KR102500672B1 - Apparatus for generating charged particle and target structure for generating charged particle - Google Patents

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KR102500672B1 KR1020180090939A KR20180090939A KR102500672B1 KR 102500672 B1 KR102500672 B1 KR 102500672B1 KR 1020180090939 A KR1020180090939 A KR 1020180090939A KR 20180090939 A KR20180090939 A KR 20180090939A KR 102500672 B1 KR102500672 B1 KR 102500672B1
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한국전자통신연구원
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Abstract

하전 입자 발생 장치는 레이저를 방출하는 광원부, 상기 레이저를 수용하여 하전 입자를 방출하는 타겟층 및 타겟층 상에 배치되어 상기 레이저를 집속시키는 포커싱 구조체를 포함하되, 상기 포커싱 구조체는 상기 타겟층의 상면 상에서 상기 타겟층과 멀어지는 방향으로 연장된 솔리드 막들 및 상기 솔리드 막들의 사이에 배치되고 다공성 구조를 갖는 공극부를 포함하고, 상기 포커싱 구조체는 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함한다.The charged particle generating device includes a light source unit for emitting a laser, a target layer for receiving the laser and emitting charged particles, and a focusing structure disposed on the target layer to focus the laser, wherein the focusing structure is disposed on the target layer on an upper surface of the target layer. and solid films extending in a direction away from the solid films and a void disposed between the solid films and having a porous structure, and the focusing structure includes a material having a higher atomic number than carbon.

Description

하전 입자 발생 장치 및 타겟 구조체{APPARATUS FOR GENERATING CHARGED PARTICLE AND TARGET STRUCTURE FOR GENERATING CHARGED PARTICLE}Charged particle generator and target structure

본 발명은 하전 입자 발생 장치 및 타겟 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 하전 입자 발생 효율이 개선된 하전 입자 발생 장치 및 타겟 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a charged particle generating device and a target structure, and more particularly, to a charged particle generating device and a target structure having improved charged particle generating efficiency.

하전 입자를 이용한 치료 방법은 X-선 또는 감마선 치료 방법과 달리 정상 조직의 손상을 최소화하면서 암세포를 정확하게 공격할 수 있기 때문에 환자 친화적인 치료법으로 주목 받고 있다. 하지만 현재 운용중인 하전 입자를 이용한 치료기는 하전 입자 생성 장치의 크기가 거대할 뿐만 아니라 장비 건설 및 운용에 막대한 비용이 소모되기 때문에 고출력 펄스 레이저를 사용하여 하전 입자를 생성하는 방법이 제안됨으로써, 치료 장치의 크기 및 가격은 크게 줄어들 수 있을 것으로 기대되고 있다.Unlike X-ray or gamma-ray treatment methods, the treatment method using charged particles is attracting attention as a patient-friendly treatment method because it can accurately attack cancer cells while minimizing damage to normal tissues. However, in the treatment system using charged particles currently in operation, the size of the charged particle generation device is huge and the construction and operation of the equipment consumes enormous costs. Therefore, a method of generating charged particles using a high-power pulse laser is proposed, and the treatment device It is expected that the size and price of the can be greatly reduced.

경쟁력이 있는 종양치료용 레이저 이온 가속기를 개발하기 위해서는 생성된 하전 입자의 에너지가 커서 몸 속 깊은 곳까지 치료가 가능한 의료기기 개발 방향으로 이루어지고 있다. 하지만 현재 대부분의 방법은 레이저 광원의 세기만 증가시켜 고에너지 하전 입자를 생성하려는 방향으로 연구가 이루어지고 있다.In order to develop a competitive laser ion accelerator for tumor treatment, the energy of the generated charged particles is large, so it is being made in the direction of developing medical devices that can treat deep parts of the body. However, most of the current methods are being researched in the direction of generating high-energy charged particles by increasing only the intensity of the laser light source.

본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 하전 입자 발생 효율이 개선된 하전 입자 발생 장치 및 하전 입자 발생용 타겟 구조체를 제공하는 것에 있다.One problem to be solved by the present invention is to provide a charged particle generating device with improved charged particle generating efficiency and a target structure for generating charged particles.

본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 하전 입자의 에너지를 높이는 비용이 낮은 하전 입자 발생 장치 및 하전 입자 발생용 타겟 구조체를 제공하는 것에 있다.One problem to be solved by the present invention is to provide a charged particle generating device and a target structure for generating charged particles with low costs for increasing the energy of charged particles.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above disclosure.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치는 레이저를 방출하는 광원부; 상기 레이저를 수용하여 하전 입자를 방출하는 타겟층; 및 상기 타겟층 상에 배치되어 상기 레이저를 집속시키는 포커싱 구조체를 포함하되, 상기 포커싱 구조체는: 상기 타겟층의 상면 상에서 상기 타겟층과 멀어지는 방향으로 연장된 솔리드 막들; 및 상기 솔리드 막들의 사이에 배치되고 다공성 구조를 갖는 공극부를 포함하고, 상기 포커싱 구조체는 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함할 수 있다.A charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention for solving the above problems includes a light source unit for emitting a laser; a target layer receiving the laser and emitting charged particles; and a focusing structure disposed on the target layer to focus the laser, wherein the focusing structure includes: solid films extending in a direction away from the target layer on an upper surface of the target layer; and a void portion disposed between the solid films and having a porous structure, and the focusing structure may include a material having an atomic number higher than that of carbon.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 포커싱 구조체는 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)을 포함할 수 있다.In example embodiments, the focusing structure may include aluminum (Al) or zinc (Zn).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 포커싱 구조체는 상기 솔리드 막들 및 상기 공극부를 둘러싸는 금속막을 더 포함하고, 상기 금속막은 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함할 수 있다.In example embodiments, the focusing structure may further include a metal layer surrounding the solid layers and the void, and the metal layer may include a material having an atomic number higher than carbon.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 솔리드 막들은 상기 타겟층의 상면과 평행한 제1 방향을 따라 배열되고, 상기 솔리드 막들의 각각은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장될 수 있다.In example embodiments, the solid films may be arranged along a first direction parallel to the upper surface of the target layer, and each of the solid films may extend in a second direction crossing the first direction.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공극부는 다수의 공극들 및 상기 공극들을 둘러싸는 경계막을 포함하고, 상기 경계막은 메시 형태를 가질 수 있다.In example embodiments, the void unit may include a plurality of voids and a boundary film surrounding the voids, and the boundary film may have a mesh shape.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공극부는 다수의 공극들 및 상기 공극들을 둘러싸는 경계막을 포함하고, 상기 경계막은 상기 솔리드 막들의 각각의 일측벽 및 타측벽으로부터 각각 돌출된 제1 서브 경계막들 및 제2 서브 경계막들을 포함하되, 상기 제1 서브 경계막들은 상기 타겟층의 상기 상면에 수직한 제3 방향으로 배열되고, 상기 제2 서브 경계막들은 상기 제3 방향으로 배열되고, 상기 제2 서브 경계막들의 각각은 상기 제1 서브 경계막들 사이에 배치될 수 있다.In example embodiments, the void unit includes a plurality of voids and a boundary film surrounding the voids, and the boundary film includes first sub boundary films protruding from one side wall and the other side wall of each of the solid films. and second sub-boundary films, wherein the first sub-boundary films are arranged in a third direction perpendicular to the top surface of the target layer, the second sub-boundary films are arranged in the third direction, and the second sub-boundary films are arranged in the third direction. Each of the sub boundary films may be disposed between the first sub boundary films.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타겟 구조체는 레이저를 수용하는 제1 면 및 하전 입자를 방출하는 제2 면을 갖는 타겟층; 상기 타겟층의 제1 면으로부터 상기 타겟층과 멀어지는 방향으로 연장된 솔리드 막들; 및 상기 솔리드 막들의 사이에 배치되고 다공성 구조를 갖는 공극부를 포함하되, 상기 솔리드 막들은 상기 타겟층의 제1 면과 평행한 제1 방향을 따라 배열되고, 상기 솔리드 막들의 각각은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되고, 상기 솔리드 막들 및 상기 공극부는 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함할 수 있다.A target structure according to exemplary embodiments of the present invention for solving the above problems includes a target layer having a first surface for receiving a laser and a second surface for emitting charged particles; solid films extending from the first surface of the target layer in a direction away from the target layer; and a void portion disposed between the solid films and having a porous structure, wherein the solid films are arranged along a first direction parallel to a first surface of the target layer, and each of the solid films is disposed in the first direction and It extends in a second direction crossing each other, and the solid layers and the void may include a material having a higher atomic number than carbon.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 솔리드 막들 및 상기 공극부는 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)을 포함할 수 있다.In example embodiments, the solid films and the voids may include aluminum (Al) or zinc (Zn).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 솔리드 막들 및 상기 공극부를 둘러싸는 금속막을 더 포함하고, 상기 금속막은 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함할 수 있다.In example embodiments, the solid film may further include a metal film surrounding the void, and the metal film may include a material having a higher atomic number than carbon.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공극부는 상기 솔리드 막들 중 서로 인접한 두 솔리드 막들을 연결하는 메시 형상의 경계막 및 상기 경계막에 의해 정의되는 다수의 공극들을 포함할 수 있다.In example embodiments, the gap part may include a mesh-shaped boundary layer connecting two adjacent solid layers among the solid layers and a plurality of pores defined by the boundary layer.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 솔리드 막들은 서로 인접한 제1 솔리드 막 및 제2 솔리드 막을 포함하고, 상기 공극부는 상기 제1 솔리드 막으로부터 상기 제2 솔리드 막을 향하여 돌출된 제1 서브 경계막들 및 상기 제2 솔리드 막으로부터 상기 제1 솔리드 막을 향하여 돌출된 제2 서브 경계막들을 포함하되, 상기 제1 서브 경계막들 및 상기 제2 서브 경계막들은 상기 타겟층과 멀어지는 방향을 따라 교번적으로 배열될 수 있다.In example embodiments, the solid films include a first solid film and a second solid film adjacent to each other, and the void portion includes first sub-boundary films protruding from the first solid film toward the second solid film, and and second sub-boundary films protruding from the second solid film toward the first solid film, wherein the first sub-boundary films and the second sub-boundary films are alternately arranged along a direction away from the target layer. can

