KR101378384B1 - 사이클로트론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코일부의 무게 및 부피를 감소시킴과 함께 일정 크기의 자기장의 세기를 유지할 수 있도록 구조가 개선된 사이클로트론에 관한 것이다. 본 발명에 따른 사이클로트론은 입자 가속화된 빔(beam)이 생성되는 챔버가 형성되는 본체와, 본체와 일정 간격을 두고 양측면의 적어도 일측면에 배치되어 외부로부터 전원을 공급 받아 전기장 및 자기장을 형성하는 적어도 하나의 코일부와, 본체와 코일부 사이에 배치되어 본체 내부로 전달되는 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자력발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 코일부와 본체 사이에 자기장을 형성시키는 자력발생부를 배치하여 동일한 자기장의 세기 조건 상에서 코일부 도선 감은 횟수를 감소시킴으로써, 코일부의 슬림화를 구현할 수 있고, 이에 따라 사이클로트론의 전체적인 볼륨을 슬림화 시킬 수 있다.

Description

사이클로트론{CYCLOTRON}

본 발명은, 사이클로트론에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 빔을 입자 가속화시켜 외부로 양성자 빔을 인출시킬 수 있는 사이클로트론에 관한 것이다.

입자가속기는 전자기의 원리를 이용하여 대전입자를 인공적으로 가속하는 장치이다. 입자가속기는 그 가속 방법에 따라 선형 가속기와 원형 가속기로 분류된다.

여기서, 선형 가속기는 주로 전자를 고진공 직선 궤도에 따라서 가속하는 것으로서, 코크로프트-윌턴장치나 밴더그래프정전고압발생기(Van der Graff generator)와 같이 직류 고전압으로서 일시에 가속하는 것과 고주파 전기장을 이용하는 것 등이 있다.

반면, 원형 가속기는 전술한 선형 가속기와는 달리, 입자를 고진공 원형 궤도에 따라 가속하는 것으로서, 그 종류로는 사이클로트론(cyclotron), 베타트론(betatron) 및 싱크로트론(synchrotron) 등이 포함된다.

한편, 입자가속기의 원형 가속기 중 사이클로트론은 그 구성 요소를 주요 부분으로 구분하면 입자 가속화된 빔이 생성되는 본체와, 본체 내부에 입자 가속화되어 일정 회전 주기를 가지고 궤도를 형성하는 빔을 양성자 빔으로 변환시키는 박막을 갖는 홀더조립체를 포함한다.

또한, 종래의 사이클로트론은 본체 내부에서 빔이 입자 가속화되도록 자기장을 형성하는 코일부를 더 포함한다. 이러한 코일부는 나사 모양이나 원통꼴로 여러 번 감은 도선(導線)의 집합체로 구성되며, 전류가 공급되면 전자기장을 형성한다.

그런데, 종래의 사이클로트론은 빔의 입자 가속을 위해 본체 내부에 형성되는 자기장의 세기를 일정 크기로 유지시켜야 하고, 이에 따라 코일부의 도선의 감은 횟수가 일정 크기의 자기장의 세기에 대응되도록 설계된다. 이러한 코일부의 무게 및 부피는 도선의 감은 횟수에 비례하여 증가한다.

그래서, 최근에는 코일부의 무게 및 부피를 감소시킴으로써, 사이클로트론의 슬림화를 구현할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 코일부의 무게 및 부피를 감소시킴과 함께 일정 크기의 자기장의 세기를 유지할 수 있도록 구조가 개선된 사이클로트론을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라, 사이클로트론에 있어서, 입자 가속화된 빔(beam)이 생성되는 챔버가 형성되는 본체와, 상기 본체와 일정 간격을 두고 양측면의 적어도 일측면에 배치되어 외부로부터 전원을 공급 받아 전기장 및 자기장을 형성하는 적어도 하나의 코일부와, 상기 본체와 상기 코일부 사이에 배치되어, 상기 본체 내부로 전달되는 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자력발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론에 의해 이루어진다.

