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KR102123965B1 - Charged Particle Measurement Apparatus - Google Patents

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KR102123965B1
KR102123965B1 KR1020180170062A KR20180170062A KR102123965B1 KR 102123965 B1 KR102123965 B1 KR 102123965B1 KR 1020180170062 A KR1020180170062 A KR 1020180170062A KR 20180170062 A KR20180170062 A KR 20180170062A KR 102123965 B1 KR102123965 B1 KR 102123965B1
Authority
KR
South Korea
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charged particle
particle beam
ring member
incident
faraday cup
Prior art date
Application number
KR1020180170062A
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Korean (ko)
Inventor
윤형진
김윤철
장유순
최재원
최병호
박선순
Original Assignee
주식회사 다원시스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 다원시스 filed Critical 주식회사 다원시스
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Abstract

저출력 하전입자 빔 및 고출력 하전입자 빔을 하나의 장치로 동시에 측정하면서도, 링 부재의 회전에 의해 빔의 측정 및 통과를 손쉽게 제공할 수 있고, 고에너지의 입사 빔이 충돌하더라도 중성자 방출이 억제되어 방사선안전관리에 유리할 뿐만 아니라, 고출력 하전입자 빔에 의한 손상을 최소화하는 흑연 소재로 구성된 입자 수신 타켓을 포함함으로써 구현이 용이하면서도 입사된 하전입자 빔의 크기를 효과적으로 측정할 수 있는 장점을 갖는 패러데이 컵 어셈블리를 포함하는 하전입자 빔 전류 측정 장치에 관한 것이다.While simultaneously measuring a low-power charged particle beam and a high-power charged particle beam with a single device, it is possible to easily measure and pass the beam by rotation of the ring member, and even when a high energy incident beam collides, neutron emission is suppressed and radiation is suppressed. The Faraday cup assembly has the advantage of being easy to implement and effectively measuring the size of the incident charged particle beam by including a particle receiving target made of graphite material that is not only advantageous for safety management, but also minimizes damage by the high-power charged particle beam. It relates to a charged particle beam current measuring device comprising a.

Description

하전입자 측정 장치{Charged Particle Measurement Apparatus}Charged Particle Measurement Apparatus

본 발명에 따른 일 실시예는 하전입자의 전류, 즉 입자의 개수, 측정 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 하전입자 빔이 들어오는 패러데이 컵(Faraday Cup)의 일면을 흑연(graphite)으로 구성하여 고에너지 대전류 이온 또는 양성자 빔을 안정되게 측정하는 하전입자 전류 측정 장치에 관한 것이다.One embodiment according to the present invention relates to a current of charged particles, that is, the number of particles, a measuring device. More specifically, the present invention relates to a charged particle current measuring device that stably measures a high-energy large-current ion or proton beam by constructing one surface of a Faraday Cup through which charged particle beams are made of graphite.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐, 종래기술을 구성하는 것이 아니다.The contents described below merely provide background information related to an embodiment according to the present invention, and do not constitute a prior art.

전자(Electron), 양성자(Proton), 이온(Ion), 중양자(Deuteron) 등의 전하를 띤 하전입자(Charged Particle)는 적당한 운동에너지를 갖도록 가속하여 재료의 가공이나 물질분석, 및 핵반응 유도에 사용된다. 이러한 하전입자들은 구성 성분의 플라즈마로부터 생성한 후 전기장을 걸어 입자 가속 등의 과정을 거쳐 빔(Beam)의 형태로 가공되어야 효과적인 응용이 가능하다.Charged Particles with charges such as Electron, Proton, Ion, and Deuteron accelerate to have proper kinetic energy and are used for material processing, material analysis, and nuclear reaction induction. do. These charged particles are generated from the plasma of the constituent components, and then applied to an electric field to process them in the form of a beam through a process such as particle acceleration.

하전입자 빔(Charged Particle Beam)은 식각(Etching), 도핑(Doping), 이온주입(Ion Implantation) 등의 다양한 나노구조 및 반도체 제조 공정에 사용되는 장치, 양성자 치료, 중성자 치료, 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy) 시설과 같은 입자빔 치료 장치에 주로 사용된다.Charged Particle Beam is a device used in various nano structures and semiconductor manufacturing processes such as etching, doping, and ion implantation, proton treatment, neutron treatment, and boron neutron capture treatment ( It is mainly used for particle beam treatment devices such as BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) facilities.

이러한 하전입자 빔 장치는 시간에 따라 빔 전류(Beam Current)의 특성이 변화하므로, 목적하는 양(量)의 입자 빔을 수송하기 위해서는 주기적으로 하전입자 빔의 전류를 측정하여 조정할 필요가 있다. 이를 위해 일반적으로 빔 소송 도중에 적당한 이온 빔 전류 측정 장치를 두어 전류를 측정하여 하전입자의 양을 측정하는 것이 필요하다.Since the characteristics of the beam current of the charged particle beam device change with time, it is necessary to periodically measure and adjust the current of the charged particle beam in order to transport the desired amount of particle beam. For this, it is generally necessary to measure the amount of charged particles by measuring the current by placing a suitable ion beam current measuring device during a beam suit.

가장 일반적으로 하전입자 전류 측정에 사용되는 장치가 패러데이 컵(Faraday Cup)이다. 통상적으로, 패러데이 컵은 공간전하(Space Charge)를 방지하기 위하여 도체인 금속 재질로 형성되며, 상면에 개구가 있고 측면과 하단은 폐쇄된 컵 형상을 가져, 일단 들어와 포집된 하전입자가 빠져나가지 못하도록 한 구조이다. The device most commonly used to measure charged particle current is the Faraday Cup. Typically, the Faraday cup is formed of a metallic material that is a conductor to prevent space charge, and has an opening on the top surface and a closed cup shape on the side and bottom, so that once collected, the collected charged particles do not escape. It is a structure.

전류의 측정은 패러데이 컵 안으로 입사된 하전입자 빔이 도전성이 있는 컵에 닿을 때 전달되는 전류량을 검출함으로써 이루어진다. 패러데이 컵은 단위 시간에 대한 전류량을 검출하기 때문에 연속 전류 또는 펄스 전류 동작을 하는 하전입자 빔의 전류 측정에 모두 유용하다.The measurement of the current is made by detecting the amount of current delivered when the charged particle beam incident into the Faraday cup touches the conductive cup. The Faraday cup detects the amount of current over a unit of time, which is useful for measuring the current of a charged particle beam with continuous or pulsed current operation.

패러데이 컵은 하전입자 빔이 생성되는 이온원(Ion Source)으로부터 최종 목적지인 표적(Target)을 잇는 빔의 수송(Transport) 경로 상의 한 지점에 위치하여, 빔의 수송 경로를 차단하면서 단위 시간당 하전입자 수를 측정한다. 전류의 측정이 끝나면, 패러데이 컵은 이온 빔의 수송에 방해가 되지 않도록 빔의 진행 경로에서 벗어나도록 배치된다.The Faraday Cup is located at a point on the transport path of the beam that connects the final destination, the target, from the ion source where the charged particle beam is generated, while blocking the transport path of the beam, charged particles per unit time Measure the number. When the current is measured, the Faraday cup is placed out of the beam's traveling path so as not to interfere with the transport of the ion beam.

종래의 입자빔 전류 측정 장치의 경우, 측정시에 컵의 위치를 수평, 수직으로 이동시키면서 측정한다. 이러한 반복되는 기계적인 움직임은 패러데이 컵 어셈블리(Faraday Cup Assembly)의 구성이 복잡할 뿐만 아니라, 마모 또는 결함을 야기할 수 있다. 또한, 마모 또는 결함에 의해 발생하는 미세한 먼지 발생과, 패러데이 컵 어셈블리를 포함하는 진공함(Vacuum Chamber)에 진공 누수 등의 문제점을 초래할 수 있다.In the case of a conventional particle beam current measuring device, the measurement is performed while moving the position of the cup horizontally and vertically during measurement. This repetitive mechanical movement is not only complicated in the configuration of the Faraday Cup Assembly, but can also cause wear or defects. In addition, fine dust generated due to wear or defects and vacuum leakage may occur in a vacuum chamber including a Faraday cup assembly.

