KR20060062750A - A neutron generator and a radio-isotope production system using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치 및 이를 이용한 동위원소 생산 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원으로 구성되어 고전류의 플라즈마를 발생시켜 높은 중성자 생성율을 달성할 수 있는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와 이를 이용한 동위원소 생산 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an ion source-integrated neutron generator and an isotope production system using the same, and more particularly, a neutron generation target operated by an electrode and an ion source surrounding the same to generate a high current plasma to generate a high current plasma. The present invention relates to an ion source-targeting integral neutron generator and an isotope production system using the same.

본 발명에 따른 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치는, 양 끝단이 밀봉된 원통형의 석영관과; 상기 석영관의 양 끝단을 밀봉하고 있는 밀봉체와; 상기 석영관 내부 중앙에 관의 길이 방향을 따라 배치되는 중성자 발생표적과; 상기 석영관 내부면과 상기 중성자 발생표적 사이에 관의 길이 방향을 따라 배치되고, 한쪽 단부가 접지되어 있는 플라즈마 전극과; 상기 석영관의 양 끝단부 측에 설치된 한 쌍의 전자석과; 상기 한 쌍의 전자석 사이에 설치되며, 상기 석영관의 외부를 둘러싸고 형성된 고주파 안테나;를 포함하여 구성되되, 상기 밀봉체 중, 일측의 밀봉체에 상기 석영관의 내부로 가스를 주입할 수 있는 가스 주입구가 설치된 것을 특징으로 한다.An ion source-target integral neutron generator according to the present invention comprises: a cylindrical quartz tube sealed at both ends; Sealing bodies sealing both ends of the quartz tube; A neutron generation target disposed in the center of the quartz tube along the longitudinal direction of the tube; A plasma electrode disposed between the inner surface of the quartz tube and the neutron generating target along a longitudinal direction of the tube and having one end grounded; A pair of electromagnets provided at both end sides of the quartz tube; A high frequency antenna installed between the pair of electromagnets and surrounding the outside of the quartz tube, the gas being capable of injecting gas into the quartz tube into one of the seals; Characterized in that the injection port is installed.

중성자 발생 장치, 동위원소, 표적, 이온원, 플라즈마, 고주파, 전자석Neutron generator, isotope, target, ion source, plasma, high frequency, electromagnet

Description

이온원-표적 일체형 중성자 발생장치 및 이를 이용한 동위원소 생산 시스템{A neutron generator and a radio-isotope production system using the same} Ion source-target integrated neutron generator and isotope production system using the same {A neutron generator and a radio-isotope production system using the same}             

도 1은 종래 기술에 따른 중성자 튜브의 구조를 보여주고 있는 도면이다.1 is a view showing the structure of a neutron tube according to the prior art.

도 2는 본 발명에 따른 중성자 발생장치의 구조를 보여주고 있는 도면이다.2 is a view showing the structure of a neutron generator according to the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동위원소 생성 표적의 구조를 보여주고 있는 도면이다.3 is a view showing the structure of an isotope generating target according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동위원소 생성 표적의 구조를 보여주고 있는 도면이다.4 is a view showing the structure of an isotope generating target according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 석영관 2, 2' : 밀봉체1: Quartz tube 2, 2 ': sealing body

3 : 중성자 발생표적 4 : 플라즈마 전극3: neutron generation target 4: plasma electrode

5, 5' : 전자석 6 : 고주파 안테나5, 5 ': electromagnet 6: high frequency antenna

7 : 가스주입구 8 : 플라즈마 발생부7: gas injection hole 8: plasma generator

11 : 접지전극 12 : 이온원전극11 ground electrode 12 ion source electrode

13 : 이온 발생부 14 : 중성자 발생표적13 ion generating unit 14 neutron generation target

15 : 외부표적 16 : 내부표적15: external target 16: internal target

본 발명은 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치 및 이를 이용한 동위원소 생산 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원으로 구성되어 고전류의 플라즈마를 발생시켜 높은 중성자 생성율을 달성할 수 있는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와 이를 이용한 동위원소 생산 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an ion source-integrated neutron generator and an isotope production system using the same, and more particularly, a neutron generation target operated by an electrode and an ion source surrounding the same to generate a high current plasma to generate a high current plasma. The present invention relates to an ion source-targeting integral neutron generator and an isotope production system using the same.

이제까지의 중성자의 생산과 이용은 주로 원자로로부터 생산되어 나오는 중성자의 응용에 집중되어왔다. 그러나, 최근에 들어서는 늘어나는 산업용 또는 의료용의 수요를 충족시키기 위해 중성자의 다양한 생산 방법이 도입되어 연구 개발이 진행되고 있다. 표 1에서는 현재 사용되고 있는 각 중성자원에 따른 중성자 수율과 그, 장단점을 나열하였다.The production and use of neutrons up to now have been mainly focused on the application of neutrons produced from nuclear reactors. However, in recent years, in order to meet the growing demand for industrial or medical use, various production methods of neutrons have been introduced and research and development are proceeding. Table 1 lists the neutron yields and their pros and cons for each neutral resource currently in use.

