of the second beam focusing lens 90 in a less diffused state.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT를 나타내는 측단면도이다. Figure 2 is a side cross-sectional view showing a LEBT according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT(1)는 도면 우측에서부터 이온원(10)이 연결되는 부분, 이온원(10)에 연결된 진공 챔버(20), 진공 챔버(20)의 출구 측에 연결된 빔 수송관(120), 제1게이트밸브(130), 자기 빔 조향기(magnetic beam steerer, 60), 빔 단면 측정기(BPM: beam profile monitor, 70), 빔 전류 측정을 위한 제2패러데이컵(Faraday cup, 80), 제2빔집속렌즈(90), 제2게이트밸브(140) 및 ACCT(AC current transformer, 150)가 배치된다. Referring to FIG. 2, the LEBT 1 according to an embodiment of the present invention includes a portion in which the ion source 10 is connected from the right side of the drawing, a vacuum chamber 20 connected to the ion source 10, and a vacuum chamber 20. A beam transport pipe 120 connected to the outlet side of the first gate valve 130, a magnetic beam steerer 60, a beam profile monitor 70, and a beam current measurement device. A Faraday cup 80, a second beam focusing lens 90, a second gate valve 140, and an AC current transformer 150 are disposed.

빔 단면 측정기(70)는 빔 진행방향에 수직인 X-Y 좌표 평면에서 빔의 분포 형상과 위치를 측정하기 위해 구성된다. 회전 모터에 달려있는 나선형 모양의 텅스텐 와이어(710)를 회전시켜 빔과 교차시키면서 매 순간 텅스텐 와이어(710)를 통해 측정되는 신호를 수집한다.The beam cross section measuring device 70 is configured to measure the distribution shape and the position of the beam in the X-Y coordinate plane perpendicular to the beam traveling direction. The spiral tungsten wire 710, which depends on the rotary motor, is rotated to intersect the beam to collect signals measured through the tungsten wire 710 at each moment.

ACCT(150)는 펄스 형 대전류 빔에서 발생되는 자기장을 전기장 신호로 바꿔 빔의 전류를 측정하는 장치이다. ACCT 150 is a device for measuring the current of the beam by converting the magnetic field generated in the pulse type large current beam into an electric field signal.

본 발명은 대전류 고출력의 빔 전류을 측정하기 위한 컴팩트 패러데이컵과 빔의 공간적인 분포를 측정하기 위한 빔 단면 측정기(70)를 포함하는 최소한의 형태로 구성되며, 이들의 탈착이 자유롭도록 하여 컴팩트한 시스템을 구성한 것이 특징이다. The present invention is configured in a minimal form including a compact Faraday cup for measuring the beam current of a large current high output and a beam cross-sectional measuring device 70 for measuring the spatial distribution of the beam, so that their detachment is free and compact system It is characterized by the configuration.

진공 챔버(20) 내에는 제1빔집속렌즈(30)와 제1패러데이컵(210)이 배치되되, 제1빔집속렌즈(30)는 다중 슬릿(multi aperture slit, 220)과 교체될 수 있고, 제1패러데이컵(210)은 빔 주사장치(beam scanning instrument, 230)와 교체될 수 있다. 이들 측정 장치는 교체가 용이하도록 모듈화된 형태로 구성된다. The first beam focusing lens 30 and the first Faraday cup 210 are disposed in the vacuum chamber 20, and the first beam focusing lens 30 may be replaced with a multi aperture slit 220. The first Faraday cup 210 may be replaced with a beam scanning instrument 230. These measuring devices are configured in a modular form for easy replacement.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT의 진공 내 솔레노이드 렌즈를 나타내는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view illustrating a solenoid lens in vacuum of a LEBT according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 내 솔레노이드 렌즈(in-vacuum solenoid lens) 방식의 제1빔집속렌즈(30)는 진공 내에 설치될 수 있도록 솔레노이드 코일 조립체(310)가 기체방출(outgas) 차단케이스(320)에 의해 밀폐된 구조를 가진다.Referring to FIG. 3, the solenoid coil assembly 310 may have a gas so that the first beam focusing lens 30 of the in-vacuum solenoid lens type according to an embodiment of the present invention may be installed in a vacuum. It has a structure sealed by the outgas blocking case 320.

