KR102400155B1 - 중성자 빔 선속 증가를 위한 후방 반사장치를 포함하는 감속집합체 - Google Patents

중성자 빔 선속 증가를 위한 후방 반사장치를 포함하는 감속집합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)용 가속기의 빔 라인 종단에 배치되어, 입사되는 양성자에 의해 중성자를 방출하는 표적을 수용하는 감속집합체(beam shaping assembly)로서, 표적의 전방에 배치되어 양성자의 입사 방향으로 산란되는 중성자의 에너지를 감소시키는 감속재(moderator); 중성자 선속(flux)을 환자의 환부로 모으는 콜리메이터(collimator); 및 감속재 및 콜리메이터를 수용하여 열외중성자 및 감마선의 외부 누설을 차폐하는 반사체를 포함하되, 빔 라인 종단의 외측 및 표적의 후방에 배치되어 표적에서 후방으로 산란되는 중성자를 다시 전방으로 반사하도록 형성된 후방 중성자 반사장치를 더 포함하는 감속집합체에 관한 것이다.

Description

중성자 빔 선속 증가를 위한 후방 반사장치를 포함하는 감속집합체{Beam Shaping Assembly having Rear Reflector Device for Increased Neutron Beam Flux}
본 발명은 중성자 빔 선속(flux) 증가를 위한 후방 반사장치를 포함하는 감속집합체에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
IAEA(International Atomic Energy Agency)에서는 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)를 위하여 1×109 n/cm2·s 이상의 열외중성자 선속(flux)을 가져야 함을 권고하고 있다. 효과적인 치료가 이루어지기 위해서는 BNCT는 제시된 기준 이상의 선속을 제공할 필요가 있다.
가속기를 기반으로 한 붕소중성자포획치료는 표적물질과 가속된 입자 간의 충돌에 의한 핵반응으로 중성자를 생성한다. 이때 핵반응에서 생성된 중성자는 질량중심 좌교계 기준으로 전 방향으로 균일하게 퍼져 나간다.
한편, 생성된 중성자는 환자에게 바로 이용하기에는 필요 이상의 고 에너지일 뿐만 아니라, 중성자 외에도 다량의 감마선이 발생하기 때문에 표적 인근에서 중성자를 바로 이용할 수 없다. 감속집합체(BSA: Beam Shaping Assembly)는 생성된 중성자를 적절한 에너지 수준을 가지는 열외 중성자로 감속시키고, 환자를 피폭하는 유해 방사선들은 최대한 제거하는 역할을 한다.
중성자가 생성되는 표적과 환자가 중성자 빔을 조사받는 위치는 감속집합체로 인하여 상당한 거리를 가지게 된다. 중성자는 전 방향으로 퍼져 나가기 때문에 환자에게 도달하는 중성자는 상당 부분 소실된다. 표적과 환자 사이의 경로에 반사체를 배치함으로써 중성자를 반사시켜 환자를 향하는 중성자를 더 모으고자 하는 방식도 있으나 중성자의 손실은 여전히 상당한 수준으로 평가된다. 예컨대 공개된 자료로서, 일본 JENDL 4.0/HE 핵자료의 9Be(p,n)를 이용한 경우, 감속집합체에 입사되는 양은 전체의 1/3에 불과하다고 알려져 있다.
IAEA 권고치 이상의 선속을 제공하기 위해서, 일반적으로 이러한 손실을 보상하기 위하여 가속기의 빔 에너지나 빔 전류를 증가시켜 표적물질에서 생성되는 중성자 선속을 증가시키는 해결 방법이 일반적이다. 그러나 이러한 방법은 가속기 성능 부담 상승, 소비전력 상승, 고 에너지임에 따른 냉각 시설의 부담 상승, 표적의 수명 저하, 고에너지 중성자의 발생 및 표적 인근의 방사화 등의 다양한 문제를 수반하는 이슈가 있다.
