KR20070042922A - 강제 대류 타겟 어셈블리 - Google Patents

강제 대류 타겟 어셈블리 Download PDF

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KR20070042922A
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케네스 로버트 버클리
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트라이엄프,오퍼레이팅애즈어조인트벤쳐바이더거버너스 오브더유니버시티오브알버타더유니버시티오브브리티시콜롬비아 칼레톤유니버시티시몬프레이저유니버시티더유니버시티 오브토론토앤드더유니버시티오브빅토리아
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Abstract

타겟 유체가 빔 경로 내에서 타겟 유체의 효과적인 밀도를 증가시키는 방향으로 이동하도록 하는 타겟 어셈블리가 제공되고, 강제 대류를 이용하여 빔 수율을 향상시킨다. 또한, 상기 타겟 어셈블리는 상기 타겟 유체의 흐름을 가이드하거나 가속시키기 위하여 노즐, 분류기 및 변류기들을 더 포함할 수 있다. 상기 타겟 어셈블리는 상기 타겟 유체가 내부 슬리브를 따라 빔 전류 방향의 반대 방향으로 흐르도록 하여 반대 전류 흐름을 발생시키고, 상기 내부 슬리브의 내부면으로부터 벗어나는 상기 타겟 유체를 타겟 공동의 중심 영역을 향하여 흐르도록 방향을 바꾸어줄 수 있다. 이러한 반대 방향의 흐름은 상기 빔 경로 내의 상기 타겟 유체의 밀도를 감소시키는 자연 대류를 억제하여 상기 타겟으로부터 열전달을 증가시킨다.

Description

강제 대류 타겟 어셈블리{FORCED CONVECTION TARGET ASSEMBLY}
본 발명은 타겟 어셈블리 및 방사성 동위원소 생성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 강제 대류를 유도시키는 타겟 어셈블리 및 이를 이용한 방사선 동위원소 생성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 방사성 동위원소들은 에너지화된 대전 입자빔을 타겟 어셈블리 내에서 유지되는 타겟 유체(가스 또는 액체)에 조사시킴으로써 발생된다. 상기 에너지화된 대전 입자빔은 초당 입자수, 빔 전류(단위는 일반적으로 ㎂ 또는 ㎃), 입자 속도, 빔 에너지(단위는 일반적으로 KeV 또는 MeV), 그리고 빔 파워(단위는 일반적으로 W)와 같은 하나 또는 그 이상의 파라미터들에 의해 결정된다. 상기 입자빔의 에너지화된 입자들과 상기 타겟 유체내의 타겟 원자핵과의 상호 작용 중 하나는 적당한 조건들 하에서 상기 타겟 원자핵을 다른 원자로 변환시키는 핵반응을 발생시키는 것이다.
상기 핵반응들은 X(a, b)Y와 같이 약어로 나타낼 수 있다. 여기서, X는 상기 타겟 원자핵들을 나타내고, a는 충돌 물질 또는 빔 입자를 나타내고, b는 원자핵들에 의해 방출되는 입자를 나타내고, Y는 생성 물질 또는 생성 핵종을 나타낸다. 예 를 들면, 18O(p, n)18F는 양성자를 산소 동위원소 18O에 충돌시켜 중성자를 방출시켜 결과적으로 플루오르 동위원소 18F의 핵 구조로 변화시키는 핵반응을 나타낸다. 또 다른 예를 들면, 14N(p,α)11C는 양성자를 질소 동위원소 14N에 충돌시켜 α입자를 방출시켜 결과적으로 탄소 동위원소 11C의 핵 구조로 변화시키는 핵반응을 나타낸다.
핵반응이 발생되는 확률은 작용 단면적(cross-section)이라 불리고, 충돌 입자 에너지의 함수이며, 타겟 핵종, 충돌 입자 및 방출 입자의 조합에 따라 달라진다. 특정한 방사선 동위원소의 생성을 위해서는, 입자 형태, 빔 전류, 입자 에너지, 타겟 핵종 및 타겟 밀도들이 원하는 핵반응의 발생 가능성 및 원하는 생성 물질의 수율을 증가시키도록 선택 되어질 수 있다.