중성자원에 따른 특성비교Comparison of Characteristics by Neutral Resources 중성자원  Neutral resources 중성자 수율[ns/s]  Neutron Yield [ns / s] 장 점  Advantages 단 점  Disadvantages 원자로  nuclear pile ~1015(연속)~ 10 15 (continuous) 높은 중성자속  High neutron flux 대형장치 펄스제어불가 Large device pulse control not possible 가속기  Accelerator ~1010(연속)~ 10 10 (continuous) 높은 중성자속 펄스제어 가능 High neutron flux pulse control 대형장치  Large device 동위원소(252Cf)Isotope ( 252 Cf) ~107(연속)~ 10 7 (continuous) 소형 휴대, 운반가능 Small size, portable 펄스제어불가  Pulse control not possible 중성자 튜브  Neutron tube ~108(연속)~ 10 8 (continuous) 소형, 펄스제어 가능 휴대, 운반가능 Compact, pulse control, portable and transportable 단(短)수명  Short life span

중성자의 이용에 있어서 핵심적인 특성은 중성자속인데, 현재 가장 높은 중성자속을 연속적으로 제공하는 것은 연구용 원자로로서 국내에서도 한국원자력연구소에 건립된 연구용 원자로인 "하나로"를 이용한 중성자의 이용이 활발히 진행되고 있다. 그러나 연구용 원자로의 경우 높은 중성자속을 가지고 있으나, 설치장소의 제약 등으로 그 활용이 제한적일 수밖에 없다. 반면에, Cf-252 등의 동위원소를 이용한 중성자 이용은 휴대 및 운반, 이동이 가능하나 중성자속이 낮으며, 발생되는 중성자의 제어가 불가능하고 단가가 높아 경제성이 문제가 된다.A key characteristic of the use of neutrons is neutron flux. Currently, the highest neutron flux is continuously provided for research, and the use of neutrons using Hanaro, a research reactor built at the Korea Atomic Energy Research Institute, is actively underway in Korea. have. However, the research reactor has high neutron flux, but its use is limited due to the limitation of the installation place. On the other hand, the use of neutrons using isotopes, such as Cf-252, can be carried, transported, and moved, but the neutron flux is low, and the control of neutrons generated is not possible and the unit price is high.

따라서, 중성자의 다양한 활용을 위해서는 이동이 가능한 중성자 발생장치나 가속기를 이용한 중성자 발생장치가 필수적이다. 이에 따라, 최근 원자로 이외의 중성자 발생 장치에 대한 연구가 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있으며, 대형 가속기에 기반을 둔 핵파쇄 중성자원(spallation neutron source)과 소규모의 이동 형 중성자 발생 장치인 중성자 튜브(neutron tube)가 그 대표적인 분야이다.Therefore, in order to utilize a variety of neutrons, a neutron generator using a movable neutron generator or an accelerator is essential. Accordingly, researches on neutron generators other than nuclear reactors are being actively conducted in various countries around the world. neutron tube) is a representative field.

핵파쇄 중성자원은, 주로 높은 중성자속(neutron flux)이 필요한 신재료 시험 등에 이용하고자 하는 목적으로, 몇몇 국가에서 국가적인 가속기 개발사업으로 진행되고 있는데, 미국의 NSNS(National Spallation Neutron Source), 유럽의 ESS(European Spallation Source) 등이 현재 추진중인 대표적 연구개발사업이다. 또한 붕소중성자포획요법(Boron Neutron Capture Theraphy: BNCT) 등의 의료용 중성자 발생을 위해 중형의 양성자 가속기의 개발도 진행되고 있다.Nuclear crushing neutral resources are being developed as a national accelerator development project in several countries, mainly for the purpose of testing new materials that require high neutron flux. The National Spallation Neutron Source (NSNS) in Europe ESS (European Spallation Source) is a representative R & D project. In addition, the development of medium-sized proton accelerators for the generation of medical neutrons such as Boron Neutron Capture Theraphy (BNCT) is underway.

특히, 현재 산업 분야 및 의학 분야 등 다양한 영역에서 활용되고 있는 방사성동위원소는 주로 연구용 원자로와 일부 가속기를 이용하여 생산하고 있다. 원자로를 이용하는 경우, 다양한 동위원소를 생산할 수 있다는 장점이 있기는 하나, 원자로의 특성상 낮은 비방사능(specific activity) 및 부반응으로 인한 추가적 불순물의 생성 등의 단점이 있으며, 또한 조사용기가 원자로 내에 설치되어야 하는 관계로 안전성, 견고성을 확보하기 위한 제작과 시험에 따르는 기술, 인력, 비용의 부담이 크고, 원자로에서의 조사로 용기 자체의 피폭에 따르는 고방사능 및 장기간의 냉각 기간이 필요한 단점들도 필연적이다. 가속기를 이용할 경우에는, 낮은 빔전류, 빔 수송 문제, 표적의 건전성 및 냉각 필요성 등으로 인해서 대용량의 생산을 이루기가 어렵고, 원자로의 경우와 마찬가지로, 그 설치장소에 여러가지 제한을 받게 된다.In particular, radioisotopes, which are currently used in various fields such as industrial and medical fields, are mainly produced using research reactors and some accelerators. When using a reactor, there are advantages in that it can produce various isotopes, but there are disadvantages such as low specific activity and generation of additional impurities due to side reactions due to the nature of the reactor, and the irradiation vessel must be installed in the reactor. As a result, the burden of technology, manpower, and cost according to manufacturing and testing to ensure safety and robustness is high, and the disadvantages that require high radioactivity and long cooling period due to the exposure of the container itself by irradiation in the reactor are inevitable. . When using an accelerator, it is difficult to achieve large-capacity production due to low beam current, beam transport problem, target health, and necessity of cooling, and as in the case of a nuclear reactor, various restrictions are placed on the installation place.