여기서, 상기 챔버는 빔의 입자 가속 방향을 따라 제1챔버부 및 상기 제1챔버부보다 상대적으로 큰 빔의 입자 가속화 공간을 가진 제2챔버부가 교호적으로 형성되고, 상기 자력발생부는 상기 제1챔버부를 형성하는 상기 본체의 영역에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1챔버부의 자기장의 세기는 상기 제2챔버부의 자기장의 세기보다 큰 것이 바람직하다.

그리고, 상기 자력발생부는 영구자석을 포함할 수 있다.

한편, 상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라, 사이클로트론에 있어서, 빔(beam)의 입자 가속을 방향을 따라 입자 가속화된 빔이 생성되는 제1챔버부와 상기 제1챔버부보다 상대적으로 큰 빔의 입자 가속화 공간을 가진 제2챔버부가 교호적으로 형성되는 본체와, 상기 본체에 대해 일정 간격을 두고 양측면의 적어도 일측면에 배치되어 외부로부터 전원을 공급 받아 전기장 및 자기장을 형성하는 적어도 하나의 코일부와, 상기 제1챔버부를 형성하는 상기 본체의 영역과 상기 코일부 사이에 배치되어, 상기 제1챔버부로 전달되는 자기장을 형성하는 적어도 하나의 영구자석을 포함하며, 상기 제1챔버부의 자기장의 세기는 상기 제2챔버부의 자기장의 세기보다 큰 것을 특징으로 하는 사이클로트론에 의해 이루어진다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

따라서, 상기 과제의 해결 수단에 따르면, 코일부와 본체 사이에 자기장을 형성시키는 자력발생부를 배치하여 동일한 자기장의 세기 조건상에서 코일부 도선 감은 횟수를 감소시킴으로써, 코일부의 슬림화를 구현할 수 있고, 이에 따라 사이클로트론의 전체적인 볼륨을 슬림화 시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 평면 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 측면 전개 구성도,
도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 측면 전개 구성도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 구성 및 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

설명하기에 앞서, 본 발명의 바람직한 실시 예는 제1및 제2실시 예로 구분되어 설명되며, 도 1은 제1 및 제2실시 예를 포함하는 포괄적인 사이클로트론의 개략 평면 구성도 임을 미리 밝혀둔다. 또한, 본 발명의 제1 및 제2실시 예에 따른 사이클로트론에서 설명되는 동일한 구성 요소는 동일한 도면부호로 기재되었음도 미리 밝혀둔다.

이하에서 설명되는 사이클로트론은 운동하는 하전입자가 자기장 속에서 원을 그린다는 것을 이용해서, 자기장 속에서 입자를 회전 시키면서 그 회전 주기에 맞추어 고주파 전압을 되풀이하여 가속하는 입자가속기의 한 종류이다. 이러한 사이클로트론은 1932년 E.O 로렌스가 고안한 것으로, 큰 전자석의 극 사이에 원통형의 가속관을 두고, 이 관을 끼로 D라는 반원형 중공 전극을 서로 마주보도록 배치하였다. 여기서, 입자는 가속관의 중앙에 있는 이온원에서 방출되어, 강력한 자기장 안에서 운동을 시작하며 D의 틈새를 입자가 통과할 때마다 진행 방향으로 가속을 받도록 전압을 걸어준다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 평면 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 측면 전개 구성도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 사이클로트론(1)은 본체(100), 스위칭 마그네틱부(switching magnetic part)(200), 홀더조립체(300), 코일부(500) 및 자력발생부(700)를 포함한다.

