사이클로트론 및 사이클로트론의 제어방법 {A CYCLOTRON AND A METHOD FOR CONTROLLING THAT}
본 발명은 사이클로트론 및 사이클로트론의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내부를 고진공 환경으로 조성한 후 입자를 가속시키는 사이클로트론 및 사이클로트론의 제어방법에 관한 것이다.
사이클로트론은 전기장 또는 자기장을 이용하여 전자나 양성자와 같은 하전 입자를 가속시키는 장치로, 가속된 입자를 타겟 물질로 지향시켜 동위원소를 생성할 수 있어 의료분야를 비롯한 다양한 산업분야에 이용되고 있다. 이러한 사이클로트론은 전기장 및 자기장을 이용하여 내부의 챔버에서 나선형의 궤도를 따라 입자를 가속시켜 외부로 인출시킨다. 이때, 챔버 내부에서 입자가 가속되는 중에 원하지 않은 기체와 충돌하여 전기적 특성이 변환되는 것을 방지할 수 있도록, 챔버의 내부는 외부의 진공 펌프와 연결하여 배기를 진행함으로써 고진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 챔버의 배기 과정은 입자를 가속시키기 이전 단계에서 진행되기도 하고, 입자를 가속시키는 도중에 배기 과정을 동시에 진행하기도 한다. 다만, 종전의 사이클로트론은 챔버 내부를 고진공 상태로 유지하기 위한 배기 과정이 챔버 내부에서 불균일하게 진행됨에 따라 내부 공기의 교란이 발생하게 되고, 이러한 내부 공기의 교란은 입자를 가속시키는데 불리한 조건으로 작용하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 챔버 내부의 배기를 진행하는 과정 중 챔버 내부 공기의 교란을 최소화시켜 안정적으로 입자를 가속시킬 수 있는 사이클로트론 및 사이클로트론의 제어방법을 제공하기 위함이다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위해, 본체, 상기 본체의 내측에 구비되어 입자가 가속되는 공간을 형성하는 챔버, 상기 챔버와 인접한 위치에 배치되어 상기 챔버 내부를 진행하는 입자를 가속시키기 위한 자기장을 형성하는 자력부, 상기 챔버와 연결되며, 상기 챔버의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 복수개의 배기부 그리고, 상기 배기부와 인접한 위치에 설치되어, 상기 챔버의 배기 상태를 감지하는 센서부를 포함하는 사이클로트론을 제공한다. 여기서, 센서부는 복수개로 구비되어 상기 복수개의 배기부와 인접한 위치에 각각 설치되며, 상기 각각의 배기부의 배기 방향을 감지하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 센서부는 상기 챔버 내부로부터 배기되는 기체에 의해 회동 가능하게 설치되는 회전판 및 상기 회전판의 회동 방향에 근거하여 배기 방향을 감지하는 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 센서는 상기 회전판의 접촉 여부에 근거하여 상기 배기 방향을 감지할 수 있다. 여기서, 제어부는 상기 복수개의 배기부 중 적어도 하나에서 상기 챔버 내측 방향으로 기체가 진행하는 것이 감지되면 이상 신호를 발생시키거나, 상기 배기부에 연결되는 진공 펌프의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다. 한편, 전술한 본 발명의 목적은 입자를 가속되는 공간을 형성하는 챔버를 구비한 사이클로트론의 제어방법에 있어서, 상기 챔버와 연결되며 상기 챔버의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 복수개의 배기부를 통해 상기 챔버 내부를 배기시키는 단계 및 상기 배기부와 인접한 위치에 설치된 센서부를 통해 상기 챔버의 배기 상태를 감지하는 단계를 포함하는 사이클로트론의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다. 