KR20180120227A - 선형 가속기의 자기장 보상 - Google Patents

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KR20180120227A
KR20180120227A KR1020187028679A KR20187028679A KR20180120227A KR 20180120227 A KR20180120227 A KR 20180120227A KR 1020187028679 A KR1020187028679 A KR 1020187028679A KR 20187028679 A KR20187028679 A KR 20187028679A KR 20180120227 A KR20180120227 A KR 20180120227A
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linear accelerator
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쉬마류 엠 슈바르츠만
제임스 에프 뎀프시
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뷰레이 테크놀로지스 인크.
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Abstract

시스템은 선형 가속기, 이온 펌프 및 보상 자석을 갖는다. 이온 펌프는 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일을 포함한다. 보상 자석은 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일을 갖고, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 이온 펌프 자석으로부터 비롯된 선형 가속기의 자기장의 성분 중 적어도 하나를 감소시킨다.

Description

선형 가속기의 자기장 보상
본 출원은, 2016년 3월 9일에 출원되고 발명의 명칭이 "MAGNETIC FIELD COMPENSATION IN A LINEAR ACCELERATOR"인 미국 특허 가출원 제62/305,970호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 본 명세서에 통합된다.
본원에 기술된 요지는 선형 가속기 내부의 자기장을 감소시키는 것에 관한 것이다.
선형 입자 가속기(선형 가속기)는 가속 챔버에서 일련의 진동 전위를 가하여 하전된 아원자 입자(subatomic particle) 또는 이온을 가속하는 데 사용할 수 있다. 예시적인 선형 가속기 용례에서, 가속된 입자는, 입자에 부딪힐 때 의료 방사선 요법에서 사용될 수 있는 광자 비임의 발생을 가능하게 하는 타깃(target)을 향해 지향될 수 있다.
통상적인 선형 가속기는 입자 소스 및 진공 하에 유지되는 가속 챔버를 포함한다. 다수의 선형 가속기에서, 가속 챔버 내의 진공의 유지보수는, 예를 들어 이온 펌프인 진공 펌프에 의해 용이해진다. 다수의 이온 펌프는 페닝 트랩(Penning trap)을 포함하고, 페닝 트랩은 페닝 트랩의 중심에 전자를 국한시킨다. 국한된 전자는 이어서, 역시 트랩에 진입한 기체 입자를 이온화시킨다. 이온화되면, 전기장은 이온을 포획하는 게터(getter)로 이온을 지향시켜서 선형 가속기 내의 기체 밀도를 감소시킨다.
제1 양태에서, 시스템은 선형 가속기, 이온 펌프 및 보상 자석을 포함한다. 이온 펌프는 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일을 가질 수 있다. 보상 자석은 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일을 가질 수 있다. 또한, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 이온 펌프 자석으로부터 비롯된 선형 가속기 내의 적어도 하나의 자기장 성분을 감소시킨다.
일부 변형에서, 보상 자석의 배향은, 이온 펌프 자석으로 인한 자기장이 선형 가속기 내의 적어도 한 위치에서 실질적으로 상쇄되도록 이루어질 수 있다. 또한, 선형 가속기는 전자 비임 경로를 가질 수 있고 자기장의 감소 또는 상쇄는 전자 비임 경로를 따라 이루어질 수 있다.
다른 변형에서, 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일 중 적어도 하나와 실질적으로 유사할 수 있다. 또한, 보상 자석은 전류 운반 코일일 수 있다.
다른 변형에서, 이온 펌프 자석 및 보상 자석은 각각 C-형상을 가질 수 있고, 각각의 C-형상은 개구를 갖는다. 이온 펌프 자석 및 보상 자석의 개구는 서로 대면할 수 있다.
다른 변형에서, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 선형 가속기 내의 자기장의 구배를 감소시키도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 통합되며 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본원에 개시된 요지의 특정 양태를 기술과 함께 나타내고, 개시된 구현들과 연관된 원리 중 일부를 설명하는 것을 돕는다.
