KR20200094913A

KR20200094913A - 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템

Info

Publication number: KR20200094913A
Application number: KR1020190012323A
Authority: KR
Inventors: 채종서; 이종철; 남궁호
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-10
Also published as: KR102202157B1

Abstract

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템에 관한 것으로, 상기 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템은 질량이 상이한 적어도 두 종류의 입자를 동시에 가속하고 분해할 수 있도록, 질량이 상이한 하전입자를 방출하는 제1 이온원과 제2 이온원을 구비하며, 상기 제1 이온원과 제2 이온원에서 방출된 질량이 상이한 하전입자를 가속시킬 수 있는 두 개의 디 세트와, 상기 두 개의 디 세트에 각각 상이한 공진주파수를 출력하는 두 개의 RF 앰프를 구비한다.

Description

사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템{Accelerator mass spectrometry system based on a cyclotron}

본 발명은 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템에 관한 것으로, 질량이 상이한 적어도 두 종류의 하전입자를 동시에 가속하고 분해할 수 있다.

사이클로트론을 기반의 가속기 질량 분석기(AMS)는 가속기 이후 추가적인 2극 전자석이 필요없다. 사이클로트론의 등시(isochronous) 조건에 의해 입자의 전하량, 질량에 따라 자기장의 세기와 반경이 달라지는 특성을 갖는다. 따라서 가속과 동시에 최적 설계된 입자가 아닌 경우에, 동기화되지 못 하고 가속되지 않는다. 이러한 특성은 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석기의 장점이나, 유사 질량을 갖는 입자를 얻을 수 없는 단점이 된다.

예컨대, 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석기를 이용하는 경우에, 14-C, 12-C, 13-C가 포함된 샘플에서, 14-C 입자만 카운팅이 가능하고 12-C, 13-C 입자는 카운팅할 수 없는 문제가 있었다.

US 2017-0154760 Particle beam treatment (2017.06.01 공개)

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석기에서 질량이 상이한 적어도 두 종류의 입자를 동시에 가속하고 분해하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템은 사이클로트론 캐비티로 제1 하전입자를 방출하는 제1 이온원, 상기 제1 이온원과 180도 떨어진 지점에 설치되며, 상기 사이클로트론 캐비티로 상기 제1 하전입자와 질량이 상이한 제2 하전입자를 방출하는 제2 이온원, 제1 RF 앰프와 연결되어, 상기 제1 RF 앰프로부터 제1 공진주파수를 가진 제1 교류전압을 입력받는 제1 디(dee) 세트, 제2 RF 앰프와 연결되어, 상기 제2 RF 앰프로부터 제2 공진주파수를 가진 제2 교류전압을 입력받는 제2 디(dee) 세트, 상기 제1 디세트와 상기 제2 디세트에 인가된 제1 교류전압과 제2 교류전압에 의해 발생된 제1 이온빔과 제2 이온빔을 사이클로트론 외부로 방출하는 빔 인출부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템은 상기 빔 인출부와 연결되고, 상기 빔 인출부로부터 방출된 상기 제1 이온빔과 제2 이온 빔을 입력받아, 상기 제1 이온빔과 상기 제2 이온빔에 포함된 하전입자의 수를 카운팅하는 하전입자 카운팅부, 상기 제1 RF 앰프 및 상기 제2 RF 앰프와 연결되고, 상기 제1 RF 앰프와 상기 제2 RF 앰프가 교번하여 구동하도록 제1 구동 제어신호와 제2 구동 제어신호를 교번하여 생성하여, 각각 상기 제1 RF 앰프와 상기 제2 RF 앰프로 전달하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 RF 앰프는 상기 제1 구동제어신호를 입력받은 경우에, 상기 제1 교류전압을 출력하여 상기 제1 디 세트로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프는 상기 제1 구동제어신호를 입력받은 경우에, 제2 교류전압을 출력하여 상기 제2 디세트로 전달할 수 있다.

또한, 상기 제어부는상기 하전입자 카운팅부와 더 연결되고, 상기 제1 RF 앰프로 제1 구동제어신호를 전달한 후 상기 제1 RF 앰프에서 출력되는 교류전압의 주기의 10~20% 이내에 상기 제1 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제1 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 상기 하전입자 카운팅부로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프로 제2 구동제어신호를 전달한 후 상기 제2 RF 앰프에서 출력되는 교류전압의 주기의 10~20% 이내에 상기 제2 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제2 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부로 전달할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 하전입자 카운팅부와 더 연결되고, 상기 제1 RF 앰프로 제1 구동제어신호를 전달함과 동시에 상기 제1 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제1 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 상기 하전입자 카운팅부로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프로 제2 구동제어신호를 전달함과 동시에 제2 RF 앰프에서 출력되는 상기 제2 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제2 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부로 전달할 수 있다.

