KR20160116859A - 입자 빔 발생장치 - Google Patents

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KR20160116859A KR1020150045198A KR20150045198A KR20160116859A KR 20160116859 A KR20160116859 A KR 20160116859A KR 1020150045198 A KR1020150045198 A KR 1020150045198A KR 20150045198 A KR20150045198 A KR 20150045198A KR 20160116859 A KR20160116859 A KR 20160116859A
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신동호
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 입자 빔 발생장치는 입사광을 생성하는 제 1 광원, 상기 입사광을 타깃에 집속하는 제 1 집광부, 레이저 빔을 생성하는 제 2 광원, 상기 레이저 빔을 상기 타깃에 집속하는 제 2 집광부, 및 상기 입자 빔을 검출하는 검출부를 포함할 수 있다. 상기 레이저 빔에 의해 상기 타깃은 입자 빔을 생성할 수 있다. 상기 타깃은 상기 입사광의 조사에 의해 내부에 전자-정공 쌍을 형성시키는 광전도성 물질을 포함할 수 있다.

Description

입자 빔 발생장치{PARTICLE BEAM GENERATOR}
본 발명은 입자 빔 발생장치에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 기반으로 하여 광전도성 매질을 빔 발생용 타깃으로 사용하는 입자 빔 발생장치에 관련된 것이다.
최근, 양성자 빔 치료법은 엑스선 치료 또는 전자선 치료에서의 부작용을 경감시킬 수 있는 치료 수단으로 주목받고 있다. 양성자 빔은 어떤 물질을 투과하게 될 경우 점차 속도가 감소하고, 정지(stuck)되기 직전에 가장 많은 전리 에너지 손실(energy loss of ionizing radiation)을 갖는다. 따라서, 양성자 빔 치료법에서 양성자들의 속도를 정확하게 제어할 수 있다면, 악성 종양들에 대한 선택적이면서 국소적인 치료가 가능하다. 만약, 인체의 깊은 곳에 종양이 위치할 경우 몸 밖에서 매우 큰 에너지의 양성자를 가속시켜야 한다. 양성자는 그의 에너지만큼 환자의 몸을 투과하여 종양부위에 정지될 수 있다. 환자는 양성자 주변의 종양부위에서 활성 산소(free oxygen radical)가 다량 발생하면서 종양 세포가 괴사되는 원리로 치료될 수 있다.
레이저 플라즈마는 시간적으로 매우 짧고 밀도가 높은 이온빔을 발생시킬 수 있는 소형 가속기로 사용될 수 있다. 따라서, 고밀도 플라즈마의 진단, 재료의 표면처리, 양성자 및 이온 치료, 양전자 방출 단층촬영(positron emission tomography)용 단수명 방사선 물질의 생성 등의 다양한 응용이 시도되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 빔 발생 효율이 향상된 입자 빔 발생장치를 제공하는 데 있다..
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 발생장치는 입사광을 생성하는 제 1 광원, 상기 입사광을 타깃에 집속하는 제 1 집광부, 레이저 빔을 생성하는 제 2 광원, 상기 레이저 빔을 상기 타깃에 집속하는 제 2 집광부, 및 상기 입자 빔을 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔에 의해 상기 타깃은 입자 빔을 생성할 수 있다.
상기 타깃은 상기 입사광의 조사에 의해 내부에 전자-정공 쌍을 형성시키는 광전도성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 입자 빔 발생장치는 광전도성 박막을 타깃으로 하고, 광전도성 박막에 빔을 입사시켜 전자를 여기 시킨다. 따라서, 이온 가속에 개입할 수 있는 전자의 양과 밀도를 늘려, 고 에너지 및 고 밀도의 빔 발생에 대한 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 발생장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 도 1의 변형예를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 타깃 내에서 입자 빔이 발생되는 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 면(또는 층)이 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 면(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시예에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 면들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 면들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 면(또는 층)을 다른 영역 또는 면(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서의 제 1 면으로 언급된 면이 다른 실시예에서는 제 2 면으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예는 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 발생장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 발생장치(10a)는 진공 챔버(110), 타깃(120), 제 1 광원(132), 제 2 광원(134), 제 1 집광부(142), 제 2 집광부(144) 및 검출부(160)를 포함할 수 있다.
