KR102620676B1 - 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기의 공진주파수 매칭을 위한 자동 제어 장치 및 방법 - Google Patents

마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기의 공진주파수 매칭을 위한 자동 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기의 공진주파수 자동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 선형전자가속기의 공진 제어 장치는, 커플러를 통해 가속관으로 입력되는 마그네트론의 RF 신호의 진행파를 측정하여 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 결정하는 고주파스펙트럼 측정부, 상기 진행파 및 상기 커플러를 통해 상기 가속관으로부터 나오는 반사파를 측정하여 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 결정하는 고주파파워 측정부, 및 상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 기초로, 상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 기초로, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하는 공진주파수 자동 제어부를 포함한다.

Description

마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기의 공진주파수 매칭을 위한 자동 제어 장치 및 방법{Automatic control apparatus and method for resonant frequency matching of linear electron accelerator for magnetron-based radiation therapy}
본 발명은 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기에 관한 것으로서, 특히, 그것의 공진주파수 매칭을 위한 자동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 방사선치료용 선형전자가속기는 전자총으로부터의 전자를 가속관에서 가속하고 이에 의해 X-선 타겟에서 X-선을 발생시키도록 구성되어 있으며 이를 구동하기 위하여 냉각시스템, 진공시스템, 전원장치, 제어계측장치 등이 필요하다. 전자총으로부터 발생된 전자들은 가속관 내부에 형성된 가속전계에 의해 원하는 에너지까지 가속되고 가속된 전자빔이 X-선 타겟과 충돌함으로써 방사선 치료에 사용되는 X-선이 발생된다. 가속관 내부의 가속전계는 외부의 고주파 공급원으로부터 공급된 고출력의 고주파 파워에 의해 형성되며 가속관은 특정주파수에서 가속전계의 세기가 최대가 되도록 고유의 공진주파수 특성을 갖는다. 선형전자가속기의 고주파 특성은 온도변화, 전기적인 노이즈, 기계적인 외란요인 등에 의해 영향을 받으며 이는 선형전자가속기의 출력을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 선형전자가속기의 공진주파수와 공급되는 고출력고주파의 주파수를 지속적으로 매칭시켜 주는 제어과정이 매우 중요하다. 이는 선형전자가속기로부터 발생되는 X-선 출력특성(에너지(energy), 도즈량(doserate) 등)에도 영향을 미친다. 선형전자가속기의 공진주파수가 매칭이 되지 않을 경우, 공급되는 고주파 파워가 온전히 전자빔 가속에 사용되지 못하고 반사되어 나오게 되므로 진행파와 반사파 정보를 공진주파수 제어에 보통 활용한다.
기존의 방사선 치료용 선형전자가속기에 사용되는 자동 주파수 제어기의 구성으로서, 하이브리드 커플러(Hybrid coupler)를 사용하여 진행파와 반사파간의 위상차와 각각의 크기변화에 의해 달라지는 출력신호를 구하고, 이를 바탕으로 공진주파수의 불일치 정도를 판단하여 마그네트론 주파수 튜닝용 모터를 제어하는 방식이 있었다.
그러나, 기존의 공진주파수 제어 방식의 경우, 이와 같은 하이브리드 커플러의 출력특성상 정확한 제어가 보장되는 주파수 범위가 좁은 단점이 있다. 따라서 선형전자가속기의 공진주파수가 외부의 요인에 의해 기존에 설정된 주파수와 차이가 발생하게 되는 경우, 제어과정상에 오차가 발생하게 되고 이로 인해 정확한 제어가 수행되지 못한다. 뿐만 아니라, 일정 주파수 범위를 벗어나게 될 경우에는 제어 동작 자체가 수행되지 않을 위험성이 있다.
선형전자가속기의 고주파 특성 변화에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 요인은 온도변화이다. 온도 변화는 고주파 특성을 계측하는 아날로그모듈에 오차를 발생시킬 뿐만 아니라, 가속관의 공진주파수를 변화시키는 원인이 되기도 한다. 하지만, 기존의 제어방법의 경우, 이러한 온도변화 정보를 선제적으로 제어에 반영하거나 보정하는 기능이 존재하지 않는다.
나아가, 기존의 공진주파수 매칭 방식도 근본적인 제어원리는 주파수 불일치로 인해 발생하게 되는 반사파의 변화정보에 기반을 둔다. 따라서 정확한 반사파 측정이 선행되어야 안정적인 공진주파수 제어를 보장할 수 있다. 하지만 빔로딩이 존재할 경우, 빔로딩의 영향으로 인해 반사파의 포락선 특성이 왜곡되게 된다. 빔로딩에 의한 계측상의 오류로 인해 기존의 공진주파수 매칭 방법의 경우, 반사파가 최소가 되는 지점과 선형전자가속기의 출력과 관련하여 최적화된 지점임을 보장하지 못하는 경우가 발생하게 된다.