상기 에너지화된 대전 입자빔들을 발생시키는 데 사용되는 사이클로트론, 정전 가속기 및 고주파 4 중극과 같은 시스템들은 일반적으로 구입비용이 고가이며(일반적으로 1,000,000달러 이상임), 유지 및 운영비용 역시 고가이고, 고도로 숙련된 기술자를 필요로 한다. 예를 들면, 농축 18O 가스(일반적으로 리터당 500달러 이상임)나 농축 18O 중수(일반적으로 밀리리터당 100달러 이상임)와 같은 선호되는 타겟 물질들은 구입비용이 매우 고가이다. 그러나, 이러한 농축 18O 물질들은 플루오르 동위원소 18F의 생성을 위해 통상적으로 빈번히 사용되는 타겟 물질들이다. 또한, 상기 18O는 방사성 의약품인 18F-fluorodeoxyglucose(FDG)와 같은 식별용 방사선 동위원소의 제조에 사용된다. 상기 18F-fluorodeoxyglucose(FDG)는 암이나 다른 종류의 진단을 위한 양전자 단층 촬영(positron emission tomography; PET)에서 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 작용 단면적(cross-section) 파라미터는 원하는 핵반응이 발생하는 확률을 나타낸다. 그러므로, 원하는 생성 물질의 수율은 에너지화된 충돌 입자들의 수, 즉 빔 전류를 증가시킴으로써 확보될 수 있다. 동일한 빔 에너지를 유지하면서 상기 에너지화된 충돌 입자들의 수를 증가함으로써, 생성되는 원자핵들의 수를 증가시킬 수 있다. 대전된 입자의 범위 또는 매질을 통해 이동하는 거리는 대전된 입자의 에너지 및 상기 대전된 입자가 이동하는 매질의 특성들의 함수이다. 입자, 에너지 및 매질의 범위 값들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 종래 기술로서 알려져 있거나 이미 이용되고 있다.
유체 타겟들, 특히 가스 타겟들은 상기 타겟 물질에 축적되는 에너지를 감소시킬 뿐만 아니라, 상기 빔 에너지가 실질적으로 일정하게 유지된다면 상기 타겟 어셈블리에 인가되는 총 전력을 증가시키려 하는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 밀도 감소라 불린다. 이러한 현상은 상기 대전 입자빔과 상기 타겟 유체 사이의 상호 작용에 기인하고, 상기 상호 작용 동안 대부분의 에너지 전달은 핵반응보다 이온화 반응에 쓰이게 된다. 상기 에너지 전달은 상기 타겟 유체를 가열시켜 상기 타 겟 유체는 상승하고 결과적으로 상기 충돌 입자 빔의 영역으로부터 벗어나게 된다.
이러한 현상은 최초로 T(d,n)4He Reaction이라는 제목으로 Bama S.J. Jr과 Perry J.E. Jr에 의해 Physical Review지(Vol. 107, 페이지 1616-1620)에 1957년 발표되었다. 또한, Robertson L.P., White B.L., Erdman K.L.들은 빔이 가열되는 현상에 대한 논문을 Effect in Gas Targets라는 제목으로 Review of Scientific Instruments지(Vol. 32, 페이지 1405)에 1961년 발표하였다. 1982년에 Heselius S.J., Lindbolm P., Solin O.들은 가스 타겟 내에서 빔 상호 작용의 사진들을 Optical Studies Of The Influence Of An Intense Ion Beam On High-Pressure Gas Targets라는 제목으로 Int'lJ. of Applied Radiation지(Vol. 33, 페이지 653-659)에 발표하였고, 이 논문에는 상기 빔 전류가 고정된 에너지에서 증가될 때 확장된 빔 이동 현상이 나타나 있다.
상기 빔 영역으로부터 벗어나는 상기 타겟 원자핵들의 이동 현상은 상기 빔 경로(밀도) 내에 원자핵들의 수를 감소시키고, 이에 따라 상기 빔의 범위를 증가시키고, 거리가 고정된 경우에 상기 타겟 원자핵들에 전달되는 빔 전력의 비율을 감소시킨다. 또한, 이러한 이동 현상은 핵반응이 발생되는 수를 감소시키고, 생성 원자핵들의 수를 감소시킨다.
