KR20230058116A

KR20230058116A - 중성자 빔 생성을 위한 타깃 표면들 상의 이온 빔 경로들

Info

Publication number: KR20230058116A
Application number: KR1020237010232A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 루크 스닛크러; 샤흐야르 지아에이; 해리슨 빔 에거스; 알레한드로 메사 데임
Original assignee: 티에이이 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2023-05-02
Also published as: US20240130032A1; US11889612B2; CA3193000A1; US20220070994A1; WO2022047050A3; WO2022047050A2; JP2023541127A; CN116761655A; EP4204082A2

Abstract

시스템들, 디바이스들 및 방법들의 실시예들은 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하기 위한 래스터 프로파일을 선택하는 것에 관한 것이다. 래스터 프로파일은 성능 지수의 값에 기초하여 복수의 가능한 래스터 프로파일들 중으로부터 선택된다. 빔은 스캔 프로파일을 형성하기 위해 상이한 방사상 배향들로 한 번 이상 반복되는 패턴을 형성하도록 타깃 표면에 걸쳐 지향된다. 스캔 프로파일에 따라 타깃 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 동안 타깃 온도가 모니터링된다. 타깃 손상을 방지하고, 열 성능을 개선시키며 입자 로딩을 최적화하기 위해 스캔 파라미터들이 변경 가능하다.

Description

중성자 빔 생성을 위한 타깃 표면들 상의 이온 빔 경로들

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 8월 26일자로 출원된 미국 가출원 제63/070,789호의 이익을 주장하며, 이 미국 가출원의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

기술 분야

본 명세서에서 설명되는 주제는 일반적으로 타깃 표면 상의 이온 빔 경로를 결정하고 지향시키기 위한 시스템들, 디바이스들 및 방법들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 중성자 빔 생성을 위해 타깃 표면 상의 이온 빔 경로를 결정하고 지향시키기 위한 시스템들, 디바이스들 및 방법들에 관한 것이다.

BNCT(boron neutron capture therapy)는, 가장 어려운 유형들 중 일부를 포함한, 다양한 유형들의 암의 치료 양식이다. BNCT는 붕소 화합물을 사용하여 정상 세포들을 살리면서 종양 세포들을 선택적으로 치료하는 것을 목표로 하는 기술이다. 붕소 화합물은 다양한 세포 유형들에 의한 효율적인 흡수(uptake) 및, 종양 세포들과 같은, 타깃 부위들에서의 선택적인 약물 축적을 가능하게 한다. 붕소 로딩된(boron loaded) 세포들에 중성자들이 (예를 들면, 중성자 빔 형태로) 조사될 수 있다. 중성자들은 붕소와 반응하여 종양 세포들을 박멸한다.

BNCT를 위한 중성자 빔들은, 양성자 빔과 같은, 이온 빔을 적합한 타깃에 조사하는 것에 의해 생성될 수 있다. 이온들은 타깃 내의 핵들과 반응하여 BNCT에 사용될 수 있는 중성자들의 빔을 방출한다. 오랜 기간 동안 타깃을 이온 빔에 노출시키는 것은 타깃의 열화 및 결과적인 중성자 빔을 결과할 수 있다. 타깃들이 교체될 수 있지만 이는 비용이 많이 들고 시스템 다운 시간(system down time)을 결과할 수 있다. 그에 따라, 온도 한계 미만에서 타깃의 기능을 연장하고 시스템 다운 시간을 감소시키기 위해 개선된 양성자 빔 전달이 필요하다.

본 명세서에서 설명되는 시스템들, 디바이스들 및 방법들의 예시적인 실시예들은 타깃 표면에 걸쳐 이온 빔(예를 들면, 양성자 빔)을 스캔하기 위한 프로파일의 선택에 관한 것이다. 일부 구현들에서, 타깃 표면에 걸친 빔 경로는 제1 패턴을 형성한다. 기본 패턴 또는 사이클이라고도 하는 패턴은 스캔 프로파일을 형성하기 위해 패턴의 제1 인스턴스로부터 상이한 방사상 배향(radial orientation)들로 한 번 이상 반복된다. 여기서, "방사상" 배향은 원통 좌표계에서 방위각(azimuthal) 또는, 대안적으로, 원주 방향을 지칭한다. 실시예들은 서로 방사상으로 오프셋된 제1 빔 패턴의 적어도 2 개의 인스턴스를 포함한다. 빔 패턴의 다양한 인스턴스들은, 스캔 프로파일이 규칙적인 방사상 간격(radial interval)들로 클로킹되는 패턴의 인스턴스들을 포함하도록, 일정한 양만큼 오프셋될 수 있다. 실시예들은, 이점들 중에서도, 열 성능 및 입자 로딩을 개선시키도록 구성된 계산 모델링(computational modelling)에 기초한다. 예를 들어, 계산 모델링은 타깃에 대한 입자 로딩의 균일성을 개선시키는 빔 스캔(또는 래스터(raster)) 프로파일들의 선택을 가능하게 할 수 있고/있거나 타깃의 피크 과도 온도를 감소시키는(예를 들면, 최소화하는) 스캔 프로파일의 선택을 가능하게 할 수 있다. 계산 모델은, 빔의 크기 및 형상과 같은, 여러 빔 파라미터들의 타깃에 대한 열 효과를 나타낸다. 계산 모델은 타깃을 둘러싸는 메시 공간(meshed space)을 포함할 수 있다. 메시는 타깃에 대한 열 부하(thermal load)들이 모델링되는 3차원 그리드로 구성된다. 온도 값들은 그리드의 각각의 "픽셀"(요소)에서 1차원 열 전달 방정식을 푸는 것에 의해 획득된다. 픽셀들 사이의 크로스토크 또는 픽셀들 사이의 측면 열 전도가 무시해도 될 정도인 것으로 가정되는 것을 고려하여 픽셀의 깊이를 통한 열 전달에 대한 1차원 열 전달 방정식을 푼다. 1차원 열 전달 미분 방정식을 푸는 데 사용되는 수치적 접근 방식들은 유한 요소법 및 유한 차분법을 포함한다. 유한 요소 기법과 유한 차분 기법 중 어느 하나에 대해, 타깃은 평면도에서 그리드의 일 부분으로서 나타내어진다. 그리드는 각각의 차원에서 동일한 단위 셀 크기를 가질 수 있거나 각각의 차원에서의 크기가 상이할 수 있다. 연구 중인 시스템의 물리적 능력들에 따라 상이한 크기 및 구조의 빔들을 모델링하는 능력을 제공하도록 분해능이 선택될 수 있다. 계산 모델은 양성자 빔에 대한 타깃의 단일 위치의 연속적인 노출들 사이의 최소 지연이 문턱 기간을 초과하는 양성자 빔에 대한 경로를 정의하는 스캔 프로파일의 선택을 가능하게 한다. 선택된 프로파일은 복수의 로브(lob)들을 포함하는 트로코이드 형상(trochoid shape)에 기초하여 경로를 정의할 수 있다. 계산 모델은 트로코이드 형상의 상이한 로브들 사이에서 양성자 빔의 변하는 각주파수(angular frequency)를 갖는 프로파일의 선택을 가능하게 한다. 계산 모델은 타깃 표면에 걸친 양성자 빔의 변하는 각속도(angular velocity)를 갖는 프로파일의 선택을 가능하게 한다. 계산 모델은 타깃 표면에 걸친 양성자 빔의 변하는 선속도(linear velocity)를 갖는 스캔 프로파일의 선택을 가능하게 한다.

일 양상에서, 이 문서는 제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하고 제2 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 방법을 설명하고 있으며, 여기서 상기 제1 경로는 제1 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성하고, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 실질적으로 상기 제1 패턴을 형성한다. 상기 빔은 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 따라 스캔하는 동안 펄싱될 수 있다. 상기 빔은 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 따라 스캔하는 동안 연속적으로 전파된다. 상기 빔은 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 내측 영역으로부터 외측 영역으로 그리고 다시 상기 내측 영역으로 이동한다. 상기 빔은 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 다시 상기 외측 영역으로 이동한다. 상기 제1 패턴은 나선 및 상기 나선의 미러 이미지를 포함할 수 있다. 상기 제1 패턴은 제1 반부(half)와 제2 반부를 가지며, 여기서 상기 제1 반부와 상기 제2 반부는 대칭이다. 상기 제1 패턴은 연속적으로 굴곡질 수 있다. 상기 제1 패턴은 시작 위치 및 종료 위치를 가지며, 여기서 상기 시작 위치는 상기 종료 위치에 있거나 상기 종료 위치에 인접해 있을 수 있다. 상기 제1 방사상 배향은 상기 제2 방사상 배향과 180도만큼 상이하다. 상기 동작들은, 제3 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제3 경로는 상기 제1 방사상 배향 및 상기 제2 방사상 배향과는 상이한 제3 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성한다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향은 120도만큼 상이하다. 상기 동작들은, 제4 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제4 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향과는 상이한 제4 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성한다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향은 90도만큼 상이하다. 상기 동작들은, 제5 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제5 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향과는 상이한 제5 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성한다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향 및 상기 제5 방사상 배향은 72도만큼 상이하다. 상기 제1 경로는 사이클의 제1 인스턴스에 대응하고, 상기 제2 경로는 상기 사이클의 제2 인스턴스에 대응한다. 일부 구현들에서, 상기 사이클의 상기 제1 인스턴스 및 상기 사이클의 상기 제2 인스턴스의 스캔은 닫힌 루프를 형성한다. 상기 빔은 양성자 빔일 수 있다. 상기 스캔 가능한 표면은 리튬 또는 베릴륨 표면일 수 있다. 상기 타깃은 스캔될 때 중성자들을 생성한다. 상기 빔은 원형 단면 프로파일을 갖는다. 상기 빔은 타원형 단면 프로파일을 갖는다. 상기 빔은 환형 단면 프로파일을 갖는다. 상기 빔은 중공 단면 프로파일을 갖는다. 상기 동작들은 BNCT(boron neutron capture therapy)를 수행한다. 상기 빔은 이온 소스; 상기 이온 소스와 결합되는 제1 빔라인; 상기 제1 빔라인과 결합되는 탠덤 가속기(tandem accelerator); 상기 탠덤 가속기와 결합되는 제2 빔라인; 및 상기 제2 빔라인과 결합되는 상기 타깃을 포함하는 빔 시스템에 의해 생성될 수 있다. 상기 패턴은 상기 스캔 가능한 표면의 대부분을 상기 빔에 노출시킨다. 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 상기 제2 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성한다.

다른 양상에서, 이 문서는 빔을 동작시키는 방법을 설명하며, 상기 방법은, 제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하고 제2 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 제1 경로는 제1 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성하고, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 제2 패턴을 형성하며, 여기서 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴은 실질적으로 동일하지만 상기 상이한 방사상 배향들에 대한 것이다. 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴은 동일하지만 상기 상이한 방사상 배향들에 대한 것이다.

다른 양상에서, 이 문서는 빔 시스템을 설명하며, 상기 빔 시스템은, 메모리와 통신 가능하게(communicatively) 결합되는 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 디바이스를 포함하며, 여기서 상기 메모리는, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서가, 제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔의 이동을 제어하게 하고, 제2 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하는 복수의 명령어들을 저장하며, 여기서 상기 제1 경로는 제1 방사상 배향으로의 제1 패턴을 포함할 수 있고, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로의 실질적으로 상기 제1 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 경로는 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 내측 영역으로부터 외측 영역으로 그리고 다시 상기 내측 영역으로 횡단(traverse)한다. 상기 제1 경로는 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 다시 상기 외측 영역으로 횡단한다. 상기 제1 패턴은 나선 및 상기 나선의 미러 이미지를 포함할 수 있다. 상기 제1 패턴은 제1 반부와 제2 반부를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제1 반부와 상기 제2 반부는 대칭이다. 상기 제1 패턴은 연속적으로 굴곡질 수 있다. 상기 제1 패턴은 시작 위치 및 종료 위치를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 시작 위치는 상기 종료 위치에 있거나 상기 종료 위치에 인접해 있을 수 있다. 상기 제1 방사상 배향은 상기 제2 방사상 배향과 180도만큼 상이하다. 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가, 제3 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 여기서 상기 제3 경로는 상기 제1 방사상 배향 및 상기 제2 방사상 배향과는 상이한 제3 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향은 120도만큼 상이하다. 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가, 제4 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 여기서 상기 제4 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향과는 상이한 제4 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향은 90도만큼 상이하다. 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가, 제5 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 여기서 상기 제5 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향과는 상이한 제5 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향 및 상기 제5 방사상 배향은 72도만큼 상이하다. 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가, 제6 경로를 따라 상기 타깃의 상기 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 여기서 상기 제6 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향 및 상기 제5 방사상 배향과는 상이한 제6 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향, 상기 제5 방사상 배향 및 상기 제6 방사상 배향은 60도만큼 상이하다. 상기 빔은 양성자 빔일 수 있다. 상기 스캔 가능한 표면은 리튬 층 또는 베릴륨 층의 표면일 수 있다. 상기 타깃은 스캔될 때 중성자들을 생성한다. 상기 빔은 원형 프로파일을 포함할 수 있다. 상기 빔은 타원형 프로파일을 포함할 수 있다. 상기 빔은 환형 프로파일을 포함할 수 있다. 상기 빔은 중공 프로파일을 포함할 수 있다. 상기 동작들은 BNCT(boron neutron capture therapy)에서 수행된다. 상기 빔은 이온 소스; 상기 이온 소스와 결합되는 제1 빔라인; 상기 제1 빔라인과 결합되는 탠덤 가속기; 상기 탠덤 가속기와 결합되는 제2 빔라인; 및 상기 제2 빔라인과 결합되는 상기 타깃을 포함하는 빔 시스템에 의해 생성될 수 있다. 상기 제1 패턴은 상기 스캔 가능한 표면의 대부분을 상기 빔에 노출시킨다. 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 상기 제2 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성한다.

다른 양상에서, 이 문서는 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하기 위한 래스터 프로파일을 선택하기 위한 컴퓨터로 구현되는 방법(computer-implemented method)을 설명하며, 상기 방법은, 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 타깃에 걸쳐 상기 양성자 빔을 스캔하기 위한 복수의 가능한 래스터 프로파일들을 확립하는 단계 - 상기 복수의 가능한 래스터 프로파일들 각각은, 각각이 상기 양성자 빔의 속성을 특성화하는 하나 이상의 빔 파라미터 및 상기 타깃에 걸친 상기 양성자 빔의 경로를 특성화하는 하나 이상의 경로 파라미터를 포함함 - , 상기 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 타깃을 특성화하는 하나 이상의 타깃 파라미터를 확립하는 단계, 상기 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 가능한 빔 래스터 프로파일들 각각에 대한 성능 지수(figure of merit)의 값을 계산하는 단계 - 상기 성능 지수는 상기 대응하는 가능한 래스터 프로파일에 대한 상기 양성자 빔에 의한 상기 타깃의 열 부하에 기초할 수 있음 - , 상기 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 성능 지수의 상기 값에 기초하여 상기 복수의 가능한 래스터 프로파일들 중으로부터 래스터 프로파일을 선택하는 단계, 및 상기 선택된 래스터 프로파일에 따라 상기 타깃에 걸쳐 상기 양성자 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 성능 지수에 대한 상기 값들을 계산하는 단계는, 상기 가능한 래스터 프로파일들 각각에 대해, 상기 타깃의 복수의 개별 부분들 각각에서의 열 부하를, 상기 열 부하와 상기 대응하는 래스터 프로파일에 대한 각각의 개별 부분에서의 양성자 플럭스 사이의 선형 관계에 기초하여 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 개별 부분은 상기 양성자 빔의 치수보다 작을 수 있는 상기 양성자 빔의 상기 경로에 있는 상기 타깃의 표면의 영역에 대응한다. 각각의 개별 부분에서의 상기 열 부하는 상기 양성자 빔이 입사될 수 있는 상기 타깃의 표면으로부터 멀어지는 상기 타깃의 깊이를 통한 열 전달에 기초하여 계산될 수 있다. 상기 성능 지수는 상기 타깃의 피크 온도, 상기 타깃의 온도 변화, 상기 타깃의 평균 온도 및 상기 타깃의 사용 효율로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 하나 이상의 빔 파라미터는 빔 치수, 빔 형상 및 빔 구조로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 상기 빔 치수는 10 mm 내지 30 mm의 범위에 있을 수 있다. 상기 빔 형상은 원형 또는 타원형일 수 있다. 상기 빔의 구조는 원형 또는 환형일 수 있다. 상기 하나 이상의 경로 파라미터는 상기 양성자 빔의 상기 경로와 연관된 주파수, 상기 타깃의 표면에 걸친 상기 양성자 빔의 선속도, 상기 양성자 빔의 상기 경로의 슈퍼 사이클(super cycle)에서의 방사상 스캔 층들의 수, 및 상기 양성자 빔의 상기 경로의 슈퍼 사이클들의 수로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 하나 이상의 타깃 파라미터는 타깃 표면적, 타깃 두께, 및 타깃 조성으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 상기 타깃은 리튬 층 또는 베릴륨 층을 포함할 수 있다. 상기 타깃은 상기 리튬 층 또는 상기 베릴륨 층을 지지하는 금속 층을 포함할 수 있다. 선택하는 단계는 상기 가능한 래스터 프로파일들의 목록을 상기 양성자 빔의 조작자에게 제시하고, 상기 컴퓨터 시스템을 통해, 상기 조작자에 의한 상기 목록으로부터의 선택을 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 동작들은 상기 타깃의 하나 이상의 속성을 측정하고 상기 타깃의 상기 측정된 속성에 기초하여 상기 래스터 프로파일을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 타깃의 상기 하나 이상의 속성은 상기 타깃 상의 하나 이상의 위치에서의 상기 타깃의 온도를 포함한다. 상기 동작들은 상기 빔의 하나 이상의 속성을 측정하고 상기 빔의 상기 측정된 속성에 기초하여 상기 래스터 프로파일을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 빔의 상기 하나 이상의 속성은 상기 타깃으로부터 업스트림으로 측정된다. 상기 선택된 래스터 프로파일은 상기 양성자 빔에 대한 상기 타깃의 단일 위치의 연속적인 노출들 사이의 최소 지연이 문턱 기간을 초과하는 상기 양성자 빔에 대한 경로를 정의한다. 상기 선택된 래스터 프로파일은 트로코이드 형상에 기초하여 경로를 정의한다. 상기 트로코이드 형상은 복수의 로브들을 포함할 수 있다. 상기 트로코이드 형상의 상이한 로브들에 대해 상기 양성자 빔의 상기 각주파수가 변한다. 상기 선택된 래스터 프로파일은 상기 타깃 표면에 걸친 상기 양성자 빔의 변하는 각속도를 포함할 수 있다. 상기 선택된 래스터 프로파일은 상기 타깃 표면에 걸친 상기 양성자 빔의 변하는 선속도를 포함할 수 있다.