도 1은 예시적인 선형 가속기 및 이온 펌프 자석의 측면 입면도이다.
도 2는 예시적인 선형 가속기의 배면 입면도이고 이온 펌프 자석 및 보상 자석의 실시예를 도시한다.
도 3은 이온 펌프 자석 및 보상 자석의 실시예를 면-대-면(face-to-face) 구성으로 도시하는 사시도이다.
도 4는 이온 펌프 자석 및 보상 자석의 실시예를 45° 구성으로 도시하는 사시도이다.
도 5는 요크로 연결된 2개의 영구 자석으로 형성된 자석의 측면 입면도이다.
실제로, 유사한 참조 번호들은 유사한 구조, 특징 또는 요소를 표시한다.
본 출원의 요지는 선형 가속기 내의 자기장 보상을 위한 방법 및 시스템을 기술한다. 이러한 명세서에서 "실시예", "일 실시예" 등에 대한 참조는, 기술되는 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 요지의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이러한 명세서에서 그와 같은 문구들의 발생은 반드시 모두 동일 실시예를 지칭한다.
도 1은 선형 가속기(100) 및 이온 펌프 자석(110)의 측면 입면도이다. 선형 가속기(100)는 입자 소스, 제어 시스템, 데이터 획득 시스템, 진단부 등과 같은 성분을 포함할 수 있다. 선형 가속기(100)는 전자의 비임을 선형 가속기 내부로 가속시키는 정상파장(standing wave field)을 내포할 수 있다. 전자를 가속시키는 선형 가속기로서 본원에 보여지고 기술되었지만, 본원에 기술된 개념은 지향된 하전된 입자, 전자 비임 소스, 양성자 비임 소스 등의 임의의 소스에 적용될 수 있다.
진공 펌프(120)는 진공을 제공하기 위해 선형 가속기(100)에 연결될 수 있다. 그 후에 전자 비임은 중심축(130)을 따라 막힘없이 선형 가속기(100) 내부를 이동할 수 있다. 한 구현에서, 진공 펌프(120)는 이온 펌프일 수 있다. 이온 펌프는, 이온 펌프 내부의 기체를 이온화시키고 이온화된 기체를 수집 플레이트 또는 게터로 전향시키기 위해 전기장 및 자기장을 이용한다. 한 구현에서, 이온 펌프(120)(점선으로 나타냄)는 이온 펌프 자석(110)을 포함할 수 있다. "이온 펌프 자석"이 본원에 지칭될 때, 이는 도 1 내지 도 4와 같은 단일 자석 설계를 지칭할 수 있거나 상기 용어는 도 5 또는 다른 설계와 같이 다수의 별개의 자석을 포함하는 이온 펌프 자석을 지칭할 수 있다. 이온 펌프 자석(110)은 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일을 가질 수 있다.
예를 들어, 이온 펌프 자석 위치는 선형 가속기(100)의 중심축(130) 또는 선형 가속기(100)에 대한 임의의 고정 지점에 대한 이온 펌프 자석(110)의 위치 일 수 있다.
이온 펌프 자석 형상은 이온 펌프 자석(110)의 전체적인 형상 또는 구성을 기술할 수 있다.
이온 펌프 자석 배향은 특정 대상, 위치, 벡터 등에 대한 이온 펌프 자석(110)의 특정 배치를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 이온 펌프 자석 배향은 이온 펌프 자석(110)이 경사형인 것, 경면대칭형(mirrored)인 것, 회전되는 것, 시프트되는 것 등을 기술할 수 있다. 또한, 이온 펌프 자석 배향은 이온 펌프 자석 극성을 정의할 수 있다. 이온 펌프 자석 극성의 일 실시예는 이온 펌프 자석(110)의 극이 표시되어있는 도 1 내지 도 2에 도시된다.