한편, 수 MeV 이상의 고에너지 양성자 하전입자 빔이 패러데이 컵에 입사되는 경우, 하전입자 빔이 충돌하는 물질의 원자핵과 핵반응을 일으켜 방사선 발생을 유발할 수 있으며, 패러데이 표적 물질에서 방출된 가스배출(outgassing)로 인해 빔 수송계의 압력이 상승하여 진공도가 저하될 수 있다. On the other hand, when a high energy proton charged particle beam of several MeV or more is incident on the Faraday cup, the charged particle beam may cause nuclear reaction with the nuclear nucleus of the colliding material to cause radiation generation, and outgassing emitted from the Faraday target material Due to this, the pressure of the beam transport system increases, and the vacuum degree may decrease.

따라서 패러데이 컵 어셈블리를 포함하는 진공함의 구성을 단순화시키면서도 내구성을 가지며, 고에너지, 고전류, 즉 고출력의 빔까지 넓은 범위의 빔 출력 구간에 대하여 이온빔 전류를 정밀하게 측정할 수 있는 장치가 필요하다.Accordingly, there is a need for a device capable of accurately measuring the ion beam current over a wide range of beam output ranges from high energy, high current, that is, high power beam, while simplifying the configuration of the vacuum box including the Faraday cup assembly.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공함의 구성을 단순화시키면서도 패러데이 컵에 의한 신속한 빔 전류 측정을 수행하고, 내구성을 담보할 수 있는 하전입자 전류 측정 장치를 제공하는 데에 목적이 있다. 특히, 수 MeV 이상의 고에너지 및 수십 kW 이상의 고출력 범위의 하전입자 빔 전류를 측정할 수 있는 하전입자 빔 전류 측정 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.According to an embodiment of the present invention, an object of the present invention is to provide a charged particle current measuring device capable of performing rapid beam current measurement by a Faraday cup while simplifying the configuration of a vacuum box and ensuring durability. In particular, it is an object to provide a charged particle beam current measuring device capable of measuring a charged particle beam current in a high energy range of several MeV or more and a high power range of several tens of kW or more.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저비용으로 쉽게 구성 가능한 하전입자 빔 전류 측정 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is an object to provide a charged particle beam current measuring device that can be easily configured at low cost.

본 발명의 일 실시예에 따른 하전입자 빔 전류 측정 장치는, 하전입자 빔(Charged Particle Beam)의 수송경로 상에 배치되는 진공함; 및 진공함 내에 수송경로에 대해 수직인 회전축을 갖는 패러데이 컵 어셈블리(Faraday Cup Assembly)를 포함하되, 패러데이 컵 어셈블리는, 수송경로와 회전축의 교차점을 중심으로 배치되는 링 부재; 링 부재의 원주면 일측에 형성되는 평면인 접합면 상에 배치되되, 평면은 링 부재의 중심축과 회전축을 포함하는 평면에 평행한 제1수집부; 하전입자 빔이 입사되는 진공함의 입구와 링 부재 사이에 배치되되, 수송경로를 감싸는 실린더 형태인 제2수집부; 및 회전축과 링 부재의 내부에 형성되는 냉각유로 및 제1수집부에 입사되는 하전입자 빔에 의해 냉각유로에 유입되는 열량을 측정하는 열량센서를 포함하는 제3수집부를 포함하고, 링 부재의 중심축이 수송경로와 나란한 제1위치로 링 부재가 회전 배치되면 하전입자 빔을 통과시키고, 제1수집부에 하전입자 빔이 수직으로 입사되는 제2위치로 링 부재가 회전 배치되면 제1수집부 및 제2수집부에 의해 상기 하전입자 빔의 입사량이 측정되며, 제1수집부는 흑연(graphite)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Charged particle beam current measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, a vacuum box disposed on the transport path of the charged particle beam (Charged Particle Beam); And a Faraday Cup Assembly having a rotation axis perpendicular to the transport path in the vacuum box, wherein the Faraday Cup assembly comprises: a ring member disposed about an intersection of the transport path and the rotation axis; It is disposed on a bonding surface that is a plane formed on one side of the circumferential surface of the ring member, the plane is a first collection portion parallel to the plane including the central axis and the rotation axis of the ring member; A second collection part disposed between the inlet and the ring member of the vacuum box to which the charged particle beam is incident, and in the form of a cylinder surrounding the transport path; And a third collecting unit including a cooling channel formed inside the rotating shaft and the ring member, and a calorific sensor for measuring the amount of heat flowing into the cooling channel by the charged particle beam incident on the first collecting unit, and the center of the ring member. When the ring member is rotated to the first position along the transport path along the axis, the charged particle beam passes through, and when the ring member is rotated to the second position where the charged particle beam is vertically incident to the first collector, the first collector And the incident amount of the charged particle beam is measured by the second collecting portion, and the first collecting portion is made of graphite.

또한, 제1수집부는 수송계의 고진공과 조립의 간편성을 확보하도록 블레이징(brazing)에 의해 접합면에 접합되는 것을 특징으로 한다. In addition, the first collection unit is characterized in that it is bonded to the bonding surface by brazing (brazing) to ensure the high vacuum and ease of assembly of the transport system.

또한, 블레이징에 의한 제1수집부와 접합면 사이의 접합층은 열전달에 유리하도록 실버 페이스트(silver paste)를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the bonding layer between the first collecting portion and the bonding surface by blazing is characterized in that it comprises a silver paste (silver paste) to favor heat transfer.

또한, 접합면은, 제1수집부 측면의 적어도 일부와 내측벽이 접합되도록 형성되는 포켓부의 바닥 면인 것을 특징으로 한다. In addition, the bonding surface is characterized in that the bottom surface of the pocket portion formed so that at least a portion of the side surface of the first collection portion and the inner wall are joined.

또한, 제1수집부의 두께는, 하전입자 빔의 제1수집부로의 침투 깊이 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the thickness of the first collecting portion is characterized in that it is formed so as to exceed the penetration depth of the charged particle beam to the first collecting portion.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 패러데이 컵의 단순 회전 동작만으로 빔 측정이 이루어져 측정 시간이 단축되고 측정 시스템의 내구성이 증대되는 효과가 있다. 또한 하전입자 빔이 입사되는 면을 흑연 소재로 구성함으로써 입사 빔 충돌에 의한 중성자 방출이 작고, 대전류 빔의 입사에 의한 고온의 발열을 전달하여 냉각할 수 있으며, 빔의 충돌에 의한 방사화가 최소화될 뿐 아니라, 이로 인한 진공함의 진공도 저하가 최소화되는 효과가 있다. According to an embodiment of the present invention, a beam measurement is performed only by a simple rotating operation of the Faraday cup, thereby reducing measurement time and increasing durability of the measurement system. In addition, by constructing the surface where the charged particle beam is incident with graphite material, neutron emission due to incident beam collision is small, and high-temperature heat generated by the incident of the large current beam can be transferred to cool, and radiation caused by collision of the beam can be minimized. In addition, there is an effect of minimizing the reduction in the vacuum degree of the vacuum box.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치에 포함되는 패러데이 컵 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 2는 Cu-63과 Cu-65 동위 원소의 양성자 충돌에 의한 중성자 발생 문턱 에너지를 해석한 결과이다.
도 3은 흑연의 구성 동위 원소 중 C-12의 양성자 충돌에 의한 중성자 발생 문턱 에너지를 해석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 형태의 제1수집부 구조를 나타낸다.
도 5는 양성자 에너지에 따른 침투 깊이를 전산모사로 해석하는 내용을 나타낸다.
도 6은 양성자 에너지에 따른 흑연 소재 내로의 침투 깊이를 전산모사로 해석한 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 측정 장치의 제1수집부를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 측정 장치의 제1수집부를 나태는 상세 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 전류를 측정하기 위한 환경을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 하전입자 빔을 차단하는 경우의 패러데이 컵 어셈블리를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 하전입자 빔을 통과시키는 경우의 패러데이 컵 어셈블리를 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치의 패러데이 컵 어셈블리를 원격으로 제어하기 위한 구성도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치의 2차전자 억제부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 측정 장치의 2차전자 억제부 측의 상세 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치의 열량 측정 환경을 도시한다.
1 is a view showing a Faraday cup assembly included in a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a result of analyzing the threshold energy of neutron generation due to proton collision of Cu-63 and Cu-65 isotopes.
3 is a result of analyzing the threshold energy of neutron generation due to proton collision of C-12 among the isotopes of graphite.
4 shows the structure of the first collection unit in two forms according to an embodiment of the present invention.
5 shows the contents of interpreting the penetration depth according to proton energy as a computer simulation.
Figure 6 shows the results of analyzing the depth of penetration into the graphite material according to the proton energy by computer simulation.
7 is a photograph showing a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.
8 is a photograph showing a first collection unit of a particle measurement device manufactured according to an embodiment of the present invention.
9 is a detailed photo showing a first collection unit of the particle measurement device manufactured according to an embodiment of the present invention.
10 is a view showing an environment for measuring current using a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.
11 illustrates a Faraday cup assembly when blocking a charged particle beam using a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.
12 shows a Faraday cup assembly when passing a charged particle beam using a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.
13 is a configuration diagram for remotely controlling the Faraday cup assembly of the particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
14 is a conceptual diagram illustrating a secondary electron suppression unit of a particle measurement device according to an embodiment of the present invention.
15 is a detailed photo of the secondary electron suppression unit side of the particle measurement device manufactured according to an embodiment of the present invention.
16 illustrates an environment for measuring calories in a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 일 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that, when adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same reference numerals as possible, even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing one embodiment of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of an embodiment of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따른 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅰ), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성 요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the components of the embodiment according to the present invention, first, second, iii), ii), a), b), etc. may be used. These symbols are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order, or order of the components is not limited by the symbols. Also, when a part in the specification refers to'include' or'equipment' a component, it means that other components may be further included rather than excluding other components, unless explicitly stated to the contrary. do.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치에 포함되는 패러데이 컵 어셈블리를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a Faraday cup assembly included in a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1(a)는 일 실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리(100, Faraday Cup Assembly)가 구비된 진공함의 외형을 나타내고, 도 1(b)는 도 1(a)의 반단면도로서, 일 실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리(100)의 구조를 나타낸다.Figure 1 (a) is a Faraday Cup Assembly according to an embodiment (100, Faraday Cup Assembly) shows the appearance of a vacuum box, Figure 1 (b) is a cross-sectional view of Figure 1 (a), in one embodiment The structure of the Faraday cup assembly 100 is shown.