다른 양상에서, 이 문서는 컴퓨터로 구현되는 방법을 설명하며, 상기 컴퓨터로 구현되는 방법은, 제1 래스터 프로파일에 따라 타깃의 표면에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하는 동안 상기 타깃의 온도를 모니터링하는 단계, 및 상기 모니터링된 온도에 기초하여, 상기 스캔을 상기 제1 래스터 프로파일로부터 제2 래스터 프로파일로 변경하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 제2 래스터 프로파일 및 상기 제1 래스터 프로파일은 상기 제1 래스터 프로파일 및 상기 제2 래스터 프로파일에 의한 상기 타깃의 열 부하의 컴퓨터 모델에 따라 상기 타깃의 상이한 가열 프로파일들을 결과한다. 상기 양성자 빔의 인간 조작자에 의한 복수의 래스터 프로파일들 중으로부터의 상기 제2 래스터 프로파일의 선택에 응답하여 상기 스캔이 변경될 수 있다. 상기 스캔은 피드백 또는 피드포워드 알고리즘에 따라 자동으로 변경될 수 있다. 상기 온도는 상기 타깃의 다수의 개별 위치들에서 모니터링될 수 있다. 상기 온도는 상기 타깃의 열 이미지를 획득하는 것에 의해 모니터링될 수 있다.

다른 양상에서, 이 문서는 빔을 동작시키는 방법을 설명하며, 상기 방법은, 슈퍼 사이클에서 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 하전 입자 빔을 스캔하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 슈퍼 사이클은 복수의 사이클들을 포함하고, 상기 복수의 사이클들의 각각의 사이클은 동일한 형상 및 상이한 방위각 배향을 가지며, 여기서 상기 복수의 사이클들은 상기 하전 입자 빔의 경로가 닫힌 루프로 상기 복수의 사이클들을 횡단하도록 함께 연결된다. 상기 복수의 사이클들은 서로 180도만큼 방위각 오프셋된 2 개의 사이클을 포함할 수 있다. 상기 복수의 사이클들은 서로 120도만큼 방위각 오프셋된 3 개의 사이클을 포함할 수 있다. 상기 복수의 사이클들은 서로 90도만큼 방위각 오프셋된 4 개의 사이클을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 주제의 다른 시스템들, 디바이스들, 방법들, 특징들 및 장점들은 이하의 도면들 및 상세한 설명을 살펴볼 때 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이거나 명백해질 것이다. 모든 그러한 추가적인 시스템들, 방법들, 특징들 및 장점들은 이 설명 내에 포함되고, 본 명세서에서 설명되는 주제의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구항들에 의해 보호되는 것으로 의도된다. 예시적인 실시예들의 특징들은, 첨부된 청구항들에서 그러한 특징들을 명시적으로 언급하지 않는 한, 청구항들을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에 기재된 주제의 구조 및 동작 둘 다에 관한 세부 사항들은 첨부 도면들을 살펴보는 것에 의해 명백할 수 있으며, 첨부 도면들에서 유사한 참조 번호들은 유사한 부분들을 나타낸다. 도면들 내의 컴포넌트들인 반드시 일정한 축척으로 되어 있는 것은 아니며, 그 대신에 본 주제의 원리들을 예시하는 것에 중점을 두고 있다. 더욱이, 모든 예시들이 개념들을 전달하도록 의도되어 있으며, 여기서 상대 크기들, 형상들 및 다른 상세 속성들이 충실하게 또는 정확하게 보다는 개략적으로 예시될 수 있다.
도 1a는 본 개시내용에 따른 중성자 빔 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1b는 BNCT(boron neutron capture therapy)에 사용하기 위한 중성자 빔 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2a는 타깃의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 2B-2B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 2c는 타깃의 다른 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3a는 본 주제에 따른 제1 패턴을 형성하는 빔 경로의 예의 개략도이다.
도 3b 및 도 3c는, 제각기, 타원형 빔 단면 프로파일 및 원형 빔 단면 프로파일을 갖는 예시적인 빔 경로들의 개략도들이다.
도 4a 내지 도 4g는 상이한 방사상 배향들로 반복되는 빔 패턴의 다수의 인스턴스들을 갖는 스캔 프로파일들의 예시적인 실시예들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시내용에 따른 타깃을 포함하는 컴퓨터 모델들의 예들이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 개시내용에 따른 모델링된 열 맵(thermal map)들의 예들이다.
도 7a 내지 도 7f는 RPA(recent path avoidance) 패턴들의 예들이다.
도 8a 및 도 8b는 시뮬레이션된 경계 온도 맵 및 사용량 맵의 예들이다.
도 9a 내지 도 9j는 본 개시내용의 구현들에 따른 시뮬레이션 결과들의 예들이다.
도 10은 본 개시내용의 구현들에 따라 실행될 수 있는 예시적인 프로세스를 묘사하는 플로차트이다.
도 11은 본 개시내용에 따라 구현될 수 있는 예시적인 시스템이다.
도 12는 본 개시내용의 구현들을 실행하는 데 사용될 수 있는 예시적인 컴퓨터 시스템들의 개략적인 예시이다.
다양한 도면들에서의 유사한 참조 심벌들은 유사한 요소들을 가리킨다.

본 주제가 상세하게 설명되기 전에, 설명되는 특정 실시예들이, 물론, 변할 수 있기 때문에, 본 개시가 그러한 실시예들로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 본 개시내용의 범위가 첨부된 청구항들에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 본 명세서에서 사용되는 전문용어가 특정 실시예들을 설명하기 위한 것에 불과하고 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 또한 이해되어야 한다.

"입자"라는 용어는 본 명세서에서 광의적으로 사용되며, 달리 제한되지 않는 한, 전자, 양성자(또는 H+ 이온) 또는 중성자는 물론, 하나 초과의 전자, 양성자 및/또는 또는 중성자(예를 들면, 다른 이온들, 원자들 및 분자들)를 갖는 화학종(species)을 설명하는 데 사용될 수 있다.

빔 시스템(예를 들면, 입자 가속기를 포함함)의 타깃 표면을 따라 있는 또는 빔 시스템과 결합하여 사용되는 빔의 빔 경로들에 대한 시스템들, 디바이스들 및 방법들의 예시적인 실시예들이 본 명세서에서 설명된다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 임의의 유형의 입자 가속기에 대해 또는 입자 가속기에 공급하기 위한 지정된 에너지들의 하전 입자 빔의 생성을 수반하는 임의의 입자 가속기 응용에서 사용될 수 있다. 본 명세서에서의 실시예들은 수많은 응용들에서 사용될 수 있으며, 그 예는 BNCT(boron neutron capture therapy)에서 사용하기 위한 중성자 빔의 생성을 위한 중성자 빔 시스템으로서이다. BNCT는 암 치료를 위해 열외 중성자(epithermal neutron)들(예를 들면, 3 내지 30 킬로전자볼트 내의 에너지 스펙트럼을 가짐)의 빔을 사용한다. 일부 구현들에서, 열외 중성자들(예컨대, 열외 중성자 빔들)은 베릴륨 타깃 또는 리튬 타깃과 양성자들(예컨대, 양성자 빔)의 핵 반응들에 기초하여 생성된다.

양성자 빔은, 탠덤 가속기와 같은, 입자 가속기에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 탠덤 가속기는 단일 고전압 단자를 사용한 하전 입자들의 2-단계 가속을 이용하는 정전기 가속기일 수 있다. 고전압은 가속기의 중심을 향해 가속시키기 위해 들어오는 음전하 이온 빔에 인가되는 전기장을 생성하는 데 사용될 수 있다. 탠덤 가속기의 중심은 전하 교환 프로세스에서 음전하 이온 빔을 양성자 빔으로 변환하도록 구성될 수 있다. 빔 치수, 빔 형상 및 빔 구조와 같은, 양성자 빔의 파라미터들은 타깃의 국부 가열과 관련하여 타깃 사용량을 최적화하도록 변경될 수 있다.

설명의 용이성을 위해, 본 명세서에서 설명되는 많은 실시예들이 BNCT에서 사용하기 위한 중성자 빔을 생성하기 위해 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하는 것과 관련하여 그렇게 행해질 것이지만, 실시예들은 이에 제한되지 않으며, 다른 하전 입자 빔들의 스캔, 중성자 빔들 이외의 빔들의 생성, 및 BNCT 응용들 이외의 용도들에 적용될 수 있다. 타깃 표면에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하는 동안 타깃이 고정(변하지 않는) 위치에 유지될 수 있다. 대안적으로, 양성자 빔이 타깃 표면에 걸쳐 스캔되는 동안 타깃이 이동(예를 들면, 회전)될 수 있다. 이들 접근 방식 둘 다가 본 명세서에서 설명된다. 하전 입자 빔들의 스캔(래스터링)에 관한 실시예들이 주로 고정 타깃과 관련하여 설명되지만; 모든 그러한 실시예들은 타깃이 이동하고 있는 접근 방식에서 사용하도록 구성될 수 있다.

도 1a는 본 개시내용에 따른, BNCT에서 사용하기 위한 시스템(100)의 예시적인 실시예의 개략도를 예시한다. 시스템(100)은 양성자 빔(104)을 생성하도록 구성된 빔 시스템(102) 및 환자(108)를 향하여 지향되는 중성자 빔(106)을 생성하기 위해 양성자 빔(104)에 의해 스캔되는 타깃(196)을 포함한다. 빔 시스템(102)은 하전 입자 소스(122), 저에너지 빔라인(low-energy beamline, LEBL)(190), 가속기(140) 및 고에너지 빔라인(high-energy beamline, HEBL)(150)을 포함한다. 가속기(140)는 저에너지 빔라인(LEBL)(190)에 결합되고, 하전 입자(양성자) 빔을 가속시키도록 구성된다. 고에너지 빔라인(HEBL)(150)은 가속기(140)로부터 하전 입자 빔이 지향될 수 있는 타깃(196)을 하우징하는 타깃 어셈블리(110)로 연장된다. LEBL(190)은 소스(122)로부터 가속기(140)로 빔을 전달하도록 구성된다. 가속기(140)는 빔을 가속시키도록 구성된다. HEBL(150)은 가속기(140)의 출력으로부터 타깃(196)으로 빔(104)을 전달한다. 일부 구현들에서, HEBL(150)은 타깃 어셈블리(110)의 타깃 챔버를 통해 빔(104)을 타깃(196)으로 전달한다. 빔(104)은 음전하 입자 빔 또는 양전하 입자 빔일 수 있다. 타깃(196)은 하전 입자 빔(104)을, 중성 빔과 같은, 다른 유형의 입자 빔(106)으로 변환하는 디바이스일 수 있고, 환자(108)의 조사 타깃과 같은, 유용한 목적을 위해 하전 입자 빔이 지향되는 다른 신체 또는 가공물(workpiece)일 수 있다.

도 1b는 BNCT에서 사용하기 위한 중성자 빔 시스템으로서 구성된 빔 시스템(102)의 예시적인 실시예를 예시하는 개략도이다. 도 1a를 참조하여 설명되는 바와 같이, 빔 시스템(102)은 LEBL의 적어도 일 부분을 형성하는 사전 가속기(pre-accelerator) 시스템(120) - 사전 가속기 시스템(120)은 하전 입자 빔 주입기로서 역할함 - , 사전 가속기 시스템(120)에 결합되는 고전압(HV) 탠덤 가속기(140), 및 HV 탠덤 가속기(140)로부터 중성자 생성 타깃(196)을 하우징하는 중성자 타깃 어셈블리(110)로 연장되는 고에너지 빔라인(150)을 포함한다. 빔 시스템(102)은 물론 사전 가속기 시스템(120)은 또한, 화물 검사 및 응용들과 같은, 다른 응용들에 사용될 수 있으며, BNCT에 제한되지 않는다.

사전 가속기 시스템(120)(본 명세서에서 하전 입자 빔 주입기 또는 이온 빔 주입기라고도 지칭됨)은 이온 소스(122)로부터의 이온 빔을 HV 탠덤 가속기(140)의 입력부(예를 들면, 입력 애퍼처(input aperture))로 전달하도록 구성될 수 있다. 사전 가속기 시스템(120)은 이온 소스(122)(예를 들면, 음이온 소스), 터보 분자 펌프(turbomolecular pump)(124)(예를 들면, 가스를 제거하기 위한 이온 소스 진공 챔버), 사전 가속 튜브(126), 및 펌프 챔버(128)를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 빔 소스(122)는 음이온 소스를 포함할 수 있다. 사전 가속기 시스템(120)은 HV 탠덤 가속기(140)에 필요한 에너지 레벨들로의 빔 입자들의 가속을 제공하고, HV 탠덤 가속기(140)의 입력 애퍼처 또는 입구에서 입력 애퍼처 영역을 매칭시키기 위해 음이온 빔의 전반적인 수렴을 제공하도록 구성될 수 있다. 사전 가속기 시스템(120)은 이온 소스(122)에 대한 손상의 가능성 및/또는 이온 소스(122)의 필라멘트들에 도달하는 역류(backflow)를 감소시키기 위해 역류가 HV 탠덤 가속기(140)로부터 사전 가속기 시스템(120)을 통과할 때 역류를 최소화하거나 디포커싱하도록 구성될 수 있다.

HV 탠덤 가속기(140)는 그에 결합되는 고전압 전원 공급장치(142)에 의해 전력을 공급받는다. HV 탠덤 가속기(140)는 진공 탱크, 전하 교환 타깃, 가속 전극들, 및 고전압 피드스루(high voltage feedthrough)를 포함한다. HV 탠덤 가속기(140)는, 일부 구현들에서, HV 탠덤 가속기(140) 내에 위치된 가속 전극들에 인가되는 전압의 두 배와 일반적으로 동일한 에너지를 갖는 양성자 빔을 생성하기 위해 수소 빔을 가속시킬 수 있다. 양성자 빔의 에너지 레벨은 HV 탠덤 가속기(140)의 입력부로부터 가장 안쪽의 고전위 전극으로 음수소 이온(negative hydrogen ion)들의 빔을 가속시키고, 각각의 이온으로부터의 2 개의 전자를 스트리핑하며, 이어서 역순으로 만나는 동일한 전압들에 의해 결과적인 양성자들을 다운스트림으로 가속시키는 것에 의해 달성될 수 있다.

고에너지 빔라인(150)은 HV 탠덤 가속기(140)의 출력부로부터 환자 치료실로 연장되는 빔라인의 브랜치(170)의 단부에 위치된 중성자 타깃 어셈블리(110) 내의 중성자 생성 타깃(196)으로 양성자 빔을 전달할 수 있다.

빔 시스템(102)은 양성자 빔을 하나 이상의 타깃(196) 및 연관된 타깃 영역들로 지향시키도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 고에너지 빔라인(150)은 다수의 상이한 환자 치료실들로 연장되도록 구성된 다수의(예를 들면, 3 개의) 브랜치(170, 180, 및 190)를 포함한다. 브랜치들(180 및 190)은 브랜치(170)와 유사한 타깃 어셈블리들을 포함할 수 있다. 고에너지 빔라인(150)은 펌핑 챔버(151), 빔의 디포커싱을 방지하기 위한 사중극자 자석들(152 및 172), 빔을 하나 이상의 타깃을 향해 스티어링하기 위한 쌍극자 또는 벤딩 자석들(156 및 158), 빔 보정기들(153), 전류 모니터들(154 및 176)과 같은 진단, 고속 빔 위치 모니터(155) 섹션, 및 스캔 자석(174)을 포함한다.

빔 시스템(102)은 하나 이상의 제어 시스템(1101)을 이용할 수 있으며, 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스(1102)는 빔 시스템(102)(예를 들면, 중성자 빔 시스템(102))의 시스템들 및 컴포넌트들과 상호 작용하기 위해 이 제어 시스템(1101)과 통신할 수 있다. 일부 구현들에서, 컴퓨팅 디바이스(1102)는, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명되는 바와 같이, 래스터 프로파일의 선택을 가능하게 하는 계산 모델을 실행하도록 구성된다. 컴퓨팅 디바이스(1102)는 타깃 스캔 프로세스의 하나 이상의 파라미터의 선택을 포함한 사용자 입력을 수신하도록 구성된다. 파라미터들은 빔 경로, 타깃의 스캔 가능한 표면에 상대적인 성형 빔(shaped beam)의 배향, 빔 단면 프로파일, 및 빔 속도를 포함한 래스터 프로파일을 정의할 수 있다. 파라미터들은, 타깃(196)의 회전(예를 들면, 타깃의 각속도)과 같은, 타깃 특성들을 정의할 수 있다. 래스터 경로는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, (예를 들면, 직교 방향들로만 이동하는 것과 같은) 임의의 특정 빔 경로를 암시하지 않는다. 일부 구현들에서, 컴퓨팅 디바이스(1102)는 센서(121) 또는 열 카메라(123)에 의해 측정되는 실시간 신호를 수신하도록 구성되며, 이 실시간 신호는 타깃(196)의 국부 과열을 방지하기 위해(예를 들면, 국부 온도를 180°C의 리튬 용융 온도 미만으로 유지하기 위해) 적응형 스캔 프로그램(adaptable scanning program)을 사용하여 래스터 프로파일을 실시간으로 조정하는 데 사용된다. 하나 이상의 열 센서(121)는 타깃의 일 부분에 대응하는 국부 온도를 검출할 수 있다. 열 카메라(123)는 타깃(196)의 온도 맵을 생성하기 위해 프로세싱될 수 있는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(1102)는 수신된 입력을 프로세싱하고, 타깃 스캔 프로세스를 제어하기 위해 하나 이상의 제어 시스템(1101)에게 전송되는 스캔 파라미터 세트를 생성하도록 구성될 수 있다.