관련 선행 문헌으로서, 등록특허 제10-1588690호(2016.01.28.), 등록특허 제10-1449610호(2014.10.13.), 등록특허 제10-1611232호(2016.04.12.) 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 빔로딩 여부에 따라 제어 기준을 주파수 정보와 반사파의 크기 정보로 구분하였고, 공진주파수 변화에 가장 큰 영향을 주는 온도변화 정보를 제어과정에 활용하여 보다 정확한 제어가 가능하도록 하였다. 또한 반사파의 크기를 측정함에 있어 빔로딩의 영향이 작은 측정 지점을 인위적으로 설정하여 활용함으로써 선형전자가속기의 동작 초기상태부터 설정한 사양에 맞는 빔가속이 수행되어지는 상태까지의 일련의 과정이 오동작 없이 정밀하게 수행되어질 수 있도록 하였다. 이에 따른 본 발명의 목적은, 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기에서 공진주파수 변화에 가장 큰 영향을 주는 온도변화 정보를 공진주파수 제어과정에 활용하고 빔로딩이 존재하는 경우에도 정확한 공진주파수 매칭이 가능하도록 하여, 가속관 내부의 가속전계를 최대로하고 X-선 출력특성(에너지, 도즈량 등)의 성능을 향상시킬 수 있는, 주파수 자동 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 선형전자가속기의 공진 제어 장치는, 커플러를 통해 가속관으로 입력되는 마그네트론의 RF 신호의 진행파를 측정하여 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 결정하는 고주파스펙트럼 측정부; 상기 진행파 및 상기 커플러를 통해 상기 가속관으로부터 나오는 반사파를 측정하여 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 결정하는 고주파파워 측정부; 및 상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 기초로, 상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 기초로, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하는 공진주파수 자동 제어부를 포함한다.
상기 가속관의 전자빔에 의해 X-선 타겟에서 발생되는 X-선에 대한 콜리메이터 출력을 방사선치료에 이용하기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 선형전자가속기의 공진 제어 장치는, 상기 공진주파수 자동 제어부에서 상기 주파수의 보정에 반영하기 위한 상기 가속관의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함한다.
상기 공진주파수 자동 제어부는, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하기 위한 룩업 테이블 정보를 저장하는 저장부; 및 상기 가속관의 전자빔 로딩의 온오프에 따라, 상기 룩업 테이블 정보를 참조하여 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 결정부를 포함한다.
상기 룩업 테이블 정보는, 상기 가속관의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 온도 변화에 따른 상기 가속관의 공진주파수 변화의 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 포함한다.
상기 공진주파수 자동 제어부는,상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서, 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보에 대하여, 룩업 테이블의 상기 가속관의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 참조하여, 해당 공진 모드의 이탈여부를 판단하고 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정할 수 있다.
상기 공진주파수 자동 제어부는, 상기 가속관의 온도에 대한 정보를 입력 받고, 상기 룩업 테이블에서의 온도 변화에 따른 상기 가속관의 공진주파수 변화의 정보를 더 참조하여, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정할 수 있다.
상기 공진주파수 자동 제어부는, 상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서, 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보에 대하여, 룩업 테이블의 상기 가속관의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 참조하여, 해당 공진 모드의 이탈여부를 판단하고 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정할 수 있다.
상기 공진주파수 자동 제어부는, 상기 가속관의 온도에 대한 정보를 입력 받고, 상기 룩업 테이블에서의 온도 변화에 따른 상기 가속관의 공진주파수 변화의 정보를 더 참조하여, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정할 수 있다.
상기 마그네트론의 RF 신호의 발생을 위한 모듈레이터 신호 펄스폭 내에서 그 보다 작은 펄스폭을 갖는 상기 가속관의 전자빔 발생을 위한 모듈레이터 신호를 인가해, 상기 가속관의 전자빔 로딩에 의해 영향을 받지않는 구간에서 측정되는 반사파의 측정 파워를 이용하여, 상기 공진주파수 자동 제어부는 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 선형전자가속기의 공진 제어 방법은, 커플러를 통해 가속관으로 입력되는 마그네트론의 RF 신호의 진행파를 측정하여 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 결정하는 단계; 상기 진행파 및 상기 커플러를 통해 상기 가속관으로부터 나오는 반사파를 측정하여 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 결정하는 단계; 및 상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 기초로, 상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 기초로, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하는 단계를 포함한다.
