KR20000019826A - 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치 - Google Patents

Abstract

본 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치는, 표적에 조사되는 빔의 단면적이 넓어지도록 표적을 설치하여 상기 표적을 효율적으로 냉각시킴으로써, 여기에 조사되는 빔 전류의 세기를 높일 수 있어 방사성 동위원소의 생산량을 거의 두 배 정도로 향상시킬 수 있다.

Description

방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치

본 발명은 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치에 관한 것이다.

일반적으로 방사성 동위원소(radioisotope, R.I.)는 의학, 생물학, 공학, 농학등 기타 분야에 광범위하게 이용되고 있으며, 국내의 사용량은 매년 증가 추세에 있다.

이러한 방사성 동위원소는 크게 원자로 핵종과 가속기 핵종으로 분류하는데, 원자로 핵종은 중성자 과잉핵종인 반면, 가속기 핵종은 중성자 결핍핵종이다. 이들 핵종의 핵적 성질은 상호 보완적이어서 원자로 핵종은 주로 치료용으로 사용되는 반면, 가속기 핵종은 진단용으로 사용하고 있다.

또한, 가속기 핵종은 원자로 핵종과는 달리 무담체의 높은 비방사능(specific activity)을 가질 뿐 만 아니라 전자포획이나, 양전자(β⁺) 방출로 붕괴하므로 환자에 대한 방사능 피폭량을 현저히 줄일 수 있고, 진단에 있어서 선명한 영상을 얻을 수 있으므로 핵의학에서는 가속기 핵종을 보다 선호하고 있다.

즉, 원자로 핵종은 대부분이 β를 방출하므로 의료분야에서는 치료용으로 이용되는 반면, 가속기 핵종은 전자포획이 β⁺를 방출하므로 진단용이나 양전자 방출 단층 촬영기(Posstron Emission Tomography: PET)에 사용되고 있다.

더욱이 양전자 방출 핵종은 PET에 사용되어 인체의 물질대사 연구, 암 진단, 심장이상 진다 및 신경계통의 이상으로 유발되는 여러 가지 질병진단에 사용되고 있다.

이와 같은 방사성 동위원소를 의료용으로 사용하기 위해서는 핵종의 물리적, 화학적 및 생물학적 특성에 따른 다음 사항을 고려하여야 한다.

(1) 환자의 방사능 피폭량 최소

(2) 높은 분해능을 얻기 위한 적당한 γ-선 에너지

(3) 높은 비방사능

(4) 특정 장기에 대한 편재율

(5) 사용에 대한 용이성

상기 (1)은 동위원소의 물리적 특성 즉 붕괴방식, 방사성에 의한 피폭량이 적어야하며, (2)는 방사능 측정기기의 특성에 따르며 반감기가 짧고 60KeV에서 300KeV정도의 γ-선이 적당하다. 단일 γ-선을 방출할 경우는 단일 광자 방출 촬영기(Single Photon Emission Computed Tomography; SPECT)로 분해능이 좋은 영상을 얻을 수 있다. 또한, α-입자(α-particle)나, 큰 에너지의 β-입자(β-particle)를 방출하는 동위원소는 국부에 많은 방사능을 피폭시키므로 치료용으로 사용하고 있다.

상기 (3)(4)의 높은 비방사능과 특정장기에 대한 편재성은 생체에서 물질대사를 연구하는데 사용할 동위원소를 선정하는 기준이 되며, 이들 동위원소는 생체내의 화합물과 공유결합을 이루어 생체내에서 안정해야 한다. 상기 (5)는 동위원소의 사용에 대한 용이성은 광역에서의 사용 가능성을 나타낸다. 동위원소의 반감기가 짧고, 수송 시간이 길 때에는 제너레이터 시스템(generator system)을 개발하여 사용하 수 있다.

이와 같은 기준으로 현재 약 50여 핵종의 동위원소가 의료용으로 사용되며 위 핵종은 일반적으로 아래와 같이 7종류로 분류한다.

(1) 유기 단종 β 방출 핵종(Organic short-lived β⁺emitters) :¹¹C,¹³N,¹⁵O,¹⁸F 등.

(2) 할로겐(Halogens) :¹⁸F,⁷⁵Br,⁷⁷Br,¹²³I 등.

(3) 휘기 가스(Rare Gases) :⁷⁷Kr,¹³³Xe 등.

(4) 제너레이터 시스템(Generator systems) :⁶⁸Ge→⁶⁸Ga,⁸²Sr→⁸²Rb,²⁰¹Mo→^99mTc,⁸¹Rb→⁸¹Kr

(5) 알카리와 알카리성 금속(Alkali and alkali like metals) :³⁸K,⁸²Rb,²⁰¹Tl 등.