본 발명은 가속기의 빔 에너지를 높이는 대신 표적물질에 입사되는 중성자를 보다 효율적으로 이용함으로써 동일한 수준의 가속기로부터 보다 큰 열외중성자 선속을 인출하도록, 표적물질의 후방으로 산란되어 소실되는 중성자를 다시 표적물질을 향해 반사시키는 장치를 제공하는 것이 목적이다. 이러한 구성을 통해 가속기의 빔 에너지 등 성능 요구조건을 낮출 수 있으며, 동시에 충분한 생성 중성자 총 개수를 제공하는 것이 목적이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 감속집합체는, 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)용 가속기의 빔 라인 종단에 배치되어, 입사되는 양성자에 의해 중성자를 방출하는 표적을 수용하는 감속집합체(beam shaping assembly)로서, 표적의 전방에 배치되어 양성자의 입사 방향으로 산란되는 중성자의 에너지를 감소시키는 감속재(moderator); 중성자를 환자의 환부로 모으는 콜리메이터(collimator); 및 감속재 및 콜리메이터를 수용하여 열외중성자 및 감마선의 외부 누설을 차폐하는 반사체를 포함하되, 빔 라인 종단의 외측 및 표적의 후방에 배치되어 표적에서 후방으로 산란되는 중성자를 다시 전방으로 반사하도록 형성된 후방 중성자 반사장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 후방 중성자 반사장치는, 표적으로부터 후방으로 산란되는 중성자를 반사하는 특성을 가지는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 후방 중성자 반사장치는, 납으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 후방 중성자 반사장치는, 표적을 중심으로 양성자의 입사 방향에 대해 145도 내지 165도 각도 범위를 포함하는 후방 영역에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 빔 라인 종단과 표적 사이에 표적 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 표적 챔버와 빔 라인 종단은 플렌지(flange) 구조로 결합되어 조립분해 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 표적 및 표적 챔버는 냉각수단을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 표적물질의 후방으로 산란되어 소실되는 중성자를 다시 표적물질을 향해 반사시킴으로써 빔 수송계통으로부터 입사되는 동일한 빔 에너지의 중성자로부터 보다 큰 열외중성자 선속을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 가속기의 빔 에너지 요구 사양을 낮출 수 있어 붕소중성자포획치료 시설의 효율적인 운용이 가능한 효과가 있다.
또한, 가속기의 빔 에너지 요구 사양을 낮출 수 있어 표적의 수명 증가, 표적의 냉각 부하 저감, 표적 및 인근의 방사화 수준 저감, 후방으로 누설되는 중성자와 감마선의 차폐 및 가속기 및 부대 장치의 소비전력 저하 등의 연계된 효과가 있다.
도 1은 종래의 감속집합체를 나타내는 단면도이다.
도 2는 표적에 입사된 양성자의 산란 방향에 따른 입자량을 전산모사하기 위한 질량중심 좌표계를 나타낸다.
도 3은 도 2의 질량중심 좌표계의 중심축에 대한 산란 각도에 따른 중성자 개수의 분포를 전산모사한 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후방 반사장치를 포함하는 감속집합체를 나타내는 단면도이다.
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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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.
도 1은 종래의 감속집합체를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 감속집합체는 표적에 인접하도록 배치된 빔 라인의 종단을 수용하도록 배치된다.
표적(110)은 Be(Beryllium), Li(Lithium), Ta(Tantalium), 또는 W(Tungsten)으로 구성된 원판 형상일 수 있다. 표적(110)에 양성자가 입사되면 열외중성자, 감마선, 및 속중성자가 생성될 수 있다.
감속집합체(10)는 감속재(130), 콜리메이터(collimator, 140), 반사체(150) 및 차폐체(160)를 포함할 수 있다.
감속재(130)는 표적에서 생성되어 출구로 향하는 중성자를 적절한 에너지 수준으로 감속하는 역할을 한다. 감속재(130)는 표적으로부터 생성된 중성자선을 감속하기 위한 납, 철, 알루미늄, 또는 불화칼슘으로 구성된 원판 형상의 부재가 표적으로부터 열외중성자의 출사 방향으로 적층된 것일 수 있다.
콜리메이터(140)는 생성된 중성자를 환자의 치료 부위를 향해 모아지도록 한다. 감속집합체(10)는 열외중성자의 선속(flux)과 전향성(forward directional property)을 향상시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
반사체(150)는 표적(110)으로부터 생성되어 장비 외부로 누설되는 열외중성자, 감마선 및 속중성자 등을 차폐하는 역할을 한다. 반사체(150)는 Pb(Plumbum)로 구성될 수 있으며, 표적(110)과 감속재(130)를 환형으로 감싸며 배치됨으로써 열외중성자의 탈출을 막아 열외중성자선의 손실을 방지할 수 있다.
