KR20120020111A - 동위원소 생산 시스템 및 감소된 표유 자기장을 갖는 사이클로트론 - Google Patents

동위원소 생산 시스템 및 감소된 표유 자기장을 갖는 사이클로트론 Download PDF

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Abstract

가속 챔버를 둘러싸는 요크 본체를 갖는 자석 요크 및 자석 조립체를 구비하는 사이클로트론이 제공된다. 자석 조립체는 대전 입자를 소정 경로를 따라서 지향시키기 위해 자기장을 생성하도록 구성된다. 자석 조립체는 가속 챔버 내에 위치한다. 자기장은 가속 챔버를 통해서 자석 요크 내에서 전파된다. 자기장의 일부는 자석 요크의 외부로 표유 자기장으로서 탈출한다. 자석 요크는 표유 자기장이 외부 경계로부터 1 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정된다.

Description

동위원소 생산 시스템 및 감소된 표유 자기장을 갖는 사이클로트론{ISOTOPE PRODUCTION SYSTEM AND CYCLOTRON HAVING REDUCED MAGNETIC STRAY FIELDS}
(관련 출원에 대한 상호-참조)
본 출원은, 발명의 명칭이 "동위원소 생산 시스템 및 사이클로트론"인 대리인 정리 번호(Attorney Docket No.) 236102 (553-1444US)의 특허 출원, 및 발명의 명칭이 "동위원소 생산 시스템 및 펌프 수용 공동이 구비된 자석 요크를 갖는 사이클로트론"인 대리인 정리 번호 236098 (553-1441US)의 특허 출원에 개시된 요지에 관한 요지를 포함하고, 이들 특허 출원은 모두 본 출원과 동시에 출원되었으며 그 전체가 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 일반적으로 사이클로트론에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 방사성 동위원소를 생산하기 위해 사용되는 사이클로트론에 관한 것이다.
방사성 동위원소[방사성 핵종(radionuclide)으로도 지칭됨]는 의학적 치료, 촬영, 및 연구에서의 다양한 용도뿐 아니라 의료와 관련되지 않은 다른 용도를 갖는다. 방사성 동위원소를 생산하는 시스템은 통상, 상호 이격되는 대향 자극(pole)을 구비하고 가속 챔버를 둘러싸는 자석 요크를 갖는 사이클로트론과 같은 입자 가속기를 구비한다. 사이클로트론은 대전 입자를 자극 사이의 나선형 궤도를 따라서 가속시키기 위해 전기장 및 자기장을 사용한다. 동위원소를 발생시키기 위해, 사이클로트론은 대전 입자의 빔을 형성하고, 이 빔이 가속 챔버로부터 탈출하여 타겟 재료에 입사되게 한다. 사이클로트론의 작동 중에, 자기 요크 내에 발생되는 자기장은 매우 강력하다. 예를 들어, 일부 사이클로트론에서, 자극 사이의 자기장은 적어도 1 테슬라(Tesla)이다.
그러나, 사이클로트론에 의해 발생되는 자기장은 표유 자기장을 생성할 수 있다. 표유 자기장은 사이클로트론의 자기 요크로부터 자기장이 필요치 않은 영역으로 탈출하는 자기장이다. 예를 들어, 사이클로트론의 작동 중에, 자석 요크의 수 미터 내에 강한 표유 자기장이 생성될 수 있다. 이들 표유 자기장은 사이클로트론의 장비나 기타 근처의 시스템 장치들에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 또한, 표유 자기장은 심장박동기 또는 일부 기타 생물의학 장치를 착용하는 사이클로트론 주위의 사람에게 위험할 수 있다.
표유 자기장에 추가적으로, 사이클로트론은 그 특정 거리 내에서 바람직하지 않은 레벨의 방사선을 발생시킬 수 있다. 챔버 내의 이온은 챔버 내의 가스 입자와 충돌할 수 있으며, 가속 챔버 내의 전기장 및 자기장에 의해 더 이상 영향받지 않는 중성 입자가 될 수 있다. 중성 입자는 가속 챔버의 벽과 충돌할 수 있으며, 이차 감마선을 생성할 수 있다.
일부 종래의 사이클로트론 및 동위원소 생산 시스템에서, 표유 자기장 및 방사선의 도전은, 사이클로트론을 둘러싸는 다량의 차폐(shielding)를 추가함으로써 또는 사이클로트론을 특정하게 설계된 룸에 배치함으로써 해결되었다. 그러나, 추가 차폐는 값비쌀 수 있으며, 사이클로트론을 위한 특정 룸, 특히 원래는 방사성 동위원소 생산용으로 의도되지 않은 기존 룸의 설계는 새로운 도전을 초래한다.
따라서, 근처 표유 자기장을 감소시키는 개선된 방법, 사이클로트론, 및 동위원소 생산 시스템이 요구된다. 또한, 사이클로트론에 의해 방출되는 방사선의 레벨을 감소시키는 개선된 방법, 사이클로트론, 및 동위원소 생산 시스템이 요구된다.
다른 실시예에 따르면, 가속 챔버를 둘러싸는 요크 본체를 갖는 자석 요크 및 자석 조립체를 구비하는 사이클로트론이 제공된다. 자석 조립체는 대전 입자를 소정 경로를 따라서 지향시키기 위해 자기장을 생성하도록 구성된다. 자석 조립체는 가속 챔버 내에 위치한다. 자기장은 가속 챔버를 통해서 자석 요크 내에서 전파된다. 자기장의 일부는 자석 요크의 외부로 표유 자기장으로서 탈출한다. 자석 요크는 표유 자기장이 외부 경계로부터 1 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정된다.
다른 실시예에 따르면, 사이클로트론 제조 방법이 제공된다. 사이클로트론은 대전 입자를 소정 경로를 따라서 지향시키기 위한 자기장 및 전기장을 발생하도록 구성된다. 방법은 가속 챔버를 둘러싸는 요크 본체를 갖는 자석 요크를 제공하는 단계를 포함한다. 대전 입자를 지향시키기 위해 그 내부에 자기장이 발생된다. 자석 요크는, 자석 요크를 탈출하는 표유 자기장이 외부 경계로부터 소정 거리에서 소정 양을 초과하지 않도록 치수 설정된다. 방법은 또한 가속 챔버 내에 자석 조립체를 배치하는 단계를 포함한다. 자석 조립체는 자기장을 생성하도록 구성된다. 표유 자기장이 외부 경계로부터 1 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 자석 요크가 치수 설정되고 자석 조립체가 작동하도록 구성된다.
도 1은 일 실시예에 따라 형성된 동위원소 생산 시스템의 블록선도,
도 2는 일 실시예에 따라 형성된 자석 요크의 사시도,
도 3은 일 실시예에 따라 형성된 사이클로트론의 측면도,
도 4는 도 3에 도시된 사이클로트론의 저부의 측면도,
도 5는 사이클로트론의 작동 중의 자기장 라인을 도시하는 도 3에서의 사이클로트론의 상부의 측면도,
도 6은 작동 중에 사이클로트론으로부터 방출되는 방사선을 도시하는 도 3에서의 사이클로트론의 상부의 측면도,
도 7은 다른 실시예에 따라 형성된 동위원소 생산 시스템의 사시도,
도 8은 도 6에 도시된 동위원소 생산 시스템과 함께 사용될 수 있는, 다른 실시예에 따라 형성된 사이클로트론의 측단면도,
도 9a는 일 실시예에 따라 형성된 자석 요크의 일부 주위의 표유 자기장 분포를 도시하는 도면,
도 9b는 도 9a에 도시된 자석 요크의 부분을 둘러싸는 실드를 자석 요크가 가질 때 상기 부분 주위의 표유 자기장 분포를 도시하는 도면.
도 1은 일 실시예에 따라 형성된 동위원소 생산 시스템(100)의 블록선도이다. 시스템(100)은 이온 소스 시스템(104), 전기장 시스템(106), 자기장 시스템(108), 및 진공 시스템(110)을 구비하는 몇 개의 서브-시스템을 갖는 사이클로트론(102)을 구비한다. 사이클로트론(102)의 사용 중에, 대전 입자는 이온 소스 시스템(104)을 통해서 사이클로트론(102) 내에 배치되거나 주입된다. 자기장 시스템(108) 및 전기장 시스템(106)은, 대전 입자의 입자 빔(112)을 생성하는데 있어서 상호 협력하는 각각의 자기장을 발생시킨다. 대전 입자는 소정 경로를 따라서 사이클로트론(102) 내에서 가속 및 안내된다. 시스템(100)은 또한, 타겟 재료(116)를 구비하는 타겟 시스템(114)과 추출 시스템(115)을 갖는다.
