KR20100103652A - 고에너지 양성자 및 또는 중성자 소스 - Google Patents

고에너지 양성자 및 또는 중성자 소스 Download PDF

Info

Publication number
KR20100103652A
KR20100103652A KR1020107016871A KR20107016871A KR20100103652A KR 20100103652 A KR20100103652 A KR 20100103652A KR 1020107016871 A KR1020107016871 A KR 1020107016871A KR 20107016871 A KR20107016871 A KR 20107016871A KR 20100103652 A KR20100103652 A KR 20100103652A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
target
chamber
accelerator
target chamber
ion beam
Prior art date
Application number
KR1020107016871A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101591688B1 (ko
Inventor
그레고리 피퍼
Original Assignee
그레고리 피퍼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 그레고리 피퍼 filed Critical 그레고리 피퍼
Publication of KR20100103652A publication Critical patent/KR20100103652A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101591688B1 publication Critical patent/KR101591688B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
    • G21G1/00—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes
    • G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
    • G21G1/10—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators by bombardment with electrically charged particles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 의료용 동위원소 생성 및 핵 폐기물의 변환을 포함한 다른 적용들에 유용한 컴팩트 고에너지 양성자 소스를 제공한다. 또한, 본 발명은 연료 형태를 변화시킴으로써 높은 플럭스의 동위원소 중성자들을 발생시키는데 사용될 수 있는 디바이스를 제공한다. 또한, 본 발명은 18F, 11C, 15O, 63Zn, 124I, 133Xe, 111In, 125I, 131I, 99Mo 및 13N을 포함하고 이에 제한되지는 않는 동위원소들을 발생시키는 장치를 제공한다.

