KR102123965B1

KR102123965B1 - 하전입자 측정 장치

Info

Publication number: KR102123965B1
Application number: KR1020180170062A
Authority: KR
Inventors: 윤형진; 김윤철; 장유순; 최재원; 최병호; 박선순
Original assignee: 주식회사 다원시스
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2038-12-27

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.

Description

하전입자 측정 장치{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.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐, 종래기술을 구성하는 것이 아니다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저비용으로 쉽게 구성 가능한 하전입자 빔 전류 측정 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.

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.

또한, 제1수집부는 수송계의 고진공과 조립의 간편성을 확보하도록 블레이징(brazing)에 의해 접합면에 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 블레이징에 의한 제1수집부와 접합면 사이의 접합층은 열전달에 유리하도록 실버 페이스트(silver paste)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 접합면은, 제1수집부 측면의 적어도 일부와 내측벽이 접합되도록 형성되는 포켓부의 바닥 면인 것을 특징으로 한다.

또한, 제1수집부의 두께는, 하전입자 빔의 제1수집부로의 침투 깊이 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

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.

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.

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.

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.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치에 포함되는 패러데이 컵 어셈블리를 나타낸 도면이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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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.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 형태의 제1수집부 구조를 나타낸다.

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.

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.

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^-10mbar·l/s·cm² 수준일 수 있다.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

제2수집부(106)에서 흡수된 전하는 단위 시간 당 전하량으로 계수되어 제1전류값 변환부 또는 전류계에 표시된다.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 하전입자 빔을 차단하는 경우의 패러데이 컵 어셈블리를 도시한다.

도 11(a)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 측면도이며, 도 11(b)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 투시사시도이다.

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.

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.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 이용하여 하전입자 빔을 통과시키는 경우의 패러데이 컵 어셈블리를 도시한다.

도 12(a)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 측면도이며, 도 12(b)는 패러데이 컵 어셈블리(100)의 투사사시도이다.

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.

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.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치의 패러데이 컵 어셈블리를 원격으로 제어하기 위한 구성도이다.

입자 측정 장치는 패러데이 컵 어셈블리(100), PLC(Programmable Logic Controller) 제어부(510) 및 PLC 모듈부(520)를 포함할 수 있다.

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.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치에 포함되는 2차전자 억제부를 설명하기 위한 개념도이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Claims

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.
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제1항에 있어서,
상기 접합면은,
상기 제1수집부 측면의 적어도 일부와 내측벽이 접합되도록 형성되는 포켓부의 바닥 면인
하전입자 빔 전류 측정 장치.
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.