동위원소를 발생하기 위해, 입자 빔(112)은 사이클로트론(102)에 의해 추출 시스템(115)을 통해서 빔 운반 경로(117)를 따라서 타겟 시스템(114) 내로 향하여, 대응 타겟 영역(120)에 위치한 타겟 재료(116)에 입사된다. 시스템(100)은 개별 타겟 재료(116A-C)가 위치하는 복수의 타겟 영역(120A-C)을 가질 수 있다. 시프팅 장치 또는 시스템(도시되지 않음)은 입자 빔(112)이 상이한 타겟 재료(116)에 입사되도록 타겟 영역(120A-C)을 입자 빔(112)에 대해 시프트시키기 위해 사용될 수 있다. 시프팅 과정 중에도 진공이 유지될 수 있다. 대안적으로, 사이클로트론(102) 및 추출 시스템(115)은 입자 빔(112)을 하나의 경로를 따라서만 안내하지 않지만, 입자 빔(112)을 각각의 상이한 타겟 영역(120A-C)에 대한 고유 경로를 따라서 지향시킬 수 있다.
전술한 서브-시스템을 하나 이상 갖는 동위원소 생산 시스템 및/또는 사이클로트론의 예가 미국 특허 제6,392,246호, 제6,417,634호, 제6,433,495호 및 제7,122,966호와 미국 특허 출원 제2005/0283199호에 기재되어 있으며, 이들은 모두 그 전부가 본 명세서에 원용된다. 또한 추가적인 예들이 미국 특허 제5,521,469호와 제6,057,655호 및 미국 특허 출원 제2008/0067413호와 제2008/0258653호에 제공되며, 이들은 모두 그 전부가 본 명세서에 원용된다.
시스템(100)은 의학적 촬영, 연구 및 치료뿐 아니라 의학과 관련이 없는 과학적 연구 또는 분석과 같은 다른 용도에 사용될 수 있는 방사성 동위원소(방사성 핵종으로도 지칭됨)를 생성하도록 구성된다. 핵의학(NM: Nuclear Medicine) 촬영 또는 양전자 방출 단층촬영(PET: Positron Emission Tomography) 촬영에서와 같은 의학적 용도로 사용될 때, 방사성 동위원소는 또는 트레이서(tracer)로 지칭될 수 있다. 예로서, 시스템(100)은 18F- 동위원소를 액체 형태로 만들고, 11C 동위원소를 CO2로서 만들고, 13N 동위원소를 NH3으로서 만들기 위해 양자를 발생시킬 수 있다. 이들 동위원소를 만들기 위해 사용되는 타겟 재료(116)는 농축 18O 워터, 천연 14N2 가스, 및 16O-워터일 수 있다. 시스템(100)은 또한 15O 가스(산소, 이산화탄소 및 일산화탄소) 및 15O 표식 워터를 생성하기 위해 중양자를 발생시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(100)은 1H- 기술을 사용하며, 대전 입자를 대략 10 내지 30μA의 빔 전류에 의해 낮은 에너지(예를 들면, 약 7.8 MeV)로 만든다. 이러한 실시예에서, 수소 음이온은 사이클로트론(102)을 통해서 가속되어 추출 시스템(115) 내로 안내된다. 수소 음이온은 이후 추출 시스템(115)의 박리 포일(도시되지 않음)을 가격하여 전자 쌍을 제거하고 입자를 양이온 1H+로 만든다. 그러나, 대체 실시예에서, 대전 입자는 1H+, 2H+, 3He+일 수도 있다. 이러한 대체 실시예에서, 추출 시스템(115)은 입자 빔을 타겟 재료(116)를 향해서 안내하는 전기장을 생성하는 정전 편향기를 구비할 수 있다.
시스템(100)은 냉각 또는 작업 유체를 상이한 시스템의 각종 부품으로 운반하여 각 부품에 의해 발생된 열을 흡수하는 냉각 시스템(122)을 구비할 수 있다. 시스템(100)은 또한, 각종 시스템 및 부품의 작동을 제어하기 위해 기술자에 의해 사용될 수 있는 제어 시스템(118)을 구비할 수 있다. 제어 시스템(118)은, 사이클로트론(102) 및 타겟 시스템(114)에 가깝게 위치하거나 그로부터 멀리 위치하는 하나 이상의 사용자-인터페이스를 구비할 수 있다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 시스템(100)은 또한 사이클로트론(102) 및 타겟 시스템(114)을 위한 하나 이상의 방사선 실드 및/또는 자기 실드를 구비할 수 있다.
시스템(100)은 의학적 촬영 또는 치료에 사용하기 위해 동위원소를 개별 선량과 같은 소정의 양 또는 회분(batch)으로 생산할 수 있다. 전술한 예시적인 동위원소 형태에 대한 시스템(100)의 생산 능력은 18F-에 대해 20μA에서 약 10분이 못되어 50 mCi일 수 있고, 11CO2에 대해 30μA에서 약 30분 이내에 300 mCi일 수 있으며, 13NH3에 대해 20μA에서 약 10분이 못되어 100 mCi일 수 있다.
또한, 시스템(100)은, 시스템(100)을 한정된 공간 내에 보유할 수 있게 할 크기, 형상 및 중량을 시스템(100)이 갖도록, 공지된 동위원소 생산 시스템에 대해 감소된 양의 공간을 사용할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 병원 또는 클리닉 세팅에서와 같은, 원래 입자 가속기 용으로 건설되지 않은 기존의 룸 안에 설치될 수 있다. 따라서, 사이클로트론(102), 추출 시스템(115), 타겟 시스템(114), 및 냉각 시스템(122)의 하나 이상의 부품은 한정된 공간에 끼워지도록 크기 및 형상을 갖는 공통 하우징(124) 내에 보유될 수 있다. 일 예로서, 하우징(124)에 의해 사용되는 전체 체적은 2㎥일 수 있다. 하우징(124)의 가능한 치수는 2.2m의 최대 폭, 1.7m의 최대 높이, 및 1.2m의 최대 깊이를 가질 수 있다. 하우징 및 그 내부 시스템의 조합된 중량은 대략 10000 kg일 수 있다. 하우징(124)은 폴리에틸렌(PE) 및 납으로 제조될 수 있으며, 사이클로트론(102)으로부터의 중성자 플럭스 및 감마선을 감쇠시키도록 구성된 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(124)은 중성자 플럭스를 감쇠시키는 하우징(124)의 소정 부분을 따라서 적어도 약 100 mm의 두께[사이클로트론(102)을 둘러싸는 내표면과 하우징(124)의 외표면 사이에서 측정됨]를 가질 수 있다.
시스템(100)은 대전 입자를 소정 에너지 레벨로 가속하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 일부 실시예는 대전 입자를 대략 18 MeV 이하의 에너지로 가속한다. 다른 실시예에서, 시스템(100)은 대전 입자를 대략 16.5 MeV 이하의 에너지로 가속한다. 특정 실시예에서, 시스템(100)은 대전 입자를 대략 9.6 MeV 이하의 에너지로 가속한다. 보다 특정한 실시예에서, 시스템(100)은 대전 입자를 대략 7.8 MeV 이하의 에너지로 가속한다.
도 2는 일 실시예에 따라 형성된 자석 요크(202)의 사시도이다. 자석 요크(202)는 X축, Y축, Z축에 대해 배향된다. 일부 실시예에서, 자석 요크(202)는 중력(Fg)에 대해 수직 배향된다. 자석 요크(202)는 중심축(236) 주위로 실질적으로 원형일 수 있는 요크 본체(204)를 가지며, 상기 중심축은 요크 본체(204)의 중심을 통해서 Z축에 평행하게 연장된다. 요크 본체(204)는 철 및/또는 다른 강자성 재료로 제조될 수 있으며, 소정 자기장을 생성하도록 크기 및 형상을 가질 수 있다.