Description

고에너지 양성자 및 또는 중성자 소스{HIGH ENERGY PROTON OR NEUTRON SOURCE}
본 출원은 2007년 12월 28일 출원된 미국 가특허 출원 제 61/017,288호 및 2008년 12월 22일 출원된 미국 가특허 출원 제 61/139,985호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
원자로, 파쇄 디바이스(spallation device), 사이클로트론, 선형가속기(linac), 또는 기존 빔-타겟 가속기 디바이스(beam-target accelerator device)와 같은 양성자 및 중성자 소스들은, 전형적으로 의학적 적용을 위한 단수명 방사성동위원소(short-lived radioisotope)를 생성하는데 사용된다. 이 종래의 소스들은 거대하고 값비싼 구조체들이며, 특수한 차폐 시설들을 필요로 하는 상당량의 고-에너지 방사선을 생성한다는 것을 포함한 많은 단점을 갖는다. 차폐 시설들은 일반적으로 고가이고, 몇몇 위치들에서만 이용가능하다. 추가적으로, 사이클로트론 및 선형가속기와 같은 소스들은 중성자 소스로서 사용되는 경우, 제한된 타겟 수명의 단점을 갖는다. 이 소스 시설들 중 건강 관리 시설에 위치되는 것은 거의 없으며, 이는 동위원소 특히 빠른 붕괴로 인해 짧은 반감기를 갖는 동위원소를 사용하여 혜택을 얻을 수 있는 환자들을 치료하기 어렵게 한다. 짧은 반감기 동위원소들이 필요한 경우, 동위원소 생산 시설에 접근할 수 있는 의료 시설들만이 붕괴하기 전에 환자에게 도달할 만큼 많은 양을 생산할 수 있다.
제한된 접근 외에도, 기존 디바이스들은 디바이스의 형태에 따라 다양한 기술적인 문제들을 갖는다. 고체 타겟(solid target)-기반 디바이스들에 대해, 빔이 헬륨 입자들로 구성되는 경우와 같이 헬륨 조사(irradiation)에 의해 타겟이 빠르게 손상되거나, 또는 빔이 듀테륨 입자들로 구성되는 경우와 같이 듀테륨이 타겟에 빠르게 로딩(load)될 수 있다. 이러한 듀테륨 로딩은 타겟으로부터 헬륨을 제거하고(시간상 빠르게 산출량을 감소시킴), 바람직하지 않은 2H-2H 핵반응의 원인이며, 이는 고에너지 중성자를 생성하고 상당한 차폐를 필요하게 한다. 또한, 양성자들이 등방성으로 방출되기 때문에 고체 타겟 디바이스에서 유용하게 포획될 수 있는 양성자의 수가 제한될 수 있으며, 대부분이 타겟 물질 내에 더 깊이 묻힐 것이다. 짧은 타겟 수명 외에도, 타겟을 차갑게 유지하는 것과 연계된 과제들로 인해 이 디바이스들의 출력이 제한될 수 있다.
기존 가스 타겟-기반 디바이스들에 대해, 제약들로는 빔-배경 모드(beam-background mode)에서 IEC(inertial electrostatic confinement)와 같은 반응에 필요한 전체 에너지에 도달하지 못하는 이온 빔, 또는 고압 타겟 및 저압 가속기 구역을 분리하는 얇은 윈도우의 짧은 수명을 포함할 수 있다. 또한, 배경 가스 압력은 성공적인 결과에 결정적일 수 있다. 너무 높거나 너무 낮은 압력은 비효율적인 작업을 야기할 수 있으며, 결과적인 출력 레벨들이 의료 절차들을 포함한 적용들에 유용하기에는 너무 낮을 수 있다.
종래의 양성자 또는 중성자 소스들의 이러한 제약 및 다른 제약은, 작거나 멀리 떨어진 공동체가 동위원소 발생을 이용할 수 없게 하며, 추가적으로 이러한 큰 시설들에 대해 상당한 설비 투자를 필요로 한다.
본 발명의 원리들을 이용하는 고에너지 컴팩트 양성자 또는 중성자 소스(high energy compact proton or neutron source)가 종래의 양성자 또는 중성자 소스들의 단점을 극복한다. 본 발명에 따른 디바이스는 연료 형태 및 가속기 전압을 변화시킴으로써 양성자나 중성자를 발생시킬 수 있다. 디바이스는 이온 소스, 가속기, 및 자기 타겟 챔버(magnetic target chamber), 고속 동기식 펌프(high speed synchronized pump)와 커플링되어 작동하는 선형 타겟 챔버, 또는 선형 타겟 챔버와 동위원소 추출 시스템으로서 구성되고 치수화되는 타겟 시스템을 포함한다. 본 발명에 따른 고에너지 양성자 소스는 가속기로부터의 이온 소스 흐름과 동기화되는 고속 펌프를 더 포함할 수 있다. 이 동기화된 고속 펌프는, 대부분의 물질이 타겟 챔버를 벗어나는 것을 방지하며, 차동(differential) 펌핑 시스템의 필요성을 제거하고, 및/또는 더 작은 선형 타겟 챔버가 사용되게 할 수 있다.
일 실시형태에서, 본 발명은 의료용 동위원소의 발생을 위한 고에너지 저방사선 양성자 소스를 제공한다. 본 발명에 따른 소스는 2H-3He 연료 반응을 통해 고에너지 양성자(> 10 MeV)를 생성한다. 발생된 동위원소는 양전자 방출 단층촬영(PET) 진단 절차뿐 아니라, 다른 이미징 및 치료 절차들에서 사용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 양성자 소스는 18F, 11C, 15O, 124I, 및 13N과 같은 동위원소들을 발생시키는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 저방사선 디바이스에서 13N, 11C 및 15O를 생성하는 능력은 새로운 이미징 절차들의 개발을 더 용이하게 한다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 사이클로트론과 같은 종래의 기술보다 덜 고가이고 더 컴팩트한 디바이스에서의 의료용 동위원소 발생을 위한 고에너지 양성자 소스를 제공한다. 의료용 동위원소 발생을 위한 고에너지 양성자 소스는 종래의 기술들에 비해 최소량의 방사선을 생성하여, 발생기를 하우징하는 특수한 벙커들의 필요성을 최소화하거나 제거하며, 이에 따라 환자들에 대해 더 많은 접근을 허용한다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 특수화된 차동 펌핑 시스템을 이용함으로써 높은 타겟 챔버 압력과 낮은 가속기 구역 압력의 조합으로 작동할 수 있는 의료용 동위원소 발생을 위한 고에너지 양성자 소스를 제공한다. 이 조합은 높은 작동 전압들(300 kV 내지 500 kV 이상)들을 허용하는 한편, 고에너지 양성자들(> 10 MeV)의 높은 출력 수율(high output yield)(> 1013 양성자/초)을 생성한다. 본 발명은 더 낮은 타겟 챔버 압력으로의 작동을 허용하고, 종래의 빔-타겟 가속기 디바이스보다 더 작은 타겟 챔버를 갖는 자기 타겟 챔버와 통합할 수 있다. 자기 타겟 챔버에서는, 연료 이온이 자기장 라인들을 둘러싸서, 더 긴 챔버를 통해 거의 직선으로 통과하는 빔과 비교하여 짧은 챔버에서 긴 경로 길이를 산출한다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명의 원리들을 이용하는 중성자 소스는 높은 플럭스의 등방성 중성자들을 발생시킬 수 있다. 등방성 플럭스의 고에너지 중성자들은 2H-3He로부터 2H-2H, 2H-3H 또는 3H-3H까지 연료 형태를 변화시키고, 이에 따라 가속기 전압을 조정함으로써 발생될 수 있다. 고에너지 중성자 소스는 99mTc(준-안정 99Tc)로 붕괴하는 99Mo- 이는 의료 진단 절차들에 사용됨 -뿐 아니라, 131I, 133Xe, 111In 및 125I를 포함하는 방사성 의약품에 대한 물질들을 산출할 수 있다.
다른 실시형태들에서, 본 발명에 따른 양성자 또는 중성자 소스는 물리적 환경, 물질, 및 전기장과 자기장- 양성자의 경우 -을 조사하는 고에너지 양성자 또는 중성자의 효과들의 시험과 같이 적용들을 연구하는데 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 양성자 소스는 핵 폐기물을 포함한 물질들의 변환 및 물리적 특성들을 향상시키도록 양성자들로 물질들을 임베딩(embedding)시키는 것과 같은 적용들에 사용될 수도 있다. 중성자 소스는 핵 폐기물을 포함한 물질들의 변환; 원석의 착색; 물리적 특성들을 향상시키기 위한 중성자로의 물질들의 조사; 핵무기, 폭약, 마약 및 생물 농약과 같은 은밀한 물질들의 검출; 및 아임계 원자로에 대한 추진 인자로서의 중성자 소스의 사용과 같은 다른 적용들에 이용될 수 있다.
첨부된 도면들에 함께 본 명세서에 제시된 특정 실시예들의 상세한 설명을 참조하여, 본 발명을 더욱 이해하고 인식할 수 있다:
도 1은 자기 타겟 챔버를 갖는 발생기의 제 1 도면;
도 2는 자기 타겟 챔버를 갖는 발생기의 제 2 도면;
도 3은 선형 타겟 챔버를 갖는 발생기의 제 1 도면;
도 4는 이온 소스의 제 1 도면;
도 5는 이온 소스의 단면도;
도 6은 가속기의 제 1 도면;
도 7은 가속기의 단면도;
도 8은 차동 펌핑의 제 1 도면;
도 9는 차동 펌핑의 단면도;
도 10은 가스 여과 시스템의 제 1 도면;
도 11은 자기 타겟 챔버의 제 1 도면;
도 12는 자기 타겟 챔버의 단면도;
도 13은 선형 타겟 챔버의 제 1 도면;
도 14는 18F 및 13N 생성에 대한 예시적인 동위원소 발생 시스템을 나타내는 선형 타겟 챔버의 단면도;
도 15는 선형 타겟 챔버 및 동기화된 고속 펌프를 갖는 발생기의 제 1 도면;
도 16은 이온 빔의 통과를 허용하는 추출 상태 시 동기화된 고속 펌프의 단면도;
도 17은 이온 빔의 통과를 허용하지 않는 억제 상태 시 동기화된 고속 펌프의 단면도;
도 18은 선형 타겟 챔버 및 동기화된 고속 펌프를 갖는 발생기 및 제어기의 일 실시예의 개략적인 도면;
도 19는 10 torr 가스 압력 및 25 ℃에서 2H 이온들에 대한 3He 가스의 정지 파워(stopping power)에 대한, 정지 파워(keV/㎛) 대 이온 에너지(keV)의 그래프;
도 20은 10 torr 가스 압력 및 25 ℃에서 2H 이온들에 대한 3He 가스의 정지 파워에 대한, 정지 파워(keV/㎛) 대 이온 에너지(keV)의 그래프; 및
도 21은 10 torr의 3He에 충돌하는 100 mA 입사 3H 빔에 대한, 핵융합 반응 속도(반응/초) 대 이온 빔 입사 에너지(keV)의 그래프이다.
본 발명은 고에너지 양성자 소스 또는 중성자 소스로서 기능할 수 있는 컴팩트 디바이스를 제공한다. 일 실시예에서, 본 발명의 원리들을 이용하는 디바이스는 양성자들을 발생시키기 위해 2H-3He(듀테륨-헬륨 3) 핵융합 반응을 이용하며, 이는 다른 동위원소들을 발생시키는데 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 디바이스는 기초 반응(base reaction)들을 2H-3H, 2H-2H 또는 3H-3H 반응들로 변화시킴으로써 중성자 소스로서 기능한다.
본 발명의 여하한의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 명세서에서 본 발명은 아래의 설명들에서 설명되거나 아래의 도면들에 예시되는 구성요소들의 구성 및 배치의 세부내용에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예들을 수행할 수 있으며, 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있게 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어법 및 전문용어는 설명을 위한 것이며, 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에서, "포함하는", "포괄하는", 또는 "갖는"이라는 용어 및 그 변형의 사용은 이후 열거되는 아이템들 및 그 균등물뿐 아니라 추가 아이템들도 포함하는 것으로 생각된다. 달리 명시되거나 제한되지 않는 경우, "장착된", "연결된", "지지된", 및 "커플링된"이라는 용어 및 그 변형은 폭넓게 사용되며, 직접적이고 간접적인 장착, 연결, 지지, 및 커플링을 포함한다. 또한, "연결된" 및 "커플링된"이라는 용어는 물리적이거나 기계적인 연결 또는 커플링에 국한되지 않는다.
본 발명의 적어도 1 이상의 실시예를 설명하기 전에, 본 명세서에서 본 발명은 예시들에 의해 구현되는 바와 같은 아래의 설명에서 설명되는 세부내용에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 설명 및 예시들은 첨부된 청구항들에서 설명되는 바와 같은 본 발명이 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예들을 수행할 수 있으며, 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있게 한다.
또한, 본 명세서에서 인용되는 여하한의 특허 또는 특허 문서를 포함한 여하한의 참조가 종래 기술을 구성하는 것으로 인정되어서는 안 된다. 특히, 달리 언급되지 않는 경우, 본 명세서에서 여하한의 문서에 대한 참조는 여하한의 이 문서들이 미국이나 다른 나라에서 당업계의 일반적인 공통 지식의 일부분을 형성한다는 것을 의미하지 않음을 이해할 것이다. 여하한의 참조들의 여하한의 서술은 저자가 주장하는 바를 설명하며, 출원인은 본 명세서에서 인용되는 여하한의 문서들의 정확성 및 타당성을 의심할 권리를 보유한다.
이 기재내용을 전체에 걸쳐, 본 발명의 다양한 실시형태들이 범위 형태로 제시될 수 있다. 범위 형태의 설명은 단지 편의 및 간결성을 위한 것이며, 본 발명의 범위에 대한 불변의 한계로서 해석되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 당업자라면 이해하는 바와 같이, 특히 기록된 설명을 제공하는 것에 관하여 여하한의 모든 목적을 위해, 본 명세서에 기재된 모든 범위들은 여하한의 모든 가능한 하위범위 및 하위범위들의 조합들뿐만 아니라, 그 범위 내의 모든 전체 및 부분적인 수치도 포함한다. 단 하나의 예시로서, 20 % 내지 40 %의 범위는 20 % 내지 32.5 %와 32.5 % 내지 40 %, 20 % 내지 27.5 %와 27.5 % 내지 40 % 등의 범위들로 분해될 수 있다. 여하한의 열거된 범위는 적어도 같은 2등분, 3등분, 4등분, 5등분, 10등분 등으로 동일한 범위를 분해할 수 있고, 이를 충분히 설명하는 것으로서 쉽게 인지될 수 있다. 비-제한적인 예시로서, 본 명세서에서 서술되는 각각의 범위는 하위 1/3(lower third), 중간 1/3(middle third), 및 상위 1/3(upper third) 등으로 쉽게 분해될 수 있다. 또한, 당업자라면 이해하는 바와 같이, "까지", "적어도", "보다 많이", "보다 적게", "이상" 등과 같은 모든 언어는 인용된 수를 포함하며, 후속하여 앞서 언급된 바와 같이 하위범위들로 분해될 수 있는 범위들을 칭한다. 동일한 방식으로, 본 명세서에 기재된 모든 비율들도 더 폭넓은 비율 내에 포함되는 모든 하위비율을 포함한다. 이들은 단지 구체적으로 의도되는 것의 예시들이다. 또한, 본 명세서에서 제 1 표시 숫자와 제 2 표시 숫자 "사이의 범위들/범위인", 및 제 1 표시 숫자"로부터" 제 2 표시 숫자"까지의 범위들/범위인"이라는 구는 교환가능하게 사용된다.