일 실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리(100)는 하전입자 빔의 경로 상에 배치되는 링 형상의 링 부재(102)가 회전 배치됨으로써 빔을 통과 또는 차단시키도록 구성된 것이 특징이다. 빔을 차단하도록 배치되는 경우, 하전입자 빔의 단위 시간 당 입사량을 측정하고, 빔을 통과시키도록 배치되는 경우, 입사되는 하전입자 빔은 패러데이 컵 어셈블리(100)를 통과한다.The Faraday cup assembly 100 according to an embodiment is characterized in that the ring-shaped ring member 102 disposed on the path of the charged particle beam is rotated and arranged to pass or block the beam. When arranged to block the beam, the amount of incidence per unit time of the charged particle beam is measured, and when arranged to pass the beam, the incident charged particle beam passes through the Faraday cup assembly 100.

패러데이 컵 어셈블리(100)는 플랜지(101), 링 부재(102), 제1수집부(102-A), 회전축(103), 절연체(104), 오링(105, O-ring), 제2수집부(106), 억제 자석(107, Suppression Magnet), 2차전자 억제부(108, Secondary Electron Suppression Unit), 하우징(109, Housing), 주입부(103-A) 및 배출부(103-B)를 포함한다.The Faraday cup assembly 100 includes a flange 101, a ring member 102, a first collecting portion 102-A, a rotating shaft 103, an insulator 104, an O-ring 105, and an O-ring. Part 106, Suppression Magnet 107, Secondary Electron Suppression Unit 108, Housing 109, Housing, Injection 103-A and Discharge 103-B It includes.

링 부재(102)는 빔을 통과시키도록 형성된 링 중앙의 구멍 부분, 회전축(103)에 연결되는 부분, 회전축(103) 방향과 나란하되 구멍 부분의 중심축에 수직이며 링 부재(102)의 외주면에 평면 형태로 형성되는 적어도 하나의 접합면, 접합면을 냉각하도록 형성되고 회전축(103) 내부를 통해 주입부(103-A) 및 배출부(103-B)와 유체 연통되도록 형성되는 냉각유로를 포함한다. The ring member 102 is a hole portion in the center of the ring formed to pass the beam, a portion connected to the rotating shaft 103, parallel to the direction of the rotating shaft 103, perpendicular to the central axis of the hole portion, and the outer peripheral surface of the ring member 102 A cooling passage formed to cool at least one bonding surface and a bonding surface formed in a flat shape, and formed to be in fluid communication with the injection part 103-A and the discharge part 103-B through the inside of the rotating shaft 103. Includes.

링 부재(102)는 회전축(103)에 연결되어 회전축(103)이 회전됨으로써 배치 위치가 회전될 수 있도록 구성된다. 링 부재(102)와 회전축(103)은 일체로 형성될 수 있다. 링 부재(102)는 하전입자 빔의 수송방향과 나란하도록 구멍 부분의 중심축이 놓이도록 회전 배치되면 하전입자 빔을 통과시킨다. 적어도 하나의 접합면에는 제1수집부(102-A)가 블레이징(brazing)에 의해 접합될 수 있다. 링 부재(102)의 접합면, 즉 제1수집부(102-A)가 입사되는 하전입자 빔에 수직으로 놓이도록 회전 배치되면 하전입자 빔은 제1수집부(102-A)에 충돌하여 흡수 또는 반사된다. 제1수집부(102-A)에 입사된 하전입자 빔에 의한 전류를 진공함 외부의 계측시스템으로 전달하기 위해 제1수집부(102-A), 링 부재(102) 및 회전축(103)은 전기전도성 소재로 이루어진다. 또한, 제1수집부(102-A), 링 부재(102) 및 회전축(103)은 대전류로 입사되는 하전입자 빔에 의한 발열을 효과적으로 전달 및 냉각하기 위해 열전도도가 높은 소재가 바람직하다. 일 실시예에서 링 부재(102) 및 회전축(103)은 전기 및 열 전도 특성이 우수한 구리(copper) 또는 알루미늄 소재가 사용될 수 있다. 소재의 가스배출을 고려하면 구리인 것이 바람직하다. 한편, 하전입자 빔이 직접 충돌하는 제1수집부(102-A)는 입자의 충돌에 의한 손상 및 이로 인한 가스배출(outgassing)이 적어야 한다. The ring member 102 is configured to be connected to the rotating shaft 103 so that the arrangement position can be rotated by rotating the rotating shaft 103. The ring member 102 and the rotating shaft 103 may be integrally formed. The ring member 102 passes through the charged particle beam when it is rotated so that the central axis of the hole portion lies in parallel with the transport direction of the charged particle beam. The first collection portion 102-A may be joined to at least one bonding surface by brazing. When the bonding surface of the ring member 102, that is, the first collecting portion 102-A is rotated and disposed to be perpendicular to the incident charged particle beam, the charged particle beam collides and absorbs the first collecting portion 102-A Or is reflected. The first collecting part 102-A, the ring member 102 and the rotating shaft 103 are used to transfer the current from the charged particle beam incident on the first collecting part 102-A to the measurement system outside the vacuum chamber. It is made of an electrically conductive material. In addition, the first collector 102-A, the ring member 102 and the rotating shaft 103 are preferably a material having high thermal conductivity to effectively transfer and cool heat generated by the charged particle beam incident with a large current. In one embodiment, the ring member 102 and the rotating shaft 103 may be made of a copper or aluminum material having excellent electrical and thermal conductivity properties. Considering the gas discharge of the material, it is preferable that it is copper. On the other hand, the first collection unit 102-A in which the charged particle beam directly collides must have less damage due to collision of particles and outgassing due to the collision.

이러한 사항들을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1수집부(102-A)는 흑연(graphite) 소재의 판형 부재를 이용하며, 이를 블레이징에 의해 링 부재(102)의 접합면에 접합한다. 흑연 소재인 제1수집부(102-A)의 배면과 구리 소재인 접합면을 접합하는 블레이징 층에는 열전달 효율을 높이기 위해 실버 페이스트(silver paste)를 포함할 수 있다. In consideration of these matters, the first collecting part 102-A according to an embodiment of the present invention uses a plate-shaped member made of graphite, and is attached to the bonding surface of the ring member 102 by blazing. To join. The blazing layer that bonds the back surface of the first collector portion 102-A, which is a graphite material, and the bonding surface, which is a copper material, may include a silver paste to increase heat transfer efficiency.

