KR20160072846A

KR20160072846A - 의료용 동위원소를 생산하는 디바이스 및 방법

Info

Publication number: KR20160072846A
Application number: KR1020167015856A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 피퍼
Original assignee: 샤인 메디컬 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2009-05-01
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US20180166179A1; US9734926B2; CN102084434A; CA2723224A1; EP2294582A2; US20110096887A1; EP2294582B1; US20240047091A1; KR101673954B1; US11830637B2; CA2723224C; HK1158811A1; KR20110031278A; RU2494484C2; WO2009135163A2; US20220270775A1; JP2014044214A; JP2017053872A; CN102084434B; US20220270774A1

Abstract

의료용 동위원소를 생산하도록 작동가능한 하이브리드 원자로는 가스로부터 이온 빔을 생성하도록 작동가능한 이온 소스, 중성자들을 생성하도록 이온 빔과 상호작용하는 타겟을 포함한 타겟 챔버, 및 타겟 챔버와 근접하여 위치되고 핵분열 반응을 통해 의료용 동위원소를 생산하도록 중성자들과 상호작용하는 모 물질을 포함한 활성화 셀을 포함한다. 활성화 셀에 근접하여 감쇠기가 위치되고, 핵분열 반응을 아임계 레벨에 유지하도록 선택되며, 타겟 챔버에 근접하여 반사기가 위치되고, 활성화 셀을 향해 중성자들을 반사시키도록 선택되며, 실질적으로 활성화 셀, 감쇠기, 및 반사기를 감속재가 둘러싼다.

Description

의료용 동위원소를 생산하는 디바이스 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING MEDICAL ISOTOPES}

본 출원은 35 U.S.C Section 119(e) 하에서 2008년 5월 2일 출원되어 동시계류중인 미국 가출원 제 61/050,096호의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.

본 발명은 의료용 동위원소를 생산하는 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 아임계 원자로 및 저농축 우라늄(LEU)을 이용하거나 이용하지 않고 중성자 발생 의료용 동위원소(neutron generated medical isotopes)를 생산하는 디바이스 및 방법에 관한 것이다.

방사성동위원소들은 통상적으로 핵의학에서 의사들에 의해 사용된다. 이 동위원소들 중 가장 통상적으로 사용되는 동위원소는 ⁹⁹Mo이다. ⁹⁹Mo의 공급 대부분은 고농축 우라늄(HEU)으로부터 개발된다. 사용되는 HEU는 핵무기를 만들도록 충분히 농축되어 있다. HEU는 필요한 ⁹⁹Mo의 생산을 용이하게 하도록 미국으로부터 수출된다.

HEU를 사용하지 않고 필요한 ⁹⁹Mo를 생성하는 것이 바람직하다.

일 실시예에서, 본 발명은 의료용 동위원소를 생산하도록 작동가능한 하이브리드 원자로(hybrid nuclear reactor)를 제공한다. 상기 원자로는 가스로부터 이온 빔을 생성하도록 작동가능한 이온 소스, 중성자를 생성하도록 이온 빔과 상호작용하는 타겟을 포함한 타겟 챔버(target chamber), 및 타겟 챔버와 근접하여 위치되고 핵분열 반응을 통해 의료용 동위원소를 생산하도록 중성자들과 상호작용하는 모 물질(parent material)을 포함한 활성화 셀(activation cell)을 포함한다. 활성화 셀에 근접하여 감쇠기(attenuator)가 위치되고, 핵분열 반응을 아임계 레벨에 유지하도록 선택되며, 타겟 챔버에 근접하여 반사기가 위치되고, 활성화 셀을 향해 중성자들을 반사시키도록 선택되며, 실질적으로 활성화 셀, 감쇠기 및 반사기를 감속재(moderator)가 둘러싼다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 의료용 동위원소를 생산하도록 작동가능한 하이브리드 원자로를 제공한다. 상기 원자로는 실질적으로 공간을 둘러싸는 긴 타겟 경로를 포함한 핵융합부(fusion portion)를 포함한다. 상기 핵융합부는 타겟 경로 내에서 중성자 플럭스(neutron flux)를 생성하도록 작동가능하다. 실질적으로 긴 타겟 경로를 반사기가 둘러싸고, 공간을 향해 중성자 플럭스의 일부를 반사시키도록 배치된다. 상기 공간 내에는 활성화 셀이 위치되고, 핵분열 반응 시 의료용 동위원소를 생산하도록 중성자 플럭스의 일부와 반응하는 모 물질을 포함한다. 상기 활성화 셀 내에는 감쇠기가 위치되고, 핵분열 반응을 아임계 레벨에 유지하도록 선택되며, 실질적으로 활성화 셀, 감쇠기 및 반사기를 감속재가 둘러싼다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 의료용 동위원소를 생산하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 이온 빔을 생성하도록 가스를 여기(excite)시키는 단계, 이온 빔을 가속하는 단계, 및 타겟 가스를 포함한 긴 타겟 경로로 가속된 이온 빔을 통과시키는 단계를 포함한다. 타겟 가스 및 이온들은 중성자들을 생성하도록 핵융합 반응을 통해 반응한다. 또한, 상기 방법은 실질적으로 긴 타겟 경로를 둘러싸는 반사기로 중성자들의 일부를 반사시키는 단계, 긴 타겟 경로에 인접한 활성화 챔버 내에 모 물질을 위치시키는 단계, 및 의료용 동위원소를 생산하도록 모 물질과 중성자들의 일부 간의 핵분열 반응을 유지하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 활성화 챔버에 인접하여 감쇠기를 위치시키는 단계, 및 활성화 챔버 내에서의 핵분열 반응을 강화하도록 감쇠기 내에서 중성자들의 일부를 열중성자들로 전환하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 의료용 동위원소를 생산하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 이온 빔을 생성하도록 가스를 여기시키는 단계, 이온 빔을 가속하는 단계, 및 타겟 가스를 포함한 실질적으로 선형인 타겟 경로로 가속된 이온 빔을 통과시키는 단계를 포함한다. 타겟 가스 및 이온들은 자유 중성자들을 생성하도록 핵융합 반응을 통해 반응한다. 또한, 상기 방법은 타겟 경로의 반경방향 바깥쪽으로 위치된 반사기로 자유 중성자들의 일부를 반사시키는 단계, 타겟 경로에 인접한 활성화 챔버 내에 모 물질을 위치시키는 단계, 및 핵분열성 물질을 사용하지 않고 의료용 동위원소를 생산하도록 모 물질과 자유 중성자들을 반응시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태들 및 실시예들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 고려하여 분명해질 것이다.