진공 챔버(110)는 진공 펌프(미도시)의 펌핑에 의해 상압보다 낮은 저진공 상태를 제공할 수 있다. 진공 챔버(110)에는 복수의 포트들이 결합될 수 있다. 복수의 포트들은 일 예로, 제 1 내지 제 3 포트들(112a~112c)을 포함할 수 있다. 제 1 포트(112a)는 제 1 광원(132)에서 생성되는 입사광(152)을 진공 챔버(110)의 내부로 유도할 수 있고, 제 2 포트(112b)는 제 2 광원(134)에서 생성되는 레이저 빔(154)을 진공 챔버(110)의 내부로 유도할 수 있다. 한편, 타깃(120)에서 생성되는 입자 빔(156)은 제 3 포트(112c)를 통해 검출부(160)로 진행될 수 있다. 제 1 내지 제 3 포트들(112a~112c)은 각각 입사광(152), 레이저 빔(154) 및 입자 빔(156)을 투과시키는 윈도우(미도시)를 포함할 수 있다. 제 2 포트(112b)가 진공 챔버(110)의 일 측에 배치되고, 제 3 포트(112c)가 진공 챔버(110)의 일 측에 대향하는 타측에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 포트(112a)는 제 2 포트(112b)와 인접하되, 제 2 포트(112b)로부터 기울어져 배치될 수 있다.
진공 챔버(110) 내에 타깃(120)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 타깃(120)은 진공 챔버(110)의 바닥 플레이트(미도시) 상에 배치되는 스테이지(미도시)에 의해 고정되어 진공 챔버(110)의 중앙에 배치될 수 있다. 타깃(120)은 제 2 포트(112b)를 향하는 제 1 면(120a) 및 제 3 포트(112c)를 향하는 제 2 면(120b)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 면(120a) 및 제 2 면(120b)은 서로 대향할 수 있다. 타깃(120)은 제 1 광원(132)에서 조사되는 입사광(152)에 의해 전자 천이가 일어나는 광전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광전도성 물질은 반도체 물질일 수 있다. 일 예로, 반도체 물질은 실리콘 또는 게르마늄을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 광전도성 물질은 탄화수소일 수 있다. 일 예로, 탄화수소는 그래핀(graphene) 또는 CNT(carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 광전도성 물질은 고분자 물질일 수 있다. 일 예로, 고분자 물질은 PVK(polyvinyl carbazole)를 포함할 수 있다.
제 1 광원(132)은 제 1 포트(112a)의 일단에 결합되어 진공 챔버(110)의 외부에 배치될 수 있다. 제 1 광원(132)은 제 1 포트(112a)를 통해 진공 챔버(110)의 내부로 입사광(152)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제 1 광원(132)의 입사광(152)은 타깃(120)의 제 1 면(120a)에 사선 방향으로 조사될 수 있다. 제 1 광원(132)은 벌브(bulb) 형태의 아크 램프(arc lamp), LED, 연속발진형 레이저 또는 펨토 초 레이저(femto second laser)를 포함할 수 있다. 한편, 도시된 바와 달리, 제 1 광원(132)은 제 1 포트(112a) 내에 배치될 수도 있다.
제 1 집광부(142)는 제 1 광원(132)에서 조사되는 입사광(152)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제 1 집광부(142)는 제 1 광원(132)에서 조사된 입사광(152)을 타깃(120)의 제 1 면(120a)으로 집속할 수 있다. 예를 들어, 제 1 집광부(142)는 렌즈를 포함할 수 있다. 제 1 집광부(142)에 의해 타깃(120)에 집속된 입사광(152)은 타깃(120)의 일 영역을 여기시킬 수 있다.
제 2 광원(134)은 제 2 포트(112b)의 일단에 결합되어 진공 챔버(110)의 외부에 배치될 수 있다. 제 2 광원(134)은 제 2 포트(112b)를 통해 진공 챔버(110) 내부로 레이저 빔(154)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제 2 광원(134)에서 제공되는 레이저 빔(154)은 제 2 포트(112b)를 통하여 타깃(120)의 제 1 면(120a)을 향하여 조사될 수 있다. 레이저 빔(154)은 입사광(152)이 조사된 이후 일정 간격의 시간지연을 두고 조사될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(154) 및 입사광(152)은 1ps 내지 1000ns의 시간지연을 두고 조사될 수 있다. 한편, 도시된 바와 달리, 제 2 광원(134)은 진공 챔버(110)의 제 2 포트(112b) 내에 배치될 수도 있다.
