KR20180054410A - 하전 입자 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

하전 입자 발생 장치는 레이저를 방출하는 광원부, 레이저를 수용하여 하전 입자를 방출하는 타겟층, 및 광원부와 타겟층 사이에 배치되어, 레이저를 집속시키는 포커싱 구조체를 포함하되, 포커싱 구조체는 타겟층의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치되는 솔리드 막들 및 공극부들을 포함하고, 공극부들의 각각은 다공성 막을 포함한다.

Description

하전 입자 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING CHARGED PARTICLE}
본 발명은 하전 입자 발생 장치에 관한 것으로, 상세하게는 하전 입자 발생 효율이 개선된 하전 입자 발생 장치에 관한 것이다.
하전 입자를 이용한 치료 방법은 X-선 또는 감마선 치료 방법과 달리 정상 조직의 손상을 최소화하면서 암세포를 정확하게 공격할 수 있기 때문에 환자 친화적인 치료법으로 주목 받고 있다. 하지만 현재 운용중인 하전 입자를 이용한 치료기는 하전 입자 생성 장치의 크기가 거대할 뿐만 아니라 장비 건설 및 운용에 막대한 비용이 소모되기 때문에 고출력 펄스 레이저를 사용하여 하전 입자를 생성하는 방법이 제안됨으로써, 치료 장치의 크기 및 가격은 크게 줄어들 수 있을 것으로 기대되고 있다.
경쟁력이 있는 종양치료용 레이저 이온 가속기를 개발하기 위해서는 생성된 하전 입자의 에너지가 커서 몸 속 깊은 곳까지 치료가 가능한 의료기기 개발 방향으로 이루어지고 있다. 하지만 현재 대부분의 방법은 레이저 광원의 세기만 증가시켜 고에너지 하전 입자를 생성하려는 방향으로 연구가 이루어지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 하전 입자 발생 효율이 개선된 하전 입자 발생 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 하전 입자의 에너지를 높이는 비용이 낮은 하전 입자 발생 장치를 제공하는 것에 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치는 레이저를 방출하는 광원부; 상기 레이저를 수용하여 하전 입자를 방출하는 타겟층; 상기 광원부와 상기 타겟층 사이에 배치되어, 상기 레이저를 집속시키는 포커싱 구조체를 포함하되, 상기 포커싱 구조체는 상기 타겟층의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치되는 솔리드 막들 및 공극부들을 포함하고, 상기 공극부들의 각각은 다공성 막을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 포커싱 구조체는 상기 레이저의 조사에 의해 플라즈마 층으로 변환되고, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들은 상기 플라즈마 층의 임계 전자 밀도(critical electron density)에 근접하는 값을 갖도록 분포될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 임계 전자 밀도에 근접하는 값은 상기 임계 전자 밀도보다 작되 상기 임계 전자 밀도의 0.7배보다 큰 값이거나, 상기 임계 전자 밀도보다 크되 상기 임계 전자 밀도의 3배보다 작은 값일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공극부들의 각각의 내에서, 상기 경계막은 균일하게 분포될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 경계막은 메시 형태를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 포커싱 구조체는 호랑 나비의 날개로부터 추출될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 경계막은 상기 솔리드 막들의 각각의 일측벽 및 타측벽으로부터 각각 돌출된 제1 서브 경계막들 및 제2 서브 경계막들을 포함하되, 상기 제1 서브 경계막들은 상기 타겟층의 상기 상면에 수직한 제3 방향으로 배열되고, 상기 제2 서브 경계막들은 상기 제3 방향으로 배열되고, 상기 제2 서브 경계막들의 각각은 상기 제1 서브 경계막들 사이에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 서브 경계막들은, 상기 타겟층의 상기 상면에 평행하고 상기 제1 방향에 교차하는, 상기 제2 방향을 따라 연장될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 포커싱 구조체는 모르포 나비(morpho butterfly)의 날개로부터 추출될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 광원부와 상기 포커싱 구조체 사이의 거리를 제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 포커싱 구조체의 상면을 상기 레이저의 초점을 중심으로 레일리 거리 내에 배치시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 포커싱 구조체와 상기 타겟층 사이에 개재된 매칭층을 더 포함하되, 상기 매칭층의 굴절률은 상기 포커싱 구조체의 굴절률과 상기 타겟층의 굴절률의 사이 값을 가질 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 하전 입자 발생 효율이 최대화될 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 하전 입자의 에너지를 높이는 비용이 최소화될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 정면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 레이저의 집속 과정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다.