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;
도 21은 10 torr의 ³He 타겟에 충돌하는 100 mA 입사 ²H 빔에 대한, 핵융합 반응 속도(반응/초) 대 이온 빔 입사 에너지(keV)의 그래프;
도 22는 의료용 동위원소의 생산에 적합한 핵융합부 및 핵분열부를 포함한 하이브리드 원자로의 사시도;
도 23은 의료용 동위원소의 생산에 적합한 핵융합부 및 핵분열부를 포함한 하이브리드 원자로의 또 다른 구성의 사시도;
도 24는 다양한 물질층들을 예시하는 핵분열 원자로의 개략적인 측면도;
도 25는 다양한 물질층들을 예시하는 도 24의 핵분열 원자로의 개략적인 평면도;
도 26은 다양한 물질층들을 예시하는 또 다른 핵분열 원자로의 개략적인 측면도;
도 27은 다양한 물질층들을 예시하는 도 26의 핵분열 원자로의 개략적인 평면도;
도 28은 다양한 물질층들을 예시하고, 특히 ⁹⁸Mo로부터 ⁹⁹Mo를 형성하는데 적합한 또 다른 핵분열 원자로의 개략적인 측면도; 및
도 29는 다양한 물질층들을 예시하는 도 28의 핵분열 원자로의 개략적인 평면도이다.

본 발명의 여하한의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 본 명세서에서 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 있다. 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.

적어도 1 이상의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명은 본 명세서에서 예시들에 의해 구현되는 바와 같은 아래의 설명에서 설명되는 세부내용에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 설명 및 예시들은 첨부된 청구항들에서 설명되는 바와 같은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예들을 수행할 수 있으며, 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다.

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 동일한 범위를 적어도 2등분, 3등분, 4등분, 5등분, 10등분 등으로 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.

본 명세서에서, "실질적으로", "약", "대략" 등과 같은 용어들은 디바이스의 성능에 큰 영향을 주지 않고 이상적이거나 설명된 조건으로부터 벗어날 수 있는 특징들 및 특성들을 설명하는데 사용된다. 예를 들어, "실질적으로 평행인"이라는 용어는 바람직하게는 평행하지만, 편차가 디바이스에 큰 악영향을 주지 않는 한 20 도까지 벗어날 수 있는 특징들을 설명하는데 사용될 수 있다. 이와 유사하게, "실질적으로 선형인"이라는 용어는 선형성으로부터의 편차가 디바이스의 성능에 큰 악영향을 주지 않는 한, 약간 구부러진 경로 또는 약간 곡선형인 경로를 포함할 수 있다.

도 22는 의료용 동위원소의 생산에 적합한 하이브리드 원자로(5a)의 일 구성을 예시한다. 설명에 앞서, 본 명세서에서 사용된 "하이브리드 원자로"라는 용어는 핵융합부 및 핵분열부를 포함하는 원자로를 설명하는 것으로 여겨진다. 특히, 예시된 원자로(5a)는 LEU의 용액으로부터 또는 ⁹⁸Mo로부터 ⁹⁹Mo를 생성하는데 적합하다. 하이브리드 원자로(5a)는 원하는 동위원소를 생산하도록 상호작동하는 핵융합부(10) 및 핵분열부(8)를 포함한다. 도 22에 예시된 구성에서는, 10 개의 별도 핵융합부(10)들이 채택된다. 각각의 핵융합부(10)는 자기 핵융합부(10)로서 배치되며, 도 1 및 도 2에 관하여 설명되는 바와 같은 중성자 소스로서 작용한다. 물론, 다른 구성들이 더 적은 핵융합부(10), 더 많은 핵융합부(10), 또는 필요에 따라 핵융합부들의 다른 구성들을 사용할 수 있다.

도 23은 의료용 동위원소의 생산에 적합한 하이브리드 원자로(5b)의 또 다른 구성을 예시한다. 도 23의 구성에서는, 선형 핵융합부(11)들이 도 3 및 도 4에 관하여 설명되는 바와 같은 중성자 소스로서 작용한다. 도 23의 구성에서, 선형 핵융합부(11)들은 5 개의 핵융합부(11)가 핵분열부(8)의 일 단부에 위치되고, 5 개의 핵융합부(11)는 핵분열부(8)의 맞은편 단부에 위치되도록 배치된다. 물론, 필요에 따라 다른 수량의 핵융합부(11)들 또는 핵융합부들의 다른 구성들을 채택하는 다른 구성들이 채택될 수도 있다.

도 1 내지 도 3에 예시된 바와 같이, 각각의 핵융합부(10, 11)는 고에너지 양성자 소스 또는 중성자 소스로서 기능할 수 있는 컴팩트 디바이스(compact device)를 제공한다. 일 실시예에서, 핵융합부들(10, 11)은 양성자들을 발생시키도록 ²H-³He(듀테륨-헬륨 3) 핵융합 반응들을 이용하며, 이는 이후 다른 동위원소를 발생시키는데 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 핵융합부들(10, 11)은 기본 반응들을 ²H-³H, ²H-²H, 또는 ³H-³H 반응들로 변화시킴으로써 중성자 소스들로서 기능한다.

종래 형태의 양성자 또는 중성자 소스들에서의 고유한 단점들을 고려하여, 핵융합부들(10, 11)은 의료용 동위원소의 생산에 이용될 수 있는 신규한 고에너지 양성자 또는 중성자 소스(본 명세서에서, 때로는 일반적으로 이온 소스라 하지만, 더 올바르게는 입자 소스로 간주됨)를 제공한다. 각각의 핵융합부(10, 11)는 핵융합 반응을 야기하기 위해 소량의 에너지를 이용하며, 이는 이후 동위원소 생산에 사용될 수 있는 고에너지 양성자 또는 중성자를 생성한다. 소량의 에너지를 이용하는 것은, 디바이스로 하여금 이전의 종래 디바이스들보다 더 컴팩트하게 할 수 있다.

각각의 핵융합부(10, 11)는 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, 각각의 핵융합부는 ¹³¹I, ¹³³Xe, ¹¹¹In, ¹²⁵I, ⁹⁹Mo(이는 ^99mTc로 붕괴함) 및 많은 다른 것들을 포함하고, 이에 제한되지는 않는 동위원소들을 발생시키는데 사용될 수 있는 높은 플럭스의 등방성 중성자들을 발생시키는데 사용될 수도 있다. 이러한 것으로서, 각각의 핵융합부(10, 11)는 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, 각각의 핵융합부(10, 11)는 양성자 또는 중성자를 발생시키는 장치를 제공하며, 이는 차례로 다양한 방사성핵종(또는 방사성동위원소)을 발생시키는데 적절히 사용된다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 각각의 자기 핵융합부(10)는 적절하게는 RF-구동 이온 발생기 및/또는 안테나(24)를 포함할 수 있는 플라즈마 이온 소스(20), 적절하게는 전극-구동되는 가속기(30), 및 타겟 챔버(60)를 포함한 타겟 시스템을 포함한다. 양성자-기반 방사성동위원소 생산의 경우, 상기 장치는 동위원소 추출 시스템(90)을 포함할 수도 있다. RF-구동 플라즈마 이온 소스(20)는 사전설정된 경로를 따라 지향되는 이온 빔을 발생시키고 시준하며, 상기 이온 소스(20)는 제 1 유체의 유입을 위한 유입구를 포함한다. 전극-구동 가속기(30)는 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 생산을 위해, 타겟 시스템은 핵입자들에 투명한 측벽들을 가질 수 있다. 타겟 시스템 부근이나 내부에 동위원소 추출 시스템(90)이 배치되며, 이는 방사성핵종(또는 방사성동위원소)을 산출하도록 핵입자들에 반응하는 동위원소-유도 물질을 포함한다.