통상의 입자 전류 측정장치에서 하전입자 빔이 입사되는 부재는 구리 재질을 사용한다. 구리의 구성 동위원소 비는 원자질량수가 63인 Cu-63(69.15%)과 65인 Cu-65(30.85%)가 대부분을 차지하고 있다. 도 2를 참조하면, Cu-63과 Cu-65 동위 원소의 양성자 충돌에 의한 중성자 발생 문턱 에너지는 각각 4.22 MeV 와 2.17 MeV이며, 10 MeV의 양성자 충돌에 대한 중성자 생성 반응 단면적은 각각 345 mb(milli-Barn), 0.708 mb이다. 이는 고출력 양성자 가속장치의 빔 전류를 직접적으로 측정할 경우 다량의 중성자를 방출시킬 우려가 있음을 의미한다. 또한 생성된 중성자는 기존 측정장치의 구성 물질인 구리 및 하우징 재질(예컨대, SUS-304 등)과 반응하여 2차 방사성 핵종을 생성한다. 방사화 된 측정장치의 잔류 방사능은 가속장치의 운전을 멈춘 이후에도 감쇠되는 동안 종사자의 피폭을 증가시킬 우려가 있으며, 장기간 사용의 경우 추가 차폐 및 방사성 폐기물로서의 고려가 필요할 수 있게 된다.In a conventional particle current measuring device, the member to which the charged particle beam is incident is made of copper. The compositional isotope ratio of copper occupies most of Cu-63 (69.15%) having an atomic mass of 63 and Cu-65 (30.85%) of 65. Referring to FIG. 2, the threshold energy of neutron generation due to proton collision of the Cu-63 and Cu-65 isotopes is 4.22 MeV and 2.17 MeV, respectively, and the cross-sectional area of the neutron generation reaction for 10 MeV proton collision is 345 mb (milli -Barn), 0.708 mb. This means that if the beam current of a high-power proton accelerator is directly measured, there is a fear of emitting a large amount of neutrons. In addition, the generated neutron reacts with copper and housing material (eg, SUS-304, etc.), which are components of the existing measuring device, to generate secondary radionuclides. Residual radioactivity of the radioactive measuring device may increase the exposure of workers during attenuation even after stopping the operation of the accelerator, and for long-term use, additional shielding and consideration as radioactive waste may be necessary.

반면, 도 3을 참조하면, 흑연의 구성 동위 원소 중 C-12은 약 19 MeV의 (p, n) 핵반응의 문턱 에너지를 갖는다. 이러한 흑연의 높은 문턱 에너지는, 예컨대 상용의 고출력 이온가속기의, 10 MeV 수준의 고출력의 양성자 빔이 입사되더라도 그러한 충돌에너지로 인해 중성자가 발생되지 않음을 의미하며, 따라서 2차 방사성 동위원소도 생성되지 않는다. 흑연의 구성 동위 원소 중 C-13의 경우 3.24 MeV의 (p, n) 핵반응 단면적을 갖으며, 중성자에 의한 2차 방사성 동위원소로서 C-14를 생성한다. 그러나 C-13은 매우 적은 자연계 존재 비율(1.11%)과 수십 micro barns 단위의 C-14 생성 반응단면적을 갖기 때문에 이 양은 무시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연 소재로 이루어진 제1수집부(102-A)는, 통상의 구리 소재인 경우와 비교하여, 고에너지의 입사 빔이 충돌하더라도 중성자 방출이 억제되고, 장치의 방사화 이슈가 경감되므로 방사선안정성 확보가 용이할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 흑연 소재를 사용함으로써, 양성자 충돌에 대한 중성자 생성의 문턱에너지가 높아 고에너지 빔이 사용되는 환경에서 방사선안전관리 측면의 대응을 용이하게 할 수 있다.On the other hand, referring to Figure 3, C-12 of the isotopes of graphite has a threshold energy of (p, n) nuclear reaction of about 19 MeV. The high threshold energy of such graphite means that even when a high-power proton beam of 10 MeV, for example, of a commercial high-power ion accelerator is incident, no neutrons are generated due to such collision energy, and thus secondary radioactive isotopes are not generated. Does not. Among the isotopes of graphite, C-13 has a cross-sectional area of 3.24 MeV (p, n) nuclear reaction, and produces C-14 as a secondary radioactive isotope by neutrons. However, this amount can be neglected because C-13 has a very small percentage of natural presence (1.11%) and a reaction area of C-14 production in the order of tens of micro barns. Therefore, in the first collector portion 102-A made of a graphite material according to an embodiment of the present invention, neutron emission is suppressed even when a high energy incident beam collides, compared to a case of a normal copper material, and the device Since the issue of radiation is reduced, it may be easy to secure radiation stability. That is, in one embodiment of the present invention, by using a graphite material, it is possible to facilitate the response of the radiation safety management aspect in an environment in which a high energy beam is used because the threshold energy of neutron generation against proton collision is high.

한편, 흑연 소재는 열전도도 및 전기 전도도가 매우 높을 뿐만 아니라 경도와 녹는 점도 매우 높은 특성을 가져, 입사된 대전류의 빔 에너지를 흡수하고 입사된 하전입자에 의한 전류를 전달하는 소재로서 매우 적합하다. 특히, 흑연 소재는 제동 복사(Bremsstrahlung) 생성 효율이 다른 금속 소재에 비해 매우 낮다. 즉, 입사되어 제1수집부(102-A)에 충돌하는 입자에 의해 외부로 방사되는, X-ray 등 다양한 형태의 전자기 복사의 발생이 낮을 수 있다. 이 때문에 원자로의 차폐벽 등 고에너지 빔의 차폐에 활용되기도 한다. On the other hand, the graphite material has a very high thermal conductivity and electrical conductivity as well as a very high hardness and melting viscosity, and is very suitable as a material that absorbs beam energy of an incident large current and transmits current by the charged particles. In particular, the graphite material has a very low efficiency of brakingstrahlung production compared to other metal materials. That is, the generation of various types of electromagnetic radiation such as X-rays, which is incident to and radiated to the outside by particles that collide with the first collector 102-A, may be low. For this reason, it is also used for shielding high energy beams, such as the reactor's shield wall.

본 발명은 수 MeV 이상인 하전입자 빔이 흑연 소재에 입사되도록 함으로써 대전류 빔에 적합한 측정 시스템을 구축하는 것이 특징이다. 제1수집부(102-A)에 통상의 구리 소재가 사용되는 경우를 가정하면, 잦은 대전류 빔 입사에 의해 표면이 파손되고, 고온으로 입사면이 가열됨으로써 더욱 기계적 특성이 저하되며, 고에너지 빔 충돌에 의해 입자가 많이 방출됨으로써 진공 라인의 오염이 증가하여 결과적으로 진공도 저하에 의해 장비 운영이 곤란해질 수 있다. 이에 비해 흑연 소재는 입사된 빔을 흡수하는 특성이 우수하며, 고온에서의 강도도 매우 높을 뿐만 아니라 발생된 열을 외부로 전달하는 능력도 매우 뛰어난 장점이 있어 고출력의 하전입자 빔을 수신하는 소재로서 적합하다. The present invention is characterized in that a measuring system suitable for a large current beam is constructed by allowing a charged particle beam having a number of MeV or more to enter the graphite material. Assuming a case in which a common copper material is used for the first collector portion 102-A, the surface is damaged by frequent large current beam incidence, and the mechanical surface is further deteriorated by heating the incident surface at a high temperature, and a high energy beam Contamination of the vacuum line increases due to the large amount of particles emitted by the collision, and consequently, the operation of the equipment may be difficult due to a decrease in vacuum. On the other hand, graphite material has the advantage of absorbing the incident beam, the strength at high temperature is very high, and the ability to transfer the generated heat to the outside is very excellent. Suitable.