제 2 집광부(144)는 제 2 광원(134)에서 조사되는 레이저 빔(154)의 경로 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 2 집광부(144)는 제 2 광원(134)과 타깃(120) 사이에서 레이저 빔(154)의 경로를 변경할 수 있다. 이 경우, 제 2 집광부(144)는 거울을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제 2 집광부(144)는 제 2 광원(134)에서 생산된 레이저 빔(154)을 타깃(120)의 제 1 면(120a)에 집속할 수 있다. 이 경우, 제 2 집광부(144)는 렌즈 또는 거울을 포함할 수 있다. 제 2 집광부(144)를 통하여 레이저 빔(154)은 타깃(120)의 제 1 면(120a)에 수직으로 조사될 수 있다. 한편, 도시된 바와 달리, 레이저 빔(154)은 타깃(120)의 제 1 면(120a)에 사선으로 조사될 수도 있다. 제 2 집광부(144)의 집속에 의해, 레이저 빔(154)의 에너지 밀도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 타깃(120)의 일면에 집속된 레이저 빔(154)은 1019 내지 1023 W/cm2의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 타깃(120)의 제 1 면(120a)에서, 입사광(152)이 조사된 영역에 레이저 빔(154)이 조사될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(154)이 집속된 면적은 입사광(152)이 집속된 면적보다 작을 수 있다. 이때, 제 2 집광부(144)에서 집속된 레이저 빔(154)에 의해 타깃(120)에서 입자 빔(156)이 생성될 수 있다.
검출부(160)는 제 3 포트(112c)의 일단에 결합되어 진공 챔버의 외부에 배치되되, 타깃(120)에서 생성되는 입자 빔(156)의 진행 경로 상에 위치할 수 있다. 이에 따라, 검출부(160)는 제 3 포트(112c)를 통해 타깃(120)에서 생성된 입자 빔(156)을 검출할 수 있다. 이후, 검출부(160)는 타깃(120)에서 생성된 입자 빔(156)을 분석장치 또는 치료 시스템에 전달할 수 있다. 예를 들어, 검출부(160)는 입자 검출기를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 변형예를 설명하기 위한 개략도이다. 변형예에 따른 입자 빔 발생장치(10b)는 제 1 포트(112a), 제 1 광원(132) 및 제 1 집광부(142)가 배치되는 위치가 다른 것을 제외하고, 다른 구성들은 도 1에서 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 설명의 간소화를 위해, 중복되는 구성의 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 포트(112a)는 제 3 포트(112c)와 인접하되, 제 3 포트(112c)로부터 기울어져 배치될 수 있다. 제 1 포트(112a)는 제 1 광원(132)에서 제공되는 입사광(152)을 진공 챔버(110)의 내부로 유도할 수 있다.
제 1 광원(132)은 제 1 포트(112a)의 일단에 결합되어 진공 챔버(110)의 외부에 배치될 수 있다. 제 1 광원(132)은 제 1 포트(112a)를 통해 진공 챔버(110)의 내부로 입사광(152)을 제공할 수 있다. 이때, 제 1 포트(112a)가 제 3 포트(112c)와 인접하게 배치됨에 따라, 제 1 광원(132)에서 제공되는 입사광(152)은 타깃(120)의 제 2 면(120b)으로 조사될 수 있다. 예를 들어, 제 1 광원(132)에서 제공되는 입사광(152)은 제 1 포트(112a)를 통하여 타깃(120)의 제 2 면(120b)에 사선방향으로 조사될 수 있다.