본 명세서에서는 RF-구동 이온 발생기 또는 이온 소스가 설명되지만, 다른 시스템들 및 디바이스들도 원하는 이온들을 발생시키기에 적합하다는 것을 유의하여야 한다. 예를 들어, 다른 구성들은 RF-구동 이온 발생기 또는 이온 소스 대신에, 또는 이와 함께 DC 아크 소스(arc source)를 채택할 수 있다. 또 다른 구성들은 DC 아크 소스 및/또는 RF-구동 이온 발생기 또는 이온 소스 대신에, 또는 이와 함께 열음극 이온 소스, 냉음극 이온 소스, 레이저 이온 소스, 전계 방출 소스, 및/또는 전계 증발 소스(field evaporation source)를 사용할 수 있다. 이러한 것으로서, 본 발명은 RF-구동 이온 발생기 또는 이온 소스를 채택하는 구성들에 제한되어서는 안 된다.

설명된 바와 같이, 핵융합부는 자기 구성(10) 및/또는 선형 구성(11)으로 배치될 수 있다. 디바이스의 6 개의 주요 부분들 또는 구성요소들이 도 1 및 도 2에 자기 구성(10)에 대해, 또한 도 3에 선형 구성(11)에 대해 나타낸 바와 같이 연결된다. 각각의 핵융합부는 자기 구성으로 배치되든지 선형 구성으로 배치되든지 상관없이, 일반적으로 20으로 표시된 이온 소스, 가속기(30), 차동 펌핑 시스템(40), 자기 구성(10)에 대한 타겟 챔버(60) 또는 선형 구성(11)에 대한 타겟 챔버(70)를 포함하는 타겟 시스템, 일반적으로 80으로 표시된 이온 한정 시스템, 및 일반적으로 90으로 표시된 동위원소 추출 시스템을 포함한다. 각각의 핵융합부는 추가적으로 가스 여과 시스템(50)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 핵융합부는 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 최초 스테이지(first stage: 23) 및 이온 주입기 최종 스테이지(35)(도 6)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 최초 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 여기시키도록, 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 양이온화하여, 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(ion source mating flange: 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 최초 스테이지는 이온 주입기(26)의 최종 스테이지(35)이다. 가속기 진공 챔버(36)의 축선을 따라 적어도 1 이상, 적절하게는 3 내지 50, 더 적절하게는 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 약 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 최초 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 cm 내지 10 cm의 직경, 적절하게는 약 0.1 mm 내지 약 10 cm의 직경, 및 더 적절하게는 약 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.

몇몇 구성에서, 감압 장벽(42)들은 플라즈마 윈도우들로 대체되거나, 이에 의해 강화된다. 플라즈마 윈도우들은 감압 장벽들로서 사용된 것과 유사한 작은 홀을 포함한다. 하지만, 홀에 걸쳐 조밀한 플라즈마가 형성되어, 작은 홀을 통하는 가스의 흐름은 막으면서, 이온 빔은 여전히 통과하게 한다. 플라즈마를 제 자리에 유지하도록 홀 내에, 또는 그 부근에 자기장 또는 전기장이 형성된다.

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(titanium getter trap: 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. 하이브리드 원자로에서 사용되는 경우, 타겟 챔버는 그 중심에 활성화 칼럼(activation column)을 제공하도록 배치된다. 핵융합부들은 활성화 칼럼 외부의 타겟 챔버를 통해 빔들을 지향하도록 배치된다. 따라서, 빔들은 실질적으로 환형 공간 내에서 이동한다. 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 NdFeB를 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:

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 분극될 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. 또한, 유사한 거울 효과를 생성하도록 타겟 챔버의 반경방향 에지 부근에 더 강한 자기장을 제공하는 것이 바람직하다. 다시, 원하는 강한 자기장을 제공하도록 형성된 자기 회로 또는 추가 자석들이 사용될 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 물질을 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)(도 12 및 도 14)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 구성에서, 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, 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 최초 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 연결부 또는 당업계에 알려진 다른 적절한 연결부일 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 n 개의 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 최초 스테이지(35)(이온 추출기)로 보내지거나 조화되어, 로직 펄스가 억제 상태로부터 추출 상태로, 또는 그 역으로 변화하도록 가속기 부분의 최초 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 최초 스테이지(35)는 +295 kV로 편향될 수 있으므로, 양이온 빔이 +295 kV로부터 +300kV로 흐르지 않을 것이며, 고속 펌프(100) 내에 갭(106)이 존재하는 경우 가속기의 최초 스테이지(35)는 +310 kV로 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.

PET 스캔들에서 이용되는 동위원소들 ¹⁸F 및 ¹³N은, 도 12 및 도 14에 예시된 구성부를 이용하여 각각의 핵융합부 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 또는 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 있거나, 높은 산소 농도를 포함하는 고체 물질로 대체될 수 있으며, 변환 후 제거되고 처리될 것이다. 다른 수단에 의해 다른 동위원소들이 발생될 수 있다.

이제, 도 1 및 도 3을 참조하여 핵융합부들의 작동을 설명할 것이다. 핵융합부들 중 하나의 작동 전에, 적절하게는 우선 파워 오프인 이온 소스(20)를 통해 ³He와 같은 타겟 가스를 미리 흘림으로써 각각의 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 양이온화된다. 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 최초 스테이지를 가로질러 거의 균일한 이온 빔 프로파일을 제공한다. 대안적으로, 가속기(30)의 최초 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 생성하도록 고밀도 타겟 가스와 충돌한다.

자기 타겟 챔버(60)의 실시예에서, 이온 빔은 수학식 (2)로 주어지는 (듀테륨 이온들, ²H에 대한) 궤도의 반경을 갖는 거의 나선인 경로로 구부러진다:

여기서, r은 cm 단위의 궤도 반경이고, T_i는 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. 핵융합 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 압력 가스로 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.

