KR102440346B1 - 이온 빔 타겟을 위한 기재의 표면 개질을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

중성자 발생 타겟의 설계 및 제조 방법이 기술된다. 일부 구현예에서, 타겟 기재의 표면은 하나 이상의 표면 피처를 형성하도록 개질될 수 있다. 일부 구현예에서, 중성자원 층은 타겟 기재의 표면 상에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 중성자원 층 및 타겟 기재는 이들 둘 사이의 결합을 형성하도록 상승된 온도로 가열될 수 있다. 일부 구현예에서, 타겟 기재의 표면 개질은 타겟에서의 블리스터링 및 재료 박리를 감소시킬 수 있다. 상기 타겟은 붕소 중성자 포획 요법에 사용될 수 있다.

Description

이온 빔 타겟을 위한 기재의 표면 개질을 위한 방법 및 시스템

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2016년 5월 5일에 제출된 미국 특허 출원 제15/147,565호에 관한 것이며, 이의 개시는 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.

기술분야

본 개시는 일반적으로 붕소 중성자 포획 요법(boron neutron capture therapy)에 사용될 수 있는 중성자 발생 타겟(neutron generating target)의 설계 및 제조 방법에 관한 것이다.

중성자원(neutron source)은 의학적 치료, 동위원소 생성, 폭발성/핵분열성 재료 검출, 귀금속 광석의 분석, 이미지화 등을 포함하는 다수의 잠재적인 적용을 갖는다. 특정한 관심 영역은, 우선적으로 붕소가 환자의 악성 종양에 집속되고, 중성자 빔이 환자를 통과하여 붕소-함유 종양을 타겟으로 하는 암 치료 기술인 붕소 중성자 포획 요법 (BNCT)이다. 붕소 원자가 중성자를 포획할 때, 이것이 존재하는 조직에 심각한 손상을 일으키기에 충분한 에너지를 가지면서 입자가 생성된다. 상기 효과는 매우 국부화되어 있고, 결과적으로 이 기술은 매우 선택적인 암 치료 방법으로서 사용될 수 있으며, 오직 특이적으로 표적화된 세포에만 영향을 미칠 수 있다.

중성자원을 이용하는 다수의 활동은 현재 중성자가 풍부한 원자핵 연구 원자로(nuclear research reactor)에서 수행된다. 그러나, 안전성, 핵 재료 취급, 및 다수의 연구 원자로의 수명 종료 및 폐로(decommissioning)의 접근법과 같은 다수의 실제적인 문제점은 이 접근법을 도전과제가 되게 한다. 가속기-기반 중성자원은 비교적 저비용의 소형(compact) 대안으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 소형의 비교적 저렴한 선형 가속기를 사용하여 이온, 예컨대 양성자를 가속화할 수 있으며, 이어서 이는 중성자를 발생시킬 수 있는 타겟에 집속될 수 있다.

본 개시는 중성자 발생 타겟의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 타겟 기재의 표면을 개질하여 하나 이상의 표면 피처(features)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 중성자원 층을 타겟 기재의 표면 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 상기 방법은 재료 제거 공정 또는 재료 첨가 공정을 포함할 수 있다. 재료 제거 공정은 연마 블라스팅(abrasive blasting), 에칭 또는 폴리싱(polishing)을 포함할 수 있다. 재료 첨가 공정은 진공 증착, 도금 또는 프린팅을 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 타겟 기재는 구리, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴 및 스테인리스강 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 중성자원 층은 리튬, 베릴륨 및 탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 중성자원 층은 타겟 기재의 표면 상에 압축될(pressed) 수 있다. 일부 구현예에서, 중성자원 층은 증발에 의해 타겟 기재의 표면 상에 증착될 수 있다.

일부 구현예에서, 상기 방법은 중성자원 층 및 타겟 기재 사이에 결합을 형성하기 위한 지속 시간 동안 상승된 온도로 중성자원 층 및 타겟 기재를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상승된 온도는 약 100℃ 내지 약 500℃일 수 있다. 일부 구현예에서, 지속 시간은 약 0.1시간 내지 10시간일 수 있다.

일부 구현예에서, 상기 방법은 또한 중성자원 층의 상부 표면을 개질하여 하나 이상의 표면 피처를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시는 또한 중성자 발생 타겟에 관한 것이다. 상기 타겟은 불균일한 표면을 갖는 타겟 기재를 포함할 수 있다. 불균일한 표면은 하나 이상의 표면 피처를 포함할 수 있다. 상기 타겟은 또한, 타겟 기재의 표면 상에 배치되며 타겟 기재에 결합된 중성자원 층을 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 하나 이상의 표면 피처는 타겟 기재 내로 함입될(recessed) 수 있다. 하나 이상의 표면 피처는 약 1 미크론 내지 약 50 미크론의 깊이를 가질 수 있다.

일부 구현예에서, 하나 이상의 표면 피처는 타겟 기재로부터 돌출될 수 있다. 하나 이상의 표면 피처는 약 1 미크론 내지 약 50 미크론의 높이를 가질 수 있다.