요크 본체(204)는 중심축(236)에 대해 원주 방향으로 구부러지는 반경방향 부분(222)을 갖는다. 반경방향 부분(222)은 폭(W1) 만큼 연장되는 반경방향 외표면(223)을 갖는다. 반경방향 외표면(223)의 폭(W1)은 중심축(236)을 따라서 축방향으로 연장될 수 있다. 요크 본체(204)가 수직으로 배향될 때, 반경방향 부분(222)은 상단부 및 하단부(212, 214)를 가질 수 있으며, 요크 본체(204)의 직경(DY)은 이들 단부 사이에서 연장된다. 요크 본체(204)는 또한, 요크 본체(204)의 두께(T1) 만큼 분리되는 대향 측부(208, 210)를 가질 수 있다. 각각의 측부(208, 210)는 각각 대응 측면(209, 211)을 갖는다[측면(209)은 도 3에 도시됨]. 측면(209, 211)은 상호 거의 평행하게 연장될 수 있으며, 거의 평면적(즉, X축 및 Y축에 의해 형성되는 평면을 따라서)일 수 있다. 반경방향 부분(222)은 코너 표면(217, 219)을 각각 갖는 코너 또는 전이 구역(216, 218)을 통해서 측부(208, 210)에 연결된다. [전이 구역(218)과 코너 표면(219)은 도 3에 도시되어 있음.] 코너 표면(217, 219)은 반경방향 표면(223)으로부터 상호 멀어지고 대응 측면(211, 209)의 중심축(236)을 향해서 연장된다. 반경방향 표면(223), 측면(209, 211) 및 코너 표면(217, 219)은 집합적으로 요크 본체(204)의 외표면(205)(도 3)을 형성한다.
요크 본체(204)는 요크 본체(204) 내로 이어지는 여러 개의 절취부, 리세스 또는 통로를 가질 수 있다. 예를 들어, 요크 본체(204)는 타겟 조립체(도시되지 않음)용 방사선 실드를 수용하도록 크기 및 형상을 갖는다. 도시하듯이, 실드 리세스(262)는 중심축(236)을 따라서 연장되는 폭(W2)을 갖는다. 실드 리세스(262)는 두께(T1)를 통해서 중심축(236)을 향해 내측으로 구부러진다. 따라서, 폭(W1)은 폭(W2)보다 좁다. 또한, 실드 리세스(262)는 외표면(205)의 외부인 중심(점 C로 도시됨)을 갖는 곡률 반경을 가질 수 있다. 점 C는 타겟의 근사 위치를 나타낼 수 있다. 대안적으로, 실드 리세스(262)는 다른 치수를 가질 수도 있다. 또한 도시하듯이, 요크 본체(204)는 진공 펌프(도시되지 않음)를 수용하도록 크기 및 형상을 갖는 펌프 수용(PA: pump acceptance) 공동(282)을 형성할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따라 형성된 사이클로트론(200)의 측면도이다. 사이클로트론(200)은 자석 요크(202)를 구비한다. 도시하듯이, 요크 본체(204)는 그 사이에 가속 챔버(206)가 형성되는 대향 요크 섹션(228, 230)으로 분할될 수 있다. 요크 섹션(228, 230)은 자석 요크(202)의 중간 평면(232)을 따라서 상호 인접하여 배치되도록 구성된다. 사이클로트론(200)은 사이클로트론(200)의 무게를 지지하도록 구성되는 수평 플랫폼(220) 상에 얹힐 수 있으며, 예를 들면 룸의 플로어 또는 시멘트의 슬래브(slab)일 수 있다. 중심축(236)은 요크 섹션(228, 230)[및 대응 측부(210, 208) 각각] 사이에서 이를 통해서 연장된다. 중심축(236)은 요크 본체(204)의 중심을 통해서 중간-평면(232)에 수직하게 연장된다. 가속 챔버(206)는 중간 평면(232)과 중심축(236)의 교차점에 위치하는 중심 구역(238)을 갖는다. 일부 실시예에서, 중심 구역(238)은 가속 챔버(206)의 기하학적 중심에 위치한다. 또한 도시하듯이, 자석 요크(202)는 중심축(236) 위에서 연장되는 상측 부분(231) 및 중심축(236) 아래에서 연장되는 하측 부분(233)을 구비한다.
요크 섹션(228, 230)은 가속 챔버(206) 내에서 중간-평면(232)을 가로질러 상호 대향하는 자극(248, 250)을 각각 구비한다. 자극(248, 250)은 자극 갭(G)에 의해 상호 분리될 수 있다. 자극 갭(G)은 사이클로트론(200)이 작동 중일 때 소정 자기장을 생성하도록 크기 및 형상을 갖는다. 또한, 자극 갭(G)은 가속 챔버 내의 입자를 제거하기 위한 소정 전도율에 기초하여 크기 및 형상을 가질 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 자극 갭(G)은 3 cm일 수 있다.
자극(248)은 자극 상부(252)를 구비하며, 자극(250)은 자극 상부(252)와 대면하는 자극 상부(254)를 구비한다. 도시된 실시예에서, 사이클로트론(200)은 자극 상부(252, 254) 각각이 산과 골(hills and valleys)(도시되지 않음)의 섹터의 배치를 형성하는 등시성(isochronous) 사이클로트론이다. 산과 골은 대전 입자의 경로를 포커싱하기 위한 자기장을 생성하도록 상호 작용한다. 요크 섹션 중 하나(228 또는 230)는 대응 골 내에 위치하는 중공 D자형상부(dee)을 갖는 RF(radio frequency) 전극(도시되지 않음)을 더 구비할 수 있다. RF 전극들은 상호 협력하여 공진 시스템을 형성하며, 이 공진 시스템은 소정 주파수(예를 들면, 100 MHz)로 튜닝되는 유도성 소자 및 용량성 소자를 구비한다. RF 전극 시스템은 하나 이상의 증폭기와 통신하는 주파수 진동기를 구비할 수 있는 고주파 발전기(도시되지 않음)를 가질 수 있다. RF 전극 시스템은 RF 전극들 사이에 교류 전위를 생성한다.
사이클로트론(200)은 또한 가속 챔버(206) 내에 또는 근처에 배치되는 자석 조립체(260)를 구비한다. 자석 조립체(260)는 대전 입자를 소정 경로를 따라서 지향시키기 위한 자극(248, 250)에 의한 자기장 발생을 촉진하도록 구성된다. 자석 조립체(260)는, 중간-평면(232)을 가로질러 거리(D1) 만큼 상호 이격되는 대향하는 자석 코일 쌍(264, 266)을 구비한다. 자석 코일(264, 266)은 예를 들어 구리 합금 저항 코일일 수 있다. 대안적으로, 자석 코일(264, 266)은 알루미늄 합금일 수도 있다. 자석 코일은 실질적으로 원형일 수 있으며, 중심축(236) 주위로 연장될 수 있다. 요크 섹션(228, 230)은, 대응 자석 코일(264, 266)을 각각 수용하도록 크기 및 형상을 갖는 자석 코일 공동(268, 270)을 각각 형성할 수 있다. 또한 도 3에 도시하듯이, 사이클로트론(200)은, 자석 코일(264, 266)을 가속 챔버(206)로부터 분리하고 자석 코일(264, 266)의 위치 유지를 촉진하는 챔버 벽(272, 274)을 구비할 수 있다.
가속 챔버(206)는 1H- 이온과 같은 대전 입자를 그 내부에서, 중심축(236) 주위를 나선형으로 감싸고 실질적으로 중간-평면(232)을 따라서 존속하는 소정의 곡선 경로를 따라서 가속시킬 수 있도록 구성된다. 대전 입자는 초기에 중심 구역(238) 근처에 배치된다. 사이클로트론(200)이 작동될 때, 대전 입자의 경로는 중심축(236) 주위를 궤도운동할 수 있다. 도시된 실시예에서, 사이클로트론(200)은 등시성 사이클로트론이며, 따라서 대전 입자의 궤도는 중심축(236)에 대해 곡선적인 부분과 이보다 직선적인 부분을 갖는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시예는 등시성 사이클로트론에 한정되지 않으며, 다른 형태의 사이클로트론 및 입자 가속기를 구비한다. 도 3에 도시하듯이, 대전 입자가 중심축(236) 주위를 궤도운동할 때, 대전 입자는 가속 챔버(206)의 상측 부분(231)에서 페이지 밖으로 돌출할 수 있고 가속 챔버(206)의 하측 부분(233)에서 페이지 안으로 연장될 수 있다. 대전 입자가 중심축(236) 주위를 궤도운동할 때, 대전 입자의 궤도와 중심 구역(238) 사이에서 연장되는 반경(R)은 증가한다. 대전 입자가 궤도를 따라서 소정 위치에 도달할 때, 대전 입자는 추출 시스템(도시되지 않음) 내로 또는 이를 통해서 지향되고 사이클로트론(200) 밖으로 안내된다.