본 발명의 개념에 따르면, 하전 입자 발생 효율이 최대화될 수 있다. According to the concept of the present invention, the efficiency of generating charged particles can be maximized.

본 발명의 개념에 따르면, 하전 입자의 에너지를 높이는 비용이 최소화될 수 있다.According to the concept of the present invention, the cost of increasing the energy of charged particles can be minimized.

다만, 본 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.However, the effect of the present invention is not limited to the above disclosure.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 평면도이다.
도 3 및 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 단면도들로, 도 2의 I~I’ 부분에 대응된다.
도 4 및 도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 확대 단면도들로 각각, 도 3의 A부분 및 도 5의 B 부분에 대응된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 레이저의 집속 과정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 9은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다.
도 11은 도 10의 AA1 부분의 확대도이다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다.
도 13은 도 12의 AA2 부분의 확대도이다.1 is a perspective view of a target portion of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention.
2 is a plan view of a target portion of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention.
3 and 5 are cross-sectional views of the target portion of the charged particle generator according to exemplary embodiments of the present invention, corresponding to portions II to I' in FIG. 2 .
4 and 6 are enlarged cross-sectional views of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention, respectively, corresponding to parts A in FIG. 3 and parts B in FIG. 5 .
7 and 8 are conceptual diagrams for explaining a laser focusing process according to exemplary embodiments of the present invention.
9 is a block diagram illustrating a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention.
10 is a conceptual diagram of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention.
FIG. 11 is an enlarged view of part AA1 of FIG. 10 .
12 is a conceptual diagram of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention.
FIG. 13 is an enlarged view of part AA2 of FIG. 12 .

본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. In order to sufficiently understand the configuration and effects of the technical idea of the present invention, preferred embodiments of the technical idea of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the technical idea of the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various forms and various changes may be applied. However, it is provided to complete the disclosure of the technical idea of the present invention through the description of the present embodiments, and to completely inform those skilled in the art of the scope of the invention to which the present invention belongs.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. Parts designated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements. Embodiments described in this specification will be described with reference to ideal exemplary views of the technical idea of the present invention. In the drawings, the thickness of regions is exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have schematic properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention. Although various terms are used to describe various elements in various embodiments of this specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprises' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the technical idea of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 사시도이다. 1 is a perspective view of a target portion of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 타겟층(100), 상기 타겟층(100) 상에 제공되는 포커싱 구조체(200)를 포함하는 하전 입자 발생 장치의 타겟부(10)가 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 타겟층(100)은 레이저를 수용하여 하전 입자(charged particle)를 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 하전 입자는 양이온 및/또는 양성자일 수 있다. 예를 들어, 타겟층(100)이 탄소(C)를 포함하는 박막일 경우, 타겟층(100)으로부터 탄소 양이온들이 방출될 수 있다. 다만, 타겟층(100)이 하전 입자를 방출하는 것은 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 타겟층(100)은 방사선(예를 들어, X선)을 방출할 수 있다. 타겟층(100)은 포커싱 구조체(200)가 배치되는 제1 면 및 제1 면과 대향하는 제2 면을 가질 수 있다. 타겟층(100)은 제1 면으로 레이저를 수용하여 제2 면으로 하전 입자를 방출할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a target unit 10 of a charged particle generating device including a target layer 100 and a focusing structure 200 provided on the target layer 100 may be provided. In example embodiments, the target layer 100 may receive a laser beam and emit charged particles. For example, the charged particles may be cations and/or protons. For example, when the target layer 100 is a thin film containing carbon (C), carbon cations may be released from the target layer 100 . However, it is exemplary that the target layer 100 emits charged particles. In other exemplary embodiments, target layer 100 may emit radiation (eg, X-rays). The target layer 100 may have a first surface on which the focusing structure 200 is disposed and a second surface opposite to the first surface. The target layer 100 may receive a laser beam with a first surface and emit charged particles with a second surface.

포커싱 구조체(200)는 다공성(porous) 막일 수 있다. 예를 들어, 포커싱 구조체(200)는 내부에 공극들(미도시) 및 공극들을 둘러싸는 경계막들(미도시)을 포함할 수 있다. 포커싱 구조체(200)의 예시적인 구조들은 후술된다.The focusing structure 200 may be a porous film. For example, the focusing structure 200 may include pores (not shown) therein and boundary films (not shown) surrounding the pores. Exemplary structures of the focusing structure 200 are described below.