솔레노이드 코일 조립체(310)는 개별 코일(330)을 감싸는 코일 절연재(340)로 서로 전기적으로 절연된다. 또한, 솔레노이드 코일 조립체(310)는 코일 전체를 감싸며 절연충진재(350)로 몰딩 되어 고정된다. The solenoid coil assembly 310 is electrically insulated from each other with coil insulation 340 surrounding the individual coils 330. In addition, the solenoid coil assembly 310 is molded and fixed with an insulating filler 350 to surround the entire coil.

일반적으로 코일 절연재(340)와 절연충진재(350)는 기체방출률이 커서 진공 내에 그대로 노출되면 진공을 오염시켜 진공도를 떨어뜨려 빔 방출이 정상적으로 되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 제1빔집속렌즈(30)의 솔레노이드 코일 조립체(310), 코일 절연재(340) 및 절연충진재(350)를 포함하는 렌즈부를 기체방출 차단케이스(320)로 감싼다. 기체방출 차단케이스(320)는 스테인리스 스틸 판재를 성형하여 레이저 용접으로 제작할 수 있다. In general, the coil insulation material 340 and the insulation filler material 350 may be contaminated with vacuum when the gas release rate is large, and thus may reduce the degree of vacuum, thereby preventing beam emission. Therefore, in an embodiment of the present invention, the lens unit including the solenoid coil assembly 310, the coil insulation material 340, and the insulation filler material 350 of the first beam focusing lens 30 is wrapped with the gas emission blocking case 320. . The gas discharge blocking case 320 may be manufactured by laser welding by molding a stainless steel sheet.

빔 수송관(120) 외부에 배치되는 일반적인 솔레노이드 렌즈는 코일, 절연재 및 충진재를 포함하며, 이들 요소의 기체방출 때문에 진공에 설치가 곤란하다. 반면 본 발명의 일 실시예와 같은 제1빔집속렌즈(30)는 빔에 근접하여 배치가 가능하므로 적은 기자력으로도 빔을 효과적으로 집속할 수 있다. 또한 이온원(10)에 근접하여 배치가 가능하므로 이온빔의 발산 초기에 빔을 집속하여 LEBT(1)의 길이 단축에 크게 기여한다. 또한, 제1빔집속렌즈(30)는 진공 내의 빔에 근접하여 설치되어 적은 기자력으로도 빔을 집속할 수 있으므로, 이의 구동을 위한 전원공급기의 용량도 대폭 감소하여 경제성이 높고 컴팩트한 시스템의 구현이 가능하다. A typical solenoid lens disposed outside the beam transport tube 120 includes a coil, an insulation material, and a filler material, and is difficult to install in a vacuum due to the gas discharge of these elements. On the other hand, since the first beam focusing lens 30 as in the exemplary embodiment of the present invention can be disposed in close proximity to the beam, the beam can be effectively focused even with a small magnetic force. In addition, since it can be disposed close to the ion source 10, the beam is focused at the initial stage of the divergence of the ion beam, thereby greatly contributing to shortening the length of the LEBT 1. In addition, since the first beam focusing lens 30 is installed in close proximity to the beam in the vacuum and can focus the beam even with a small magnetomotive force, the capacity of the power supply for driving thereof is greatly reduced, thereby realizing a high economic and compact system. This is possible.

본 발명의 일 실시예와는 다르게 일반적인 형태로 제1빔집속렌즈(30)가 빔 수송관(120) 외부에 설치되어 이온원(10)으로부터 먼 위치에서 렌즈가 배치되면, 공간 전하 효과에 의해 이미 상당한 직경으로 빔이 발산된 후에 빔의 집속이 이루어지기 때문에, 빔이 길어지고 전류 밀도도 낮아지게 된다. 또한, 이온빔으로부터 반경방향으로 먼 위치에 솔레노이드 코일이 배치되기 때문에 이온빔의 집속에 더 큰 기자력이 필요하여 코일에 연결된 전원공급기의 용량도 큰 것이 요구된다. Unlike the exemplary embodiment of the present invention, when the first beam focusing lens 30 is installed outside the beam transport pipe 120 in a general form and the lens is disposed at a position far from the ion source 10, due to the space charge effect Since the beam is focused after the beam has already diverged to a significant diameter, the beam becomes longer and the current density is lowered. In addition, since the solenoid coil is disposed at a position radially distant from the ion beam, a larger magnetizing force is required for focusing the ion beam, so that the capacity of the power supply connected to the coil is also required.