여기서, 상기 센서부는 복수개로 구비되어 상기 복수개의 배기부와 인접한 위치에 각각 설치되며, 상기 각각의 배기부에서 배기되는 방향을 감지할 수 있다. 그리고, 센서부는 상기 챔버 내부로부터 배기되는 기체에 의해 회동 가능하게 설치되는 회전판 및 상기 회전판의 회동 방향에 근거하여 배기 방향을 감지하는 센서를 포함하여 구성되며, 상기 센서는 상기 회전판의 접촉 여부에 근거하여 상기 배기 방향을 감지할 수 있다. 나아가, 상기 챔버의 배기 상태를 감지하는 단계에서 상기 복수개의 배기부 중 적어도 하나에서 상기 챔버 내측 방향으로 기체가 진행하는 것이 감지되면, 이상 신호를 발생하는 단계 또는 상기 배기부에 연결되는 진공 펌프의 구동을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의할 경우, 챔버 배기 중 챔버 내부 공간의 교란을 최소화시키면서 균일하게 배기를 진행하는 것이 가능하므로, 배기 과정으로 인해 입자 가속 구동이 영향을 받는 것을 최소화시킴으로써 사이클로트론의 구동 정밀성을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론의 주요 구성요소를 도시한 평면도,
도 2는 도 1에서 정상 배기중인 챔버 및 배기부의 구성을 개략적으로 도시한 개략도,
도 3는 도 1에서 비정상 배기중인 챔버 및 배기부의 구성을 개략적으로 도시한 개략도,
도 4는 다른 실시예에 따른 챔버 및 배기부의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 5는 본 실시예에 따른 사이클로트론의 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 사이클로트론 및 사이클로트론의 제어방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 도면은 설명의 편의를 위해 발명의 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장하여 표시될 수 있다. 따라서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 각종 장치를 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시할 수 있음은 물론이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클로트론의 주요 구성요소를 도시한 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사이클로트론은 본체(100), 입자가 가속되는 챔버(200), 가속된 입자가 인출되는 빔 인출부(500) 및 입자가 가속되는 공간을 형성하는 챔버 내부를 고진공 상태로 조성하는 복수개의 배기부(600)를 포함하여 구성될 수 있다. 우선, 본체(100)는 원통형 공간을 구비하는 프레임 구조로 구성되며, 사이클로트론 장치의 골격을 형성한다. 그리고, 본체의 내부에는 챔버(200), 이온소스(미도시) 등의 각종 구성요소가 구비될 수 있다. 도 1에서는 별도로 도시하고 있지 않으나, 본체(100)의 외측 또는 내측에는 코일부 및 자력부가 배치될 수 있다. 코일부 및 자력부는 챔버(200) 내부에 전기장 및 자기장을 형성한다. 따라서, 이온 소스로부터 출발한 입자는 코일부 및 자력부의 전기장 및 자기장에 의해 가속이 이루어진다. 이러한 코일부 및 자력부의 구성은 사이클로트론의 일반적인 구성이므로 구체적인 설명은 생략한다. 챔버(200)는 본체(100)의 내측에 배치되며, 입자가 가속되는 공간을 형성한다. 이때, 챔버(200)는 중심축을 기준으로 입자가 나선형 또는 원형 궤도를 따라 이동할 수 있는 공간을 형성한다. 일 예로, 챔버(200)는 본체와 마찬가지로 원통형 구조로 구성될 수 있으며, 가장자리의 일부 또는 양 측면의 일부는 코일부 또는 자력부가 설치될 수 있도록 요철면을 형성할 수 있다. 다만, 이 이외에도 입자의 이동 궤적을 고려하여 다양하게 설명할 수 있음은 물론이다. 