일부 구현예에서, 하나 이상의 표면 피처는 약 1 미크론 내지 약 50 미크론의 평균 피치(pitch)를 갖는 복수의 표면 피처를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 타겟 기재는 구리, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴 및 스테인리스강 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 중성자원 층은 리튬, 베릴륨 및 탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 중성자원 층은 약 10 미크론 내지 약 500 미크론의 두께를 가질 수 있다.

본 개시의 특정 구현예가 하기에 기술되며, 도 1 내지 5에 나타내어져 있다. 이들 구현예는 오직 예시의 방식에 의해 제시되고 있다. 다수의 변형 및 다른 구현예는 당업계의 통상의 기술의 하나의 범위 내에 있으며, 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로서 고려된다. 또한, 당업계의 통상의 기술자는, 특정 조건 및 구성은 예시적이며, 실제 조건 및 구성은 특정 시스템에 따라 달라질 것임을 알아야 한다. 당업계의 통상의 기술자는 또한 단지 통상의 실험을 사용하여, 나타낸 특정 요소에 대한 등가물을 인식 및 확인할 수 있을 것이다.
도 1a는 본 개시의 일부 구현예에 따른, 붕소 중성자 포획 요법 (BNCT)에 사용하기에 적합한 장치의 블록 다이어그램이다.
도 1b는 본 개시의 일부 구현예에 따른, 디스크-형상의 회전가능한 구조체의 평면도의 다이어그램이다.
도 1c는 도 1b의 라인 A-A'에 상응하는, 도 1b의 회전가능한 구조체의 단면도를 나타내는 다이어그램이다.
도 1d는 본 개시의 일부 구현예에 따른, 붕소 중성자 포획 요법 (BNCT)의 부분으로서 사용하는 동안의 도 1b의 회전가능한 구조체의 다이어그램이다.
도 2a 내지 2b는 본 개시의 일부 구현예에 따른, 중성자 발생 타겟의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일부 구현예에 따른, 중성자 발생 타겟의 제조 방법의 순서도이다.
도 4는 본 개시의 일부 구현예에 따른, 중성자 발생 타겟의 제조 방법의 순서도이다.
도 5는 본 개시의 일부 구현예에 따른 BNCT 시스템의 개략적인 단면도이다.

본 개시는 붕소 중성자 포획 요법 (BNCT)에 사용될 수 있는 중성자 발생 타겟의 설계 및 제조 방법에 관한 것이다.

BNCT는, 환자가 붕소 풍부 용액, 예컨대 프룩토오스-BPA를 주입받는 동안 암 치료를 위한 표적화된 방사선 요법이다. 이어서, 붕소는, 예를 들어 종양 부위에서 암 세포에 의해 선택적으로 흡수된다. 중성자, 예를 들어 리튬 중성자원에 의해 발생된 중성자는 하기 핵반응에 의해 붕소와 상호작용한다:

. 종양 부위 부근에서 열중성자화되는 열외 중성자(epithermal neutron)의 플럭스(flux)를 환자의 종양 부위에 조사함으로써, 암 세포는 알파 입자 및 리튬 이온에 의해 사멸된다. 방출된 알파 입자 및 리튬 이온은 매우 짧은 범위, 예를 들어 약 5 내지 9 미크론을 가지며, 따라서 크기가 암 세포와 유사하다.

BNCT 치료는 전형적으로 1 eV 내지 10 keV의 열외 중성자의 높은 플럭스를 요구한다. 임상 치료에 요구되는 플럭스는 약 1x10⁹ n/cm²/s이다. 역사적으로, BNCT 치료는 원자핵 연구 원자로 시설에서 수행되었지만, 가속기-기반 중성자원은 병원 환경에서의 치료의 광범위한 구현에 바람직하다.

가속기를 사용하여 적절한 수준의 중성자 플럭스를 생성하기 위해, 여러 핵반응이 제안되었다. 가장 유망한 반응 중 하나는

반응이다. 이 반응은 높은 중성자 수율을 가지며, 적당한 에너지의 중성자를 생성하고, 상기 두 조건 모두 다수의 적용에 바람직하다. 이 반응에 의해 생성된 중성자 플럭스는, 예를 들어 상기 플럭스가 다수의 고에너지 중성자 없이 열외 중성자로 용이하게 감속될(moderated) 수 있기 때문에 BNCT에 바람직하다. 이 반응을 가속기-기반 중성자원을 사용하여 달성하기 위해, 공급원 재료 (예를 들어, 리튬)를 보유하는 타겟이 양성자 가속기에 의해 발생된 양성자 빔에 제공된다. 중성자는 공급원 재료로부터 방출되고, 빔 형상화 조립체에 의해 치료를 위한 목적하는 중성자 "빔"으로 감속 및 시준될 수 있다. 양성자 빔 크기는 빔 형상화 조립체의 출구에서 중성자 빔에 필적할 만한 크기 또는 더 작은 크기일 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔 크기는 약 20 mm 내지 약 150 mm일 수 있다. BNCT를 위한 리튬 P,N 반응에 대한 2개의 일반적인 접근법이 있다: 양성자 빔 에너지가 약 1.9 MeV인 "근사 임계치(near threshold)" 및 양성자 빔 에너지가 약 2.5 MeV인 "임계치 초과". "근사 임계치" 접근법은, 타겟으로부터의 중성자 에너지 분포가 치료를 위한 열외 에너지 분포에 근접하며, 따라서 오직 최소의 감속(moderation)이 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. "임계치 초과" 접근법은 중성자의 보다 높은 에너지 분포를 생성하며, 따라서 보다 많은 감속을 사용할 수 있지만, 약 2.3 MeV에서 반응 단면에서의 큰 피크를 이용하여 중성자의 훨씬 더 높은 초기 수율을 낳는다.