본 발명은 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템에서 질량이 상이한 하전입자를 동시에 검출할 수 있고, 이를 통해 인가된 샘플에서 보다 높은 분해능으로 샘플의 질량 스펙트럼을 확인할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론의 단면도이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템이다.
도 3은 제1 디 세트와 제2 디 세트에 공급되는 교류전압을 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고,유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가

아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템(1000)은 사이클로트론(100), 하전입자 카운팅부(200), 제1 RF 앰프(31), 제2 RF 앰프(32), 제어부(400)를 포함할 수 있다.

상기 사이클로트론(100)은 제1 이온원(11), 제2 이온원(12), 전자석(20), 제1 디(dee) 세트(30), 제2 디(dee) 세트(40), 빔 인출부(50)를 포함할 수 있다.

상기 제1 이온원(11)은 사이클로트론(100) 캐비티로 제1 하전입자를 방출한다. 상기 제2 이온원(12)은 사이클로트론(100) 캐비티로 제2 하전입자를 방출한다. 여기서, 제1 하전입자는 제2 하전입자보다 질량이 크다. 예컨대, 상기 제1 하전입자는 14-C이고, 제2 하전입자는 13-C일 수 있다.

상기 제2 이온원(12)은 제1 이온원(11)과 180°떨어진 지점에 설치될 수 있다. 그에 따라, 제1 이온원(11)에서 출력된 초기 제1 하전입자의 RF 위상은 초기 제2 하전입자의 RF 위상과 상이하다.

상기 전자석(20) 주위에는 코일이 배치되어 있다. 상기 코일로 고전압이 공급되면, 상기 전자석(20) 사이에서 자장이 발생한다.

상기 제1 디(dee) 세트(30)는 제1 디(dee)(31)와 제2 디(dee)(32)로 구성된다. 상기 제1 디(31)와 제2 디(32)는 서로 마주보는 부채꼴 형상의 전극이다. 상기 제1 디(31)는 제1 RF 앰프(31)와 연결되고, 상기 제1 RF 앰프(31)로부터 제1 공진주파수를 가진 제1 교류전압을 입력받는다. 상기 제1 디(31)에 제1 교류전압이 인가되면, 사이클로트론(100) 캐비티 내에 고주파 전장이 발생되고, 이 고주파 전장에 대한 전위차의 주기적 변화에 의해 제1 하전입자가 반복되어 나선 궤도를 그리며 반복되어 가속되어, 빔 인출부(50)를 통해 제1 이온빔이 방출된다. 여기서, 상기 제1 하전입자는 14-C이고, 상기 제1 이온빔은 상기 제1 하전입자가 가속되어 발생할 수 있다. 또한, 상기 제1 공진주파수는 5.7~5.9 MHz일 수 있으며, 바람직하게는 5.8MHz일 수 있다.

상기 제2 디(dee) 세트(40)는 제3 디(41)(dee)와 제4 디(42)(dee)로 구성된다. 상기 제3 디(41)와 제4 디(42)는 서로 마주보는 부채꼴 형상의 전극이다. 상기 제3 디(41)는 제2 RF 앰프(32)와 연결되고, 상기 제2 RF 앰프(32)로부터 제2 공진주파수를 가진 제2 교류전압을 입력받는다. 상기 제3 디(41)에 제2 교류전압이 인가되면, 사이클로트론(100) 캐비티 내에 고주파 전장이 발생되고, 이 고주파 전장에 대한 전위차의 주기적 변화에 의해 제2 하전입자가 반복되어 나선 궤도를 그리며 가속되어, 빔 인출부(50)를 통해 제2 이온빔이 방출된다. 여기서, 상기 제2 하전입자는 13-C이고, 상기 제2 이온빔은 상기 제2 하전입자가 가속되어 발생할 수 있다. 또한, 상기 제2 공진주파수는 6.4~6.5 MHz일 수 있으며, 바람직하게는 6.42MHz일 수 있다.

상기 가속된 제1 이온빔과 제2 이온빔은 빔 인출부(50)를 통해 사이클로트론(100) 외부로 인출된다. 상기 빔 인출부(50)는 하전입자 카운팅부(200)와 연결된다. 상기 하전입자 카운팅부(200)는 빔 인출부(50)로 인출된 제1 이온빔과 제2 이온빔을 입력받아, 상기 제1 이온빔과 제2 이온빔에 포함된 하전입자의 수를 카운팅할 수 있다.