포커싱 구조체(200)는 레이저(미도시)의 조사에 의해 플라즈마 층(미도시)으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태를 갖는 포커싱 구조체(200)에 레이저가 조사되어, 포커싱 구조체(200)를 기화시킬 수 있다. 기체 상태를 갖는 포커싱 구조체는 상기 레이저로부터 에너지를 전달받고 전리(Ionization)되어 플라즈마 층으로 변환될 수 있다. 될 경우, 포커싱 구조체(200)는 플라즈마 상태로 변할 수 있다. 상기 플라즈마 층은 내부에 자유 전자들과 이온들을 포함할 수 있다. The focusing structure 200 may be converted into a plasma layer (not shown) by irradiation of a laser (not shown). For example, a laser may be irradiated to the focusing structure 200 having a solid state, and the focusing structure 200 may be vaporized. The focusing structure having a gaseous state may receive energy from the laser and be ionized to be converted into a plasma layer. In this case, the focusing structure 200 may change to a plasma state. The plasma layer may contain free electrons and ions therein.

포커싱 구조체(200) 내 경계막들의 비율에 따라, 상기 플라즈마 층의 자유 전자들은 준임계 전자밀도(near-critical electron density)를 갖도록 분포될 수 있다. 준임계 전자 밀도는 임계 전자 밀도(critical electron density)에 근접하는 값을 갖는 전자 밀도일 수 있다. 임계 전자 밀도는 플라즈마 내의 자유 전자들에 의해 발생된 전자기파의 주파수가 상기 플라즈마의 주파수와 같을 경우의 자유 전자들의 밀도이다. 예를 들어, 준임계 전자밀도는 임계 전자 밀도보다 작되 임계 전자 밀도의 0.7배보다 큰 값을 갖거나, 임계 전자 밀도보다 크되 임계 전자 밀도의 3배보다 작은 값을 가질 수 있다. 상기 플라즈마 층의 자유 전자들이 준임계 전자밀도를 가질 경우, 레이저는 상기 플라즈마 층을 통과하면서 집속될 수 있다. Depending on the ratio of boundary layers in the focusing structure 200, free electrons in the plasma layer may be distributed to have a near-critical electron density. The subcritical electron density may be an electron density having a value close to the critical electron density. The critical electron density is the density of free electrons when the frequency of the electromagnetic wave generated by the free electrons in the plasma is equal to the frequency of the plasma. For example, the quasi-critical electron density may have a value smaller than the critical electron density but larger than 0.7 times the critical electron density, or larger than the critical electron density but smaller than 3 times the critical electron density. When free electrons in the plasma layer have a subcritical electron density, the laser may be focused while passing through the plasma layer.

포커싱 구조체(200) 내에서 상기 경계막들의 비율이 너무 높거나, 포커싱 구조체(200)가 경계막들로 가득 차 있는 경우, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들의 밀도는 준임계 전자 밀도보다 클 수 있다. 레이저가 준임계 전자 밀도보다 큰 전자 밀도를 갖는 플라즈마 층에 조사될 경우, 상기 레이저는 플라즈마 층을 관통하지 못하고, 반사될 수 있다. 따라서, 레이저는 집속되지 못할 수 있다.When the ratio of the boundary layers in the focusing structure 200 is too high or the focusing structure 200 is filled with boundary layers, the density of free electrons in the plasma layer may be greater than the subcritical electron density. When a laser beam is irradiated onto a plasma layer having an electron density greater than the subcritical electron density, the laser beam may not pass through the plasma layer and may be reflected. Thus, the laser may not be focused.

상기 경계막의 비율이 너무 낮은 경우, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들의 밀도는 준임계 전자밀도보다 작을 수 있다. 레이저가 준임계 전자 밀도보다 작은 전자 밀도를 갖는 플라즈마 층에 조사될 경우, 상기 레이저는 플라즈마 층을 그대로 관통할 수 있다. 즉, 상기 레이저는 상기 플라즈마 층을 통과하면서 집속되지 못할 수 있다. 따라서, 레이저는 집속되지 못할 수 있다.When the ratio of the boundary layer is too low, the density of free electrons in the plasma layer may be smaller than the subcritical electron density. When a laser is irradiated to a plasma layer having an electron density smaller than the subcritical electron density, the laser may pass through the plasma layer as it is. That is, the laser may not be focused while passing through the plasma layer. Thus, the laser may not be focused.

상기 경계막은 포커싱 구조체(200) 내에서 균일하게 분포될 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들이 균일하게 분포될 수 있다. 상기 자유 전자들이 균일하게 분포될수록, 상기 플라즈마 층을 통과하는 레이저의 집속도는 커질 수 있다. 따라서, 본 발명의 개념에 따른 포커싱 구조체(200)는 레이저를 최대로 집속시킬 수 있다. The boundary layer may be uniformly distributed within the focusing structure 200 . Accordingly, free electrons in the plasma layer may be uniformly distributed. As the free electrons are uniformly distributed, the focusing speed of the laser passing through the plasma layer may increase. Therefore, the focusing structure 200 according to the concept of the present invention can focus the laser to the maximum.

타겟층(100)으로부터 방출되는 하전 입자의 에너지의 크기는 레이저의 강도(Intensity)에 비례할 수 있다. 일반적으로, 레이저의 강도를 높이기 위해, 레이저의 출력을 높이는 방법이 이용될 수 있다. 하지만, 레이저의 출력을 높이는 것은 고비용이 요구된다. The magnitude of the energy of the charged particles emitted from the target layer 100 may be proportional to the intensity of the laser. In general, in order to increase the intensity of the laser, a method of increasing the output of the laser may be used. However, increasing the output of the laser requires high cost.

본 발명의 개념에 따른 포커싱 구조체(200)는 레이저를 집속하여 타겟층(100)에 제공할 수 있다. 레이저의 강도는 레이저의 조사 면적에 반비례하므로, 레이저가 집속될 경우, 레이저의 강도는 커질 수 있다. 따라서, 상기 집속된 레이저를 수용한 타겟층(100)은 높은 에너지를 갖는 하전 입자들(예를 들어, 양성자 또는 양이온)을 방출할 수 있다. The focusing structure 200 according to the concept of the present invention may focus the laser beam and provide it to the target layer 100 . Since the intensity of the laser is inversely proportional to the irradiation area of the laser, when the laser is focused, the intensity of the laser may increase. Accordingly, the target layer 100 receiving the focused laser may emit charged particles (eg, protons or positive ions) having high energy.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 평면도이다. 도 3 및 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 단면도들로, 도 2의 I~I' 부분에 대응된다. 도 4 및 도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 확대 단면도들로, 각각, 도 3의 A부분 및 도 5의 B 부분에 대응된다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. 2 is a plan view of a target portion of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention. 3 and 5 are cross-sectional views of the target portion of the charged particle generator according to exemplary embodiments of the present invention, corresponding to portions II to I' in FIG. 2 . 4 and 6 are enlarged cross-sectional views of the charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention, respectively, corresponding to parts A in FIG. 3 and parts B in FIG. 5 . For conciseness of description, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.

도 2및 도 3을 참조하면, 타겟층(100) 및 상기 타겟층(100) 상의 제1 포커싱 구조체(200A(200))를 포함하는, 하전 입자 발생 장치의 타겟부(12)가 제공될 수 있다. 타겟층(100)은 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 도 1을 참조하여 설명된 포커싱 구조체(200)에 대응될 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 3 , a target portion 12 of a charged particle generating device including a target layer 100 and a first focusing structure 200A (200) on the target layer 100 may be provided. The target layer 100 may be substantially the same as that described with reference to FIG. 1 . The first focusing structure 200A (200) may correspond to the focusing structure 200 described with reference to FIG. 1 .