전자빔 가속과정의 효율성은 가속관의 공진주파수와 외부의 고주파공급원으로부터 전달되는 고출력 고주파 파워의 주파수 간의 매칭여부에 의존한다. 따라서 선형전자가속기를 통해 원하는 사양의 X-선을 출력하기 위해서는 정밀하고 안정적인 공진주파수 제어가 선행되어야 한다. 선형전자가속기 고주파특성은 전자빔의 가속과정에서 발생하게 되는 온도 변화, 전기적인 노이즈, 외부의 기계적인 외란요인 등에 의해 영향을 받는다. 언급된 외란 요인들 중 선형전자가속기의 출력 특성에 가장 큰 영향을 주는 요인은 빔로딩 및 고출력 고주파 공급에 따른 온도변화로서 이로 인해 발생하게 되는 가속관 내 공진주파수 변화를 추적하여 마그네트론의 출력 고주파의 주파수를 매칭시켜주는 제어과정이 매우 중요하다.
따라서, 본 발명에 따른 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기에서의 공진주파수 자동 제어방법에 따르면, 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기에서 공진주파수 변화에 가장 큰 영향을 주는 온도변화 정보를 공진주파수 제어과정에 활용하고 빔로딩이 존재하는 경우에도 정확한 공진주파수 제어가 가능하도록 하여, 가속관 내부의 가속전계를 최대로하고 X-선 출력특성(에너지, 도즈량 등)의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명에서는 주파수 정보와 고주파의 파워 정보, 가속관의 온도변화 정도를 선형전자가속기의 운전상태 변화에 대응하여 복합적으로 활용한다. 기존의 제어방식에 비해 다양한 상태정보들을 제어과정에 활용함으로써 공진주파수 불일치를 직관적으로 모니터링 가능하고 고주파특성의 변화에 능동적인 대응이 가능하다. 특히, 빔 로딩 시에 발생하게 되는 고주파 파형의 왜곡에 크게 영향을 받지 않기 때문에 전자빔 인출에 따른 상태 변화과정에서도 즉각적인 제어가 가능한 장점이 있다. 또한, 선형전자가속기의 고주파 특성에 지배적인 영향을 주는 요인인 온도 변화를 지속적으로 모니터링하고 이러한 정보를 연계하여 제어 과정이 수행되도록 함으로써, 온도 변화에 의한 고주파 특성 변화를 선제적으로 예측하여 보다 정확한 제어가 가능하다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기의 공진 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔로딩 온/오프 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 제어 장치의 빔로딩 오프 상태에서의 공진주파수 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 제어 장치의 빔로딩 온상태에서의 공진주파수 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 빔로딩에 의한 반사파 파형 변화를 나타낸 파형도이다.
도 6은 고주파 펄스폭과 전자총 펄스폭 설정에 따른 빔로딩에 의한 반사파 파형 왜곡을 나타낸 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속관의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7과 같은 멀티셀 가속관에서의 S11 특성 그래프이다.
도 9는 온도 변화와 빔로딩에 의한 공진주파수 변화를 보여주는 고주파신호의 파형도의 예들이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기(1000)의 공진 제어 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기(1000)는, 공진 제어 장치(100), 마그네트론(60), 마그네트론(60)의 RF(Radio Frequency) 신호 발생을 위한 고주파용 펄스 모듈레이터 신호 등 전반적인 제어 신호를 생성하는 마그네트론 모듈레이터(50), 공진 제어 장치(100)의 보정 신호에 따라 마그네트론(60)의 주파수 조정용 샤프트(shaft)를 조정하는 튜닝 모터(65), 마그네트론(60)에서 전자 가속관(20)으로 전송되는 RF 신호의 진행파와 반사파를 공진 제어 장치(100)로 전달하는 방향성 커플러(directional coupler)(70), 마그네트론(60)으로부터 RF 신호를 입력받아 전자빔을 가속시키기 위한 전자 가속관(20), 전자빔을 방출하는 전자총(10), 전자 가속관(20)에서 RF 신호에 따라 가속되는 전자빔의 충돌을 유도하고 X-선을 발생하는 X-선 타겟(30), 발생된 X-선의 방향과 확산을 조절하여 X-선 필드(field)를 변환하는 콜리메이터(collimator)(40)를 포함한다.
본 발명의 선형전자가속기(1000)에서 가속관(20)의 전자빔에 의해 X-선 타겟(30)에서 발생되는 X-선에 대한 콜리메이터(40) 출력은 암세포 파괴를 위한 방사선치료에 이용할 수 있게 된다.