고에너지 빔라인(150)의 설계는 치료 시설의 구성(예를 들면, 치료 시설의 단층 구성, 치료 시설의 2층 구성 등)에 의존한다. 빔은 벤딩 자석(156)을 사용하여 타깃 어셈블리(110)(예를 들면, 환자(108)가 있는 치료실 근처에 위치됨)에 전달될 수 있다. 이어서 빔을 타깃에서 특정 크기로 포커싱하기 위해 사중극자 자석들(172)이 포함될 수 있다. 빔은 하나 이상의 스캔 자석(174)을 통과할 수 있으며, 이 스캔 자석(174)은 원하는 패턴(예를 들면, 나선형, 굴곡형, 행과 열로 계단형, 이들의 조합들 등)으로 타깃 표면 상으로의 빔의 측면 이동을 제공한다. 빔 측면 이동은 타깃(196) 상의 양성자 빔의 매끄럽고 균등한 시간 평균 분포의 생성을 가능하게 하여, 타깃(196)의 과열을 방지하고 타깃 층(201)(예를 들면, 리튬 층) 내에서 입자(예를 들면, 중성자) 생성을 가능한 한 균일하게 만들 수 있다.

스캔 자석들(174)은 빔 전류를 측정하는 전류 모니터(176)로 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다. 전류 모니터(176)에 의해 측정되는 빔 전류 값은 안전 인터록(safety interlock)을 동작시키는 데 사용될 수 있다. 타깃 어셈블리(110)는 게이트 밸브(177)에 의해 고에너지 빔라인 체적으로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 게이트 밸브(177)의 기능은 타깃 교환/로딩 동안 타깃(196)으로부터 빔라인의 진공 체적을 분리시키는 것이다. 일부 구현들에서, 빔은, 벤딩 자석(156)에 의해 90도만큼 구부러지지 않고, 수평 빔라인에 위치하는 사중극자 자석들(152)에 진입하도록 우측으로 똑바로 지향될 수 있다. 빔은, 설정 요구사항(예를 들면, 환자의 위치 또는 병실 구성)에 따라, 다른 벤딩 자석(158)에 의해 미리 설정된 각도로 구부러질 수 있다. 일부 구현들에서, 벤딩 자석(158)은 빔라인에서의 분할부(split)에 배열될 수 있고, 의료 시설의 동일한 층에 위치하는 2 개의 상이한 치료실에 대해 2 개의 방향 중 하나로 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다.

도 2a는 타깃(196)의 사시도이고 도 2b는 냉각 채널들을 예시하는 타깃(196)의 단면도이다. 이 실시예에서, 타깃(196)은 일반적으로 원형 외측 프로파일을 갖는 디스크 형상이다. 타깃(196)은 일반적으로 기판(203)에 의해 지지되는 하나 이상의 타깃 층(201)을 포함한다. 기판(203)의 측면은 냉각제를 위한 채널들(204)을 포함한다. 중성자들을 생성하기 위해 양성자 빔에 의해 스캔될 수 있는 타깃 층(201)의 표면인 스캔 가능한 표면(210)은 타깃 층(201) 상에 존재한다. 타깃 층(201)은 중성자 플럭스를 생성하기 위해 양성자 빔(104)과 상호 작용하는, 리튬, 베릴륨 또는 다른 적합한 재료의 층과 같은, 중성자 소스 층을 포함한다. 하나 이상의 타깃 층(201)의 두께 및 조성은 양성자 빔의 속성들 및 원하는 중성자 플럭스에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 리튬 기반 타깃 층은 약 10 미크론(μm) 내지 약 400 μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 타깃 층(201)은 열 접합(thermal bond)을 통해 기판(203)에 접착될 수 있다.

기판(203)은 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 티타늄 및/또는 몰리브덴의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 반응성 금속을 포함하는 타깃 층(201)은 기판(203)과 아말감을 형성할 수 있다. 타깃(196)의 특성들(예를 들면, 층 두께, 조성 및 접합 유형)은 타깃 표면당 입자 선량(particle dose)들의 특정 레벨들에서의 블리스터링(blistering)의 시작과 연관된다.

채널들(204)은, 반응에 참여하지 않은 양성자들의 기판(203)에서의 감속(slowing)으로 인한 운동 에너지의 흡수에 의해 생성되는 열을 소산시키기 위해, 시스템(100)의 동작 동안 기판(203)의 배면에 걸쳐 냉각제를 순환시키는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기판(203)의 적어도 일 부분과 접촉하는 유체 챔버로서 냉각제가 제공될 수 있다. 예를 들어, 냉각제 채널들은 기판(203)을 가로지르는 캐핑된 관통 구멍(capped through-hole)들로서 형성될 수 있고, 다양한 상이한 기하형태들(예를 들면, 원형 또는 직사각형 단면들) 및 치수들(예를 들면, 약 0.5 밀리미터(mm) 내지 약 3 mm 범위의 단면 직경들)을 갖는 닫힌 유체 통로(closed fluid passage)들을 규정할 수 있다.

타깃(196)은 지지 구조체(예를 들면, 샤프트(111) 또는 베이스(112))에 의해 지지될 수 있다. 지지 구조체는 타깃(196)을 고정 위치에 유지하도록 또는 타깃(196)을 빔 축에 명목상 수직(nominally perpendicular)인 수직 축(116)을 포함하는 수직 평면에서 시계 방향(114)으로 또는 반시계 방향(CCW)으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 입자 빔(104)은 시간에 따라 변할 수 있는 특정 패턴(예를 들면, 나선형, 굴곡형, 행과 열로 계단형, 이들의 조합들 등)에 따라 타깃(196)을 향하여 동적으로 지향될 수 있다. 패턴은 주어진 주파수로 반복될 수 있다. 일부 구현들에서, 도 3a 내지도 3c, 도 4a 내지 도 4g, 및 도 7a 내지 도 7f를 참조하여 상세히 설명되는 바와 같이, 회전 가능한 타깃(196)의 세그먼트들이 빔(104)에 의해 순차적으로 접촉되어 스캔 패턴을 형성할 수 있도록, 타깃(196) 및 빔(104) 둘 다가 동작 동안 빔 축에 상대적으로 이동한다. 타깃 층(201)(예를 들면, 중성자 소스 층)과 빔(104)의 상호 작용의 결과로서, 빔(106)(예를 들면, 중성자 빔)이 생성되고 (예를 들면, 콜리메이터 또는 다른 빔 성형 구조를 통해) 환자(108)의 치료 영역을 향하여 지향된다.

도 2c는 타깃(196)이 타깃 층(201)과 타깃 기판(203) 사이에 위치하는 중간 층(202)을 포함하는 다른 예시적인 실시예의 단면도이다. 중간 층(202)은 빔의 충돌로 인한 타깃(196) 내에서의 블리스터 형성의 가능성을 감소시킬 수 있다. 중간 층(202)은, 탄탈과 같은, 블리스터링에 내성이 있는 열 전도성 재료들로 구성될 수 있다.

빔 시스템(102)의 동작 동안, 양성자 빔(104)은 타깃(196)의 스캔 가능한 표면(210)으로 지향된다. 과열을 방지하기 위해, 양성자 빔(104)은 표면(210)에 걸쳐 2 개 이상의 방향(예를 들면, X 및 Y)으로 빠른 속도로 이동되며, 이는 스캔이라고 지칭되는 프로세스이다. 빔이 표면(210)에 걸쳐 취하는 경로는 표면(210)에 걸쳐 상이한 위치들에서 발생하는 가열량 및 타깃(196)에 대한 입자 로딩의 상대 차이들을 결정한다. 빔 경로는 타깃(196)을 냉각시키는 시스템의 능력들 및 입자 로딩의 변동들을 견디는 타깃(196)의 능력에 부합될 수 있다.

도 3a는 빔이 표면(210)에 걸쳐 취하는 경로(301)에 의해 형성되는 예시적인 패턴(300)을 묘사하는 개략도이다. 빔 단면의 외측 경계는, 이 예에서 원형인, 단면 프로파일(320)에 의해 나타내어진다. 경로(301)의 패턴(300)은, 빔이 표면(210)의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 이어서 다시 원래대로 외측 영역으로 진행함에 따라 생성되는 다수의 루프들 또는 궤도들을 갖는, 굴곡형이다. 빔 경로(301)는 시작 위치(A) 및 종료 위치(O)를 포함한다. 위치들(A, O)은 동일한 단일 위치 또는 상이한 위치들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 시작 위치 및 종료 위치(A, O)는 동일한 위치일 수 있거나 서로 근접하여 있을 수 있다(예를 들면, 인접한 위치들, 또는 서로 하나의 빔 직경 내의 위치들일 수 있음).

경로(301)는 위치(A)에서 시작하고 화살표(B)로 나타내어진 CCW 방식으로 진행한다. 경로(301)는 화살표들(C, D, E, F, G 및 H)로 나타내어진 바와 같이 내향 나선(inwardly directed spiral) 방식(예를 들면, 반경이 연속적으로 감소함)으로 연속된다. 화살표(H)는 빔 경로 반경이 연속적으로 감소하는 반경으로부터 연속적으로 증가하는 반경으로 전이하는 위치를 표시하는 위치(I)에 도달할 때까지 최소 반경 궤도로 빔 경로(301)가 들어가는 것을 나타낸다. 환언하면, 위치(I)에서, 빔 경로(301)는 표면(210)의 내측 영역으로부터 다시 외측 영역을 향하여 전이하기 시작한다. 화살표(J)는 종료 위치(O)에 도달할 때까지 화살표들(K, L, M 및 N)로 나타내어진 바와 같이 외향 나선(outwardly directed spiral) 방식(예를 들면, 반경이 연속적으로 증가함)으로 반시계 방향 방식으로 위치(I)로부터의 빔(301)의 경로를 나타낸다. 이 지점에서, 경로(301)는 표면(210)의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 다시 외측 영역으로의 전이를 완료하였다. 중심점으로부터 동일한 거리(또는 반경)에 시작 위치와 종료 위치를 갖고 중심점으로부터의 최소 거리(또는 반경)와 중심점으로부터의 최대 거리(또는 반경) 사이를 횡단하는, 중심점을 중심으로 적어도 하나의 궤도를 갖는 경로는 사이클이라고 지칭된다. 시작 위치 및 종료 위치는 최소 거리와 최대 거리 사이(경계 포함)의 임의의 거리에 있을 수 있다. 이 경우에, 단일 사이클은 종료 위치(O)가 실질적으로 시작 위치(A)에 있거나 시작 위치(A)에 인접하도록 닫힌 루프를 형성한다.

패턴(300)은 타깃의 스캔 가능한 표면(210)의 표면 영역의 대부분을 커버할 수 있다. 이 예에서, 빔이 각각의 궤도를 통해 전이할 때 빔에 의해 충돌되는 표면(210)의 영역이 중첩하도록 빔 프로파일(320)이 충분히 크다. 달리 말하면, 빔의 진행 방향에 수직으로 측정되는, 빔 프로파일(320)의 폭은 인접한 궤도들 사이의 거리보다 더 크다. 패턴(300)의 제1 반부(332)가 패턴(300)의 제2 반부(334)의 미러 이미지이도록, 패턴(300)은 축(330)을 따라 대칭이다. 위치(A)로부터 위치(I)로의 경로(301)의 외측으로부터 내측으로의 부분은 위치(I)로부터 위치(O)로의 경로(301)의 내측으로부터 외측으로의 부분의 미러 이미지이다.

경로(301)가, 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 제자리로, CCW 방식으로 전이하는 것으로서 설명되지만, 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 그렇게 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 빔은 내측 영역에서 시작하여, 외측 영역으로 그리고 이어서 다시 내측 영역으로 전이하는 시계 방향(CW) 회전을 따르는 경로(1 사이클)를 활용할 수 있다. 경로(301)는 전체 사이클을 완료하거나, 예를 들어, 내측 영역으로부터 외측 영역으로 또는 그 반대로의 전이를 수반하는 사이클의 일 부분만을 완료할 수 있다.

도 3b 및 도 3c는 상이한 빔 단면 프로파일들을 갖는 상이한 경로들의 예들을 묘사하는 개략도들이다. 도 3b에서, Y 치수보다 더 큰 X 치수를 갖는 타원형(예를 들면, 계란형) 빔 프로파일(342)은 인접한 궤도들의 빔 단면 프로파일들이 접촉하지만 중앙 X 축을 따라 정렬될 때 중첩하지 않도록 크기가 조정된 경로(341)를 따른다. 궤도들 사이에 일정한 간격이 있는 경우, 빔은, Y축을 따라 정렬될 때 가장 분명한 바와 같이, 간극들을 남길 것이다. 최소한의 노출 레벨로 전체 영역을 커버하기 위해, 전체 경로가 X 치수보다 작은 전체 Y 치수를 갖는 프로파일(342)과 유사한 종횡비로 타원형으로 만들어질 필요가 있을 것이다. 도 3c는 원형 단면 프로파일(352)이 경로(351)를 취하는 예를 도시한다. 도 3c에는 간극들이 존재하지 않지만, 궤도들의 양이 더 많다(도 3b에 대한 3.75와 비교하여, 4를 약간 초과함).

도 4a 및 도 4b는 사이클의 방사상으로 시프트된 인스턴스들의 그룹을 형성하기 위해 상이한 방사상 배향들로 여러 번 스캔되는 사이클(405)에 의해 형성되는 스캔(또는 래스터) 프로파일(400)의 예시적인 실시예를 묘사하는 개략도들이다. 이 실시예에서, 사이클(405)의 각각의 인스턴스는 동일한 패턴 및 사이클(405)의 해당 인스턴스의 시작 위치와는 상이한 종료 위치를 갖는다. 도 4a는 시작 위치(A)와 종료 위치(O)가, 이 예에서, 180도만큼 오프셋되는 상이한 위치들에 있는 빔 경로(406)에 의해 형성되는 사이클(405)을 묘사한다. 사이클(405)은 닫힌 루프를 형성하기 위해 상이한 방사상 배향들로 반복하기 위해 회전 가능하거나 클로킹 가능(clockable)하다.

스캔 프로파일(400)이 도 4b에 묘사되어 있다. 여기에서, 스캔 프로파일(400)은 사이클(405)의 2 개의 인스턴스를 포함하며 그들 사이에 180도의 방사상 배향 차이가 있다. 사이클(405)의 제1 인스턴스는 시작 위치(A1), 중간점(I1) 및 종료 위치(O1)가 도 4a에서와 동일한 위치들에 있는 것으로 묘사되는 경로(401)에 의해 도시되어 있다. 사이클(405)의 제2 인스턴스는 시작 위치(A2), 중간점(I2) 및 종료 위치(O2)를 갖는 경로(402)에 의해 도시되어 있다. 경로(402)는 경로(401)와 동일한 형상을 갖지만 180도만큼 회전(또는 클로킹)되었다. 예를 들어, O1이 A1에서 180도 떨어져 종료하도록, A1부터 O1까지의 사이클에 걸쳐 변환된 세타 좌표를 균등하게 전진시키는 것에 의해 순방향 클로킹(clocking forward)이 구현될 수 있다. 경로(401) 상의 모든 위치는 동일한 방사상 양(radial amount)만큼 시퀀스에서의 다음 경로(402) 상의 동일하거나 대응하는 위치로부터 방사상으로 오프셋된다. 위치들(A2, I2 및 O2) 각각은, 제각기, A1, I1 및 O1으로부터 180도인 위치들에 도시되어 있다. 본 명세서에서 설명되는 이 실시예 및 다른 실시예들에서, 사이클들의 클로킹은 CW 또는 CCW 방향으로 수행될 수 있다.

빔이 사이클(405)의 인스턴스로부터 다음 인스턴스로 중단되지 않는 방식으로 이동할 수 있도록, 제1 사이클의 종료 위치(예를 들면, O1)는 바로 후속하는 시프트된 사이클(예를 들면, A2)의 시작 위치에 있거나 이에 인접해 있다. 첫 번째 사이클(예를 들면, 경로(401))의 시작 위치(A1)와 그룹의 마지막 사이클(예를 들면, 경로(402))의 종료 위치(O2)는 실질적으로 동일하거나 서로 인접해 있다. 따라서, 2 개 이상의 방사상으로 시프트된 사이클의 그룹에 의해 형성되는 프로파일은 동일한(또는 인접한) 시작 위치 및 종료 위치를 가지며 닫힌 루프를 형성한다. 동일한 패턴을 각각 갖는 2 개 이상의 사이클의 그룹 - 각각의 사이클은 중심점으로부터 동일한 거리(또는 반경)에 시작 위치와 종료 위치를 가지며, 인접한 사이클들이 함께 연결되어 그룹에 대한 닫힌 루프를 형성할 수 있도록 각각의 사이클은 배향이 회전 가능함 -은 본 명세서에 슈퍼 사이클이라고 지칭된다. 타깃(196)을 스캔하는 것은 제1 방사상 배향으로 제1 사이클을 통해 빔을 이동시키는 것(예를 들면, 경로(401)), 이어서 적어도 한 번 이상 동일한 사이클을 통해 빔을 이동시키는 것(예를 들면, 경로(402))을 수반할 수 있지만 후속하는 사이클은 제1 사이클의 방사상 배향과는 상이한 방사상 배향으로 있다. 이 프로세스는 슈퍼 사이클이 완료될 때까지 반복되며, 슈퍼 사이클이 완료될 때 스캔 프로세스가 반복된다. 스캔 프로세스는 전체 절차, 예를 들면, BNCT 치료가 완료될 때까지 연속적으로 반복될 수 있다.