본 개시의 구현예는 직접-냉각식 모듈형 회전 타겟 아키텍처 접근법(direct-cooled, modularized rotating target architecture approach)을 사용하여, 상술한 중성자 발생 시스템 문제점을 극복한다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 회전가능한 구조체, 예컨대 디스크 또는 드럼(drum)은 중앙 허브(central hub) (또한 본원에서 "회전 고정구")에 부착된 복수의 세그먼트화된 타겟 "페탈(petal)" (또한 본원에서 "세그먼트"로서 지칭됨)을 포함하며, 여기서 각각의 페탈은 전용 마이크로채널을 통해 직접 냉각된다. 복수의 타겟 페탈은 집합적으로 타겟을 구성한다고 할 수 있다. 각각의 페탈은 기재, 및 기재의 표면 상에 배치된 고형 중성자원 층을 포함할 수 있다. 예시적인 시스템은 평면상 회전가능한 구조체 상에 16개의 페탈을 포함하며, 각각의 페탈은 회전가능한 구조체의 원주의 22.5도를 차지하고, 회전가능한 구조체는 약 1 미터의 외경 (OD)을 갖고, 0.84 미터 직경을 중심으로 반경 방향으로 0.14 미터의 페탈 상에 리튬의 반연속 스트립(strip)이 침적된다.

도 1a는 본 개시의 일부 구현예에 따른, BNCT에 사용하기에 적합한 장치의 블록 다이어그램이다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 회전가능한 구조체(102)는 복수의 타겟 페탈 또는 세그먼트(104A 내지 104D)를 포함하고, 복수의 세그먼트(104A 내지 104D)의 각각의 세그먼트는 상응하는 중성자원 층(108A 내지 108D)에 커플링된 상응하는 기재(106A 내지 106D)를 갖는다. 중성자원 층(들)(108A 내지 108D)은 고형 리튬을 포함할 수 있다. 기재(106A 내지 106D) 중 하나 이상은 연관된 기재 및/또는 중성자원 층을 (예를 들어, 중성자원 층(108A 내지 108D)을 고체 형태로 유지하도록) 능동적으로 냉각시키기 위한 상응하는 냉각제 채널(110A 내지 110D), 예컨대 마이크로채널을 포함한다. 세그먼트(104A 내지 104D)는 선택적으로(optionally), 냉각제 유체를 안내하기 위한 유입구(112A) 및 배출구(112B)를 갖는 회전 고정구(112)에 커플링된다. 세그먼트(104A 내지 104D)는 나사, 볼트, 신속 분리 피팅(quick-disconnect fittings), 클램프(clamp) 및/또는 기타 중 하나 이상을 통해 회전 고정구(112)에 커플링될 수 있다. 냉각제 유체는 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 물 (예를 들어, 오일보다 더 높은 열용량 및 열전도도, 및 수돗물과 비교하여 더 낮은 부식 활성(corrosive activity)을 제공하는 탈이온수), 글리콜, 글리콜/물 혼합물, 열 전달 오일 (예를 들어, 작동불능(failure) 동안 가능한 물 / 리튬 상호작용을 피하기 위해), "Galinstan" (상업용 액체 갈륨/인듐/주석 혼합물), 액체 질소 및/또는 다른 냉각제. 회전 고정구(112)는, 외부 스핀들(spindle) 조립체에 커플링되고, 및/또는 회전 물 밀봉(rotary water seal) 및/또는 회전 진공 밀봉(rotary vacuum seal)과 같은 커플링을 통해 모터를 구동시키도록 구성될 수 있다. 세그먼트(104A 내지 104D)가 회전 고정구(112)에 연결되는 경우, 냉각제 채널(110A 내지 110D)은 회전 고정구(112)의 유입구(112A) 및 배출구(112B)와 유체 연통(fluid communication)하며 밀봉된 채로 존재할 수 있다. 도 1a는 또한 양성자 빔 발생기(113) 및 양성자 빔(113A)을 나타낸다.

세그먼트(104A 내지 104D)의 각각의 세그먼트는 하기 중 하나인 형상을 가질 수 있다: 환형의 일부분, 파이(pie)-형상 또는 "부채꼴" (원 또는 타원의 2개의 반경 및 이들 사이의 원호에 의해 둘러싸여진 평면 도형으로서 정의됨), 절두된 부채꼴 (즉, 부채꼴의 일부분), 정사각형 및 직사각형.