이온 펌프 자기장 프로파일은 이온 펌프 자석(110)으로부터 비롯된 자기장의 강도 및 형상을 기술할 수 있다. 이온 펌프 자기장 프로파일은, 이온 펌프(120), 선형 가속기(100) 및 임의의 주위 공간 또는 다른 성분의 다른 부분을 투과하는 자기장을 포함할 수 있다. 이온 펌프 자기장 프로파일(220)의 일부분이 도 2에 도시된다.
이온 펌프(120)의 자기장 프로파일 및 다른 소스로부터의 자기장은 전자 비임의 집속(focusing) 및/또는 궤적에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 이는 차례로 비임의 품질 및 방사선 치료 중에 환자에게 전달되는 선량에 영향을 줄 수 있다. 환자의 치료 위치에서의 전자 비임 균질성은, 자기장에 의해 이탈(deviated)되거나 탈초점(defocused)된 전자 비임에 의해 감소될 수있다.
도 2는 선형 가속기(100)의 배면 입면도이고 이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)을 도시한다. 보상 자석(210)은 일부 위치에서 이온 펌프 자석(110)으로 인한 자기장을 감소시키고 전자 비임 집속 또는 정렬을 개선하도록 작용할 수 있다. 이온 펌프 자석(110)과 같이, 또한 보상 자석(210)은 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일을 갖는다. 한 구현에서, 보상 자석(210)의 위치, 형상, 배향 및/또는 자기장 프로파일의 적절한 선택 및 구성은 이온 펌프 자석(110)으로부터 비롯된 선형 가속기(100) 내의 자기장의 하나 이상의 성분을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 자기장의 성분은 직선의 벡터 성분
Figure pct00001
,
Figure pct00002
및
Figure pct00003
로 표현될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이 선형 가속기(100) 내의 자기장은 임의의 주어진 지점에서의 모든 자기장 소스, 예를 들어 이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)의 벡터 합이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 자기장선(220)에 의해, 이온 펌프 자석(110)으로부터 비롯된 자기장의 적어도 하나의 성분이 감소된 것을 볼 수 있다. 특히, 보상 자석(210)의 배향은, 이온 펌프 자석(110)으로 인한 자기장이 선형 가속기(100) 내의 적어도 한 위치에서 실질적으로 상쇄될 수 있도록 이루어질 수 있다. 실질적으로 상쇄된 자기장은 공간 내의 적어도 하나의 위치에서 0의 크기 또는 널(null)을 가질 수 있다. 널 위치에 근접한 위치는 보상 자석이 없는 자기장에 비해 작은 순 자기장을 가질 수 있다.
이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)이 적어도 부분적 대칭으로 배열되면, 자기장은 선형 가속기(100)의 중심축(130)을 따라 감소되거나 실질적으로 상쇄될 수 있다. 보상 자석(210)에 의한 선형 가속기(100)의 중심축(130)을 따른 자기장 감소로 인해, 자기장의 적어도 하나의 성분의 감소가 또한 중심축(130)에 근접한 전자 비임 경로를 따라 발생할 수 있다.
한 구현에서, 보상 자석(210)의 위치, 형상, 배향 및/또는 자기장 프로파일은 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일 중 적어도 하나와 실질적으로 유사할 수 있다. 또한, 보상 자석(210)은 본질적으로 재료, 모델, 구조 등에서 이온 펌프 자석(110)의 사본일 수 있다. 이 구현은, 이온 펌프 자석(110)과 실질적으로 유사한 보상 자석(210)이 이온 펌프 자석(110)에 대향하게 위치되는 도 2에 도시된다. 이러한 구현에서, 보상 자석(210)의 배향은 선형 가속기(100)를 중심으로 이온 펌프 자석(110)의 가상 회전을 수행하는것에 의해 설명될 수 있다. 이러한 방식으로, 보상 자석(210)의 배향은, 이온 펌프 자석(110)의 자기장과 기하학적으로 유사하지만 실질적으로 반대 극성인 자기장 프로파일을 야기할 수 있다.
다른 구현에서, 보상 자석(210)은 제2 이온 펌프(미도시) 내부의 대향하는 자석일 수 있다. 제2 이온 펌프는, 본원에 기술된 바와 같이 선형 가속기(100) 내의 자기장의 감소를 얻기 위한 방식으로 위치될 수 있다.