제1 포커싱 구조체(200A(200))는 타겟층(100)의 상면에 평행한 제1 방향(D1)을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치된 솔리드 막들(210)과 제1 공극부들(220A)을 포함할 수 있다. 솔리드 막들(210)은 제1 방향(D1)으로 배열될 수 있다. 솔리드 막들(210)은 타겟층(100) 상에서 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 솔리드 막들(210)은 내부에 공극을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 솔리드 막들(210)은 내부가 이를 구성하는 물질들로 가득 채워질 수 있다. 솔리드 막들(210)은, 타겟층(100)의 상면에 평행하고 상기 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 솔리드 막들(210)의 각각의 폭은 일정할 수 있다. 상기 폭은 솔리드 막들(210)의 각각의 양 측벽들 사이의 상기 제1 방향(D1)을 따른 거리일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 솔리드 막들(210)의 각각은 상기 타겟층(100)으로부터 멀어질수록 테이퍼지는 측벽들을 가질 수 있다. 즉, 솔리드 막들(210)의 각각의 폭은 타겟층(100)으로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.The first focusing structure 200A (200) includes alternately and repeatedly disposed solid films 210 and first voids 220A along a first direction D1 parallel to the upper surface of the target layer 100. can do. The solid layers 210 may be arranged in the first direction D1. The solid films 210 may extend in the third direction D3 on the target layer 100 . The solid films 210 may not include voids therein. That is, the inside of the solid films 210 may be filled with materials constituting them. The solid films 210 may extend in a second direction D2 that is parallel to the upper surface of the target layer 100 and intersects the first direction D1. Each of the solid layers 210 may have a constant width. The width may be a distance between both sidewalls of each of the solid layers 210 along the first direction D1. However, this is exemplary. In other exemplary embodiments, each of the solid films 210 may have sidewalls that taper as they move away from the target layer 100 . That is, the width of each of the solid films 210 may decrease as the distance from the target layer 100 increases.

제1 공극부들(220A)은 제1 방향(D1)으로 배열될 수 있다. 제1 공극부들(220A)은 각각 솔리드 막들(210) 사이에 개재될 수 있다. 제1 공극부들(220A)의 각각은 다공성 막을 포함할 수 있다. 제1 공극부들(220A)의 각각은 경계막(222) 및 상기 경계막(222)에 의해 둘러싸인 공극들(224)을 포함할 수 있다. 경계막(222)은 도 1을 참조하여 설명된 경계막에 대응될 수 있다. 경계막(222)은 무작위적인 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 경계막(222)의 연장 방향은 특정되지 않을 수 있다. 경계막(222)은 메쉬(mesh) 형상을 가질 수 있다. 다만, 도 2및 도 3에 도시된 경계막(222)의 형상은 예시적인 것이다. 경계막(222)은 제1 공극부들(220A)의 각각의 내에서 균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 경계막(222)은 제1 공극부들(220A)의 각각의 하부나 상부에 밀집되지 않을 수 있다. 제1 공극부들(220A) 내의 경계막들(222)은 동일한 형상들을 갖는 것으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. The first air gaps 220A may be arranged in the first direction D1. Each of the first air gaps 220A may be interposed between the solid films 210 . Each of the first air gaps 220A may include a porous membrane. Each of the first air gaps 220A may include a boundary layer 222 and pores 224 surrounded by the boundary layer 222 . The boundary layer 222 may correspond to the boundary layer described with reference to FIG. 1 . The boundary layer 222 may extend in random directions. That is, the extension direction of the boundary layer 222 may not be specified. The boundary layer 222 may have a mesh shape. However, the shape of the boundary film 222 shown in FIGS. 2 and 3 is exemplary. The boundary layer 222 may be uniformly distributed in each of the first air gaps 220A. For example, the boundary layer 222 may not be densely packed under or above each of the first air gaps 220A. Although the boundary films 222 in the first air gaps 220A are illustrated as having the same shapes, this is exemplary.

제1 포커싱 구조체(200A(200))는 탄소 보다 높은 원자번호(atomic number)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 제1 포커싱 구조체(200A(200))는, 예컨대, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 실리콘(SiO2) 또는 아연(Zn)을 포함할 수 있다. 제1 포커싱 구조체(200A(200))가 탄소보다 높은 원자번호(atomic number)를 갖는 물질을 포함함에 따라, 타겟부(10)로부터 발생되는 하전 입자의 에너지가 증가될 수 있다.The first focusing structure 200A (200) may include a material having a higher atomic number than carbon. The first focusing structure 200A (200) may include, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), silicon (SiO2), or zinc (Zn). As the first focusing structure 200A (200) includes a material having a higher atomic number than carbon, energy of charged particles generated from the target portion 10 may increase.

예시적인 실시예들에서, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 펄스레이저 증착(pulse laser deposition)공정, 발포 소결 공정, 졸겔 공정 또는 자기조립 공정을 이용하여 형성될 수 있다.In example embodiments, the first focusing structure 200A (200) may be formed using a pulse laser deposition process, a foam sintering process, a sol-gel process, or a self-assembly process.

예시적인 실시예들에서, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 자연물로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 호랑나비의 날개로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 호랑나비의 날개의 표피는 상기 제1 포커싱 구조체(200A(200))와 유사한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 호랑나비의 날개에서 표피 부분을 추출하여 제1 포커싱 구조체(200A(200))로 이용할 수 있다. 제1 포커싱 구조체(200A(200))를 형성하는 것은 예비 포커싱 구조체를 자연물로부터 추출하는 것 및 예비 포커싱 구조체의 물질의 변경하는 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예비 포커싱 구조체의 물질의 변경하는 공정은 예컨대, 양극 산화(anodic oxidation) 공정일 수 있다. 예컨대, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 Al2O3, TiO2, SiO2, ZnO을 포함할 수 있다.In example embodiments, the first focusing structure 200A (200) may be extracted from a natural object. For example, the first focusing structure 200A ( 200 ) may be extracted from the wing of a swallowtail butterfly. For example, the epidermis of a swallowtail butterfly wing may have a shape similar to that of the first focusing structure 200A (200). Accordingly, the epidermis may be extracted from the wing of the swallowtail butterfly and used as the first focusing structure 200A (200). Forming the first focusing structure 200A (200) may include extracting the preliminary focusing structure from a natural object and changing the material of the preliminary focusing structure. The process of changing the material of the preliminary focusing structure may be, for example, an anodic oxidation process. For example, the first focusing structure 200A (200) may include Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , or ZnO.

상기 제1 포커싱 구조체(200A(200))에 레이저가 조사될 경우, 상기 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 플라즈마 층(미도시)으로 변환될 수 있다. 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들은 준임계 전자 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 레이저는 상기 플라즈마를 통과하며, 집속될 수 있다. When laser is irradiated to the first focusing structure 200A (200), the first focusing structure 200A (200) may be converted into a plasma layer (not shown). Free electrons in the plasma layer may have a subcritical electron density. Accordingly, the laser may pass through the plasma and be focused.

상기 제1 포커싱 구조체(200A(200)) 내에서 경계막(222)이 균일하게 분포되어, 상기 플라즈마 층 내에서 상기 자유 전자들을 균일하게 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저는 최대로 집속될 수 있다.The boundary layer 222 is uniformly distributed in the first focusing structure 200A (200), so that the free electrons can be uniformly distributed in the plasma layer. Accordingly, the laser can be focused to the maximum.