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한편, 흑연은 제조 방식이나 제조된 상태에 따라 평면 방향 및 두께 방향의 열전도도가 차이가 나지만, 대개의 경우 구리나 알루미늄 보다 더 큰 열전도도를 가진다. 결정이 성장되어 연결된 주된 방향인 평면 방향으로의 열전도도가 높게 나타나며, 예컨대 370 W/m·K 수준인 경우가 보통이며, HOPG(Highly oriented pyrolytic graphite)의 경우에는 평면 방향으로 1700 W/m·K의 열전도도를 가지는 경우도 있다. 다만, 대개의 경우 두께 방향의 열전도도는 평면 방향 보다는 낮은 것이 일반적이다. On the other hand, graphite has different thermal conductivity in the planar direction and the thickness direction depending on the manufacturing method or the manufactured state, but in most cases, it has a greater thermal conductivity than copper or aluminum. The primary direction in which crystals are grown and connected is a high thermal conductivity in the planar direction, for example, usually at a level of 370 W/m·K, and in the case of HOPG (Highly oriented pyrolytic graphite), 1700 W/m· in the planar direction. It may also have a thermal conductivity of K. However, in most cases, the thermal conductivity in the thickness direction is generally lower than the plane direction.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 형태의 제1수집부 구조를 나타낸다.4 shows the structure of the first collection unit in two forms according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)를 참조하면, 제1수집부(102-A)는 링 부재(102)의 측면에 편평하게 형성된 접합부에 직접 접합될 수도 있으며, 도 4(b)를 참조하면, 제1수집부(102-A)의 두 측면이 링 부재(102)의 측면에 포켓 형태로 형성된 부위에 끼워져 접합되는 형태로 실시될 수도 있다.Referring to FIG. 4(a), the first collection portion 102-A may be directly bonded to a joint formed flat on the side surface of the ring member 102. Referring to FIG. 4(b), the first collection portion The two sides of the portion 102-A may be embodied in a form of being fitted into a portion formed in a pocket shape on the side surface of the ring member 102.

도 4(b)와 같은 구조로 제1수집부(102-A)를 접합하는 경우에, 링 부재(102)의 측면에 형성되는 접합면은 제1수집부(102-A) 측면의 적어도 일부와 내측벽이 접합되도록 형성된 포켓부의 바닥에 해당할 수 있다. 즉, 도 4(b)를 참조하면, 제1수집부(102-A)인 흑연 평판의 배면은 실버 페이스트를 포함하는 블레이징 재료를 이용하여 블레이징 되어 포켓부의 바닥면에 접합되고, 제1수집부(102-A)의 두 측면은 링 부재(102)에 구비된 포켓부의 측면에 마찬가지로 실버 페이스트를 포함하는 블레이징 재료를 이용하여 블레이징 될 수 있다. 도 4(a)와 비교하면 도 4(b)의 실시예는 링 부재(102)에 포켓 형태의 접합부를 형성하기 위해 추가 가공이 필요하지만, 입사되는 하전입자 빔에 의한 발열을 링 부재(102) 및 이에 연결된 냉각 계통으로 열전달하는 효율이 증대될 수 있다. In the case of joining the first collecting portion 102-A in a structure as shown in FIG. 4(b), the bonding surface formed on the side surface of the ring member 102 is at least part of the side surface of the first collecting portion 102-A. It may correspond to the bottom of the pocket portion formed so that the inner wall and the junction. That is, referring to FIG. 4(b), the back surface of the graphite flat plate, which is the first collecting portion 102-A, is blazed using a blazing material containing silver paste, and is bonded to the bottom surface of the pocket portion. Both sides of the collecting section 102-A may be blazed on the side of the pocket portion provided on the ring member 102 using a brazing material containing silver paste. Compared to FIG. 4(a), the embodiment of FIG. 4(b) requires additional processing to form a pocket-shaped junction in the ring member 102, but the ring member 102 generates heat due to the incident charged particle beam. ) And the cooling system connected to the heat transfer efficiency may be increased.

한편, 흑연 소재가 진공에서 사용될 경우 충분한 베이킹을 거치면 통상의 진공 펌프 용량의 범위 내에서 충분한 진공을 확보할 수 있다. 참고로, 베이킹을 거친 흑연의 가스배출은 예컨대 5x10-10 mbar·l/s·cm2 수준일 수 있다. On the other hand, if the graphite material is used in a vacuum, sufficient baking can ensure a sufficient vacuum within the range of the normal vacuum pump capacity. For reference, the outgassing of the baked graphite may be, for example, 5x10 -10 mbar·l/s·cm 2 .

도 5는 양성자 에너지에 따른 침투 깊이를 전산모사로 해석하는 내용을 나타낸다.5 shows the contents of interpreting the penetration depth according to proton energy as a computer simulation.

도 6은 양성자 에너지에 따른 흑연 소재 내로의 침투 깊이를 전산모사로 해석한 결과를 나타낸다. Figure 6 shows the results of analyzing the depth of penetration into the graphite material according to the proton energy by computer simulation.

도 5는 일 실시예에 따른 제1수집부(102-A)에 적용되는 흑연 소재의 두께를 결정하기 위해 양성자 에너지에 따른 침투 깊이를 Monte Carlo 전산모사로 계산한 것이며, 이를 위해 통상 재료 내에 이온 주입 및 이온 조사 공정에 관련된 공정변수를 계산하기 위해 널리 사용되는 SRIM(Stopping and Range of Ions in Materials) 코드를 이용하였다. 5 is a calculation of the depth of penetration according to the proton energy to determine the thickness of the graphite material applied to the first collection unit 102-A according to an embodiment using a Monte Carlo simulation, and for this purpose, ions in the normal material A widely used Stopping and Range of Ions in Materials (SRIM) code was used to calculate process parameters related to implantation and ion irradiation processes.

도 6을 참조하면, 양성자 에너지의 증가에 따라 흑연 소재로의 침투 깊이가 깊어지는 것을 확인할 수 있으며, 일 실시예에서는 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy) 시설과 같은 입자빔 치료 장치의 운전 조건과, 이를 고려한 도 6의 해석 결과를 고려하여 흑연 판재의 두께를 1 mm로 선정하였다. 해석 결과를 검토하면, 예컨대 양성자 에너지가 11 MeV인 경우, 흑연 판재의 두께가 0.7 mm라면, 양성자가 흑연을 관통하여 흑연 후방에 배치된 구리에 충돌함으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 중성자 발생 문턱 에너지가 낮은 구리로부터 다량의 중성자가 방출될 위험이 있으므로, 하전입자 빔의 침투 깊이를 고려하여 흑연 판재의 두께는 이 보다 두껍게 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the depth of penetration into the graphite material increases as the proton energy increases, and in one embodiment, operation of a particle beam treatment device such as a boron neutron capture therapy (BNCT) facility In consideration of the conditions and the analysis results of FIG. 6 considering this, the thickness of the graphite sheet was selected as 1 mm. When the analysis results are reviewed, for example, when the proton energy is 11 MeV, and the thickness of the graphite plate material is 0.7 mm, the proton penetrates the graphite and collides with the copper disposed behind the graphite, thereby generating a neutron generation threshold as shown in FIG. 2. Since there is a risk of releasing a large amount of neutrons from low-energy copper, it is desirable to form a thicker graphite plate in consideration of the penetration depth of the charged particle beam.

도 1을 다시 참조하면, 플랜지(101) 및 하우징(109)은 링 부재(102), 회전축(103), 절연체(104), 제1수집부(102-A) 및 제2수집부(106) 등의 구성요소를 외부로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.Referring back to FIG. 1, the flange 101 and the housing 109 include a ring member 102, a rotating shaft 103, an insulator 104, a first collecting portion 102-A, and a second collecting portion 106 It serves to protect and support the components of the back from the outside.

회전축(103)은 링 부재(102)를 회전시키기 위해, 링 부재(102)의 양측면에 연결된다. 도시하지는 않았으나, 회전축(103)을 링 부재(102)의 일측에만 연결하는 실시예도 가능하다. The rotating shaft 103 is connected to both sides of the ring member 102 to rotate the ring member 102. Although not shown, an embodiment in which the rotating shaft 103 is connected to only one side of the ring member 102 is also possible.

링 부재(102)와 제1수집부(102-A)는 회전축(103)을 중심으로 회전한다. 회전을 위한 공간을 확보하기 위해서 제1수집부(102-A)와 제2수집부(106)는 소정의 간격으로, 예컨대 수 mm 이내의 간격으로 이격 배치되는 것이 바람직하다. The ring member 102 and the first collecting portion 102-A rotate about the rotation shaft 103. In order to secure a space for rotation, it is preferable that the first collection portion 102-A and the second collection portion 106 are spaced apart at predetermined intervals, for example, within an interval of several mm.

제2수집부(106)는 제1수집부(102-A)에 입사된 후 반사되어 제2수집부(106) 내부로 입사되는 하전입자 빔의 전하를 흡수할 수 있도록 도전성이 우수한 금속 재질, 예컨대 구리, 스테인레스 스틸(Stainless Steel; SUS) 또는 알루미늄으로 형성된다.The second collecting part 106 is a metal material having excellent conductivity so that it can be reflected after being incident on the first collecting part 102-A and absorb the charge of the charged particle beam incident inside the second collecting part 106, For example, it is formed of copper, stainless steel (SUS) or aluminum.