가스 타겟 내의 밀도 감소에 영향을 주는 요인은 균일한 온도 하에서 상기 가스를 유지시키는 타겟 어셈블리의 성능이다. 한 가지 접근은 상기 타겟 어셈블리의 형상을 입사되는 대전 입자 빔의 형상에 근접하게 일치되는 타겟 포락선(envelope)을 제공하도록 형성함으로써 상기 조사되는 입자빔으로부터 벗어나려 는 상기 가열된 타겟 가스의 대류 현상을 억제시키는 방향으로 이루어진다. 다른 접근은 상기 타겟의 길이를 증가시키거나 인가되는 압력을 증가시켜 상기 타겟 어셈블리 내에 열이 발생되지 않도록 하는데 필요한 값들 이상으로 유지하여 상기 입사되는 입자 빔에 노출되는 상기 타겟 원자핵들의 수를 증가시키는 방향으로 이루어질 수 있다. 이러한 접근들은 상기 타겟 포락선 내에서 상기 타겟 유체 내에 발생되는 압력 차이와 그로 인해 발생되는 국부적인 밀도 감소를 어느 정도 보상할 수 있다.
생산 수율에 영향을 미치는 추가적인 요인은 조사되는 대전 입자 빔이 입자 분포에 대해서 공간적으로 균일하지 않게 분포된다는 점이다. 실제로, 상기 빔 내의 입자들의 전형적인 분포는 실질적으로 빔 진행 방향에 대하여 수직하는 가우시안 방사형 분포(gaussian radial distribution)를 갖는다. 상기 빔 내의 입자 분포는 상기 빔의 중심 영역에 대하여 편향되게 나타나고, 상기 타겟 가스의 대류 이동은 상기 타겟 원자핵들을 상기 타겟 어셈블리 내에서 더 적은 빔 입자들에 노출되는 영역들로 이동시켜 생성시키고자 하는 동위원소의 발생을 감소시키게 된다.
결과적으로, 상기 타겟 챔버의 형상을 상기 빔 형상에 근접하게 일치시키는 것은 더 높은 빔 밀도 영역들내에서 상기 타겟 가스의 가열로 유발된 밀도 감소를 충분히 억제시키지 못한다. 더욱이, 빔 충돌 영역의 외부에 극히 적은 부피를 갖는 타겟 어셈블리내의 타겟 챔버에서는 빔 충돌 영역의 외부에 부피를 타겟 챔버보다 훨씬 더 큰 압력 증가가 일어나게 된다. 상기 축소된 부피의 타겟 챔버 내에서 일어나는 더 큰 압력 증가를 조절하기 위해서, 상기 챔버 빔 윈도우 및 챔버 벽들은 더욱 강하게 만들어져야 하고, 이로 인해 특히, 상기 챔버 빔 윈도우의 경우에 있어서, 상기 타겟 가스에 인가될 수 있는 빔 에너지 및/또는 빔 전류의 비율을 감소시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 강제 대류를 유도시키는 타겟 어셈블리 및 이를 이용한 방사선 동위원소 생성 방법을 제공하는 데 있다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 타겟 어셈블리는 빔 조사 중에 타겟 유체를 지지하도록 배치된 외부 엔벨로프(envelope), 상기 외부 엔벨로프 내에 배치되고 타겟 공동 내에 상기 타겟 유체의 일부를 둘러싸는 내부 슬리브, 일정한 방향을 갖는 에너지화된 입자빔이 상기 외부 엔벨로프를 통하여 타겟 공간으로 입사될 수 있도록 상기 외부 엔벨로프를 관통하여 배치된 빔 윈도우, 및 빔 조사 중에 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동 내에서 상기 빔 방향의 반대 방향으로 이동하도록 유도하는 유체 구동 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 외부 엔벨로프는 상기 타겟 유체로부터 열을 흡수하고 상기 열을 냉각 유체로 제공하는 열전달 구조물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 외부 엔벨로프의 외부에 위치하는 모터 및 상기 외부 엔벨로프의 내부에 배치된 임펠러를 포함하고, 상기 모터와 상기 임펠러는 기계적으로 또는 자계적으로 커플링(coupling)되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 외부 엔벨로프 외부에 위치하는 모터 및 상기 모터로부터 연장되고 상기 외부 엔벨로프의 개구부를 통과하는 회전축을 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 임펠러는 상기 내부 슬리브의 외부면과 이에 대응하는 상기 외부 엔벨로프의 내부면 사이에서 정의되는 순환 공간상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 임펠러는 상기 내부 슬리브의 외부면과 이에 대응하는 상기 외부 엔벨로프의 내부면 사이에서 정의되는 고리 모양의 공간상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 타겟 