예시적인 실시예들에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 제1 공극부들(220A) 및 경계막(222)을 덮는 금속막(228)을 더 포함할 수 있다. 금속막(228)은 탄소 보다 높은 원자번호(atomic number)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 금속막(228)은, 예컨대, 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 금속막(228)은 하전 입자 발생시 제1 포커싱 구조체(200A(200)) 내의 원소들의 움직임을 감소시킴으로써 발생되는 하전 입자의 에너지를 증가시킬 수 있다.In example embodiments, as shown in FIG. 4 , the first focusing structure 200A (200) may further include a metal layer 228 covering the first gaps 220A and the boundary layer 222. can The metal layer 228 may include a material having a higher atomic number than carbon. The metal layer 228 may include, for example, gold (Au) or silver (Ag). The metal layer 228 may increase energy of the generated charged particles by reducing movement of elements in the first focusing structure 200A (200) when the charged particles are generated.

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 정면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 내지 도 4를를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. 4 is a front view of a target portion of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention. For conciseness of description, content substantially the same as that described with reference to FIGS. 1 to 4 may not be described.

도 4를 참조하면, 타겟층(100) 및 상기 타겟층(100) 상의 제2 포커싱 구조체(200B(200))를 포함하는 하전 입자 발생 장치의 타겟부(14)가 제공될 수 있다. 타겟층(100)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다. Referring to FIG. 4 , a target portion 14 of a charged particle generating device including a target layer 100 and a second focusing structure 200B (200) on the target layer 100 may be provided. The target layer 100 may be substantially the same as that described with reference to FIGS. 2 and 3 .

제2 포커싱 구조체(200B(200))는 제1 방향(D1)을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치된 솔리드 막들(210)과 제2 공극부들(220B)을 포함할 수 있다. 상기 솔리드 막들(210)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.The second focusing structure 200B (200) may include solid films 210 and second gaps 220B alternately and repeatedly disposed along the first direction D1. The solid layers 210 may be substantially the same as those described with reference to FIGS. 2 and 3 .

제2 공극부들(220B)의 각각은 다공성 막을 포함할 수 있다. 제2 공극부들(220B)의 각각은 솔리드 막들(210)의 각각의 일 측벽으로부터 제1 방향(D1)으로 돌출된 제1 서브 경계막들(226A)을 포함할 수 있다. 제1 방향(D1)을 따른 제1 서브 경계막들(226A)의 길이들이 서로 동일한 것으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제1 서브 경계막들(226A)의 길이는 타겟층(100)에 가까울수록 클 수 있다. 타겟층(100)에 상기 제1 서브 경계막들(226A)은 타겟층(100)의 상면에 교차하는 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 서브 경계막들(226A)은 제3 방향(D3)을 따라 동일한 간격으로 배열될 수 있다. 제1 서브 경계막들(226A)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. Each of the second air gaps 220B may include a porous membrane. Each of the second air gaps 220B may include first sub boundary layers 226A protruding from one sidewall of each of the solid layers 210 in the first direction D1 . Although the lengths of the first sub-boundary layers 226A along the first direction D1 are shown to be the same, this is exemplary. In other exemplary embodiments, the lengths of the first sub-boundary films 226A may increase as they are closer to the target layer 100 . The first sub boundary films 226A of the target layer 100 may be spaced apart from each other in a third direction D3 intersecting the upper surface of the target layer 100 . For example, the first sub-boundary films 226A may be arranged at equal intervals along the third direction D3. The first sub boundary layers 226A may extend in the second direction D2.

제2 공극부들(220B)의 각각은 솔리드 막들(210)의 각각의 반대편 측벽으로부터 제1 방향(D1)에 반대되는 방향으로 돌출되는 제2 서브 경계막들(226B)을 포함할 수 있다. 제1 방향(D1)을 따른 제2 서브 경계막들(226B)의 길이들이 서로 동일한 것으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제2 서브 경계막들(226B)의 길이는 타겟층(100)에 가까울수록 클 수 있다. 상기 제2 서브 경계막들(226B)은 타겟층(100)의 상면에 교차하는 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 서브 경계막들(226B)은 제3 방향(D3)을 따라 동일한 간격으로 배열될 수 있다. 제2 서브 경계막들(226B)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다.Each of the second voids 220B may include second sub-boundary films 226B protruding from opposite sidewalls of the solid films 210 in a direction opposite to the first direction D1 . Although the lengths of the second sub-boundary films 226B along the first direction D1 are shown to be the same, this is exemplary. In other exemplary embodiments, the lengths of the second sub-boundary films 226B may increase as they are closer to the target layer 100 . The second sub boundary films 226B may be spaced apart from each other in a third direction D3 crossing the top surface of the target layer 100 . For example, the second sub boundary layers 226B may be arranged at equal intervals along the third direction D3. The second sub boundary layers 226B may extend in the second direction D2 .

다시 말해서, 제2 공극부들(220B)은 서로 인접한 제1 솔리드 막 및 제2 솔리드막을 포함할 수 있다. 제1 서브 경계막들(226A)은 제1 솔리드막으로부터 제2 솔리드막을 향하여 돌출될 수 있다. 제2 서브 경계막들(226B)은 제2 솔리드막으로부터 제1 솔리드막을 향하여 돌출될 수 있다.In other words, the second air gaps 220B may include a first solid film and a second solid film adjacent to each other. The first sub boundary layers 226A may protrude from the first solid layer toward the second solid layer. The second sub boundary layers 226B may protrude from the second solid layer toward the first solid layer.

제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 제3 방향(D3)을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 다시 말해서, 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)들은 타겟층(100)과 멀어지는 방향을 따라 교번적으로 배열 될 수 있다. 예를 들어, 제2 서브 경계막들(226B)의 각각은 서로 바로 인접한 제1 서브 경계막들(226A) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 서로 수평적으로 중첩되지 않을 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 서로 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)의 개수는 예시적으로 도시된 것이다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 제2 공극부들(220B)의 각각의 내에서 균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 제2 공극부들(220B)의 각각의 하부나 상부에 밀집되지 않을 수 있다.The first and second sub-boundary films 226A and 226B may be arranged in a zigzag shape along the third direction D3. In other words, the first and second sub-boundary films 226A and 226B may be alternately arranged along a direction away from the target layer 100 . For example, each of the second sub-boundary films 226B may be disposed between first sub-boundary films 226A immediately adjacent to each other. The first and second sub-boundary layers 226A and 226B may not horizontally overlap each other. However, this is exemplary. The first and second sub-boundary layers 226A and 226B may not vertically overlap each other. However, this is exemplary. The number of first and second sub-boundary films 226A and 226B is illustrated as an example. The first and second sub-boundary films 226A and 226B may be uniformly distributed in each of the second voids 220B. For example, the first and second sub-boundary films 226A and 226B may not be densely concentrated on the lower part or the upper part of each of the second voids 220B.

공극들(224)은 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B) 사이에 배치될 수 있다. 공극들(224)의 형상은 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B) 및 솔리드 막들(210)에 의해 정의될 수 있다.The pores 224 may be disposed between the first and second sub boundary films 226A and 226B. The shape of the pores 224 may be defined by the first and second sub boundary layers 226A and 226B and the solid layers 210 .

제2 포커싱 구조체(200B(200))는 탄소 보다 높은 원자번호(atomic number)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 제2 포커싱 구조체(200B(200))는, 예컨대, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 실리콘(SiO2) 또는 아연(Zn)을 포함할 수 있다.The second focusing structure 200B (200) may include a material having a higher atomic number than carbon. The second focusing structure 200B (200) may include, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), silicon (SiO2), or zinc (Zn).