중성자원 층(108A 내지 108D)은 목적하는 중성자 플럭스 (예를 들어, 리튬의 경우 적어도 약 10 μm, 또는 적어도 약 90 μm (예를 들어, 약 400 μm), 또는 약 10 μm 내지 약 200 μm, 또는 약 90 μm 내지 약 150 μm)를 생성하기에 충분한 두께 및 고체 형태의 리튬, 베릴륨 또는 또 다른 적합한 중성자원을 포함할 수 있다.

중성자원 층(108A 내지 108D)은 열적 결합을 통해 세그먼트(104A 내지 104D)의 기재(106A 내지 106D)에 접착될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 기재(106A 내지 106D) 중 하나 이상은 구리를 포함하고, 리튬 중성자원 층(108A 내지 108D)은 압력 및 온도 방법을 통해 하나 이상의 구리 기재(106A 내지 106D)에 결합된다. 리튬은 반응성 금속이기 때문에, 이는 구리와 함께 아말감(amalgam)을 형성할 수 있다. 적절히 결합된 경우, 구리 및 리튬 사이의 낮은 열 저항이 형성된다. 중성자원 층(들)(108A 내지 108D)의 이러한 두께에서, 양성자는 리튬 기저의 구리가 아니라, 사용 동안 리튬에 침적된다. 일부 경우, 1x10¹⁹ 이온/cm²의 선량(dose)까지 중성자 수율에서의 하락은 없고, 1x10²⁰ 이온/cm² 및 그 초과의 선량이 가능하다는 것이 예상될 수 있다. 중성자원 층(108A 내지 108D)은 조사 동안 변화할 수 있으며, 예를 들어 보다 취성이 되고, 및/또는 색상이 상이해지지만, 이것이 무손상인 채로 유지되고, 동일한 또는 거의 동일한 중성자 수율을 생성하는 한, 이는 사용하기에 적합하다.

대안적으로 또는 추가적으로, 중성자원 층(108A 내지 108D)은, 예를 들어 약 100 미크론의 얇은 층으로 기재(106A 내지 106D) 상에 증착될 수 있다. 매우 얇은, 블리스터(blister)-저항성 중간 층이, (상술한 고정식 타겟에서 그러한 바와 같이) 또한 이러한 설계에 포함될 수 있다. 베이스 페탈 또는 기재는 구리 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 분포된 열 파워(heat power)가 고정식 경우에서보다 훨씬 더 낮기 때문에 심지어 스테인리스강, 티타늄 및 몰리브덴과 같은 재료가 가능하다.

도 1b는 일부 구현예에 따른, 디스크-형상의 회전가능한 구조체의 평면도의 다이어그램이다. 도시된 바와 같이, 회전가능한 구조체(102)는 중앙 허브 부분 "H" 및 그에 부착되며 그로부터 나오는 복수의 세그먼트(104)를 갖는다. 세그먼트(104) 각각은, 예를 들어 회전가능한 구조체(102)의 회전축에 대해 실질적으로 법선일 수 있는 주(major)표면을 갖는 상응하는 중성자원 층을 포함한다. 회전축은, 허브 "H"의 중심을 통해 통과하며 그에 실질적으로 법선인 축으로서 정의될 수 있다. 도 1c는 도 1b의 라인 A-A'에 상응하는, 도 1b의 회전가능한 구조체의 단면도를 나타내는 다이어그램이다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 중성자원 층(108)은 매립된 냉각제 채널(110)을 갖는 기재(106) 상에 배치된다.

도 1d는 일부 구현예에 따른, 붕소 중성자 포획 요법 (BNCT)의 부분으로서 사용되는 동안 도 1b의 회전가능한 구조체의 다이어그램이다. 도시된 바와 같이, 회전가능한 구조체(102)는 이의 회전축을 중심으로 회전하며, 양성자 빔 발생기(113)는, 예를 들어 세그먼트(104)의 중성자원 층에서 회전가능한 구조체(102)의 표면과 양성자 빔(113A)이 접촉하도록 양성자 빔(113)을 회전가능한 구조체(102) 쪽으로 방출한다. 양성자 빔(113A)은 고정식일 수 있거나 (예를 들어, 사전결정된 위치에서), 또는 회전가능한 구조체(102)의 사전결정된 영역 상에 래스터링(rastering)될 수 있으며, 여기서 사전결정된 영역은 고정될 수 있거나 또는 시간 경과에 따라 변화할 수 있다. 양성자 빔(113A)은 회전가능한 구조체(102)의 접촉 표면과 소정 각, 예를 들어 약 90도의 각을 형성할 수 있다. 회전가능한 구조체(102)는 회전하기 때문에, 회전가능한 구조체(102)의 세그먼트(104)는 양성자 빔(113A)에 의해 순차적으로 접촉될 수 있다. 세그먼트(들)(104)의 중성자원 층과의 양성자 빔(113A)의 상호작용의 결과로서, 중성자 빔(113B)이 발생되며, 이는 환자 P의 치료 영역 쪽으로 향한다 (예를 들어, 시준기 또는 다른 빔-형상화 구조체를 통해).