이를 위하여, 본 발명의 선형전자가속기(1000)의 공진 제어 장치(100)는, 온도 등 환경 변화에 따라 마그네트론(60)의 RF 신호가 가속관(20)의 공진 주파수와 불일치하게 될 경우, 이를 자동 제어하기 위한 것으로서, 공진주파수 자동제어부(110), 온도 측정부(120), 고주파 파워 측정부(130), 고주파 스펙트럼 측정부(140)를 포함한다.
온도 측정부(120)는 가속관(20)의 온도를 측정하며, 측정된 온도 정보는 공진주파수 자동 제어부(110)에서 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 가속관(20)의 공진 주파수로 보정하는 데 반영된다. 온도 측정부(120)는 좀 더 정확한 주파수 제어를 위해 적용될 수 있으며, 반드시 필요한 필수 구성요소는 아니며 필요에 따라 선택적으로 사용되거나 사용되지 않을 수 있다.
공진주파수 자동제어부(110)는 공진 제어 장치(100)의 전반적인 제어를 담당하며 반도체 프로세서 등 하드웨어로 이루어질 수 있고, 또한 응용 프로그램과 같은 소프트웨어와 결합하여 작동될 수도 있다.
공진주파수 자동제어부(110)는 온도 측정부(120), 고주파 파워 측정부(130), 고주파 스펙트럼 측정부(140)로부터 해당 정보들을 수신하여, 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 가속관(20)의 공진 주파수로 보정하기 위한 보정 신호를 생성한다. 공진주파수 자동제어부(110)로부터의 보정 신호는 튜닝 모터(65)로 전달되고, 튜닝 모터(65)는 공진 제어 장치(100)의 보정 신호에 따라 마그네트론(60)의 주파수 조정용 샤프트(shaft)를 조정하게 된다.
이를 위하여, 고주파 스펙트럼 측정부(140)는 마그네트론(60)으로부터 가속관(20)으로 입력되는 RF 신호의 진행파를 측정하여 결정된 스펙트럼 분포 정보(예, 주파수 범위 등)와 주파수 정보(예, 중간 주파수 등)를 공진주파수 자동제어부(110)로 출력한다.
고주파 파워 측정부(130)는 커플러(70)를 통해 가속관(20)으로 입력되는 마그네트론(60)의 RF 신호의 진행파를 측정하며, 또한 커플러(70)를 통해 가속관(20)으로부터 나오는 반사파를 측정하여, 결정된 펄스파형 정보(도 5/도 6의 진행파/반사파 참조)와 고주파파워 정보(예, 진행파 및 반사파의 피크(peak)값, 임의의 측정시점에서의 파워측정값))를 공진주파수 자동제어부(110)로 출력한다.
공진주파수 자동제어부(110)는 온도 측정부(120), 고주파 파워 측정부(130), 고주파 스펙트럼 측정부(140)에서 측정되거나 계산된 해당 정보들을 수신하면, 가속관(20)의 전자빔 로딩 여부에 따라, 가속관(20)의 전자빔 로딩이 없는 상태에서는 도 3과 같이 고주파 스펙트럼 측정부(140)로부터의 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 기초로, 또한, 가속관(20)의 전자빔 로딩 상태에서는 도 4와 같이 고주파 스펙트럼 측정부(140)로부터의 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 고주파 파워 측정부(130)로부터의 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 기초로, 마그네트론의(60) RF 신호의 주파수를 가속관(20)의 공진 주파수로 보정하기 위한 보정 신호를 생성하여 튜닝 모터(65)로 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔로딩 온/오프 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 가속관(20)의 전자빔 로딩 상태 여부는, 도시되지 않았지만, 선형전자가속기(1000)의 전반적인 동작 상태를 모니터링하고 제어하기 위한 소정의 상위 통합 제어 시스템에 의해 결정될 수 있다.
예를 들어, 마그네트론 모듈레이터(50)가 마그네트론(60)의 RF(Radio Frequency) 신호 발생을 위한 고주파용 펄스 모듈레이터 신호를 마그네트론(60)으로 출력하고, 전자총 모듈레이터(도시되지 않음)가 전자총(10)의 전자빔 방출을 위한 전자총용 펄스 모듈레이터 신호를 전자총(10)으로 출력하면, 전자총(10)은 전자빔을 방출하고 X-선 타겟(30)이 X-선을 발생할 수 있게 되므로, 상위 통합 제어 시스템은 이와 같은 고주파용 펄스 모듈레이터 신호와 전자총용 펄스 모듈레이터 신호의 액티브 상태 여부에 따라 전자빔 온오프 상태 정보를 생성할 수 있다(200).