예시적인 실시예들에서, 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 자연물로부터 추출된 것일 수 있다. 예를 들어, 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 모르포 나비(morpho butterfly)의 날개로부터 추출된 것일 수 있다. 예를 들어, 모르포 나비의 날개의 표피는 상기 제2 포커싱 구조체(200B(200))와 유사한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 모르포 나비의 날개에서 표피 부분을 추출하여 제2 포커싱 구조체(200B(200))로 이용할 수 있다. 제2 포커싱 구조체(200B(200))를 형성하는 것은 예비 포커싱 구조체를 자연물로부터 추출하는 것 및 예비 포커싱 구조체의 물질을 변경하는 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예비 포커싱 구조체의 물질을 변경하는 공정은 예컨대, 양극 산화(anodic oxidation) 공정일 수 있다. 예컨대, 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 Al2O3, TiO2, SiO2, ZnO을 포함할 수 있다.In example embodiments, the second focusing structure 200B (200) may be extracted from a natural object. For example, the second focusing structure 200B (200) may be extracted from a wing of a morpho butterfly. For example, the epidermis of a Morpho butterfly wing may have a shape similar to that of the second focusing structure 200B (200). Accordingly, the epidermal portion may be extracted from the wing of the morpho butterfly and used as the second focusing structure 200B (200). Forming the second focusing structure 200B ( 200 ) may include extracting the preliminary focusing structure from a natural object and performing a process of changing a material of the preliminary focusing structure. The process of changing the material of the preliminary focusing structure may be, for example, an anodic oxidation process. For example, the second focusing structure 200B (200) may include Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , or ZnO.

상기 제2 포커싱 구조체(200B(200))에 레이저가 조사될 경우, 상기 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 플라즈마 층으로 변환될 수 있다. 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들은 준임계 전자 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 레이저는 상기 플라즈마를 통과하며, 집속될 수 있다. When a laser is irradiated to the second focusing structure 200B (200), the second focusing structure 200B (200) may be converted into a plasma layer. Free electrons in the plasma layer may have a subcritical electron density. Accordingly, the laser may pass through the plasma and be focused.

상기 제2 포커싱 구조체(200B(200)) 내에서 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)이 균일하게 분포되어, 상기 플라즈마 층 내의 상기 자유 전자들을 균일하게 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저는 최대로 집속될 수 있다.The first and second sub boundary layers 226A and 226B may be uniformly distributed in the second focusing structure 200B ( 200 ), so that the free electrons in the plasma layer may be uniformly distributed. Accordingly, the laser can be focused to the maximum.

예시적인 실시예들에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2포커싱 구조체(200B(200))는 제2 공극부들(220B) 및 경계막(222)을 덮는 금속막(228)을 더 포함할 수 있다. 금속막(228)은 탄소 보다 높은 원자번호(atomic number)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 금속막(228)은, 예컨대, 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 금속막(228)은 하전 입자 발생시 제2 포커싱 구조체(200B(200)) 내의 원소들의 움직임을 감소시킴으로써 발생되는 하전 입자의 에너지를 증가시킬 수 있다.In exemplary embodiments, as shown in FIG. 6 , the second focusing structure 200B (200) may further include a metal film 228 covering the second voids 220B and the boundary film 222. can The metal layer 228 may include a material having a higher atomic number than carbon. The metal layer 228 may include, for example, gold (Au) or silver (Ag). The metal layer 228 may increase energy of the generated charged particles by reducing movement of elements in the second focusing structure 200B ( 200 ) when the charged particles are generated.

도 7 및 도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 레이저의 집속 과정을 설명하기 위한 개념도들이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. 7 and 8 are conceptual diagrams for explaining a laser focusing process according to exemplary embodiments of the present invention. For conciseness of description, content substantially the same as that described with reference to FIGS. 1 to 6 may not be described.

도 7을 참조하면, 레이저(LB)가 타겟부(10)를 향하여 제4 방향(D4)으로 진행할 수 있다. 타겟부(10)는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 타겟부와 실질적으로 동일할 수 있다. 레이저(LB)는 타겟부(10)의 상면(즉, 제1 면)을 향하여 진행할 수 있다. Referring to FIG. 7 , the laser LB may proceed in a fourth direction D4 toward the target portion 10 . The target portion 10 may be substantially the same as the target portion described with reference to FIGS. 1 to 6 . The laser LB may proceed toward the upper surface (ie, the first surface) of the target unit 10 .

레이저(LB)는 공간적으로 가우시안 형태를 가질 수 있다. 다른 말로 하면, 레이저(LB)를 정면에서 바라보는 관점에서, 레이저(LB)의 에너지는 레이저(LB)의 중심에서 외곽으로 갈수록 작아지는 가우시안 그래프 형태를 가질 수 있다. The laser LB may spatially have a Gaussian shape. In other words, from the perspective of looking at the laser LB from the front, the energy of the laser LB may have a Gaussian graph shape that decreases from the center of the laser LB to the periphery.

도 8을 참조하면, 레이저(LB)는 상기 타겟부(도 7의 10) 내부로 진행하여, 상기 타겟부(도 7의 10)의 포커싱 구조체(도 7의 200)를 플라즈마 층(PL)으로 변환시킬 수 있다. 상기 플라즈마 층(PL)은 이온들(미도시) 및 자유 전자들(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 자유 전자들은 준임계 전자밀도를 갖도록 분포될 수 있다. 레이저(LB)는 상기 플라즈마 층(PL) 내부를 진행하면서 상기 자유 전자들과의 상호 작용에 의해 자기집속(self-focusing)될 수 있다. 자기집속은 레이저가 플라즈마 층(PL) 내부를 진행하며 스스로 집속되는 것이다. 이하에서, 자기집속에 대해 간략히 설명된다.Referring to FIG. 8 , the laser LB proceeds into the target portion ( 10 of FIG. 7 ) and converts the focusing structure ( 200 of FIG. 7 ) of the target portion ( 10 of FIG. 7 ) to the plasma layer PL. can be converted The plasma layer PL may include ions (not shown) and free electrons (not shown). The free electrons may be distributed to have a subcritical electron density. The laser LB may be self-focused by an interaction with the free electrons while proceeding inside the plasma layer PL. Self-focusing means that the laser is self-focused while traveling inside the plasma layer PL. In the following, self-focusing is briefly described.

레이저(LB)가 상기 플라즈마 층(PL) 내부를 진행할 경우, 자유 전자들은 레이저(LB)와의 상호작용에 의해 레이저(LB)의 외곽 부분으로 밀려날 수 있다. 이때, 자유 전자들이 받는 힘은 상기 상호작용에 의해 발생되는 폰더르모티브 힘(fondermotive force)일 수 있다. 이에 따라, 레이저(LB)의 외곽 부분의 자유 전자들의 밀도는 레이저(LB)의 중심 부분의 자유 전자들의 밀도보다 높을 수 있다. 플라즈마 층(PL) 내부를 진행하는 레이저(LB)의 위상 속도는 자유 전자의 밀도가 높은 영역에서 상대적으로 빠르고, 자유 전자의 밀도가 낮은 영역에서 상대적으로 느릴 수 있다. 따라서, 레이저(LB)의 외곽 부분의 위상 속도가 레이저(LB)의 중심 부분의 위상 속도보다 빠를 수 있다. 이에 따라, 레이저(LB)는 스스로 집속(자기 집속)될 수 있다. When the laser LB proceeds inside the plasma layer PL, free electrons may be pushed to the outer portion of the laser LB by interaction with the laser LB. In this case, the force received by the free electrons may be a fondermotive force generated by the interaction. Accordingly, the density of free electrons in the outer portion of the laser LB may be higher than the density of free electrons in the central portion of the laser LB. A phase speed of the laser LB traveling inside the plasma layer PL may be relatively fast in a region with a high density of free electrons and relatively slow in a region with a low density of free electrons. Therefore, the phase speed of the outer part of the laser LB may be faster than the phase speed of the central part of the laser LB. Accordingly, the laser LB may be self-focused (self-focused).