본 명세서에서 설명된 본 발명은 하이브리드 원자로로 지향되지만, 핵융합부만을 이용하여 소정 동위원소들을 생성하는 것이 가능하다. 이를 원하는 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, (¹⁵N 등으로부터의)¹⁵O, 및 ⁶³Zn과 같은 다른 동위원소들이 발생될 수 있다. 원하는 동위원소를 발생시키기 위해 핵분열부를 사용하는 구성에서, 동위원소 추출 시스템(90)은 생략될 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, 핵융합부는 양성자 요법을 위한 이온 소스로서 사용될 수 있으며, 이때 양성자들의 빔이 가속되고 암세포를 조사(irradiate)하는데 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 물질 또는 물질들일 수 있다. 적절한 감속재들은 열중성자들을 흡수하지 않을 것 같은 낮은 원자 질량을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, ⁹⁸Mo 모 화합물로부터 ⁹⁹Mo를 발생시키기 위해, 물 감속재가 사용될 수 있다. ⁹⁹Mo는 ^99mTc로 붕괴하며, 이는 의료 이미징 절차들에 사용될 수 있다. 또한, ¹³¹I, ¹³³Xe, ¹¹¹In 및 ¹²⁵I와 같은 다른 동위원소들이 발생될 수 있다. 중성자 소스로서 사용되는 경우, 핵융합부는 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.

짙은 타겟 가스에 충돌하는 빔의 핵융합 속도가 계산될 수 있다. 짙은 타겟 가스에 충돌하는 이온 빔에 대한 증분 핵융합 속도는 수학식 (3)으로 주어진다:

이때, df(E)는 차동 에너지 구간(dE)에서의 핵융합 속도(반응/초)이고, n_b는 타겟 가스 밀도(입자/㎥)이며, I_ion은 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 E_i의 최대인 곳부터 정지하는 곳까지 전체 입자 경로 길이에 걸쳐 수학식 (2)가 적분된다:

이때, F(E_i)는 가스 타겟에서 정지하는 초기 에너지 빔(E_i)에 대한 총 핵융합 속도이다. 이 수학식을 풀기 위해, 증분 경로 길이(dl)는 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 적분들은 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.

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:

이때 n은 전류 스텝(n=0이 초기 스텝이고, E₀이 초기 입자 에너지임)이고, E_n+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:

총 핵융합 속도를 계산하기 위해, 이 수학식은 수학식 (7)에 나타낸 바와 같이 E=0(또는 n*dl=입자의 범위)일 때까지의 E_n의 모든 값들에 걸쳐 합산되었다:

이 핵융합 속도는 "티크-타겟 일드(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 해당함)을 발생시킨다. 이 레벨은 당업자에게 알려져 있는 바와 같이 의료용 동위원소들을 생산하기에 충분하다. 10 torr에서 헬륨-3 타겟에 충돌하는 100 mA 입사 듀테륨 빔에 대한 핵융합 속도를 나타내는 플롯이 도 21에 도시된다.

본 명세서에서 설명된 핵융합부는 다양한 상이한 적용들에 사용될 수 있다. 일 구성에 따르면, 핵융합부는 핵 폐기물 및 분열성 물질을 포함한 물질들을 변환하기 위해 양성자 소스로서 사용된다. 또한, 핵융합부는 물리적 특성을 강화하기 위해 양성자들로 물질들을 둘러싸는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 핵융합부는 원석의 착색에 사용될 수 있다. 또한, 핵융합부는 중성자 방사선 촬영에 사용될 수 있는 중성자 소스를 제공한다. 중성자 소스로서, 핵융합부는 핵무기를 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 중성자 소스로서 핵융합부는 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, 핵융합부는 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. 핵융합부는 중성자 활성화 분석(NAA)에서 중성자 소스로서 사용될 수 있으며, 이는 물질들의 기본 조성을 결정할 수 있다. 예를 들어, NAA는 피코그램 범위에서 미량 원소들을 검출하는데 사용될 수 있다. 중성자 소스로서, 핵융합부는 물질의 원자 조성을 결정함으로써 은밀한 물질들, 폭약, 마약, 및 생물 농약을 포함하며 이에 제한되지는 않는 물질들을 검출하는데 사용될 수도 있다. 또한, 핵융합부는 아임계 원자로에 대한 추진 인자로서 사용될 수 있다.

핵융합부(10 및 11)의 작동 및 사용은 아래의 예시들에 의해 더 예시되며, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 방식으로 해석되어서는 안 된다.

핵융합부(10 및 11)는 자기 구성(10)에서 중성자 소스로서 기능하도록 배치될 수 있다. 이 구성에서, 초기에 시스템(10)은 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(60) 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 즉 일단 명시된 부피의 가스가 시스템 내로 유입되었고 타겟 챔버(60) 내의 압력이 약 0.5 torr에 도달하면, 타겟 챔버(60)로부터 이온 소스(20)로 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 소스(20)에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기(30)에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 20 μtorr보다 작을 것이고; 타겟 챔버에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 대략 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버(60)에서, 압력은 대략 0.5 torr일 것이다. 이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 [RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나(24)에 커플링된] RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스(20)가 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 챔버(60)로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버(60)는 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 타겟 챔버(60)를 관통하고, 적절한 핵계장으로 검출될 것이다.

타겟 챔버(60)로부터 차동 펌핑 부분(40)으로 누출되는 중성자 가스는 콜드 트랩(13 및 15)을 통해 고속 펌프들(17)을 통과하고, 다시 타겟 챔버(60)로 돌아갈 것이다. 콜드 트랩(13 및 15)은 이후 매우 작은 누출로 인해 시스템을 오염시킬 수 있는 보다 무거운 가스들을 제거할 것이다.

또한, 핵융합부(11)는 선형 구성에서 중성자 소스로서 기능하도록 배치될 수 있다. 이 구성에서, 초기에 시스템은 10^-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들(17)은 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(70) 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 타겟 챔버(70)로부터 이온 소스(20)로 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 소스(20)에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기(30)에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 20 μtorr보다 작을 것이고; 중앙 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 대략 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버(70)에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 대략 500 mtorr일 것이고; 타겟 챔버(70)에서, 압력은 대략 20 torr일 것이다.

이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 [RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나(24)에 커플링된] RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스(20)가 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 챔버(70)로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버(70)는, 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 타겟 챔버(70)를 관통하고, 적절한 핵계장으로 검출될 것이다.

타겟 챔버(70)로부터 차동 펌핑 부분(40)으로 누출되는 중성자 가스는 콜드 트랩(13 및 15)을 통해 고속 펌프들(17)을 통과하고, 다시 타겟 챔버(70)로 돌아갈 것이다. 콜드 트랩(13 및 15)은 이후 매우 작은 누출로 인해 시스템을 오염시킬 수 있는 보다 무거운 가스들을 제거할 것이다.

또 다른 구성에서, 핵융합부(10)는 자기 구성으로 배치되고, 양성자 소스로서 작동할 수 있다. 이 구성에서, 초기에 시스템은 10^-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들(17)은 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(60) 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 즉 일단 명시된 부피의 가스가 시스템 내로 유입되었고 타겟 챔버(60) 내의 압력이 약 0.5 torr에 도달하면, 타겟 챔버(60)로부터 이온 소스(20)로 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 소스(20)에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기(30)에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기(30)에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 20 μtorr보다 작을 것이고; 타겟 챔버(60)에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 대략 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버(60)에서, 압력은 대략 0.5 torr일 것이다. 이 조건들이 확립된 이후, 약 10 내지 30 MHz로 [RF 매칭 회로에 의해 RF 안테나(24)에 커플링된] RF 파워 공급기를 작동시킴으로써 (듀테륨을 이용하는) 이온 소스(20)가 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 챔버(60)로 이온 빔을 가속시킬 것이다. 타겟 챔버(60)는 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.