가속 챔버(206)는 입자 빔(112)의 형성 이전에 및 형성 도중에 소개된(evacuated) 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 입자 빔이 생성되기 전에, 가속 챔버(206)의 압력은 대략 1×10-7 밀리바(millibars)일 수 있다. 입자 빔이 활성화되고 H2 가스가 중심 구역(238)에 위치한 이온 소스(도시되지 않음)를 통해서 흐를 때, 가속 챔버(206)의 압력은 대략 2×10-5 밀리바일 수 있다. 따라서, 사이클로트론(200)은 중간-평면(232)에 근접할 수 있는 진공 펌프(276)를 구비할 수 있다. 진공 펌프(276)는 요크 본체(204)의 단부(214)로부터 반경방향 외측으로 돌출하는 부분을 구비할 수 있다. 나중에 더 자세히 논의하듯이, 진공 펌프(276)는 가속 챔버(206)를 소개시키도록 구성되는 펌프를 구비할 수 있다.
일부 실시예에서, 요크 섹션(228, 230)은 가속 챔버(206)가 (예를 들면, 수리 또는 정비를 위해) 액세스될 수 있도록 상호 접근 및 이격 이동될 수 있다. 예를 들어, 요크 섹션(228, 230)은 요크 섹션(228, 230)을 따라서 연장되는 힌지(도시되지 않음)에 의해 연결될 수 있다. 요크 섹션(228, 230) 중 어느 하나 또는 양자는 대응 요크 섹션(들)을 힌지의 축에 대해 피봇시킴으로써 개방될 수 있다. 다른 예로서, 요크 섹션(228, 230)은 요크 섹션들 중 하나를 다른 하나로부터 직선적으로 멀어지게 측방 이동시킴으로써 상호 분리될 수 있다. 그러나, 대체 실시예에서, 요크 섹션(228, 230)은 가속 챔버(206)가 [예를 들어, 가속 챔버(206) 내로 이어지는 자석 요크(202)의 구멍 또는 개구를 통해서] 액세스될 때 일체 형성되거나 함께 밀봉 유지될 수 있다. 대체 실시예에서, 요크 본체(204)는 균등하게 분할되지 않는 섹션들을 가질 수 있거나 및/또는 둘 이상의 섹션을 구비할 수 있다. 예를 들어, 요크 본체는 자석 요크(504)에 대해 도 8에 도시하듯이 세 개의 섹션을 가질 수 있다.
가속 챔버(206)는, 중간-평면(232)을 따라서 연장되고 중간-평면에 대해 거의 대칭적인 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 가속 챔버(206)는, 가속 챔버(206)가 실질적으로 디스크-형상이도록 중심축(236) 주위로 연장되는 내부 반경방향 또는 벽 면(225)에 의해 둘러싸일 수 있다. 가속 챔버(206)는 내부 및 외부 공간 구역(spatial region)(241, 243)을 구비할 수 있다. 내부 공간 구역(241)은 자극 상부(252, 254) 사이에 형성될 수 있으며, 외부 공간 구역(243)은 챔버 벽(272, 274) 사이에 형성될 수 있다. 공간 구역(243)은 공간 구역(241)을 둘러싸는 중심축(236) 주위로 연장된다. 사이클로트론(200)의 작동 중의 대전 입자의 궤도는 공간 구역(241) 내에 있을 수 있다. 따라서, 가속 챔버(206)는 적어도 부분적으로 자극 상부(252, 254)와 챔버 벽(272, 274)에 의해 폭방향으로 형성된다. 가속 챔버의 외주는 반경방향 표면(225)에 의해 형성될 수 있다. 가속 챔버(206)는 또한, 진공 펌프(276)를 향해 이어지는 통로(P1)(도 4에 도시됨)와 같은, 공간 구역(243)으로부터 반경방향 외측으로 이어져 나오는 통로를 구비할 수 있다.
외표면(205)은 요크 본체(204)의 외피(207)를 형성한다. 외피(207)는 작은 공동, 절취부 또는 리세스가 없는 외표면(205)에 의해 형성되는 요크 본체(204)의 전체적인 형상과 대략 동일한 형상을 갖는다. (단지 예시적인 목적으로, 외피(207)는 도 3에서 요크 본체(204)보다 큰 것으로 도시되어 있다.) 도 3에 도시하듯이, 외피(207)의 단면적은 반경방향 표면(223), 측면(209, 211) 및 코너 표면(217, 219)에 의해 형성되는 8각형이다. 요크 본체(204)는 부품 또는 소자가 외피(207) 내에 침입할 수 있게 해주는 통로, 절취부, 리세스, 공동 등을 형성할 수 있다. 실드 리세스(262) 및 PA 공동(282)은 대응 부품이 외피(207) 내에 침입할 수 있게 해주는 이러한 리세스 및 공동의 예이다.
도 4는 사이클로트론(200), 보다 구체적으로 하측 부분(233)의 확대 측단면도이다. 요크 본체(204)는 가속 챔버(206), 보다 구체적으로 공간 구역(243) 상으로 직접 개방되는 포트(278)를 형성할 수 있다. 진공 펌프(276)는 포트(278)에서 요크 본체(204)에 직접 결합될 수 있다. 포트(278)는 바람직하지 않은 가스 입자가 통과 유동하기 위한 진공 펌프(276) 내로의 입구 또는 개구를 제공한다. 포트(278)는 포트(278)를 통한 가스 입자의 소정 전도를 제공하도록 [사이클로트론(200)의 다른 인자 및 치수와 함께) 형상화될 수 있다. 예를 들어, 포트(278)는 원형, 정사각형 또는 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다.
진공 펌프(276)는 요크 본체(204)에 의해 형성되는 펌프 수용(PA) 공동(282) 내에 배치된다. PA 공동(282)은 가속 챔버(206)에 유체 결합되고, 가속 챔버(206)의 공간 구역(243) 상으로 개방되며, 통로(P1)를 구비할 수 있다. PA 공동(282) 내에 배치될 때, 진공 펌프(276)의 적어도 일부는 요크 본체(204)(도 2)의 외피(207) 내에 위치한다. 진공 펌프(276)는 중간-평면(232)을 따라서 중심 구역(238) 또는 중심축(236)으로부터 반경방향 외측으로 돌출할 수 있다. 진공 펌프(276)는 요크 본체(204)의 외피를 지나서 돌출할 수도 돌출하지 않을 수도 있다. 예로서, 진공 펌프(276)는 가속 챔버(206)와 플랫폼(220) 사이에 배치될 수 있다[즉, 진공 펌프(276)는 가속 챔버(206) 바로 아래에 배치된다]. 다른 실시예에서, 진공 펌프(276)는 다른 위치에서 중간-평면(232)을 따라서 중심 구역(238)으로부터 반경방향 외측으로 돌출할 수도 있다. 예를 들어, 진공 펌프(276)는 도 3에서 가속 챔버(206) 위에 또는 뒤에 있을 수 있다. 대체 실시예에서, 진공 펌프(276)는 중심축(236)에 평행한 방향으로 측면 중 하나(208 또는 210)로부터 돌출할 수 있다. 또한, 도 4에는 하나의 진공 펌프(276)만 도시되었지만, 대체 실시예는 복수의 진공 펌프를 구비할 수 있다. 추가로, 요크 본체(204)는 추가 PA 공동을 가질 수도 있다.
진공 펌프(276)는 탱크 벽(280) 및 그 안에 보유되는 진공 또는 펌프 조립체(283)를 구비한다. 탱크 벽(280)은 PA 공동(282) 내에 끼워지고 그 안에 펌프 조립체(283)를 보유하도록 크기 및 형상을 갖는다. 예를 들어, 탱크 벽(280)은 탱크 벽(280)이 사이클로트론(200)으로부터 플랫폼(220)으로 연장될 때 거의 원형의 단면을 가질 수 있다. 대안적으로, 탱크 벽(280)은 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 탱크 벽(280)은 펌프 조립체(283)가 효과적으로 작동하기에 충분한 공간을 그 내부에 제공할 수 있다. 반경방향 표면(225)에는 개구(356)가 형성될 수 있으며, 요크 섹션(228, 230)은 포트(278)와 근접하는 대응 림 부분(286, 288)을 형성할 수 있다. 림 부분(286, 288)은 개구(356)로부터 포트(278)로 연장되는 통로(P1)를 형성할 수 있다. 포트(278)는 통로(P1) 및 가속 챔버(206) 상으로 개방되며 직경(D2)을 갖는다. 개구(356)는 직경(D10)을 갖는다. 직경(D2, D10)은 사이클로트론(200)이 방사성 동위원소 생산에 있어서 소정 효율로 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 직경(D2, D10)은 자극 갭(G)을 구비하는 가속 챔버(206)의 크기와 형상, 및 펌프 조립체(283)의 작동 전도율에 기초할 수 있다. 특정 예로서, 직경(D2)은 약 250 mm 내지 약 300 mm일 수 있다.