선행기술의 중성자 발생 타겟의 하나의 주요한 작동불능 모드는 타겟 내의 수소 함침(impregnation)이다. 타겟에 침적된 수소는 타겟 재료를 손상시키고, 타겟의 블리스터링(blistering)을 유발하고, 타겟의 수명을 제한하고, 작동불능에 앞서 타겟의 유지관리를 필요하게 만들 수 있다. 블리스터링은 타겟 재료의 강도를 초과하는 내부 수소 압력으로 인한 타겟에서의 재료 손상 (예를 들어, 층간박리, 박리, 기포 등)이다. 양성자 빔이 타겟에 부딪칠 때, 양성자가 정지하는 깊이는 양성자 및 중성자원 재료의 에너지에 따라 달라진다. 예를 들어, 구리 기재에 결합된 두꺼운 리튬 중성자원 층 (약 400 μm)을 갖는 타겟에서, 2.6 MeV 양성자 빔은 리튬 층에서 정지할 수 있다. 대신에, 보다 얇은 리튬 중성자원 층 (약 100 μm 내지 약 200 μm)이 사용되는 경우, 양성자 빔은 구리 층에서 정지할 수 있다. 수소 농도가, 내부 압력이 물질의 강도를 초과하는 지점에 도달했을 때, 블리스터링이 일어날 수 있다. 블리스터링은 리튬 층에서 또는 구리 층에서 일어날 수 있다.

본 개시는 타겟 블리스터링 작동불능을 상당히 감소시키는 타겟 설계를 제공한다. 선행기술에서 사용된 타겟에서, 타겟 기재의 표면은 실질적으로 편평하고, 중성자원 재료는 타겟 기재의 상부 표면 상에 결합된다. 유사한 에너지를 갖는 양성자는 동일한 깊이에서, 타겟에서 정지할 것이다. 결과적으로, 수소 농도는 이 깊이에서 높아질 수 있고, 타겟 손상으로 이어질 수 있다.

본 개시는 타겟 기재의 표면이 개질된 상이한 타겟 설계를 나타낸다. 일부 구현예에서, 타겟 기재는 구리, 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강 또는 다른 금속일 수 있다. 표면 개질의 목적은 타겟 기재의 거칠기를 증가시키는 것이다.

일부 구현예에서, 타겟 기재는 재료 제거 공정을 사용하여 개질될 수 있다. 예를 들어, 기재는 연마 블라스팅을 사용하여 개질될 수 있다. 거칠기 요구사항 및 기재 재료에 따라 상이한 블라스팅 매체(blasting media)가 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 블라스팅 매체는 모래, 이산화규소, 금속 샷(metal shot) 등일 수 있다. 기재는 또한 에칭 또는 폴리싱에 의해 개질될 수 있다.

일부 구현예에서, 타겟 기재는 또한 재료 첨가 공정을 사용하여 개질될 수 있다. 예를 들어, 재료의 얇은 층이 진공 증착, 도금, 프린팅 또는 다른 기술에 의해 타겟 기재 표면에 첨가될 수 있다. 일부 구현예에서, 첨가되는 재료는 구리, 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강 또는 다른 금속일 수 있다.

기재 표면 상에 생성된 거칠기 또는 피처는 주기적이거나 또는 비주기적일 수 있다. 일부 구현예에서, 피처의 평균 피치는 약 1 μm 내지 약 10 μm일 수 있다. 피처의 깊이/높이는 약 5 μm 내지 약 20 μm일 수 있다. 도 2a 내지 2b는 본 개시의 일부 구현예에 따른 타겟의 단면도를 나타낸다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 타겟 기재(202)는 고정된 피치를 갖는 주기적인 표면 피처를 갖도록 개질될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 타겟 기재(205)는 비주기적인 표면 피처를 갖도록 개질될 수 있다. 표면 피처의 평균 피치는 1 μm 내지 10 μm일 수 있다. 표면 피처의 높이는 5 μm 내지 20 μm일 수 있다.

표면이 개질된 후, 타겟 기재는 임의의 잔해를 제거하도록 철저히 세정될 수 있다. 이어서, 중성자원 층이 타겟 기재 상에 배치될 수 있다. 중성자원 층은 상이한 중성자 생성 반응에 따라 리튬, 베릴륨, 흑연 (탄소) 또는 다른 재료일 수 있다. 중성자원 층은, 중성자원 층이 타겟 기재 표면과의 근접 접촉을 갖는 것을 확실히 하기 위해 압축, 증발 또는 다른 방법에 의해 타겟 기재 표면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 리튬은 기재 상에 압축될 수 있다. 일부 구현예에서, 리튬 층의 두께는 약 2 MeV 내지 약 3 MeV의 양성자 에너지를 갖는 중성자 생성 반응의 경우 약 100 μm 내지 약 200 μm일 수 있다.