본 발명의 일 실시예에서 제1빔집속렌즈(30)는 다중 슬릿(220)과 교체될 수 있으며, 이때 다음 단의 제1패러데이컵(210) 대신에 빔 주사장치(230)를 교체 장착하여 이온원(10)의 운전 조건에 따른 이온빔의 에미턴스(emittance)와 빔 단면 등의 특성을 측정할 수 있다. 일 실시예에서 빔 측정에 사용되는 빔 주사장치(230)는, 고출력 이온빔의 열 부하에 견딜 수 있도록 선경 0.5 mm의 텅스텐 와이어(232)를 사용하며, 빔의 진행 경로에 대해 수직 방향으로 정밀하게 이동되어 빔의 위치와 크기를 측정한다. In an embodiment of the present invention, the first beam focusing lens 30 may be replaced with the multiple slits 220, and in this case, the beam scanning device 230 may be replaced by replacing the first Faraday cup 210. Characteristics such as the emission of the ion beam and the beam cross section according to the operating conditions of the ion source 10 can be measured. In one embodiment, the beam scanning device 230 used for beam measurement uses a tungsten wire 232 of 0.5 mm in diameter to withstand the thermal load of the high output ion beam, and precisely in the vertical direction with respect to the propagation path of the beam. It is moved to measure the position and size of the beam.

본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT(1)는 제1빔집속렌즈(30)와 제1패러데이컵(210)의 위치에 이들 요소를 대신하여 다중 슬릿(220)과 빔 주사장치(230)가 모듈화된 형태를 가지며 해당 위치의 다른 모듈과 교체 장착됨으로써 별도로 고정 설치되는 경우에 비해 LEBT(1)의 길이가 단축될 수 있다. The LEBT 1 according to an embodiment of the present invention has multiple slits 220 and a beam scanning device 230 in place of these elements at the positions of the first beam focusing lens 30 and the first Faraday cup 210. The length of the LEBT 1 can be shortened as compared with the case where the module has a modular form and is separately installed and replaced with other modules in the corresponding position.

제2패러데이컵(80)은 RFQ 가속기에 입사되는 빔을 직접 전기적인 측정과 간접 열량측정법으로 동시 측정하여 빔 출력을 비교한다. 또한 제2패러데이컵(80)은 빔을 차단하기 위한 빔 덤프(beam dump)기능도 가진다. The second Faraday cup 80 simultaneously measures the beam incident on the RFQ accelerator by direct electrical measurement and indirect calorimetry to compare beam output. In addition, the second Faraday cup 80 also has a beam dump function to block the beam.

또한, 빔 수송관(120)의 외측에 설치되는 진공 외 솔레노이드 렌즈(out-vacuum solenoid lens) 방식의 제2빔집속렌즈(90)는 LEBT(1) 종단에 근접한 위치에 배치되어 이온빔을 더욱 강하게 집속하여 양성자를 분리하며, RFQ 입사 조건에 적합한 빔을 제공한다. In addition, the second beam focusing lens 90 of the out-vacuum solenoid lens type that is installed outside the beam transport pipe 120 is disposed at a position close to the end of the LEBT 1 to further strengthen the ion beam. It focuses to separate protons and provides a beam suitable for RFQ incident conditions.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEBT의 이온광학계의 전산모사 결과이다. 4 is a computer simulation result of an ion optical system of LEBT according to an embodiment of the present invention.

LEBT(1)에서 50~100 mA 수준의 대전류 이온빔을 효율적으로 집속, 수송, 분리하기 위한 2개의 솔레노이드 렌즈(30, 90)를 채용한 컴팩트한 이온광학계 구성과 각 솔레노이드 렌즈 파라미터는 도 4와 같이 하전 입자 트래킹(Tracking) 전산모사를 통하여 빔 수송 길이가 최소화 되도록 설계한다. The compact ion optical system configuration and each solenoid lens parameter employing two solenoid lenses 30 and 90 for efficiently focusing, transporting, and separating a large current ion beam of 50 to 100 mA in the LEBT 1 are shown in FIG. Charged particle tracking is designed to minimize beam transport length through computer simulation.