유체를 노즐을 통해 상기 타겟 공동 내부로 구동시키도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 내부 슬리브는 상기 내부 슬리브의 내부면 상에 배치되고, 타겟 유체가 상기 타겟 공동의 중심 영역을 향한 흐름 방향을 갖도록 변류시키는 변류기 어셈블리를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 타겟 유체가 초기 방향을 갖고 흐르도록 배치되고, 상기 타겟 어셈블리 내에 제공된 구조물은 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동의 종단축과 평행하고 상기 빔 방향과 반대 방향을 갖고 흐르도록 방향을 바꾸는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 방사성 동위원소 형성 방법은 타겟 유체를 타겟 공동으로 도입하는 단계, 상기 타겟 공동 내에의 상기 타겟 유체를 에너지화된 입자 빔으로 조사하여 방사성 동위 원소를 형성하는 단계 및 상기 타겟 유체가 조사될 때, 상기 타겟 유체 내에서 자연 대류에 의한 이동보다 적어도 더 큰 크기 상태를 갖는 이동을 유도하는 단계를 포함하다. 이 경우에 있어서, 상기 타겟 유체 내에서 유도된 이동 방향은 상기 에너지화된 입자빔의 방향과 동일한 축이며, 상기 입자빔의 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 타겟 어셈블리는 빔 경로 내에서 타겟 유체의 효과적인 밀도를 증가시키기 위해 타겟 어셈블리 내에서 타겟 유체를 이동시켜, 빔 수율을 향상시킨다.
본 발명의 다른 특징 또는 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 여러 가지 실시예들을 상세하게 기술함으로써 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 타겟 어셈블리의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 타겟 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 타겟 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 타겟 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 타겟 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 타겟 어셈블리의 단면도이다.
상기 도면들은 이하 상술되는 본 발명의 실시예들의 이해에 도움을 주기 위하여 제공되며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지는 않는다. 특히, 상기 도면들에 도시된 여러 가지 구성 요소들의 상대적인 간격, 크기 및 치수는 측정하여 도시된 것이 아니며, 확대되거나 축소되거나 또는 양호한 명확성을 위하여 수정될 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 장비 정렬 구조 또는 고정물과 같은 커플러의 구조에서 일반적으로 이용될 수 있는 구조들이 간략하게 생략되어, 명확성을 향상시키고 도면수를 감소시킴을 이해할 것이다.
입자빔은 가능한 한 에너지 손실이 적도록 타겟에 입사되어야 한다. 가속기 내에서 상기 입자빔 발생과 상기 타겟으로의 수송은 입자들의 손실을 최소화하도록 진공에서 이루어진다. 상기 타겟 주위의 고압 환경은 상기 진공으로부터 고립되도록 하면서 상기 입자빔이 상기 타겟 챔버내로 입사되어야 한다. 빔 윈도우나 포트(port)를 형성하는 한 가지 방법은 한 쌍의 얇은 금속 호일들을 사용하고, 상기 금속 호일들 사이로 헬륨(He)이나 다른 냉각 가스를 통과시켜 상기 입자빔의 통과에 의해 상기 호일 내에 발생된 열을 제거한다. 빔 윈도우나 포트를 형성하는 또 다른 방법은 하나의 얇은 금속 호일을 사용하고, 상기 호일은 미국특허공보 제5,917,874호에 개시된 그리드(grid)와 같은 수냉식 구조물에 의해 지지된다. 그러나, 상기 그리드는 부분적으로 상기 입자빔을 방해하여 실제로 상기 타겟에 입사되어 타겟 원자핵들에 도달하는 빔입자들의 수를 감소시킨다. 상기 호일을 통과할 때 에너지 손실이 감소되는 것과 같이 더 얇은 출입 호일들에 의해 얻어지는 장점들은 더욱 더 높은 압력을 수용할 수 있는 기계적 강도를 증가시키는 것과 같이 더 두꺼운 출입 호일들에 의해 얻어지는 장점들에 비해 뛰어난 효과를 가진다고는 볼 수 없다.