펌프 조립체(283)는, 사이클로트론(200)이 방사성 동위원소 생산에 있어서 소정의 작동 효율을 갖도록 가속 챔버(206)를 효과적으로 소개시키는 하나 이상의 펌핑 장치(284)를 구비할 수 있다. 펌프 조립체(283)는 하나 이상의 운동량-전달형 펌프, 용적형 펌프, 및/또는 다른 형태의 펌프를 구비할 수 있다. 예를 들어, 펌프 조립체(283)는 확산 펌프, 이온 펌프, 저온 펌프, 로터리 베인(rotary vane) 또는 초기진공(roughing) 펌프, 및/또는 터보분자 펌프를 구비할 수 있다. 펌프 조립체(283)는 또한 한 가지 형태의 펌프를 복수 구비하거나, 다른 형태를 사용하는 펌프들의 조합을 구비할 수 있다. 펌프 조립체(283)는 또한, 상기 펌프의 상이한 특징부 또는 서브-시스템을 사용하는 하이브리드 펌프를 가질 수 있다. 도 4에 도시하듯이, 펌프 조립체(283)는 또한, 공기를 주위 대기로 방출시킬 수 있는 로터리 베인 또는 초기진공 펌프(285)에 직렬로 유체 결합될 수 있다.
추가로, 펌프 조립체(283)는 추가 펌프, 탱크 또는 챔버, 도관, 라이너, 환기 밸브 게이지를 구비한 밸브, 시일, 오일, 및 배기 파이프와 같은, 가스 입자 제거를 위한 다른 부품을 구비할 수 있다. 추가로, 펌프 조립체(283)는 냉각 시스템을 구비하거나 냉각 시스템에 연결될 수 있다. 또한, 전체 펌프 조립체(283)는 PA 공동(282) 내에[즉, 외피(207) 내에] 끼워질 수 있거나, 또는 대안적으로 하나 이상의 부품만 PA 공동(282) 내에 배치될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 펌프 조립체(283)는 PA 공동(282) 내에 적어도 부분적으로 배치되는 적어도 하나의 운동량-전달형 진공 펌프(예를 들면, 확산 펌프 또는 터보분자 펌프)를 구비한다.
또한 도시하듯이, 진공 펌프(276)는 가속 챔버(206) 내의 압력 센서(312)에 연통 결합될 수 있다. 가속 챔버(206)가 소정 압력에 도달하면, 펌핑 장치(284)는 자동으로 작동되거나 자동으로 작동 중지될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 가속 챔버(206) 또는 PA 공동(282) 내에 추가 센서가 제공될 수도 있다.
도 5는 사이클로트론(200)(도 3)의 작동 중의 자기장 라인을 도시하는 상측 부분(231)의 측면도이다. 자석 코일(264, 266)이 활성화되면, 사이클로트론(200)은 자극 상부(252, 254) 사이에 강한 자기장을 발생시킨다. 예를 들어, 자극 상부(252, 254) 사이의 평균 자기장 강도는 적어도 1 테슬라 또는 적어도 1.5 테슬라일 수 있다. 대다수의 자속은 요크 본체(204)를 통과한다. 상측 부분(231)에 대해 도시하듯이, 자기장의 자속은 자극(250)으로부터 전이 구역(218)을 통해서 X축과 Y축(도 2)에 의해 형성된 평면을 따르는 방향으로 이동하고, 이후 반경방향 부분(222)을 통해서 중심축(236)을 따르는 방향으로 이동한다. 자속은 이후 전이 구역(216)과 자극(248)을 통해서 복귀한다.
사이클로트론(200)이 작동되면, 자기장의 일부는 요크 본체(204)를 탈출하여, 자기장이 요구되지 않는 구역으로 이동한다(즉, 표유 자기장). 표유 자기장은, 요크 본체(204) 내의 재료(예를 들면, 철) 양이 자속을 수용하기에 충분하지 않은 요크 본체(204) 구역 근처에서 발생될 수 있다. 즉, 표유 자기장은, 자기장의 방향에 대해 횡방향인(수직한) 요크 본체(204)의 단면적이 자기 유동(magnetic flow)(B)을 수용하기에 충분하지 않은 치수를 갖는 경우에 발생될 수 있다. 도 5에 도시하듯이, 관통하는 자기 유동(B)에 영향을 미칠 수 있는 요크 본체(204)의 단면적은 전이 구역(216, 218), 반경방향 부분(222), 및 중심축(236)을 따라서 대응 측부(208 또는 210)로 연장되는 요크 본체(204)의 부분 또는 구역에서 찾아낼 수 있다.
전이 구역(216, 218), 반경방향 부분(222), 및 코일 공동과 대응 측부 사이의 부분 또는 구역의 각각은, 요크 본체(204)가 그 구역 내에 자속을 수용하는 능력에 영향을 미치는 최소 단면적을 가질 수 있다. 최소 단면적은 요크 본체(204)의 외표면(205)과 내표면 사이에 가장 짧은 두께를 위치시킴으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 요크 본체(204)의 최소 단면적은 측부(208) 근처의 두께(T6)가 코일 공동(270)의 공동 표면(271) 내의 지점으로부터 측면(209)을 따라서 가장 가까운 지점으로 연장되는 곳에서 찾아낼 수 있다. 도 5는 요크 본체(204)의 하나의 단면만을 도시하고 있지만, 두께(T6)와 연관된 최소 단면적은 요크 본체(204)가 중심축(236)을 둘러쌀 때 실질적으로 균일할 수 있다. 또한, 전이 구역(218)의 최소 단면적은 전이 구역(218)의 두께(T5)가 측정되는 곳에서 찾아낼 수 있다. 예를 들어, 두께(T5)는 코일 공동(270)의 공동 표면(271)에서의 다른 지점으로부터 코너 표면(219)의 가장 가까운 부분을 향해서 측정될 수 있다. 마찬가지로, 두께(T5)와 연관된 최소 단면적은 요크 본체(204)가 중심축(236)을 둘러쌀 때 실질적으로 균일할 수 있다. 반경방향 부분(222)의 최소 단면적은 반경방향 부분(222)의 두께(T4)가 측정되는 곳에서 찾아낼 수 있다. 두께(T4)는 가속 챔버(206)의 반경방향 내표면(225)을 따르는 지점으로부터 반경방향 외표면(223)의 가장 가까운 지점을 향해서 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, 두께(T4)와 연관된 최소 단면적은 요크 본체(204)의 도처에서 실질적으로 균일할 수 있다.
그러나, 다른 실시예에서, 반경방향 부분(222)은 반경방향 부분(222)의 단면적에 영향을 미치는 공동, 통로, 및/또는 리세스를 구비할 수 있다. 예를 들어, 반경방향 부분(222)은 반경방향 부분(222)의 단면적에 영향을 미치는 PA 공동(282)(도 2) 및 실드 리세스(262)(도 2)를 구비한다. PA 공동(282) 및 실드 리세스(262)는, 요크 본체(204)로부터 제거된 재료가 요크 본체(204)의 자기 유동(B)에 별로 영향을 미치지 않거나 추가 표유 자기장을 발생시키지 않도록 크기 및 형상을 가질 수 있다. PA 공동(282) 및 실드 리세스(262)는 또한, 정전 설비 또는 생체의학적 장치가 근처에 배치되지 않도록 반경방향 부분(222) 내에 위치할 수도 있다. 예를 들어, PA 공동(282)은 가속 챔버와 플랫폼(220)(도 3) 사이에서 요크 본체(204)의 바닥에 설치될 수 있다. 실드 리세스(262)는 타겟 조립체를 위한 실드(도시되지 않음) 근처에 배치될 수 있다.
두께(T4, T5, T6)와 연관된 최소 단면적은 요크 본체(204)의 외표면(205) 근처에서의 표유 자기장의 정도 또는 강도에 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 반경방향 부분(222), 전이 구역(218), 및 공동 표면(271)과 측부(208) 사이에서 연장되는 요크 본체(204) 부분은 모두, 외표면(205)으로부터 소정 거리에서 표유 자기장이 소정 정도를 초과하지 않도록 치수 설정될 수 있다. 거리(D4, D5, D6)는 대응 최소 단면적을 위한 소정 거리를 나타낸다. 거리(D4, D5, D6)는 대응 표면(223, 219, 209)로부터 멀리 측정될 수 있다(즉, 요크 본체 외부 지점으로부터 대응 표면 까지의 최단 거리). 예를 들어, 그룹 3에 의해 제조된 디지털 홀 효과 테슬라미터(가우스미터)가 사용될 수 있다. 그러나, 표유 자기장을 측정하기 위한 다른 장치나 방법이 사용될 수도 있다. 반경방향 표면(223)에 대해서, 표유 자기장은 반경방향 표면(223)으로부터 반경방향 외측으로 외표면에 대한 접선을 따라서 측정될 수 있다.