도 8은 도 7의 AA1 부분의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다.
도 10은 도 9의 AA2 부분의 확대도이다.
본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 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 명세서의 다양한 실시예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 타겟층(100), 상기 타겟층(100) 상에 제공되는 포커싱 구조체(200)를 포함하는 하전 입자 발생 장치의 타겟부(10)가 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 타겟층(100)은 레이저를 수용하여 하전 입자(charged particle)를 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 하전 입자는 양이온 및/또는 양성자일 수 있다. 예를 들어, 타겟층(100)이 탄소(C)를 포함하는 박막일 경우, 타겟층(100)으로부터 탄소 양이온들이 방출될 수 있다. 다만, 타겟층(100)이 하전 입자를 방출하는 것은 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 타겟층(100)은 방사선(예를 들어, X선)을 방출할 수 있다.
포커싱 구조체(200)는 다공성(porous) 막일 수 있다. 예를 들어, 포커싱 구조체(200)는 내부에 공극들(미도시) 및 공극들을 둘러싸는 경계막들(미도시)을 포함할 수 있다. 포커싱 구조체(200)의 예시적인 구조들은 후술된다.
포커싱 구조체(200)는 레이저(미도시)의 조사에 의해 플라즈마 층(미도시)으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태를 갖는 포커싱 구조체(200)에 레이저가 조사되어, 포커싱 구조체(200)를 기화시킬 수 있다. 기체 상태를 갖는 포커싱 구조체는 상기 레이저로부터 에너지를 전달받고 전리(Ionization)되어 플라즈마 층으로 변환될 수 있다. 될 경우, 포커싱 구조체(200)는 플라즈마 상태로 변할 수 있다. 상기 플라즈마 층은 내부에 자유 전자들과 이온들을 포함할 수 있다.
포커싱 구조체(200) 내 경계막들의 비율에 따라, 상기 플라즈마 층의 자유 전자들은 준임계 전자밀도(near-critical electron density)를 갖도록 분포될 수 있다. 준임계 전자 밀도는 임계 전자 밀도(critical electron density)에 근접하는 값을 갖는 전자 밀도일 수 있다. 임계 전자 밀도는 플라즈마 내의 자유 전자들에 의해 발생된 전자기파의 주파수가 상기 플라즈마의 주파수와 같을 경우의 자유 전자들의 밀도이다. 예를 들어, 준임계 전자밀도는 임계 전자 밀도보다 작되 임계 전자 밀도의 0.7배보다 큰 값을 갖거나, 임계 전자 밀도보다 크되 임계 전자 밀도의 3배보다 작은 값을 가질 수 있다. 상기 플라즈마 층의 자유 전자들이 준임계 전자밀도를 가질 경우, 레이저는 상기 플라즈마 층을 통과하면서 집속될 수 있다.
포커싱 구조체(200) 내에서 상기 경계막들의 비율이 너무 높거나, 포커싱 구조체(200)가 경계막들로 가득 차 있는 경우, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들의 밀도는 준임계 전자 밀도보다 클 수 있다. 레이저가 준임계 전자 밀도보다 큰 전자 밀도를 갖는 플라즈마 층에 조사될 경우, 상기 레이저는 플라즈마 층을 관통하지 못하고, 반사될 수 있다. 따라서, 레이저는 집속되지 못할 수 있다.
상기 경계막의 비율이 너무 낮은 경우, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들의 밀도는 준임계 전자밀도보다 작을 수 있다. 레이저가 준임계 전자 밀도보다 작은 전자 밀도를 갖는 플라즈마 층에 조사될 경우, 상기 레이저는 플라즈마 층을 그대로 관통할 수 있다. 즉, 상기 레이저는 상기 플라즈마 층을 통과하면서 집속되지 못할 수 있다. 따라서, 레이저는 집속되지 못할 수 있다.
