KR20110043196A - 메탈폼을 이용한 동위원소 생산 대전류 고체표적 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈폼을 이용한 동위원소 생산 대전류 고체표적에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착시킨 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 대전류 고체표적에 관한 것이다. 본 발명에 따른 메탈폼이 구비되는 동위원소 생산 대전류 고체표적은 종래의 평면 형태의 고체표적과 대비하여 우수한 냉각성능을 나타냄으로써, 고체표적에 조사되는 양성자 빔 전류의 양을 증가시킬 수 있으며, 증대된 양성자 빔 전류의 조사는 단위시간에 생성되는 동위원소의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단시간의 양성자 빔 조사에 의해서도 작업자가 원하는 양의 동위원소 생산이 가능하므로 의료용 사이클로트론 방사핵종의 생산에 유용하게 사용할 수 있다.

표적장치, 고체동위원소, 고체표적, 메탈폼

Description

메탈폼을 이용한 동위원소 생산 대전류 고체표적 {The high current solid target with metal foam for radioisotope production at cyclotron}

본 발명은 메탈폼을 이용한 동위원소 생산 대전류 고체표적에 관한 것이다.

일반적으로 방사성 동위원소는 α선, β선, γ선과 같은 방사선을 방출하는 동위원소를 말한다. 동위원소는 보통의 일반원소와 화학적 특성은 같으나 그 원자량이 다른 원소를 나타내는 것으로, 크게 원자로 핵종과 가속기(사이클로트론) 핵종으로 분류할 수 있다. 원자로 핵종은 주로 치료용으로 사용되며, 가속기 핵종은 주로 진단용으로 사용되고 있다.

상기 핵종 중에서 가속기 핵종은 원자로 핵종과는 다르게 무담체의 높은 비방사능(specific activity)을 가질 뿐만 아니라 전자포획이나 양전자(β⁺) 방출을 통하여 붕괴하므로 환자에 대한 방사능 피폭을 현저히 줄일 수 있고, 진단에 선명한 영상을 얻을 수 있으므로 핵의학에서는 주로 가속기 핵종을 선호하고 있다. 더 욱이 상기 양전자 방출핵종은 양전자방출단층활영술(positron emission tomography, PET) 또는 단광자방출단층촬영(single photon emission computed tomography, SPECT)에 사용되어 인체의 물질대사연구, 암진단, 심장 이상 진단 및 신경계통의 이상으로 유발되는 여러 가지 질병진단용으로 사용되고 있다.

한편, 의료용 진단 및 치료에 사용되는 동위원소는 점차 활용도가 높아지고 수요도 증가하는 추세에 있다. 국내 핵의학에서 사용하고 있는 의료용 사이클로트론 방사핵종은 매년 10% 이상 증가하고 있으나, 이중 80% 이상을 수입에 의존하고 있는 실정이므로 생산량을 증가시키기 위한 연구가 이루어지고 있다.

방사성 동위원소는 안정동위원소에 양성자 혹은 중성자를 조사하여 생산한다. 이와 같이 안정동위원소에 양성자 또는 중성자를 조사할 수 있도록 하는 기구 혹은 장치를 표적(target)이라고 하며, 상기 표적장치는 사이클로트론에서 가속된 높은 에너지의 양성자를 받아서 안정동위원소에 핵반응을 일으켜 방사성 동위원소로 변환할 수 있도록 안정동위원소의 물질 상태를 변화시킨다.

방사성 동위원소의 생산 표적장치는 사용되는 안정동위원소의 물질의 상태에 따라 고체, 액체 및 기체의 세 가지 표적으로 나뉜다. 기체 표적에서는 ¹⁸F, ¹²³I가 생산되고 있으며, 고체표적에서는 ²⁰¹Tl, ¹⁰³Pd, ⁶⁷Ga이 생산되고 있다. 특히, SPECT용 동위원소의 생산은 대부분이 금속계열의 물질로 고체표적을 사용하고 있다.