도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치를 설명하기 위한 블록도이다. 도 10은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다. 도 11은 도 10의 AA1 부분의 확대도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. 9 is a block diagram illustrating a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention. 10 is a conceptual diagram of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention. FIG. 11 is an enlarged view of part AA1 of FIG. 10 . For conciseness of description, content substantially the same as that described with reference to FIG. 1 may not be described.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 광원부(30), 제어부(20), 및 타겟부(10)를 포함하는 하전입자 발생 장치가 제공될 수 있다. 광원부(30)는 제어부(20)에 의해 제어되어, 타겟부(10)를 향해 레이저(LB)를 방출할 수 있다. 예를 들어, 광원부(30)는 펄스 레이저를 방출할 수 있다. 상기 레이저(LB)는 가우시안 빔의 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저(LB)의 직경은 상기 레이저(LB)의 초점에서 가장 작고, 상기 레이저(LB)의 초점으로부터 멀어질수록 커질 수 있다. Referring to FIGS. 9 to 11 , a charged particle generator including a light source unit 30 , a control unit 20 , and a target unit 10 may be provided. The light source unit 30 may be controlled by the control unit 20 to emit the laser LB toward the target unit 10 . For example, the light source unit 30 may emit pulsed laser light. The laser LB may have a Gaussian beam shape. Accordingly, the diameter of the laser LB is the smallest at the focal point of the laser LB, and may increase as the distance from the focal point of the laser LB increases.

타겟부(10)는 도 1을 참조하여 설명된 타겟부(10)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 7 및 도 8을 참조하여 설명된 것과 같이, 포커싱 구조체(200)는 상기 레이저(LB)를 집속하여, 타겟층(100)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 직경(W1)을 갖는 레이저(LB)는 상기 포커싱 구조체(200)에 의해 집속되어, 상기 타겟층(100)의 상면에서 상기 제1 직경(W1)보다 작은 제2 직경(W2)을 가질 수 있다. 타겟층(100)은 제2 직경(W2)을 갖는 레이저(LB)를 수용하여 하전 입자들(PC)을 방출할 수 있다. 상기 하전 입자들(PC)은 표적(TG)을 향하여 방출될 수 있다. 예를 들어, 상기 표적(TG)은 인체일 수 있다.The target portion 10 may be substantially the same as the target portion 10 described with reference to FIG. 1 . As described with reference to FIGS. 7 and 8 , the focusing structure 200 may focus the laser LB and provide the focused laser LB to the target layer 100 . For example, the laser LB having a first diameter W1 is focused by the focusing structure 200, and a second diameter W2 smaller than the first diameter W1 on the upper surface of the target layer 100. ) can have. The target layer 100 may receive the laser LB having the second diameter W2 and emit the charged particles PC. The charged particles PC may be emitted toward the target TG. For example, the target TG may be a human body.

예시적인 실시예들에서, 상기 제어부(20)는 광원부(30)와 타겟부(10)의 상대적인 위치를 제어하여, 포커싱 구조체(200)의 상면을 상기 레이저(LB)의 초점을 중심으로 레일리 범위(rayleigh range) 내에 배치시킬 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다.In example embodiments, the control unit 20 controls the relative positions of the light source unit 30 and the target unit 10 so that the upper surface of the focusing structure 200 is within a Rayleigh range around the focal point of the laser LB. (rayleigh range). However, this is exemplary.

본 발명의 개념에 따른 하전입자 발생 장치는 레이저의 출력을 높이는 방법을 이용하지 않고, 레이저(LB)의 집속을 이용하여, 고에너지를 갖는 하전 입자들(PC)을 생성할 수 있다. 레이저의 출력을 높이지 않고 고에너지를 갖는 하전 입자들(PC)을 생성할 수 있으므로, 하전 입자 발생 효율이 개선될 수 있다. 레이저의 출력을 높이기 위한 추가적인 장치들이 요구되지 않으므로, 하전 입자 생성을 위한 비용이 절감될 수 있다. The charged particle generating device according to the concept of the present invention may generate charged particles PC having high energy by using the focusing of the laser LB without using a method of increasing the output of the laser. Since the charged particles PC having high energy can be generated without increasing the output of the laser, the efficiency of generating the charged particles can be improved. Since additional devices for increasing the output of the laser are not required, the cost for generating charged particles can be reduced.

도 12는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다. 도 13은 도 12의 AA2 부분의 확대도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. 12 is a conceptual diagram of a charged particle generating device according to exemplary embodiments of the present invention. 13 is an enlarged view of part AA2 of FIG. 12 . For conciseness of description, contents substantially the same as those described with reference to FIGS. 9 to 11 may not be described.

도 12 및 도 13을 참조하면, 포커싱 구조체(200)와 타겟층(100) 사이에 매칭층(300)이 제공될 수 있다. 매칭층(300)은 플라즈마 층(PL)과 타겟층(100)의 굴절률 차이를 완화하여, 플라즈마 층(PL)과 타겟층(100) 사이에서 발생되는 레이저(LB)의 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 매칭층(300)의 굴절률은 플라즈마 층(PL)의 굴절률과 타겟층(100)의 굴절률 사이의 값을 가질 수 있다. Referring to FIGS. 12 and 13 , a matching layer 300 may be provided between the focusing structure 200 and the target layer 100 . The matching layer 300 may alleviate a difference in refractive index between the plasma layer PL and the target layer 100, thereby reducing energy loss of the laser LB generated between the plasma layer PL and the target layer 100. For example, the refractive index of the matching layer 300 may have a value between the refractive index of the plasma layer PL and the refractive index of the target layer 100 .

본 발명의 개념에 따르면, 레이저(LB)의 에너지 손실이 감소되므로, 하전 입자 발생 효율이 개선될 수 있다. According to the concept of the present invention, since the energy loss of the laser LB is reduced, the efficiency of generating charged particles can be improved.

다시 도7, 도8 및 도 10을 참조하면, 타겟부(10)는 레이저(LB)를 수신하여, 하전 입자들(PC)을 발생시킬 수 있다. 이때, 포커싱 구조체(200)를 구성하는 물질에 따라 발생되는 하전 입자들(PC)의 에너지가 달라질 수 있다. Referring again to FIGS. 7, 8, and 10 , the target unit 10 may receive the laser LB and generate charged particles PC. At this time, the energy of the generated charged particles PC may vary depending on the material constituting the focusing structure 200 .