상기 경계막은 포커싱 구조체(200) 내에서 균일하게 분포될 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들이 균일하게 분포될 수 있다. 상기 자유 전자들이 균일하게 분포될수록, 상기 플라즈마 층을 통과하는 레이저의 집속도는 커질 수 있다. 따라서, 본 발명의 개념에 따른 포커싱 구조체(200)는 레이저를 최대로 집속시킬 수 있다.
타겟층(100)으로부터 방출되는 하전 입자의 에너지의 크기는 레이저의 강도(Intensity)에 비례할 수 있다. 일반적으로, 레이저의 강도를 높이기 위해, 레이저의 출력을 높이는 방법이 이용될 수 있다. 하지만, 레이저의 출력을 높이는 것은 고비용이 요구된다.
본 발명의 개념에 따른 포커싱 구조체(200)는 레이저를 집속하여 타겟층(100)에 제공할 수 있다. 레이저의 강도는 레이저의 조사 면적에 반비례하므로, 레이저가 집속될 경우, 레이저의 강도는 커질 수 있다. 따라서, 상기 집속된 레이저를 수용한 타겟층(100)은 높은 에너지를 갖는 하전 입자들(예를 들어, 양성자 또는 양이온)을 방출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 정면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 2를 참조하면, 타겟층(100) 및 상기 타겟층(100) 상의 제1 포커싱 구조체(200A(200))를 포함하는, 하전 입자 발생 장치의 타겟부(12)가 제공될 수 있다. 타겟층(100)은 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 도 1을 참조하여 설명된 포커싱 구조체(200)에 대응될 수 있다.
제1 포커싱 구조체(200A(200))는 타겟층(100)의 상면에 평행한 제1 방향(D1)을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치된 솔리드 막들(210)과 제1 공극부들(220A)을 포함할 수 있다. 솔리드 막들(210)은 제1 방향(D1)으로 배열될 수 있다. 솔리드 막들(210)은 내부에 공극을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 솔리드 막들(210)은 내부가 이를 구성하는 물질들로 가득 채워질 수 있다. 솔리드 막들(210)은, 타겟층(100)의 상면에 평행하고 상기 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 솔리드 막들(210)의 각각의 폭은 일정할 수 있다. 상기 폭은 솔리드 막들(210)의 각각의 양 측벽들 사이의 상기 제1 방향(D1)을 따른 거리일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 솔리드 막들(210)의 각각은 상기 타겟층(100)으로부터 멀어질수록 테이퍼지는 측벽들을 가질 수 있다. 즉, 솔리드 막들(210)의 각각의 폭은 타겟층(100)으로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.
제1 공극부들(220A)은 제1 방향(D1)으로 배열될 수 있다. 제1 공극부들(220A)은 각각 솔리드 막들(210) 사이에 개재될 수 있다. 제1 공극부들(220A)의 각각은 다공성 막을 포함할 수 있다. 제1 공극부들(220A)의 각각은 경계막(222) 및 상기 경계막(222)에 의해 둘러싸인 공극들(224)을 포함할 수 있다. 경계막(222)은 도 1을 참조하여 설명된 경계막에 대응될 수 있다. 경계막(222)은 무작위적인 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 경계막(222)의 연장 방향은 특정되지 않을 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 타겟부(12)를 정면에서 바라보는 관점에서, 경계막(222)은 메쉬(mesh) 형상을 가질 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 경계막(222)의 형상은 예시적인 것이다. 경계막(222)은 제1 공극부들(220A)의 각각의 내에서 균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 경계막(222)은 제1 공극부들(220A)의 각각의 하부나 상부에 밀집되지 않을 수 있다. 제1 공극부들(220A) 내의 경계막들(222)은 동일한 형상들을 갖는 것으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다.
예시적인 실시예들에서, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 자연물로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 호랑나비의 날개로부터 추출될 수 있다. 예를 들어, 호랑나비의 날개의 표피는 상기 제1 포커싱 구조체(200A(200))와 유사한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 호랑나비의 날개에서 표피 부분을 추출하여 제1 포커싱 구조체(200A(200))로 이용할 수 있다.
상기 제1 포커싱 구조체(200A(200))에 레이저가 조사될 경우, 상기 제1 포커싱 구조체(200A(200))는 플라즈마 층(미도시)으로 변환될 수 있다. 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들은 준임계 전자 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 레이저는 상기 플라즈마를 통과하며, 집속될 수 있다.