또한, 본 명세서에서 "포함하는", "포괄하는", "갖는"이라는 용어 및 그 변형의 사용은 이후 열거되는 아이템들 및 그 균등물뿐 아니라 추가 아이템들도 포함하는 것으로 생각 포함하는 것으로 생각되며, 예를 들어 최종 결과에 영향을 주지 않는 다른 단계들 및 성분들이 추가될 수 있다. 이 용어들은 "구성되는" 및 "본질적으로 구성되는"이라는 용어들을 포함한다. "본질적으로 구성되는"이라는 용어의 사용은, 구성 또는 방법이 추가 성분들 및/또는 단계들을 포함할 수 있지만, 추가 성분들 및/또는 단계들이 청구되는 구성 또는 방법의 기본적이고 신규한 특성을 실질적으로 변경시키지 않아야 한다는 것을 의미한다.
종래 형태의 양성자 또는 중성자 소스들에서의 고유한 단점들을 고려하여, 본 발명은 의료용 동위원소의 생성에 이용될 수 있는 신규한 고에너지 양성자 또는 중성자 소스를 제공한다. 본 발명에 따른 디바이스는 핵융합 반응을 야기하기 위해 소량의 에너지를 이용하며, 이는 동위원소 생산에 사용될 수 있는 고에너지 양성자 또는 중성자를 생성한다. 소량의 에너지를 이용하는 것은, 디바이스로 하여금 이전의 종래 디바이스들보다 더 컴팩트하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 적절하게는 18F, 11C, 15O, 13N, 63Zn, 124I, 및 많은 다른 것들을 포함하고, 이에 제한되지는 않는 다른 동위원소들을 발생시키는데 사용될 수 있는 양성자들을 발생시킨다. 연료 형태를 변화시킴으로써, 본 발명에 따른 장치는 131I, 133Xe, 111In, 125I, 99Mo(이는 99 mTc로 붕괴함) 및 많은 다른 것들을 포함하고, 이에 제한되지는 않는 동위원소들을 발생시키는데 사용될 수 있는 높은 플럭스의 등방성 중성자들을 발생시키는데 사용될 수도 있다. 이러한 것으로서, 본 발명은 이제까지 언급된 양성자 또는 중성자 소스들을 능가하는 많은 장점들을 갖는 의료용 동위원소 발생과 같은 사용을 위한 신규한 컴팩트 고에너지 양성자 또는 중성자 소스를 제공한다.
일반적으로, 본 발명은 양성자 또는 중성자를 발생시키는 장치를 제공하며, 이는 차례로 다양한 방사성핵종(또는 방사성동위원소)을 발생시키는데 적절히 사용된다. 상기 장치는 적절하게는 RF-구동 이온 발생기일 수 있는 플라즈마 이온 소스, 적절하게는 전극-구동되는 가속기, 및 타겟 시스템을 포함한다. 양성자-기반 방사성동위원소 생성의 경우, 상기 장치는 동위원소 추출 시스템을 포함할 수도 있다. RF-구동 플라즈마 이온 소스는 사전설정된 경로를 따라 지향되는 이온 빔을 발생시키고 시준하며, 상기 이온 소스는 제 1 유체의 유입을 위한 유입구를 포함한다. 전극-구동 가속기는 이온 빔을 수용하고, 이온 빔을 가속시켜 가속화된 이온 빔을 산출한다. 타겟 시스템은 가속화된 이온 빔을 수용한다. 타겟 시스템은 가속화된 빔과 반응하고, 차례로 핵입자들, 즉 양성자 또는 중성자를 방출하는 핵입자-유도, 예를 들어 양성자-유도 또는 중성자 유도 타겟 물질을 포함한다. 방사성동위원소 생성을 위해, 타겟 시스템은 핵입자들에 투명한 측벽들을 가질 수 있다. 타겟 시스템 부근이나 내부에 동위원소 추출 시스템이 배치되며, 이는 방사성핵종(또는 방사성동위원소)을 산출하도록 핵입자들에 반응하는 동위원소-유도 물질을 포함한다.
이제 도면의 그림을 참조한다. 본 발명의 원리들을 구체화한 장치가 일반적으로 참조 번호 10 또는 11로서 표시되며, 적절하게는 2 개의 구성: 자기 구성(10) 및 선형 구성(11)을 갖는다. 디바이스의 6 개의 주요 부분들 또는 구성요소들이 도 1 및 도 2에 자기 디바이스에 대해, 또한 도 3에 선형 구성에 대해 나타낸 바와 같이 연결된다. 본 발명의 원리들을 이용하는 장치(10)는 일반적으로 20으로 표시된 이온 소스, 가속기(30), 차동 펌핑 시스템(40), 타겟 챔버(60 또는 70)를 포함하는 타겟 시스템, 일반적으로 80으로 표시된 이온 한정 시스템, 및 일반적으로 90으로 표시된 동위원소 추출 시스템을 포함한다. 본 발명은 추가적으로 가스 여과 시스템(50)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 차동 펌핑 시스템(40) 대신에, 또는 이에 추가하여 동기화된 고속 펌프(100)를 포함할 수 있다. 펌프(100)는 특히 타겟 챔버의 선형 구성과 작동한다.
이온 소스(20)(도 4 및 도 5)는 진공 챔버(25), 무선주파수(RF) 안테나(24), 및 이온 주입기 처음 스테이지(first stage: 23) 및 이온 주입기 최종 스테이지(35)를 갖는 이온 주입기(26)를 포함한다. 더 많은 이온 전류를 산출하기 위해, 이온 소스로 하여금 더 높은 밀도의 플라즈마(22)를 생성하는 고밀도 헬리콘(helicon) 모드에서 작동하게 하도록 자석(도시되지 않음)이 포함될 수 있다. 적절하게는, 이 자석의 필드 강도는 약 50 G 내지 약 6000 G, 적절하게는 약 100 G 내지 약 5000 G의 범위이다. 자석들은 축방향 필드(이온 빔의 경로에 평행한 남북 방위) 또는 커스프 필드(cusp field)(인접한 자석들에 대해 남과 북 사이에서 교번하는 내부 극을 이용하여 이온 빔의 경로에 수직인 남북 방위)를 생성하도록 방위될 수 있다. 축방향 필드는 헬리콘 모드(조밀한 플라즈마)를 생성할 수 있는 반면, 커스프 필드는 헬리콘 유도 모드가 아닌 조밀한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 진공 챔버(25)의 일 단부에 가스 유입구(21)가 위치되고, 이 반대편에 이온 주입기(26)의 처음 스테이지(23)가 있다. 가스 유입구(21)는 원하는 연료 형태들 중 하나를 제공하며, 이는 1H2, 2H2, 3H2, 3He, 및 11B를 포함하거나, 1H, 2H, 3H,3He, 및 11B를 포함할 수 있다. 유입구(21)에서의 가스 흐름은 적절하게는 질량 흐름 제어기(도시되지 않음)에 의해 조절되며, 이는 사용자에 의하거나 자동으로 제어될 수 있다. RF 안테나(24)는 적절하게는 진공 챔버(25)의 외부 주위에 감긴다. 대안적으로, RF 안테나(24)는 진공 챔버(25) 내부에 있을 수 있다. 적절하게는, RF 안테나(24)에 의해 방출된 무선주파수 방사선(radio frequency radiation)이 예를 들어 플라즈마를 형성하는 진공 챔버(25)의 내용물(즉, 연료 가스)을 여기(excite)시키도록, RF 안테나(24)는 진공 챔버에 가깝다. RF 안테나(24)는 1 이상의 턴(turn)의 튜브(27)를 포함한다. RF 튜브 또는 와이어(27)는 구리, 알루미늄, 또는 스테인리스 강과 같은 전도성이고 구부릴 수 있는 재료로 구성될 수 있다.
이온 주입기(26)는 1 이상 형성된 스테이지들(23 및 35)을 포함한다. 이온 주입기의 각 스테이지는, 적절하게는 이온 빔의 효과적인 시준을 제공하도록 합금 또는 금속을 포함할 수 있는 전도성 재료로 이루어진 가속 전극(32)을 포함한다. 예를 들어, 전극들은 적절하게는 낮은 스퍼터링 계수(sputtering coefficient)를 갖는 전도성 금속, 예를 들어 텅스텐으로 만들어진다. 다른 적절한 재료들은 알루미늄, 강철, 스테인리스 강, 그래파이트, 몰리브덴, 탄탈룸 등을 포함할 수 있다. RF 안테나(24)는 일 단부에서 RF 임피던스 매칭 회로(도시되지 않음)의 출력에, 또한 다른 단부에서는 접지에 연결된다. RF 임피던스 매칭 회로는 발생기에 의해 필요한 임피던스를 매칭하고 RF 공진을 확립하도록 안테나를 조정할 수 있다. RF 안테나(24)는 적절하게는 폭넓은 범위의 RF 주파수를 발생시키며, 이는 0 Hz 내지 수 kHz, 수 MHz, GHz 이상을 포함하고, 이에 제한되지는 않는다. RF 안테나(24)는 외부 워터쿨러(water cooler: 도시되지 않음)에 의해 물로 냉각되어, 저항의 최소 변화로 높은 파워 손실을 용인할 수 있다. RF 안테나(24)의 턴의 매칭 회로는 RF 파워 발생기(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 이온 소스(20), 매칭 회로, 및 RF 파워 발생기는 최고 가속기 전위에, 또는 약간 더 높이 부유할 수 있으며(접지로부터 절연됨), 이 전위는 고전압 전력 공급기에 전기 연결하여 얻어질 수 있다. RF 파워 발생기는 원격으로 조정가능할 수 있으므로, 빔 세기가 사용자에 의해, 또는 대안적으로 컴퓨터 시스템에 의해 제어될 수 있다. 진공 챔버(25)에 연결된 RF 안테나(24)는 적절하게는 연료를 포지티브하게 이온화하여, 이온 빔을 생성한다. 이온들을 생성하는 대안적인 수단은 당업자에게 알려져 있으며, 마이크로파 방전, 전자-충돌 이온화, 및 레이저 이온화를 포함할 수 있다.
가속기(30)(도 6 및 도 7)는 적절하게는 일 단부에서 이온 소스 정합 플랜지(31)를 통해 이온 소스(20)에 연결되고, 다른 단부에서 차동 펌핑 정합 플랜지(33)를 통해 차동 펌핑 시스템(40)에 연결된 진공 챔버(36)를 포함한다. 또한, 가속기의 처음 스테이지는 이온 주입기(26)의 최종 스테이지(35)이다. 가속기 진공 챔버(36)의 축선을 따라 적어도 1 이상, 적절하게는 3 내지 50, 더 바람직하게는 3 내지 20 개의 원형 가속 전극(32)이 배치될 수 있으며, 이는 진공 경계가 유지되게 하면서 가속기 진공 챔버(36)를 관통한다. 가속 전극들(32)은 그 중심을 통하는 홀들[가속기 챔버의 구멍(bore)보다 더 작음]을 가지며, 적절하게는 각각 이온 빔의 경로에 대한 가속기 진공 챔버의 종축(이온 소스 단부로부터 차동 펌핑 단부까지)을 중심으로 한다(center). 가속 전극(32) 내 홀의 최소 직경은 이온 빔의 강도에 따라, 또는 다수 이온 빔들에 따라 증가하며, 약 1 mm 내지 약 20 cm 직경, 및 적절하게는 약 1 mm 내지 6 cm 직경의 범위일 수 있다. 진공 챔버(36) 외부에서, 가속 전극들(32)은 전기장을 감소시키고 코로나 방전(corona discharge)을 최소화하는 코로나-방지 링(anti-corona ring: 34)들에 연결될 수 있다. 이 링들은 SF6과 같은 절연용 유전성 가스 또는 유전성 오일 내에 침지될 수 있다. 적절하게는, 차동 펌핑 부분(40)의 연결을 용이하게 하는 차동 펌핑 정합 플랜지(33)가 가속기의 출구에 있다.
가속기(30)의 각각의 가속 전극(32)은 고전압 전력 공급기(도시되지 않음)로부터, 또는 당업자에게 알려져 있는 저항 분배기 네트워크(resistive divider network: 도시되지 않음)으로부터 편향되어 공급될 수 있다. 대부분 경우에 대해 상기 분배기가 간단하기 때문에 가장 적절한 구성일 수 있다. 저항 분배기 네트워크를 이용한 구성에서, 가속기의 이온 소스 단부는 고전압 전력 공급기에 연결될 수 있고, 마지막 가속 전극(32)에 대해 두번째는 접지에 연결될 수 있다. 가속 전극들(32)의 중간 전압들은 저항 분배기에 의해 설정될 수 있다. 가속기의 최종 스테이지는, 적절하게는 타겟 챔버로부터의 전자들이 가속기(30)로 역류하는 것을 방지하기 위해 마지막 가속 전극을 통해 음으로 편향된다(biased negatively).
대안적인 실시예에서, 앞서 설명된 가속기(30) 대신에 선형가속기(예를 들어, RF 쿼드러폴)가 사용될 수 있다. 선형가속기는 감소된 효율성을 가질 수 있으며, 앞서 설명된 가속기(30)에 비해 크기가 더 크다. 선형가속기는 처음 단부에서 이온 소스(20)에 연결되고, 다른 단부에서 차동 펌핑 시스템(40)에 연결될 수 있다. 선형가속기는 높은 입자 에너지를 얻기 위해 고전압 및 직류 대신에 RF를 사용할 수 있으며, 이들은 당업계에 알려진 바와 같이 구성될 수 있다.
차동 펌핑 시스템(40)(도 8 및 도 9)은, 적절하게는 차동 펌핑 시스템(40)을 적어도 1 이상의 스테이지로 분리하는 감압 장벽(pressure reducing barrier: 42)을 포함한다. 감압 장벽(42)들은 적절하게는 각각 얇은 고체판 또는 1 이상의 길고 좁은 튜브들을 포함하며, 상기 튜브들은 전형적으로 중심에 작은 홀과 함께 1 cm의 직경, 적절하게는 1 mm 내지 20 cm의 직경, 및 더 적절하게는 1 mm 내지 약 6 cm의 직경을 갖는다. 각각의 스테이지는 진공 챔버(44), 연계된 감압 장벽들(42), 및 각각 진공 펌프 배출구(41)를 갖는 진공 펌프들(17)을 포함한다. 각각의 진공 챔버(44)는 3, 4, 5, 또는 6 포트 진공 챔버(44)인지에 따라 1 이상, 적절하게는 1 내지 4 개의 진공 펌프들(17)을 가질 수 있다. 진공 챔버(44)의 포트들 중 2 개는 적절하게는 빔라인(beamline) 상에 방위되고, 차동 펌핑 시스템(40)으로부터의 이온 빔 입구 및 출구에 사용된다. 또한, 각각의 진공 챔버(44)의 포트들은 감압 장벽들(42)과 동일한 위치에 있을 수 있다. 각각의 진공 챔버(44)의 남은 포트들은 적절하게는 콘플랫 플랜지(conflat flange)들에 의해 진공 펌프들(17)에 연결되며, 또는 다양한 기기 또는 제어 디바이스들에 연결될 수 있다. 진공 펌프들(17)로부터의 배출 가스는 진공 펌프 배출구(41)를 통해 추가 진공 펌프 또는 필요에 따라 압축기(도시되지 않음)로 공급되고, 가스 여과 시스템(50)으로 공급된다. 대안적으로, 필요에 따라 이 추가 진공 펌프는 가스 여과 시스템(50)과 타겟 챔버(60 또는 70) 사이에 위치될 수 있다. 추가 압축 단계가 존재하는 경우, 이는 진공 펌프들(17)과 여과 시스템(50) 사이에 있을 수 있다. 차동 펌핑 부분은 일 단부에서 가속기 정합 플랜지(45)를 통해 가속기(30)에 연결되고, 다른 단부의 빔 출구 포트(46)에서 타겟 챔버 정합 플랜지(43)를 통해 타겟 챔버(60 또는 70)에 연결된다. 또한, 차동 펌핑 시스템(40)은 층류(laminar flow)를 방해하기 위해 난류 발생 장치(turbulence generating apparatus: 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 난류 발생 장치는 유체의 흐름을 제한할 수 있으며, 층류를 방해하기 위해 표면 범프(surface bump) 또는 다른 피처들 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 난류는 전형적으로 층류보다 느리므로, 타겟 챔버로부터 차동 펌핑 부분으로의 유체 누출율을 감소시킬 수 있다.