또 다른 구현에서, 보상 자석(210)은 자기장을 발생시키는 전류 운반 코일(들)일 수 있다. 이러한 방식으로 대향하는 전류 운반 코일(들)은 대향하는 이온 펌프 자석과 유사하게 자기장을 상쇄시키도록 작용할 수 있다.
도 3은 이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)을 대면(face-to-face) 구성으로 도시하는 사시도이다. 도 2 및 도 3의 시뮬레이션 시각화에 도시된 한 구현에서, 이온 펌프 자석(110) 및/또는 보상 자석(210)은 각각 일반적으로 개구를 갖는 C-형상일 수 있다. 이러한 구현에서, C-형상의 개구는 서로 직접 대면한다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, C-형상에 대한 개구는 선형 가속기(100)의 중심축(130)에 대해 90°의 각도(310)로 있다. 일부 구현에서, 이러한 구성은 자기장의 최적화된 감소를 야기할 수 있다.
도 4는 이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)을 45° 구성으로 도시하는 구현의 사시도이다. 자기장의 구배를 감소시킬 수 있는 한 구현이 도 4에 도시된다. 자기장 구배는 자기장 강도에서 최대 변화율의 방향 및 크기를 나타내는 벡터량이다. 선형 가속기(100) 내의 자기장 구배의 결정은, 수학적 모델로 시뮬레이션되거나, 자기 진단에 의해 측정되거나, 시뮬레이션 및 측정의 다른 조합에 의해 추론될 수 있다.
보상 자석(210)의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일은 선형 가속기(100) 내의 하나 이상의 위치에서 자기장의 구배를 감소시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)은 자기장 구배를 감소시키기 위해 선형 가속기(100)의 중심축(130)에 대해 45°의 각도(310)로 배향될 수 있다. 도 3 및 도 4가 이온 펌프 자석(110) 및 보상 자석(210)의 2개 구현을 도시하지만, 도시된 것 이외의 다른 각도로 배향되는 다른 구현이 있을 수 있다.
도 5는 이온 펌프 및/또는 보상 자석에 사용될 수 있는 설계의 측면 입면도이다. 이러한 실시예는 요크(530)에 의해 연결된 2개의 영구 자석(520)을 갖는다. 요크(530)는 영구 자석(520)의 자기장에 대해 제약(constraint)으로서 작용하는 강자성 재료일 수 있다. 그러한 구조는 누설 자기장을 감소시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 요크(530)가 없으면, 영구 자석(520)의 자기장 프로파일은 쌍극자 장의 자기장 프로파일과 유사할 것이다. 요크(530)가 있으면, 영구 자석(520) 사이에 상당히 균일한 자기장이 여전히 존재할 수 있지만, 영구 자석(520)의 가장 먼 대향 표면상의 신생 자기장선은 요크(530)에 우선적으로 국한되게 남는다. 그러한 요크(530)에 의한 자기장선의 국한은 도 5에 도시된 자기장선(540)에 의해 예시된다.
본 개시내용은, 선형 가속기의 비임 품질의 최소의 감소를 야기하도록, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나 및 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일 중 적어도 하나가 선택되는 것을 고려한다. 예를 들어, 이온 펌프의 특성은, 아마도 생성된 진공의 품질을 희생시키지만 전체적으로 비임 품질의 최소의 감소를 야기하는 수단으로, 선형 가속기의 비임 상의 이온 펌프 자석의 효과를 최소화하도록 선택될 수 있다. 또한, 이온 펌프 자석 및/또는 보상 자석은 선형 가속기의 전자 비임 소스보다 선형 가속기의 타깃에 더 가깝게 우선적으로 배치될 수 있다.