예로서, 두께(T4, T5, T6)와 연관된 최소 단면적은 외표면(205)으로부터 1미터의 거리에서 표유 자기장이 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정될 수 있다. 보다 구체적으로, 두께(T4, T5, T6)와 연관된 최소 단면적은 외표면(205)으로부터 0.2미터의 거리에서 표유 자기장이 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정될 수 있다. 상기 예에서, 자극 상부(252, 254) 사이의 평균 자기장 강도는 적어도 1 테슬라 또는 적어도 1.5 테슬라일 수 있다. 일부 실시예에서, D4, D5, D6은 대략 동일하다. 추가로, 일부 실시예에서, 거리(D4, D5, D6) 중 최대 거리는 0.2 미터 미만일 수 있다.
도 6은 사이클로트론(200)(도 3)의 작동 중에 방출되는 방사선을 도시하는 상측 부분(231)의 측면도이다. 사이클로트론(200)은 가속 챔버(206)(도 3)로부터 방출되는 방사선을 감쇠시키도록 별도로 구성될 수 있다. 그러나, 사이클로트론(200)은 또한 방사선을 감쇠시키고 표유 자기장의 강도를 감소시키도록 구성될 수 있다. 사이클로트론(200)의 사용자가 염려할 수 있는 방사선의 두 가지 형태가 입자가 내부 재료와 충돌할 때 가속 챔버(206) 내에서 발생된다. 제 1 형태의 방사선은 중성자 플럭스이다. 특정 실시예에서, 사이클로트론(200)은 중성자 플럭스로부터의 방사선이 요크 본체 외부에서 소정 정도를 초과하지 않도록 저에너지로 작동된다. 예를 들어, 사이클로트론은 입자를 대략 9.6 MeV 이하의 에너지 레벨로 가속시키도록 작동될 수 있다. 보다 구체적으로, 사이클로트론은 입자를 대략 7.8 MeV 이하의 에너지 레벨로 가속시키도록 작동될 수 있다.
제 2 형태의 방사선인 감마선은 중성자가 요크 본체(204)와 충돌할 때 발생된다. 도 6은 사이클로트론(200)이 작동할 때 입자들이 일반적으로 요크 본체(204)와 충돌하는 여러 지점(XR)을 도시한다. 감마선은 대응 지점(XR)으로부터 등방성으로(즉, 대응 지점(XR)으로부터 구형으로 멀리) 방출될 수 있다. 요크 본체(204)의 치수는 감마선의 방사를 감쇠시키도록 크기를 가질 수 있다. 따라서, 요크 본체(204)는, 사용되는 임의의 추가 방사선이 사이클로트론을 위한 공지된 차단 시스템보다 현저히 적은 재료로 제조될 수 있도록 감마선으로부터의 방사선을 감쇠시키도록 제조될 수 있다.
예를 들어, 도 6은 반경방향 부분(222), 전이 구역(218), 및 코일 공동(270)에서 측부(208)로 연장되는 요크 본체(204) 부분을 통해서 각각 연장되는 두께(T4, T5, T6)를 도시한다. 두께(T4, T5, T6)는 외표면(205)으로부터 소정 거리 내에서[또는 외표면(205)에서]의 선량률(dose rate)이 소정 양 미만이도록 크기를 가질 수 있다. 거리 D7 내지 D9는 지속되는 방사선이 소정 선량률 미만인 외표면(205)으로부터 이격된 소정 거리를 나타낸다. 외표면(205)으로부터의 거리(D7 내지 D9) 각각은 요크 본체(204)의 외부 지점으로부터 외표면(507)까지의 최단 거리일 수 있다.
따라서, 두께(T4, T5, T6)는 타겟 전류가 소정 전류로 작동할 때 요크 본체(204)의 외부 선량률이 소정 거리 내에서 소정 양을 초과하지 않도록 크기를 가질 수 있다. 예로서, 두께(T4, T5, T6)는 약 20 내지 약 30 μA의 타겟 전류에서 대응 표면으로부터 약 1미터 미만의 거리에서 선량률이 2 μSv/h를 초과하지 않도록 크기를 가질 수 있다. 또한, 두께(T4, T5, T6)는 약 20 내지 약 30 μA의 타겟 전류에서 대응 표면을 따르는 지점에서(즉, D4, D5, D6이 대략 제로) 선량률이 2 μSv/h를 초과하지 않도록 크기를 가질 수 있다. 그러나, 선량률은 타겟 재료에 직접 비례할 수도 있다. 예를 들어, 선량률은 타겟 전류가 10 내지 15 μA일 때 대응 표면을 따르는 지점에서 1 μSv/h일 수 있다.
선량률은 공지된 방법 또는 장치를 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 감마선을 검출하기 위해 이온 챔버 또는 GM(Geiger Muller) 튜브에 기초한 감마선 측정기가 사용될 수 있다. 중성자는 대개 이온 챔버 또는 GM 튜브 주위의 적합한 재료(예를 들면, 플라스틱)와 상호작용하는 중성자로부터 나오는 검출 가능한 감마선에 기초하는 전용 중성자 모니터를 사용하여 검출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 요크 본체(204)의 치수는 요크 본체(204) 주위의 표유 자기장을 제한하거나 감소시키고 사이클로트론(200)으로부터 방출되는 방사선을 감소시키도록 구성된다. 요크 본체(204)를 통과하는 자기장에 대해 사이클로트론(200)에 의해 달성될 수 있는 최대 자기 유동(B)은 두께(T5)를 따라서 찾아지는 요크 본체(204)의 최소 단면적에 기초할(또는 주로 이것에 의해 결정될) 수 있다. 따라서, 두께(T4, T6)와 연관된 단면적과 같은, 요크 본체(204) 내의 다른 단면적의 크기는 전이 구역(218)을 갖는 단면적에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 자석 요크의 중량을 감소시키기 위해, 종래의 사이클로트론은 통상 임의의 추가 감소가 사이클로트론의 최대 자기 유동(B)에 실질적으로 영향을 미칠 때까지 단면적(T4, T6)을 감소시킨다.
그러나, 두께(T4, T5, T6)는 요크 본체(204)를 통과하는 소정 자기 유동(B)뿐 아니라 방사선의 소정 감소에 기초할 수 있다. 따라서, 요크 본체(204)의 일부 부분은 요크 본체(204)를 통한 소정 평균 자기 유동(B)을 달성하는데 필요한 재료의 양과 관련하여 초과 재료를 가질 수 있다. 예를 들어, 두께(T6)와 연관된 요크 본체(204)의 단면적은 재료의 초과 두께(ΔT1로 도시됨)를 가질 수 있다. 두께(T4)와 연관된 요크 본체(204)의 단면적은 재료의 초과 두께(ΔT2로 도시됨)를 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기재되는 실시예는 자기 유동(B)을 상한 미만으로 유지하기 위해 한정되는 두께(T5)와 같은 두께, 및 가속 챔버 내로부터 방출되는 감마선을 감쇠시키기 위해 한정되는 두께(T6, T4)와 같은 다른 두께를 가질 수 있다.
추가로, 요크 본체(204)의 치수는 가속 챔버 내에 사용되는 입자의 형태 및 입자가 충돌하는 가속 챔버(206) 내의 재료의 형태에 기초할 수 있다. 추가로, 요크 본체(204)의 치수는 요크 본체를 포함하는 재료에 기초할 수 있다. 또한, 대체 실시예에서는, 요크 본체(204) 내로부터 방출되는 방사선 및 표유 자기장 양자를 감쇠시키기 위해 요크 본체(204)의 치수와 더불어 외부 실드가 사용될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따라 형성되는 동위원소 생산 시스템(500)의 사시도이다. 시스템(500)은 병원 또는 클리닉 세팅 내에 사용되도록 구성되며, 시스템(100)(도 1) 및 사이클로트론(200)(도 2 내지 도 6)에 사용된 유사 부품 및 시스템을 구비할 수 있다. 시스템(500)은 환자에게 사용되기 위해 방사성 동위원소가 발생되는 사이클로트론(502) 및 타겟 시스템(514)을 구비할 수 있다. 사이클로트론(502)은 가속 챔버(533)를 형성하며, 가속 챔버에서 대전 입자는 사이클로트론(502)이 작동될 때 소정 경로를 따라서 이동한다. 사용 시에, 사이클로트론(502)은 대전 입자를 소정 빔 경로(536)를 따라서 가속시키며, 대전 입자를 타겟 시스템(514)의 타겟 어레이(532) 내로 향하게 한다. 빔 경로(536)는 가속 챔버(533)로부터 타겟 시스템(514) 내로 연장되며, 점선으로 도시된다.