한편, 소형의 이동형 중성자 튜브는 이미 상용화가 진행되어 여러 가지 제품이 나오고 있으나, 낮은 중성자속, 짧은 사용수명 등의 문제를 가지고 있고, 이를 해결하기 위한 연구가 다각도로 진행되고 있다. 중성자 튜브와 같은 소형 중성자 발생기에 있어서는, 규모가 작고 안정적으로 가동할 수 있는 이온원 기술이 그 핵심을 이루는 기술로서, 보다 높은 중성자속을 얻기 위한 연구와 함께 소형화 및 수명연장의 필요성 때문에 고주파 이온원을 이용한 중성자 발생장치 연구가 주목을 받고있다. 국내에서는 1960-70년대에 한국원자력연구소를 중심으로 중성자 발생장치의 개발연구가 진행된 적이 있으나, 그 이후 산업적인 이용도가 높은 이온주입기 연구로 전환되고 나서 이 분야의 연구가 거의 전무한 실정이다.On the other hand, the small mobile neutron tube has already been commercialized and various products have been released, but have problems such as low neutron flux and short service life, and researches for solving this problem are being conducted at various angles. In a small neutron generator such as a neutron tube, a small-scale ion source technology capable of operating stably is the core technology, and a high frequency ion source is required due to the necessity of miniaturization and life extension along with research for obtaining higher neutron flux. The study of the neutron generator using the system has attracted attention. In Korea, research on the development of neutron generators was conducted mainly in the Korea Atomic Energy Research Institute in the 1960s and 1970s, but there has been little research in this field since the transition to the industrial implanter research.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원으로 구성되어 고전류의 플라즈마를 발생시켜 높은 중성자 생성율을 달성할 수 있는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와, 이를 이용한 동위원소 생산 시스템을 제공하는데 있다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is composed of a neutron generation target acting as an electrode and an ion source surrounding the ion to generate a high current plasma to achieve a high neutron generation rate The present invention provides a single-target integrated neutron generator and an isotope production system using the same.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은,As a technical idea for achieving the above object of the present invention,

양 끝단이 밀봉된 원통형의 석영관(1)과; 상기 석영관(1)의 양 끝단을 밀봉하고 있는 밀봉체(2, 2')와; 상기 석영관(1) 내부 중앙에 관의 길이 방향을 따라 배치되는 중성자 발생표적(3)과; 상기 석영관(1) 내부면과 상기 중성자 발생표적(3) 사이에 관의 길이 방향을 따라 배치되고, 한쪽 단부가 접지되어 있는 플라즈마 전극(4)과; 상기 석영관(1)의 양 끝단부 측에 설치된 한 쌍의 전자석(5, 5')과; 상 기 한 쌍의 전자석(5, 5') 사이에 설치되며, 상기 석영관(1)의 외부를 둘러싸고 형성된 고주파 안테나(RF antenna; 6);를 포함하여 구성되되, 상기 밀봉체(2, 2') 중, 일측의 밀봉체(2)에 상기 석영관(1)의 내부로 가스를 주입할 수 있는 가스 주입구(7)가 설치된 것을 특징으로 하는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치를 제공한다.A cylindrical quartz tube 1 sealed at both ends; Sealing bodies (2, 2 ') sealing both ends of the quartz tube (1); A neutron generation target (3) disposed along the longitudinal direction of the tube in the center of the inside of the quartz tube (1); A plasma electrode (4) disposed between the inner surface of the quartz tube (1) and the neutron generating target (3) along the longitudinal direction of the tube and having one end grounded; A pair of electromagnets 5 and 5 'provided at both end sides of the quartz tube 1; It is installed between the pair of electromagnets (5, 5 '), formed around the outside of the quartz tube (RF antenna; 6); and configured to include, the seals (2, 2) The ion source-target integral neutron generator is characterized in that a gas injection port 7 capable of injecting gas into the quartz tube 1 is installed in the sealing body 2 on one side.

본 발명은 또한, 상기 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와; 길이 방향으로 반으로 나누어진 원통형의 형상을 갖고, 상기 중성자 발생장치를 둘러싸고 있는 동위원소 생성표적;을 포함하여 구성되는 동위원소 생산 시스템을 제공한다.
The present invention also provides an ion source-target integrated neutron generator; It has a cylindrical shape divided in half in the longitudinal direction, and provides an isotope production system comprising; isotope generation target surrounding the neutron generator.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 현재 상용되고 있는 프랑스 Sodern사의 밀봉 중성자 튜브(Sealed Neutron Tube)의 구조를 나타낸 도면으로 종래의 중성자 튜브 구조의 한 예를 보여주고 있다.1 is a view illustrating a structure of a sealed neutron tube manufactured by Sodern, France, which is currently commercially available, and shows an example of a conventional neutron tube structure.