상기 제1 포커싱 구조체(200A(200)) 내에서 경계막(222)이 균일하게 분포되어, 상기 플라즈마 층 내에서 상기 자유 전자들을 균일하게 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저는 최대로 집속될 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 하전 입자 발생 장치의 타겟부의 정면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 3을 참조하면, 타겟층(100) 및 상기 타겟층(100) 상의 제2 포커싱 구조체(200B(200))를 포함하는 하전 입자 발생 장치의 타겟부(14)가 제공될 수 있다. 타겟층(100)은 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 포커싱 구조체(200B(200))는 제1 방향(D1)을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치된 솔리드 막들(210)과 제2 공극부들(220B)을 포함할 수 있다. 상기 솔리드 막들(210)은 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 공극부들(220B)의 각각은 다공성 막을 포함할 수 있다. 제2 공극부들(220B)의 각각은 솔리드 막들(210)의 각각의 일 측벽으로부터 제1 방향(D1)으로 돌출된 제1 서브 경계막들(226A)을 포함할 수 있다. 제1 방향(D1)을 따른 제1 서브 경계막들(226A)의 길이들이 서로 동일한 것으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제1 서브 경계막들(226A)의 길이는 타겟층(100)에 가까울수록 클 수 있다. 타겟층(100)에 상기 제1 서브 경계막들(226A)은 타겟층(100)의 상면에 교차하는 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 서브 경계막들(226A)은 제3 방향(D3)을 따라 동일한 간격으로 배열될 수 있다. 제1 서브 경계막들(226A)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다.
제2 공극부들(220B)의 각각은 솔리드 막들(210)의 각각의 반대편 측벽으로부터 제1 방향(D1)에 반대되는 방향으로 돌출되는 제2 서브 경계막들(226B)을 포함할 수 있다. 제1 방향(D1)을 따른 제2 서브 경계막들(226B)의 길이들이 서로 동일한 것으로 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제2 서브 경계막들(226B)의 길이는 타겟층(100)에 가까울수록 클 수 있다. 상기 제2 서브 경계막들(226B)은 타겟층(100)의 상면에 교차하는 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 서브 경계막들(226B)은 제3 방향(D3)을 따라 동일한 간격으로 배열될 수 있다. 제2 서브 경계막들(226B)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다.
제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 제3 방향(D3)을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 서브 경계막들(226B)의 각각은 서로 바로 인접한 제1 서브 경계막들(226A) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 서로 수평적으로 중첩되지 않을 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 서로 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)의 개수는 예시적으로 도시된 것이다. 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 제2 공극부들(220B)의 각각의 내에서 균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)은 제2 공극부들(220B)의 각각의 하부나 상부에 밀집되지 않을 수 있다.
공극들(224)은 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B) 사이에 배치될 수 있다. 공극들(224)의 형상은 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B) 및 솔리드 막들(210)에 의해 정의될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 자연물로부터 추출된 것일 수 있다. 예를 들어, 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 모르포 나비(morpho butterfly)의 날개로부터 추출된 것일 수 있다. 예를 들어, 모르포 나비의 날개의 표피는 상기 제2 포커싱 구조체(200B(200))와 유사한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 모르포 나비의 날개에서 표피 부분을 추출하여 제2 포커싱 구조체(200B(200))로 이용할 수 있다.
상기 제2 포커싱 구조체(200B(200))에 레이저가 조사될 경우, 상기 제2 포커싱 구조체(200B(200))는 플라즈마 층으로 변환될 수 있다. 상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들은 준임계 전자 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 레이저는 상기 플라즈마를 통과하며, 집속될 수 있다.
상기 제2 포커싱 구조체(200B(200)) 내에서 제1 및 제2 서브 경계막들(226A, 226B)이 균일하게 분포되어, 상기 플라즈마 층 내의 상기 자유 전자들을 균일하게 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저는 최대로 집속될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 레이저의 집속 과정을 설명하기 위한 개념도들이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1, 도2, 및 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 4를 참조하면, 레이저(LB)가 타겟부(10)를 향하여 제4 방향(D4)으로 진행할 수 있다. 타겟부(10)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 타겟부(10)와 실질적으로 동일할 수 있다. 레이저(LB)는 타겟부(10)의 상면을 향하여 진행할 수 있다.