상기 기술 및 본 청구범위에서, "적어도 하나" 또는 "하나 이상" 같은 문구는 요소 및 특징의 결합 목록 이전에 발생할 수 있다. 또한, 용어 "및/또는"은 2개 이상의 요소 및 특징의 목록에서 발생할 수 있다. 사용된 문맥에 의해 암시적 또는 명시적으로 달리 모순되지 않는 한, 그러한 문구는 임의의 열거된 요소 또는 특징을 개별적으로 또는 다른 임의의 언급된 요소 및 특징과 조합된 임의의 언급된 요소 또는 특징을 의미하도록 의도된다. 예를 들어, 문구 "A 및 B 중 적어도 하나", "하나 이상의 A 및 B" 및 "A 및/또는 B"는 각각 "A 단독, B 단독, 또는 A와 B 함께"를 의미하도록 의도된다. 유사한 해석은 3개 이상의 항목을 포함하는 목록에 대해 의도된다. 예를 들어, 문구 "A, B 및 C 중 적어도 하나", "하나 이상의 A, B 및 C" 및 "A, B 및/또는 C"는 각각 "A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께 또는 A와 B와 C 함께"를 의미하도록 의도된다. 상기 및 청구범위에서 용어 "기초하여"의 사용은 "적어도 부분적으로 기초하여"를 의미하도록 의도되어, 언급되지 않은 특징 또는 요소도 또한 허용된다.
본원에 기술된 요지는 필요한 구성에 따라 시스템, 장치, 방법 및/또는 물품에서 구현될 수 있다. 상기 기술에 제시된 구현은, 본원에 기술된 요지에 부합하는 모든 구현을 나타내지 않는다. 대신에, 그는 단지 기술된 요지에 관한 양태에 부합하는 일부 실시예일뿐이다. 약간의 변형이 상기에 상세히 기술되었지만, 다른 수정 또는 부가가 가능하다. 특히, 추가적인 특징 및/또는 변형은 본원에 제시된 것 이외에 부가로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기에 기술된 구현은, 개시된 특징의 다양한 조합 및 하위 조합 및/또는 상기에 개시된 몇몇 추가 특징의 조합 및 하위 조합으로 지향될 수 있다.

Claims (10)

  1. 시스템이며,
    선형 가속기;
    이온 펌프로서, 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일을 갖는 이온 펌프 자석을 포함하는 이온 펌프; 및
    위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일을 갖는 보상 자석으로서, 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나가 이온 펌프 자석으로부터 비롯된 선형 가속기 내의 자기장의 성분 중 적어도 하나를 감소시키는 보상 자석을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 이온 펌프의 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일 중 적어도 하나와 실질적으로 유사한, 시스템.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 이온 펌프 자석 및 보상 자석은 각각 C-형상을 갖고, 각각의 C-형상은 개구를 가지며, 그리고 C-형상의 개구는 서로 대면하는, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 선형 가속기는, 전자 비임 경로를 갖고 선형 가속기 내의 자기장의 적어도 하나의 성분의 감소는 전자 비임 경로를 따른 자기장을 감소시키는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 선형 가속기 내의 자기장의 구배를 감소시키도록 구성되는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 보상 자석은 전류 운반 코일인, 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 보상 자석의 배향은, 이온 펌프 자석으로 인한 자기장이 선형 가속기 내의 적어도 하나의 위치에서 실질적으로 상쇄되도록 하는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 선형 가속기는 전자 비임 경로를 갖고 보상 자석의 배향은 이온 펌프 자석으로 인한 자기장이 전자 비임 경로를 따라 실질적으로 상쇄되도록 이루어지는, 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 보상 자석의 위치, 형상, 배향 및 자기장 프로파일 중 적어도 하나 및 이온 펌프 자석 위치, 이온 펌프 자석 형상, 이온 펌프 자석 배향 및 이온 펌프 자석 자기장 프로파일 중 적어도 하나는 선형 가속기의 비임 품질의 최소의 감소를 야기하도록 선택되는, 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 이온 펌프 자석 및 보상 자석 중 적어도 하나는 선형 가속기 내의 하전된 입자의 소스보다 선형 가속기 타깃에 더 근접하게 위치되는, 시스템.
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