도 1에서 도면부호 11은 접지전극, 12는 이온원전극, 13은 이온 발생부, 14는 중성자 발생표적을 각각 나타낸다. 도면에서도 볼 수 있듯이, 종래의 중성자 튜브는 튜브 일측에 형성되는 이온 발생부에서 발생하는 중수소 이온빔을 가속시켜 튜브 반대편 끝부분에 위치한 중성자 발생표적에 입사시킴으로써 중성자를 발생시키는 방식이다. 이러한 구조의 중성자 튜브는 석유 탐사 등의 기존 산업분야에의 활용도는 괜찮은 편이나, 중성자 발생 표적의 크기가 작으므로 동위원소 생산과 같은 높은 중성자속을 필요로 하는 이용분야에는 적용에 한계가 있고, 또한 튜브 내부에 충전된 가스의 양이 한정되어 있으므로 수명이 1,000 ~ 10,000 시간 등으로 제한된다는 단점이 있다.In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a ground electrode, 12 an ion source electrode, 13 an ion generator, and 14 a neutron generating target, respectively. As can be seen in the drawings, the conventional neutron tube is a method of generating neutrons by accelerating the deuterium ion beam generated in the ion generating unit formed on one side of the tube to enter the neutron generation target located at the opposite end of the tube. Although the neutron tube with such a structure is well utilized in existing industrial fields such as oil exploration, the application of the neutron tube has a limitation in application to applications requiring high neutron flux such as isotope production because the size of the neutron generation target is small. In addition, since the amount of gas charged inside the tube is limited, the service life is limited to 1,000 to 10,000 hours.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 발생장치의 구조를 보여주고 있는 도면이다. 도면을 살펴보면, 본 발명에 따른 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치는 직경 10cm 정도의, 양 끝단이 밀봉된 원통형의 석영관(1) 주위에 고주파 안테나(RF antenna; 6)를 설치하고, 석영관 일측의 밀봉체(2)에 형성된 가스 주입구(7)를 통하여 석영관 내부에 중수소를 공급하여 중수소 플라즈마를 발생시키며, 석영관의 양쪽 끝에는 전자석을 설치하여 미러(mirror)형 자장 구조 속에 플라즈마를 가둔다. 이러한 구조 하에서, 석영관의 내부 표면 근처에서 플라즈마(8)가 생성되는데, 이 때 원통 내부 중심에 관의 길이 방향을 따라 배치된 중성자 발생표적(삼중수소(T) 포함물질; 3)에 약 100kV 정도의 고전압을 인가하게 되면, 접지로 연결된 플라즈마 전극(그리드; 4)과 표적 사이에 가속 전장이 형성되어 그리드의 틈 사이로 중수소이온(D+) 빔이 인출 및 가속되어 표적으로 입사되고, 표적에서 DT 핵융합이 일어나 14 MeV의 에너지를 갖는 중성자가 발생하게 된다. 도면의 화살표는 전장의 방향을 나타낸다.2 is a view showing the structure of a neutron generator according to an embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the ion source-target integrated neutron generator according to the present invention is a high-frequency antenna (RF antenna; 6) is installed around the cylindrical quartz tube (1) sealed at both ends of about 10cm in diameter, the quartz tube Deuterium is generated by supplying deuterium to the inside of the quartz tube through the gas inlet 7 formed in the sealing body 2 on one side, and electromagnets are installed at both ends of the quartz tube to trap the plasma in a mirror magnetic field structure. . Under this structure, a plasma 8 is generated near the inner surface of the quartz tube, with about 100 kV at the neutron generation target (tritium-containing material; 3) disposed along the longitudinal direction of the tube at the inner center of the cylinder. When a high voltage is applied, an accelerated electric field is formed between the plasma electrode (grid) 4 connected to the ground and the target, and the deuterium ion (D + ) beam is drawn and accelerated between the gaps of the grid to enter the target. DT fusion occurs, resulting in neutrons with an energy of 14 MeV. Arrows in the figure indicate the direction of the full length.

상기와 같은 구성의 중성자 발생장치를 이용할 경우, 석영관 전체에서 중수소 이온빔을 발생시킬 수 있고, 표적까지의 가속거리도 짧아 이온빔의 수송효율이 뛰어나다. 또한, 미러형 자장은 축방향으로 발생하는 하전 입자들의 손실을 줄일 뿐만 아니라 가속된 D+ 이온이 표적에 충돌할 때 발생하는 이차 전자의 그리드 방향으로의 진행을 막아 이차 전자에 의해 고전압 전원에 과도하게 걸리게 될 전류 부하를 감소시키는 역할도 하게 된다.When using the neutron generator of the above configuration, it is possible to generate the deuterium ion beam in the entire quartz tube, the acceleration distance to the target is also short, excellent ion beam transport efficiency. In addition, the mirror-type magnetic field not only reduces the loss of charged particles occurring in the axial direction, but also prevents the secondary electrons generated when the accelerated D + ions collide with the target in the direction of the grid and is transient to the high voltage power supply by the secondary electrons. It also serves to reduce the current load that will be applied.