가스 여과 시스템(50)은 적절하게는 그 진공 펌프 격리 밸브들(51)에서 차동 펌핑 시스템(40)의 진공 펌프 배출구들(41) 또는 추가 압축기들(도시되지 않음)에 연결된다. 가스 여과 시스템(50)(도 10)은, 진공 펌프 배출 가스(41)가 흐르는 1 이상의 압력 챔버들 또는 "트랩들"(13 및 15)을 포함한다. 트랩들은 적절하게는 타겟 챔버 또는 이온 소스를 빠져나갈 수 있는 유체 불순물들을 포획하며, 이는 예를 들어 대기로부터 시스템으로 새어 들어갔을 수 있다. 트랩들은 액체 질소를 이용하여 극저온으로 냉각될 수 있다(LN 트랩들: 15). 이러한 것으로서, 콜드 액체 트랩(cold liquid trap: 13 및 15)은 적절하게는 대기 오염물과 같은 가스를 액화하고 트랩들(13 및 15) 내에 남게 한다. 직렬로 연결된 1 이상의 LN 트랩들(15)에 걸쳐 흐른 이후, 가스는 적절하게는 티타늄 게터 트랩(13)으로 보내지며, 이는 타겟 챔버 또는 이온 소스를 빠져나갈 수 있고, 아니면 타겟 챔버를 오염시킬 수 있는 듀테륨과 같은 오염 수소 가스들을 흡수한다. 게터 트랩(13)의 유출구는 적절하게는 가스 여과 시스템(50)의 타겟 챔버 격리 밸브(52)를 통해 타겟 챔버(60 또는 70)에 연결된다. 가스가 시스템으로 일정하게 흐르고, 진공 펌프 배출구(41)로부터 다른 진공 펌프 배출구(도시되지 않음) 및 시스템 외부로 배출되기 원하는 경우, 가스 여과 시스템(50)이 디바이스(10)로부터 완전히 제거될 수 있다. 가스 여과 시스템(50) 없이도, 장치(10)의 작동은 실질적으로 변경되지 않을 것이다. 중성자 소스로서 기능하는 장치(10)는 가스 여과 시스템(50)의 게터 트랩(13)을 포함하지 않을 수 있다.
진공 펌프 격리 밸브들(51) 및 타겟 챔버 격리 밸브들(52)은, 트랩들이 가스로 포화되는 경우, 가스 여과 시스템(50)이 나머지 디바이스로부터 격리되고 펌프아웃 밸브(pump-out valve: 53)를 통해 외부 펌프(도시되지 않음)에 연결되기 쉽게 할 수 있다. 이러한 것으로서, 진공 펌프 격리 밸브들(51) 및 타겟 챔버 격리 밸브들(52)은 폐쇄되고, 펌프아웃 밸브들(53)이 불순물들을 퍼내도록 개방될 수 있다.
타겟 챔버 60(도 11 및 도 12, 자기 시스템(10)용) 또는 타겟 챔버 70(도 13 및 도 14, 선형 시스템(11)용)은 약 0 내지 약 100 torr, 약 100 mtorr 내지 약 30 torr, 적절하게는 약 0.1 내지 약 10 torr, 적절하게는 약 100 mtorr 내지 약 30 torr의 압력의 타겟 가스로 채워질 수 있다. 타겟 챔버(60 또는 70)의 특정 지오메트리는 주요 적용에 따라 변할 수 있으며, 많은 변형을 포함할 수 있다. 타겟 챔버는 적절하게는 선형 시스템(14)에 대해 약 10 cm 내지 약 5 m 길이, 및 약 5 mm 내지 약 100 cm 직경의 원통형일 수 있다. 적절하게는, 타겟 챔버(70)는 선형 시스템(14)에 대해 약 0.1 m 내지 약 2 m 길이, 및 약 30 내지 50 cm 직경일 수 있다.
자기 시스템(12)에 대해, 타겟 챔버(60)는 약 10 cm 내지 약 1 m 높이, 및 약 10 cm 내지 약 10 m 직경의 두꺼운 팬케이크를 닮을 수 있다. 적절하게는, 자기 시스템(12)에 대한 타겟 챔버(60)는 약 20 cm 내지 약 50 cm 높이, 및 거의 50 cm 직경일 수 있다. 자기 타겟 챔버(60)에 대해, 타겟 챔버의 외경 주위 또는 진공 벽들의 외부의 팬케이크의 면들에 한 쌍의 영구 자석들 또는 전자석들(이온 한정 자석(12))이 위치될 수 있다(도 11 및 도 12 참조). 자석들은 적절하게는 구리와 알루미늄 또는 초전도체, 또는 전자석들에 대해서는 NbFeB를 포함한 재료들로 구성되고, 이에 제한되지는 않는다. 자석들의 극들은, 이들이 타겟 챔버의 벌크 부피(bulk volume) 내에 축방향 자기장을 생성하도록 방위될 수 있다. 자기장은 적절하게는 1010 강철과 같은 고 도자성 자기 재료들, 뮤우메탈(mu-metal), 또는 다른 재료들을 포함한 자기 회로로 제어된다. 자기 타겟 챔버의 크기 및 자기 빔 에너지가 수학식 (1)에 따라 필드 강도를 결정한다:
Figure pct00001
중양성자들에 대해, r은 미터 단위이며, E는 eV 단위의 빔 에너지이고, B는 가우스 단위의 자기장 강도이다. 자석들은 팬케이크의 평탄한 면들에 평행하게 방위되고, 가속기(30)로부터의 빔의 방향에 수직인 자기장이 존재하도록 편광될 수 있으며, 즉 자석들은 이온 재순환을 야기하도록 챔버의 최상부 및 저부에 장착될 수 있다. 자기 타겟 챔버(60)를 이용하는 또 다른 실시예에서, 적절하게는 자기 타겟 챔버의 어느 한 단부(최상부 및 저부)에 미러자기장(mirror field)을 생성하도록 타겟 챔버의 최상부 및 저부에 추가 자석들이 존재하며, 이는 타겟 챔버의 양 단부들에 더 강한 자기장의 국부화된 구역들을 생성하여, 이온 빔이 타겟 챔버의 단부들로부터 반사되게 하는 거울 효과를 생성한다. 미러자기장을 생성하는 이 추가 자석들은 영구 자석들 또는 전자석들일 수 있다. 타겟 챔버의 일 단부는 차동 펌핑 정합 플랜지(33)를 통해 차동 펌핑 시스템(40)에 연결되어 작동하며, 가스 재순환 포트(62)가 가스로 하여금 가스 여과 시스템(50)으로부터 타겟 챔버로 다시 들어가게 한다. 또한, 타겟 챔버는 다양한 동위원소 발생 장치가 연결되게 하는 피드스루 포트(feedthrough port: 도시되지 않음)들을 포함할 수 있다.
타겟 챔버(60)의 자기 구성에서, 자기장은 이온들을 타겟 챔버 내에 한정시킨다. 타겟 챔버(70)의 선형 구성에서는, 타겟 가스에 의해 주입된 이온들이 한정된다. 양성자 또는 중성자 소스로서 사용되는 경우, 타겟 챔버는 방사선으로부터 디바이스의 조작자를 보호하는 차폐를 필요로 할 수 있으며, 차폐는 적절하게는 적어도 1 피트 이상인 두께의 콘크리트 벽들에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 디바이스는 사용자들로부터 떨어진 지하 또는 벙커에 저장될 수 있으며, 물 또는 다른 유체, 또는 그 조합들이 차폐물로서 사용될 수 있다.
차동 펌핑 시스템(40) 및 가스 여과 시스템(50)은 모두 타겟 챔버(60 또는 70)로 공급할 수 있다. 차동 펌핑 시스템(40)은 적절하게는 이온 빔을 제공하는 한편, 가스 여과 시스템(50)은 타겟 챔버를 채우도록 여과된 가스의 흐름을 공급한다. 대안적으로, 동위원소 발생의 경우에 동위원소 추출 시스템(90)으로 하여금 외부에 연결되게 하도록 타겟 챔버(60 또는 70)에 진공 피드스루(도시되지 않음)가 장착될 수 있다.
동위원소 발생 시스템(63)을 포함한 동위원소 추출 시스템(90)은 모 화합물 또는 재료를 제공하고, 타겟 챔버 내부 또는 부근에 발생된 동위원소들을 제거하는 여하한 수의 구성들일 수 있다. 예를 들어, 동위원소 발생 시스템(63)은 활성화 튜브(activation tube: 64)를 포함할 수 있으며, 이는 원통형 타겟 챔버 내부에 꼭 맞는 팽팽하게 감긴 나선부이고, 벽들(65)을 갖는다. 대안적으로, 이온 한정 시스템(80)을 갖는 팬케이크 타겟 챔버의 경우, 이는 모두 직렬로 연결된 팬케이크의 최상면 및 저면 상의 2 개의 나선 및 팬케이크의 원주를 따라 디바이스를 덮는 나선부를 포함할 수 있다. 이 구성들에서 사용되는 활성화 튜브(64)의 벽들(65)은 균열을 견디도록 충분히 강하며, 14 MeV(대략 10 내지 20 MeV)를 넘는 양성자들이 이들을 통과할 수 있는 한편 그 에너지 대부분은 여전히 유지하도록 충분히 얇다. 재료에 따라, 배관(tubing)의 벽들은 약 0.01 mm 내지 약 1 mm 두께, 및 적절하게는 약 0.1 mm 두께일 수 있다. 배관의 벽들은 적절하게는 중성자들을 발생시키지 않을 재료들로 구성된다. 얇은 벽으로 둘러싸인(thin-walled) 배관은 알루미늄, 탄소, 구리, 티타늄 또는 스테인리스 강과 같은 재료들로 만들어질 수 있다. 피드스루(도시되지 않음)는 활성화 튜브(64)를 시스템의 외부에 연결할 수 있으며, 이때 파생 또는 생성 화합물이 풍부한 유체가 냉각을 위한 열 교환기(도시되지 않음), 및 모 화합물, 파생 화합물, 및 불순물의 혼합물로부터 파생 또는 생성 동위원소 화합물들이 분리되는 화학 분리기(도시되지 않음)에 이를 수 있다.
도 15에 나타낸 또 다른 실시예에서, 가속기(30)와 타겟 챔버(60 또는 70) 사이에 고속 펌프(100)가 위치된다. 고속 펌프(100)는 차동 펌핑 시스템(40) 및/또는 가스 여과 시스템(50)을 대체할 수 있다. 고속 펌프는 적절하게는 1 이상의 블레이드들이나 회전자들(102), 및 제어기(108)에 연결되어 작동하는 타이밍 신호(104)를 포함한다. 고속 펌프는 가속기 부분으로부터의 이온 빔 흐름과 동기화되어, 때때로 이온 빔과 갭들(106)이 정렬되는 경우에 이온 빔 또는 빔들이 블레이드들(102) 사이 또는 그 안의 적어도 1 이상의 갭(106)을 통과하게 할 수 있다. 타이밍 신호(104)는 블레이드들 중 적어도 1 이상에, 또는 펌프 샤프트를 따라 1 이상의 마커를 가짐으로써 생성될 수 있다. 마커들은 광학적이거나 자기적이며, 또는 당업계에 알려져 있는 다른 적절한 마커들일 수 있다. 타이밍 신호(104)는 블레이드들(102) 또는 갭(106)의 위치, 및 가속기(30)의 처음 스테이지(35)로부터 고속 펌프(100)를 통해 타겟 챔버(60 또는 70)까지 이온 빔의 통과를 허용하기 위한 이온 빔과 정렬된 갭의 존재 여부를 나타낼 수 있다. 타이밍 신호(104)는, 이온 빔으로 하여금 이온 소스(20) 및 가속기(30)를 나가고 고속 펌프(100)에 들어오게 하는 이온 빔 추출 전압에 대한 게이트 펄스 스위치로서 사용될 수 있다. 시스템을 통해 이온 소스(20)로부터 가속기(30)로, 고속 펌프(100)로, 또한 타겟 챔버(60 또는 70)로 흐르는 경우, 상기 빔은 이온 빔 및 갭(106)이 정렬되는 시간 주기 동안 유지될 수 있고, 그 후 이온 빔 및 갭(106)이 정렬되지 않기 전에, 또한 그동안 멈출 수 있다. 타이밍 신호(104) 및 이온 빔의 조화(coordination)는 제어기(108)에 의해 짜여질 수 있다. 제어기(108)의 일 실시예에서(도 18), 제어기(108)는 억제 전압(이온 빔 오프; 차이는 5 내지 10 kV일 수 있음)과 추출 전압(이온 빔 온; 차이는 20 kV일 수 있음) 사이에서 가속기(30)의 전압을 제어하기 위해, 펄스 처리 유닛(110), 고전압 격리 유닛(112), 및 고속 스위치(114)를 포함할 수 있다. 타이밍 신호(104)는 적절하게는 지연, 또는 다른 로직, 또는 당업계에 알려진 적절한 수단을 통과하는 로직 펄스를 생성한다. 펄스 처리 유닛(110)은 지연을 수용하는 고속 펌프의 터빈을 변경시킬 수 있으며, 고속 스위치(114)는 MOSFET 스위치 또는 당업계에 알려진 다른 적절한 스위치 기술일 수 있다. 고전압 격리 유닛(112)은 광섬유 연결 또는 당업계에 알려진 다른 적절한 연결일 수 있다. 예를 들어, 타이밍 신호(104)는 블레이드(102)의 회전당 한번만 갭(106)의 존재 또는 부재를 나타낼 수 있으며, 신호 펄스는 블레이드 선회(revolution)당 n 개의 펄스의 세트를 발생시키도록 제어기(108)를 통해 전자기기의 세트에 신호를 보낼 수 있으며, 이때 한 번의 블레이드 회전에 n개의 갭이 존재한다. 대안적으로, 타이밍 신호(104)는 블레이드 회전 시 m 개의 갭 각각에 대해 갭(106)의 존재 또는 부재를 나타낼 수 있으며, m 개의 펄스가 각각 블레이드 선회당 하나의 펄스를 발생시키도록 제어기(108)를 통해 전자기기의 세트에 신호를 보낼 수 있고, 이때 한 번의 블레이드 회전에 m 개의 갭이 존재한다. 로직 펄스들은 제어기(108)를 통해 가속기 부분의 처음 스테이지(35)(이온 추출기)로 보내지거나 조화되어, 로직 펄스가 억제 상태로부터 추출 상태로, 또는 그 역으로 변화하도록 가속기 부분의 처음 스테이지(35)를 트리거(trigger)하게 할 수 있다. 가속기가 +300 kV이었다면, 예를 들어 고속 펌프(100) 내에 갭(106)이 존재하지 않는 경우 가속기의 처음 스테이지(35)는 +295 kV로 편향될 수 있으므로, 양의 이온 빔이 +295 kV로부터 +300kV로 흐르지 않을 것이며, 고속 펌프(100) 내에 갭(106)이 존재하는 경우 가속기의 처음 스테이지(35)는 +310kV로 편향될 수 있으므로, 이온 빔이 가속기(30)를 통해, 또한 고속 펌프(100) 내의 갭들(106)을 통해 타겟 챔버(60 또는 70)로 이동한다. 억제 상태와 추출 상태 사이의 전압 차는 약 1 kV 내지 약 50 kV, 적절하게는 약 10 kV 내지 약 20 kV와 같은 비교적 작은 변화일 수 있다. 전압의 작은 변화는 억제 상태(도 17)와 추출 상태(도 16) 간의 빠른 변화를 용이하게 할 수 있다. 타이밍 신호(104) 및 제어기(108)는 당업계에 알려진 여하한의 적절한 수단에 의해 작동할 수 있으며, 이는 반도체 및 광섬유를 포함하고 이에 제한되지는 않는다. 이온 빔이 온 및 오프인 시간의 주기는 블레이드들(102)의 회전 속도, 블레이드들 또는 갭들(106)의 수, 및 블레이드들 또는 갭들의 치수들과 같은 인자들에 의존할 수 있다.
예를 들어, PET 스캔들에서 이용되는 동위원소들 18F 및 13N은 디바이스 내부의 핵반응으로부터 발생될 수 있다. 이 동위원소들은 양성자 충격에 의해 이들의 모 동위원소들, (18F에 대해) 18O 및 (13N에 대해) 16O로부터 생성될 수 있다. 모의 소스는 물(H2 18O 및 H2 16O)과 같은 유체일 수 있으며, 이는 외부 펌핑 시스템(도시되지 않음)을 통하여 동위원소 발생 시스템을 통해 흐르고, 원하는 파생 화합물을 생성하도록 타겟 챔버에서 고에너지 양성자들과 반응할 수 있다. 18F 또는 13N의 생성을 위해, 동위원소 발생 시스템(63)을 통해 물(각각 H2 18O 또는 H2 16O)이 흐르며, 앞서 언급된 핵융합 반응으로부터 생성된 고에너지 양성자들이 튜브(64) 벽들을 관통하고 모 화합물에 충돌하여 18F 또는 13N을 생성하는 (p,α) 반응들을 야기할 수 있다. 폐쇄 시스템에서는, 예를 들어 동위원소가 풍부한 물이 유체를 냉각하도록 열 교환기(도시되지 않음)를 통한 후, 유체로부터 동위원소를 분리하기 위해 이온 교환 수지와 같은 화학 필터(도시되지 않음)로 순환될 수 있다. 그 후, 물 혼합물은 타겟 챔버(60 또는 70)로 재순환할 수 있는 한편, 동위원소들은 이미징 또는 다른 절차들을 위해 충분히 생성되었을 때까지 필터, 시린지(syringe) 내에, 또는 당업계에 알려진 다른 적절한 수단에 의해 저장된다.