레이저(LB)는 공간적으로 가우시안 형태를 가질 수 있다. 다른 말로 하면, 레이저(LB)를 정면에서 바라보는 관점에서, 레이저(LB)의 에너지는 레이저(LB)의 중심에서 외곽으로 갈수록 작아지는 가우시안 그래프 형태를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 레이저(LB)는 상기 타겟부(도 4의 10) 내부로 진행하여, 상기 타겟부(도 4의 10)의 포커싱 구조체(도 4의 200)를 플라즈마 층(PL)으로 변환시킬 수 있다. 상기 플라즈마 층(PL)은 이온들(미도시) 및 자유 전자들(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 자유 전자들은 준임계 전자밀도를 갖도록 분포될 수 있다. 레이저(LB)는 상기 플라즈마 층(PL) 내부를 진행하면서 상기 자유 전자들과의 상호 작용에 의해 자기집속(self-focusing)될 수 있다. 자기집속은 레이저가 플라즈마 층(PL) 내부를 진행하며 스스로 집속되는 것이다. 이하에서, 자기집속에 대해 간략히 설명된다.
레이저(LB)가 상기 플라즈마 층(PL) 내부를 진행할 경우, 자유 전자들은 레이저(LB)와의 상호작용에 의해 레이저(LB)의 외곽 부분으로 밀려날 수 있다. 이때, 자유 전자들이 받는 힘은 상기 상호작용에 의해 발생되는 폰더르모티브 힘(fondermotive force)일 수 있다. 이에 따라, 레이저(LB)의 외곽 부분의 자유 전자들의 밀도는 레이저(LB)의 중심 부분의 자유 전자들의 밀도보다 높을 수 있다. 플라즈마 층(PL) 내부를 진행하는 레이저(LB)의 위상 속도는 자유 전자의 밀도가 높은 영역에서 상대적으로 빠르고, 자유 전자의 밀도가 낮은 영역에서 상대적으로 느릴 수 있다. 따라서, 레이저(LB)의 외곽 부분의 위상 속도가 레이저(LB)의 중심 부분의 위상 속도보다 빠를 수 있다. 이에 따라, 레이저(LB)는 스스로 집속(자기 집속)될 수 있다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치를 설명하기 위한 블록도이다. 도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다. 도 8는 도 7의 AA1 부분의 확대도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 광원부(30), 제어부(20), 및 타겟부(10)를 포함하는 하전입자 발생 장치가 제공될 수 있다. 광원부(30)는 제어부(20)에 의해 제어되어, 타겟부(10)를 향해 레이저(LB)를 방출할 수 있다. 예를 들어, 광원부(30)는 펄스 레이저를 방출할 수 있다. 상기 레이저(LB)는 가우시안 빔의 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저(LB)의 직경은 상기 레이저(LB)의 초점에서 가장 작고, 상기 레이저(LB)의 초점으로부터 멀어질수록 커질 수 있다.
타겟부(10)는 도 1을 참조하여 설명된 타겟부(10)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 포커싱 구조체(200)는 상기 레이저(LB)를 집속하여, 타겟층(100)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 직경(W1)을 갖는 레이저(LB)는 상기 포커싱 구조체(200)에 의해 집속되어, 상기 타겟층(100)의 상면에서 상기 제1 직경(W1)보다 작은 제2 직경(W2)을 가질 수 있다. 타겟층(100)은 제2 직경(W2)을 갖는 레이저(LB)를 수용하여 하전 입자들(PC)을 방출할 수 있다. 상기 하전 입자들(PC)은 표적(TG)을 향하여 방출될 수 있다. 예를 들어, 상기 표적(TG)은 인체일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제어부(20)는 광원부(30)와 타겟부(10)의 상대적인 위치를 제어하여, 포커싱 구조체(200)의 상면을 상기 레이저(LB)의 초점을 중심으로 레일리 범위(rayleigh range) 내에 배치시킬 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다.