하전 입자들(PC)은 TNSA(Target Normal Sheath Acceleration)에 의해 발생된 양이온일 수 있다. 구체적으로, 타겟층(100)의 제1 면으로 레이저(LB)가 조사됨에 따라, 타겟층(100)이 국소적으로 이온화될 수 있다. 이온화에 의해 발생된 전자들은 레이저와 전자기적 상호작용에 의해 가속되어 타겟층(100)의 제2 면 상에 전자구름을 형성할 수 있다. 전자들에 비해 무거운 양성자 및 양이온들은 즉각적으로 반응하지 못하고 본래의 자리에 위치하다가 전자구름들과의 전자기적 상호작용에 의해 가속될 수 있다. 즉, 하전 입자들(PC)은 전자구름들과 이온분리(charge separation)에 의해 생성된 전기적 힘에 의해 발생될 수 있다. 이때, 하전 입자들(PC) 이외의 다른 양이온들은 이때 양성자 가속에 방해요소가 될 수 있다. 포커싱 구조체(200)가 탄소 보다 높은 원자번호(atomic number)를 갖는 원소를 포함하는 경우, 타겟층(100)의 내에 하전 입자들(PC)을 제외한 다른 양이온들의 움직임이 최소화될 수 있다. 따라서, 이온분리에 의한 전기적 힘이 하전 입자들(PC)의 가속에 집중될 수 있으며, 하전 입자들(PC)의 에너지가 증가될 수 있다. The charged particles PC may be positive ions generated by Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Specifically, as the laser LB is irradiated onto the first surface of the target layer 100, the target layer 100 may be locally ionized. Electrons generated by ionization may be accelerated by an electromagnetic interaction with a laser to form an electron cloud on the second surface of the target layer 100 . Protons and cations that are heavier than electrons do not react immediately and can be accelerated by electromagnetic interaction with electron clouds after being located in their original positions. That is, the charged particles PC may be generated by electric force generated by electron clouds and charge separation. At this time, positive ions other than the charged particles PC may be an obstacle to proton acceleration. When the focusing structure 200 includes an element having a higher atomic number than carbon, movement of positive ions other than the charged particles PC in the target layer 100 may be minimized. Accordingly, electric force due to ion separation may be concentrated on acceleration of the charged particles PC, and energy of the charged particles PC may be increased.

본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.The above description of embodiments of the present invention provides examples for explaining the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications and changes, such as combining and implementing the above embodiments, are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. It's obvious.

Claims (11)

레이저를 방출하는 광원부;
상기 레이저를 수용하여 하전 입자를 방출하는 타겟층; 및
상기 타겟층 상에 배치되어 상기 레이저를 집속시키는 포커싱 구조체를 포함하되,
상기 포커싱 구조체는:
상기 타겟층의 상면 상에서 상기 타겟층과 멀어지는 방향으로 연장된 솔리드 막들; 및
상기 솔리드 막들의 사이에 배치되고 다공성 구조를 갖는 공극부를 포함하고,
상기 포커싱 구조체는 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함하는 하전 입자 발생 장치.a light source unit that emits a laser;
a target layer receiving the laser and emitting charged particles; and
A focusing structure disposed on the target layer to focus the laser,
The focusing structure is:
solid films extending in a direction away from the target layer on an upper surface of the target layer; and
A void portion disposed between the solid films and having a porous structure,
Wherein the focusing structure includes a material having an atomic number higher than that of carbon. 제 1 항에 있어서,
상기 포커싱 구조체는 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)을 포함하는 하전 입자 발생 장치.According to claim 1,
Wherein the focusing structure includes aluminum (Al) or zinc (Zn). 제 1 항에 있어서,
상기 포커싱 구조체는 상기 솔리드 막들 및 상기 공극부를 둘러싸는 금속막을 더 포함하고, 상기 금속막은 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함하는 하전 입자 발생 장치.According to claim 1,
The focusing structure further includes a metal film surrounding the solid films and the void, wherein the metal film includes a material having a higher atomic number than carbon. 제 1 항에 있어서,
상기 솔리드 막들은 상기 타겟층의 상면과 평행한 제1 방향을 따라 배열되고, 상기 솔리드 막들의 각각은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 하전 입자 발생 장치.According to claim 1,
The solid films are arranged along a first direction parallel to the upper surface of the target layer, and each of the solid films extends in a second direction crossing the first direction. 제 1 항에 있어서,
상기 공극부는 다수의 공극들 및 상기 공극들을 둘러싸는 경계막을 포함하고,
상기 경계막은 메시 형태를 갖는 하전 입자 발생 장치.According to claim 1,
The void part includes a plurality of voids and a boundary film surrounding the voids,
The boundary film is a charged particle generator having a mesh shape. 제 1 항에 있어서,
상기 공극부는 다수의 공극들 및 상기 공극들을 둘러싸는 경계막을 포함하고,
상기 경계막은 상기 솔리드 막들의 각각의 일측벽 및 타측벽으로부터 각각 돌출된 제1 서브 경계막들 및 제2 서브 경계막들을 포함하되,
상기 제1 서브 경계막들은 상기 타겟층의 상기 상면에 수직한 제3 방향으로 배열되고,
상기 제2 서브 경계막들은 상기 제3 방향으로 배열되고,
상기 제2 서브 경계막들의 각각은 상기 제1 서브 경계막들 사이에 배치되는 하전 입자 발생 장치.According to claim 1,
The void part includes a plurality of voids and a boundary film surrounding the voids,
The boundary film includes first sub-boundary films and second sub-boundary films protruding from one side wall and the other side wall of each of the solid films,
The first sub boundary films are arranged in a third direction perpendicular to the upper surface of the target layer;
The second sub-boundary films are arranged in the third direction;
Each of the second sub-boundary films is disposed between the first sub-boundary films. 레이저를 수용하는 제1 면 및 하전 입자를 방출하는 제2 면을 갖는 타겟층;
상기 타겟층의 제1 면으로부터 상기 타겟층과 멀어지는 방향으로 연장된 솔리드 막들; 및
상기 솔리드 막들의 사이에 배치되고 다공성 구조를 갖는 공극부를 포함하되,
상기 솔리드 막들은 상기 타겟층의 제1 면과 평행한 제1 방향을 따라 배열되고, 상기 솔리드 막들의 각각은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되고,
상기 솔리드 막들 및 상기 공극부는 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함하는 타겟 구조체.a target layer having a first surface for receiving the laser and a second surface for emitting charged particles;
solid films extending from the first surface of the target layer in a direction away from the target layer; and
A void portion disposed between the solid films and having a porous structure,
the solid films are arranged along a first direction parallel to the first surface of the target layer, and each of the solid films extends in a second direction crossing the first direction;
The solid films and the voids include a material having a higher atomic number than carbon. 제 7 항에 있어서,
상기 솔리드 막들 및 상기 공극부는 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)을 포함하는 타겟 구조체.According to claim 7,
The solid films and the voids target structure including aluminum (Al) or zinc (Zn). 제 7 항에 있어서,
상기 솔리드 막들 및 상기 공극부를 둘러싸는 금속막을 더 포함하고, 상기 금속막은 탄소보다 원자번호가 높은 물질을 포함하는 타겟 구조체.According to claim 7,
The target structure further includes a metal film surrounding the solid films and the void, wherein the metal film includes a material having a higher atomic number than carbon. 제 7 항에 있어서,
상기 공극부는 상기 솔리드 막들 중 서로 인접한 두 솔리드 막들을 연결하는 메시 형상의 경계막 및 상기 경계막에 의해 정의되는 다수의 공극들을 포함하는 타겟 구조체.According to claim 7,
The void portion includes a mesh-shaped boundary film connecting two adjacent solid films among the solid films and a plurality of pores defined by the boundary film. 제 7 항에 있어서,
상기 솔리드 막들은 서로 인접한 제1 솔리드 막 및 제2 솔리드 막을 포함하고,
상기 공극부는 상기 제1 솔리드 막으로부터 상기 제2 솔리드 막을 향하여 돌출된 제1 서브 경계막들 및 상기 제2 솔리드 막으로부터 상기 제1 솔리드 막을 향하여 돌출된 제2 서브 경계막들을 포함하되,
상기 제1 서브 경계막들 및 상기 제2 서브 경계막들은 상기 타겟층과 멀어지는 방향을 따라 교번적으로 배열되는 타겟 구조체.According to claim 7,
The solid films include a first solid film and a second solid film adjacent to each other,
The void portion includes first sub boundary films protruding from the first solid film toward the second solid film and second sub boundary films protruding from the second solid film toward the first solid film,
The first sub-boundary films and the second sub-boundary films are alternately arranged along a direction away from the target layer.
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