상기 제어부(400)는 제1 RF 앰프(31), 제2 RF 앰프(32)와 연결될 수 있다. 상기 제어부(400)는 상기 제1 RF 앰프(31)와 제2 RF 앰프(32)가 교번하여 구동하도록 제1 구동 제어신호와 제2 구동 제어신호를 교번하여 생성하며, 각각 제1 RF 앰프(31)와 제2 RF 앰프(32)로 전달할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 제1 RF 앰프(31)는 제1 구동제어신호를 입력받은 경우에, 제1 교류전압을 출력하여 제1 디(31)로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프(32)는 제2 구동제어신호를 입력받은 경우에, 제2 교류전압을 출력하여 제3 디(41)로 전달할 수 있다.

또한, 상기 제어부(400)는 하전입자 카운팅부(200)와 연결될 수 있다. 상기 제어부(400)는 상기 제1 RF 앰프(31)로 제1 구동제어신호를 전달한 후 소정시간 이내에 상기 제1 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제1 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부(200)로 전달할 수 있다. 여기서, 상기 소정시간은 상기 제1 RF 앰프(31)에서 출력되는 교류전압의 주기의 10~20% 이내일 수 있다.

또한, 상기 제어부(400)는 상기 제2 RF 앰프(32)로 제2 구동제어신호를 전달한 후 소정시간 이내에 상기 제2 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제2 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부(200)로 전달할 수 있다. 여기서, 상기 소정시간은 상기 제2 RF 앰프(32)에서 출력되는 교류전압의 주기의 10~20% 이내일 수 있다.

또는, 상기 제어부(400)는 하전입자 카운팅부(200)와 연결될 수 있다. 상기 제어부(400)는 상기 제1 RF 앰프(31)로 제1 구동제어신호를 전달함과 동시에 상기 제1 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제1 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부(200)로 전달할 수 있다. 또한, 상기 제2 RF 앰프(32)로 제2 구동제어신호를 전달함과 동시에 상기 제2 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제2 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부(200)로 전달할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

사이클로트론 캐비티로 제1 하전입자를 방출하는 제1 이온원;
상기 제1 이온원과 180도 떨어진 지점에 설치되며, 상기 사이클로트론 캐비티로 상기 제1 하전입자와 질량이 상이한 제2 하전입자를 방출하는 제2 이온원;
제1 RF 앰프와 연결되어, 상기 제1 RF 앰프로부터 제1 공진주파수를 가진 제1 교류전압을 입력받는 제1 디(dee) 세트;
제2 RF 앰프와 연결되어, 상기 제2 RF 앰프로부터 제2 공진주파수를 가진 제2 교류전압을 입력받는 제2 디(dee) 세트; 및
상기 제1 디세트와 상기 제2 디세트에 인가된 제1 교류전압과 제2 교류전압에 의해 발생된 제1 이온빔과 제2 이온빔을 사이클로트론 외부로 방출하는 빔 인출부를 포함하는 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템
제1항에 있어서,
상기 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템은
상기 빔 인출부와 연결되고, 상기 빔 인출부로부터 방출된 상기 제1 이온빔과 제2 이온 빔을 입력받아, 상기 제1 이온빔과 상기 제2 이온빔에 포함된 하전입자의 수를 카운팅하는 하전입자 카운팅부;
상기 제1 RF 앰프 및 상기 제2 RF 앰프와 연결되고, 상기 제1 RF 앰프와 상기 제2 RF 앰프가 교번하여 구동하도록 제1 구동 제어신호와 제2 구동 제어신호를 교번하여 생성하여, 각각 상기 제1 RF 앰프와 상기 제2 RF 앰프로 전달하는 제어부를 더 포함하되,
상기 제1 RF 앰프는 상기 제1 구동제어신호를 입력받은 경우에, 상기 제1 교류전압을 출력하여 상기 제1 디 세트로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프는 상기 제1 구동제어신호를 입력받은 경우에, 제2 교류전압을 출력하여 상기 제2 디세트로 전달하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는
상기 하전입자 카운팅부와 더 연결되고,
상기 제1 RF 앰프로 제1 구동제어신호를 전달한 후 상기 제1 RF 앰프에서 출력되는 교류전압의 주기의 10~20% 이내에 상기 제1 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제1 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 상기 하전입자 카운팅부로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프로 제2 구동제어신호를 전달한 후 상기 제2 RF 앰프에서 출력되는 교류전압의 주기의 10~20% 이내에 상기 제2 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제2 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부로 전달하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는
상기 하전입자 카운팅부와 더 연결되고,
상기 제1 RF 앰프로 제1 구동제어신호를 전달함과 동시에 상기 제1 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제1 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 상기 하전입자 카운팅부로 전달하고, 상기 제2 RF 앰프로 제2 구동제어신호를 전달함과 동시에 제2 RF 앰프에서 출력되는 상기 제2 하전입자의 수를 카운팅하도록하는 제2 하전입자 카운팅 신호를 생성하여 하전입자 카운팅부로 전달하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론 기반의 가속기 질량 분석 시스템.