도 8은 사이클로트론(502)의 단면도이다. 도시하듯이, 사이클로트론(502)은 사이클로트론(200)(도 3)과 유사한 특징부 및 부품을 갖는다. 그러나, 사이클로트론(502)은 함께 샌드위치되는 세 개의 섹션(528 내지 530)을 포함할 수 있는 자석 요크(504)를 구비한다. 보다 구체적으로, 사이클로트론(502)은 요크 섹션(528, 530) 사이에 위치하는 링 섹션(529)을 구비한다. 링 섹션과 요크 섹션(528 내지 530)이 도시하듯이 함께 적층될 때, 요크 섹션(528, 530)은 중간-평면(534)을 가로질러 상호 대면하고 그 안에 자석 요크(504)의 가속 챔버(506)를 형성한다. 도시하듯이, 링 섹션(529)은 진공 펌프(576)의 포트(578)로 이어지는 통로(P3)를 형성할 수 있다. 진공 펌프(576)는 진공 펌프(276)(도 3)와 유사한 특징부 및 부품을 가질 수 있으며, 터보분자 펌프(376)(도 4)와 같은 터보분자 펌프일 수도 있다.
또한 도시하듯이, 사이클로트론은 사이클로트론(502)을 둘러싸는 덮개 또는 실드(524)를 구비할 수 있다. 실드(524)는 두께(Ts)를 가질 수 있으며, 외표면(525)을 가질 수 있다. 실드(524)는 폴리에틸렌(PE)과 납으로 제작될 수 있으며, 두께(Ts)는 사이클로트론(102)으로부터의 중성자 플럭스를 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 외표면(205)과 외표면(525) 양자는 사이클로트론(200)의 외부 경계를 별도로 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "외부 경계(exterior boundary)"는 요크 본체(204)의 외표면(205), 실드(524)의 외표면(525), 및 사이클로트론(200)이 완전히 형성되고, 폐쇄 위치에 있으며, 작동될 때 사용자에 의해 터치될 수 있는 사이클로트론(200)의 영역 중 하나를 포함한다. 따라서, 자석 요크(202)(도 2)의 다른 치수에 추가적으로, 실드(524)는 방사선의 소정 감쇠 및 표유 자기장의 소정 감소를 달성하도록 크기 및 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 요크 본체(204)의 치수 및 실드(524)의 다이 치수(예를 들면, 두께 Ts)는 외표면(525)으로부터 약 1 미터 미만의 거리, 보다 구체적으로 0 미터의 거리에서 선량률이 2 μSv/h를 초과하지 않도록 구성될 수 있다. 또한, 요크 본체(204) 및 실드(524)의 치수는, 외표면(525)으로부터 1 미터의 거리 또는 보다 구체적으로 0.2 미터의 거리에서 표유 자기장이 5 가우스를 초과하지 않도록 크기 및 형상을 가질 수 있다.
도 7로 돌아가서, 시스템(500) 실드(524)는 상호 대면하도록 개방되는 가동 파티션(movable partition)(552, 554)을 구비할 수 있다. 도 7에 도시하듯이, 파티션(552, 554) 양자는 개방 위치에 있다. 폐쇄 시에, 파티션(554)은 타겟 어레이(532)와 타겟 시스템(514)의 사용자 인터페이스(558)를 커버할 수 있다. 파티션(552)은 폐쇄 시에 사이클로트론(502)을 커버할 수 있다.
또한, 도시하듯이, 사이클로트론(502)의 요크 섹션(528)은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동할 수 있다. (도 7은 개방 위치를 도시하고 도 8은 폐쇄 위치를 도시한다.) 요크 섹션(528)은 힌지(도시되지 않음)에 부착될 수 있으며, 힌지는 요크 섹션(528)이 문 또는 뚜껑처럼 선회 개방되어 가속 챔버(533)에 대한 액세스를 제공하도록 할 수 있다. 요크 섹션(530)(도 9)은 또한 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있거나, 또는 링 섹션(529)(도 9)에 밀봉되거나 링 섹션과 일체로 형성될 수 있다.
추가로, 진공 펌프(576)는 하우징(524)과 링 섹션(529)의 펌프 챔버(562) 내에 배치될 수 있다. 펌프 챔버(562)는 파티션(552)과 요크 섹션(528)이 개방 위치에 있을 때 액세스될 수 있다. 도시하듯이, 진공 펌프(576)는, 수평 지지체(520)로부터 포트(578)의 중심을 통해서 연장되는 수직 축이 중심 구역(538)과 교차하도록 가속 챔버(533)의 중심 구역(538) 아래에 위치한다. 또한, 도시하듯이, 요크 섹션(528)과 링 섹션(529)은 실드 리세스(560)를 가질 수 있다. 빔 경로(536)는 실드 리세스(560)를 통해서 연장된다.
도 9a 및 도 9b는 덮개 또는 실드(610)(도 9b)가 본 명세서에 기재된 실시예에 따라 형성된 사이클로트론으로부터 나오는 표유 자기장을 가질 수 있음을 도시한다. 도 9a 및 도 9b는 자석 요크(604)의 일부의 기하학적 중심[점 (0.0)으로 도시됨]으로부터의 표유 자기장 분포를 도시한다. 도 9a 및 도 9b에서, 축(690)은 자석 요크(604)의 중간 평면으로부터의 이격 거리(mm)를 나타내고, 축(692)은 중간 평면을 따라서 중심으로부터의 이격 거리(mm)를 나타낸다. 도 9a는 실드가 없는 상태에서의 표유 자기장 분포를 도시하고, 도 9b는 자석 요크(604)의 편평 측면(612) 근처에 실드(610)를 갖는 상태에서의 표유 자기장 분포를 도시한다. 자석 요크(604)는 약 200 mm의 두께(T7)를 갖는다. 자석 코일(606) 및 자극(608)의 일부의 단면도 도시되어 있다.
도 9a를 참조하면, 자석 요크(604)의 바로 외부에 있는[즉, 자석 요크(604)의 편평 측면(612)을 따르는] 지점 PF1에서의 표유 자기장은 완전 여기시에 약 40 G(가우스)인 반면에, 반경방향 표면(614) 또는 원주의 바로 외부에 있는 지점 PF2에서의 표유 자기장은 10 G이다. 편평 측면(612)으로부터 약 500 mm 및 반경방향 표면(614)으로부터 약 200 mm 이격될 때의 표유 자기장은 약 5 G이다.
도 9b는 자석 요크(604)의 적어도 일부를 둘러싸는 실드(610)를 갖는 자석 요크(604)에서의 표유 자기장 분포를 도시한다. 실드(610)는 5 mm 두께의 철을 구비하며, 이는 비자성 재료의 자석 요크(604)로부터 10 mm 분리된다. 실드(610)는 표면(612, 614)에 직접 부착되거나, 자석 요크(604)로부터 약간 이격될 수 있다. 도 9b에 도시하듯이, 실드(610)는 표유 자기장이 중간 평면으로부터[즉, 축(690)을 따라서] 멀리 연장되는 거리를 감소시킨다. 보다 구체적으로, 5 G 한계가 편평면(612)으로부터 500 mm 거리에서 약 200 mm 거리로 감소된다. 추가로, 도 9a와 도 9b를 비교 도시하듯이, 6 G 이상에서의 표유 자기장에 대한 등-라인(iso-line) 사이의 간격은 상당히 감소되고(즉, 함께 패킹되고) 4 G 이하에서의 등-라인 사이의 간격은 증가된다(즉, 더 멀리 이격된다). 따라서, 실드(610)는 표유 자기장이 소정 거리(예를 들면, 200 mm 이하)에서 소정 레벨로 감소될 수 있도록 편평면(612)에서 떨어진 표유 자기장 분포에 영향을 미친다.
본 명세서에 기재된 실시예는 의료용 방사선 동위원소 발생에 한정되도록 의도되지 않으며, 다른 동위원소를 발생시킬 수도 있고 다른 타겟 재료를 사용할 수도 있다. 추가로, 도시된 실시예에서 사이클로트론(200)은 수직-배향된 등시성 사이클로트론이다. 그러나, 대체 실시예는 다른 종류의 사이클로트론 및 다른 배향(예를 들면, 수평)을 가질 수도 있다.