또 다른 구성에서, 핵융합부(11)는 선형 구성으로 배치되고, 양성자 소스로서 작동할 수 있다. 이 구성에서, 초기에 시스템은 10^-9 torr 이하의 진공을 포함하여 깨끗하고 비어 있을 것이며, 고속 펌프들(17)은 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(70) 내로 흘러 타겟 가스를 생성할 것이다. 일단 타겟 가스가 확립되었으면, 타겟 챔버(70)로부터 이온 소스(20)로 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 소스(20)에서, 압력은 수 mtorr일 것이고; 가속기(30)에서, 압력은 약 20 μtorr일 것이며; 가속기(30)에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 20 μtorr보다 작을 것이고; 중앙 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 대략 50 mtorr일 것이며; 타겟 챔버(70)에 가장 가까운 펌핑 스테이지에 걸쳐, 압력은 대략 500 mtorr일 것이고; 타겟 챔버(70)에서, 압력은 대략 20 torr일 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.

또 다른 구성에서, 핵융합부(10 및 11)는 자기 구성 또는 선형 구성으로 배치되고, 동위원소 생산에 대해 중성자 소스로서 작동된다. 시스템은 자기 타겟 챔버 또는 선형 타겟 챔버(70)를 이용하여 앞서 설명된 바와 같이 작동될 것이다. 타겟 챔버(60, 70)에 근접하여 모 물질 ⁹⁸Mo의 고체 포일과 같은 고체 샘플이 배치될 것이다. 타겟 챔버(60, 70) 내에 생성된 중성자들은 타겟 챔버(60, 70)의 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.

또 다른 구성에서, 핵융합부(10 및 11)는 동위원소 생산에 대해 양성자 소스로서 배치된다. 이 구성에서, 핵융합부(10 및 11)는 자기 타겟 챔버(60) 또는 선형 타겟 챔버(70)를 이용하여 앞서 설명된 바와 같이 작동될 것이다. 시스템은 타겟 챔버(60, 70) 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, 각각의 핵융합부(10, 11)는 특히 컴팩트 고에너지 양성자 또는 중성자 소스를 제공한다. 앞선 설명은 단지 핵융합부(10, 11)의 원리들을 예시하는 것으로서 간주된다. 또한, 당업자라면 많은 수정예 및 변형예를 쉽게 알 것이므로, 나타내고 설명된 정확한 구성 및 작동에 핵융합부(10, 11)를 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적절한 수정예들 및 등가물들이 필요 또는 요구에 따라 사용될 수 있다.

도 22 및 도 23에 예시된 바와 같이, 하이브리드 원자로(5a, 5b)의 핵분열부들(400a, 400b)은 복수의 핵융합부들(10, 11)의 타겟 챔버들(60, 70)에 인접하여 위치된다. 핵융합부들(10, 11)은, 반응 공간(405)이 타겟 챔버들(60, 70) 내에서 정의되도록 배치된다. 명확하게는, 타겟 챔버들(60, 70) 내에서의 이온 궤적들이 반응 공간(405)으로 들어가지 않으므로, 조사될 물질들이 그 공간 내에 배치될 수 있다. 중성자 플럭스를 더 증가시키기 위해, 다수 핵융합부들(10, 11)이 겹겹이 쌓이며, 10 개만큼 많은 소스들이 유리하다. 도 22에 예시된 바와 같이, 하이브리드 원자로(5a)는 자기 구성에서 팬케이크 형상이지만 이온 빔이 환형 경로를 따라 흐르는 적층된 복수의 타겟 챔버들(60)을 생성하도록 핵융합부들(10) 및 핵분열부(400a)를 포함한다. 따라서, 환형 경로 내의 반응 공간(405)은 조사될 물질들의 배치를 위해 사용될 수 있다.

도 23은 하이브리드 원자로(5b)를 정의하기 위해 핵분열부(400b)에 커플링된 핵융합부들(11)의 선형 구성을 예시한다. 이 구성에서, 이온 빔들은 환형 타겟 챔버(70) 내에 위치된 실질적으로 평행하고 떨어져 이격된 복수의 선형 경로들을 따라 지향된다. 환형 타겟 챔버(70) 내의 반응 공간(405)은 조사될 물질들의 배치에 적절하다. 따라서, 이해하는 바와 같이 도 24 내지 도 29에 관하여 설명되는 핵분열부들(400a, 400b)이 핵융합부들(10, 11)의 자기 구성 또는 선형 구성으로 사용될 수 있다.

도 22 및 도 23을 참조하면, 핵분열부(400a, 400b)는 작동 시 핵분열부(400a, 400b)로부터 빠져나가는 방사선을 감소시키도록 선택된 감속재/반사기 물질을 포함하는 탱크(415) 내에 위치되는 실질적으로 원통형인 활성화 칼럼(410)(때로는 활성화 셀이라 함)을 포함한다. 활성화 칼럼(410)은 핵융합 반응이 일어나는 타겟 챔버(60, 70) 내에 위치된다. 타겟 챔버(60, 70)는 약 1 m의 높이를 갖는다. 베릴륨 층(420)이 타겟 챔버(60, 70)를 둘러싼다. 감속 물질은, 전형적으로 D₂O 또는 H₂O이다. 또한, 탱크(415)의 최상부에는 가스 재생 시스템(425)이 위치된다. 가스 재생 시스템(425)의 중심에 있는 장치(430)는, LEU 혼합물 및/또는 다른 모 물질을 포함한 아임계 조립체(435)가 위치될 수 있는 활성화 칼럼(410) 내로 연장된다. 바람직한 구성에서, 상기 장치(430)는 약 10 cm의 반경 및 약 1 m의 길이를 갖는다.

각각의 핵융합부(10, 11)는 타겟 챔버로부터 고에너지 중성자들을 방출하도록 배치된다. 핵융합부들(10, 11)에 의해 방출된 중성자들은 등방성으로 방출되며, 고에너지인 동안 활성화 칼럼(410)으로 들어가는 중성자들은 거의 상호작용하지 않고 이를 통과한다. 타겟 챔버는 10 내지 15 cm의 베릴륨(420)으로 둘러싸이며, 이는 고속 중성자 플럭스를 약 2 배 증대시킨다. 그 후, 중성자들은 이들이 열 에너지로 느려지고, 활성화 셀(410)로 다시 반사되는 감속재 내로 통과된다.