본체(100) 내부에는 입자 가속화된 빔이 생성된다. 본 발명의 본체(100)는 제1본체(120), 제2본체(140), 챔버(160) 및 빔 인출부(180)를 포함한다. 본체(100)의 제1본체(120) 및 제2본체(140)는 상호 대향 배치된다. 제1본체(120) 및 제2본체(140)의 상호 대향 배치 사이의 이격 공간에는 빔이 입자 가속화되는 챔버(160)가 형성된다. 여기서, 본체(100) 외부에는 자기장을 형성하는 코일부(500)가 배치된다. 코일부(500)는 홀더조립체(300)를 설명한 후, 자력발생부(700)와 함께 상세히 설명하기로 한다.

제1본체(120) 및 제2본체(140)는 각각 외관을 형성하는 제1몸체부(122) 및 제2몸체부(142)를 포함하고, 또한, 각각 대향되는 방향으로 제1몸체부(122) 및 제2몸체부(142)로부터 돌출 형성된 제1돌출부(124) 및 제2돌출부(144)를 포함한다. 이렇게 제1본체(120) 및 제2본체(140) 사이의 이격 공간에는 제1몸체부(122)와 제2몸체부(142) 사이의 이격 공간인 제2챔버부(164)와, 제1돌출부(124)와 제2돌출부(144) 사이의 이격 공간인 제1챔버부(162)가 형성된다.

챔버(160)는 본체(100) 내부에 일정한 공간을 두고 형성된다. 챔버(160)는 제1본체(120)와 제2본체(140) 사이의 이격 공간에 형성되고, 이러한 본 발명의 챔버(160)는 제1챔버부(162) 및 제2챔버부(164)로 구분된다. 챔버(160)에는 코일부(500)의 자기장 영향 등에 의해 각각 상이한 에너지 준위(여기서, 에너진 준위는 A < B < C < D의 크기를 갖는다.)를 가진 복수의 빔이 상이한 회전 반경을 가지고 입자 가속화된다.

챔버(160)는 입자 가속화되는 빔이 기체 입자들과 충돌하여 전자의 손실이 발생되지 않도록 진공 상태로 유지되어야 한다. 상세히 설명하자면, 입자 가속화된 H- 빔의 두 번째 전자는 원자핵과의 결합력이 매우 약하고, 이로 인해 후술할 홀더조립체(300)의 박막을 통과하기 전에 주변의 기체 입자들과 충돌하여 전자가 손실되는 경우가 발생된다. 그래서, H- 빔의 전자 손실을 방지하기 위해 챔버(160) 내부는 진공도가

torr 이하로 유지되어야 한다.

본 발명의 제1챔버부(162)는 상호 대향된 제1본체(120)의 제1돌출부(124)와 제2본체(140)의 제2돌출부(144) 사이의 이격 공간으로 형성된다. 그리고, 제2챔버부(164)는 상호 대향된 제1본체(120)의 제1몸체부(122)와 제2본체(140)의 제2몸체부(142) 사이의 이격 공간으로 형성된다. 여기서, 제1챔버부(162)와 제2챔버부(164)는 교호적이며 연속적으로 형성된다. 즉, 빔의 입자 가속 방향을 따라 제1챔버부(162)와, 제1챔버부(162)보다 상대적으로 큰 빔이 입자 가속화 공간을 가진 제2챔버부(164)가 교호적으로 형성되는 것이다. 이렇게 제1챔버부(162) 및 제2챔버부(164)가 상호 상대적으로 차이가 나는 입자 가속화 공간을 가짐으로써, 챔버(160) 내부의 빔의 입자 가속이 원활해진다.

예를 들어 설명하면, 제1챔버부(162)보다 상대적으로 큰 빔의 입자 가속화 공간을 가진 제2챔버부(164)에서의 빔의 분산(산란)이 크게 이루어지고, 제2챔버부(164)보다 상대적으로 작은 빔의 입자 가속화 공간을 가진 제1챔버부(162)에서의 빔의 분산(산란)이 작게 이루어져 최종적으로 빔이 입자 가속화될 수 있다. 이러한 제1챔버부(162) 및 제2챔버부(164)에 형성되는 자기장은 각각 상이한 자기장의 세기를 가져야 빔의 입자 가속이 원활해 질 수 있다.