튜브형 나선이 설명되었지만, 동일하거나 다른 방사성핵종을 생성하는데 사용될 수 있는 많은 다른 지오메트리가 존재한다. 예를 들어, 동위원소 발생 시스템(63)은 적절하게는 평행한 루프들 또는 리브(rib)들을 갖는 평탄한 패널(flat panel)일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 진공 챔버 벽에 워터 재킷(water jacket)이 부착될 수 있다. 18F 또는 13N 생성에 대해, 나선은 여하한 수의 얇은 윈도우들을 포함한 얇은 벽으로 둘러싸인 지오메트리로 대체될 수 있고, 또는 높은 산소 농도를 포함하는 고체 물질로 대체될 수 있으며, 변환 후 제거되고 처리될 것이다. 다른 수단에 의해 다른 동위원소들이 발생될 수 있다.
작동 전에, 적절하게는 우선 파워 오프인 이온 소스(20)를 통해 3He와 같은 타겟 가스를 미리 흘림으로써 타겟 챔버(60 또는 70)가 채워진 후, 가스로 하여금 장치(10)를 통해, 또한 타겟 챔버 내로 흐르게 한다. 작동 시, 2H2와 같은 반응 가스가 이온 소스(20)에 들어가고, 플라즈마(22)를 형성하도록 RF 필드에 의해 양으로 이온화된다. 진공 챔버(25) 내부의 플라즈마(22)가 이온 주입기(26)를 향해 팽창함에 따라, 플라즈마(22)가 가속기(30) 내에서 더 음인 전위에 의해 영향을 받기 시작한다. 이는 양으로 대전된 이온들을 타겟 챔버(60 또는 70)를 향하여 가속하게 한다. 이온 소스(20) 내의 스테이지들(23 및 35)의 가속 전극들(32)은 이온 빔 또는 빔들을 시준하여, 각각 가속기(30)의 처음 스테이지를 가로질러 거의 균일한 이온 빔 프로파일을 제공한다. 대안적으로, 가속기(30)의 처음 스테이지는 앞서 설명된 바와 같이 이온 빔의 펄스 발생 또는 스위치 온/오프를 가능하게 할 수 있다. 상기 빔이 계속하여 가속기(30)를 통해 이동함에 따라, 각 스테이지에서 추가 에너지를 얻어서, 가속기(30)의 최종 스테이지에 도달할 때에는 5 MeV까지, 1 MeV까지, 적절하게는 500 keV까지, 적절하게는 50 keV 내지 5 MeV, 적절하게는 50 keV 내지 500 keV, 및 적절하게는 0 내지 10 Amps, 적절하게는 10 내지 100 mAmps의 에너지들에 도달한다. 이 전위는 원하는 전압을 생성할 수 있는 외부 전력 소스(도시되지 않음)에 의해 공급된다. 또한, 이온 소스(20)로부터의 중성자 가스 일부가 가속기(30)로 누출될 수 있지만, 초과 압력 및 시스템 고장을 방지하도록 차동 펌핑 시스템(40) 또는 동기화된 고속 펌프(100)에 의해 가속기(30)의 압력이 최소로 유지될 것이다. 상기 빔은 고속으로 계속해서 차동 펌핑(40) 내로 진행하며, 비교적 낮은 압력의 짧은 경로 길이 스테이지들을 최소 상호작용으로 통과한다. 여기서부터, 이는 계속해서 타겟 챔버(60 또는 70)로 진행하여, 적절하게는 0 내지 100 torr, 적절하게는 100 mtorr 내지 30 torr, 적절하게는 5 내지 20 torr인 고밀도 타겟 가스와 충돌하고, 감속되며, 핵반응을 야기한다. 방출된 핵입자들은 약 0.3 MeV 내지 약 30 MeV의 양성자들, 적절하게는 약 10 MeV 내지 약 20 MeV의 양성자들, 또는 약 0.1 MeV 내지 약 30 MeV의 중성자들, 적절하게는 약 2 MeV 내지 약 20 MeV의 중성자들일 수 있다.
선형 타겟 챔버(70)의 실시예에서, 이온 빔은 거의 직선으로 계속되고, 정지할 때까지 핵반응을 야기하도록 고밀도 타겟과 충돌한다.
자기 타겟 챔버(60)의 실시예에서, 이온 빔은 수학식 (2)로 주어지는 (듀테륨 이온들, 2H에 대한) 궤도의 반경을 갖는 거의 나선인 경로로 구부러진다:
Figure pct00002
여기서, r은 cm 단위의 궤도 반경이고, Ti는 eV 단위의 이온 에너지이며, B는 가우스 단위의 자기장 강도이다. 500 keV의 듀테륨 빔 및 5 kG의 자기장 강도에 대해, 궤도 반경은 약 20.4 cm이고, 적절하게는 25 cm 반경의 챔버 내부에 꼭 맞다. 이온 중화가 일어날 수 있지만, 재-이온화가 일어나는 속도가 훨씬 더 빠르며, 입자는 이온으로서 매우 많은 시간을 소비할 것이다.
일단 이 자기장에 트랩되면, 이온 빔이 정지할 때까지 이온들이 궤도를 돌아서 짧은 챔버 내에 매우 긴 경로 길이를 달성한다. 선형 타겟 챔버(70)에 비해 증가한 이 경로 길이로 인해, 자기 타겟 챔버(60)는 더 낮은 압력에서 작동할 수도 있다. 따라서, 자기 타겟 챔버(60)가 더 적절한 구성일 수 있다. 자기 타겟 챔버는 선형 타겟 챔버보다 더 작을 수 있지만 여전히 긴 경로 길이를 유지하는데, 이는 상기 빔이 동일한 공간 내에서 여러 번 재순환할 수 있기 때문이다. 융합 생성물은 더 작은 챔버에서 더 농축될 수 있다. 설명된 바와 같이, 자기 타겟 챔버는 선형 챔버보다 더 낮은 압력에서 작동하여, 펌핑 시스템에 대한 부담을 완화할 수 있는데, 이는 더 긴 경로 길이가 선형가속기 챔버의 짧은 경로 길이 및 더 높은 압력 가스를 이용한 것과 동일한 총 충돌 수를 더 낮은 압력으로 제공할 수 있기 때문이다.
가속기(30)와 타겟 챔버(60 또는 70) 사이의 압력 구배로 인해, 타겟 챔버 외부로, 또한 차동 펌핑 시스템(40) 내로 가스가 흐를 수 있다. 진공 펌프들(17)이 약 10 내지 100 배 이상의 압력 감소를 달성하여 이 가스를 빠르게 제거할 수 있다. 그 후, 이 "누출된" 가스는 가스 여과 시스템(50)을 통해 여과되고 재생되며, 타겟 챔버 내로 다시 유입되어 더 효율적인 작동을 제공한다. 대안적으로, 흐름이 다시 타겟 챔버로의 방향이 되도록 고속 펌프(100)가 방위되어, 가스가 타겟 챔버 외부로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
원하는 생성물이 의료용 동위원소인 경우, 본 명세서에 설명된 바와 같은 동위원소 추출 시스템(90)이 타겟 챔버(60 또는 70)로 삽입된다. 이 디바이스는 고에너지 양성자들로 하여금 원하는 동위원소의 모 핵종과 상호작용하게 한다. 18F 생성 또는 13N 생성의 경우에 대해, 이 타겟은 물에 기초할 수 있으며(13N에 대해 16O, 및 18F에 대해 18O), 얇은 벽으로 둘러싸인 배관을 통해 흐를 것이다. 벽 두께는 충분히 얇아서, 핵융합 반응으로부터 발생된 14.7 MeV 양성자들이 상당한 에너지를 손실하지 않고 이를 통과할 것이며, 이는 모 동위원소를 원하는 파생 동위원소로 변환하게 한다. 그 후, 외부 시스템을 통해 13N 또는 18F가 풍부한 물이 여과되고 냉각된다. 또한, (124Te 등으로부터의)124I, (14N 또는 11B 등으로부터의)11C, (15N으로부터의)15O, 및 63Zn와 같은 다른 동위원소들이 발생될 수 있다.
원하는 생성물이 몇몇 다른 목적을 위한 양성자들인 경우, 타겟 챔버(60 또는 70)는 이 적용들에 고에너지 양성자들을 제공하는 다른 장치에 연결될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 장치는 양성자 요법을 위한 이온 소스로서 사용될 수 있으며, 이때 양성자들의 빔은 암세포를 조사하도록 가속되고 사용된다.
원하는 생성물이 중성자들인 경우, 중성자들은 거의 쇠퇴하지 않고 진공 시스템의 벽들을 관통할 수 있기 때문에, 동위원소 추출 시스템(90)과 같은 하드웨어가 요구되지 않는다. 중성자 생성에 대해, 주입기 내의 연료는 듀테륨 또는 트리튬 중 하나로 변화되고, 더불어 타겟 재료가 각각 트리튬 또는 듀테륨으로 변화된다. 약 1015 중성자/초 이상까지의 중성자 수율이 발생될 수 있다. 추가적으로, 게터 트랩(13)이 제거될 수 있다. 모 동위원소 화합물은 타겟 챔버(60 또는 70) 주위에 장착될 수 있으며, 방출된 중성자들은 모 동위원소 화합물을 원하는 파생 동위원소 화합물로 전환할 수 있다. 대안적으로, 동위원소 추출 시스템은 여전히 또는 추가적으로 타겟 챔버 내에서 또는 부근에서 사용될 수 있다. 중성자 상호작용의 효율성을 증가시키기 위해, 중성자들을 늦추는 감속재(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 중성자 용어에서의 감속재들은 중성자들을 늦추는 여하한의 재료 또는 재료들일 수 있다. 적절한 감속재들은 열중성자들을 흡수하지 않을 것 같은 낮은 원자 질량을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 98Mo 모 화합물로부터 99Mo를 발생시키기 위해, 물 감속재가 사용될 수 있다. 99Mo는 99 mTc로 붕괴하며, 이는 의료 이미징 절차들에 사용될 수 있다. 또한, 131I, 133Xe, 111In 및 125I와 같은 다른 동위원소들이 발생될 수 있다. 중성자 소스로서 사용되는 경우, 본 발명은 방사선으로부터 조작자들을 보호하도록 적어도 1 피트 이상의 두께의 물과 같은 유체 또는 콘크리트와 같은 차폐를 포함할 수 있다. 대안적으로, 중성자 소스는 방사선으로부터 조작자들을 보호하기 위해 지하에 저장될 수 있다. 중성자 모드에서의 본 발명의 사용 및 작동 방식은 앞선 설명에서 구현된 것과 동일하다.
본 발명에 따르면, 두꺼운 타겟 가스에 충돌하는 빔의 핵융합 속도가 계산될 수 있다. 두꺼운 타겟 가스에 충돌하는 이온 빔에 대한 증분 핵융합 속도는 수학식 (3)으로 주어진다:
Figure pct00003
이때, df(E)는 차동 에너지 구간(dE)에서의 핵융합 속도(반응/초)이고, nb는 타겟 가스 밀도(입자/㎥)이며, Iion는 이온 전류(A)이고, e는 1.6022 * 10-19 쿨롬/입자의 기본 전하이며, σ(E)는 에너지 의존 단면(㎡)이고, dl은 입자 에너지가 E인 증분 경로 길이이다. 입자가 일단 타겟 내에서는 늦춰지고 있기 때문에, 입자는 극소 경로 길이에 걸쳐 단지 에너지 E에만 있다.
수학식 (4)에 나타낸 바와 같이, 가스에서 정지하는 빔으로부터 총 핵융합 속도를 계산하기 위해, 그 에너지가 Ei의 최대인 곳부터 정지하는 곳까지 전체 입자 경로 길이에 걸쳐 수학식 (2)가 적분된다:
Figure pct00004
이때, F(Ei)는 가스 타겟에서 정지하는 초기 에너지 빔(Ei)에 대한 총 핵융합 속도이다. 이 수학식을 풀기 위해, 증분 경로 길이(dl)가 에너지에 관하여 해결된다. 이 관계는 가스의 정지 파워에 의해 결정되며, 이는 실험적으로 측정된 함수이고, 다양한 형태의 함수들에 의해 피팅(fit)될 수 있다. 이 피트들 및 핵융합 단면의 피트들이 어느 정도 복잡한 경향이 있기 때문에, 이 적분들이 수치적으로 해결되었다. 컴퓨터 프로그램 SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter; James Ziegler, www.srim.org)으로부터, 10 torr 및 25 ℃의 3He 가스에서의 듀테륨의 정지에 대한 데이터가 얻어졌으며, 이는 도 19에 도시된다.
중간 값들을 예측하기 위해 수학식이 사용되었다. 10차 다항식이 도 19에 나타낸 데이터에 피팅되었다. 계수들은 표 1에 도시되며, 최적의 10차 다항식으로의 결과적인 피트가 도 20에 도시된다.
Figure pct00005
이 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 피트는 고려되는 에너지 범위에 걸쳐 아주 정확하였다. 이 관계는 증분 경로 길이(dl)로 하여금 앞서 표로 만들어진 다항식에 의해 증분 에너지 구간에 관련되게 하였다. 이를 수치적으로 해결하기 위해, 일정한 길이 스텝 또는 일정한 에너지 스텝 중 하나를 선택하고, 입자가 얼마나 많은 에너지를 손실하였는지, 또는 상기 스텝에서 얼마나 멀리 갔는지를 계산하는 것이 적절하다. 수학식 (4)에서의 핵융합 속도가 dl의 항으로 있으므로, 사용된 방법은 일정한 길이 스텝이었다. 타겟을 통해 이동함에 따른 입자 에너지(E)에 대한 재귀 관계는 수학식 (5)이다:
Figure pct00006
이때 n은 전류 스텝(n=0이 초기 스텝이고, E0이 초기 입자 에너지임)이고, En+1는 다음 증분 스텝에서의 에너지이며, S(E)는 정지 파워에 대한 입자 에너지에 관련되는 앞서 나타낸 다항식이고, dl은 증분 스텝의 크기이다. 앞서 나타낸 증분 에너지의 형태에 대해, E는 keV 단위이고 dl은 ㎛ 단위이다.
이 식은 플라즈마를 통해 이동함에 따른 입자 에너지를 결정하는 방식을 산출하며, 이는 각각의 에너지에서 핵융합 단면의 평가를 용이하게 하고, 여하한의 증분 스텝에서 핵융합 속도의 계산을 허용하기 때문에 중요하다. 각각의 스텝에 대한 수치에서의 핵융합 속도는 수학식 (6)으로 주어진다:
Figure pct00007
총 핵융합 속도를 계산하기 위해, 이 수학식은 수학식 (7)에 나타낸 바와 같이 E=0(또는 n*dl=입자의 범위)일 때까지의 En의 모든 값들에 걸쳐 합산되었다:
Figure pct00008
이 핵융합 속도는 "두꺼운-타겟 수율(thick-target yield)"로서 알려져 있다. 이를 해결하기 위해, 초기 에너지가 결정되고 작은 스텝 크기 dl이 선택되었다. 전체 에너지의 구간 dl에서의 핵융합 속도가 계산되었다. 그 후, 다음 스텝에 대한 에너지가 계산되고, 과정이 반복되었다. 이는 입자가 가스 내에서 정지할 때까지 진행된다.
500 keV의 에너지, 100 mA의 세기 및 실온에서 10 torr 헬륨-3 가스 배경에 충돌하는 홀이온화된(singly ionized) 듀테륨 빔의 경우에 대해, 핵융합 속도는 약 2x1013 핵융합/초인 것으로 계산되었으며, 이는 동일한 수의 고에너지 양성자들(3 ㎂ 양성자들에 가까움)을 발생시킨다. 이 레벨은 당업자에게 알려져 있는 바와 같이 의료용 동위원소들을 생성하기에 충분하다. 10 torr에서 헬륨-3 타겟에 충돌하는 100 mA 입사 듀테륨 빔에 대한 핵융합 속도를 나타내는 플롯이 도 21에 도시된다.