본 발명에 따른 개선된 타겟 어셈블리는 강제 대류를 이용하여 타겟 가스로 부터 타겟 물체로의 열전달을 증가시키며, 타겟 가스를 냉각시키고, 조사 중에 상기 타겟 가스가 국부적으로 가열되는 것을 감소시켜 상기 국부적 가열로 인한 밀도 감소를 감소시킨다. 유체 운동은 상기 유체 챔버 내에 설치된 팬이나 송풍 장치에 의해 발생된다. 상기 개선된 타겟 어셈블리의 바람직한 일실시예들은 도 1 내지 도 6에 도시된다. 본 발명에 따른 타겟 어셈블리에 따르면, 강제 대류에 의해 발생된 가스 속도들은 상기 빔이 타겟 유체를 가열함에 따라 발생되는 자연 대류에 의한 가스 속도들보다 훨씬 빠르기 때문에, 더 빠른 냉각율을 얻을 수 있다.
상기와 같은 더 빠른 냉각율은 상기 타겟 챔버 내에 분포된 타겟 가스의 온도 변화들의 감소와 상기 빔 경로내의 타겟 원자핵들의 밀도 증가를 가져오고, 이에 따라, 주어진 빔 전류와 타겟 유체 공급 및/또는 증가된 빔 전류와 타겟 유체 공급에 대해 종래 타겟으로부터 원하는 동위 원소들의 수율을 향상시킬 수 있다. 유사하게는, 강제 대류에 의해 제공되는 이점들은 원하는 동위 원소의 생산을 유지하거나 증가시키면서, 빔 전류의 증가나 타겟 유체의 부피 감소를 가져올 수 있다. 본 발명에 따른 타겟들을 실행하는 데 있어 적당한 범위의 선택은 어떤 이점이 사용자에게 더 유리한 지 여부에 달려있다.
상기 개선된 타겟 어셈블리는 블라우어(blower) 어셈블리를 포함한다. 상기 블라우어 어셈블리는 타겟 엔벨로프(envelope)의 내부에 또는 인접하여 설치되고, 외부 모터의 직접 또는 자계적 커플링(coupling)에 의해 회전한다. 상기 블라우어 어셈블리는 상기 가스가 상기 타겟의 중심 영역으로부터 상기 타겟의 벽들을 향하도록 하여 상기 가스가 상기 타겟의 후방으로 진행하도록 한다. 상기 타겟 엔벨로 프의 벽들은 열전달을 개선시키기 위해 다양한 형태의 변경이 가능하며, 예를 들면, 표면의 거칠기의 변경, 열전달 표면적을 증가하기 위한 핀(fin)들의 추가, 또는 표면적을 증가시키기 위하여 상기 타겟 벽에 금속 포말의 추가적 결합 등에 의해 형성될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 금속 포말은 ERG Materials and Aerospace Corportion (Oakland CA, USA)과 같은 공급자들로부터 상업적으로 이용할 수 있다. 상기 타겟 엔벨로프의 벽들의 형상에 대한 상기와 같은 변경들은 상기 타겟 어셈블리의 냉각 성능을 향상시킬 수 있을지라도, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니다.
노즐 어셈블리는 상기 타겟 엔벨로프의 뒷부분을 향해 제공되고, 타겟 가스가 상기 입자 빔이 상기 타겟 엔벨로프로 들어오는 상기 타겟 엔벨로프의 전방 영역을 향하여 흐르도록 하여준다. 상기 노즐은 상기 타겟 가스가 상기 타겟 엔벨로프로 들어오는 입자빔과 동축이고 반대 방향으로 상기 타겟 엔벨로프를 통하여 흐르도록 배치된다. 타겟 가스의 이러한 흐름은 충분한 부피와 속도를 가지고 있어 빔 가열과 관련된 타겟 가스 밀도 감소를 부분적으로 억제하며 상기 입자빔 내에 증가된 평균 타겟 가스 밀도를 유지시키고, 빔 가열과 관련된 밀도 감소를 보상한다. 추가적으로, 상기 타겟 가스로부터 이를 둘러싸고 있는 타겟 어셈블리 구조로의 열전달은 증가된 가스 이동과, 상기 가스 엔벨로프 표면들 상에서 가스 경계층의 파괴 및 난류에 의해 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 타겟 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 타겟 어셈블리(100)는 개방 된 실린더 형상을 갖으며, 타겟 공동(110)을 둘러싸는 내부 슬리브(102)를 포함한다. 내부 슬리브(102)는 타겟 엔벨로프를 정의하는 외부 덮개(106)에 의해 둘러싸여진다. 외부 덮개(106)의 일부에는 타겟 호일(104)이나 타겟 윈도우가 대신하여 배치되고, 상기 입자빔은 상기 타겟 호일(104)이나 상기 타겟 윈도우를 통하여 B 방향으로 상기 타겟 엔벨로프로 입사된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모터(112)는 상기 타겟 엔벨로프의 외부에 배치되고, 밀봉부(seals)(116)를 통하여 연장된 회전축(114)에 의해서 상기 타겟 엔벨로프 내에 배치된 팬 블레이드(fan blade)나 임펠러(impeller)(118)와 연결된다.