다음으로, 타겟 기재 및 중성자원 층의 조립체가 상승된 온도로 가열될 수 있다. 가열은 핫 플레이트(hot-plate), 열 챔버(thermal chamber), 또는 가열 파워를 제공할 수 있는 다른 장비를 사용하여 수행될 수 있다. 중성자원 층의 순도를 유지하고, 임의의 원치 않는 반응을 방지하기 위해, 가열은 불활성 환경에서, 예컨대 아르곤 충전된 글로브 박스(glove-box)에서 수행될 수 있다. 가열 온도 및 지속 시간은 기재 재료 및 중성자원 재료에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 구리 기재 상에 리튬을 갖는 타겟의 경우, 200℃에서 4시간 동안 가열하는 것이 리튬 및 구리 사이의 양호한 열적 및 기계적 결합을 형성할 수 있다. 리튬은 구리와 함께 아말감을 형성할 수 있으며, 이는 낮은 열 저항을 낳는다. 일부 구현예에서, 가열 절차는 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 리튬 중성자원 층이 증발에 의해 타겟 기재 상에 증착되는 경우, 증착 동안 형성된 리튬 및 타겟 기재 사이의 양호한 결합이 존재할 수 있기 때문에 가열은 생략될 수 있다.

도 2a를 참조하면, 중성자원 층(203)이 타겟 기재(202)의 표면 상에 배치될 수 있다. 전체 타겟 조립체(201)는 중성자원 층(203) 및 타겟 기재(202) 사이의 양호한 결합을 형성하도록 상승된 온도로 가열될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 또한 중성자원 층(206)이 타겟 기재(205)의 표면 상에 배치될 수 있고, 전체 타겟 조립체(204)는 중성자원 층(206) 및 타겟 기재(205) 사이의 양호한 결합을 형성하도록 상승된 온도로 가열될 수 있다.

선행기술의 기존 설계를 능가하는, 본원에 기술된 기재 표면 개질을 갖는 타겟 설계의 이점은 양성자가 상기 기재의 거칠기로 인하여 균일하게 타겟에서 정지하지 않을 것이라는 것이다. 결과적으로, 수소는 동일한 깊이에서 농축되지 않을 것이다. 이 설계는 타겟에서 블리스터링 및 재료 박리를 감소시킬 수 있다.

도 3은 본 개시의 일부 구현예에 따른 중성자 발생 타겟 제조 방법(300)을 기술하는 순서도를 나타낸다. 방법(300)은, 타겟 기재의 표면이 재료 제거 공정 또는 재료 첨가 공정에 의해 개질될 수 있는 단계(301)로 시작한다. 일부 구현예에서, 재료 제거 공정은 연마 블라스팅, 에칭 또는 폴리싱을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 재료 첨가 공정은 진공 증착, 도금 또는 프린팅을 포함할 수 있다. 단계(302)에서, 중성자원 층은 압축, 증발 또는 다른 기술에 의해 타겟 기재의 표면 상에 배치될 수 있다. 이어서, 단계(303)에서, 중성자원 층 및 타겟 기재의 전체 조립체는 양호한 열적 및 기계적 결합을 형성하도록 지속 시간 동안 상승된 온도로 가열될 수 있다.

도 4는 본 개시의 일부 구현예에 따른 중성자 발생 타겟 제조 방법(400)을 기술하는 순서도를 나타낸다. 방법(400)은, 중성자원 층이 타겟 기재 상에 배치될 수 있는 단계(401)로 시작한다. 일부 구현예에서, 중성자원 층은 타겟 기재 상에 압축될 수 있다. 일부 구현예에서, 중성자원 층은 증발에 의해 타겟 기재 상에 증착될 수 있다. 단계(402)에서, 중성자원 층은 타겟 기재에 결합될 수 있다. 예를 들어, 중성자원 층이 타겟 기재 상에 압축되는 경우, 중성자원 층 및 타겟 기재는 결합을 형성하도록 지속 시간 동안 상승된 온도로 가열될 수 있다. 중성자원 층이 증발에 의해 증착되는 경우, 가열 절차는 생략될 수 있다. 단계(403)에서, 중성자원 층의 상부 표면은 하나 이상의 표면 피처를 형성하도록 개질될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질은 연마 블라스팅, 에칭 또는 폴리싱을 포함할 수 있는 재료 제거 공정일 수 있다. 일부 구현예에서, 개질은 진공 증착, 도금 또는 프린팅을 포함할 수 있는 재료 첨가 공정일 수 있다. 방법(400)은 중성자원 층 표면 상에 거칠기를 생성할 수 있으며, 이는 양성자의 정지 깊이에서의 변화로 이어질 수 있어, 수소 농도가 감소될 수 있다. 결과적으로, 타겟 블리스터링이 방지될 수 있다.