상기 고체표적장치의 구성 및 원리를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 고체표적장치는 고체표적 플레이트(1)와 표적플레이트 위에 도금된 안정동위원소(2), 표적의 냉각을 위한 냉각수가 흐르는 냉각부(3) 및 사이클로트론에서 가속된 양성자 빔이 조사되는 조사스테이션(4)으로 구성된다. 동위원소의 생산에 사용되는 양성자 빔은 사이클로트론이라 불리우는 가속기에서 생성되며, 이 양성자를 이용하여 핵반응을 일으켜 안정동위원소를 동위원소로 변환시켜 생산한다.

또한, 종래 기술에 의한 고체표적장치의 구조를 도 2에 나타내었다. 양성자 빔이 들어오는 부분의 직경은 약 10 ㎜ 내외로 사이클로트론에서 생성되는 빔을 최대한 넓고 균일한 밀도를 가지도록 와불러(wobbler) 장치를 사용하여 조사한다. 고체표적은 높은 전류량의 조사를 위하여 일반적으로 경사표적을 사용한다. 경사표적을 사용함으로써 표적에 조사되는 면적을 증가시킬 수 있으며, 표적에 안정동위원소의 도금두께도 얇게 만들 수 있으므로 높은 전류량의 조사가 가능하게 된다.

사이클로트론을 이용하여 가속된 양성자는 물질의 밀도에 따라 에너지가 급격하게 줄어드는 특징이 있다. 이렇게 줄어드는 에너지는 열로 발생하게 되므로 대전류 조사일수록 높은 냉각효율이 요구된다. 열이 발생하는 경우, 표적이 금속 본래의 고체 상태를 유지하지 못하게 되고, 양성자 빔에 의하여 기화되어 사이클로트론의 진공도를 낮추어 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 표적물질에 조사가능한 적정한 에너지 대역의 유지가 불가능하게 되어 대부분의 경우 핵적순도가 낮아져 동위원소 생산율이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 고체표적에서 표적 표면의 냉각이 매우 중요하다. 따라서, 높은 전류량의 양성자 빔 조사과정에서 생산수율의 안정성 확보와 조사시간의 단축 및 동위원소의 생산량 증대를 위하여 고체표적의 냉각효율을 증대시키는 것이 필요하다.

유체유동에 의한 열전달계수의 정의는 하기 수학식 1과 같이 h로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서 Q는 전달된 열량이고, A는 전열면적, △T는 온도차이를 나타낸다. 상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 열전달계수(h)의 값이 커야 냉각효율이 높다. 따라서, 냉각효율을 높이기 위해서는 전열면적을 증가시키거나 두 매질 사이의 온도 차이를 크게 하여야 한다.

기존의 냉각효율 증대방향은 일정한 온도차를 유지하기 위하여 냉각유량을 늘리는 방법과 조사면적을 크게 하여 열전도 면적을 크게 함으로써 냉각효율을 높이는 방법을 취하였다.

냉각유량을 늘리는 방법은 금속표면과 냉각수의 마찰력에 의하여 유체의 유동이 이루어지지 않는 구간이 발생하므로 이를 방지하기 위하여 유로를 좁게 하여 냉각수가 흐르게 한다. 이때, 한정된 유로의 제한으로 냉각효율을 유지하기 위하여 냉각수 압력을 높이는 방법을 취하게 되므로 냉각수의 누설 및 진공부로의 누설 등 많은 문제점이 발생한다.

조사면적을 크게 하는 방법은 안정동위원소의 도금면적을 넓게 함으로써 화학처리에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 가속기 빔 균일도의 문제로 크기의 제한이 따르며, 이보다 큰 면적의 표적은 불필요하게 고가의 안정동위원소를 사용하게 되는 문제점이 발생한다.

이에 본 발명자들은 동위원소 생산 대전류 고체표적의 냉각효율을 높이기 위해 연구하던 중 고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착시킨 동위원소 생산 대전류 고체표적이 종래의 평면 형태의 고체표적과 대비하여 우수한 냉각성능을 나타냄으로써, 고체표적에 조사되는 양성자 빔 전류의 양을 1.5 내지 2배 정도로 증가시키는 것이 가능함을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 냉각효율이 향상된 동위원소 생산 대전류 고체표적을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 대전류 동위원소 생산 대전류 고체표적 냉각용 메탈폼을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착시킨 동위원소 생산 대전류 고체표적을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 대전류 동위원소 생산 대전류 고체표적의 후면에 부착되는 고체표적 냉각용 메탈폼을 제공한다.