제 1 집광부(142)는 제 1 광원(132)에서 조사되는 입사광(152)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제 1 집광부(142)는 제 1 광원(132)에서 조사된 입사광(152)을 타깃(120)의 제 2 면(120b)으로 집속할 수 있다. 제 1 집광부(142)에 의해 타깃(120)에 집속된 입사광(152)은 타깃(120)의 일 영역을 여기시킬 수 있다. 즉, 입사광(152)은 조사되는 방향에 무관하게 타깃(120)의 일 영역을 여기시킬 수 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 발생장치(10a)의 구동을 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 타깃 내에서 입자 빔이 발생되는 원리를 설명하기 위한 도면들이다. 도 1 및 도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 제 1 광원(132)으로부터 타깃(120)의 제 1 면(120a)에 입사광(152)이 조사될 수 있다. 예를 들어, 제 1 광원(132)에서 조사되는 입사광(152)은 제 1 집광부(142)에 의해 타깃(120)의 제 1 면(120a)으로 집속될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 타깃(120)에 집속된 입사광(152)에 의하여, 타깃(120)에 다수의 전자-정공 쌍이 형성될 수 있다. 예를 들어, 타깃(120) 물질의 밴드갭(band gap) 또는 흡수파장대에 해당하는 에너지를 가진 입사광(152)이 타깃(120)에 조사되는 경우, 타깃(120) 내의 가전자대의 전자가 전도대로 전이될 수 있다. 다수의 전자-정공 쌍이 형성됨으로 인해, 타깃(120) 내에 전자 및 정공의 농도가 증가할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제 2 광원(134)으로부터 타깃(120)의 제 1 면(120a)에 레이저 빔(154)이 조사될 수 있다. 제 2 광원(134)에서 생성된 레이저 빔(154)은 제 2 집광부(144)에 의해 타깃(120)의 제 1 면(120a)으로 집속될 수 있다. 이때, 타깃(120)의 제 1 면(120a)에서, 입사광(152)이 조사된 영역에 레이저 빔(154)이 집속될 수 있다. 레이저 빔(154)은 타깃(120)에서 흡수되거나, 반사될 수 있다. 때문에, 레이저 빔(154)은 검출부(160) 방향으로 진행되지 않는다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(154)에 의해 타깃(120) 내의 전자는 레이저 빔(154)의 진행 방향을 따라 밀려날 수 있다. 예를 들어, 극초단 초고출력 레이저 빔(ultra-short ultra-high-intense laser)의 높은 광압 또는 판드로모티브 힘(ponderomotive force)은 레이저 빔의 진행방향으로 전자를 밀어낼 수 있다. 전자가 타깃(120) 밖으로 밀려남으로 인해, 전자 및 이온은 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이온 및 양성자와 전자 간의 질량 차이에 의해, 전자의 이동거리가 양성자 및 이온의 이동거리에 비해 클 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 양성자 및 이온과 전자의 이동거리 차이에 의해 전하 분리(charge separation)가 발생할 수 있다. 이와 같은 전하 분리에 의해 고속 양성자 및 이온이 생성될 수 있다. 예를 들어, 전자가 타깃(120) 밖으로 밀려남으로 인해, 공간전하(space charge)에 의한 강한 전기장이 형성될 수 있다. 전하 분리에 의해 생긴 전기장에 의해 양성자 및 이온이 빠르게 가속될 수 있다. 가속된 이온 또는 양성자는 입자 빔을 형성할 수 있다.
타깃(120)은 레이저 빔(154)이 조사되는 방향을 따라 입자 빔(156)을 생성할 수 있다. 입자 빔(156)은 레이저 빔(154)이 조사되는 방향을 따라 타깃(120)의 타측에서 검출부(160)의 방향으로 진행될 수 있다. 생성된 입자 빔(156)은 검출부(160)에 의해 분석장치 또는 치료 시스템에 전달될 수 있다.
강한 레이저 펄스를 사용한 이온 가속은 원자에 구속되어 있는 전자를 효과적으로 밀어내는 과정이 필수적이다. 레이저 펄스가 타깃에 입사되었을 때 밀려나는 전자의 수와 밀도가 가속된 이온 또는 양성자의 에너지와 이의 분포를 결정하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 발생장치는 타깃을 광전도성 물질을 이용하여, 이온 가속에 개입할 수 있는 전자의 양과 밀도를 충분히 확보할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 진공 챔버 120: 타깃
132: 제 1 광원 134: 제 2 광원
142: 제 1 집광부 144: 제 2 집광부
152: 입사광 154: 레이저 빔
156: 입자 빔 160: 검출부

Claims (1)

  1. 입사광을 생성하는 제 1 광원;
    상기 입사광을 타깃에 집속하는 제 1 집광부;
    레이저 빔을 생성하는 제 2 광원;
    상기 레이저 빔을 상기 타깃에 집속하는 제 2 집광부, 상기 레이저 빔에 의해 상기 타깃은 입자 빔을 생성하고; 및
    상기 입자 빔을 검출하는 검출부를 포함하고,
    상기 타깃은 상기 입사광의 조사에 의해 내부에 전자-정공 쌍을 형성시키는 광전도성 물질을 포함하는 입자 빔 발생장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220011928A (ko) * 2020-07-22 2022-02-03 포항공과대학교 산학협력단 특정 파장대의 광원을 발생시키기 위한 장치 및 방법

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