상기 팬 또는 임펠러(118)가 작동되면, 상기 타겟 공동을 통하여 상기 빔 방향(B)과 반대 방향인 유동 방향(F)으로 흐르는 상기 타겟 유체를 발생시킨다. 상기 타겟 유체는 상기 입자빔에 대하여 반대 방향으로 상기 타겟 공동을 통해 흐르게 되어 상기 입자빔에 의한 타겟 유체의 가열로 인한 자연 대류를 방해하고, 상기 타겟 유체의 효과적인 밀도를 증가시킨다. 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동의 빔 단부에 도달하면, 상기 타겟 유체는 반경 방향으로의 흐름을 띠게 되고, 상기 내부 슬리브(102)의 외부면과 이에 대응하는 상기 외부 덮개(106)의 내부면 사이에서 정의되는 공간(108)으로 흐르게 된다. 상기 내부 슬리브와 상기 외부 덮개의 마주보는 면들은 일반적으로 실린더 형상을 가질 때, 상기 공간(108)은 고리 모양의 형상을 갖게 된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 타겟 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 타겟 어셈블리(200)의 상기 외부 덮개(106)는 통합 냉각 채널들(122)을 포함한다. 채널 입구(120)로 주입된 냉각제는 상기 냉각 채널들을 통해 흐르고, 채널 출구(124)로 빠져나감으로써 상기 외부 덮개(106)와 상기 공간(108)내의 상기 타겟 유체의 일부를 냉각시킨다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 내부 슬리브의 내부면에는 하나 또는 그 이상의 변류기들(126)이 배치된다. 상기 변류기(126)는 상기 팬이나 임펠러(118)에 의해 유도된 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동(110)의 중심 영역으로 다시 향하도록 방향을 바꾸어준다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 타겟 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 타겟 어셈블리(300)는 상기 팬이나 상기 임펠러(118)에 인접하여 상기 내부 슬리브(102)에 배치된 노즐 구조물(128)을 포함한다. 상기 노즐 구조물은 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동을 통과할 때 상기 타겟 유체의 흐름을 가속시킨다. 상기 노즐 구조는 상기 타겟 유체가 상기 입자 빔으로 더욱 더 정밀하게 흐르도록 집중시킨다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 타겟 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 타겟 어셈블리(400)의 내부 슬리브(102)는 빔을 향한 쪽에는 더 작은 일단부(102a)와 상기 팬이나 임펠러(118)에 근접한 쪽에는 더 큰 타단부(102b)를 갖는 절단원뿔형(frustoconical)의 형상을 갖는다. 상기 절두원뿔형의 형상은 상기 타겟 유체를 제한하고, 상기 입자빔이 상기 호일을 통해 상기 타겟 엔벨로프로 입사될 때 상기 타겟 호일에 가장 근접한 상기 타겟 공동(110)의 영역 내에서 상기 타겟 유체의 흐름을 가속시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 절두원뿔형의 형상은 상기 내부 슬리브(102)의 전체 영역에 걸쳐 형성되지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 끝이 가늘어지는 영역은 상기 일단부(102a)에 한정되고 나머지 영역은 실질적으로 실린더 형상으로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 타겟 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 타겟 어셈블리(500)는 유체 구동 어셈블리를 포함한다. 