게다가, 석영관 일측의 밀봉체(2)에 형성된 가스 주입구(7)를 통하여 필요할 때마다 석영관 내부에 중수소를 공급할 수 있으므로, 장치의 수명 제한 없이 반 영구적으로 사용할 수 있으며, 석영관 타측의 밀봉체(2')에는 진공펌프가 연결된다.In addition, since deuterium can be supplied to the inside of the quartz tube whenever necessary through the gas inlet 7 formed in the sealing body 2 on one side of the quartz tube, it can be used semi-permanently without limiting the life of the device, and the sealing on the other side of the quartz tube. A vacuum pump is connected to the sieve 2 '.

본 실시예의 중성자 발생장치는 직경이 10cm, 높이가 21cm로 제작되었고, 100kV의 가속전압을 인가하는 경우, 빔전류는 약 30 mA가 되며, 이 때 장치의 최종 중성자 발생률은 약 1011 ns/s이다.In this embodiment, the neutron generator is manufactured with a diameter of 10 cm and a height of 21 cm. When an acceleration voltage of 100 kV is applied, the beam current is about 30 mA, and the final neutron generation rate of the device is about 10 11 ns / s. to be.

본 발명에 따른 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치를 이용한 동위원소 생산 시스템은 앞에서 설명한 중성자 발생장치와; 그 외측에 구비되며, 길이 방향으로 반으로 나누어진 원통형의 형상을 갖고, 상기 중성자 발생장치를 둘러싸도록 구성된 동위원소 생성 표적;을 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.An isotope production system using the ion source-target integral neutron generator according to the present invention includes the neutron generator described above; It is provided on the outside, has a cylindrical shape divided in half in the longitudinal direction, isotope generating target configured to surround the neutron generating device; characterized in that it comprises a.

이와 같은 구조로 시스템이 구성됨으로써, 본 발명에 따른 동위원소 생산 시스템은, 중성자 표적에서 발생되는 중성자의 대부분이 동위원소 생성 표적에 입사되게 함으로써, 동위원소의 생산 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 중성자 발생장치에 있어, 이온원과 중성자 발생표적이 일체형으로 제작되기 때문에 발생장치를 길 이 방향으로 확장시켜 제작하고, 이에 맞추어 그 외부에 길이 방향으로 확장된 동위원소 생성 표적을 위치시킴으로써 간단하게 동위원소의 생산량을 증가시킬 수 있다.By constructing the system in such a structure, the isotope production system according to the present invention can maximize the production efficiency of the isotope by allowing most of the neutrons generated at the neutron target to enter the isotope generating target. In addition, in the neutron generator, since the ion source and the neutron generator target are manufactured in one piece, the generator is expanded in the longitudinal direction, and accordingly, the isotopically-generated target that is extended in the longitudinal direction is positioned outside thereof. Can increase the production of isotopes.

또한, 본 발명에 따른 동위원소 생산 시스템은 14MeV의 높은 에너지를 갖는 DT-중성자를 이용하여 표적에서 (n,p) 핵반응을 발생시켜 동위원소를 생산함으로써, 종래의 원자로를 이용한 동위원소 생산방법에 비해 높은 비방사능을 갖고, 추가 불순물도 적은 동위원소 생산방법을 제공한다. 표 2는 (n,p) 핵반응을 이용하여 생산할 수 있는 동위원소들과 중성자 에너지에 따른 각 표적물질의 반응단면적(cross-section)을 나타낸 것이다.In addition, the isotope production system according to the present invention is to produce an isotope by generating a (n, p) nuclear reaction on the target using a DT-neutron having a high energy of 14MeV, in the conventional isotope production method using a nuclear reactor It provides a high specific radioactivity and a method for producing isotopes with less additional impurities. Table 2 shows the cross-section of each target material according to the isotopes and neutron energies that can be produced using (n, p) nuclear reactions.

표 2에서, 국내소비량은 국내에서 생산되는 양과 외국으로부터 수입되는 양을 합산한 것으로서 방사선이용통계자료(RI협회, 2004)에 따른 것이고, 핵분열중성자 반응단면적은 원자로에서 방출되는 핵분열 중성자의 에너지 스펙트럼에 대한 반응단면적의 평균값을 표시한 것이다.In Table 2, domestic consumption is the sum of domestically produced and imported from foreign countries, according to radiological statistics (RI association, 2004), and the nuclear fission neutron reaction cross-sectional area corresponds to the energy spectrum of nuclear fission neutrons emitted from the reactor. It is the average value of the reaction cross section.