BNCT에서 가속된 고 에너지의 양성자 빔은 표적(110)에 입사되어 중성자를 생성하며, 생성된 중성자는 감속집합체에 의해 적절한 에너지 수준을 가지는 열외 중성자로 감속되어 환자의 치료 부위에 입사된다.
통상 원판 형상인 표적(110)에 수직으로 입사된 양성자는 전방향으로 산란된다. 따라서, 감속집합체의 구조에 따라 차이는 있지만, 표적(110)으로부터 생성되는 중성자는 실질적으로 일부만이 환자에게 전달된다.
도 2는 표적에 입사된 양성자의 산란 방향에 따른 입자량을 전산모사하기 위한 질량중심 좌표계를 나타낸다.
도 3은 도 2의 질량중심 좌표계의 중심축에 대한 산란 각도에 따른 중성자 개수의 분포를 전산모사한 결과를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 구면 좌표계의 중심에는 표적(110)이 위치한다. 빔 라인으로부터 입사되는 양성자는 구면 좌표계의 좌측에서 중심으로 입사된다.
도 2의 구면 좌표계를 기준으로 일본의 JENDL 4.0/HE 핵자료를 이용하여, 9Be(p,n) 반응으로 산란되는 중성자의 분포를 소정의 단위 각도 구간마다 전산모사한 결과를 도 3에 도시한다. 도 3을 참조하면, 구면 좌표계 상에 양성자의 입사 방향을 중심축으로 한 띠 형태의 단위 영역 S에 입사되는 중성자의 개수를 전산모사한 결과를 도시한다.
도 3의 X축은 양성자 입사 방향을 중심축으로 단위 영역 S의 각도 영역에 대한 코사인(cosine) 값을 나타낸다. 도 3의 Y축은 각각의 각도 영역에서 단위 영역 S에 입사되는 산란된 중성자의 개수를 나타낸다. 예컨대, 양성자의 입사 방향으로 중심으로 0도(cos(0°)=1)에서 15도(cos(15°)=0.96593) 범위로 산란되는 중성자의 개수는 도 3의 X축의 1, 0.99905, 0.99619 및 0.96593에서의 중성자 개수를 합한 개수가 된다. 한편, 면적당 중성자 개수로 환산하는 경우, 환형인 단위 영역의 면적이 좁은 전방이 가장 밀도가 높다.
본 발명을 기술함에 있어, 전방은 가속기의 양성자 빔이 진행하는 방향, 즉 환자의 환부를 향하는 방향을, 후방은 그 반대 방향을 의미하는 것으로 정의한다.
도 3의 -0.96593(cos(165°)), -0.90631(cos(155°)) 및 -0.81915(cos(145°))에서의 중성자 개수를 참조하면, 본 발명자들은 양성자 입사 방향의 반대 방향(여기서는 표적(110)의 후방으로 표현함)으로 산란되는 중성자의 개수가 많음을 확인하였다.
본 발명은 이와 같이 후방으로 산란되는 중성자를 전방으로 반사시키도록 후방 중성자 반사장치(170)를 포함함으로써 표적(110)으로부터 생성되는 중성자를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 감속집합체(11)는 표적(110)의 후방 및 빔 라인(120)의 외측에 배치되는 후방 중성자 반사장치(170)를 더 포함함으로써 동일한 빔 파워에 대해 보다 많은 중성자를 표적(110) 전방으로 전달할 수 있다. 도 1의 경우와 비교하면, 표적(110) 후방으로 감속재(130)만 포함하는 경우에는 후방으로 반사되는 중성자는 감속되어 소실되는 것으로 이해할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예와 같이 후방 중성자 반사장치(170)가 표적(110) 후방에 배치되는 경우에 후방으로 반사되는 중성자는 전방으로 반사되어 적어도 그 일부가 다시 이용될 수 있다. 즉, 일 실시예에 따르면 동일한 중성자 선량을 환자의 환부에 전달하기 위해 표적(110)에 입사되는 양성자 빔 파워는 일반적인 구성에 비해 낮을 수준이 요구될 수 있다.