방사상 배향, 방사상 시프트, 및 방사상 오프셋이라는 용어들은 본 명세서에서 사이클의 기본 형상을 변경하지 않으면서 중심점을 중심으로, 전체적으로, 회전(또는 클로킹)될 수 있는 사이클을 설명하는 데 사용된다. 예를 들어, 도 4a에서, 사이클(405)은 경로(401)에 의해 나타내어진 제1 방사상 배향을 갖는다. 사이클(405)은 이어서 경로(402)에 의해 나타내어진 제2 방사상 배향으로 180도만큼 방사상으로(원주 방향으로) 시프트된다. 사이클(405)의 2 개의 인스턴스(401, 402) 사이의 방사상 오프셋은 180도이다. 특성화는 방사상을 방위각이라는 용어로 대체하는 것에 의해 유사하게 표현할 수 있다(예를 들면, 방위각 배향, 방위각 시프트 및 방위각 오프셋). 예를 들어, 세타의 값은 스캔 가능한 표면의 중심점을 중심으로 방위각의 위치를 정의할 수 있고(시계의 시침과 유사하며, 여기서 3시 위치에서의 방위각은 90도의 세타에 대응하고, 6시에서의 방위각은 180도의 세타이며, 9시에서의 방위각은 270도의 세타인 것 등), 사이클들의 위치들은 세타와 방위각을 참조하여 표현될 수 있다.

도 4c 및 도 4d는 스캔 프로파일(400)의 다른 예를 형성하기 위해 인접한 인스턴스들 사이에 90도의 방사상 배향 차이를 두고 4회 반복되는 사이클(415)을 묘사하는 개략도들이다. 도 4c에서, 사이클(415)은 위치(A1)에서 시작하여 CCW 방식으로 표면(210)의 내측 영역에 있는 중간점(I1)으로, 그리고 이어서 다시 종료 위치(O1)에 있는 외측 영역으로 진행하는 빔 경로(411)에 의해 형성된다. 종료 위치(O1)는 이 프로파일(400)의 사이클들(415) 사이에 존재하는 동일한 방사상 오프셋 양인, 90도만큼 시작 위치(A1)로부터 CCW로 방사상으로 오프셋된다. 도 4d는 시작 위치(A2), 중간점(I2) 및 종료 위치(O2)를 갖는 경로(412)에 의해 나타내어지는 사이클(415)의 제2 인스턴스를 묘사한다. 도 4e는 도 4d와 동일하지만 시작 위치(A3), 중간점(I3) 및 종료 위치(O3)를 갖는 경로(413)에 의해 나타내어진 바와 같이 사이클(415)의 제3 인스턴스가 추가되어 있다. 도 4f는 도 4e와 동일하지만, 스캔 프로파일(400)의 완료된 슈퍼 사이클을 형성하기 위해, 시작 위치(A4), 중간점(I4) 및 종료 위치(O4)를 갖는 경로(414)에 의해 나타내어진 바와 같이 사이클(415)의 제4 인스턴스가 추가되어 있다. 스캔 프로파일(400)의 이 실시예가 사용될 때, 빔은 슈퍼 사이클을 완료하기 위해 경로(411), 이어서 경로(412), 이어서 경로(413), 그리고 이어서 경로(414)를 통해 전이되고, 이 슈퍼 사이클이 이어서 전체 절차에 걸쳐 연속적으로 반복될 수 있다.

도 4g에 의해 예시된 예에서, 스캔 프로파일(400)은 동일한 사이클의 3 개의 인스턴스(421, 422, 423)를 포함하지만 인접한 인스턴스들 사이에 120도의 방사상 배향 차이를 갖는 슈퍼 사이클이다. 도 4g의 사이클은 하나의 닫힌 루프로 3회 반복을 허용하도록 도 4a의 사이클로부터 수정된다. 제2 인스턴스(422)는 제1 인스턴스(421)로부터 120도만큼 CCW로 방사상으로 시프트되고, 제3 인스턴스(423)는 인스턴스(422)로부터 120도만큼 CCW로 방사상으로 시프트된다(인스턴스(421)로부터 240도만큼 CCW로 방사상으로 시프트됨). 위치들(A2, I2 및 O2) 각각은, 제각기, A1, I1 및 O1로부터 CCW로 120도에 있는 위치들에 도시되어 있고, 위치들(A3, I3 및 O3) 각각은, 제각기, A2, I2 및 O5로부터 CCW로 120도에 있는 위치들에 도시되어 있다. 빔은 인스턴스(421), 이어서 인스턴스(422), 그리고 이어서 인스턴스(423)를 통해 전이되어 슈퍼 사이클을 완료한다. 슈퍼 사이클은 전체 절차에 걸쳐 연속적으로 여러 번 반복될 수 있다.

스캔 프로파일(400)의 추가적인 예시적인 실시예들이 또한 구현될 수 있다. 반복된 패턴들(301) 사이의 방사상 오프셋 양은 360도를 패턴 인스턴스들의 수로 나누는 것에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 사이클의 5 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 72도의 방사상 오프셋을 가질 수 있고, 사이클의 6 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 60도의 방사상 오프셋을 가질 수 있으며, 사이클의 7 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 약 51.4도의 방사상 오프셋을 가질 수 있고, 사이클의 8 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 45도의 방사상 오프셋을 가질 수 있으며, 사이클의 9 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 40도의 방사상 오프셋을 가질 수 있고, 사이클의 10 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 36도의 방사상 오프셋을 가질 수 있으며, 사이클의 11 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 약 32.7도의 방사상 오프셋을 가질 수 있고, 사이클의 12 개의 인스턴스를 갖는 프로파일(400)은 인접한 사이클들 사이에 30도의 방사상 오프셋을 가질 수 있는 등이다.

일부 구현들에서, 사이클의 제1 인스턴스의 종료 위치는 사이클의 다음 인스턴스의 시작 위치와 동일하지 않을 수 있거나 심지어 그에 가깝지 않을 수 있다. 예를 들어, 빔은 전체 열 성능 및 입자 로딩에 무시해도 될 정도의 영향을 미치는 상대적으로 빠른 방식으로 간극을 브리징할 수 있다. 빔이 펄싱되는 경우, 빔이 꺼져 있는 동안 펄스들 사이에서 방사상 시프트가 발생할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시예들은 슈퍼 사이클 내에서 동일한 사이클이 여러 번 반복되는 것으로 도시되어 있지만, 사이클 패턴이 동일할 필요는 없으며 방사상 배향으로만 상이하면 된다는 점에 유의해야 한다. 실제로 시스템 내의 오차 한계와 절차 동안의 동작 조건들의 변동들을 고려하면 작은 변화들이 본질적으로 존재할 것이다. 실제로, 본 주제의 범위는 반복된 사이클 패턴들이 똑같지는 않지만, 실질적으로 동일하고, 오차 한계, 동작 조건 변동들, 및 심지어 패턴들에서의 프로그래밍되거나 달리 의도된 비동일성(non-identicality)들에 의해 야기되는 차이들이 있는 실시예들을 커버한다.

일반적으로, 타깃에 대한 빔의 열 영향은 계산 모델을 사용하여 계산적으로 조사될 수 있다. 계산 모델링은 타깃에 대한 입자 로딩의 균일성을 개선시키는 빔 래스터 프로파일들의 선택을 가능하게 할 수 있고/있거나 타깃의 피크 과도 온도를 감소시키는(예를 들면, 최소화하는) 래스터 프로파일의 선택을 가능하게 할 수 있다. 래스터 프로파일은, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명되는 바와 같이, 빔 경로 및 빔 프로파일(예를 들면, 특정 치수를 갖는 원형 또는 타원형 빔)에 의해 특성화될 수 있다. 일부 구현들에서, 래스터 프로파일은 빔 스캔 속도를 정의할 수 있다.

계산 모델은, 빔의 크기 및 형상과 같은, 여러 빔 파라미터들 중 하나 이상을 변화시키는 것의 타깃에 대한 영향의 조사를 가능하게 할 수 있다. 게다가, 빔의 열 영향은 하나 이상의 성능 지수(예를 들면, 피크 온도, 온도 변화, 평균 온도)를 계산하는 것에 의해 평가될 수 있고, 성능 지수에 수치 분석을 적용하는 것은 계산 모델이 빔의 래스터 프로파일을 최적화하는 데 사용될 수 있게 할 수 있다.

일반적으로, 계산 모델은 타깃을 둘러싸는 메시 공간을 생성하는 것을 수반할 수 있다. 계산 모델은, 타깃(196)의 가열(온도 맵)이 모델링될 수 있는 3차원 그리드로 구성되는 메시를 예시하는, 도 5a 및 도 5b에 예시되어 있다. 온도 값들은 각각의 "픽셀"(예를 들면, 도 5a에 도시된 그리드의 각각의 x-y 정사각형)에서 1차원 열 전달 방정식을 푸는 것에 의해 모델링된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, Z 방향으로, 픽셀의 깊이를 통한 열 전달에 대해 1차원 열 전달 방정식(u_t=c²u_xx, 상수 c를 열 확산율(thermal diffusivity)로서 사용하여 픽셀에서의 온도를 정의함)을 푼다. 열이 Z 방향으로만 수평으로 이동하여, 1D 접근 방식을 사용될 수 있게 하도록, 픽셀들 사이의 크로스토크 또는 픽셀들 사이의 측면 열 전도는 무시해도 될 정도인 것으로 가정된다. 빔은, 입사 빔에 대응하는, 각각의 픽셀 내로의 특정 깊이에 대해 열의 전파를 생성하는 것으로 간주된다(예를 들면, 빔 에너지의 약 25%가 리튬 층을 통해 균등하게 퇴적되고 나머지 에너지는 구리의 제1 요소에 퇴적됨). 픽셀의 깊이에 걸쳐 조성 변화들이 고려된다. 1차원 열 전달 미분 방정식을 풀기 위한 임의의 적합한 계산 접근 방식이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수치적 접근 방식들은 유한 요소 접근 방식 및 유한 차분 접근 방식을 포함할 수 있다. 유한 요소 기법과 유한 차분 기법 중 어느 하나에 대해, 타깃(196)은 (도 5a에 예시된 바와 같이) 평면도(550)에서 그리드(556)의 일 부분으로서 나타내어질 수 있다. 그리드의 크기는 변할 수 있으며, 타깃의 크기, 빔 크기, 및 원하는 계산 효율성 및 결과 정확도에 기초하여 선택될 수 있다. 일반적으로, 보다 작은 크기가 보다 정확한 해답들을 제공할 수 있지만 계산 비용이 들 수 있다. 도 5a에 도시된 현재 예에서, 그리드(556)는 36×36 픽셀들(셀들)을 포함하지만, 일반적으로 픽셀들의 수는 10³ 내지 10⁵ 또는 그 이상의 범위 내에 있을 수 있다.

일반적으로, 그리드는 각각의 차원에서 동일한 단위 셀 크기를 가질 수 있거나 각각의 차원에서의 크기가 상이할 수 있다. 연구 중인 시스템의 물리적 능력들에 따라 상이한 크기 및 구조의 빔들을 모델링하는 능력을 제공하도록 분해능이 선택될 수 있다.

도 5b는 도 2a에 예시된 타깃(196)의 타깃 측면 뷰(530)의 모델의 예이다. 타깃 측면 뷰(530)의 모델은 도 2b 및 도 2c를 참조하여 설명된 층들(201, 202, 203)에 대응할 수 있는 다수의 층들을 포함한다. 일부 구현들에서, 층들은 수치 그리드(numerical grid)(556)의 픽셀들에 의해 정의되는 두께를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 타깃 층(201)의 경계는 진공에 대응하는 것으로서 모델링되고 타깃 기판(203)의 경계는 냉각제 유체(예를 들면, 물)에 대응하는 것으로서 모델링되어, 1차원 열 전달 방정식의 경계 조건들을 정의한다.

도 6a 내지 도 6d는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명되는 모델을 사용하여 시뮬레이션된 열 맵들의 예들을 도시한다. 도 6a 및 도 6b는, 제각기, 10 mm 및 20 mm 빔 크기들에 대해 위에서 설명된 바와 같은 계산 모델을 사용하여 결정되는 시뮬레이션된 열 맵들(610, 620)의 예들을 도시한다. 도 6c 및 도 6d는, 제각기, 10 mm 및 20 mm 빔 크기들에 대해 ANSYS® 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 결정되는 시뮬레이션된 열 맵들(630, 640)의 예들을 도시한다. 시뮬레이션된 열 맵들(610, 620)을 생성하는 데 사용되는 모델은 임의의 래스터 프로파일과 조합하여 임의의 주어진 빔 프로파일에 기초하여 표면 입자 로딩을 추적하는 과도 코드(transient code)에 기초한다. 이 모델은 3차원 열 전달 코드 ANSYS®를 검증으로서 사용하여 계산되는 과도 모델(transient model)에 대해 벤치마킹되었다.

120Hz의 스캔 주파수의 가정에 기초하여 계산되는 시뮬레이션된 열 맵들(610, 620, 630, 640)의 전체 프로파일은 일반적으로 10 mm 및 20 mm 빔 크기들 둘 다에 대해 매칭한다. 예를 들어, 도 6a와 도 6c는 둘 다 10 mm 양성자 빔의 중심에 대응하는 뚜렷한 열 최댓값(heat maximum)을 갖는 표면 온도 분포를 보여준다. 가장 높은 평균 리튬 표면 온도는 이 모델에 의해 결정된 바와 같은 284℃였으며 ANSYS® 모델에 의해 결정된 바와 같은 299℃였다. 10 mm 양성자 빔의 중심으로부터 10 mm 양성자 빔의 가장자리까지의 온도 강하는 이 모델에 의해 결정된 바와 같은 162.7℃ 및 ANSYS® 모델에 의해 결정된 바와 같은 177.7℃를 기록했다. 도 6b 및 도 6d는 둘 다 20 mm 양성자 빔에 대응하는 분산된 표면 온도 분포를 보여준다. 가장 높은 평균 리튬 표면 온도는 이 모델에 의해 결정된 바와 같은 177℃였으며 ANSYS® 모델에 의해 결정된 바와 같은 184℃였다. 20 mm 양성자 빔의 중심으로부터 20 mm 양성자 빔의 가장자리까지의 온도 강하는 이 모델에 의해 결정된 바와 같은 55.7℃ 및 ANSYS® 모델에 의해 결정된 바와 같은 63.3℃를 기록했다. 계산된 온도 값들 중 일부가 리튬에 대한 허용 한계(acceptance limit)를 초과한다는 사실이 이 모델의 유효성을 훼손하지 않는다.

표 1은 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명된 모델을 사용하여 그리고 ANSYS® 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 결정된 바와 같은 예측된 온도 변화(ΔT) 및 피크 온도(T_max) 사이의 비교를 가능하게 하는 가열 맵 시뮬레이션 결과들을 보여준다. 개발된 모델의 신뢰성을 결정하기 위해 계산 비용이 많이 드는 ANSYS® 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 결정되는 값들과 관련하여 모델링된 값들 사이의 상관관계를 결정하기 위해 데이터가 일반적으로 분석되었다. 이 모델의 신뢰성은 열 결과들의 차이에 의해 반영된다. 2 개의 결과 세트 사이에서 약 10%의 온도 상승 차이가 발견되었으며, 이는 이 모델과 과도 ANSYS® 모델 사이의 일치를 나타낸다.

도 3a 내지 도 5g에 도시된 래스터 패턴들로부터 명백한 바와 같이, 각각의 패턴에는 빔 경로가 교차하는 수많은 점들이 있다. 각각의 교차점은 타깃 표면이 각각의 슈퍼 사이클에 대해 한 번만 노출되는 위치들보다 훨씬 더 높은 입자 플럭스(예를 들면, 두 배)에 노출되는 위치이다. 교차점을 지나는 연속적인 통과들 사이의 시간이 상대적으로 길고 제1 통과로부터의 열이 제2 노출 이전에 충분히 소실될 수 있는 경우, 제2 노출과 연관된 증가된 선량이 교차점에서의 과도한 가열을 결과하지 않을 수 있다. 그렇지만, 교차점이 상대적으로 짧은 기간에 두 번 노출되는 경우, 이러한 교차점들은 허용할 수 없을 정도로 높은 열 부하들의 위치들일 수 있다. 그에 따라, 일부 구현들에서, 위에서 설명된 계산 모델들은 빔의 다수의 통과들을 연달아 경험하는 교차점들의 수를 감소시키는 경로들을 결정하는 것에 의해 타깃에 대한 열 부하를 감소시키는 데 사용될 수 있다.

예를 들어, 문턱 시간 기간 - 문턱 시간 기간 미만에서는 해당 타깃 위치의 과도한 가열이 발생할 수 있음 - 내에서 최근에 횡단된 빔 경로를 교차하는 것을 방지하도록 래스터 프로파일의 파라미터들을 변화시키기 위해 계산 모델이 사용될 수 있다. 도 7a 내지 도 7f는 그러한 RPA(recent path avoidance) 전략들을 설명하는 데 유익한 래스터 패턴들의 예들을 묘사하는 개략도들이다. 일부 구현들에서, RPA 패턴은 반복 프로세스에 기초하여 결정될 수 있다. 반복 프로세스는, 주어진 시간 (t)에 대한 (x(t), y(t)) 위치로서 정의되는, 트로코이드 형상으로 시작할 수 있다. 반경들(r ₁ , r ₂) 및 주파수들(ω ₁ , ω ₂)에 대해, 기본 트로코이드(basic trochoid)는 시간 t에 따라 다음 방정식들을 따른다:

외측 반경(r _max ) 및 내측 반경(r _min )을 갖는 L-로브(L-lobed) 트로코이드의 경우, 반경들 및 주파수들에 대한 값들은 다음과 같다:

최대 반경 값(r _max )이 빔 폭과 실질적으로 동일하고 최소 반경 값(r _min )이 빔 폭의 1/2과 실질적으로 동일한 반경은 균일한 강도의 빔에 대해 양호한 결과들을 제공할 수 있다. r _max 및 r _min 에 대한 최적 값들은 최적화 알고리즘들과 열 시뮬레이션 코드를 통해 발견될 수 있다.

t를 스티어링 자석들의 능력들과 타깃 연소 위험에 기초하여 변화될 수 있는 시간으로 설정하는 것은 래스터가 움직이는 속도를 결정한다. 예를 들어, 높은 래스터 속도는 스티어링 자석들의 능력을 초과할 수 있거나 낮은 래스터 속도는 타깃의 연소로 이어질 수 있다(특정 방사선 선량에 너무 오래 노출된 경우). 모든 수정된 트로코이드 래스터 프로파일들에 대해, 속도가 거의 일정하게 유지되도록 다음 빔 위치가 계산된다. 빔 위치에 기초하여 속도를 변화시키는 것은 개선을 위한 다른 루트를 제공할 수 있다. 최적의 속도 프로파일은, 도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명되는 바와 같이, 열 시뮬레이션 코드에 의해 생성되는 결과들에 대해 머신 러닝 알고리즘을 트레이닝시키는 것에 의해 발견될 수 있다.