공진주파수 자동제어부(110)는 전자빔 온오프 상태 정보에 따라 가속관(20)의 전자빔 로딩 여부를 판단한다(210). 예를 들어, 전자빔 온오프 상태 정보가 상태 State #1(예, OFF)를 나타내면 가속관(20)의 전자빔 로딩이 없는 상태로 판단할 수 있다(220). 또한, 전자빔 온오프 상태 정보가 상태 State #2(예, ON)를 나타내면 가속관(20)의 전자빔 로딩 상태로 판단할 수 있다(230).
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 제어 장치(100)의 빔로딩 온오프 상태에서 공진주파수 제어 방법을 좀 더 자세히 설명한다.
도 3 및 도 4와 같이, 공진 제어 장치(100)의 공진주파수 자동 제어부(110)는, 룩업 테이블 정보를 저장하는 저장부(111) 및 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 보정하기 위한 보정 신호를 결정하는 결정부(112)를 포함한다.
저장부(111)는 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 가속관(20)의 공진 주파수로 보정하기 위한 룩업 테이블 정보를 저장한다. 룩업 테이블 정보는, 가속관(20)의 공진 모드(예, π/2 모드)에서의 공진주파수 정보, 온도 변화에 따른 가속관(20)의 공진주파수 변화의 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보 등을 포함할 수 있다. 도 7의 가속관(20)의 단면도와 같이, 가속관(20)은 멀티셀 형태로 이루어질수 있다. 이때, 도 8의 S11 특성과 같이 셀(Cell)의 개수만큼에 해당하는 공진 주파수 특성을 가지며, 각각의 공진 주파수에 따라 가속관(20) 셀 내부에 형성되는 전자기장의 구조적인 형태(모드)가 달라진다. 일반적으로 선형전자가속기는 도 7과 같은 가속관(20)의 인접하는 셀간의 고주파 위상차가 90도가 되도록 형성되는 π/2 모드로 동작된다.
결정부(112)는 가속관(20)의 전자빔 로딩의 온오프에 따라, 저장부(111)의 룩업 테이블 정보를 참조하여 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 보정하기 위한 보정 신호를 결정하여 공진 주파수가 되도록 보정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 제어 장치(100)의 빔로딩 오프 상태에서의 공진주파수 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 공진주파수 자동 제어부(110)의 결정부(112)는, 가속관(20)의 전자빔 로딩이 없는 상태(State #1)에서, 위와 같은 고주파 스펙트럼 측정부(140)로부터의 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보에 대하여, 상기 룩업 테이블의 가속관(20)의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 참조하여, 해당 공진 모드의 이탈여부를 판단하고 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 보정한다. 결정부(112)는 상기 공진 모드에서 동작되도록 자동 제어하며 다른 모드에서 오동작하는 경우를 선제적으로 방지할 수 있게 된다. 공진주파수 자동 제어부(110)가 온도 측정부(120)로부터 가속관(20)의 온도에 대한 정보를 입력 받는 경우에, 결정부(112)는, 상기 룩업 테이블에서의 온도 변화에 따른 가속관(20)의 공진주파수 변화의 정보를 더 참조하여, 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 더욱 정확하고 정밀하게 보정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 제어 장치(100)의 빔로딩 온상태에서의 공진주파수 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 공진주파수 자동 제어부(110)의 결정부(112)는, 가속관(20)의 전자빔 로딩 상태(State #2)에서, 고주파 스펙트럼 측정부(140)로부터의 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 뿐만아니라 고주파 파워 측정부(130)로부터의 펄스파형 정보와 고주파파워 정보에 대하여, 상기 룩업 테이블의 가속관(20)의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 참조하여, 해당 공진 모드의 이탈여부를 판단하고 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정한다. 결정부(112)는 상기 공진 모드에서 동작되도록 자동 제어하며 다른 모드에서 오동작하는 경우를 선제적으로 방지할 수 있게 된다. 공진주파수 자동 제어부(110)가 온도 측정부(120)로부터 가속관(20)의 온도에 대한 정보를 입력 받는 경우에, 결정부(112)는, 상기 룩업 테이블에서의 온도 변화에 따른 가속관(20)의 공진주파수 변화의 정보를 더 참조하여, 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 더욱 정확하고 정밀하게 보정할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 고주파 신호의 주파수정보, 고주파 신호의 파워 관련 정보, 가속관의 온도 변화를 실시간으로 측정하여 공진주파수를 제어하는 방법으로써, 기존의 제어방식과 달리 빔가속여부에 따라 제어 스테이트를 State #1, State #2와 같이 2단계로 구분하여, 빔로딩이 없는 경우(State #1)에는 주파수정보를 기반으로 하여 동작모드(π/2모드)를 이탈하지 않는 범위에서 대략적 조정(Coarse tuning)을 진행하고 빔로딩이 존재하는 경우(State #2)에는 반사파의 크기 정보를 기반으로 하여 정밀조정(fine tuning)이 진행되도록 하였다.