에 대해 상술한 방법 및 시스템은 다른 중성자 생성 재료와의 다른 중성자 생성 반응으로 확장될 수 있다. 리튬 상에서 1.9 MeV 양성자 빔을 사용하는 "근사 임계치" 접근법 및 2.5 MeV 양성자 빔을 사용하는 "임계치 초과" 접근법에 더하여, BNCT에 대해 제안된 다른 반응은 하기를 포함한다: 4 MeV 양성자 빔을 사용하는 ⁹Be(p,n), 1.5 MeV 중수소 빔을 사용하는 ⁹Be(d,n) 및 1.5 MeV 중수소 빔을 사용하는 ¹³C(d,n). 이들 반응을 이용하기 위해, 베릴륨의 고형 시트가 리튬 대신에 페탈에 열적으로 결합될 수 있으며, 4 MeV 양성자 또는 1.5 MeV 중수소로 충격을 가할 수 있다(bombarded). 또한, 리튬은 흑연 또는 탄소의 얇은 시트로 대체되어, ¹³C(d,n) 반응을 사용하여 중성자를 생성할 수 있다.

본 발명의 BNCT 시스템 및 방법의 일 구현예의 일반적인 도식이 도 5에 도시되어 있다. 예를 들어, 축척으로 도시되지 않은 도 5를 참조하면, BNCT 시스템(500)은 중성자 발생 시스템(550) 및 환자 위치결정 및 치료 시스템(580)을 포함한다. 중성자 발생 시스템(550)은 양성자 빔 발생기(510) 및 중성자원 타겟(520) (이는 회전가능한 구조체 (미도시됨) 상에 제공됨)을 포함한다. 본 개시의 및 상술된 회전가능한 구조체 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 양성자 빔 발생기(510)는, 예를 들어 이들이 위치되는 설비의 크기 및 설계에 따라, 중성자원 타겟(520)에 대하여 다양한 상이한 위치에 제공될 수 있다. 발생된 양성자 빔을 타겟으로 향하게 하기 위해 다양한 공지되어 있는 휨(bending) 또는 집속(focusing) 자석이 사용될 수 있다.

양성자 빔 발생기(510)에 의해 생성된 양성자 빔(590)은 빔 운송 시스템(beam transport system; 515)을 통해 통과하며, 상기 빔 운송 시스템은, 예를 들어 다양한 유형의 집속 자석을 포함할 수 있고, 중성자원 타겟(520)과 반응하여, 중성자를 발생시키고, 중성자는 일반적으로 이들의 에너지에 따라 상기 중성자원 주변의 다중 방향으로 생성된다 - 보다 높은 에너지의 중성자는 타겟으로부터 전방으로 이동하고, 보다 낮은 에너지의 중성자는 상기 중성자원에 대해 수직으로 또는 이로부터 후방으로 산란된다. BNCT 치료를 위한 목적하는 에너지 및 방향을 갖는 중성자 빔(570)을 발생시키기 위해, 중성자 발생 시스템(550)은 반사장치(526), 빔 감속기(beam moderator; 591) 및 빔 시준기(592)를 추가로 포함한다. 당업계에 공지되어 있는 임의의 중성자 빔 반사장치, 감속기 또는 빔 시준기/구분자(delimiter)가 사용될 수 있으며, 각각은 목적하는 경우, 목적하는 에너지 범위를 갖는 중성자를 포획하기 위해 타겟 둘레에 위치될 수 있다. 예를 들어, 반사장치(526)는 도 5에 도시된 바와 같이 타겟의 측면 및 후면 둘레에 위치될 수 있고, 중성자에 대해 비교적 비흡수성인, 당업계에 공지되어 있는 임의의 재료, 예컨대 높은 원자 번호 재료 (납, 비스무트 또는 알루미나 포함), 또는 탄소질 재료 (흑연 포함)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 저에너지의 후방 산란된 중성자는 시스템 내로 다시 반사되어, 환자(599)뿐만 아니라 주변의 성분을 보호 또는 차폐한다. 전방으로 향하는, 비교적 더 높은 에너지의 중성자는 이들의 에너지를 목적하는 열외 범위로 감소시키기 위해 감속기(591) (이는 또한 중성자에 대해 비교적 비흡수성인 재료를 포함함)에 의해 포획될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 대략 500 keV의 초기 에너지를 갖는 중성자는, BNCT 치료에 바람직한 범위인 약 1 eV 내지 약 10 keV의 최종 에너지로 감소될 수 있다. 적합한 감속기 재료는 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 D₂O, MgF, LiF, AIF₃, Al, Teflon 및 이들의 혼합물을 포함한다. 최종적으로, 도시된 바와 같이, 빔 시준기(592)는 목적하는 중성자 빔을 환자(599) 내 표적(598) 상에 생성 및 집속시키도록 감속기(591) 후에 위치될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, BNCT 시스템(500)은, 중성자 빔을 환자에 전달하기 위한 장비를 포함하며 상기 전달을 제어하는 환자 위치결정 및 치료 시스템(580)을 추가로 포함한다. 예를 들어, 선택된 붕소-함유 치료제가 표적(598)을 생성하기 위해 규정된 용량으로 환자(599)에게 전달되는 붕소 전달 시스템 및 프로토콜이 사용된다. 제어 시스템은 표적을 예상된 중성자 빔 경로와 일치하도록 정확하게 위치시키기 위해 사용되며, 이러한 제어 시스템은 당업계의 통상의 기술자에게 공지되어 있을 것이다. 추가적인 장비 및 성분이 또한 필요한 경우 사용될 수 있으며, 또한 당업계에 널리 공지되어 있을 것이다.