일정 속도(constant-velocity) 트로코이드 패턴은 타깃 사용량에서는 양호한 결과들을 제공할 수 있지만 과열로 이어질 수 있다. 예를 들어, 트로코이드 경로가 각각의 로브를 연속적으로 따라가기 때문에 트로코이드 패턴은 상당히 높은 주파수로 타깃의 중심을 방문한다. 가열 문제를 해결하기 위해, 각각의 로브를 따라 경로를 연속적으로 따라가는 대신에, ω = (L - 1) 번째 로브 순서(lobe order)가 사용되도록 래스터 패턴이 수정될 수 있다. 이 순서로 로브들을 방문하는 것은 로브들 사이에서 중심에 냉각될 추가적인 시간을 제공한다. RPA(Recent Path Avoidance) 래스터라는 이름은 이로부터 유래하는데, 그 이유는 최근에 방문한 경로들이 회피되어, 빔이 자신의 최근 경로와 교차하는 데 걸리는 시간을 늘리기 때문이다. L의 일부 값들의 경우, 매 ω = (L-1) 번째 로브들마다보다 더 빈번히 로브를 취하는 것이 최적일 수 있다. 시스템의 물리적 파라미터들(빔 프로파일, 타깃 형상, 타깃 재료 등)에 따라 로브들의 총수(L)와 서로소(coprime)인 임의의 로브 주파수(ω)가 효과가 있을 수 있다. 로브 주파수(ω)의 선택은, 머신 러닝 알고리즘을 사용하는 것과 같은, 계산 기법들을 통해 최적화될 수 있다.

일부 구현들에서, 래스터 경로가 매 (L-1) 번째 로브만을 따르도록 할 수 있는 필터를 생성하기 위해 그리고 다른 방식으로 타깃의 중심이 냉각될 시간을 주기 위해 r_max 값을 따르기 위해 래스터 경로는 r₁ 및 r₂의 수정을 포함한다.

예를 들어, 초기 RPA 래스터(RPA 1)는 다음과 같은 반경들과 주파수들을 포함할 수 있다:

지수 E는 10 초과 1000 미만(10 < E < 1000)일 수 있다. 지수 E의 정확한 값은 다수의 인자들에 의존할 수 있다. 예를 들어, 래스터가 외주부 주위에서 진동하게 하여 빔이 타깃을 놓칠 수 있게 되는 것을 방지하기 위해, E는 필터를 위한 잘 정의된 창을 제공할 수 있을 정도로 충분히 크게 설정될 수 있다. E는 로브들이 너무 좁게 되어 타깃을 과열시키는 매우 작은 창을 정의하는 문턱 값보다 작게 설정되어야 한다. 일부 구현들에서, E = 100 · (L - 3)(L은 4 이상 8 이하(4 ≤ L ≤ 8)임)이도록 E가 설정될 수 있다.

RPA-1은 가열을 최소화하는 데는 아주 효과가 있지만, 타깃의 영역을 충분히 활용하지 못할 수 있다. RPA-1은 RPA-2를 개발하는 데 사용될 수 있는데, RPA-2는, 충분히 사용되지 않는 영역을 채울 수 있는 L 개의 로브의 다른 세트를 정의하기 위해, r₁에 다른 항을 추가한다. RPA 2는 다음과 같은 반경들과 주파수들을 사용한다:

계수 r은 r _min 초과 반경 한계들(r _max 와 r _min ) 사이의 차이 미만(r_min < r < r_max r _min )일 수 있다. 지수 E는 100 초과 10000 미만일 수 있다. 계수 r과 지수 E의 정확한 값들은 열 시뮬레이션과 최적화 알고리즘을 사용하여 최적화할 수 있다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 추가적인 래스터(RPA-N)가 r₁에 항들을 추가하는 것에 의해 결정될 수 있으며, 각각의 새로운 항은 타깃 가열 및 타깃 사용량 변화를 최소화하도록 최적화될 수 있다.

도 7a는 빔을 (정적 또는 회전) 타깃을 향하여 지향시키는 것에 의해 생성될 수 있는 트로코이드 래스터 패턴(700)의 예를 예시한다. 트로코이드 래스터 패턴(700)은, 도 10을 참조하여 설명되는 바와 같은, 반복 프로세스를 위한 초기 래스터 패턴으로서 사용될 수 있다. 트로코이드 래스터 패턴(700)은 다수의 로브들(702, 704, 706, 708)(예를 들면, 도 7a에 예시된 바와 같은 4 개의 로브)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 내측 반경(701) 및 외측 반경(703)에 대한 값들은 최적화 알고리즘들을 통해 그리고 도 5a 및 도 5b를 참조하여 위에서 설명된 열 시뮬레이션 코드를 사용하는 것에 의해 발견될 수 있다. 트로코이드 래스터 패턴(700)은 빔 경로가 교차하는 다수의 빔 교차점들(705a, 705b, 705c, 705d, 705e, 705f, 705g, 705h, 705i, 705j, 705k, 705l, 705m, 705n)을 포함한다. 예를 들어, 트로코이드 래스터 패턴(700)의 시작점(705)을 고려하면, 제1 빔 교차점은 705a이고, 제2 빔 교차점은 705b이며, 제3 빔 교차점은 705c이고, 제4 교차점은 705d이며, 제5 교차점은 705e이다.

도 7b는 수정된 래스터 패턴(710)의 예를 예시하며, 여기서 로브들(702, 708, 706, 704)의 순서는 빔 경로가 교차하는 지점들의 냉각 기간을 연장하도록 수정되어, RPA(recent path avoidance) 패턴을 생성한다. 후속하는 빔 교차점들 사이의 시간 지속기간은 각자의 연속적인 교차점들 사이에서 빔에 의해 횡단되는 호 길이에 정비례한다. 예를 들어, 수정된 래스터 패턴(710)의 시작점(705)을 고려하면, 제1 교차점은, 트로코이드 래스터 패턴(700)의 제1 교차점(705a)에 대응하는 호 길이보다 더 긴 호 길이와 연관된, 705g이다.

일부 구현들에서, RPA 패턴은, 도 7c 내지 도 7f를 참조하여 설명되는 바와 같이, 타깃의 충분히 사용되지 않는 영역들을 채우기 위해 추가로 수정될 수 있다.

도 7c 내지 도 7f는 스캔 프로파일의 전체 슈퍼 사이클을 형성하기 위해 여러 번(예를 들면, 4 번) 반복되는 RPA(recent path avoidance) 패턴들(720)의 예들을 묘사하는 개략도들이다. 도 7c는 RPA 패턴의 제1 사이클(722)을 예시한다. 722A에서 시작하여 722O에서 종료하는 RPA 패턴(720)의 제1 사이클(722)은 빔 경로가 교차하는 다수의 빔 교차점들(725a, 725b, 725c, 725d)을 포함한다. 예를 들어, RPA 패턴(720)의 제1 사이클(722)의 시작점(722A)을 고려하면, 제1 빔 교차점은 725a이고, 제2 빔 교차점은 725b이며, 제3 빔 교차점은 725c이고, 제4 교차점은 725d이다.

도 7d는 RPA 패턴의 제1 사이클의 완료 후에 수행될 수 있는 RPA 패턴(720)의 제2 사이클(724)을 예시한다. 724A에서 시작하여 724O에서 종료하는 RPA 패턴(720)의 제2 사이클(724)은 빔 경로가 교차하는 다수의 빔 교차점들(735a, 735b, 735c, 735d)을 포함한다. 예를 들어, RPA 패턴(720)의 제2 사이클(724)의 시작점(724A)을 고려하면, 제1 빔 교차점은 735a이고, 제2 빔 교차점은 735b이며, 제3 빔 교차점은 735c이고, 제4 교차점은 735d이다.

도 7e는 RPA 패턴(720)의 처음 2 개의 사이클(726)을 예시한다. RPA 패턴(720)의 처음 2 개의 사이클(726)은 제1 사이클(722)의 빔 교차점들(725a, 725b, 725c, 725d), 제2 사이클(724)의 빔 교차점들(735a, 735b, 735c, 735d) 및 제2 사이클(724)의 경로가 제1 사이클(722)의 경로와 교차하는 빔 교차점들(745a, 745b, 745c, 745d, 745e, 745f, 745g, 745h, 745i, 745j, 745k, 745l, 745m)을 포함한다.

도 7f는 RPA 패턴(720)의 전체 슈퍼 사이클(728)을 예시한다. RPA 패턴(720)의 전체 슈퍼 사이클(728)은 각각의 사이클의 빔 교차점들(예를 들면, 제1 사이클(722)의 빔 교차점들(725a, 725b, 725c, 725d), 제2 사이클(724)의 빔 교차점들(735a, 735b, 735c, 735d)) 및 하나의 사이클의 경로가 다른 사이클의 경로와 교차하는 빔 교차점들을 포함한다.

RPA 패턴(720)의 각각의 사이클은 대응하는 사이클(722A, 724A)의 시작 위치로부터 떨어진 종료 위치(722O, 724O)를 포함한다. 사이클의 종료 위치(예를 들면, 제1 사이클의 종료 위치(722O))는 후속하는 사이클의 시작 위치(예를 들면, 제2 사이클의 시작 위치(724A))에 대응한다. 도 7f에 예시된 바와 같이, RPA 패턴(720)은, 위치(722A)에서 시작하여 4 개의 사이클(도 7e에 예시된 처음 2 개의 사이클(726)을 포함함)을 따라 CCW 방식으로 진행하고, 이어서 다시 시작 위치(722A)로 진행하는, 빔 경로(728)에 의해 형성된다. 도 7f에 예시된 예시적인 RPA 패턴(720)은 루프를 닫기 위해 단일 전체 슈퍼 사이클에 기초하여 닫힌 패턴을 형성하는 4 개의 사이클을 갖는 래스터 프로파일을 형성한다.

도 8a 및 도 8b는 일정한 속도로 RPA 패턴을 따르는 연속 경로에 대한, 도 7b를 참조하여 설명된 RPA 패턴을 사용하는 타깃 스캔에 대응하는 시뮬레이션된 경계 온도 맵(802) 및 시뮬레이션된 타깃 사용량 맵(804)의 예들을 도시한다. 경계 온도 맵(802)은, 가장 뜨거운 측정된 또는 모델링된 온도를 갖는 최고 에너지 퇴적 층으로서 경계를 식별하는 중성자 모델들을 고려하여, 타깃의 리튬 층과 구리 층 사이의 경계를 정의한다. 타깃 사용량 맵(804)은 RPA 패턴을 사용하여 타깃을 향하여 지향되는 양성자 빔에 의한 조사에 응답하여 타깃의 각각의 부분(픽셀)에 의해 리튬이 얼마나 소비되는지를 나타낸다.

도 8a에 의해 예시된 바와 같은, 시뮬레이션된 경계 온도 맵(802)은, 도 8b의 시뮬레이션된 타깃 사용량 맵(804)에 의해 예시된 바와 같이, 가장 많이 사용된 셀들에 대응하는 원형으로 분산된 열 최댓값들을 포함한다. 시뮬레이션된 경계 온도 맵(802) 내의 최고 피크 온도는 150℃ 미만이었다. 시뮬레이션된 경계 온도 맵(802) 내의 타깃 표면에 걸친 온도 변화는 약 40℃였다. 시뮬레이션된 경계 온도 맵(802) 및 시뮬레이션된 타깃 사용량 맵(804)은 RPA 패턴을 사용하여 타깃을 스캔하는 것이 블리스터들 또는 기포들을 통한 타깃 손상을 방지하는 데 효율적임을 나타낸다.

과도 코드를 사용한 추가적인 모델링은 타깃 성능을 평가하기 위한 여러 성능 지수들을 제공한다. 성능 지수들은, 피크 온도, 온도 변화, 평균 온도, 사용 효율, 공칭 주파수 및 빔 형상을 포함한다. 피크 온도는 임의의 시간에 타깃에서 발견되는 최대 온도를 포함한다. 온도 변화는 임의의 시간에 타깃에서 발견되는 최대 온도에서 초기 타깃 온도를 뺀 값을 포함한다. 평균 온도는 타깃 내의 모든 셀들의 온도들의 평균이다. 사용 효율은 타깃 내의 셀들의 총수에 따라 정규화된, 총 타깃 빔 플럭스를 최대로 사용된 셀의 사용량으로 나눈 값을 포함한다. 하나의 슈퍼 사이클 또는 여러 번(예를 들면, 4 번) 반복되는 슈퍼 사이클들에 응답하여, 타깃 성능을 평가하기 위해 과도 코드를 사용하는 모델링의 결과들이 표 2에 포함되어 있다.

도 9a 내지 도 9j는 타깃 가열과 타깃 사용량을 비교하기 위해 다수의 빔 프로파일들에 대한 시뮬레이션 결과들의 예들을 도시한다. 각각의 시뮬레이션은 상이한 빔 프로파일들 자체에 의해 야기되는 변화를 강조하기 위해 래스터 패턴(300)을 사용한다. 도 9a 및 도 9b는, 제각기, 120 Hz의 주파수를 갖는 20 mm 원형(중공이 아님) 빔에 대한 시뮬레이션된 열 맵(902) 및 시뮬레이션된 사용량 맵(904)을 도시한다. 도 9c 및 도 9d는, 제각기, 120 Hz의 주파수를 갖는 10 mm 원형(중공이 아님) 빔에 대한 시뮬레이션된 열 맵(906) 및 시뮬레이션된 사용량 맵(908)을 도시한다. 도 9e 및 도 9f는, 제각기, 120 Hz의 주파수를 갖는 15 mm x 25 mm 타원형(중공이 아님) 빔에 대한 시뮬레이션된 열 맵(910) 및 시뮬레이션된 사용량 맵(912)을 도시한다. 도 9g 및 도 9h는, 제각기, 120 Hz의 주파수를 갖는, 10 mm 구멍을 갖는 20 mm 환형(중공) 빔에 대한 시뮬레이션된 열 맵(914) 및 시뮬레이션된 사용량 맵(916)을 도시한다. 도 9i 및 도 9j는, 제각기, 240 Hz의 주파수를 갖는 10 mm 원형(중공이 아님) 빔에 대한 시뮬레이션된 열 맵(918) 및 시뮬레이션된 사용량 맵(920)을 도시한다.

표 3은 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명된 모델을 사용하여 결정된 바와 같은 사용 비율(percentage of usage)과 피크 온도(T_max) 사이의 비교를 가능하게 하는 다수의 빔 프로파일들 및 래스터 패턴들에 대한 시뮬레이션 결과들을 보여준다. 최적의 빔 프로파일들과 래스터 패턴들을 결정하기 위해 데이터가 일반적으로 분석되었다. 예를 들어, 도 9a 및 도 9c에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들은 20 mm 빔이 전반적으로 균일한 온도 분포를 나타낸다는 것을 보여주었다. 도 9b 및 도 9d에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들은 10 mm 빔이, 특히 가장자리들 근처에서, 보다 균일한 사용량을 나타낸다는 것을 보여주었다. 도 9e 및 도 9f에 예시된 바와 같은, 타원형 빔에 대응하는 시뮬레이션된 열 맵(910) 및 사용량 맵(912)은, 제각기, 타원형 빔의 장축의 배향을 따라 증가된 커버리지를 보여준다. 도 9e 및 도 9f에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들을 도 9a 및 도 9b에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들과 비교하는 것은 원형 빔과 거의 동일한 면적을 갖는 타원 형상의 빔이 원형 빔보다 덜 균일한 온도 및 사용량 분포들을 생성한다는 것을 나타낸다. 도 9g 및 도 9h에 예시된 바와 같은, 환형 빔에 대응하는 시뮬레이션된 열 맵(914) 및 사용량 맵(916)은, 제각기, 불균일한 방사상 분포를 갖는 감소된 주변 커버리지를 보여준다. 도 9g 및 도 9h에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들을 도 9a 및 도 9b에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들과 비교하는 것은 구멍을 갖는 임의의 종류의 빔을 사용하는 것이 효율을 감소시키고 타깃에 걸친 보다 불균일한 온도 분포를 생성한다는 것을 나타낸다. 도 9i 및 도 9j에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들을 도 9a 및 도 9b에 예시된 바와 같은 시뮬레이션들의 결과들과 비교하는 것은 240 Hz 빔을 사용하는 것이 타깃에 걸친 보다 균일한 온도 분포 및 유사한 타깃 사용량을 생성한다는 것을 나타낸다.

도 10은 본 개시내용의 구현들에 따라 실행될 수 있는 예시적인 프로세스(1000)를 묘사하는 플로차트이다. 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하기 위한 다양한 가능한 래스터 프로파일들이 확립된다(1002). 각각의 래스터 프로파일은 타깃의 상이한 스캔 패턴을 정의한다. 각각의 스캔 패턴은 루프를 닫기 위해 하나 이상의 사이클에 기초하여 타깃 표면 상에 닫힌 경로를 형성하는 다수의 슈퍼 사이클들을 포함한다. 스캔 패턴은 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명된 바와 같은 RPA 패턴(예를 들면, 다수의 로브들을 포함하는 트로코이드 형상) 또는 위에서 설명된 다른 스캔 패턴들을 포함할 수 있다. 스캔 패턴은 하나 이상의 경로 파라미터에 의해 특성화될 수 있다. 일부 구현들에서, 파라미터들은 다음과 같은 파라미터들, 양성자 빔의 경로의 각각의 로브와 연관된 각주파수, 타깃의 표면에 걸친 양성자 빔의 선속도, 양성자 빔의 경로의 슈퍼 사이클에서의 방사상 스캔 층들의 수, 로브들의 횡단 순서, 및 양성자 빔의 경로의 슈퍼 사이클들의 수 중 하나 이상을 포함한다. 양성자 빔의 각주파수와 각속도는 RPA 패턴의 상이한 로브들에 대해 변할 수 있다. 로브들의 횡단 순서는 순방향 순서, 역방향 순서 또는 서로소 순서일 수 있다. 경로 파라미터들은 타깃에 걸친 양성자 빔의 경로를 특성화한다. 선택된 래스터 프로파일의 경로 파라미터들은 타깃 손상을 최소화하기 위해 양성자 빔에 대한 타깃의 단일 위치의 연속적인 노출들 사이에 (문턱 기간을 초과하는) 최소 지연을 갖는 양성자 빔에 대한 경로를 정의한다. 일부 구현들에서, 가능한 래스터 프로파일들은 이미징 데이터(예를 들면, 타깃의 열 맵들)에 기초한 실시간 측정들에 기초하여 형성될 수 있는 마스킹된 프로파일을 포함한다. 마스킹된 프로파일은 타깃의 스캔 가능한 영역의 약한 영역들(예를 들면, 용융점 근처까지 가열된 영역들) 또는 손상된 영역들을 포함하는 타깃의 부분들을 피하도록 구성된 스캔 프로파일을 정의할 수 있다.