또한, 이와 같이 빔로딩이 존재하는 경우(State #2), 반사파의 파워 크기를 기반으로 하게 되는데, 이 경우에도 빔로딩 후 일정 버퍼시간 내에는 주파수를 기준으로 한 피드백 제어가 수행되도록 함으로써 1차적으로 빔로딩으로 인한 주파수 변화로 인해 동작모드를 이탈하였는지의 여부를 먼저 판단하도록 하였고, π/2 근처에서 정상적으로 동작되고 있음이 확인된 후에, 제어의 판단 기준을 반사파의 파워크기로 전환하도록 하였다.
본 발명에서는 위와 같이 제어 스테이트 State #1에서 주파수 기반의 공진주파수 제어방법과 제어 스테이트 State #2에서 반사파 파워 기반의 공진주파수 제어방법을 제안한다.
주파수 정보를 기반으로 공진주파수 제어를 수행할 경우, 직관적인 제어가 가능한 장점이 있지만, 이 경우, 주파수 제어를 위한 기준(reference)값 설정에 어려움이 존재한다. 공진주파수 변화에 영향을 주는 요인은 매우 다양하기 때문에 모든 경우의 수에 대한 실험을 진행하여 공진주파수 기준값을 획득하기는 사실상 불가능하다. 때문에 본 발명에서는 선형전자가속기의 초기 운전 상태(빔로딩 없이 고주파 전력값을 원하는 설정값을 증가시키는 단계)에서만 공진주파수를 기반으로 하여 공진주파수 제어가 수행되도록 하였다. 이 경우에는 허용가능한 주파수 제어범위와 반사파 크기 범위가 상대적으로 엄격하지 않기 때문에 Coarse tuning만으로 제어가 가능한 구간이다.
반사파의 파워를 기반으로 한 공진주파수 제어 방법의 경우, 반사파의 파워크기가 최소가 되는 지점이 제어목표지점이 되기 때문에 제어 기준값을 획득하기 위한 사전 실험이 불필요하다. 다만, 파워값만을 기준으로 제어를 할 경우, 급격한 상태변화요인이 존재하거나 제어과정상에서의 휴먼에러로 인해 다른 동작모드에서 제어가 수행될 수 있기 때문에 보조적으로나마 공진주파수를 모니터링할 필요성이 있다.
도 5 및 도 6과 같이, 선형전자가속기(1000)에서 전자빔을 가속하게 되면 빔로딩에 의해 가속관(20)과 고주파 공급원(60) 간의 임피던스 매칭이 틀어지게 되고, 이로 인해 측정되는 반사파의 파형특성에 변화가 발생한다.
빔로딩이 발생할 경우(State #2), 도 5에서 보는 바와 같이 고주파 반사파의 파형은, 진행파와 전자총용 펄스 모듈레이터 신호가 액티브됨에 따른 빔로딩에 의한 영향으로 인해 파형이 변화하게 되는데, 이러한 경우 반사파의 크기를 측정하는 위치를 어느 지점으로 설정하느냐에 제어성능이 달라지게 된다.
본 발명에서는 전자총용 펄스 모듈레이터 신호의 펄스 ON 구간을, 마그네트론(60)의 RF 신호 발생을 위한 모듈레이터(50) 신호의 고주파 펄스 ON 구간 내에 동기화시키되, 펄스폭의 경우, 전자총용 펄스 모듈레이터 신호가 미소하게나마 RF 신호 펄스폭 보다 작도록 설정하고 인가하여, 가속관(20)으로의 전자빔 로딩으로 인한 영향을 받지 않는 구간(Beam loading free zone))을 확보하는 방식을 사용하여 반사파 측정 지점을 선정하였다. 예를 들어, 도 7과 같이 가속관(20)으로의 전자빔 로딩으로 인한 영향을 받는 영역(예, 측정 포인트 #1, #2 등)이 아닌 전자빔 로딩으로 인한 영향이 없는 영역(측정 포인트 #3 주변)에서 반사파의 파워값을 측정하여, 이를 기초로 공진주파수 자동 제어부(110)가 마그네트론(60)의 RF 신호의 주파수를 보정할 수 있도록 함으로써, 강인한 제어가 가능하도록 하였다.