빔 인출부(180)는 챔버(160)에 생성된 입자 가속화된 빔을 외부로 인출시키는 통로 역할을 한다. 빔 인출부(180)로는 입자 가속화된 빔이 홀더조립체(300)에 의해 양성자 빔으로 변환되어 인출된다. 빔 인출부(180)에는 양성자 빔을 수령하는 스위칭 마그네틱부(200)가 배치된다.

스위칭 마그네틱부(200)는 빔 인출부(180)에 배치되어, 빔 인출부(180)로 유도되는 양성자 빔을 자체의 자기장을 이용하여 분산시키는 역할을 수행한다. 스위칭 마그네틱부(200)에 의해 분산되는 양성자 빔은 ¹⁸H₂O가 수용된 표적시스템(미도시)으로 유도된다. 여기서, 표적시스템은 이미 공지된 기술 사항이므로, 상세한 설명은 이하에서 생략하기로 한다.

홀더조립체(300)는 본체(100) 내부에 생성된 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시킨다. 홀더조립체(300)는 탄소 재질의 박막이 입자 가속화된 빔에 배치되어, 입자 가속화된 빔을 양성자 빔으로 변환시킨다. 또한, 홀더조립체(300)는 변환된 양성자 빔을 빔 인출부(180)로 유도하는 역할도 한다.

코일부(500)는 본체(100)와 일정 간격을 두고 본체(100)의 양측면의 적어도 일측면에 배치되어, 외부로부터 전원을 공급 받아 전기장 및 자기장을 형성한다. 본 발명의 제1실시 예와 같이, 본체(100)의 일측에 이격 거리를 두고 배치된다. 코일부(500)는 외부로부터 전원을 공급 받으면 전기장 및 자기장을 형성하는 전자석이다.

코일부(500)는 도선(導線)을 고리 모양으로 한 것, 나사선 형으로 감은 관 등으로 구성된다. 코일부(500)의 전기장 및 자기장은 외부로부터 공급되는 전원에 따라 달라질 수도 있고, 도선의 감은 횟수에 대응되어 달라질 수도 있다. 다만, 코일부(500)의 도선의 감은 횟수가 많아지면 전체적인 무게 및 크기가 증가된다. 그래서, 본 발명의 코일부(500)의 자기장은 후술할 자력발생부(700)와의 자기장과 동조될 수 있기 때문에 도선의 감은 횟수는 감소될 수 있다. 코일부(500)는 챔버(160)에서 빔이 입자 가속화 되도록 챔버(160) 내부에 자기장을 형성한다.

다음으로 자력발생부(700)는 본체(100)와 코일부(500) 사이에 배치되어, 본체(100) 내부로 전달되는 자기장을 형성한다. 본 발명의 제1실시 예에 따른 사이클로트론(1)의 자력발생부(700)는 제1본체(120)의 제1돌출부(124) 영역 내부에 배치된다. 자력발생부(700)는 제1돌출부(124) 상에 배치됨으로써, 제2챔버부(164) 대비 제1챔버부(162)에 큰 세기를 가진 자기장을 형성시킨다. 이렇게 자력발생부(700)에 의해 제1챔버부(162) 및 제2챔버부(164) 사이의 자기장의 세기 차이가 발생됨으로, 챔버(160) 내부의 빔의 입자 가속은 원활해진다. 여기서, 본 발명의 자력발생부(700)는 영구자석이 사용된다.

한편, 도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 사이클로트론의 개략 측면 전개 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시 예에 따른 사이클로트론(1)은 본 발명의 제1실시 예와 같이, 본체(100), 스위칭 마그네틱부(200), 홀더조립체(300), 코일부(500) 및 자력발생부(700)를 포함한다.