스캔 패턴 외에도, 래스터 프로파일들 각각은 하나 이상의 빔 파라미터에 대한 설정들을 포함한다. 빔 파라미터들 각각은 양성자 빔의 속성을 특성화한다. 빔 파라미터들은 다음과 같은 파라미터들, 빔 치수(예를 들면, 원형 빔의 직경), 빔 형상 및 빔 구조 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 빔 치수는 10 mm 내지 30 mm의 범위에 있다. 빔 형상에 따라 X 및 Y 방향에서의 정규화 계수로 래스터 프로파일들이 수정될 수 있다. 빔 형상은 원형 또는 타원형일 수 있다. 빔 형상이 타원형인 경우, 빔이 외측 경계를 벗어나 스캔하지 않도록 빔이 가장 큰 방향으로 스캔 반경을 낮추는 것에 의해 스캔이 효과적으로 변하도록 수정될 수 있다. 빔의 구조는 빔의 단면에 걸친 빔 강도 분포를 지칭한다. 일부 구현들에서, 이 분포는 실질적으로 일정하거나 가우시안일 수 있다. 특정 구현들에서, 이 분포는, 환형 빔 구조에 대해서와 같이, 하나 초과의 피크를 가질 수 있다.

타깃을 특성화하는 하나 이상의 타깃 파라미터가 또한 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여 확립된다(1004). 예를 들어, 타깃 파라미터들은, 타깃 표면적, 타깃 두께, 및/또는 타깃 조성을 포함할 수 있다.

가능한 빔 래스터 프로파일들 각각에 대해 성능 지수의 값이 계산된다(1006). 일반적으로, 성능 지수는 대응하는 가능한 래스터 프로파일에 대한 양성자 빔에 의한 타깃의 열 부하에 기초한다. 일부 구현들에서, 성능 지수에 대한 값들을 계산하는 단계는, 가능한 래스터 프로파일들 각각에 대해, 타깃의 복수의 개별 부분들 각각에서의 열 부하를, 열 부하와 대응하는 래스터 프로파일에 대한 각각의 개별 부분에서의 양성자 플럭스 사이의 선형 관계에 기초하여 계산하는 단계를 포함한다. 일부 구현들에서, 각각의 개별 부분은 양성자 빔의 치수보다 작은 양성자 빔의 경로에 있는 타깃의 표면의 면적에 대응한다. 일부 구현들에서, 각각의 개별 부분에서의 열 부하는 양성자 빔이 입사되는 타깃의 표면으로부터 멀어지는 타깃의 깊이를 통한 열 전달에 기초하여 계산된다. 일부 구현들에서, 성능 지수는 타깃의 피크 온도, 타깃의 온도 변화, 타깃의 평균 온도 및 타깃의 사용 효율로 구성된 그룹으로부터 선택된다.

성능 지수의 값에 기초하여 그리고 타깃의 측정된 속성에 기초하여 가능한 래스터 프로파일들 중으로부터 래스터 프로파일이 선택된다(1008). 일부 구현들에서, 래스터 프로파일의 선택은 가능한 래스터 프로파일들의 목록을 양성자 빔의 조작자에게 제시하는 것 및, 컴퓨터 시스템의 사용자 인터페이스를 통해, 조작자에 의한 목록으로부터의 선택을 포함하는 사용자 입력을 수신하는 것을 포함한다. 일부 경우에, 예를 들면, 빔 속성들, 타깃 속성들 또는 둘 다의 측정들에 기초하여, 래스터 프로파일 선택이 자동으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 타깃에서 문턱 레벨의 가열이 검출되는 경우, 이 시스템은 문턱 부하가 검출되는 위치에 보다 적은 응력을 주는 상이한 래스터 프로파일로 전환할 수 있다. 일부 구현들에서, 이 시스템은 능동 피드백 또는 피드포워드 프로세스를 사용하고, 타깃의 유효 수명(useful life)을 늘리기 위해 래스터 프로파일을 주기적으로 조정한다.

일부 구현들에서, 다수의 래스터 프로파일들이 후보 프로파일들(F _k (t))로서 선택될 수 있고, 프로파일들 간에 전환하기 위해 컷오버 함수(cutover function)들(s _k (t))이 적용될 수 있다. 출력 프로파일(F (t))은 다음과 같이 정의할 수 있고:

여기서 출력 프로파일의 도메인에 있는 모든 값 t에 대해

이다.

예를 들어, t1에서 시작하여 t2에서 종료하는 2 개의 프로파일 F1(t) 및 F2(t) 사이의 간단한 선형 교차(linear crossover)는 s1(t) 및 s2(t)를 다음과 같이 정의하는 것에 의해 설명될 수 있다:

특정 래스터 프로파일의 선택 이후에, 양성자 빔이 선택된 래스터 프로파일에 따라 타깃에 걸쳐 스캔된다(1010).

프로세스(1000)의 일부로서 빔의 하나 이상의 속성이 측정된다(1012). 일부 구현들에서, 빔의 속성들은 타깃으로부터 업스트림으로 측정된다. 도 9a 내지 도 9j를 참조하여 설명된 바와 같이, 측정될 수 있는 빔 속성들은, 예를 들어, 빔 크기, 빔 구조 및 빔 프로파일을 포함한다. 빔 프로파일은 타깃 위치에서의 빔 형상을 결정하도록 구성된 적외선 카메라들을 사용하여 측정될 수 있다.

프로세스(1000)의 일부로서 타깃의 하나 이상의 속성이 측정된다(1014). 일부 구현들에서, 타깃의 하나 이상의 속성은 타깃에 걸친 하나 이상의 위치에서의 타깃의 온도를 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 열 센서(예를 들면, 적외선 카메라)는 대응하는 위치에서의 타깃의 온도를 검출할 수 있다. 일부 구현들에서, 타깃의 온도 맵은 열 카메라에 의해 획득될 수 있다. 측정된 온도는 타깃의 국부 과열을 방지하기 위해 스캔 프로세스 동안 래스터 프로파일을 동적으로 조정하거나 변경하기 위한 입력으로서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 이 시스템은 타깃을 과열시키는 것을 방지하기 위해 빔 동작을 완전히 일시 중지하고 일단 타깃이 허용 가능한 레벨로 냉각되면 동작을 재개할 수 있다.

따라서, 본 개시내용의 구현들은 다수의 장점들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 설명된 기술들은 최소화된 계산 자원 요구사항들로 타깃 가열 및 사용량의 정확한 추정들을 제공한다. 본 명세서에서 설명되는 설계들은, 타깃의 손상(예를 들면, 블리스터링) 온도 미만으로 피크 온도를 유지하는 것에 의해, 타깃의 수명을 연장시킬 수 있는 특정 래스터 프로파일들 및 빔 프로파일들의 장점들을 예시한다. 설명된 구현들은 또한 환자에 조사하는 입자 빔의 프로파일에 긍정적인 영향을 미치는 타깃에 대한 입자 로딩의 균일한 분포를 제공하는 것에 의해 BNCT의 개선된 성능을 가능하게 할 수 있다.

일 양상에서...[일단 청구범위가 완성되면 대리인이 여기에 청구범위 부분을 포함시킬 것이다.]

도 11은 본 개시내용에 따라 구현될 수 있는 예시적인 시스템을 도시하는 블록 다이어그램이다. 예를 들어, 예시된 예시적인 시스템(1100)은 빔 시스템(102), 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스(1102), 및 하나 이상의 서버(1110)를 포함한다. 일부 구현들에서, 빔 시스템(102)은 예시적인 중성자 빔 시스템(예를 들면, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명된 시스템(102))의 일부일 수 있다. 빔 시스템(102)은 하나 이상의 제어 시스템(1101)을 이용할 수 있으며, 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스(1102)는 빔 시스템(102)(예를 들면, 중성자 빔 시스템(102))의 시스템들 및 컴포넌트들과 상호 작용하기 위해 이 제어 시스템(1101)과 통신할 수 있다. 제어 시스템(1101)은 타깃(196)의 스캔 가능한 표면(210)에 입사하는 양성자 빔의 X-Y 위치를 결정하는 HEBL(150)에서의 스티어링 디바이스들(예를 들면, 자석들, X-Y 시프터)를 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 빔 시스템(102), 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스(1102), 및 하나 이상의 서버(1110)는 서로 직접 통신하거나, 네트워크(1104)와 같은, 로컬 네트워크를 통해 통신하도록 구성된다.

제어 시스템(1101)은 빔의 고정된 변위가 전체 스캔된 패턴의 위치를 제어할 수 있게 하는 진폭 및 오프셋 제어들의 파라미터들로 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파라미터들은 자석 전원 공급장치를 제어하는 디지털 신호 프로세서(DSP)에 또는 DSP에 대해 프로그래밍된다. 진폭 및 오프셋 파라미터들은 빔 거동 또는 에너지의 변화들을 보정하기 위해 동작 동안 실시간으로, 즉, 온 더 플라이로(on the fly) DSP에 입력될 수 있다. 실시간 파라미터들은 이온 입자 빔 제어를 위한 능동 피드백의 일반화된 방법을 형성할 수 있다.

컴퓨팅 디바이스들(1102)은 다양한 사용자 디바이스들, 시스템들, 컴퓨팅 장치들, 제어기들 등에 의해 구체화될 수 있다. 예를 들어, 제1 컴퓨팅 디바이스(1102)는 특정 사용자와 연관된 데스크톱 컴퓨터일 수 있는 반면, 다른 컴퓨팅 디바이스(1102)는 특정 사용자와 연관된 랩톱 컴퓨터일 수 있으며, 또 다른 컴퓨팅 디바이스(1102)는 모바일 디바이스(예를 들면, 태블릿 또는 스마트 디바이스)일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스들(1102) 각각은, 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스를 통해 액세스 가능한 사용자 인터페이스를 통해, 빔 시스템(102)과 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 빔 시스템(102)과 통신하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1102) 상에서 데스크톱 애플리케이션을 실행할 수 있다.

컴퓨팅 디바이스(1102)를 사용하여 빔 시스템(102)과 통신하는 것에 의해, 사용자는 본 명세서에서 설명되는 실시예들에 따라 빔라인 컴포넌트들(1105)에 대한 동작 파라미터들(예를 들면, 동작 전압들 등)을 제공할 수 있다.

제어 시스템(1101)은 빔 시스템(102)의 컴포넌트들(1105) 및 모니터링 디바이스들(1103)로부터 측정치들, 신호들, 또는 다른 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(1101)은 동작 조건들 및/또는 빔 시스템(102)을 통과하는 빔의 위치를 나타내는 신호들을 하나 이상의 모니터링 디바이스(1103)로부터 수신할 수 있다. 제어 시스템(1101)은, 동작 조건들 및/또는 빔 시스템(102)을 통과하는 빔의 위치에 따라, 본 명세서에서 설명되는 방법들에 따라 하나 이상의 빔라인 컴포넌트(1105)의 입력들에 대한 조정들을 제공할 수 있다. 제어 시스템(1101)은 또한, 모니터링 디바이스들(1103)을 포함한, 빔 시스템(102)의 컴포넌트들 중 임의의 것으로부터 수집되는 정보를 컴퓨팅 디바이스(1102)에 직접 또는 통신 네트워크(1104)를 통해 제공할 수 있다. 제어 시스템(1101)은 도 4, 도 5 및 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명된 바와 같이 스캔 프로파일의 실시예들을 구현하도록 프로그래밍될 수 있다.

통신 네트워크(1104)는, 예를 들어, 유선 또는 무선 LAN(local area network), PAN(personal area network), MAN(metropolitan area network), WAN(wide area network) 등을 포함한 임의의 유선 또는 무선 통신 네트워크는 물론, (예를 들면, 네트워크 라우터들 등과 같은) 이를 구현하는 데 필요한 임의의 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 네트워크(1104)는 802.11, 802.16, 802.20 및/또는 WiMax 네트워크를 포함할 수 있다. 통신 네트워크(1104)는 인터넷과 같은 공중 네트워크, 인트라넷과 같은 사설 네트워크, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있고, TCP/IP 기반 네트워킹 프로토콜들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는, 현재 이용 가능하거나 나중에 개발될 다양한 네트워킹 프로토콜들을 활용할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(1102) 및 제어 시스템(1101)은, 도 12를 참조하여 설명되는 시스템(1200)과 같은, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템에 의해 구체화될 수 있다.

컴퓨팅 디바이스(1102) 및 제어 시스템(1101)은 제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계; 및 제2 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계를 포함하는 동작들을 수행하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제1 경로는 제1 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성하고, 제2 경로는 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 실질적으로 제1 패턴을 형성한다. 빔은 제1 경로 및 제2 경로를 따라 스캔하는 동안 펄싱된다. 빔은 제1 경로 및 제2 경로를 따라 스캔하는 동안 연속적으로 전파된다. 빔은 제1 패턴에서 스캔 가능한 표면의 내측 영역으로부터 외측 영역으로 그리고 다시 내측 영역으로 이동한다. 빔은 제1 패턴에서 스캔 가능한 표면의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 다시 외측 영역으로 이동한다. 제1 패턴은 나선 및 나선의 미러 이미지를 포함한다. 제1 패턴은 제1 반부와 제2 반부를 가지며, 여기서 제1 반부와 제2 반부는 대칭이다. 제1 패턴은 연속적으로 굴곡진다. 제1 패턴은 시작 위치 및 종료 위치를 가지며, 여기서 시작 위치는 종료 위치에 있거나 종료 위치에 인접해 있다. 제1 방사상 배향은 제2 방사상 배향과 180도만큼 상이하다. 동작들은, 제3 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계를 더 포함하며, 여기서 제3 경로는 제1 방사상 배향 및 제2 방사상 배향과는 상이한 제3 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성한다. 제1 방사상 배향, 제2 방사상 배향 및 제3 방사상 배향은 120도만큼 상이하다. 동작들은, 제4 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계를 더 포함하며, 여기서 제4 경로는 제1 방사상 배향, 제2 방사상 배향 및 제3 방사상 배향과는 상이한 제4 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성한다. 제1 방사상 배향, 제2 방사상 배향, 제3 방사상 배향 및 제4 방사상 배향은 90도만큼 상이하다. 동작들은 제5 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계를 더 포함하며, 여기서 제5 경로는 제1 방사상 배향, 제2 방사상 배향, 제3 방사상 배향 및 제4 방사상 배향과는 상이한 제5 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성한다. 제1 방사상 배향, 제2 방사상 배향, 제3 방사상 배향, 제4 방사상 배향 및 제5 방사상 배향은 72도만큼 상이하다. 제1 경로는 사이클의 제1 인스턴스에 대응하고, 제2 경로는 사이클의 제2 인스턴스에 대응한다. 일부 구현들에서, 사이클의 제1 인스턴스 및 사이클의 제2 인스턴스의 스캔은 닫힌 루프를 형성한다. 빔은 양성자 빔이다. 스캔 가능한 표면은 리튬 또는 베릴륨 표면이다. 타깃은 스캔될 때 중성자들을 생성한다. 빔은 원형 단면 프로파일을 갖는다. 빔은 타원형 단면 프로파일을 갖는다. 빔은 환형 단면 프로파일을 갖는다. 빔은 중공 단면 프로파일을 갖는다. 동작들은 BNCT(boron neutron capture therapy)를 수행한다. 빔은 이온 소스; 이온 소스와 결합되는 제1 빔라인; 제1 빔라인과 결합되는 탠덤 가속기; 탠덤 가속기와 결합되는 제2 빔라인; 및 제2 빔라인과 결합되는 타깃을 포함하는 빔 시스템에 의해 생성된다. 패턴은 스캔 가능한 표면의 대부분을 빔에 노출시킨다. 제2 경로는 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성한다.

컴퓨팅 디바이스(1102) 및 제어 시스템(1101)은 제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계; 및 제2 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔을 스캔하는 단계를 포함하는 동작들을 수행하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제1 경로는 제1 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성하고, 제2 경로는 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 제2 패턴을 형성하며, 여기서 제1 패턴과 제2 패턴은 실질적으로 동일하지만 상이한 방사상 배향들에 대한 것이다. 제1 패턴과 제2 패턴은 동일하지만 상이한 방사상 배향들에 대한 것이다.