본 발명의 개념에 따른 하전입자 발생 장치는 레이저의 출력을 높이는 방법을 이용하지 않고, 레이저(LB)의 집속을 이용하여, 고에너지를 갖는 하전 입자들(PC)을 생성할 수 있다. 레이저의 출력을 높이지 않고 고에너지를 갖는 하전 입자들(PC)을 생성할 수 있으므로, 하전 입자 발생 효율이 개선될 수 있다. 레이저의 출력을 높이기 위한 추가적인 장치들이 요구되지 않으므로, 하전 입자 생성을 위한 비용이 절감될 수 있다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 하전 입자 발생 장치의 개념도이다. 도 10은 도 9의 AA2 부분의 확대도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 포커싱 구조체(200)와 타겟층(100) 사이에 매칭층(300)이 제공될 수 있다. 매칭층(300)은 플라즈마 층(PL)과 타겟층(100)의 굴절률 차이를 완화하여, 플라즈마 층(PL)과 타겟층(100) 사이에서 발생되는 레이저(LB)의 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 매칭층(300)의 굴절률은 플라즈마 층(PL)의 굴절률과 타겟층(100)의 굴절률 사이의 값을 가질 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 레이저(LB)의 에너지 손실이 감소되므로, 하전 입자 발생 효율이 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
10:타겟부 100:타겟층
12:타겟부 14:탁세부
20:제어부 200:포커싱 구조체
210:솔리드 막 220A:제1 공극부
220B:제2 공극부 222:경계막
224:공극 226A, 226B:서브 경계막
30:광원부 300:매칭부
LB:레이저 W1, W2:제1, 제2 직경

Claims (12)

  1. 레이저를 방출하는 광원부;
    상기 레이저를 수용하여 하전 입자를 방출하는 타겟층; 및
    상기 광원부와 상기 타겟층 사이에 배치되어, 상기 레이저를 집속시키는 포커싱 구조체를 포함하되,
    상기 포커싱 구조체는 상기 타겟층의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 그리고 반복적으로 배치되는 솔리드 막들 및 공극부들을 포함하고,
    상기 공극부들의 각각은 다공성 막을 포함하는 하전 입자 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커싱 구조체는 상기 레이저의 조사에 의해 플라즈마 층으로 변환되고,
    상기 플라즈마 층 내의 자유 전자들은 상기 플라즈마 층의 임계 전자 밀도(critical electron density)에 근접하는 값을 갖도록 분포되는 하전 입자 발생 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 임계 전자 밀도에 근접하는 값은 상기 임계 전자 밀도보다 작되 상기 임계 전자 밀도의 0.7배보다 큰 값이거나, 상기 임계 전자 밀도보다 크되 상기 임계 전자 밀도의 3배보다 작은 값인 하전 입자 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공극부들의 각각은 공극들 및 상기 공극들을 둘러싸는 경계막을 포함하는 하전 입자 발생 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공극부들의 각각의 내에서, 상기 경계막은 균일하게 분포된 하전 입자 발생 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 경계막은 메시 형태를 갖는 하전 입자 발생 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 포커싱 구조체는 호랑 나비의 날개로부터 추출된 하전 입자 발생 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 경계막은 상기 솔리드 막들의 각각의 일측벽 및 타측벽으로부터 각각 돌출된 제1 서브 경계막들 및 제2 서브 경계막들을 포함하되,
    상기 제1 서브 경계막들은 상기 타겟층의 상기 상면에 수직한 제3 방향으로 배열되고,
    상기 제2 서브 경계막들은 상기 제3 방향으로 배열되고,
    상기 제2 서브 경계막들의 각각은 상기 제1 서브 경계막들 사이에 배치되는 하전 입자 발생 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 경계막들은, 상기 타겟층의 상기 상면에 평행하고 상기 제1 방향에 교차하는, 제2 방향을 따라 연장되는 하전 입자 발생 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 포커싱 구조체는 모르포 나비(morpho butterfly)의 날개로부터 추출된 하전 입자 발생 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 포커싱 구조체 사이의 거리를 제어하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 포커싱 구조체의 상면을 상기 레이저의 초점을 중심으로 레일리 거리 내에 배치시키는 하전 입자 발생 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커싱 구조체와 상기 타겟층 사이에 개재된 매칭층을 더 포함하되,
    상기 매칭층의 굴절률은 상기 포커싱 구조체의 굴절률과 상기 타겟층의 굴절률의 사이 값을 갖는 하전 입자 발생 장치.
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