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 내부 슬리브(102)의 외부면과 그에 대응하는 상기 외부 덮개(106)의 내부면 사이에서 정의되는 상기 공간 내에 배치된다. 전술한 바와 같이, 상기 타겟 유체를 압축하거나 가속시키기 위해 상기 모터와 상기 임펠러, 또는 상기 모터와 다른 블레이드(132) 사이에 커플링(coupling)은 직접적이지 않지만, 그 대신 전계 커플링(magnetic coupling)에 의존하여 상기 타겟 어셈블리 내에 누출이나 오염의 가능성을 감소시킨다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 타겟 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 타겟 어셈블리(600)는 상기 타겟 공동(110)의 장축에 수직하여 배치된 상기 유체 구동 어셈블리(112, 114, 116, 118)를 포함한다. 이에 따라, 추가적으로 분류기(diverter) 구조물(134)과 변류기 구조물(deflector)(136)들은 상기 내부 슬리브(102) 내부 또는 그에 인접하여 배치되어 상기 초기 반경 방향의 흐름을 상기 타겟 공동(110)을 따라 축 방향의 흐름으로 재설정해준다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 입자빔으로부터 상기 타겟 유체로의 에 너지 축적은 상기 타겟 어셈블리내의 압력 상승을 가져온다. 그로인해, 상기 타겟 어셈블리 구조물의 기계적 강도는 상기 타겟 내에 축적되는 총 빔 전력을 제한한다. 주어진 전력 축적에 따른 상기 타겟 어셈블리 내에서 관측되는 압력 상승은 상기 타겟 어셈블리의 열전달 특성들의 평가 기준이 되고, 적은 압력 상승을 갖는 타겟 어셈블리는 더 우수한 열전달 특성을 갖는다. 열전달 파라미터는 주어진 타겟 어셈블리에 대하여 알려진 전력이 상기 타겟에 축적될 때 수학식 1로부터 구해질 수 있다. 상기와 같은 장치가 설치되고 전술한 강제 대류 유체 흐름을 발생시키는 송풍 어셈블리의 유무에 따른 열전달 파라미터들을 측정한다. 표 1a(자연 대류) 및 표 1b(강제 대류)들은 이러한 실험 결과들을 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112006092165788-PCT00001
(상기 수학식 1에서, hc = 열전달 계수,
Q = 입력 열량(W),
A = 타겟 내부 면적(m2),
T1 = 타겟 벽 표면의 온도(K),
P2 = 열량이 인가될 때 압력(psia),
P1 = 초기 압력(psia) 이다.)
표 1은 열전달 계수를 증가시키고 상기 타겟 유체내의 압력 증가를 감소시키는 상기 타겟 어셈블리의 개선된 성능을 분명하게 보여준다. 본 발명에 따른 강제 대류 타겟 어셈블리의 다소 단순하고 최적화되지 않은 실시예에서는 같은 전력 레벨에서 약 45% 정도의 감소된 압력 상승(143psig에서 94psig)과 약 70% 정도의 증가된 열전달 파라미터(180W/m2k 대 105W/m2K)가 측정된다. 즉, 본 발명은 더 높은 타겟 유체 전하들, 더 얇은 타겟 호일 및/또는 개선된 수율을 가지며, 더 높은 빔 전류에서 동위원소 생성 과정이 이루어질 수 있도록 한다.