이와 같이 챔버(200) 내부 공간을 진행하는 입자는 코일부 및 자력부에서 형성되는 자기장에 의해 가속되어, 원형 또는 나선형의 궤적을 따라 회전하며 이동한다. 이때, 입자가 이동하는 궤적의 반경은 입자의 에너지 준위에 따라 상이하며, 높은 에너지 준위를 갖는 입자일수록 큰 반경의 궤적을 그리며 이동할 수 있다. 한편, 본체(100)의 내측에는 스트리핑 박막 조립체(300)가 설치된다. 스트리핑 박막 조립체(300)는 챔버(200) 내부를 따라 형성되는 입자 궤적의 말단 또는 빔이 외부로 인출되는 인출부(500)와 인접한 위치에 배치된다. 이러한 스트리핑 박막 조립체(300)는 가속된 입자가 충돌하는 적어도 하나 이상의 박막(미도시)을 포함하여 구성된다. 스트리핑 박막은 가속된 입자의 충돌시, 입자의 적어도 하나의 전자를 스트리핑 시킴으로서 음이온 상태로 가속된 전자를 양이온으로 변환하여 인출부(500)를 통해 인출시킬 수 있다. 이러한 스트리핑 박막은 탄소 재질의 호일 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 스트리핑 박막 조립체(300)는 장기간 동안 사용이 가능하도록 복수개의 박막을 포함하여 구성될 수 있으며, 각각의 박막은 회전 프레임에 의해 회전하면서 위치를 변경하도록 구성하는 것도 가능하다. 한편, 본체(100)의 일측에는 입자가 외부로 인출되는 빔 인출부(500)가 형성된다. 전술한 바와 같이, 챔버(200)를 통과하면서 가속된 입자는 스트리핑 박막 조립체(300)와 충돌하여 양성자 빔으로 변환되고, 변환된 양성자 빔은 인출부(500)를 통해 외부의 타겟 위치로 인출될 수 있다. 빔 인출부(500)와 인접한 위치에는 스위칭 마그네틱부(400)가 설치될 수 있다. 스위칭 마그네틱부(400)는 자기장을 이용하여 빔 인출부(500)를 통해 인출되는 양성자 빔을 분산시키거나, 양성자 빔이 인출되는 방향을 제어하는 것이 가능하다. 이와 같이, 이온 소스로부터 토출된 입자는 챔버(200) 내부를 통과하면서 가속되고, 양성자 빔 형태로 외부로 인출된다. 이때, 입자가 가속되는 챔버의 내부는 입자가 진행하면서 다른 기체 입자들과 충돌하는 것을 방지할 수 있도록 고진공 상태로 유지될 수 있다. 일 예로, 음이온(H-)을 가속하는 경우, 음이온의 두 번째 전자는 원자핵과의 결합력이 매우 약하다. 따라서, 챔버(200) 내부에 기체 입자가 다수 존재하는 경우, 입자 가속 중 기체 입자와 충돌하면서 전자가 손실될 가능성이 높다. 이와 같이, 입자 가속 중 다른 기체 입자들과의 충돌에 의해 전자 손실이 발생하게 되면 입자의 진행 경로가 변경되면서 원하는 빔을 인출할 수 없을 뿐 아니라, 내부 벽면과 충돌하면서 손상이 발생할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 챔버(200)에 배기부(600)를 형성하여, 배기부(600)와 연결되는 진공 펌프를 통해 챔버 내부의 기체를 배기하도록 구성함으로써, 챔버(200) 내부를 5×10 -6 torr 이하의 고진공 상태로 유지할 수 있다. 여기서, 진공 펌프(800)는 사이클로트론의 자체 구성 요소로 구비하도록 구성할 수도 있으며, 외부의 진공 펌프를 연결하여 사용하는 것도 가능하다. 도 2는 도 1에서 정상 배기중인 챔버 및 배기부의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 3는 도 1에서 비정상 배기중인 챔버 및 배기부의 구성을 개략적으로 도시한 개략이다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 챔버의 배기부의 구성을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 챔버(200)의 배기부(600)는 복수개로 구비될 수 있다. 