본 발명에 따른 메탈폼이 구비되는 동위원소 생산 대전류 고체표적은 종래의 평면 형태의 고체표적과 대비하여 우수한 냉각성능을 나타냄으로써, 고체표적에 조사되는 양성자 빔 전류의 양을 증가시킬 수 있으며, 증대된 양성자 빔 전류의 조사는 단위시간에 생성되는 동위원소의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단시간의 양성자 빔 조사에 의해서도 작업자가 원하는 양의 동위원소 생산이 가능하므로 의료용 사이클로트론 방사핵종의 생산에 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명은 냉각효율이 향상된 동위원소 생산 대전류 고체표적을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 상기 동위원소 생산 대전류 고체표적은 고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 고체표적 플레이트의 후면에 구비되는 메탈폼은 내부에 다수의 공극이 존재하는 해면체 구조의 금속인 것이 바람직하다. 이때, 상기 해면체 구조 내부의 공극은 냉각수 등의 유체가 흐르도록 서로 연결되는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 메탈폼 부착 전후의 고체표적 플레이트를 나타내고 있다. 본 발명에 따른 고체표적은 상술한 메탈폼이 고체표적 플레이트의 후면에 부착되되, 이들 메탈폼 내부에 공극을 가짐으로써, 예를 들면 냉각수와 같은 유체가 메탈폼의 매개 없이 금속인 고체표적 플레이트와 직접 평면 접촉되는 경우와 대비하여 전열면적이 수 내지 수십 배 증가하게 될 수 있다. 일반적으로 전열면적이 클수록 단위 시간당 열 전달량이 증가된다. 따라서, 본 발명에 따른 전열면적이 큰 메탈폼을 구비하는 고체표적은 동량의 유체가 흐르는 경우, 평면 형상의 금속 자체와 대비하여 대류 열전도가 훨씬 원활하게 되는 결과 고체표적의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 상기 고체표적 플레이트와 그 후면에 구비되는 메탈폼은 열 전도효율의 관점에서 서로 동일한 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 동위원소 생산 대전류 고체표적에 있어서, 고체표적 플레이트 후면의 형상은 상기 플레이트의 형상을 따라 메탈폼이 안정적으로 부착될 수 있도록 홈이 구비되는 것이 바람직하나, 열전달을 효율적으로 수행할 수 있는 형상이면 특별한 제한이 없다.

본 발명은 또한 대전류 동위원소 생산 대전류 고체표적의 후면에 부착되는 고체표적 냉각용 메탈폼을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 메탈폼은 내부에 다수의 공극이 존재하는 해면체 구조의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 해면체 구조 내부의 공극은 유체가 흐르도록 서로 연결되어 있는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에 따른 상기 메탈폼은 고체표적 플레이트와 서로 동일한 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시형태에 따른 동위원소 생산 대전류 고체표적의 냉각효과를 하기 방법으로 측정하였다.

종래의 평면 형태의 고체표적과 본 발명에 따른 메탈폼을 이용한 고체표적의 냉각 성능 비교를 위한 냉각 실험 장치를 도 5에 나타내었다. 사이클로트론에서 조사되는 양성자에 의해 발생하는 열은 P(W) = E(MeV) × I(μA)로 정의되므로 사이클로트론의 양성자 빔 대신에 열발생 기구를 표적의 표면에 접촉하여 냉각성능을 모사하였다. 종래의 평면 형태의 고체표적의 냉각 실험 장치를 도 5의 (a)에 나타내었으며, 본 발명에 따른 메탈폼을 이용한 고체표적의 냉각 실험 장치를 도 5의 (b)에 나타내었다. 고체표적의 표면온도를 60 ℃로 일정하게 유지하게 한 상태에서 냉각수를 흐르게 하였을 때, 표적을 통하여 흐르는 냉각 유량(LPM)과 냉각 시간(△t) 및 냉각을 통해서 유지되는 고체표적 표면 온도(T)을 측정하였다. 냉각펌프는 동일한 냉각펌프를 사용하였으며, 냉각수의 온도는 19 ℃이며, 냉각과정에서 가열기기에 인가되는 전류량은 일정하게 유지하였다. 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	종래 고체표적	본 발명에 따른 고체표적
온도 변화(△T, ℃)	5	11
최고 냉각 온도(T, ℃)	55	49
냉각유량(LPM)	10	6
냉각시간(△t, sec)	28	15