이 구성으로부터의 플럭스는 약 10¹⁵ n/s라고 추정된다[500 kV 및 100 mA에서 작동하는 단일 핵융합부(10, 11)에 대해 추정된 소스 강도가 10¹⁴ n/s이고, 예시된 구성에는 이 디바이스들이 10 개 존재함]. 활성화 셀(410) 내의 총 체적 플럭스는 0.0094의 불확실성으로 2.35 * 10¹² n/㎠/s인 것으로 계산되었고, 열 플럭스(0.1 eV 미만)는 0.0122의 불확실성으로 1.34 * 10¹² n/㎠/s이었다. 이 중성자 속도는 설명되는 바와 같이 LEU의 존재로 실질적으로 개선된다.

도 1 및 도 3에 관하여 설명되는 바와 같이, 핵융합부(10, 11)는 자기 구성 또는 선형 구성으로 배치될 수 있다. 핵융합부들(10, 11)의 자기 구성의 실제 장점은, 이들이 비교적 낮은 압력 가스에서 긴 경로 길이를 허용한다는 것이다. 선형 구성을 효과적으로 사용하기 위해서는, 타겟 가스가 냉각되고 더 높은 압력으로 유지되어야 한다. 이러한 구성의 일 예시는 도 23에 예시된 바와 같이 디바이스의 위아래로부터 타겟 챔버(70) 내로 축방향으로 나아가는 수 개의 듀테륨 빔 라인들을 가질 것이다. 타겟 챔버들(70)은 이를 위해 10 torr까지에서 작동하여야 할 수 있지만, 이는 핵융합부(10, 11)에 대해 보다 간단하고 더 효율적인 접근법일 수 있다.

선형 구성에서의 주요 간소화는 나선 또는 나선형 패턴으로 빔을 안내하는 자기장을 확립하는데 필요한 구성요소들의 제거이다. 필드를 생성하는데 필요한 구성요소들의 결여가 디바이스를 더 저가이게 하고, 자석들이 중성자 플럭스를 감쇠시키는 역할을 하지 않는다. 하지만, 몇몇 구성들에서는, 설명되는 바와 같이 핵융합부(11)의 선형 구성에 의해 생성된 이온 빔을 시준하기 위해 자기장이 사용된다.

최종 생성물로서 높은 비활성(specific activity)의 ⁹⁹Mo를 생성하기 위해, 이는 쉽게 분리될 수 있도록 화학적으로 상이한 물질로부터 만들어져야 한다. 이를 위한 가장 통상적인 방식은, 중성자 충격을 통한 ²³⁵U의 핵분열에 의한 것이다. 앞서 설명된 핵융합부들(10, 11)은 추가 반응성 없이 다량의 ⁹⁹Mo를 생성하기에 충분한 중성자들을 생성하지만, 디바이스 내에 ²³⁵U가 이미 존재하는 경우, 이는 ⁹⁹Mo 생성에 대한 타겟을 제공할 뿐 아니라 중성자 증대를 제공하는 구성에 놓인다는 것을 의미한다. 핵분열로부터 이루어진 중성자들은 ⁹⁹Mo의 비활성을 증가시키는데 중요한 역할을 할 수 있으며, 시스템의 총 ⁹⁹Mo 산출을 증가시킬 수 있다. 증배율(k_eff)은 수학식 1/(1-k_eff)만큼의 증대에 관련된다. 증대 효과는 총 수율 및 최종 생성물의 비활성을 5 내지 10 배만큼 증가시킬 수 있다. k_eff는 LEU 밀도 및 감속재 구성에 있어서 강한 함수이다.

H₂O(또는 D₂O)와 조합된 LEU(20 % 농축) 타겟들로 구성되는 아임계 조립체들(435)의 수 개의 아임계 구성들이 가능하다. 이 구성들은 모두 앞서 설명된 반응 챔버 공간(405) 내로 삽입된다. 고려되는 구성들 중 일부는 LEU 포일들, 물에 용해된 우라늄 염 수용액, 캡슐화된 UO₂ 분말 등을 포함한다. 수용액들은 중성자들의 우수한 감속으로 인해 매우 바람직하지만, 임계성(criticality) 관점으로부터의 문제를 제공한다. 아임계 작동을 보장하기 위해, 임계성 상수(k_eff)는 0.95 아래로 유지되어야 한다. 임계 조건이 얻어진 경우, k_eff를 감소시키도록 추가 제어 특징들이 쉽게 추가될 수 있다. 이 제어 특징들은 감속재를 덤핑하고 임계성을 떨어뜨리는 제어 로드, 주입가능한 유해물, 또는 압력 방출 밸브들을 포함하며, 이에 제한되지는 않는다.

우라늄 수용액은 흐름을 따른(downstream) 화학적 공정들에 대해 큰 장점을 제공한다. 또한, 이들은 냉각하기 쉽고, 연료와 감속재의 우수한 조합을 제공한다. 초기 연구들은 우라늄 니트레이트 용액-UO₂(NO₃)₂을 이용하여 수행되었지만, 우라늄 술페이트 등과 같은 다른 용액들이 고려될 수 있다. 일 구성에서, 용액 내의 염 농도는 100 g의 H₂O당 약 66 g의 염이다. 용액은 도 24 및 도 25에 예시된 바와 같이 활성화 셀(410) 내에 위치된다. 용액 이외에, 활성화 셀(410)의 중심에 순수(pure water)로 채워진 더 작은 직경의 실린더(500)가 존재한다. 물의 이 실린더는, 디바이스가 아임계를 유지하는 한편, 여전히 큰 부피의 LEU 용액이 사용되게 하도록 k_eff의 값으로 하여금 감소되게 한다.

도 24 및 도 25에 예시된 수용액 레이아웃에서, 가장 중심의 실린더(500)는 순수를 포함하며, 실질적으로 환형인 공간(510)을 정의하도록 상호작동하는 튜브와 원통형 벽(505) 사이에 포함되는 우라늄 니트레이트의 수성 혼합물로 둘러싸인다. 타겟 챔버(60, 70)는 다음의 가장 바깥쪽 층이며, 또한 환형이다. 순수, 우라늄 니트레이트의 수성 혼합물, 및 타겟 챔버(60, 70)는 Be 증대기(multiplier)/반사기(420)로 둘러싸인다. 이 경우, 가장 바깥쪽의 층(520)은 탱크(415) 내에 포함된 큰 부피의 D₂O이다. D₂O는 핵분열부(400a, 400b)로부터 방사선 누출을 감소시키는 감속재로서 작용한다. 도 26 내지 도 29는 유사한 구조의 구성요소들을 예시하지만, 이들은 특정 특징들로 설명되는 바와 같이 공간(volume)들의 일부 또는 전체 내에 상이한 물질들을 포함한다.