일 실시예에 따른 감속집합체(11)를 포함하는 BNCT는 가속기의 빔 파워 요구 수준을 낮출 수 있어 다양한 장점을 가진다. 예컨대, 낮은 에너지의 양성자 빔이 입사됨에 따라 표적(110)의 수명이 증가될 수 있으며, 교체 주기가 길어질 수 있다. 또한, 표적(110)의 냉각 계통의 부하가 낮을 수 있으며, 표적(110)과 인근의 방사화 수준이 낮아질 수 있다. 부가적으로, 누설되는 중성자와 감마선이 감소할 수 있으며, 가속기 및 부대 장치의 소비전력이 낮아질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후방 반사장치를 포함하는 열외중성자 생성부를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 후방 중성자 반사장치(170)는 표적(110)을 중심으로 후방에 배치된다. 특히 145도 내지 165도 범위로 산란되는 중성자를 다시 반사시키도록 배치될 수 있다. 후방 중성자 반사장치(170)는 반사체(150)와 일체가 아니게 구성될 수 수 있다. 후방 중성자 반사장치(170)는 중성자를 반사하기에 적합하도록 납 벽돌 등이 이용될 수 있다. 후방 중성자 반사장치(170)의 재질은 중성자를 반사하는 특성을 가지는 이용될 수 있다. 납은 중성자 반사 성능과 가격 측면에서 가장 바람직한 소재로서 선정되었다. 일 실시예에서의 후방 중성자 반사장치(170)의 배치 위치 및 크기는 최종적으로 Monte Carlo N Particle Transport code 6.2를 활용하여 후방 중성자 반사장치(170)를 포함하는 감속집합체(11)에서의 중성자 산란을 확인하여 최적화할 수 있다. 일 실시예에서 후방 중성자 반사장치(170)는 가로 세로 각각 약100 cm, 두께 약 40 cm를 가지도록 형성된다. 후방 중성자 반사장치(170)의 외측으로는 누설 중성자를 차폐하기 위한 후방 차폐체(162)가 배치된다.
한편, 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 감속집합체(11)는 빔 라인(120) 종단과 표적(110) 사이에 표적 챔버(190)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 표적 챔버(190)와 빔 라인(120) 종단은 플랜지(flange, 180) 구조로 결합되어 표적(110)이 수명을 다해 교체나 정비가 필요한 경우 조립분해가 용이하도록 형성될 수 있다. 또한, 표적(110) 및 표적 챔버(190)는 양성자의 충돌에 의한 발열을 제어하도록 냉각수단(미도시)을 더 포함하여 형성될 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.

Claims (7)

  1. 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)용 가속기의 빔 라인 종단에 배치되어, 입사되는 양성자에 의해 중성자를 방출하는 표적을 수용하는 감속집합체(beam shaping assembly)로서,
    상기 표적의 전방에 배치되어 상기 양성자의 입사 방향으로 산란되는 상기 중성자의 에너지를 감소시키는 감속재(moderator);
    상기 중성자를 환자의 환부로 모으는 콜리메이터(collimator); 및
    상기 감속재 및 상기 콜리메이터를 수용하여 열외중성자 및 감마선의 외부 누설을 차폐하는 반사체
    를 포함하되,
    상기 빔 라인 종단의 외측에 배치되고, 상기 표적을 중심으로 상기 양성자의 입사 방향에 대해 145도 내지 165도 각도 범위를 포함하는 후방 영역에 배치되어 상기 표적에서 후방으로 산란되는 상기 중성자를 다시 전방으로 반사하도록 형성되고, 상기 반사체와 일체로 구성되지 않는 후방 중성자 반사장치를 더 포함하는 감속집합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 후방 중성자 반사장치는,
    상기 표적으로부터 후방으로 산란되는 상기 중성자를 반사하는 특성을 가지는 소재로 이루어지는 감속집합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 후방 중성자 반사장치는,
    납으로 이루어지는 감속집합체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔 라인 종단과 상기 표적 사이에 표적 챔버를 더 포함하는 감속집합체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 표적 챔버와 상기 빔 라인 종단은 플렌지(flange) 구조로 결합되어 조립분해 가능하도록 형성되는 감속집합체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 표적 및 상기 표적 챔버는 냉각수단을 더 포함하여 형성되는 감속집합체.
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