동위원소별 표적물질의 반응단면적Reaction cross section of target substance by isotope 동위원소Isotope 반감기Half-life 국내소비량[mCi]Domestic consumption [mCi] 표적물질 (존재비 %)Target substance (% abundance) 반응단면적[b]Reaction cross section [b] 핵분열중성자Fission neutron 14 MeV 중성자14 MeV neutrons 비율(14MeV/핵분열)Rate (14 MeV / Fission) C-14C-14 5730y5730y 40,00040,000 N-14(99.6)N-14 (99.6) 0.03830.0383 0.04450.0445 1.21.2 P-32P-32 14.28d14.28d 3,0003,000 S-32(95)S-32 (95) 0.06920.0692 0.2540.254 3.73.7 S-35S-35 87.9d87.9d 800800 Cl-35(75.8)Cl-35 (75.8) 0.1180.118 0.1320.132 1.11.1 Ca-45Ca-45 165d165d 1010 Sc-45(100)Sc-45 (100) 0.02540.0254 0.0590.059 2.32.3 Fe-59Fe-59 45.6d45.6d 0.50.5 Co-59(100)Co-59 (100) 0.001520.00152 0.05040.0504 33.233.2 Co-58Co-58 71.3d71.3d -- Ni-58(68)Ni-58 (68) 0.1070.107 0.3740.374 3.53.5 Cu-64Cu-64 12.7h12.7h -- Zn-64(49)Zn-64 (49) 0.04420.0442 0.1930.193 4.44.4 Cu-67Cu-67 2.6d2.6d -- Zn-67(4)Zn-67 (4) 0.001020.00102 0.04280.0428 42.042.0 Sr-89Sr-89 50.5d50.5d 300300 Y-89(100)Y-89 (100) 0.0002360.000236 0.02590.0259 109.7109.7 Y-90Y-90 2.7d2.7d -- Zr-90(51)Zr-90 (51) 0.0002130.000213 0.0410.041 192.5192.5

표 2에 나타난 바와 같이, 14MeV의 에너지를 갖는 DT-중성자를 이용하는 경우 핵분열중성자를 이용하는 경우에 비해 상대적으로 높은 반응단면적을 갖는 것을 볼 수 있으며, 특히 철(Fe-59), 구리(Cu-67), 스트론튬(Sr-89) 및 이트륨(Y-90)등의 생산에 있어서는 현저하게 높은 반응단면적을 보여주고 있다.As shown in Table 2, it can be seen that the use of DT-neutrons with an energy of 14 MeV has a relatively higher reaction cross-sectional area than the case of using fission neutrons, in particular iron (Fe-59) and copper (Cu-67). ), Strontium (Sr-89) and yttrium (Y-90) show significantly higher reaction cross-sectional areas.

본 발명에서는, 중성자 발생장치 외부의 부대장비 위치를 고려하여, 동위원소 생성 표적을 내경 20cm, 두께 5cm의 원통형으로 제작하고, 발생장치에 장착하기 위해서 길이방향으로 반으로 나누어 제작하였다. 도 3은 동위원소 생성 표적의 구조를 보여주고 있는 개략도이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 중성자 발생장치의 길이를 증가시키면 그에 따라 동위원소 생성 표적의 크기 역시 증가시킬 수 있고, 또한 중성자 발생표적으로부터 약 30 cm 이내에서는 그 두께의 조절도 가능하다.In the present invention, in consideration of the position of the auxiliary equipment outside the neutron generator, the isotope generating target was made into a cylindrical shape having an inner diameter of 20 cm and a thickness of 5 cm, and was produced by dividing it in half in the longitudinal direction in order to mount it on the generator. 3 is a schematic showing the structure of an isotope generating target. As described above, increasing the length of the neutron generating device may increase the size of the isotope generating target accordingly, and also adjust the thickness within about 30 cm of the neutron generating target.

본원 발명에 따른 동위원소 생산 시스템에서 이용하고 있는 동위원소 생성 반응인 (n,p) 핵반응은 동위원소 생성 표적에서 중성자(n)를 흡수하여, 양성자(p) 를 방출하고, 목적 동위원소를 생산하는 핵반응이다. 예를 들어서 89Sr를 생산하기 위해서는 아래의 핵반응을 이용한다.The (n, p) nuclear reaction, an isotope generation reaction used in the isotope production system according to the present invention, absorbs neutrons (n) from the isotope producing target, releases protons (p), and produces target isotopes. It is a nuclear reaction. For example, to produce 89 Sr, use the following nuclear reaction.

89Y + n → p + 89Sr 89 Y + n → p + 89 Sr

이렇게 생성된 동위원소의 포화방사능은 다음의 식을 이용하여 구할 수 있다.Saturated radioactivity of the isotopes thus produced can be obtained using

A = σA = σ 1414 φφ nn NN 0 0

여기서, A[Bq]는 생성 동위원소의 포화방사능(saturation activity), σ 14[cm2]는 14 MeV의 에너지를 갖는 DT-중성자에 대한 표적 물질의 (n,p)핵반응 단면적, φ n [ns/cm2·s]은 동위원소 생성 표적 위치에서의 중성자속(neutron flux), N 0는 표적핵의 개수이다.Where A [Bq] is the saturation activity of the resulting isotope, σ 14 [cm 2 ] is the (n, p) nuclear reaction cross-sectional area of the target material for DT-neutrons with an energy of 14 MeV, φ n [ ns / cm 2 · s] is the neutron flux at the isotope generating target position, and N 0 is the number of target nuclei.