컴퓨팅 디바이스(1102) 및 제어 시스템(1101)은 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하기 위한 복수의 가능한 래스터 프로파일들을 확립하는 단계 - 복수의 가능한 래스터 프로파일들 각각은, 각각이 양성자 빔의 속성을 특성화하는 하나 이상의 빔 파라미터 및 타깃에 걸친 양성자 빔의 경로를 특성화하는 하나 이상의 경로 파라미터를 포함함 - ; 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 타깃을 특성화하는 하나 이상의 타깃 파라미터를 확립하는 단계; 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 가능한 빔 래스터 프로파일들 각각에 대한 성능 지수의 값을 계산하는 단계 - 성능 지수는 대응하는 가능한 래스터 프로파일에 대한 양성자 빔에 의한 타깃의 열 부하에 기초함 - ; 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 성능 지수의 값에 기초하여 복수의 가능한 래스터 프로파일들 중으로부터 래스터 프로파일을 선택하는 단계; 및 선택된 래스터 프로파일에 따라 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 지향시키는 단계를 포함하는 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 성능 지수에 대한 값들을 계산하는 단계는, 가능한 래스터 프로파일들 각각에 대해, 타깃의 복수의 개별 부분들 각각에서의 열 부하를, 열 부하와 대응하는 래스터 프로파일에 대한 각각의 개별 부분에서의 양성자 플럭스 사이의 선형 관계에 기초하여 계산하는 단계를 포함한다. 각각의 개별 부분은 양성자 빔의 치수보다 작은 양성자 빔의 경로에 있는 타깃의 표면의 면적에 대응한다. 각각의 개별 부분에서의 열 부하는 양성자 빔이 입사되는 타깃의 표면으로부터 멀어지는 타깃의 깊이를 통한 열 전달에 기초하여 계산된다. 성능 지수는 타깃의 피크 온도, 타깃의 온도 변화, 타깃의 평균 온도 및 타깃의 사용 효율로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 하나 이상의 빔 파라미터는 빔 치수, 빔 형상 및 빔 구조로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 빔 치수는 10 mm 내지 30 mm의 범위에 있다. 빔 형상은 원형 또는 타원형이다. 빔의 구조는 원형 또는 환형이다. 하나 이상의 경로 파라미터는 양성자 빔의 경로와 연관된 주파수, 타깃의 표면에 걸친 양성자 빔의 선속도, 양성자 빔의 경로의 슈퍼 사이클에서의 방사상 스캔 층들의 수, 및 양성자 빔의 경로의 슈퍼 사이클들의 수로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 하나 이상의 타깃 파라미터는 타깃 표면적, 타깃 두께, 및 타깃 조성으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 타깃은 리튬 층 또는 베릴륨 층을 포함한다. 타깃은 리튬 층 또는 베릴륨 층을 지지하는 금속 층을 포함한다. 선택하는 단계는 가능한 래스터 프로파일들의 목록을 양성자 빔의 조작자에게 제시하고, 컴퓨터 시스템을 통해, 조작자에 의한 목록으로부터의 선택을 수신하는 단계를 포함한다. 동작들은 타깃의 하나 이상의 속성을 측정하고 타깃의 측정된 속성에 기초하여 래스터 프로파일을 선택하는 단계를 더 포함한다. 타깃의 하나 이상의 속성은 타깃 상의 하나 이상의 위치에서의 타깃의 온도를 포함한다. 동작들은 빔의 하나 이상의 속성을 측정하고 빔의 측정된 속성에 기초하여 래스터 프로파일을 선택하는 단계를 더 포함한다. 빔의 하나 이상의 속성은 타깃으로부터 업스트림으로 측정된다. 선택된 래스터 프로파일은 양성자 빔에 대한 타깃의 단일 위치의 연속적인 노출들 사이의 최소 지연이 문턱 기간을 초과하는 양성자 빔에 대한 경로를 정의한다. 선택된 래스터 프로파일은 트로코이드 형상에 기초하여 경로를 정의한다. 트로코이드 형상은 복수의 로브들을 포함한다. 트로코이드 형상의 상이한 로브들에 대해 양성자 빔의 각주파수가 변한다. 선택된 래스터 프로파일은 타깃 표면에 걸친 양성자 빔의 변하는 각속도를 포함한다. 선택된 래스터 프로파일은 타깃 표면에 걸친 양성자 빔의 변하는 선속도를 포함한다.

컴퓨팅 디바이스(1102) 및 제어 시스템(1101)은 제1 래스터 프로파일에 따라 타깃의 표면에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하는 동안 타깃의 온도를 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 온도에 기초하여, 스캔을 제1 래스터 프로파일로부터 제2 래스터 프로파일로 변경하는 단계 - 제2 래스터 프로파일 및 제1 래스터 프로파일은 제1 래스터 프로파일 및 제2 래스터 프로파일에 의한 타깃의 열 부하의 컴퓨터 모델에 따라 타깃의 상이한 가열 프로파일들을 결과함 - 를 포함하는 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 양성자 빔의 인간 조작자에 의한 복수의 래스터 프로파일들 중으로부터의 제2 래스터 프로파일의 선택에 응답하여 스캔이 변경된다. 스캔은 피드백 또는 피드포워드 알고리즘에 따라 자동으로 변경된다. 온도는 타깃의 다수의 개별 위치들에서 모니터링된다. 온도는 타깃의 열 이미지를 획득하는 것에 의해 모니터링된다.

컴퓨팅 디바이스(1102) 및 제어 시스템(1101)은 슈퍼 사이클에서 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 하전 입자 빔을 스캔하는 단계 - 슈퍼 사이클은 복수의 사이클들을 포함하고, 복수의 사이클들의 각각의 사이클은 동일한 형상 및 상이한 방위각 배향을 가지며, 복수의 사이클들은 하전 입자 빔의 경로가 닫힌 루프로 복수의 사이클들을 횡단하도록 함께 연결됨 - 를 포함하는 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 복수의 사이클들은 서로 180도만큼 방위각 오프셋된 2 개의 사이클을 포함한다. 복수의 사이클들은 서로 120도만큼 방위각 오프셋된 3 개의 사이클을 포함한다. 복수의 사이클들은 서로 90도만큼 방위각 오프셋된 4 개의 사이클을 포함한다.

이제 도 12를 참조하면, 예시적인 컴퓨팅 시스템(1200)의 개략도가 제공된다. 시스템(1200)은 본 명세서에서 설명되는 구현들과 관련하여 설명되는 동작들을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템(1200)은 본 명세서에서 논의되는 서버 컴포넌트들 중 일부 또는 전부에 포함될 수 있다. 시스템(1200)은 프로세서(1210), 메모리(1220), 저장 디바이스(1230), 및 입출력 디바이스(1240)를 포함한다. 컴포넌트들(1210, 1220, 1230, 및 1240) 각각은 시스템 버스(1250)를 사용하여 상호 연결된다. 프로세서(1210)는 시스템(1200) 내에서 실행하기 위한 명령어들을 프로세싱할 수 있다. 일 구현에서, 프로세서(1210)는 단일 스레드 프로세서(single-threaded processor)이다. 다른 구현에서, 프로세서(1210)는 멀티 스레드 프로세서(multi-threaded processor)이다. 프로세서(1210)는 입출력 디바이스(1240) 상에 사용자 인터페이스에 대한 그래픽 정보를 디스플레이하기 위해 메모리(1220)에 또는 저장 디바이스(1230) 상에 저장된 명령어들을 프로세싱할 수 있다.

메모리(1220)는 시스템(1200) 내에 정보를 저장한다. 일 구현에서, 메모리(1220)는 컴퓨터 판독 가능 매체이다. 일 구현에서, 메모리(1220)는 휘발성 메모리 유닛이다. 다른 구현에서, 메모리(1220)는 비휘발성 메모리 유닛이다. 저장 디바이스(1230)는 시스템(1200)을 위한 대용량 저장소(mass storage)를 제공할 수 있다. 일 구현에서, 저장 디바이스(1230)는 컴퓨터 판독 가능 매체이다. 다양한 상이한 구현들에서, 저장 디바이스(1230)는 플로피 디스크 디바이스, 하드 디스크 디바이스, 광학 디스크 디바이스, 또는 테이프 디바이스일 수 있다. 입출력 디바이스(1240)는 시스템(1200)을 위한 입출력 동작들을 제공한다. 일 구현에서, 입출력 디바이스(1240)는 키보드 및/또는 포인팅 디바이스를 포함한다. 다른 구현에서, 입출력 디바이스(1240)는 그래픽 사용자 인터페이스들을 디스플레이하기 위한 디스플레이 유닛을 포함한다.

일부 구현들에서, 각각의 디바이스에 대해 중복적인 하드웨어가 필요하지 않도록, 2 개의 컴포넌트가 둘 다 동일한 프로세서, 네트워크 인터페이스, 저장 매체 등의 사용을 활용하여 그들과 연관된 기능들을 수행할 수 있다. 따라서 장치의 컴포넌트들에 관하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "디바이스" 및/또는 "회로"라는 용어들의 사용은, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 해당 특정 디바이스와 연관된 기능들을 수행하도록 소프트웨어로 구성된 특정 하드웨어를 포함할 수 있다.

"디바이스" 및/또는 "회로"라는 용어들은 하드웨어를 포함하는 것으로 광의적으로 이해되어야 하며, 일부 실시예들에서, 디바이스 및/또는 회로는 하드웨어를 구성하기 위한 소프트웨어를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 디바이스 및/또는 회로는 프로세싱 회로, 저장 매체, 네트워크 인터페이스들, 입출력 디바이스들 등을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 시스템(1200)의 다른 요소들은 특정 컴포넌트(들)의 기능을 제공하거나 보완할 수 있다.

일부 실시예들에서, 프로세서(1210)(및/또는 프로세서를 보조하거나 프로세서와 다른 방식으로 연관된 코프로세서 또는 임의의 다른 프로세싱 회로)는 장치의 컴포넌트들 간에 정보를 전달하기 위해 버스를 통해 메모리(1220)와 통신할 수 있다. 메모리(1220)는 비일시적일 수 있으며, 예를 들어, 하나 이상의 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 환언하면, 예를 들어, 메모리(1220)는 전자 저장 디바이스(예를 들면, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체)일 수 있다. 메모리(1220)는 시스템(1200)이, 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명된 바와 같이, 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따라 다양한 기능들을 수행할 수 있게 하기 위한 정보, 데이터, 콘텐츠, 애플리케이션들, 명령어들 등을 저장하도록 구성될 수 있다.

프로세서(1210)는 다수의 상이한 방식들로 구체화될 수 있으며, 예를 들어, 독립적으로 동작하도록 구성된 하나 이상의 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로세서(1210)는 명령어들의 독립적인 실행, 파이프라이닝 및/또는 멀티스레딩을 가능하게 하기 위해 버스를 통해 탠덤식으로(in tandem) 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. "프로세싱 디바이스" 및/또는 "프로세싱 회로"라는 용어들의 사용은 단일 코어 프로세서, 다중 코어 프로세서, 장치 내부의 다수의 프로세서들, 및/또는 원격 또는 "클라우드" 프로세서들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

일부 구현들에서, 프로세서(1210)는 메모리(1220)에 저장된 또는 프로세서에 의해 다른 방식으로 액세스 가능한 명령어들을 실행하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로세서(1210)는 하드 코딩된 기능을 실행하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 하드웨어 또는 소프트웨어 방법들에 의해 구성되든 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 구성되든 간에, 프로세서는 그에 따라 구성되는 동안 본 개시내용의 실시예에 따른 동작들을 수행할 수 있는 (예를 들면, 회로에 물리적으로 구체화된) 엔티티를 나타낼 수 있다. 대안적으로, 다른 예로서, 프로세서(1210)가 소프트웨어 명령어들의 실행기로서 구체화될 때, 명령어들은 명령어들이 실행될 때 본 명세서에서 설명되는 알고리즘들 및/또는 동작들을 수행하도록 프로세서(1210)를 구체적으로 구성할 수 있다. 명령어들은, 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명된 바와 같이, 스캔 프로파일을 결정하고 타깃을 스캔하는 데 필요한 명령어들을 포함할 수 있다.

일부 구현들에서, 시스템(1200)은 입출력 디바이스(1260)를 포함할 수 있으며, 입출력 디바이스(1260)는, 차례로, 프로세서(1210)와 통신하여 사용자에게 출력을 제공하고, 일부 실시예들에서, 사용자로부터 입력을 수신할 수 있다. 입출력 디바이스(1260)는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있고, 웹 사용자 인터페이스, 모바일 애플리케이션, 클라이언트 디바이스 등을 포함할 수 있는, 사용자 디바이스 디스플레이와 같은, 디바이스 디스플레이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입출력 디바이스(1260)는 키보드, 마우스, 조이스틱, 터치 스크린, 터치 영역들, 소프트 키들, 마이크로폰, 스피커, 또는 다른 입출력 메커니즘들을 또한 포함할 수 있다. 프로세서 및/또는 프로세서를 포함하는 사용자 인터페이스 회로는 프로세서에 의해 액세스 가능한 메모리(예를 들면, 메모리(1220) 등)에 저장된 컴퓨터 프로그램 명령어들(예를 들면, 소프트웨어 및/또는 펌웨어)을 통해 하나 이상의 사용자 인터페이스 요소의 하나 이상의 기능을 제어하도록 구성될 수 있다.

통신 디바이스 또는 회로(1240)는 시스템(1200)과 통신하는 네트워크 및/또는 임의의 다른 디바이스 또는 회로로부터/로 데이터를 수신 및/또는 전송하도록 구성된 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구체화되는 디바이스 또는 회로와 같은 임의의 수단일 수 있다. 통신 디바이스 또는 회로(1240)는, 예를 들어, 유선 또는 무선 통신 네트워크와의 통신을 가능하게 하기 위한 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 디바이스 또는 회로(1240)는 하나 이상의 네트워크 인터페이스 카드, 안테나, 버스, 스위치, 라우터, 모뎀, 및 지원 하드웨어 및/또는 소프트웨어, 또는 네트워크를 통한 통신을 가능하게 하는 데 적합한 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 통신 인터페이스는 안테나(들)를 통한 신호들의 전송을 야기하기 위해 또는 안테나(들)를 통해 수신되는 신호들의 수신을 처리하기 위해 안테나(들)와 상호 작용하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 신호들은, 현재 및 미래의 블루투스 표준들(블루투스 및 BLE(Bluetooth Low Energy)를 포함함), 적외선 무선(예를 들면, IrDA), FREC, UWB(ultra-wideband), 유도 무선 전송(induction wireless transmission) 등과 같은, 다수의 무선 PAN(personal area network) 기술들 중 임의의 것을 사용하여 시스템(1200)에 의해 전송될 수 있다. 추가적으로, 신호들이 Wi-Fi, NFC(Near Field Communications), WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access), 또는 다른 근접 기반 통신 프로토콜들을 사용하여 전송될 수 있음이 이해되어야 한다.

임의의 그러한 컴퓨터 프로그램 명령어들 및/또는 다른 유형의 코드는, 머신 상에서 코드를 실행하는 컴퓨터, 프로세서 또는 다른 프로그래밍 가능한 회로가, 본 명세서에서 설명되는 기능들을 포함한, 다양한 기능들을 구현하기 위한 수단을 생성하도록, 머신을 제조하기 위해 컴퓨터, 프로세서, 또는 다른 프로그래밍 가능한 장치의 회로에 로드될 수 있다.

본 개시내용의 실시예들은 시스템들, 방법들, 모바일 디바이스들, 백엔드 네트워크 디바이스들 등으로서 구성될 수 있다. 그에 따라, 실시예들은 전적으로 하드웨어로 된 것 또는 소프트웨어와 하드웨어의 임의의 조합을 포함한 다양한 수단들을 포함할 수 있다. 게다가, 실시예들은 저장 매체 상에 구체화된 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어들(예를 들면, 컴퓨터 소프트웨어)을 갖는 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 비일시적 하드 디스크들, CD-ROM들, 플래시 메모리, 광학 저장 디바이스들, 또는 자기 저장 디바이스들을 포함한 임의의 적합한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 활용될 수 있다.

본 개시내용에 따른 프로세싱 회로는 하나 이상의 프로세서, 마이크로프로세서, 제어기, 및/또는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 개별 칩이거나 다수의 상이한 칩들 사이에 분산될 수 있다(그리고 다수의 상이한 칩들의 일 부분일 수 있음). 본 개시내용에 따른 프로세싱 회로는, 본 개시내용에 따른 프로세싱 회로의 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있는, 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 본 개시내용에 따른 프로세싱 회로는 본 명세서에서의 도면들의 다른 컴포넌트들과 통신 가능하게 결합될 수 있다. 본 개시내용에 따른 프로세싱 회로는 프로세싱 회로가 다수의 상이한 액션들을 취하게 하고 본 명세서에서의 도면들에서의 다른 컴포넌트들을 제어하게 하는 메모리 상에 저장된 소프트웨어 명령어들을 실행할 수 있다.

본 개시내용에 따른 메모리는 다양한 기능 유닛들 중 하나 이상에 의해 공유될 수 있거나, (예를 들면, 상이한 칩들 내에 존재하는 별개의 메모리들로서) 다양한 기능 유닛들 중 둘 이상 사이에 분산될 수 있다. 메모리는 또한 그 자체의 별개의 칩일 수 있다. 메모리는 비일시적일 수 있고, 휘발성 메모리(예를 들면, RAM 등) 및/또는 비휘발성 메모리(예를 들면, ROM, 플래시 메모리, F-RAM 등)일 수 있다.

설명된 주제에 따라 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 명령어들은, Python, National Instruments의 Labview 플랫폼, Java, JavaScript, Smalltalk, C++, C#, Transact-SQL, XML, PHP 등과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 하나 이상의 프로그래밍 언어들 및 소프트웨어 플랫폼들 및, "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어들과 같은, 종래의 절차적 프로그래밍 언어들의 임의의 조합으로 작성될 수 있다.

본 주제의 다양한 양상들이 설명된 실시예들의 검토에서 및/또는 그에 대한 보완으로 아래에 기재되며, 여기서는 이하의 실시예들의 상호관계 및 상호교환가능성에 중점을 둔다. 환언하면, 달리 명시적으로 언급되거나 논리적으로 타당하지 않은 경우가 아니면, 실시예들의 각각의 특징이 각각의 모든 다른 특징과 결합될 수 있다는 사실에 중점을 둔다.

본 명세서에서 제공되는 임의의 실시예와 관련하여 설명되는 모든 특징들, 요소들, 컴포넌트들, 기능들, 및 단계들이 임의의 다른 실시예로부터의 것과 자유롭게 조합 가능하고 대체 가능하도록 의도된다는 점에 유의해야 한다. 특정 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 또는 단계가 단지 하나의 실시예와 관련하여 설명되는 경우, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 해당 특징, 요소, 컴포넌트, 기능, 또는 단계가 본 명세서에서 설명되는 모든 다른 실시예에서 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 이하의 설명이, 특정의 경우에, 다음과 같은 조합들 또는 대체들이 가능하다는 것을 명시적으로 언급하지 않더라도, 이 단락은, 언제라도, 상이한 실시예들로부터의 특징들, 요소들, 컴포넌트들, 기능들, 및 단계들을 조합하거나 일 실시예로부터의 특징들, 요소들, 컴포넌트들, 기능들, 및 단계들을 다른 실시예의 것들로 대체하는 청구항들의 도입에 대한 선행 근거 및 서면 지원으로서 역할한다. 모든 가능한 조합 및 대체의 명시적인 언급은 과도하게 부담이 되며, 각각의 모든 그러한 조합 및 대체의 허용성이 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 인식될 것인 경우 특히 그렇다는 것이 명확히 인식된다.