(6) 무기 방사 핵종(Inorganic radionuclides) :⁵²Fe,⁶⁷Rb,¹¹¹In,⁵⁵Co,⁸⁵Sr 등.

(7) 치료 방사 핵종(Therapheutic radionuclides) :⁷⁷Br,¹²⁵I,²¹¹At 등.

상기와 같은 핵종을 생산하기 위한 싸이클로트론은 1930년대 초 주로 핵물리 연구에 이용되었고, 1960년대에 들어와 의료용 방사성 동위원소 생산에 사용되기 시작하였다. 싸이클로트론을 이용한 중성자 치료와 방사성 동위원소 생산은 1955년에 최초로 시작되었고, 1970년대 부터는 핵의학 발전에 따른 가속기 핵종의 수요 증대로 상업적 생산이 시작되었다. 특히 1980년 말에는 빔 인출과 가속에너지 변환이 용이한 음이온 싸이클로트론이 개발되어 사용되고 있다.

상기한 싸이클로트론에 의한 방사성 핵종 생산은 싸이클로트론 빔의 특성과 표적물질의 종류에 따라 생산조건이 결정된다. 즉, 표적물질에 조사하는 입자의 종류, 적절한 핵반응 선택, 최소량의 불순핵종과 원하는 동위원소의 수율을 최대로 얻을 수 있는 최적 에너지 범위결정, 표적물질의 냉각능력과 입자전류의 세기 등을 고려하여야 한다. 또한, 동위원소 생산에 있어서, 예측되는 수율은 입자 전류와 비례한다. 즉, 동위원소 생산수율은 빔 전류의 세기에 정비례한다.

이와 같은 방사성 동위원소를 생산하기 위한 종래의 빔 조사장치는 방사성 동위원소를 생산하기 위하여 빔이 조사되는 빔 통로 중에 설치된 콜리메이터와, 상기 콜리메이터를 통과한 빔이 조사되는 표적이 설치된 표적 조사부로 이루어진다.

여기서, 상기 표적 조사부에 설치된 표적은 24°의 경사각도로 설치되므로, 상기 표적에 조사되는 빔 전류의 세기를 최대 30μA로 한정할 수 밖에 없었다.

즉, 상기 표적에 전달되는 열전달면적은 한정되어 있음으로써, 이러한 표적에 빔 전류의 세기를 높여 조사하게 되면, 상기 표적을 효율적으로 냉각시키지 못하고, 표적이 녹는 현상이 발생된다. 따라서, 방사성 동위원소의 생산량이 제한되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 표적에 조사되는 빔의 단면적이 넓어지도록 표적을 설치하여 상기 표적을 효율적으로 냉각시킴으로써, 여기에 조사되는 빔 전류의 세기를 높일 수 있어 방사성 동위원소의 생산량을 향상시킬 수 있도록 된 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 표적의 설치상태를 설명하는 도면

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

10 - 표적 조사부 11 - 하우

12 - 연결구 13 - 표적

14 - 고정대 15 - 냉각부

20 - 콜리메이터 30 - 진공밸브

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 방사성 동위원소 생산을 위한 빔 조사장치의 구성은, 도 1에 도시된 바와 같이 방사성 동위원소를 생산하기 위하여 빔이 조사되는 빔 통로중에 설치되어 빔이 정확히 조사되는지를 판단할 수 있도록 된 콜리메이터(20)와, 상기한 콜리메이터(20)를 통과한 빔이 조사되는 표적(13)이 설치되고, 이 표적(13)에 조사된 빔으로부터 방사성 동위원소를 생산하며, 내부를 진공상태로 하는 표적 조사부(10)와, 상기한 표적 조사부(10)와 상기 콜리메이터(20) 사이에 설치되어 상기 표적 조사부(10) 및 상기 빔 통로를 진공상태로 하는 진공밸브(30)로 이루어진다.

상기한 표적 조사부(10)는 진공밸브(30)와 연결되는 연결구(12)와, 내부가 진공 상태인 하우징(11)과, 상기 하우징(11)의 내부에 설치되며, 빔 통로를 통해 조사되는 빔 라인에 위치하는 표적(13)과, 상기 표적(13)을 고정시키는 고정대(14)와, 상기한 고정대(14)의 내부를 순환하여 상기 표적을 냉각시키는 냉각부(15)로 이루어진다.