제2수집부(106)에서 흡수된 전하는 단위 시간 당 전하량으로 계수되어 제1전류값 변환부 또는 전류계에 표시된다.The charge absorbed by the second collector 106 is counted as the amount of charge per unit time and displayed on the first current value converter or ammeter.

회전축(103)과 진공함 사이는 전기적인 절연 상태를 유지하기 위해 회전축(103)의 외부에 절연체(104), 예컨대 나일론과 같은 물질을 삽입하여 회전축(103)을 둘러싸도록 형성한다.Between the rotating shaft 103 and the vacuum box, an insulating material 104, for example, nylon, is inserted into the outside of the rotating shaft 103 to maintain an electrical insulation state to surround the rotating shaft 103.

링 부재(102)와 연결된 회전축(103)의 반대쪽 끝단에는 손잡이부(미도시) 또는 모터와 같은 회전구동부(530)를 설치하여 회전축(103)을 수동 또는 자동으로 회전시킬 수 있다. 회전축(104)의 회전 각도는 0°에서부터 360°까지이지만, 링 부재(102)가 하전입자 빔을 통과시키거나 차단할 수 있도록 하는 동작 범위는 실질적으로 90°정도면 충분하다.On the opposite end of the rotating shaft 103 connected to the ring member 102, a rotating driving unit 530 such as a handle (not shown) or a motor may be installed to rotate the rotating shaft 103 manually or automatically. The rotation angle of the rotating shaft 104 is from 0° to 360°, but an operating range that allows the ring member 102 to pass or block the charged particle beam is substantially 90°.

링 부재(102)를 회전축(103)을 중심으로 회전시키는 데에 걸리는 시간이 링 부재(102)를 수직 또는 수평 방향으로 이동시키는 데에 걸리는 시간보다 훨씬 짧기 때문에, 하전입자 빔에 대한 측정 동작 속도를 향상시킬 수 있다.Since the time taken to rotate the ring member 102 around the rotation axis 103 is much shorter than the time taken to move the ring member 102 in the vertical or horizontal direction, the measurement operation speed for the charged particle beam To improve.

패러데이 컵 어셈블리(100) 내부로 입사되는 하전입자 빔은 제1수집부(102-A) 또는 제2수집부(106)의 표면과 충돌하여 2차전자(Secondary Electron)를 발생시킬 수 있다. 이러한 2차전자를 억제하기 위해, 패러데이 컵 어셈블리(100)의 빔 입구 근처에는 2차전자 억제부(108)와 억제 자석(107)을 형성할 수 있다.The charged particle beam incident into the Faraday cup assembly 100 may collide with the surface of the first collector portion 102-A or the second collector portion 106 to generate secondary electrons. In order to suppress the secondary electrons, the secondary electron suppression unit 108 and the suppression magnet 107 may be formed near the beam entrance of the Faraday cup assembly 100.

2차전자 억제부(108)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 입구를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 2차전자 억제부(108)는 DC 외부전원 공급부와 같은 외부 전원 공급부로로부터 전기 에너지를 인가받아, 방출되는 2차전자를 제2수집부(106) 안쪽으로 밀어내는 역할을 한다. 여기서, 외부 전원 공급부로부터 인가되는 전압의 크기는 1 kV 이상이며 음의 전하를 띠는 전자를 밀어내기 위해 전압의 극성은 음의 극성을 갖도록 형성한다. 2차전자 억제부(108)는 전원을 인가받아 전자기장을 형성할 수 있는 금속물질로 제작될 수 있다.The secondary electron suppressor 108 may be formed in a shape surrounding the inlet of the Faraday cup assembly 100. The secondary electron suppression unit 108 receives electric energy from an external power supply unit, such as a DC external power supply unit, and serves to push the emitted secondary electrons into the second collection unit 106. Here, the magnitude of the voltage applied from the external power supply is 1 kV or more, and the polarity of the voltage is formed to have a negative polarity in order to push electrons with a negative charge. The secondary electron suppression unit 108 may be made of a metal material capable of forming an electromagnetic field by receiving power.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 나타내는 사진이다.7 is a photograph showing a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 측정 장치의 제1수집부를 나타내는 사진이다.8 is a photograph showing a first collection unit of a particle measurement device manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 측정 장치의 제1수집부를 나태는 상세 사진이다.9 is a detailed photo showing a first collection unit of the particle measurement device manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 전류를 측정하기 위한 환경을 나타낸 도면이다.10 is a view showing an environment for measuring current using a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 하전입자 빔의 전하를 계수하여 전류를 측정하는 입자 측정 장치는 패러데이 컵 어셈블리(100) 및 패러데이 컵 어셈블리(100)에 전기적으로 연결된 전류 파형 확인 장치(210) 또는 전류 파형 확인 장치(210)와 동일한 기능을 하는 제1전류값 변환부를 포함한다.Referring to FIG. 10, the particle measuring device for measuring the current by counting the charge of the charged particle beam includes a Faraday cup assembly 100 and a Faraday cup assembly 100 electrically connected to the current waveform checking device 210 or current waveform checking It includes a first current value conversion unit having the same function as the device 210.

제2수집부(106)에 접촉한 전하는 제2수집부(106)와 연결된 도선을 경유하여 전류계로 전달된다. 도선은 이중 원통 구조의 회전축(103) 내부를 경유하여 패러데이 컵 어셈블리(100) 외부로 연결된다.The electric charge in contact with the second collecting portion 106 is transferred to the ammeter via a conducting wire connected to the second collecting portion 106. The lead wire is connected to the outside of the Faraday cup assembly 100 via the inside of the rotating shaft 103 of the double cylindrical structure.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 하전입자 빔을 차단하는 경우의 패러데이 컵 어셈블리를 도시한다.11 illustrates a Faraday cup assembly when blocking a charged particle beam using a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 11(a)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 측면도이며, 도 11(b)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 투시사시도이다.11(a) is a side view of the Faraday cup assembly 100, and FIG. 11(b) is a perspective view of the Faraday cup assembly 100.

하전입자 빔에 의해 유발되는 전류를 측정하는 경우, 회전축(103)의 일단과 연결된 회전구동부(530)를 동작시켜 링 부재(102)의 위치를 통과 위치인 제1위치에서 하전입자 빔이 차단되는 위치인 제2위치로 회전 배치한다. 링 부재(102)의 위치가 제2위치로 변경되면, 패러데이 컵 어셈블리(100)에 구비된 제1수집부(102-A)는 하전입자 빔의 진행 방향에 수직을 이루도록 배치되어 하전입자 빔의 진행을 차단한다. 이에 따라, 패러데이 컵 어셈블리(100) 내부로 입사된 하전입자 빔은 제1수집부(102-A)의 표면에서 충돌하게 된다.When measuring the current caused by the charged particle beam, the charged particle beam is blocked at the first position, which is the position where the ring member 102 passes, by operating the rotary drive unit 530 connected to one end of the rotating shaft 103. Rotate to the second position, the position. When the position of the ring member 102 is changed to the second position, the first collection part 102-A provided in the Faraday cup assembly 100 is disposed to be perpendicular to the direction of the charged particle beam, so that the charged particle beam Block progress. Accordingly, the charged particle beam incident into the Faraday cup assembly 100 collides on the surface of the first collector 102-A.

제1수집부(102-A)를 포함하는 링 부재(102)의 위치 변경은 링 부재(102)를 회전축(103)을 중심으로 +90°또는 -90°만큼 회전시킴으로써 이루어질 수 있다.The change of the position of the ring member 102 including the first collecting part 102 -A may be achieved by rotating the ring member 102 by +90° or -90° about the rotation axis 103.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 하전입자 빔을 통과시키는 경우의 패러데이 컵 어셈블리를 도시한다.12 shows a Faraday cup assembly when passing a charged particle beam using a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 12(a)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 측면도이며, 도 12(b)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 투사사시도이다.12(a) is a side view of the Faraday cup assembly 100, and FIG. 12(b) is a perspective perspective view of the Faraday cup assembly 100.