본 발명의 제2실시 예에 따른 사이클로트론(1)의 본체(100), 스위칭 마그네틱부(200) 및 홀더조립체(300)는 본 발명의 제1실시 예에 따른 사이클로트론(1)의 구성과 동일하므로, 이하에서 생략하기로 한다.

본 발명의 제2실시 예의 코일부(500)는 본 발명의 제1실시 예의 코일부(500)와는 달리, 본체(100)의 양측면에 배치된다. 본체(100)의 양측면에 배치된 코일부(500)는 본 발명의 제1실시 예의 코일부(500)보다는 더 큰 자기장의 세기를 형성시킬 수 있다.

마지막으로 본 발명의 제2실시 예의 자력발생부(700)는 본 발명의 제1실시 예의 자력발생부(700)와 달리, 제1본체(120)와 코일부(500) 사이 및 제2본체(140)와 코일부(500) 사이, 즉 2개가 배치된다. 물론, 자력발생부(700)는 제1챔버부(162)에 자기장이 형성되도록 각각 제1돌출부(124) 및 제2돌출부(144) 영역에 배치된다. 이때, 자력발생부(700)는 상호 N극 및 S극을 마주보게 배치하여 자기장의 세기를 극대화 시킬 수 있다.

이에, 코일부와 본체 사이에 자기장을 형성시키는 자력발생부를 배치하여 동일한 자기장의 세기 조건상에서 코일부 도선 감은 횟수를 감소시킴으로써, 코일부의 슬림화를 구현할 수 있고, 이에 따라 사이클로트론의 전체적인 볼륨을 슬림화 시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 사이클로트론(cyclotron) 100: 본체
120: 제1본체 122: 제1몸체부
124: 제1돌출부 140: 제2본체
142: 제2몸체부 144: 제2돌출부
160: 챔버 162: 제1챔버부
164: 제2챔버부 180: 빔 인출부
300: 홀더조립체 500: 코일부
700: 자력발생부

Claims (5)

1. 사이클로트론에 있어서,
   입자 가속화된 빔(beam)이 생성되는 챔버가 형성되는 본체와;
   상기 본체와 일정 간격을 두고 양측면의 적어도 일측면에 배치되어, 외부로부터 전원을 공급 받아 전기장 및 자기장을 형성하는 적어도 하나의 코일부와;
   상기 본체와 상기 코일부 사이에 배치되어, 상기 본체 내부로 전달되는 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자력발생부를 포함하고,
   상기 챔버는 빔의 입자 가속 방향을 따라 제1챔버부 및 상기 제1챔버부보다 상대적으로 큰 빔의 입자 가속화 공간을 가진 제2챔버부가 교호적으로 형성되고,
   상기 자력발생부는 상기 제1챔버부를 형성하는 상기 본체의 영역에 배치되며,
   상기 제1챔버부의 자기장의 세기는 상기 제2챔버부의 자기장의 세기보다 큰 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 자력발생부는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론.
5. 사이클로트론에 있어서,
   빔(beam)의 입자 가속을 방향을 따라 입자 가속화된 빔이 생성되는 제1챔버부와, 상기 제1챔버부보다 상대적으로 큰 빔의 입자 가속화 공간을 가진 제2챔버부가 교호적으로 형성되는 본체와;
   상기 본체에 대해 일정 간격을 두고 양측면의 적어도 일측면에 배치되어, 외부로부터 전원을 공급 받아 전기장 및 자기장을 형성하는 적어도 하나의 코일부와;
   상기 제1챔버부를 형성하는 상기 본체의 영역과 상기 코일부 사이에 배치되어, 상기 제1챔버부로 전달되는 자기장을 형성하는 적어도 하나의 영구자석을 포함하며,
   상기 제1챔버부의 자기장의 세기는 상기 제2챔버부의 자기장의 세기보다 큰 것을 특징으로 하는 사이클로트론.

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