LEBT(1) 시스템의 컴팩트화 및 경제성을 확보하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 상술한 바와 같이 진공 내 솔레노이드 렌즈(in-vacuum solenoid lens) 방식의 제1빔집속렌즈(30)를 이온원(10)과 근접하여 배치함으로써 대전류 이온빔의 발산을 최소화하고 빔 경로가 단축된 컴팩트한 이온광학계가 구성될 수 있다. In order to secure compactness and economical efficiency of the LEBT (1) system, in an embodiment of the present invention, as described above, the first beam focusing lens 30 of the in-vacuum solenoid lens type is used as an ion source. By arranging in close proximity to (10), a compact ion optical system can be constructed that minimizes divergence of the high current ion beam and shortens the beam path.

이렇게 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 컴팩트 LEBT(1)는 약 1.7 m의 길이를 가지며, 이온원(10)으로부터 방출된, 예컨대 50 keV 65 mA의, 대전류의 양성자 빔을 RFQ에 입사시킬 수 있다.The high-current compact LEBT 1 according to the embodiment of the present invention thus configured has a length of about 1.7 m and causes a large current proton beam emitted from the ion source 10, such as 50 keV 65 mA, to be incident on the RFQ. Can be.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 자기회로를 가지는 양방향 조절형 자기 빔 방향 조향기의 개념도이다. 5 is a conceptual diagram of a bidirectional adjustable magnetic beam direction steering device having a single magnetic circuit according to an embodiment of the present invention.

수송되는 양성자 빔의 중심축을 RFQ 가속기의 중심축과 일치시키기 위한 중심이동을 위하여 일반적으로 수평, 수직면의 각각의 2극 전자석이 필요하다. 반면, 도 5를 참조하면, 본 발명에서는 단일 자기회로를 사용하여 양 방향을 동시에 조정이 가능한 통합 형태의 자기 빔 조향기(60)를 적용하여 빔 진행 방향의 설치 폭을 줄임으로써 시스템의 컴팩트화에 기여한다. Each dipole electromagnet of the horizontal and vertical planes is generally required for the centering to match the central axis of the transported proton beam with the central axis of the RFQ accelerator. On the other hand, referring to Figure 5, in the present invention by applying an integrated magnetic beam steering device 60 that can be adjusted in both directions at the same time by using a single magnetic circuit to reduce the installation width in the beam travel direction to compact the system Contribute.

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.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art to which the present embodiment belongs may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.

Claims

An ion source that emits a large current ion beam;
A vacuum chamber disposed in an emission direction of the ion beam and connected to one side of the ion source;
The ion beam incident to the vacuum chamber is disposed in close proximity to the ion source and the ion beam to focus before being diverged due to the space charge effect,
Individual coils wound in a form surrounding the ion beam,
A solenoid coil assembly comprising coil insulation surrounding the individual coils;
An outgas blocking case surrounding the solenoid coil assembly and sealing the solenoid coil assembly from vacuum
It is formed to ensure a high degree of vacuum of the vacuum chamber by including, and is contained in the vacuum chamber
A first beam focusing lens;
A first Faraday cup disposed behind the first beam focusing lens in the emission direction of the ion beam and accommodated in the vacuum chamber; And
A beam transport pipe connected to the other side of the vacuum chamber to transport the ion beam;
Including,
Sequentially disposed in the ion beam exit direction in the beam transport pipe
Magnetic beam steerers;
Beam profile monitors;
Second Faraday Cup;
A second beam focusing lens; And
AC current transformer (ACCT);
A high current compact low energy beam transport apparatus (LEBT) for a BNCT injector, comprising: a.

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The method of claim 1,
Alternately installed in the vacuum chamber to measure the characteristics of the ion beam emitted from the ion source
Multi aperture slit; And
Further comprising a beam scanning instrument,
The multiple slits are formed in a module form so as to be replaced with the first beam focusing lens,
The beam scanning device is a high-current compact low-energy beam transport apparatus for a BNCT injector, characterized in that formed in a module form so as to be replaced with the first Faraday cup.

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