하전입자 빔에 의해 유발되는 전류의 측정이 끝나면, 회전축(103)의 일단과 연결된 회전구동부(530)를 동작시켜 링 부재(102)의 위치를 차단 위치인 제2위치에서 통과 위치인 제1위치로 변경한다. 링 부재(102)의 위치가 차단 위치에서 통과 위치로 변경되면, 패러데이 컵 어셈블리(100)의 내부공간에 존재하는 제1수집부(102-A)는 하전입자 빔의 진행 방향에 평행하도록 배치된다. 이와 동시에, 제1수집부(102-A)를 포함하는 링 부재(102)의 중심축은 하전입자 빔의 진행 경로에 나란히 배치되어 하전입자 빔은 링 부재(102) 내부의 구멍 부분을 통과하여 다음 단계로 진행하게 된다.When the measurement of the current caused by the charged particle beam is finished, the position of the ring member 102 is moved from the second position, which is the blocking position, to the first position, which is the passing position, by operating the rotary driving unit 530 connected to one end of the rotating shaft 103. Change to When the position of the ring member 102 is changed from the blocking position to the passing position, the first collection part 102-A existing in the inner space of the Faraday cup assembly 100 is arranged to be parallel to the direction of travel of the charged particle beam. . At the same time, the central axis of the ring member 102 including the first collecting part 102-A is arranged side by side in the traveling path of the charged particle beam so that the charged particle beam passes through the hole portion inside the ring member 102 and then You will proceed to the step.

링 부재(102)의 위치가 통과 위치인 제1위치로 변경됨으로써, 링 부재(102)의 측면에 형성된 제1수집부(102-A)가 하전입자 빔의 진행 경로로부터 벗어나 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy) 시설의 종단에 인접하여 일 실시예에 따른 입자 측정 장치가 배치되는 경우, 링 부재(102)가 제1위치로 변경된 상태에서 하전입자 빔은 패러데이 컵 어셈블리(100)의 입구, 제2수집부(106) 및 링 부재(102)를 순서대로 관통하여 표적에 도달한다.By changing the position of the ring member 102 to the first position, which is the passing position, it can be seen that the first collecting section 102-A formed on the side surface of the ring member 102 is out of the traveling path of the charged particle beam. . For example, when a particle measuring device according to an embodiment is disposed adjacent to the end of a boron neutron capture therapy (BNCT) facility, the charged particle beam is Faraday with the ring member 102 changed to the first position. The entrance of the cup assembly 100, the second collecting portion 106 and the ring member 102 are sequentially passed to reach the target.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치의 패러데이 컵 어셈블리를 원격으로 제어하기 위한 구성도이다.13 is a configuration diagram for remotely controlling the Faraday cup assembly of the particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

입자 측정 장치는 패러데이 컵 어셈블리(100), PLC(Programmable Logic Controller) 제어부(510) 및 PLC 모듈부(520)를 포함할 수 있다.The particle measuring device may include a Faraday cup assembly 100, a programmable logic controller (PLC) control unit 510, and a PLC module unit 520.

각각의 장치들은 신호를 주고받을 수 있도록 도선으로 연결되어 있다. 사용자가 PLC 제어부(510)에 명령을 입력하면, 명령을 수신한 PCL 제어부(510)는 PLC 모듈부(520)로 명령에 해당하는 신호를 전달한다. PLC 제어부(510)로부터 신호를 수신한 PLC 모듈부(520)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 회전축(103) 일단에 설치된 회전구동부(530)를 구동시켜 링 부재(103)의 위치를 변경한다. 여기서, 회전구동부(530)는 스테핑 모터(Stepping Motor)일 수 있다. Each device is connected with a conductor to send and receive signals. When the user inputs a command to the PLC control unit 510, the PCL control unit 510 receiving the command transmits a signal corresponding to the command to the PLC module unit 520. The PLC module unit 520 receiving the signal from the PLC control unit 510 drives the rotary drive unit 530 installed at one end of the rotary shaft 103 of the Faraday cup assembly 100 to change the position of the ring member 103. Here, the rotation driving unit 530 may be a stepping motor.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치에 포함되는 2차전자 억제부를 설명하기 위한 개념도이다.14 is a conceptual diagram illustrating a secondary electron suppression unit included in a particle measurement device according to an embodiment of the present invention.

하전입자 빔, 예컨대 양성자(Proton) 입자빔이 입사되어 제1수집부(102-A)의 표면에 충돌하면 2차전자가 방출되고, 방출된 2차전자의 일부는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 입구를 통해 패러데이 컵 어셈블리(100)의 외부로 탈출할 수 있다. 이러한 2차전자의 탈출을 막기 위해 2차전자 억제부(108)를 설치하고 전압을 인가한다.When a charged particle beam, for example, a proton particle beam, is incident and collides with the surface of the first collector 102-A, secondary electrons are emitted, and a part of the emitted secondary electrons of the Faraday cup assembly 100 It is possible to escape to the outside of the Faraday cup assembly 100 through the entrance. In order to prevent the secondary electrons from escaping, the secondary electron suppressor 108 is installed and a voltage is applied.

입사되는 하전입자 빔의 출력이 고출력 즉, 하전입자 빔의 출력이 수백 와트(W) 이상인 경우에는 제1수집부(102-A)와 충돌되어 유발된 전하로부터 측정된 전류가 수 mA가 넘을 수 있다. 이러한 경우, 패러데이 컵 어셈블리(100)와 전류 파형 확인 장치(210)만으로는 입사되는 하전입자 빔의 입사량을 정확히 측정하기 어렵다. 한편, 대전류의 하전입자 빔이 입사되는 제1수집부(102-A)는 입사된 빔의 충돌에 의해 열이 발생하며, 이때 발열량은 입사된 빔의 양에 대응되어 증감하게 된다. 즉, 하전입자 빔의 입사 부위에서의 발열량을 측정함으로써 간접적으로 하전입자 빔의 크기를 산출할 수 있다. When the output of the incident charged particle beam is high power, that is, the output of the charged particle beam is more than several hundred watts (W), the current measured from the charge caused by collision with the first collector 102-A may exceed several mA. have. In this case, it is difficult to accurately measure the incident amount of the charged particle beam incident only with the Faraday cup assembly 100 and the current waveform checking device 210. On the other hand, the first collector 102-A to which the charged particle beam of high current is incident generates heat due to the collision of the incident beam, and the amount of heat generated increases or decreases corresponding to the amount of the incident beam. That is, the size of the charged particle beam can be indirectly calculated by measuring the amount of heat generated at the incident site of the charged particle beam.

이와 같이, 입사되는 하전입자 빔의 출력이 고출력인 경우에도 단위 시간 당 입사되는 하전입자의 양을 측정하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치는 하전입자 빔이 입사되는 제1수집부(102-A)를 냉각하며 유입되는 열량을 측정하기 위한 냉각 시스템 및 열량 측정 장치를 포함하는 제3수집부를 더 포함할 수 있다.As described above, in order to measure the amount of charged particles incident per unit time even when the output of the incident charged particle beam is high power, the particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention is the first collection of charged particle beam incident The cooling unit 102-A may further include a third collection unit including a cooling system for measuring the amount of heat introduced and a heat amount measurement device.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 측정 장치의 2차전자 억제부 측의 상세 사진이다.15 is a detailed photo of the secondary electron suppression unit side of the particle measurement device manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치의 열량 측정 환경을 도시한다.16 illustrates an environment for measuring calories in a particle measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 냉각유로(730)는 링 부재(102)에 구비된 제1수집부(102-A)에서 발생하고, 회전축(103)에 전달되는 열을 흡수하도록 회전축(103)의 내부와 링 부재(102)의 내부에 서로 유체 연통하도록 형성된다. 냉각유로(730)는 회전축(103)의 일측 끝단에 형성된 주입구(103-A)로부터 타측 끝단에 형성된 배출구(103-B)까지 링 부재(102)의 일부를 경유하여 외부 냉각장치(미도시)와 연결된다. 냉각유로의 내부에는 링 부재(102) 및 회전축(103)에서 발생하는 열을 잘 흡수할 수 있는 유체가 채워진다.Referring to FIG. 16, the cooling passage 730 is generated in the first collecting part 102 -A provided in the ring member 102, and the inside of the rotating shaft 103 is configured to absorb heat transferred to the rotating shaft 103. The ring member 102 is formed to be in fluid communication with each other. The cooling passage 730 is an external cooling device (not shown) through a part of the ring member 102 from the inlet 103-A formed at one end of the rotating shaft 103 to the outlet 103-B formed at the other end. It is connected with. Inside the cooling passage, a fluid capable of absorbing heat generated by the ring member 102 and the rotating shaft 103 is filled.