또한, 본 발명에서는 제어 스테이트 State #2인 경우에도, 공진주파수 자동 제어부(110)의 결정부(112)가, 고주파 스펙트럼 측정부(140)로부터의 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 등을 지속적으로 모니터링하여, 방사선치료용 선형전자가속기(1000)로부터 출력되는 도즈량(Doserate)이 사전에 정의된 변화폭 내에서 유지될 수 있도록, 제어범위를 연산하는 과정에 활용될 수 있도록 하였다.
도 9는 온도 변화와 빔로딩에 의한 공진주파수 변화를 보여주는 고주파신호의 파형도의 예들이다.
공진주파수 변화는 다양한 요인에 의해 변화하게 되나 가장 주요하게 영향을 미치는 요인은 가속관(20)의 온도변화와 빔로딩이다. 도 9는 선형전자가속기(1000)에 고출력 고주파를 공급해줌에 따라 가속관(20)의 온도변화가 발생하게 되고 이로 인해 공진주파수가 변화되는 모습을 보여준다. 빔로딩이 발생하게 되는 경우에는, 앞서 언급한 바와 같이 가속관(20)과 고주파 공급원(60) 간에 빔로딩으로 인한 임피던스 불일치가 순간적으로 발생하게 되고 이로 인해 온도 특성 또한 변화하게 된다. 이는 마찬가지로 가속관(20)의 공진주파수 변화의 원인이 된다.
한편, 선형전자가속기를 구동하는데 있어서 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파 소스로써 일반적으로 클라이스트론과 마그네트론이 많이 사용되어지고 있다. 특히, 마그네트론은 상대적으로 저렴한 비용과 작은 사이즈, 운용상의 간편함 등의 장점을 갖고 있기에 방사선 치료를 목적으로 한 선형전자가속기의 경우, 영상시스템과의 융합을 위하여 소형/경량화하는 추세이기에 상대적으로 작은 사이즈의 마그네트론을 고주파공급원으로써 사용하는 경우가 많다. 본 발명의 선형전자가속기(1000)는 가속관(20)의 공진주파수와 외부에서 공급되는 위와 같은 마그네트론(60)의 고주파 신호의 공진 주파수를 일치시켜 가속관(20)으로 공급되는 고출력 고주파를 반사파에 의한 손실없이 효율적으로 전자 가속에 사용할 수 있도록 하였다.
상술한 바와 같이, 전자빔 가속과정의 효율성은 가속관(20)의 공진주파수와 외부의 고주파공급원으로부터 전달되는 고출력 고주파 파워의 주파수 간의 매칭여부에 의존한다. 따라서 선형전자가속기(1000)를 통해 원하는 사양의 X-선을 출력하기 위해서는 정밀하고 안정적인 공진주파수 제어가 선행되어야 한다. 선형전자가속기(1000) 고주파특성은 전자빔의 가속과정에서 발생하게 되는 온도 변화, 전기적인 노이즈, 외부의 기계적인 외란요인 등에 의해 영향을 받는다. 언급된 외란 요인들 중 선형전자가속기(1000)의 출력 특성에 가장 큰 영향을 주는 요인은 빔로딩 및 고출력 고주파 공급에 따른 온도변화로서 이로 인해 발생하게 되는 가속관 내 공진주파수 변화를 추적하여 마그네트론의 출력 고주파의 주파수를 매칭시켜주는 제어과정이 매우 중요하다.