또한, 상기 콜리메이터(20)는 구멍(20')이 형성된 카본(Carbon)으로 이루어지고, 이 구멍(20')을 통해 상기 빔이 표적(13)에 조사되며, 상기 콜리메이터(20)를 통과하여 표적(13)에 조사되는 빔 전류의 세기는 60μA이고, 이 빔 전류가 조사되는 표적(13)은 13°의 경사각도로 설치된다.

상기에 있어서, 표적(13)을 13°의 경사각도로 설치함으로써, 이 표적(13)에 조사되는 단면적을 넓힐 수 있고, 또한 표적의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 표적(13)에 조사되는 열전달면적이 넓어짐으로써 표적(13)에 조사되는 빔 전류의 세기를 높여도 상기 표적(13)이 녹는 현상이 발생되지 않아 많은 량의 방사성 동위원소를 생산할 수 있다.

또한, 상기한 진공밸브(30)는 상기 표적조사부(10)를 교환할 때, 진공밸브(30)에 밀착되는 표적조사부(10)의 연결구(12)를 진공상태로 만들 수 있도록 진공펌프(31)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 방사성 동위원소를 생산하기 위하여 조사되는 빔을 콜리메이터(20)의 구멍(20')으로 통과시켜 표적 조사부(10)의 표적에 정확히 조사시킨다.

이때, 조사되는 빔이 상기 콜리메이터(20)의 구멍(20')으로 통과되지 않고 일측으로 치우치게 되면, 조사되는 빔은 상기 콜리메이터(20)에 부딪히면서 상기 콜리메이터(20)에는 전류가 발생된다. 따라서, 상기 콜리메이터(20)에서 발생되는 전류를 탐지하여 조사되는 빔이 상기 표적 조사부(10)의 표적(13)에 정확히 조사되고 있는지를 확인할 수 있다.

이와 같이 표적(13)에 정확히 조사되는 빔으로부터 방사성 동위원소를 생산하는 것으로, 상기 표적(13)을 13°의 경사각도로 설치함으로써, 표적(13)에 조사되는 빔의 단면적이 넓어지고, 이로 인해 표적(13)의 온도 상승을 상대적으로 낮출 수 있다. 즉, 상기한 표적(13)에 조사되는 빔의 단면적이 넓어지면, 60μA의 빔 전류의 세기로 조사되더라도 단면적이 좁은 것에 비하여 온도 상승이 억제된다.

따라서, 표적(13)의 냉각 성능을 높일 수 있어 상기한 표적(13)에 조사되는 빔 전류의 세기를 높여도 표적(13)이 녹는 현상이 발생되지 않기 때문에 방사성 동위원소의 생산 량을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명에서 알 수 있듯이 본 발명의 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치에 의하면, 표적에 조사되는 빔의 단면적이 넓어지도록 표적을 설치함에 따라 표적을 효율적으로 냉각시킬 수 있어 상대적으로 표적의 온도 상승을 낮출 수 있고, 이에 따른 빔 전류의 세기를 60μA로 높여 동일 시간에 방사성 동위원소의 생산 량을 거의 두 배 정도로 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 방사성 동위원소를 생산하기 위하여 빔이 조사되는 빔 통로중에 설치되어 빔이 정확히 조사되는지를 판단할 수 있도록 된 콜리메이터와,

   상기한 콜리메이터를 통과한 빔이 조사되는 표적이 설치되고, 이 표적에 조사된 빔으로부터 방사성 동위원소를 생산하며, 상기 방사성 동위원소가 외부 공기와 반응하지 않도록 내부를 진공상태로 하는 표적 조사부와,

   상기한 표적 조사부와 상기 콜리메이터 사이에 설치되어 상기 표적 조사부 및 상기 빔 통로를 진공상태로 하는 진공밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기한 표적 조사부는 진공밸브와 연결되는 연결구와, 내부가 진공 상태인 하우징과, 상기 하우징의 내부에 설치되며, 빔 통로를 통해 조사되는 빔 라인에 위치하는 표적과, 상기 표적을 고정시키는 고정대와, 상기한 고정대의 내부를 순환하여 상기 표적을 냉각시키는 냉각부로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 구멍이 형성된 카본으로 이루어지고, 이 구멍을 통해 상기 빔이 표적에 조사되도록 된 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜리메이터를 통과하여 표적에 조사되는 빔 전류의 세기는 60μA이고, 이 빔 전류가 조사되는 표적은 13°의 경사각도로 설치된 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기한 진공밸브는 상기 표적조사부를 교환시 진공밸브에 밀착되는 표적조사부의 연결구를 진공상태로 만들 수 있도록 진공펌프가 더 설치된 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 생산용 빔 조사장치.