본 발명에 따른 장치는 다양한 상이한 적용들에 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 양성자 소스는 핵 폐기물 및 분열성 물질을 포함한 물질들을 변환하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 물리적 특성을 향상시키기 위해 양성자들로 물질들을 임베딩시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 원석의 착색에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 중성자 방사선 촬영에 사용될 수 있는 중성자 소스를 제공한다. 중성자 소스로서, 본 발명은 핵무기를 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 중성자 소스로서 상기 장치는 특수한 핵 물질을 검출하는데 사용될 수 있으며, 이는 Pu, 233U, 및 233U 또는 235U가 풍부한 물질들과 같은 핵폭발을 생성하는데 사용될 수 있는 물질들이다. 중성자 소스로서, 본 발명에 따른 장치는 중성자 펄스들을 생성하고 물질들로부터 중성자들의 반사 및/또는 굴절을 측정함으로써, 터널, 유정, 및 지하 동위원소 특징들을 포함하며 이에 제한되지는 않는 지하 특징들을 검출하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 중성자 활성화 분석(NAA)에서 중성자 소스로서 사용될 수 있으며, 이는 물질들의 기본 조성을 결정할 수 있다. 예를 들어, NAA는 픽토그램 범위에서 미량 원소들을 검출하는데 사용될 수 있다. 중성자 소스로서, 본 발명은 물질의 원자 조성을 결정함으로써 은밀한 물질들, 폭약, 마약, 및 생물 농약을 포함하며 이에 제한되지는 않는 물질들을 검출하는데 사용될 수도 있다. 또한, 본 발명은 아임계 원자로에 대한 추진 인자로서 사용될 수 있다.
앞선 설명에 대해, 크기, 재료, 형상, 형태, 기능 및 작동 방식의 변동을 포함하는 본 발명의 부분들에 대한 최적 치수 관계들, 조립 및 사용이 쉽게 알려지고 당업자에게 명백한 것으로 여겨지며, 도면들에 예시되고 본 명세서에 설명된 것들에 대해 동등한 관계들이 모두 본 발명에 포함되도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명은 아래의 예시들에 의해 더 예시되며, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 방식으로 해석되어서는 안 된다.
예시들
제 1 예시. 자기 타겟 챔버를 이용한 중성자 소스
초기에, 시스템은 10-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들은 기대 속도를 보일 것이다(각각의 스테이지가 터보분자 펌프인 2 스테이지). 약 25 내지 30 표준 세제곱 센티미터의 가스(중성자들을 생성하는 듀테륨)가 타겟 챔버 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 즉 일단 명시된 부피의 가스가 시스템 내로 유입되었고 타겟 챔버 내의 압력이 약 0.5 torr에 도달하면, 타겟 챔버로부터 이온 소스로 0.5 내지 1 sccm(분당 표준 세제곱 센티미터)의 듀테륨을 흐르게 하는 밸브가 개방될 것이다. 이 가스는 시스템을 통해 빠르게 재순환하여, 대략 다음 압력들을 생성할 것이다: 이온 소스에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 < 20 μtorr일 것이고; 타겟 챔버에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 ~ 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버에서, 압력은 ~ 0.5 torr일 것이다. 이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 (RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나에 커플링된) RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스가 여기될 것이다. 파워 레벨이 0으로부터 약 500 W까지 증가되어, 약 1011 입자/㎤의 밀도를 갖는 조밀한 듀테륨 플라즈마를 생성할 것이다. 원하는 이온 전류(약 10 mA) 및 포커싱을 제공하기 위해 이온 추출 전압이 증가될 것이다. 그 후, 가속기 전압이 300 kV로 증가되어, 흐름 제한부를 통해, 또한 타겟 챔버로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버는 약 5000 가우스(또는 0.5 테슬라)의 자기장으로 채워질 것이며, 이는 이온 빔을 재순환하게 한다. 이온 빔은 무시될 정도의 낮은 에너지로 떨어지기 전에 약 10 번 선회할 것이다.
재순환하는 동안, 이온 빔은 타겟 가스와 핵반응을 일으켜, D에 대해 4x1010 및 최대 약 9x1010 중성자/초(neutrons/sec)를 생성할 것이다. 이 중성자들은 진공실을 관통하고, 적절한 핵계장으로 검출될 것이다.
반응 챔버로부터 차동 펌핑 부분으로 누출되는 중성자 가스는 콜드 트랩을 통해 고속 펌프들을 통과하고, 다시 반응 챔버로 돌아갈 것이다. 콜드 트랩은 이후 매우 작은 누출로 인해 시스템을 오염시킬 수 있는 보다 무거운 가스들을 제거할 것이다.
제 2 예시. 선형 타겟 챔버를 이용한 중성자 소스
초기에, 시스템은 10-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들은 기대 속도를 보일 것이다(가속기에 가까운 2 개는 터보분자 펌프이고, 남은 하나는 루츠 송풍기와 같은 상이한 펌프인 3 스테이지). 약 1000 표준 세제곱 센티미터의 듀테륨 가스가 타겟 챔버 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 타겟 챔버로부터 이온 소스로 0.5 내지 1 sccm(분당 표준 세제곱 센티미터)의 흐름을 허용하는 밸브가 개방될 것이다. 이 가스는 시스템을 통해 빠르게 재순환하여, 대략 다음 압력들을 생성할 것이다: 이온 소스에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 < 20 μtorr일 것이고; 중앙 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 ~ 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 ~ 500 mtorr일 것이고; 타겟 챔버에서, 압력은 ~ 20 torr일 것이다.
이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 (RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나에 커플링된) RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스가 여기될 것이다. 파워 레벨이 0으로부터 약 500 W까지 증가되어, 약 1011 입자/㎤의 밀도를 갖는 조밀한 듀테륨 플라즈마를 생성할 것이다. 원하는 이온 전류(약 10 mA) 및 포커싱을 제공하기 위해 이온 추출 전압이 증가될 것이다. 그 후, 가속기 전압이 300 kV로 증가되어, 흐름 제한부를 통해, 또한 타겟 챔버로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버는, 이온 빔이 무시될 정도의 낮은 에너지로 떨어지기 전에 약 1 미터를 이동하는 선형 진공 챔버일 것이다.
타겟 가스를 통과하는 동안, 상기 빔은 핵반응을 일으켜, 4x1010 및 최대 약 9x1010 중성자/초를 생성할 것이다. 이 중성자들은 진공실을 관통하고, 적절한 핵계장으로 검출될 것이다.
반응 챔버로부터 차동 펌핑 부분으로 누출되는 중성자 가스는 콜드 트랩을 통해 고속 펌프들을 통과하고, 다시 반응 챔버로 돌아갈 것이다. 콜드 트랩은 이후 매우 작은 누출로 인해 시스템을 오염시킬 수 있는 보다 무거운 가스들을 제거할 것이다.
제 3 예시. 자기 타겟 챔버를 이용한 양성자 소스
초기에, 시스템은 10-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들은 기대 속도를 보일 것이다(각각의 스테이지가 터보분자 펌프인 2 스테이지). 약 25 내지 30 표준 세제곱 센티미터의 가스(양성자들을 발생시키는 듀테륨 및 헬륨-3의 약 50/50 혼합물)가 타겟 챔버 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 즉 일단 명시된 부피의 가스가 시스템 내로 유입되었고 타겟 챔버 내의 압력이 약 0.5 torr에 도달하면, 타겟 챔버로부터 이온 소스로 0.5 내지 1 sccm(분당 표준 세제곱 센티미터)의 듀테륨을 흐르게 하는 밸브가 개방될 것이다. 이 가스는 시스템을 통해 빠르게 재순환하여, 대략 다음 압력들을 생성할 것이다: 이온 소스에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 < 20 μtorr일 것이고; 타겟 챔버에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 ~ 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버에서, 압력은 ~ 0.5 torr일 것이다. 이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 (RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나에 커플링된) RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스가 여기될 것이다. 파워 레벨이 0으로부터 약 500 W까지 증가되어, 약 1011 입자/㎤의 밀도를 갖는 조밀한 듀테륨 플라즈마를 생성할 것이다. 원하는 이온 전류(약 10 mA) 및 포커싱을 제공하기 위해 이온 추출 전압이 증가될 것이다. 그 후, 가속기 전압이 300 kV로 증가되어, 흐름 제한부를 통해, 또한 타겟 챔버로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버는 약 5000 가우스(또는 0.5 테슬라)의 자기장으로 채워질 것이며, 이는 이온 빔을 재순환하게 한다. 이온 빔은 무시될 정도의 낮은 에너지로 떨어지기 전에 약 10 번 선회할 것이다.
재순환하는 동안, 이온 빔은 타겟 가스와 핵반응을 일으켜, 1x1011 및 최대 약 5x1011 양성자/초(protons/sec)를 생성할 것이다. 이 양성자들은 동위원소 추출 시스템의 튜브를 관통하고, 적절한 핵계장으로 검출될 것이다.
반응 챔버로부터 차동 펌핑 부분으로 누출되는 중성자 가스는 콜드 트랩을 통해 고속 펌프들을 통과하고, 다시 반응 챔버로 돌아갈 것이다. 콜드 트랩은 이후 매우 작은 누출로 인해 시스템을 오염시킬 수 있는 보다 무거운 가스들을 제거할 것이다.
제 4 예시. 선형 타겟 챔버를 이용한 양성자 소스
초기에, 시스템은 10-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들은 기대 속도를 보일 것이다(가속기에 가까운 2 개는 터보분자 펌프이고, 남은 하나는 루츠 송풍기와 같은 상이한 펌프인 3 스테이지). 약 1000 표준 세제곱 센티미터의 듀테륨과 헬륨-3 가스의 약 50/50 혼합물이 타겟 챔버 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 타겟 챔버로부터 이온 소스로 0.5 내지 1 sccm(분당 표준 세제곱 센티미터)의 흐름을 허용하는 밸브가 개방될 것이다. 이 가스는 시스템을 통해 빠르게 재순환하여, 대략 다음 압력들을 생성할 것이다: 이온 소스에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 < 20 μtorr일 것이고; 중앙 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 ~ 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 ~ 500 mtorr일 것이고; 타겟 챔버에서, 압력은 ~ 20 torr일 것이다.
이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 (RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나에 커플링된) RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스가 여기될 것이다. 파워 레벨이 0으로부터 약 500 W까지 증가되어, 약 1011 입자/㎤의 밀도를 갖는 조밀한 듀테륨 플라즈마를 생성할 것이다. 원하는 이온 전류(약 10 mA) 및 포커싱을 제공하기 위해 이온 추출 전압이 증가될 것이다. 그 후, 가속기 전압이 300 kV로 증가되어, 흐름 제한부를 통해, 또한 타겟 챔버로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버는, 이온 빔이 무시될 정도의 낮은 에너지로 떨어지기 전에 약 1 미터를 이동하는 선형 진공 챔버일 것이다.
타겟 가스를 통과하는 동안, 상기 빔은 핵반응을 일으켜, 1x1011 및 최대 약 5x1011 양성자/초를 생성할 것이다. 이 양성자들은 동위원소 추출 시스템의 튜브의 벽들을 관통하고, 적절한 핵계장으로 검출될 것이다.
반응 챔버로부터 차동 펌핑 부분으로 누출되는 중성자 가스는 콜드 트랩을 통해 고속 펌프들을 통과하고, 다시 반응 챔버로 돌아갈 것이다. 콜드 트랩은 이후 매우 작은 누출로 인해 시스템을 오염시킬 수 있는 보다 무거운 가스들을 제거할 것이다.
제 5 예시. 동위원소 생성을 위한 중성자 소스
시스템은 자기 타겟 챔버를 이용한 제 1 예시 또는 선형 타겟 챔버를 이용한 제 2 예시에서와 같이 작동할 것이다. 타겟 챔버에 근접하여 모 물질 98Mo의 고체 포일과 같은 고체 샘플이 배치될 것이다. 타겟 챔버 내에 생성된 중성자들은 타겟 챔버의 벽을 관통하고, 준-안정 99Tn으로 붕괴할 수 있는 99Mo를 생성하도록 98Mo 모 물질과 반응할 것이다. 99Mo는 당업계에 알려져 있는 적절한 기구 및 기술을 이용하여 검출될 것이다.
제 6 예시. 동위원소 생성을 위한 양성자 소스
시스템은 자기 타겟 챔버를 이용한 제 3 예시 또는 선형 타겟 챔버를 이용한 제 4 예시에서와 같이 작동할 것이다. 시스템은 타겟 챔버 내부에 동위원소 추출 시스템을 포함할 것이다. 동위원소 추출 시스템을 통해, H2 16O을 포함한 물과 같은 모 물질이 흐를 것이다. 타겟 챔버 내에 발생된 양성자들은 13N을 생성하기 위해 16O와 반응하도록 동위원소 추출 시스템의 벽을 관통할 것이다. 13N 생성 물질은 이온 교환 수지를 이용하여 모 물질 및 다른 물질로부터 추출될 것이다. 13N은 당업계에 알려져 있는 적절한 기구 및 기술을 이용하여 검출될 것이다.
요약하면, 본 발명은 특히 컴팩트 고에너지 양성자 또는 중성자 소스를 제공한다. 앞선 설명은 단지 본 발명의 원리들을 예시하는 것으로서 간주된다. 또한, 당업자라면 많은 수정예 및 변형예를 쉽게 알 것이며, 나타내고 설명된 정확한 구성 및 작동에 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 본 발명의 범위에 포함되는 모든 적절한 수정예들 및 등가물들이 쓰일 수 있다. 본 발명의 다양한 특징들 및 장점들이 아래의 청구항에서 설명된다.