일 실시예에서 열량을 측정하기 위한 센서는, 제1온도센서(710)와 제2온도센서(720)를 포함하고 온도센서는 각각 냉각유로의 양쪽 끝단에 설치되어 양쪽 끝단의 온도를 측정한다. 하전입자 빔이 제1수집부(102-A) 또는 제2수집부(106)와 충돌하면 열이 발생하고, 발생된 열의 일부가 냉각유로를 지나가는 액체에 의해 흡수된다. 주입구(103-A)에서 회전축(103)으로 들어간 액체는 회전축(103)과 링 부재(102)를 통과하면서 열을 흡수한다. 이에 따라 배출구(103-B)에서 흘러나오는 액체의 온도는 주입구(103-A)에 들어갈 때보다 높다.In one embodiment, the sensor for measuring the amount of heat includes a first temperature sensor 710 and a second temperature sensor 720, and the temperature sensors are respectively installed at both ends of the cooling flow path to measure the temperature at both ends. When the charged particle beam collides with the first collecting section 102-A or the second collecting section 106, heat is generated, and a part of the generated heat is absorbed by the liquid passing through the cooling passage. The liquid that has entered the rotating shaft 103 from the injection hole 103-A absorbs heat while passing through the rotating shaft 103 and the ring member 102. Accordingly, the temperature of the liquid flowing out of the outlet 103-B is higher than when entering the inlet 103-A.

제1온도센서(710)는 주입구(103-A)로 주입되는 액체의 온도를 측정하기 위해 주입구(103-A)와 연결되며, 제2온도센서(720)는 배출구(103-B)에서 배출되는 액체의 온도를 측정하기 위해 배출구(103-B)와 연결된다.The first temperature sensor 710 is connected to the inlet 103-A to measure the temperature of the liquid injected into the inlet 103-A, and the second temperature sensor 720 is discharged from the outlet 103-B It is connected to the outlet (103-B) to measure the temperature of the liquid.

제2전류값 변환부(미도시)는 냉각유로(730)의 양쪽 끝단에서 측정된 각각의 온도값을 제1온도센서(710)와 제2온도센서(720)로부터 수신하여 양쪽 끝단의 온도 차이를 전류량으로 변환한다. 변환된 전류량을 이용하여 하전입자 빔의 세기나 단위 시간 당 입사되는 입자의 개수를 산출할 수 있다.The second current value converting unit (not shown) receives the respective temperature values measured at both ends of the cooling flow path 730 from the first temperature sensor 710 and the second temperature sensor 720, and the temperature difference at both ends. Is converted to the amount of current. The converted current amount can be used to calculate the intensity of the charged particle beam or the number of particles incident per unit time.

이상의 설명은 본 발명에 따른 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 일 실시예의 보호 범위는 아래의 청 구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 일 실시예의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of one embodiment according to the present invention, and those of ordinary skill in the art to which one embodiment of the present invention pertains may vary in scope without departing from the essential characteristics of this embodiment Modifications and modifications will be possible. Therefore, the embodiments according to the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present embodiment is not limited by these embodiments. The protection scope of one embodiment according to the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical spirits within the equivalent range should be interpreted as being included in the scope of rights of one embodiment according to the present invention.

100: 패러데이 컵 어셈블리 101: 플랜지(Flange)
102: 링 부재 102-A: 제1수집부
103: 회전축 103-A: 주입구
103-B: 배출구 104: 절연체
105: 오링(O-ring) 106: 제2수집부
107: 억제 자석(Suppression Magnet)
108: 2차전자 억제부(Secondary Electron Suppression Unit)
109: 하우징(Housing) 210: 전류 파형 확인 장치
220: 데이터 처리 및 저장 장치 510: PLC 제어부
520: PLC 모듈부 530: 회전구동부
710: 제1온도센서 720: 제2온도센서
730: 냉각유로
100: Faraday cup assembly 101: Flange
102: ring member 102-A: first collection portion
103: rotating shaft 103-A: inlet
103-B: outlet 104: insulator
105: O-ring 106: second collection unit
107: Suppression Magnet
108: Secondary Electron Suppression Unit
109: Housing 210: Current waveform checking device
220: data processing and storage device 510: PLC control unit
520: PLC module unit 530: rotary drive unit
710: first temperature sensor 720: second temperature sensor
730: cooling passage

Claims (5)

하전입자 빔(Charged Particle Beam)의 수송경로 상에 배치되는 진공함; 및
상기 진공함 내에 상기 수송경로에 대해 수직인 회전축을 갖는 패러데이 컵 어셈블리(Faraday Cup Assembly)
를 포함하되,
상기 패러데이 컵 어셈블리는,
상기 수송경로와 상기 회전축의 교차점을 중심으로 배치되는 링 부재;
상기 링 부재의 원주면 일측에 형성되는 평면인 접합면 상에 배치되되, 상기 평면은 상기 링 부재의 중심축과 상기 회전축을 포함하는 평면에 평행한 제1수집부;
상기 하전입자 빔이 입사되는 상기 진공함의 입구와 상기 링 부재 사이에 배치되되, 상기 수송경로를 감싸는 실린더 형태인 제2수집부; 및
상기 회전축과 상기 링 부재의 내부에 형성되는 냉각유로 및 상기 제1수집부에 입사되는 하전입자 빔에 의해 상기 냉각유로에 유입되는 열량을 측정하는 열량센서를 포함하는 제3수집부
를 포함하고,
상기 링 부재의 중심축이 상기 수송경로와 나란한 제1위치로 상기 링 부재가 회전 배치되면 상기 하전입자 빔을 통과시키고,
상기 제1수집부에 상기 하전입자 빔이 수직으로 입사되는 제2위치로 상기 링 부재가 회전 배치되면 상기 제1수집부 및 상기 제2수집부에 의해 상기 하전입자 빔의 입사량이 측정되며,
상기 제1수집부는 흑연(graphite)으로 이루어지고, 상기 제1수집부는 수송계의 고진공과 조립의 간편성을 확보하도록 블레이징(brazing)에 의해 상기 접합면에 접합되되, 상기 블레이징에 의한 상기 제1수집부와 상기 접합면 사이의 접합층은 열전달에 유리하도록 실버 페이스트(silver paste)를 포함하는
하전입자 빔 전류 측정 장치.
A vacuum box disposed on a transport path of a charged particle beam; And
Faraday Cup Assembly having a rotation axis perpendicular to the transport path in the vacuum box
Including,
The Faraday cup assembly,
A ring member disposed around an intersection of the transport path and the rotation axis;
A first collection part disposed on a bonding surface that is a plane formed on one side of the circumferential surface of the ring member, the plane being parallel to a plane including the central axis and the rotation axis of the ring member;
A second collection part disposed between the inlet of the vacuum box to which the charged particle beam is incident and the ring member, and in the form of a cylinder surrounding the transport path; And
A third collection unit including a cooling flow path formed inside the rotating shaft and the ring member and a heat sensor for measuring the amount of heat flowing into the cooling flow path by a charged particle beam incident on the first collection portion.
Including,
When the ring member is rotated to a first position where the central axis of the ring member is parallel to the transport path, the charged particle beam passes through the ring member,
When the ring member is rotated to a second position where the charged particle beam is vertically incident on the first collecting portion, the incident amount of the charged particle beam is measured by the first collecting portion and the second collecting portion,
The first collection portion is made of graphite, and the first collection portion is bonded to the bonding surface by brazing to ensure high vacuum and ease of assembly of the transport system, 1 The bonding layer between the collecting part and the bonding surface includes a silver paste so as to favor heat transfer.
Charged particle beam current measurement device.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 접합면은,
상기 제1수집부 측면의 적어도 일부와 내측벽이 접합되도록 형성되는 포켓부의 바닥 면인
하전입자 빔 전류 측정 장치.
According to claim 1,
The bonding surface,
The bottom surface of the pocket portion is formed so that the inner wall and at least a portion of the side surface of the first collection portion
Charged particle beam current measurement device.
제1항에 있어서,
상기 제1수집부의 두께는,
상기 하전입자 빔의 에너지 크기와 상기 제1수집부의 소재 특성에 따른 상기 하전입자 빔의 침투 깊이 이상이 되도록 형성되는
하전입자 빔 전류 측정 장치.
According to claim 1,
The thickness of the first collection portion,
The charged particle beam is formed to be greater than or equal to the penetration depth of the charged particle beam according to the energy size and the material characteristics of the first collector.
Charged particle beam current measurement device.
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JP2002008578A (en) * 2000-06-21 2002-01-11 Seiko Epson Corp Ion implanter
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