따라서, 본 발명에 따른 마그네트론 기반 방사선치료용 선형전자가속기(1000)는, 공진주파수 변화에 가장 큰 영향을 주는 온도변화 정보를 공진주파수 제어과정에 활용하고 빔로딩이 존재하는 경우에도 정확한 공진주파수 제어가 가능하도록 하여, 가속관 내부의 가속전계를 최대로하고 X-선 출력특성(에너지, 도즈량 등)의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명에서는 주파수 정보와 고주파의 파워 정보, 가속관의 온도변화 정도를 선형전자가속기의 운전상태 변화에 대응하여 복합적으로 활용한다. 기존의 제어방식에 비해 다양한 상태정보들을 제어과정에 활용함으로써 공진주파수 불일치를 직관적으로 모니터링 가능하고 고주파특성의 변화에 능동적인 대응이 가능하다. 특히, 빔 로딩 시에 발생하게 되는 고주파 파형의 왜곡에 크게 영향을 받지 않기 때문에 전자빔 인출에 따른 상태 변화과정에서도 즉각적인 제어가 가능한 장점이 있다. 또한, 선형전자가속기(1000)의 고주파 특성에 지배적인 영향을 주는 요인인 온도 변화를 지속적으로 모니터링하고 이러한 정보를 연계하여 제어 과정이 수행되도록 함으로써, 온도 변화에 의한 고주파 특성 변화를 선제적으로 예측하여 보다 정확한 제어가 가능하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
공진 제어 장치(100)
공진주파수 자동제어부(110)
온도 측정부(120)
고주파 파워 측정부(130)
고주파 스펙트럼 측정부(140)
마그네트론 모듈레이터(50)
마그네트론(60)
튜닝 모터(65)
방향성 커플러(70)
X-선 타겟(30)
콜리메이터(40)
가속관(20)
전자총(10)

Claims (11)

  1. 커플러를 통해 가속관으로 입력되는 마그네트론의 RF 신호의 진행파를 측정하여, 해당 주파수 범위를 포함하는 스펙트럼 분포 정보와 해당 주파수를 나타내는 정보를 포함하는 주파수 정보를 결정하는 고주파스펙트럼 측정부;
    상기 진행파 및 상기 커플러를 통해 상기 가속관으로부터 나오는 반사파를 측정하여, 상기 진행파 또는 상기 반사파 중 어느 것을 나타내는지에 대한 정보를 포함하는 펄스파형 정보와 해당 파워값을 포함하는 고주파파워 정보를 결정하는 고주파파워 측정부; 및
    상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 기초로, 상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 기초로, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하는 공진주파수 자동 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가속관의 전자빔에 의해 X-선 타겟에서 발생되는 X-선에 대한 콜리메이터 출력을 방사선치료에 이용하기 위한 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진주파수 자동 제어부에서 상기 주파수의 보정에 반영하기 위한 상기 가속관의 온도를 측정하는 온도 측정부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진주파수 자동 제어부는,
    상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하기 위한 룩업 테이블 정보를 저장하는 저장부; 및
    상기 가속관의 전자빔 로딩의 온오프에 따라, 상기 룩업 테이블 정보를 참조하여 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 결정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 룩업 테이블 정보는,
    상기 가속관의 공진 모드에서의 공진주파수 정보,
    온도 변화에 따른 상기 가속관의 공진주파수 변화의 정보, 및
    공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공진주파수 자동 제어부는,
    상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서,
    상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보에 대하여, 룩업 테이블의 상기 가속관의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 참조하여, 해당 공진 모드의 이탈여부를 판단하고 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공진주파수 자동 제어부는,
    상기 가속관의 온도에 대한 정보를 입력 받고, 상기 룩업 테이블에서의 온도 변화에 따른 상기 가속관의 공진주파수 변화의 정보를 더 참조하여, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공진주파수 자동 제어부는,
    상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서,
    상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보에 대하여, 룩업 테이블의 상기 가속관의 공진 모드에서의 공진주파수 정보, 및 공진모드들 간의 주파수 차이에 대한 정보를 참조하여, 해당 공진 모드의 이탈여부를 판단하고 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공진주파수 자동 제어부는,
    상기 가속관의 온도에 대한 정보를 입력 받고, 상기 룩업 테이블에서의 온도 변화에 따른 상기 가속관의 공진주파수 변화의 정보를 더 참조하여, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 마그네트론의 RF 신호의 발생을 위한 모듈레이터 신호 펄스폭 내에서 그 보다 작은 펄스폭을 갖는 상기 가속관의 전자빔 발생을 위한 모듈레이터 신호를 인가해, 상기 가속관의 전자빔 로딩에 의해 영향을 받지않는 구간에서 측정되는 반사파의 측정 파워를 이용하여, 상기 공진주파수 자동 제어부는 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 보정하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 장치.
  11. 커플러를 통해 가속관으로 입력되는 마그네트론의 RF 신호의 진행파를 측정하여, 해당 주파수 범위를 포함하는 스펙트럼 분포 정보와 해당 주파수를 나타내는 정보를 포함하는 주파수 정보를 결정하는 단계;
    상기 진행파 및 상기 커플러를 통해 상기 가속관으로부터 나오는 반사파를 측정하여, 상기 진행파 또는 상기 반사파 중 어느 것을 나타내는지에 대한 정보를 포함하는 펄스파형 정보와 해당 파워값을 포함하는 고주파파워 정보를 결정하는 단계; 및
    상기 가속관의 전자빔 로딩 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보 및 상기 펄스파형 정보와 고주파파워 정보를 기초로, 상기 가속관의 전자빔 로딩이 없는 상태에서는 상기 스펙트럼 분포 정보와 주파수 정보를 기초로, 상기 마그네트론의 RF 신호의 주파수를 상기 가속관의 공진 주파수로 보정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형전자가속기의 공진 제어 방법.
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