본 발명의 실시예에 따른 동위원소 생산 시스템에서는 표적 위치에서 반경 방향을 따라 약 107～109 ns/cm2·s의 중성자속을 얻을 수 있다. 이를 바탕으로 이 온원-표적 일체형 중성자 발생장치에서 발생된 중성자속을 표적 위치에서 계산하고, 표 2에 기재된 표적별 반응단면적과 전체 표적의 질량으로부터 계산된 표적핵의 개수를 이용하면 생산되는 동위원소의 포화방사능을 구할 수 있다. 예를 들어, 표적으로 89Y를 사용하고, 두께를 5cm로 설정할 경우, 약 8주간의 조사(irradiation)를 통하여 30 MBq 정도의 89Sr를 생산할 수 있다.In the isotope production system according to the embodiment of the present invention, a neutron flux of about 10 7 to 10 9 ns / cm 2 · s can be obtained along the radial direction at the target position. Based on this, the neutron flux generated by the on-target integrated neutron generator is calculated at the target position, and the isotope produced by using the target cross-sectional area and the number of target nuclei calculated from the mass of the entire target shown in Table 2 The saturated radioactivity of can be obtained. For example, if 89 Y is used as the target and the thickness is set to 5 cm, 89 Sr of 30 MBq can be produced through about 8 weeks of irradiation.

이제까지의 실시예에서는 중성자 발생장치의 외측에 구비되며, 중성자 발생장치를 둘러싸도록 구성된 동위원소 생성 표적을 이용한 동위원소 생산 시스템에 관하여 설명하였으나, 본 발명은 그것에만 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 바와 같이 외부표적(15)과 내부표적(16)으로 구분되는 이중의 동위원소 생성 표적(15, 16)을 사용하여 시스템을 구성할 수도 있다.In the above embodiments, the isotope production system using an isotope generating target provided outside the neutron generator and configured to surround the neutron generator has been described, but the present invention is not limited thereto. As can be seen, the system may be constructed using dual isotope generating targets 15, 16, which are divided into an external target 15 and an internal target 16.

이를 보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같은 중성자 발생장치를 구성함에 있어서, 중성자 발생표적(3)을 내부에 공동이 있는 원통형(Hollow-cylinder type)으로 구성하고, 그 내부에 봉(rod) 형태의 동위원소 생성용 내부표적(16)을 구비하여, 중성자 발생장치의 외측에 구비되어 중성자 발생장치를 둘러싸도록 구성되는 동위원소 생성용 외부표적(15)과 더불어 이중의 동위원소 생성 표적을 구비하는 동위원소 생산 시스템을 구성할 수도 있다. 이 경우, 내부표적의 위치에서는 그에 도달되는 중성자속이 상대적으로 커져 동위원소의 생성률을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.In more detail, in the configuration of the neutron generator as shown in Figure 2, the neutron generation target (3) is composed of a hollow-cylinder type having a cavity therein, the rod (rod) Isotope generation inner target 16 in the form of a), and isotopically generated targets are provided on the outside of the neutron generator and configured to surround the neutron generator. The isotope production system provided can also be comprised. In this case, at the position of the internal target, the neutron flux reaching the target becomes relatively large, thereby obtaining an effect of improving the isotope production rate.

이상에서 본 발명의 구성 및 실시예에 관하여 설명하였으나, 이는 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 보호범위는 후술되는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 한정된다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 변경함이 없이 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 당연하므로 이러한 변형이나 개량은 그 범위가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항의 범위에 있는 한, 본 발명의 보호범위에 속한다 할 것이다.Although the configuration and embodiments of the present invention have been described above, this is merely to show preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited thereto. The protection scope of the present invention is defined by the matters set forth in the claims below. It is limited. In addition, those skilled in the art to which the present invention belongs, it is natural that various modifications can be made without changing the gist of the invention claimed in the claims, such modifications and improvements are within the scope of the present invention. As long as it is obvious to those skilled in the art, it will fall within the protection scope of the present invention.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원을 일체형으로 구성한 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치를 제공함으로써 저(低)비용의 소형화된 중성자 발생장치를 제공함과 동시에, 가스 주입구를 통하여 석영관 내부로 가스를 주입할 수 있도록 구성함으로써 수명의 제한이 없이 반 영구적으로 사용이 가능한 중성자 발생장치를 제공한다. 또한, 상기 중성자 발생장치를 이용한 동위원소 생산 시스템에서는, 발생장치의 축방향 길이 연장을 통한 중성자 수율의 증가와 이에 따른 동위원소 생성 표적의 크기 확대를 가능하게 함으로써 동위원소의 생상량을 증가시키는 한편, 비방사능이 높은 동위원소의 생산을 가능하게 하는 동시에 동위원소의 생산에 부수적으로 수반되는 방사성 폐기물을 감소시켜주는 효과가 있다.

As described above, according to the present invention, a low-cost miniaturized neutron generator is provided by providing an ion source-target integral neutron generator in which the neutron generating target acting as an electrode and the ion source surrounding the electrode are integrated. At the same time, it is possible to inject gas into the quartz tube through the gas inlet to provide a neutron generator that can be used semi-permanently without limiting the life. In addition, in the isotope production system using the neutron generator, it is possible to increase the yield of the isotope by increasing the neutron yield through the axial length of the generator and thereby increasing the size of the isotope generating target. In addition, it is possible to produce isotopes with high specific radioactivity and to reduce radioactive waste accompanying the production of isotopes.