우라늄을 조사하는 통상적인 방법은, 이를 우라늄 디옥사이드 펠릿들로 형성하거나, 우라늄 디옥사이드 분말을 용기로 감싸는 것이다. 이들은 원자로 내로 삽입되고, 제거 및 처리 전에 조사된다. 오늘날 사용되는 UO₂ 분말은 HEU를 이용하지만, LEU를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 구성에서, 0.95보다 작은 K_eff를 제공하는 LEU 및 H₂O의 혼합물이 사용된다.

도 26 및 도 27은 D₂O와 함께 균질한 용액 내에 UO₂를 포함하는 활성화 칼럼(410)을 예시한다. 이 구성에서 중심 실린더(500)는 가장 바깥쪽의 층(530)(이 일부분만이 예시됨)에서와 같이 H₂O(525)로 채워진다. 제 1 환형 공간(535)은 18 % LEU(20 % 농축) 및 82 % D₂O의 용액을 포함한다. 제 2 환형 층(540)은 실질적으로 비워지며, 핵융합부 타겟 챔버들(60, 70)과 일치한다. 중심 실린더(500), 제 1 환형 공간(535), 및 제 2 환형 공간(540)은 Be 층(420)으로 둘러싸이며, 이는 증대기 및 중성자 반사기로서 제공된다.

또 다른 구성에서, 수정된 Cintichem 공정에서 LEU 포일들의 화학적 용해에 의해 우라늄으로부터 ⁹⁹Mo가 추출된다. 이 공정에서는, 우라늄을 함유한 얇은 포일들이 높은 플럭스 구역의 원자로 내에 배치되고, 몇 시간 동안 조사된 후 제거된다. 상기 포일들은 다양한 용액 내에 용해되고, 다수 화학적 기술들을 통해 처리된다.

안전, 비확산, 및 건강의 관점으로부터, ⁹⁹Mo를 생성하는 바람직한 방식은 모 물질 ⁹⁸Mo와의 (n,γ) 반응에 의한 것이다. 이는 플루토늄 또는 다른 핵분열 생성물들로부터의 오염 없이 ⁹⁹Mo를 발생시킨다. 또한, 이 방법에 의한 생성은 여하한 형태의 우라늄의 일정한 공급을 필요로 하지 않는다. 단점은 모 ⁹⁸Mo로부터 ⁹⁹Mo를 분리하기 어렵다는 것이며, 이는 발생기 내에서 ⁹⁹Mo의 낮은 비활성을 초래한다. 또한, 농축된 ⁹⁸Mo이 사용될 경우 그 비용은 상당하다. 그러나, 낮은 비활성의 ⁹⁹Mo로부터 높은 순도의 ^99mTc를 추출하는 새로운 용리 기술들의 개발은 상당히 진행되었으며, 이는 가까운 장래에 비용-효율적인 선택이 될 수 있다. 본 명세서에 예시된 하이브리드 원자로(5a, 5b)에서 이 형태의 생성을 구현하기 위해, LEU의 고정된 아임계 조립체(435)가 중성자 플럭스(흔히, UO₂)를 증가시키는데 사용될 수 있으며, 모 ⁹⁸Mo로부터는 격리될 수 있다. 아임계 조립체(435)는 여전히 핵융합부(10, 11) 내부에 위치되며, ⁹⁹Mo 활성화 칼럼은 아임계 조립체(435) 내에 위치될 것이다.

바람직한 구성들에서, ⁹⁸Mo는 (부피에 있어서) 활성화 칼럼(410)의 총 20 %를 차지한다. 도 28 및 도 29에 예시된 바와 같이, 한가운데 실린더(500)는 20 % ⁹⁸Mo 및 H₂O의 균질한 혼합물을 포함한다. 제 1 환형 층(555)은 아임계 조립체(435)를 포함하며, 18 % LEU(20 % 농축)/D₂O 혼합물로 구성된다. 제 2 환형 층(560)은 실질적으로 비워지며, 핵융합부 타겟 챔버들(60, 70)과 일치한다. 중심 실린더(500), 제 1 환형 공간(555), 및 제 2 환형 공간(560)은 Be 층(420)으로 둘러싸이며, 이는 증대기 및 중성자 반사기로서 제공된다. 가장 바깥쪽의 층(570)(이 일부분만이 예시됨)은 핵분열부(5a, 5b)로부터 빠져나가는 방사선의 양을 감소시키는 물을 포함한다.

LEU 경우들에 대해, ⁹⁹Mo의 생성 속도 및 비활성은 10¹⁵ n/s로 작동하는 핵융합부(10, 11)를 이용하여 핵분열 수율의 6 %를 계산함으로써 결정되었다. 또한, 다양한 구성들에 대해 K_eff가 계산되었다. 표 1은 이 계산들의 결과들을 요약한다. ⁹⁸Mo로부터 생성하는 경우, ⁹⁹Mo의 생성 속도를 결정하기 위해 (n,γ) 검수가 사용되었다. 아래의 표는 하이브리드 원자로(5a, 5b) 내의 다양한 타겟 구성들에 대한 생성 속도를 예시한다.

발생된 ⁹⁹Mo의 비활성은 모든 아임계 경우에 대해 비교적 일정하지만, 몇몇 구성들은 실질적으로 더 높은 총 생성 속도를 허용한다. 이는, 이 구성들이 훨씬 더 많은 양의 모 물질을 허용하기 때문이다. 또한, ⁹⁸Mo로부터의 ⁹⁹Mo의 생성은 생성된 ⁹⁹Mo의 총량에 있어서는 LEU로부터의 생성만큼 우수한 방법이라는 점을 주목할 가치가 있다. 그러나 여전히, LEU 공정이 ⁹⁸Mo으로부터 ⁹⁹Mo를 분리하는 것보다 핵분열 생성물로부터 ⁹⁹Mo를 분리하기가 더 쉽기 때문에 더 유리한 경향이 있으며, 이는 분리 후 이용가능할 ⁹⁹Mo의 높은 비활성을 허용한다.

⁹⁹Mo를 생성하는데 ⁹⁸Mo이 사용되는 구성들에서, 아임계 조립체(435)는 완전히 제거될 수 있다. 하지만, 아임계 조립체(435)가 제거되는 경우, 최종 생성물의 비활성이 상당히 낮아질 것이다. 그러나 여전히, 고도의 발생기들이 ⁹⁸Mo 조사로부터 발생하는 낮은 비활성을 사용할 수 있다는 조짐들이 약간 있다. 아임계 증대 없이 하이브리드 원자로(5a, 5b)에 의해 생성된 비활성은 이 기술들 중 일부에 대해 충분히 높다. 또한, U.S. ⁹⁹Mo에 대한 총 수요는 여전히 몇몇 생산 시설들로 충족될 것이며, 이는 핵분열 자유 공정(fission free process)을 허용할 것이다.