본원에 사용된 용어 "약" 및 "대략"은 일반적으로 언급된 값의 ± 10%를 의미하며, 예를 들어 약 250의 값은 225 내지 275를 포함할 것이고, 약 1,000은 900 내지 1,100을 포함할 것이다.

본 개시의 바람직한 구현예의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 개시된 정밀한 형태로 철저하게 하거나(exhaustive) 또는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 수정 및 변형은 상기 교시를 고려하여 가능하거나, 또는 본 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 본원에 제시된 구현예는, 당업계의 통상의 기술자가 본 발명을 다양한 구현예에서 그리고 고려된 특정한 용도에 적합화된 다양한 변형으로 이용할 수 있도록 본 발명의 원리 및 이의 실제적인 적용을 설명하기 위해 선택 및 기술되었다. 본 발명의 범위는 이에 첨부된 청구범위 및 이의 균등물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 중성자 발생 타겟(neutron generating target)의 제조 방법으로서,
   하나 이상의 표면 피처(features)를 형성하여 타겟 기재의 표면의 거칠기를 증가시키도록 상기 타겟 기재의 표면을 개질하는 단계; 및
   중성자원(neutron source) 층을 상기 증가된 거칠기를 갖는 타겟 기재의 표면 상에 배치하는 단계를 포함하며,
   상기 하나 이상의 표면 피처의 높이는 상기 중성자원 층의 두께보다 작은, 중성자 발생 타겟의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 타겟 기재의 표면을 개질하는 단계가 재료 제거 공정 또는 재료 첨가 공정을 포함하는, 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 재료 제거 공정이 연마 블라스팅(abrasive blasting), 에칭 또는 폴리싱(polishing)을 포함하는, 제조 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 재료 첨가 공정이 진공 증착, 도금 또는 프린팅을 포함하는, 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 타겟 기재의 표면 상에 중성자원 층을 배치하는 단계가, 상기 타겟 기재의 표면 상에 상기 중성자원 층을 압축하는(pressing) 단계 또는 증발에 의해 상기 타겟 기재의 표면 상에 상기 중성자원 층을 증착하는 단계를 포함하는, 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 중성자원 층 및 상기 타겟 기재 사이의 결합을 형성하도록 지속 시간 동안 상승된 온도로 상기 중성자원 층 및 상기 타겟 기재를 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 상승된 온도가 100℃ 내지 500℃인 제조 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 지속 시간이 0.1시간 내지 10시간인 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 타겟 기재가 구리, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴 및 스테인리스강 중 적어도 하나를 포함하는, 제조 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 중성자원 층이 리튬, 베릴륨 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는, 제조 방법.
11. 제1항에 있어서, 하나 이상의 추가적인(additional) 표면 피처를 형성하도록 상기 중성자원 층의 상부 표면을 개질하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
12. 중성자 발생 타겟으로서, 상기 중성자 발생 타겟은,
    불균일한 표면을 갖는 타겟 기재로서, 상기 불균일한 표면을 갖지 않는 타겟 기재와 비교하여, 상기 불균일한 표면은 상기 타겟 기재의 표면의 거칠기를 증가시키는 하나 이상의 표면 피처를 포함하는, 타겟 기재; 및
    상기 증가된 거칠기를 갖는 타겟 기재의 표면 상에 배치되며 상기 타겟 기재에 결합된 중성자원 층을 포함하며,
    상기 하나 이상의 표면 피처의 높이는 상기 중성자원 층의 두께보다 작은, 중성자 발생 타겟.
13. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 표면 피처가 상기 타겟 기재 내로 함입된(recessed), 중성자 발생 타겟.
14. 제13항에 있어서, 상기 하나 이상의 표면 피처가 1 미크론 내지 50 미크론의 깊이를 갖는, 중성자 발생 타겟.
15. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 표면 피처가 상기 타겟 기재로부터 돌출되는, 중성자 발생 타겟.
16. 제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 표면 피처가 1 미크론 내지 50 미크론의 높이를 갖는, 중성자 발생 타겟.
17. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 표면 피처가 1 미크론 내지 50 미크론의 평균 피치(pitch)를 갖는 복수의 표면 피처를 포함하는, 중성자 발생 타겟.
18. 제12항에 있어서, 상기 타겟 기재가 구리, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴 및 스테인리스강 중 적어도 하나를 포함하는, 중성자 발생 타겟.
19. 제12항에 있어서, 상기 중성자원 층이 리튬, 베릴륨 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는, 중성자 발생 타겟.
20. 제12항에 있어서, 상기 중성자원 층이 10 미크론 내지 500 미크론의 두께를 갖는, 중성자 발생 타겟.

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