Claims (7)

중성자 발생장치에 있어서,In the neutron generator, 양 끝단이 밀봉된 원통형의 석영관(1)과;A cylindrical quartz tube 1 sealed at both ends; 상기 석영관(1)의 양 끝단을 밀봉하고 있는 밀봉체(2, 2')와;Sealing bodies (2, 2 ') sealing both ends of the quartz tube (1); 상기 석영관(1) 내부 중앙에 관의 길이 방향을 따라 배치되는 중성자 발생표적(3)과;A neutron generation target (3) disposed along the longitudinal direction of the tube in the center of the inside of the quartz tube (1); 상기 석영관(1) 내부면과 상기 중성자 발생표적(3) 사이에 관의 길이 방향을 따라 배치되고, 한쪽 단부가 접지되어 있는 플라즈마 전극(4)과;A plasma electrode (4) disposed between the inner surface of the quartz tube (1) and the neutron generating target (3) along the longitudinal direction of the tube and having one end grounded; 상기 석영관(1)의 양 끝단부 측에 설치된 한 쌍의 전자석(5, 5')과;A pair of electromagnets 5 and 5 'provided at both end sides of the quartz tube 1; 상기 한 쌍의 전자석(5, 5') 사이에 설치되며, 상기 석영관(1)의 외부를 둘러싸고 형성된 고주파 안테나(RF antenna; 6); A high frequency antenna (RF antenna) 6 disposed between the pair of electromagnets 5 and 5 'and formed to surround the outside of the quartz tube 1; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치.An ion source-targeting integral neutron generator, characterized in that it comprises a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 밀봉체(2, 2') 중, 일측의 밀봉체(2)에 상기 석영관(1)의 내부로 가스를 주입할 수 있는 가스 주입구(7)가 설치된 것을 특징으로 하는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치.The ion source-target integrated type, characterized in that a gas inlet (7) for injecting gas into the inside of the quartz tube (1) is provided in the seal (2) on one side of the seals (2, 2 '). Neutron generator. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 중성자 발생표적(3)은 내부에 공동이 있는 원통형(Hollow-cylinder type)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치.The neutron generation target (3) is an ion source-target integral neutron generator, characterized in that consisting of a hollow-cylinder type having a cavity therein. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와;An ion source-targeting integral neutron generator according to claim 1 or 2; 길이 방향으로 반으로 나누어진 원통형의 형상을 갖고, 상기 중성자 발생장치의 외측에 구비되어 상기 중성자 발생장치를 둘러싸고 있는 동위원소 생성 표적;An isotope generating target having a cylindrical shape divided in half in the longitudinal direction and disposed outside the neutron generator and surrounding the neutron generator; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 시스템.Isotope production system comprising a. 제 3 항에 기재된 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와;An ion source-targeting integral neutron generator according to claim 3; 봉(rod) 형태로 구성되며, 상기 중성자 발생표적(3)의 내부공동에 위치되는 동위원소 생성용 내부표적(16)과;Is formed in a rod (rod), the inner target 16 for isotope generation located in the inner cavity of the neutron generating target (3); 길이 방향으로 반으로 나누어진 원통형의 형상을 갖고, 상기 중성자 발생장치의 외측에 구비되어 상기 중성자 발생장치를 둘러싸고 있는 동위원소 생성용 외부표적(15);An outer target 15 for isotopic generation having a cylindrical shape divided in half in the longitudinal direction and provided outside the neutron generator and surrounding the neutron generator; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 시스템.Isotope production system comprising a. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 동위원소 생성 표적은,The isotope generation target, 질소(N-14), 황(S-32), 염소(Cl-35), 스칸듐(Sc-45), 코발트(Co-59), 니켈 (Ni-58), 아연(Zn-64), 아연(Zn-67), 이트륨(Y-89), 및 지르코늄(Zr-90) 중의 적어도 하나 또는 그 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 시스템.Nitrogen (N-14), Sulfur (S-32), Chlorine (Cl-35), Scandium (Sc-45), Cobalt (Co-59), Nickel (Ni-58), Zinc (Zn-64), Zinc Isotope production system comprising at least one or more of (Zn-67), yttrium (Y-89), and zirconium (Zr-90). 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 외부표적(15) 및 내부표적(16)은 각각,The outer target 15 and inner target 16 are respectively, 질소(N-14), 황(S-32), 염소(Cl-35), 스칸듐(Sc-45), 코발트(Co-59), 니켈(Ni-58), 아연(Zn-64), 아연(Zn-67), 이트륨(Y-89), 및 지르코늄(Zr-90) 중의 적어도 하나 또는 그 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 시스템.Nitrogen (N-14), Sulfur (S-32), Chlorine (Cl-35), Scandium (Sc-45), Cobalt (Co-59), Nickel (Ni-58), Zinc (Zn-64), Zinc Isotope production system comprising at least one or more of (Zn-67), yttrium (Y-89), and zirconium (Zr-90).
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