예를 들어, 핵융합로(fusion only reactor)의 일 구성에서는 아임계 조립체(435)가 생략되고, ⁹⁸Mo가 활성화 칼럼(410) 내에 위치된다. ⁹⁹Mo의 생성을 강화하기 위해, 핵융합부(11)의 선형 구성에 의해 생성된 더 강력한 이온 빔이 사용된다. 앞서 언급된 구성들에서 필요한 것의 약 10 배인 파워 레벨에서 이온 빔을 작동하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 상기 빔을 시준하고 바람직하지 않은 빔의 분산을 억제하도록 자기장이 확립된다. 자기장은 상기 빔들에 평행하고 실질적으로 가속기(30) 및 펌핑 시스템(40)을 둘러싸도록 배치되며, 반드시 타겟 챔버(70)로 연장되는 것은 아니다. 이 구성을 이용하는 것은 아임계 조립체(435)에 의해 생성된 증대 효과 없이도 원하는 중성자 플럭스를 제공한다. 이 구성의 한가지 장점은, 원하는 동위원소를 생산하는데 우라늄이 필요하지 않다는 것이다.

따라서, 본 발명은 특히 의료용 동위원소를 생산하는데 사용되는 새롭고 유용한 하이브리드 원자로(5a, 5b)를 제공한다. 앞서 설명되고 도면들에서 예시된 하이브리드 원자로(5a, 5b)의 구성들은 단지 예시의 방식으로만 제시되며, 본 발명의 개념 및 원리를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 아래의 청구항에서 본 발명의 다양한 특징 및 장점이 설명된다.

Claims

의료용 동위원소를 생산하도록 작동가능한 하이브리드 반응기(hybrid reactor)에 있어서:
가스로부터 이온 빔을 생성하도록 작동가능한 이온 소스;
핵융합 반응(fusion reaction)을 통해 중성자들을 생성하도록 상기 이온 빔과 상호작용하는 타겟을 포함한 타겟 챔버(target chamber); 및
상기 타겟 챔버와 근접하여 위치되고, 핵분열 반응(fission reaction) - 상기 핵분열 반응은 중성자 증대(multiplication)를 갖고 아임계 레벨(subcritical level)에서 유지됨 - 을 통해 상기 의료용 동위원소를 생산하도록 상기 중성자들과 상호작용하는 모 물질(parent material) - 상기 모 물질은 수용액(aqueous solution) 내에 있음 -을 포함한 활성화 셀(activation cell)
을 포함하는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 빔을 생성하기 위해, RF 공진(resonance)이 사용되는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 소스와 상기 타겟 챔버 사이에 위치되고, 상기 이온 빔의 이온들을 가속시키도록 작동가능한 가속기를 더 포함하는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 가스는 듀테륨 및 트리튬 중 하나를 포함하고, 상기 타겟은 듀테륨 및 트리튬 중 다른 하나를 포함하는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 타겟 챔버는 실질적으로 선형인 긴 타겟 경로를 정의하는 하이브리드 반응기.
제 5 항에 있어서,
상기 긴 타겟 경로의 전체 또는 일부분 내에서 상기 이온 빔을 시준하는 자기장을 정의하도록 위치된 적어도 1 이상의 자석을 더 포함하는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 타겟 챔버는 실질적으로 나선형(helical)인 긴 타겟 경로를 정의하는 하이브리드 반응기.
제 7 항에 있어서,
상기 나선형 경로를 따라 상기 이온 빔을 지향하는 자기장을 정의하도록 위치된 적어도 1 이상의 자석을 더 포함하는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 소스 및 상기 타겟 챔버는 함께, 전체 또는 부분적으로 복수의 융합로들 중 하나를 정의하는 하이브리드 반응기.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 융합로들 각각의 타겟 챔버는 실질적으로 원통형 공간을 둘러싸도록 상호작동하는 하이브리드 반응기.
제 10 항에 있어서,
상기 활성화 셀은 실질적으로 환형이고, 상기 원통형 공간 내에 위치되는 하이브리드 반응기.
제 11 항에 있어서,
상기 활성화 셀에 근접하여 위치되는 감쇠기(attenuator);
실질적으로 상기 복수의 타겟 챔버들을 둘러싸고 상기 환형 활성화 셀을 향해 중성자들을 반사시키도록 선택되는 반사기; 및
실질적으로 상기 활성화 셀 및 상기 반사기를 둘러싸는 감속재(moderator)
를 더 포함하는 하이브리드 반응기.
제 1 항에 있어서,
상기 모 물질은 저농축 ²³⁵U이고, 상기 의료용 동위원소는 ⁹⁹Mo인 하이브리드 반응기.
의료용 동위원소를 생산하는 방법에 있어서:
이온 빔을 생성하도록 가스를 여기(excite)시키는 단계;
상기 이온 빔을 가속시키는 단계;
타겟 가스를 포함한 실질적으로 선형인 타겟 경로를 통해 상기 가속된 이온 빔을 통과시키는 단계- 상기 타겟 가스 및 상기 이온들은 자유 중성자들을 생성하도록 핵융합 반응을 통해 반응함 -;
상기 타겟 경로에 인접한 활성화 챔버 내에 모 물질을 위치시키는 단계; 및
상기 의료용 동위원소를 생산하도록 상기 모 물질과 상기 자유 중성자들의 일부를 반응시키는 단계 - 상기 자유 중성자들과 상기 모 물질은 중성자 증대를 갖고 아임계 레벨에서 유지되는 핵분열 반응을 통해 상기 의료용 동위원소를 생산하고, 상기 모 물질은 수용액 내에 있음 -;
를 포함하는 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
RF 방사선이 상기 가스를 여기시키는 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 가스는 듀테륨 및 트리튬 중 하나를 포함하고, 상기 타겟 가스는 듀테륨 및 트리튬 중 다른 하나를 포함하는 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 자유 중성자들의 일부를 열중성자(thermal neutron)들로 전환하는 단계 및 상기 모 물질 및 상기 열중성자들 중 일부를 반응시킴으로써, 추가적인 의료용 동위원소를 생산하는 단계를 더 포함하는 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 모 물질은 저농축 ²³⁵U이고, 상기 의료용 동위원소는 ⁹⁹Mo인 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 의료용 동위원소는 핵분열성 물질을 사용하지 않고 생산되는 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
분산을 억제하기 위해 상기 이온 빔을 시준하도록 방위되는 자기장을 확립하는 단계를 더 포함하는 의료용 동위원소 생산 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 모 물질은 ⁹⁸Mo를 포함하고, 상기 의료용 동위원소는 ⁹⁹Mo인 의료용 동위원소 생산 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 타겟 경로의 반경방향 바깥쪽(radially outward)에 위치된 반사기로 상기 중성자들의 일부를 반사시키는 단계;
상기 활성화 챔버에 인접하여 감쇠기를 위치시키는 단계; 및
상기 활성화 챔버 내에서의 상기 핵분열 반응을 강화하도록 상기 중성자들의 일부를 열중성자(thermal neutron)으로 전환하는 단계;
를 더 포함하는 의료용 동위원소 생산 방법.