Claims (36)

  1. 핵입자들을 발생시키는 컴팩트 장치(compact apparatus)에 있어서:
    이온 소스, 가속기, 및 타겟 시스템을 포함하며,
    상기 이온 소스는 이온 빔을 생성하고, 상기 이온 빔 가속기에 커플링되어 작동하며;
    상기 가속기는 상기 이온 빔을 수용하고, 가속화된 이온 빔을 산출하도록 상기 빔을 가속하며;
    상기 타겟 시스템은 상기 가속기에 커플링되어 작동하고, 핵입자들을 방출하도록 상기 가속된 빔과 반응하는 핵입자-유도 타겟 물질을 포함하며, 상기 타겟 시스템은:
    a) 자기 타겟 챔버;
    b) 고속 동기식 펌프에 커플링되어 작동하는 선형 타겟 챔버; 또는
    c) 동위원소 추출 시스템에 커플링되어 작동하는 선형 타겟 챔버
    로서 치수화되고 구성되는 컴팩트 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 시스템은:
    a) 최상부 및 저부;
    b) 상기 최상부에 장착된 제 1 자석; 및
    c) 상기 저부에 장착된 제 2 자석
    을 갖는 자기 타겟 챔버이고, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 상기 타겟 챔버 내의 상기 이온들을 재순환하게 하는 컴팩트 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 시스템은 선형 타겟 챔버인 컴팩트 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속 동기식 펌프는:
    a) 적어도 1 이상의 블레이드(blade);
    b) 상기 이온 빔의 통과를 허용하는 상기 적어도 1 이상의 블레이드들 내의, 또는 그 사이의 적어도 1 이상의 갭;
    c) 적어도 1 이상의 타이밍 신호;
    d) 상기 적어도 1 이상의 타이밍 신호 및 상기 가속기에 커플링되어 기능하는 제어기
    를 포함하고, 상기 제어기는 상기 이온 빔의 상기 타겟 챔버로의 통과를 허용하고, 상기 이온 빔의 상기 타겟 챔버로의 통과를 막기 위해 상기 가속기의 전압을 조정(moderate)하도록 기능하는 컴팩트 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 소스는:
    a) 이온화될 제 1 유체의 유입을 위한 유입구 및 유출구;
    b) 제 1 및 제 2 단부를 갖는 진공 챔버- 상기 제 1 단부는 상기 유입구에 연결됨 -;
    c) 상기 이온 빔을 생성하도록 상기 제 1 유체를 양으로 이온화하기 위해, 상기 진공 챔버에 연결되어 작동하는 RF 안테나- 상기 진공 챔버는 상기 이온 소스의 상기 유입구로부터 상기 유출구로의 상기 이온 빔의 통과를 허용함 -; 및
    d) 상기 진공 챔버의 제 2 단부에 연결되어 작동하고, 제 2 스테이지에 연결된 제 1 스테이지를 갖는 이온 주입기
    를 포함하고, 상기 이온 주입기의 제 1 스테이지는 상기 이온 빔을 시준하는 컴팩트 장치.
  6. 제 1 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속기는 전극-구동 가속기인 컴팩트 장치.
  7. 제 1 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속기는:
    a) 제 1 단부 및 제 2 단부- 상기 제 1 단부는 상기 이온 주입기의 제 2 스테이지에 연결됨 -;
    b) 내부 및 외부를 갖는 진공 챔버- 상기 진공 챔버는 상기 가속기의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 연장되고, 상기 가속기의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 상기 이온 빔의 통과를 허용함 -;
    c) 상기 이온 빔이 상기 가속기의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 에너지를 증가시키도록 상기 가속기의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 전압이 감소하는 전기장을 생성하기 위해, 나란히 위치되고(spaced along) 각각 상기 챔버 내부를 관통하는 적어도 2 이상의 가속 전극들; 및
    d) 상기 챔버 외부에서 각각의 가속 전극에 연결되어, 상기 전기장을 감소시키는 코로나-방지 링(anti-corona ring)
    을 포함하는 컴팩트 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟 시스템에 커플링되어 작동하고, 동위원소-유도 물질을 포함하는 동위원소 추출 시스템을 더 포함하는 컴팩트 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 동위원소 추출 시스템은 제 2 유체를 포함한 상기 동위원소-유도 물질을 수송하는 배관(tubing)을 포함하며, 상기 핵입자들이 상기 동위원소 추출 시스템의 배관을 관통하고 방사성 동위원소를 생성하도록 상기 제 2 유체와 반응하는 컴팩트 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 타겟 챔버는 상기 핵입자들에 투명한 벽들을 갖고, 상기 동위원소 추출 시스템은 상기 타겟 챔버에 근접하여 배치되는 컴팩트 장치.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 타겟 챔버는 상기 핵입자들에 투명하지 않은 벽들을 갖고, 상기 동위원소 추출 시스템은 상기 타겟 챔버 내에 배치되는 컴팩트 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟 챔버에 근접한 동위원소-유도 물질을 더 포함하고, 상기 핵입자들이 상기 타겟 챔버의 벽들을 관통하는 컴팩트 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟 챔버로부터 상기 가속기로의 분자들의 흐름을 감소시키는 차동 펌핑 시스템을 더 포함하고, 상기 펌핑 시스템은:
    a) 제 1 단부 및 제 2 단부- 상기 제 1 단부는 상기 가속기의 제 2 단부에 연결됨 -;
    b) 상기 차동 펌핑 시스템의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지의 상기 이온 빔의 통과를 허용하는 적어도 1 이상의 진공 챔버;
    c) 각각의 진공 챔버에 연결되어 압력을 감소시키는 적어도 1 이상의 진공 펌프; 및
    d) 상기 진공 펌프에 연결된 진공 펌프 배출구
    를 포함하는 컴팩트 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차동 펌핑 시스템과 상기 타겟 챔버 사이에 연결된 가스 여과 시스템을 더 포함하고, 상기 가스 여과 시스템은:
    a) 제 1 단부 및 제 2 단부;
    b) 상기 가스 여과 시스템의 상기 제 1 단부에 있는 게터 트랩(getter trap)- 이는 상기 타겟 챔버의 제 2 단부에 연결되어, 상기 타겟 챔버를 빠져나가는 수소를 트랩함 -;
    c) 상기 가스 여과 시스템의 제 2 단부에 있는 적어도 1 이상의 액체 질소 트랩- 이는 상기 게터 트랩에 연결되어, 상기 타겟 챔버를 빠져나가는 유체 불순물을 트랩함 -;
    d) 적어도 1 이상의 진공 펌프 격리 밸브- 이는 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 이동가능하고, 상기 트랩들에 연결된 일 단부를 가지며, 상기 차동 펌핑 시스템의 진공 펌프 배출구에 연결된 제 2 단부를 갖고, 제 3 단부를 가짐 -; 및
    e) 펌프아웃 밸브(pump-out valve)- 이는 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 이동가능하고, 상기 진공 펌프 격리 밸브의 제 3 단부에 연결되며, 상기 개방 위치에 있는 경우, 및 상기 진공 펌프 격리 밸브가 상기 폐쇄 위치에 있는 경우 상기 유체 불순물로 하여금 상기 가스 여과 시스템을 빠져나가게 함 -
    를 포함하는 컴팩트 장치.
  15. 핵입자를 발생시키는 방법에 있어서:
    이온 빔을 생성하도록 이온 소스를 활성화하는 단계;
    가속화된 이온 빔을 산출하기 위해, 적절한 에너지로 상기 이온 빔을 가속하는 단계;
    핵입자들을 산출하기 위해, 상기 가속화된 빔을 상기 빔과 반응하는 선택된 핵입자-유도 타겟 물질을 포함한 타겟 시스템으로 지향하는 단계
    를 포함하고, 상기 타겟 시스템은:
    a) 자기 타겟 챔버;
    b) 고속 동기식 펌프에 커플링되어 작동하는 선형 타겟 챔버; 또는
    c) 동위원소 추출 시스템에 커플링되어 작동하는 선형 타겟 챔버
    로서 치수화되고 구성되는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    적어도 1 이상의 방사성핵종을 생성하기 위해, 상기 핵입자들을 선택된 방사성핵종-발생 물질과 반응시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 이온 빔은 포함하는 2H 이온들을 포함하고, 상기 핵입자-유도 타겟 물질은 3He를 포함하는 방법.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 이온 빔은 포함하는 2H를 포함하고, 상기 핵입자-유도 타겟 물질은 3H를 포함하는 방법.
  19. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    동위원소-유도 물질은 H2 16O, H2 18O, 또는 98Mo인 방법.
  20. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    동위원소-유도 물질은 H2 16O이고, 발생된 동위원소는 13N인 방법.
  21. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    동위원소-유도 물질은 H2 18O이고, 발생된 동위원소는 18F인 방법.
  22. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    동위원소-유도 물질은 98Mo이고, 발생된 동위원소는 99Mo인 방법.
  23. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 가속화된 이온 빔은 적어도 50 mA 이상이고 적어도 100 keV 이상인 빔인 방법.
  24. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 방출된 핵입자들은 0.3 내지 30 MeV 양성자들인 방법.
  25. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 0 mtorr 내지 100 Torr의 압력을 갖는 방법.
  26. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 방출된 핵입자들은 10 내지 20 MeV 양성자들인 방법.
  27. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 100 mTorr 내지 30 Torr의 압력을 갖는 방법.
  28. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 방출된 핵입자들은 0.1 내지 30 MeV 중성자들인 방법.
  29. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 방출된 핵입자들은 2 내지 20 MeV 중성자들인 방법.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 발생된 동위원소는 18F, 11C, 15O, 13N, 63Zn 또는 124I인 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 발생된 동위원소는 131I, 133Xe, 111In, 125I 또는 99Mo인 방법.
  32. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 핵입자들은 양성자들 또는 중성자들인 방법.
  33. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 방사성핵종은 18F, 11C, 15O, 13N, 63Zn, 124I, 131I, 133Xe, 111In, 125I 또는 99Mo인 방법.
  34. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    핵입자-발생 물질은 3He, 2H 또는 3H인 방법.
  35. 제 1 항의 장치를 이용하여 생성된 핵입자.
  36. 제 1 항의 장치를 이용하여 양성자들 또는 중성자들을 발생시키는 방법.
KR1020107016871A 2007-12-28 2008-12-29 고에너지 양성자 및 또는 중성자 소스 KR101591688B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US1728807P 2007-12-28 2007-12-28
US61/017,288 2007-12-28
US13998508P 2008-12-22 2008-12-22
US61/139,985 2008-12-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100103652A true KR20100103652A (ko) 2010-09-27
KR101591688B1 KR101591688B1 (ko) 2016-02-04