이상의 설명은 예시적이고 비제한적인 것이도록 의도됨을 알아야 한다. 예를 들어, 상기 실시예(및/또는 그 양태)는 상호 조합되어 사용될 수도 있다. 또한, 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시 내용에 적합화시키기 위해 본 발명의 범위 내에서 많은 수정이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기재된 재료의 치수 및 형태는 본 발명의 파라미터를 한정하도록 의도된 것이지만, 결코 제한적인 것이 아니며 예시적인 실시예이다. 상기 설명을 검토한 당업자에게는 여러가지 다른 실시예가 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 청구범위와, 이 청구범위에 부여되는 균등물의 전체 범위를 참조하여 결정되어야 한다. 청구범위에서의 용어 "구비하는" 및 "in which"는 각각 용어 "포함하는" 및 "wherein"의 쉬운 영어 등가물로서 사용된다. 더욱이, 청구범위에서 "제 1", "제 2", "제 3" 등과 같은 용어는 단지 꼬리표로서 사용되는 것이며, 그 대상에 수치적 요건을 부과하려는 것은 아니다. 또한, 하기 청구범위의 한정은 수단-더하기-기능(means-plus-function) 포맷으로 작성되지 않고 있으며, 이러한 청구범위 한정이 추가 구조가 없는 기능의 설명이 이어지는 "means for" 구문을 명시적으로 사용하지 않는 한 또한 사용할 때까지는 35 U.S.C.§112, 제 6 단락에 기초하여 해석되도록 의도되지 않는다.
상기 설명은 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용과 임의의 방법의 수행을 포함하는 최선의 양태를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해서 또한 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 예를 사용하고 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 청구범위의 문언과 다르지 않은 구성 요소를 구비하거나 청구범위의 문언과 실질적인 차이가 없는 등가의 구성 요소를 구비할 경우 청구범위에 포함되도록 의도된다.

Claims (18)

  1. 사이클로트론에 있어서,
    가속 챔버를 둘러싸는 요크 본체를 갖는 자석 요크, 및
    대전 입자를 소정 경로를 따라서 지향시키기 위해 자기장을 생성하도록 구성된 자석 조립체를 포함하고,
    상기 자석 조립체는 가속 챔버 내에 위치하며, 자기장은 가속 챔버를 통해서 자석 요크 내에서 전파되고, 자기장의 일부는 자석 요크의 외부로 표유 자기장으로서 탈출하며, 자석 요크는 표유 자기장이 외부 경계로부터 1 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 대전 입자가 소정 경로를 따라서 지향되는 공간을 그 사이에 갖는 대향 자극 상부를 포함하며, 상기 자극 상부 사이의 평균 자기장 강도는 적어도 1 테슬라인 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자석 요크는 표유 자기장이 외부 경계로부터 0.2 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 경계는 자석 요크의 외표면을 구비하며, 상기 자석 요크는 표유 자기장이 자석 요크의 외표면으로부터 측정될 때 0.2 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석 요크를 둘러싸는 사이클로트론 실드를 더 포함하며,
    상기 외부 경계는 상기 사이클로트론 실드의 외표면을 구비하고, 상기 자석 요크는 표유 자기장이 사이클로트론 실드의 외표면으로부터 측정될 때 0.2 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 종방향으로 이격된 단부와 측방향으로 이격된 측부를 구비하고, 상기 요크 본체는 자석 코일을 수용하는 내부 자석 코일 공동을 가지며, 상기 요크 본체는 상기 측부와 단부 사이에 전이 구역을 갖고, 상기 전이 구역은 자석 코일 공동의 베이스로부터 요크 본체의 가장 가까운 외표면까지 측정되는 두께를 가지며, 전이 두께는 가속 챔버 내의 입자의 감마선 감쇠 특성에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 사이클로트론 중간-평면을 따라서 배향되는 중공 디스크 형상으로 형성되고, 상기 요크 본체는 디스크 형상 주위로 연장되는 원형 외표면을 가지며, 상기 표유 자기장은 외표면에 접하는 접선을 따라서 외표면으로부터 반경방향 외측으로 측정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 내표면과 외표면을 구비하고, 상기 요크 본체는 내표면과 외표면을 분리시키는 복수의 반경방향 두께를 가지며, 상기 요크 본체의 제 1 섹션은 자기 유동(B)을 상한 미만으로 유지하도록 규정된 제 1 반경방향 두께를 구비하고, 상기 요크 본체의 제 2 섹션은 감마선 감쇠를 소정 감마선 감쇠 한도로 제한하도록 규정된 제 2 반경방향 두께를 구비하는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자석 조립체는 자석 요크의 중간평면을 가로질러 상호 이격되는 한 쌍의 대향 자석 코일을 구비하고, 상기 자석 코일은 요크 본체 내의 대응 코일 공동 내에 배치되며, 제 1 반경방향 두께는 대응 코일 공동으로부터 자석 요크의 외표면을 따르는 가장 가까운 지점으로 연장되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론.
  10. 대전 입자를 소정 경로를 따라서 지향시키기 위한 자기장 및 전기장을 발생하도록 구성된 사이클로트론을 제조하는 방법에 있어서,
    가속 챔버를 둘러싸는 요크 본체를 갖는 자석 요크를 제공하는 단계로서, 대전 입자를 지향시키기 위해 상기 자석 요크 내에 자기장이 발생되고, 상기 자석 요크는, 상기 자석 요크를 탈출하는 표유 자기장이 외부 경계로부터 소정 거리에서 소정 양을 초과하지 않도록 치수 설정되는, 상기 자석 요크 제공 단계; 및
    가속 챔버 내에 자석 조립체를 배치하는 단계로서, 상기 자석 조립체는 자기장을 생성하도록 구성되고, 표유 자기장이 외부 경계로부터 1 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 자석 요크가 치수 설정되고 자석 조립체가 작동하도록 구성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 대전 입자가 소정 경로를 따라서 지향되는 공간을 그 사이에 갖는 대향 자극 상부를 포함하며, 상기 자극 상부 사이의 평균 자기장 강도는 적어도 1 테슬라인 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 자석 요크는 표유 자기장이 외부 경계로부터 0.2 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 외부 경계는 자석 요크의 외표면을 구비하며, 상기 자석 요크는 표유 자기장이 자석 요크의 외표면으로부터 측정될 때 0.2 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 자석 요크를 둘러싸는 사이클로트론 실드를 더 포함하며,
    상기 외부 경계는 상기 사이클로트론 실드의 외표면을 구비하고, 상기 자석 요크는 표유 자기장이 사이클로트론 실드의 외표면으로부터 측정될 때 0.2 미터의 거리에서 5 가우스를 초과하지 않도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 종방향으로 이격된 단부와 측방향으로 이격된 측부를 구비하고, 상기 요크 본체는 자석 코일을 수용하는 내부 자석 코일 공동을 가지며, 상기 요크 본체는 상기 측부와 단부 사이에 전이 구역을 갖고, 상기 전이 구역은 자석 코일 공동의 베이스로부터 요크 본체의 가장 가까운 외표면까지 측정되는 두께를 가지며, 전이 두께는 가속 챔버 내의 입자의 감마선 감쇠 특성에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 사이클로트론 중간-평면을 따라서 배향되는 중공 디스크 형상으로 형성되고, 상기 요크 본체는 디스크 형상 주위로 연장되는 원형 외표면을 가지며, 상기 표유 자기장은 외표면에 접하는 접선을 따라서 외표면으로부터 반경방향 외측으로 측정되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 요크 본체는 내표면과 외표면을 구비하고, 상기 요크 본체는 내표면과 외표면을 분리시키는 복수의 반경방향 두께를 가지며, 상기 요크 본체의 제 1 섹션은 자기 유동(B)을 상한 미만으로 유지하도록 규정된 제 1 반경방향 두께를 구비하고, 상기 요크 본체의 제 2 섹션은 감마선 감쇠를 소정 감마선 감쇠 한도로 제한하도록 규정된 제 2 반경방향 두께를 구비하는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 자석 조립체는 자석 요크의 중간평면을 가로질러 상호 이격되는 한 쌍의 대향 자석 코일을 구비하고, 상기 자석 코일은 요크 본체 내의 대응 코일 공동 내에 배치되며, 제 1 반경방향 두께는 대응 코일 공동으로부터 자석 요크의 외표면을 따르는 가장 가까운 지점으로 연장되는 것을 특징으로 하는
    사이클로트론 제조 방법.
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