본 명세서에서 개시되는 실시예들이 메모리, 저장소, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하거나 이와 관련하여 동작하는 한, 해당 메모리, 저장소 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 비일시적이다. 그에 따라, 메모리, 저장소 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 하나 이상의 청구항에 의해 커버되는 한, 해당 메모리, 저장소 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 단지 비일시적이다.

본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들("한", "어떤" 및 "그")은, 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시대상들을 포함한다.

실시예들이 다양한 수정들 및 대안적인 형태들로 가능하지만, 이들의 특정 예들이 도면들에 도시되어 있으며 본 명세서에서 상세히 설명된다. 그렇지만, 이러한 실시예들이 개시된 특정 형태로 제한되어서는 안 되며, 그와 반대로, 이러한 실시예들이 본 개시내용의 사상 내에 속하는 모든 수정들, 균등물들, 및 대안들을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 실시예들의 임의의 특징들, 기능들, 단계들, 또는 요소들은 물론, 청구항들의 발명 범위를 해당 범위 내에 있지 않은 특징들, 기능들, 단계들, 또는 요소들에 의해 한정하는 부정적 제한(negative limitation)들이 청구항들에 열거되거나 추가될 수 있다.

Claims

빔을 동작시키는 방법으로서,
제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계; 및
제2 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계
를 포함하고, 상기 제1 경로는 제1 방사상 배향(radial orientation)으로 제1 패턴을 형성하고, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 실질적으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 빔을 동작시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 빔은 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 따라 스캔하는 동안 펄싱되는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 빔은 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 따라 스캔하는 동안 연속적으로 전파되는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 빔은 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 내측 영역으로부터 외측 영역으로 그리고 다시 상기 내측 영역으로 이동하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 빔은 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 다시 상기 외측 영역으로 이동하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 패턴은 나선 및 상기 나선의 미러 이미지를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 패턴은 제1 반부(half)와 제2 반부를 가지며, 상기 제1 반부와 상기 제2 반부는 대칭인 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 패턴은 연속적으로 굴곡지는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 패턴은 시작 위치 및 종료 위치를 가지며, 상기 시작 위치는 상기 종료 위치에 있거나 상기 종료 위치에 인접해 있는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향은 상기 제2 방사상 배향과 180도만큼 상이한 것인, 방법.
제1항에 있어서,
제3 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 더 포함하며, 상기 제3 경로는 상기 제1 방사상 배향 및 상기 제2 방사상 배향과는 상이한 제3 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향은 120도만큼 상이한 것인, 방법.
제11항에 있어서,
제4 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 더 포함하며, 상기 제4 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향과는 상이한 제4 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 방법.
제13항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향은 90도만큼 상이한 것인, 방법.
제13항에 있어서,
제5 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계를 더 포함하며, 상기 제5 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향과는 상이한 제5 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 방법.
제15항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향 및 상기 제5 방사상 배향은 72도만큼 상이한 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 경로는 사이클의 제1 인스턴스에 대응하고, 상기 제2 경로는 상기 사이클의 제2 인스턴스에 대응하는 것인, 방법.
제17항에 있어서, 상기 사이클의 제1 인스턴스 및 상기 사이클의 제2 인스턴스의 스캔은 닫힌 루프를 형성하는 것인, 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 양성자 빔인 것인, 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캔 가능한 표면은 리튬 또는 베릴륨 표면인 것인, 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타깃은 스캔될 때 중성자들을 생성하는 것인, 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 복수의 경로들을 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 스캔되며, 상기 복수의 경로들은 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 포함하고, 상기 복수의 경로들에서의 경로의 수량(quantity)(N)은 2 개 이상이고, 상기 N 개의 경로는 함께 닫힌 루프를 형성하며, 상기 N 개의 경로 각각은 상기 경로들 중 인접한 경로로부터 360/N도만큼 방사상으로 오프셋되게 실질적으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 원형 또는 타원형 단면 프로파일을 갖는 것인, 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 환형 단면 프로파일을 갖는 것인, 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 중공 단면 프로파일을 갖는 것인, 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, BNCT(boron neutron capture therapy)에서 수행되는 것인, 방법.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 빔 시스템에 의해 생성되고, 상기 빔 시스템은,
이온 소스;
상기 이온 소스와 결합되는 제1 빔라인;
상기 제1 빔라인과 결합되는 탠덤 가속기(tandem accelerator);
상기 탠덤 가속기와 결합되는 제2 빔라인; 및
상기 제2 빔라인과 결합되는 상기 타깃
을 포함하는 것인, 방법.
제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 패턴은 상기 스캔 가능한 표면의 대부분을 상기 빔에 노출시키는 것인, 방법.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 상기 제2 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 방법.
빔을 동작시키는 방법으로서,
제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계; 및
제2 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔을 스캔하는 단계
를 포함하고, 상기 제1 경로는 제1 방사상 배향으로 제1 패턴을 형성하고, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로 제2 패턴을 형성하며, 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴은 실질적으로 동일하지만 상이한 방사상 배향들에 대한 것인, 빔을 동작시키는 방법.
제30항에 있어서, 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴은 동일하지만 상이한 방사상 배향들에 대한 것인, 방법.
제30항 및 제31항에 있어서, 제2항 내지 제29항 중 어느 한 항에 따른, 방법.
빔 시스템으로서,
메모리와 통신 가능하게(communicatively) 결합되는 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 디바이스
를 포함하며, 상기 메모리는, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서가,
제1 경로를 따라 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 빔의 이동을 제어하게 하고;
제2 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하는
복수의 명령어들을 저장하며, 상기 제1 경로는 제1 방사상 배향으로의 제1 패턴을 포함하고, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 제2 방사상 배향으로의 실질적으로 상기 제1 패턴을 포함하는 것인, 빔 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 경로는 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 내측 영역으로부터 외측 영역으로 그리고 다시 상기 내측 영역으로 횡단(traverse)하는 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 경로는 상기 제1 패턴에서 상기 스캔 가능한 표면의 외측 영역으로부터 내측 영역으로 그리고 다시 상기 외측 영역으로 횡단하는 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 패턴은 나선 및 상기 나선의 미러 이미지를 포함하는 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 패턴은 제1 반부와 제2 반부를 가지며, 상기 제1 반부와 상기 제2 반부는 대칭인 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 패턴은 연속적으로 굴곡지는 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 패턴은 시작 위치 및 종료 위치를 가지며, 상기 시작 위치는 상기 종료 위치에 있거나 상기 종료 위치에 인접해 있는 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향은 상기 제2 방사상 배향과 180도만큼 상이한 것인, 시스템.
제33항에 있어서, 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가,
제3 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 상기 제3 경로는 상기 제1 방사상 배향 및 상기 제2 방사상 배향과는 상이한 제3 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함하는 것인, 시스템.
제41항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향은 120도만큼 상이한 것인, 시스템.
제41항에 있어서, 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가,
제4 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 상기 제4 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향 및 상기 제3 방사상 배향과는 상이한 제4 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함하는 것인, 시스템.
제43항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향은 90도만큼 상이한 것인, 시스템.
제43항에 있어서, 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가,
제5 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 상기 제5 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향 및 상기 제4 방사상 배향과는 상이한 제5 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함하는 것인, 시스템.
제45항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향 및 상기 제5 방사상 배향은 72도만큼 상이한 것인, 시스템.
제45항에 있어서, 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 또한 상기 프로세서가,
제6 경로를 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하고, 상기 제6 경로는 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향 및 상기 제5 방사상 배향과는 상이한 제6 방사상 배향으로의 상기 제1 패턴을 포함하는 것인, 시스템.
제47항에 있어서, 상기 제1 방사상 배향, 상기 제2 방사상 배향, 상기 제3 방사상 배향, 상기 제4 방사상 배향, 상기 제5 방사상 배향 및 상기 제6 방사상 배향은 60도만큼 상이한 것인, 시스템.
제33항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 양성자 빔인 것인, 시스템.
제33항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캔 가능한 표면은 리튬 층 또는 베릴륨 층의 표면인 것인, 시스템.
제33항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타깃은 스캔될 때 중성자들을 생성하는 것인, 시스템.
제33항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 명령어들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서가,
복수의 경로들을 따라 상기 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 상기 빔의 이동을 제어하게 하며, 상기 복수의 경로들은 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 포함하고, 상기 복수의 경로들에서의 경로의 수량(N)은 2 개 이상이고, 상기 N 개의 경로는 함께 닫힌 루프를 형성하며, 상기 N 개의 경로 각각은 상기 경로들 중 인접한 경로로부터 360/N도만큼 방사상으로 오프셋되게 실질적으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 시스템.
제33항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 원형 프로파일 또는 타원형 프로파일을 갖는 것인, 시스템.
제33항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 환형 프로파일을 갖는 것인, 시스템.
제33항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 중공 프로파일을 갖는 것인, 시스템.
제33항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, BNCT(boron neutron capture therapy)에서 수행되는 것인, 시스템.
제33항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 빔 시스템에 의해 생성되고, 상기 빔 시스템은,
이온 소스;
상기 이온 소스와 결합되는 제1 빔라인;
상기 제1 빔라인과 결합되는 탠덤 가속기;
상기 탠덤 가속기와 결합되는 제2 빔라인; 및
상기 제2 빔라인과 결합되는 상기 타깃
을 포함하는 것인, 시스템.
제33항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 패턴은 상기 스캔 가능한 표면의 대부분을 상기 빔에 노출시키는 것인, 시스템.
제33항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 경로는 상기 제1 방사상 배향과는 상이한 상기 제2 방사상 배향으로 상기 제1 패턴을 형성하는 것인, 시스템.
타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하기 위한 래스터 프로파일(raster profile)을 선택하기 위한 컴퓨터로 구현되는 방법(computer-implemented method)으로서,
컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 타깃에 걸쳐 상기 양성자 빔을 스캔하기 위한 복수의 가능한 래스터 프로파일들을 확립하는 단계 - 상기 복수의 가능한 래스터 프로파일들 각각은, 각각이 상기 양성자 빔의 속성을 특성화하는 하나 이상의 빔 파라미터 및 상기 타깃에 걸친 상기 양성자 빔의 경로를 특성화하는 하나 이상의 경로 파라미터를 포함함 - ;
상기 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 타깃을 특성화하는 하나 이상의 타깃 파라미터를 확립하는 단계;
상기 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 가능한 빔 래스터 프로파일들 각각에 대한 성능 지수(figure of merit)의 값을 계산하는 단계 - 상기 성능 지수는 대응하는 가능한 래스터 프로파일에 대한 상기 양성자 빔에 의한 상기 타깃의 열 부하에 기초함 - ;
상기 컴퓨터 프로세싱 시스템을 사용하여, 상기 성능 지수의 값에 기초하여 상기 복수의 가능한 래스터 프로파일들 중으로부터 래스터 프로파일을 선택하는 단계; 및
상기 선택된 래스터 프로파일에 따라 상기 타깃에 걸쳐 상기 양성자 빔을 지향시키는 단계
를 포함하는, 타깃에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하기 위한 래스터 프로파일을 선택하기 위한 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 성능 지수에 대한 상기 값을 계산하는 단계는, 상기 가능한 래스터 프로파일들 각각에 대해, 상기 타깃의 복수의 개별 부분들 각각에서의 열 부하를, 상기 열 부하와 상기 대응하는 래스터 프로파일에 대한 각각의 개별 부분에서의 양성자 플럭스 사이의 선형 관계에 기초하여 계산하는 단계를 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제61항에 있어서, 각각의 개별 부분은 상기 양성자 빔의 치수보다 작은 상기 양성자 빔의 경로에 있는 상기 타깃의 표면의 면적에 대응하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제62항에 있어서, 각각의 개별 부분에서의 상기 열 부하는 상기 양성자 빔이 입사되는 상기 타깃의 표면으로부터 멀어지는 상기 타깃의 깊이를 통한 열 전달에 기초하여 계산되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 성능 지수는, 상기 타깃의 피크 온도, 상기 타깃의 온도 변화, 상기 타깃의 평균 온도 및 상기 타깃의 사용 효율로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 하나 이상의 빔 파라미터는, 빔 치수, 빔 형상 및 빔 구조로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제65항에 있어서, 상기 성능 지수의 값에 기초하여 상기 복수의 가능한 래스터 프로파일들 중으로부터 래스터 프로파일을 선택하는 단계는, 상기 타깃의 하나 이상의 부분을 피하도록 구성된 마스킹된 프로파일을 선택하는 단계를 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제65항에 있어서, 상기 빔 치수는 10 mm 내지 30 mm의 범위에 있는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제65항에 있어서, 상기 빔 형상은 원형 또는 타원형이고 상기 빔의 구조는 원형 또는 환형인 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 하나 이상의 경로 파라미터는, 상기 양성자 빔의 경로와 연관된 주파수, 상기 타깃의 표면에 걸친 상기 양성자 빔의 선속도(linear velocity), 상기 양성자 빔의 경로의 슈퍼 사이클에서의 방사상 스캔 층들의 수, 및 상기 양성자 빔의 경로의 슈퍼 사이클들의 수로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 하나 이상의 타깃 파라미터는, 타깃 표면적, 타깃 두께, 및 타깃 조성으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 타깃은 리튬 층 또는 베릴륨 층을 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 타깃은 상기 리튬 층 또는 상기 베릴륨 층을 지지하는 금속 층을 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 선택하는 단계는, 상기 가능한 래스터 프로파일들의 목록을 상기 양성자 빔의 조작자에게 제시하고, 상기 컴퓨터 시스템을 통해, 상기 조작자에 의한 상기 목록으로부터의 선택을 수신하는 단계를 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 타깃의 하나 이상의 속성을 측정하고 상기 타깃의 측정된 속성에 기초하여 상기 래스터 프로파일을 선택하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제74항에 있어서, 상기 타깃의 하나 이상의 속성은 상기 타깃 상의 하나 이상의 위치에서의 상기 타깃의 온도를 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 빔의 하나 이상의 속성을 측정하고 상기 빔의 측정된 속성에 기초하여 상기 래스터 프로파일을 선택하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제76항에 있어서, 상기 빔의 하나 이상의 속성은 상기 타깃으로부터 업스트림으로 측정되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 선택된 래스터 프로파일은, 상기 양성자 빔에 대한 상기 타깃의 단일 위치의 연속적인 노출들 사이의 최소 지연이 문턱 기간을 초과하는 상기 양성자 빔에 대한 경로를 정의하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제78항에 있어서, 상기 선택된 래스터 프로파일은 트로코이드 형상(trochoid shape)에 기초하여 경로를 정의하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제79항에 있어서, 상기 트로코이드 형상은 복수의 로브(lob)들을 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제80항에 있어서, 상기 트로코이드 형상의 상이한 로브들에 대해 상기 양성자 빔의 각주파수(angular frequency)가 변하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 선택된 래스터 프로파일은 상기 타깃 표면에 걸친 상기 양성자 빔의 변하는 각속도(angular velocity)를 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제60항에 있어서, 상기 선택된 래스터 프로파일은 상기 타깃 표면에 걸친 상기 양성자 빔의 변하는 선속도를 포함하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
컴퓨터로 구현되는 방법으로서,
제1 래스터 프로파일에 따라 타깃의 표면에 걸쳐 양성자 빔을 스캔하는 동안 상기 타깃의 온도를 모니터링하는 단계; 및
상기 모니터링된 온도에 기초하여, 상기 스캔을 상기 제1 래스터 프로파일로부터 제2 래스터 프로파일로 변경하는 단계
를 포함하고,
상기 제2 래스터 프로파일 및 상기 제1 래스터 프로파일은, 상기 제1 래스터 프로파일 및 상기 제2 래스터 프로파일에 의한 상기 타깃의 열 부하의 컴퓨터 모델에 따라 상기 타깃의 상이한 가열 프로파일들을 결과하는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제84항에 있어서, 상기 스캔은 상기 양성자 빔의 인간 조작자에 의한 복수의 래스터 프로파일들 중으로부터의 상기 제2 래스터 프로파일의 선택에 응답하여 변경되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제84항에 있어서, 상기 스캔은 피드백 또는 피드포워드 알고리즘에 따라 자동으로 변경되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제84항에 있어서, 상기 온도는 상기 타깃의 다수의 개별 위치들에서 모니터링되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
제84항에 있어서, 상기 온도는 상기 타깃의 열 이미지를 획득하는 것에 의해 모니터링되는 것인, 컴퓨터로 구현되는 방법.
래스터 프로파일을 선택하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 제60항 내지 제88항 중 어느 한 항에 기재된 컴퓨터로 구현되는 방법을 수행하도록 구성된 복수의 모듈들을 포함하는 것인, 래스터 프로파일을 선택하기 위한 시스템.
빔을 동작시키는 방법으로서,
슈퍼 사이클에서 타깃의 스캔 가능한 표면에 걸쳐 하전 입자 빔을 스캔하는 단계
를 포함하고, 상기 슈퍼 사이클은 복수의 사이클들을 포함하고, 상기 복수의 사이클들의 각각의 사이클은 동일한 형상 및 상이한 방위각 배향(azimuthal orientation)을 가지며, 상기 복수의 사이클들은 상기 하전 입자 빔의 경로가 닫힌 루프로 상기 복수의 사이클들을 횡단하도록 함께 연결되는 것인, 빔을 동작시키는 방법.
제90항에 있어서, 상기 복수의 사이클들은 서로 180도만큼 방위각 오프셋된 2 개의 사이클을 포함하는 것인, 방법.
제90항에 있어서, 상기 복수의 사이클들은 서로 120도만큼 방위각 오프셋된 3 개의 사이클을 포함하는 것인, 방법.
제90항에 있어서, 상기 복수의 사이클들은 서로 90도만큼 방위각 오프셋된 4 개의 사이클을 포함하는 것인, 방법.