Family

ID=41066274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107016871A KR101591688B1 (ko) 2007-12-28 2008-12-29 고에너지 양성자 및 또는 중성자 소스

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8837662B2 (ko)
EP (1) EP2236016B1 (ko)
JP (1) JP5653757B2 (ko)
KR (1) KR101591688B1 (ko)
CN (1) CN101952899B (ko)
CA (1) CA2710985C (ko)
RU (1) RU2496285C2 (ko)
WO (1) WO2009142669A2 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190018610A (ko) * 2017-08-15 2019-02-25 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 타겟 조립체 및 핵종 생성 시스템
KR20200105375A (ko) * 2019-02-28 2020-09-07 한국원자력연구원 중성자 발생장치 및 이를 이용한 의료용 동위원소 생산 방법

Families Citing this family (49)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009142669A2 (en) * 2007-12-28 2009-11-26 Gregory Piefer High energy proton or neutron source
KR20160072846A (ko) 2008-05-02 2016-06-23 샤인 메디컬 테크놀로지스, 인크. 의료용 동위원소를 생산하는 디바이스 및 방법
US9910166B2 (en) * 2008-05-22 2018-03-06 Stephen L. Spotts Redundant charged particle state determination apparatus and method of use thereof
EP2513640B1 (en) * 2009-12-15 2020-02-05 Phoenix, LLC Method and apparatus for performing active neutron interrogation of containers
JP2013516604A (ja) * 2010-01-04 2013-05-13 ジャック，コリン 真空中に衝突を提供する方法
WO2012003009A2 (en) * 2010-01-28 2012-01-05 Shine Medical Technologies, Inc. Segmented reaction chamber for radioisotope production
DE102010006435B3 (de) 2010-02-01 2011-07-21 Siemens Aktiengesellschaft, 80333 Verfahren und Vorrichtung zur Produktion von 99mTc
CN101846748B (zh) * 2010-06-23 2012-05-30 西北核技术研究所 基于熔融方式的碘同位素嬗变量测量方法
GB2487198A (en) * 2011-01-12 2012-07-18 Siemens Ag Apparatus and methods for the production of mo-99 using a compact neutron generator
US10734126B2 (en) 2011-04-28 2020-08-04 SHINE Medical Technologies, LLC Methods of separating medical isotopes from uranium solutions
CN102757017B (zh) * 2011-04-29 2016-04-27 北京大基康明医疗设备有限公司 含氧同位素化合物、制备方法、应用以及组合物
US8415646B2 (en) * 2011-08-04 2013-04-09 California Institute Of Technology Production of MeV micro beams of protons for medical applications
CN102949735B (zh) * 2011-08-30 2015-06-10 北京大基康明医疗设备有限公司 放射性药物的制备方法及系统
US10332646B2 (en) 2011-12-05 2019-06-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Apparatus and method for generating medical isotopes
RU2649662C2 (ru) 2012-04-05 2018-04-05 Шайн Медикал Текнолоджиз, Инк. Водная сборка и способ управления
US9576690B2 (en) * 2012-06-15 2017-02-21 Dent International Research, Inc. Apparatus and methods for transmutation of elements
US9330800B2 (en) 2012-12-03 2016-05-03 Wisconsin Alumni Research Foundation Dry phase reactor for generating medical isotopes
CN103412320A (zh) * 2013-07-29 2013-11-27 中国原子能科学研究院 一种皮秒级原子核寿命测量实验的高真空专用靶室
RU2560966C2 (ru) * 2013-11-12 2015-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Маяк" Способ получения препарата молибден-99
JP6355011B2 (ja) * 2013-11-12 2018-07-11 田中貴金属工業株式会社 中性子発生用ターゲット
CN104681116A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 上海核工程研究设计院 用于生产医用高比活度钴源的钴调节棒及钴棒束组件
WO2015199770A2 (en) * 2014-03-19 2015-12-30 Phoenix Nuclear Labs Llc Fast burst and steady-state intense neutron source
CN104010431B (zh) * 2014-05-15 2016-04-06 上海原子科兴药业有限公司 一种fdg靶系统
US9129843B1 (en) * 2014-06-12 2015-09-08 Globalfoundries Inc. Integrated inductor
GEP20186925B (en) * 2014-08-06 2018-11-12 Traiengel Institut Riserch High efficiency neutron capture products production
CA2860128A1 (en) * 2014-08-20 2016-02-20 Ad Maiora Llc Exothermic transmutation method
US9406405B2 (en) * 2014-09-28 2016-08-02 Joel Guild Rogers Fusion energy device with internal ion source
RU2623578C2 (ru) * 2015-02-20 2017-06-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) Устройство для поворота электронного пучка для электронно-лучевых технологий
CN105992449A (zh) * 2015-02-26 2016-10-05 李晓粉 一种加速器束流引出装置
CN104773511B (zh) * 2015-03-26 2017-02-22 中国科学院近代物理研究所 方波驱动磁力提升装置
RU2588594C1 (ru) * 2015-06-15 2016-07-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Способ изготовления наноструктурированной мишени для производства радиоизотопов молибдена-99
EP3469341B1 (en) 2016-06-09 2021-04-21 Phoenix LLC System and method for performing active scanning of a nuclear fuel rod
CN106644778B (zh) * 2016-10-21 2023-07-21 中国人民解放军空军工程大学航空机务士官学校 多功能高速撞击实验设备
CN106304604B (zh) * 2016-11-03 2018-08-28 四川瑶天纳米科技有限责任公司 一种用于中子俘获治疗的中子发生器
CN106710661B (zh) * 2016-12-27 2018-03-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种适用于超高流强氘氚聚变中子源的高压差气态靶装置
CA3229046A1 (en) 2017-01-18 2018-08-09 Shine Technologies, Llc High power ion beam generator systems and methods
US10362666B2 (en) * 2017-05-25 2019-07-23 Uchicago Argonne, Llc Compac carbon ion LINAC
JP6785189B2 (ja) * 2017-05-31 2020-11-18 住友重機械イオンテクノロジー株式会社 イオン注入装置およびイオン注入方法
JP6785188B2 (ja) * 2017-05-31 2020-11-18 住友重機械イオンテクノロジー株式会社 イオン注入装置およびイオン注入方法
US11131783B2 (en) * 2018-04-11 2021-09-28 Phoenix Neutron Imaging Llc Neutron imaging systems and methods
CN108831582B (zh) * 2018-04-17 2019-11-29 东莞理工学院 一种用于提高中子纯度的准直器
WO2019206967A1 (en) * 2018-04-25 2019-10-31 Adam S.A. A variable-energy proton linear accelerator system and a method of operating a proton beam suitable for irradiating tissue
WO2019236537A2 (en) 2018-06-06 2019-12-12 Phoenix Llc Ion beam target assemblies for neutron generation
CN114145078A (zh) * 2019-07-19 2022-03-04 凤凰有限责任公司 加压系统中的气体射流偏转
RU2735646C1 (ru) * 2020-05-15 2020-11-05 Акционерное Общество "Производственное Объединение "Электрохимический завод" (АО "ПО ЭХЗ") Способ изготовления наноструктурированной мишени для производства радионуклида молибден-99
US20240153662A1 (en) * 2021-01-22 2024-05-09 Fuse Energy Technologies Corp. Methods and systems for producing radionuclides using neutron activation
CN113133176A (zh) * 2021-03-25 2021-07-16 中科石金(安徽)中子技术有限公司 一种高产额长寿命中子管
CN113301706A (zh) * 2021-05-24 2021-08-24 东华理工大学 一种回旋加速器用外置简易型射频放电强流质子源装置
US11774375B1 (en) 2022-04-15 2023-10-03 Phoenix, Llc Re-entrant cones for moderator chamber of a neutron imaging system

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5006A (en) * 1847-03-06 Improvement in the process of manufacturing wire grating
US4010A (en) * 1845-04-22 Island
FR1481123A (fr) * 1966-03-11 1967-05-19 Commissariat Energie Atomique Procédé de production, d'accélération et d'interaction de faisceaux de particules chargées et dispositif de mise en oeuvre dudit procédé
US3473056A (en) * 1967-08-09 1969-10-14 Nat Electrostatics Corp Power transmission system for high voltage accelerators
US3676672A (en) * 1969-02-03 1972-07-11 Benjamin B Meckel Large diameter ion beam apparatus with an apertured plate electrode to maintain uniform flux density across the beam
US4008411A (en) * 1975-07-08 1977-02-15 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Production of 14 MeV neutrons by heavy ions
US4497768A (en) * 1982-07-07 1985-02-05 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Apparatus and method for quantitatively evaluating total fissile and total fertile nuclide content in samples
JPH0695159B2 (ja) * 1988-12-08 1994-11-24 富士通株式会社 放射線装置
US5076993A (en) * 1990-01-12 1991-12-31 Science Applications International Corporation Contraband detection system using direct imaging pulsed fast neutrons
US5135704A (en) * 1990-03-02 1992-08-04 Science Research Laboratory, Inc. Radiation source utilizing a unique accelerator and apparatus for the use thereof
US5200626A (en) * 1990-03-28 1993-04-06 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Hidden explosives detector employing pulsed neutron and x-ray interrogation
US5481105A (en) * 1993-06-04 1996-01-02 Halliburton Company Neutron backscatter gravel pack logging sonde with azimuthal scan capability
JPH07249498A (ja) * 1994-01-19 1995-09-26 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 中性子発生装置
ZA967418B (en) * 1995-09-13 1997-03-10 De Beers Ind Diamond Neutron beam generator
US5838759A (en) * 1996-07-03 1998-11-17 Advanced Research And Applications Corporation Single beam photoneutron probe and X-ray imaging system for contraband detection and identification
US5973328A (en) * 1997-10-29 1999-10-26 Lockheed Martin Energy Research Corporation Neutron detector using sol-gel absorber
US20030165213A1 (en) * 1998-02-18 2003-09-04 Maglich Bogdan C. Method and apparatus for neutron microscopy with stoichiometric imaging
US6122921A (en) * 1999-01-19 2000-09-26 Applied Materials, Inc. Shield to prevent cryopump charcoal array from shedding during cryo-regeneration
AU1241401A (en) * 1999-10-27 2001-05-08 Jmar Research, Inc. Method and radiation generating system using microtargets
US6917044B2 (en) * 2000-11-28 2005-07-12 Behrouz Amini High power high yield target for production of all radioisotopes for positron emission tomography
US6693281B2 (en) * 2001-05-02 2004-02-17 Massachusetts Institute Of Technology Fast neutron resonance radiography for elemental mapping
US6922455B2 (en) * 2002-01-28 2005-07-26 Starfire Industries Management, Inc. Gas-target neutron generation and applications
US20030152185A1 (en) * 2002-02-14 2003-08-14 Catalasan Peter Paul M. Catalasan nuclear fusion reactor a rotating centrifugal-laser nuclear fusion reactor
WO2003091697A2 (en) * 2002-04-26 2003-11-06 Bartlett Support Services, Inc. Crane mounted cargo container inspection apparatus and method
US20040100214A1 (en) * 2002-05-13 2004-05-27 Karl Erdman Particle accelerator assembly with high power gas target
GB0220812D0 (en) * 2002-09-07 2002-10-16 Univ Leicester Detector device
WO2005024845A2 (en) * 2003-04-08 2005-03-17 Lawrence Berkeley National Laboratory Detecting special nuclear materials in containers using high-energy gamma rays emitted by fission products
US7151815B2 (en) * 2004-04-06 2006-12-19 Westinghouse Electric Co Llc Nonintrusive method for the detection of concealed special nuclear material
US7359480B2 (en) * 2004-04-23 2008-04-15 Lawrence Livermore National Security, Llc Neutron interrogation system using high gamma ray signature to detect contraband special nuclear materials in cargo
CA2572022C (en) * 2004-06-29 2012-09-04 Triumf, Operating As A Joint Venture By The Governors Of The University Of Alberta, The University Of British Columbia, Carleton University, Sim Forced convection target assembly
US8330115B2 (en) * 2005-12-01 2012-12-11 Innovative American Technology, Inc. High performance neutron detector with near zero gamma cross talk
JP2007170890A (ja) * 2005-12-20 2007-07-05 Hitachi Ltd 放射性同位元素製造装置のターゲットおよび放射性同位元素製造装置
US7855372B2 (en) * 2006-03-16 2010-12-21 Kansas State University Research Foundation Non-streaming high-efficiency perforated semiconductor neutron detectors, methods of making same and measuring wand and detector modules utilizing same
EP1882929B1 (en) * 2006-07-28 2011-10-12 Sage Innovations, Inc. A detection system and detection method based on pulsed energetic particles
RU64811U1 (ru) * 2006-12-12 2007-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" Мишень газонаполненной нейтронной трубки
WO2009142669A2 (en) * 2007-12-28 2009-11-26 Gregory Piefer High energy proton or neutron source
WO2009129513A1 (en) * 2008-04-18 2009-10-22 David Perticone Distinguishing between classes of fissionable material
KR20160072846A (ko) * 2008-05-02 2016-06-23 샤인 메디컬 테크놀로지스, 인크. 의료용 동위원소를 생산하는 디바이스 및 방법
EP2513640B1 (en) * 2009-12-15 2020-02-05 Phoenix, LLC Method and apparatus for performing active neutron interrogation of containers

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190018610A (ko) * 2017-08-15 2019-02-25 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 타겟 조립체 및 핵종 생성 시스템
KR20200105375A (ko) * 2019-02-28 2020-09-07 한국원자력연구원 중성자 발생장치 및 이를 이용한 의료용 동위원소 생산 방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009142669A2 (en) 2009-11-26
CA2710985A1 (en) 2009-11-26
RU2010126346A (ru) 2012-02-10
US8837662B2 (en) 2014-09-16
EP2236016B1 (en) 2017-08-09
KR101591688B1 (ko) 2016-02-04
US20100284502A1 (en) 2010-11-11
JP5653757B2 (ja) 2015-01-14
WO2009142669A3 (en) 2010-02-25
EP2236016A2 (en) 2010-10-06
JP2011508885A (ja) 2011-03-17
CN101952899A (zh) 2011-01-19
CA2710985C (en) 2017-03-21
RU2496285C2 (ru) 2013-10-20
CN101952899B (zh) 2014-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220270774A1 (en) Device and method for producing medical isotopes
KR101591688B1 (ko) 고에너지 양성자 및 또는 중성자 소스
US11894157B2 (en) Segmented reaction chamber for radioisotope production
EP2428102A1 (en) Isotope production system and cyclotron having reduced magnetic stray fields
US20130129027A1 (en) High Flux Neutron Source
Alfassi et al. Elemental analysis by particle accelerators
Conard High intensity accelerator for a wide range of applications

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
B701 Decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200114

Year of fee payment: 5