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 메탈폼을 이용한 고체표적은 종래 고체표적과 대비하여, 메탈폼이 가지는 저항성으로 인하여 냉각유량의 저하(냉각수 압력 강하)가 발생하나 냉각시간 및 온도변화는 약 2배 정도 우수한 것을 알 수 있다.

이를 통해 본 발명에 따른 메탈폼을 이용한 고체표적은 조사되는 양성자 빔의 전류량이 동일한 경우 보다 안정적으로 낮은 온도를 유지할 수 있으며, 동일한 표적 표면온도를 가지도록 양성자 빔을 조사하는 경우 조사되는 양성자 빔 전류의 양을 1.5 내지 2배 정도로 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

그러므로 본 발명에 따른 메탈폼이 구비되는 동위원소 생산 대전류 고체표적은 종래의 평면 형태의 고체표적과 대비하여 우수한 냉각성능을 나타냄으로써, 고체표적에 조사되는 양성자 빔 전류의 양을 증가시킬 수 있으며, 증대된 양성자 빔 전류의 조사는 단위시간에 생성되는 동위원소의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단시간의 양성자 빔 조사에 의해서도 작업자가 원하는 양의 동위원소 생산이 가능하므로 의료용 사이클로트론 방사핵종의 생산에 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명의 범위는 첨부되는 청구항에 기재되어 있는 발명 및 이와 균등한 범위의 발명을 포함한다. 또한, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 이러한 변형이 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 되며, 당해 기술분야의 숙련자에게 자명할 것 같은 모든 변형은 하기 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

도 1은 고체표적장치의 구성 및 원리를 나타내는 개략도이고;

도 2는 종래 기술에 의한 고체표적장치의 구조를 나타내는 개략도이고;

도 3은 본 발명에 따른 고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착하기 전의 고체표적 플레이트를 나타낸 이미지이고;

도 4는 본 발명에 따른 고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착한 후의 고체표적 플레이트를 나타낸 이미지이고;

도 5는 본 발명에 따른 메탈폼을 이용한 고체표적의 냉각 효과를 측정하기 위한 냉각 실험 장치를 나타낸 이미지이다((a)종래의 평면 형태의 고체표적, (b)본 발명에 따른 메탈폼을 이용한 고체표적).

Claims (9)

1. 동위원소 생산 고체표적에 있어서,

   고체표적 플레이트의 후면에 메탈폼을 부착시킨 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 대전류 고체표적.
2. 제1항에 있어서, 상기 메탈폼은 내부에 다수의 공극이 존재하는 해면체 구조의 금속인 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 대전류 고체표적.
3. 제2항에 있어서, 상기 해면체 구조 내부의 공극은 유체가 흐르도록 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 대전류 고체표적.
4. 제1항에 있어서, 상기 고체표적 플레이트와 메탈폼은 서로 동일한 금속인 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 대전류 고체표적.
5. 제1항에 있어서, 상기 동위원소 생산 대전류 고체표적은 고체표적 플레이트 의 후면에 플레이트의 형상을 따라 메탈폼이 부착되는 홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 동위원소 생산 대전류 고체표적.
6. 대전류 동위원소 생산 고체표적의 후면에 부착되는 고체표적 냉각용 메탈폼.
7. 제6항에 있어서, 상기 메탈폼은 내부에 다수의 공극이 존재하는 해면체 구조의 금속인 것을 특징으로 하는 고체표적 냉각용 메탈폼.
8. 제7항에 있어서, 상기 해면체 구조 내부의 공극은 유체가 흐르도록 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고체표적 냉각용 메탈폼.
9. 제6항에 있어서, 상기 메탈폼은 고체표적 플레이트와 서로 동일한 금속인 것을 특징으로 하는 고체표적 냉각용 메탈폼.

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