[표 1a]
자연 대류 타겟 어셈블리
축적 전력(W) 타겟 압력(psig) 열전달 계수(W/m2K)
0 203
6 213 46
20 232 58
41 254 67
77 283 79
118 312 89
180 346 104
[표 1b]
강제 대류 타겟 어셈블리
축적 전력(W) 타겟 압력(psig) 열전달 계수(W/m2K)
0 203
7 207 125
23 216 141
52 233 142
93 253 153
144 276 162
204 297 178
본 발명의 실시예들에 따른 타겟 어셈블리는 빔 경로 내에서 타겟 유체의 효과적인 밀도를 증가시키기 위해 타겟 어셈블리 내에서 타겟 유체를 이동시켜, 빔 수율을 향상시킨다. 전술한 바와 같이, 상기 타겟 어셈블리는 강제 대류를 이용하고, 상기 타겟 엔벨로프 내에 배치된 구조물들을 이용하여 타겟 유체를 내부 슬리브 내에서 빔 전류의 방향과 반대 방향으로 흐르게 한다. 즉, 타겟 유체의 반대 전류 흐름을 생성하여 중심 영역으로 타겟 유체의 흐름을 변하게 한다. 이러한 타겟 유체의 반대 흐름은 유체 가열에 의해 빔 경로 내의 타겟 유체의 효과적인 밀도를 떨어뜨리고 타겟으로부터 열전달을 증가시키는 자연 대류 효과들을 어느 정도 억제시키고, 더 낮은 온도나 압력에서도 반응이 일어날 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 빔 조사 중에 타겟 유체를 지지하도록 배치된 외부 엔벨로프(envelope);
    상기 외부 엔벨로프 내에 배치되고 타겟 공동 내에 상기 타겟 유체의 일부를 둘러싸는 내부 슬리브;
    일정한 방향을 갖는 에너지화된 입자빔이 상기 외부 엔벨로프를 통하여 타겟 공간으로 입사될 수 있도록 상기 외부 엔벨로프를 관통하여 배치된 빔 윈도우; 및
    빔 조사 중에 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동 내에서 상기 빔 방향의 반대 방향으로 이동하도록 유도하는 유체 구동 어셈블리를 포함하는 타겟 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 엔벨로프는 상기 타겟 유체로부터 열을 흡수하고 상기 열을 냉각 유체로 제공하는 열전달 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 외부 엔벨로프는 상기 타겟 유체로부터 상기 냉각 유체로의 열전달을 증가시키기 위한 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 외부 엔벨로프는 상기 타겟 유체로부터 상기 외부 엔벨로프로의 열전달을 증가시키기 위한 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 외부 엔벨로프는 상기 외부 엔벨로프로부터 상기 냉각 유체로의 열전달을 증가시키기 위한 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 외부 엔벨로프는 상기 외부 엔벨로프의 내부면과 외부면 사이에 형성되어 상기 냉각 유체가 흐르는 냉각 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 외부 엔벨로프의 외부에 위치하는 모터와 상기 외부 엔벨로프의 내부에 배치된 임펠러를 포함하고, 상기 모터와 상기 임펠러는 기계적으로 또는 자계적으로 커플링(coupling)되는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 외부 엔벨로프 외부에 위치하는 모터와, 상기 모터로부터 연장되고 상기 외부 엔벨로프의 개구부를 통과하는 회전축을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 임펠러의 축은 상기 타겟 공동을 관통하여 연장된 종단축과 동일한 축인 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 임펠러의 축은 상기 타겟 공동을 관통하여 연장된 종단축과 직교하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 임펠러는 상기 내부 슬리브의 외부면과 이에 대응하는 상기 외부 엔벨로프의 내부면 사이에서 정의되는 순환 공간상에 배치되는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 임펠러는 상기 내부 슬리브의 외부면과 이에 대응하는 상기 외부 엔벨로프의 내부면 사이에서 정의되는 고리 모양의 공간상에 배치되는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 타겟 유체를 노즐을 통해 상기 타겟 공동 내부로 구동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 슬리브는 상기 내부 슬리브의 내부면 상에 배치되고, 타겟 유체가 상기 타겟 공동의 중심 영역을 향한 흐름 방향을 갖도록 변류시키는 변류기 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 구동 어셈블리는 상기 타겟 유체가 초기 방향을 갖고 흐르도록 배치되고, 상기 타겟 어셈블리 내에 제공된 구조물은 상기 타겟 유체가 상기 타겟 공동의 종단축과 평행하고 상기 빔 방향과 반대 방향을 갖고 흐르도록 방향을 바꾸는 것을 특징으로 하는 타겟 어셈블리.
  16. 타겟 유체를 타겟 공동으로 도입하는 단계;
    상기 타겟 공동 내에의 상기 타겟 유체를 에너지화된 입자 빔으로 조사하여 방사성 동위원소를 형성하는 단계; 및
    상기 타겟 유체가 조사될 때, 상기 타겟 유체내에서 자연 대류에 의한 이동보다 적어도 더 큰 크기 상태를 갖는 이동을 유도하는 단계를 포함하는 방사성 동위원소 생성 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 타겟 유체 내에서 유도된 이동 방향은 상기 에너지화된 입자빔의 방향과 동일한 축이며, 상기 입자빔의 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소 생성 방법.
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