배기부(600)가 단수개로 형성되는 경우, 진공 배기시 챔버(200) 내부의 기체 이동이 배기부쪽으로 편중되면서 내부 기체의 교란이 발생할 수 있고, 용량이 큰 진공 펌프를 이용하여야 하기 때문에 비용이 증가하는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 챔버(200)에 복수개의 배기부(600)를 구비하여 상대적으로 저렴한 비용으로 균일한 배기를 도모할 수 있다. 여기서, 복수개의 배기부(600)는 챔버의 중심을 기준으로 대칭이 되는 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 챔버 내부의 진공 배기가 더욱 균일하게 진행될 수 있다. 일 예로 도 2 및 도 3에서는 2개의 배기부(600)가 챔버 내부의 좌측과 우측에 대칭되도록 구비되는 구조를 도시하고 있으나(도 2 및 도 3 기준), 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 챔버의 중심으로 기준으로 상측과 하측 또는 전방과 후방에 대칭이 되는 형상으로 구성될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 실시예에서는 2개의 배기부를 구비하는 구성을 이용하여 설명하고 있으나, 이 이외에도 4개 이상의 배기부를 챔버 중심을 기준으로 대칭적으로 배치하여 구성하는 것도 가능하다. 이러한 배기부(600)는 사이클로트론을 구동하여 입자를 가속하기 이전 단계에서 챔버(200) 내부의 기체를 배기하도록 구동되는 것도 가능하며, 이온 소스로부터 입자가 토출되거나 입자가 챔버 내부에서 가속되는 중에 배기를 진행하도록 구동된다. 따라서, 본 발명은 이러한 진공 배기 과정중 복수개의 배기부(600)를 통해 균일하게 배기가 이루어지는지를 감지하는 센서부(700)를 더 포함할 수 있다. 센서부(700)는 복수개로 구비되어, 복수개의 배기부(600)와 각각 인접한 위치에 설치된다. 각 센서부(700)는 해당 배기부(600)의 배기 상태를 감지할 수 있는 정보를 획득할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 챔버(200) 내부의 기체가 각각의 배기부(600)를 통해 배기되는 방향을 감지하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 센서부는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 회전판(710) 및 센서(720)를 포함하여 구성될 수 있다. 회전판(710)은 배기부(600)의 전단에서 고정된 회전축을 중심으로 기 설정된 각도 범위 내에서 회동 가능하게 설치된다. 그리고, 센서(720)는 회전판(710)의 위치에 근거하여 배기부(600)를 통해 배기되는 방향을 감지할 수 있다. 여기서, 배기부(600)를 통해 배기가 원활하게 진행되는 경우, 회전판(710)은 배기부 방향으로 회동하여 기울어진 상태를 유지할 수 있다(도 2 참조). 반면, 배기부가 원활하게 진행되지 않거나 다른 배기부에 비해 상대적으로 진공 배기하는 힘이 약하여 역압이 걸리는 경우, 회전판(710)은 챔버 내측 방향으로 회동하여 기울어진 상태를 유지할 수 있다(도 3 참조). 그리고, 센서부(700)는 회전판(710)과 인접한 위치에 설치되어 회전판(710)이 회동한 방향을 감지한다. 센서부(700)는 광학적인 방식, 접촉 방식 등 다양한 방식을 이용하여 회전판(710)의 회동 방향을 감지하도록 구성할 수 있다. 일 예로서, 본 실시예에서는 센서(720)를 마이크로 스위치로 구성하여, 회전판(710)이 센서(720)에 접촉하는지 여부를 기초로 회전판(710)의 회동 방향을 감지하도록 구성할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 회전판(710)은 배기부(600) 측에 설치되고, 센서(720)는 챔버 내측 방향으로 회전판(710)에 인접 설치된다. 따라서, 배기부(600)에서 정상적으로 배기가 진행되는 경우 회전판(710)은 배기부(600) 방향으로 회동한 상태를 유지하고, 배기부(600)가 정상적으로 동작하지 못하여 배기부(600)에서 챔버 방향으로 기체가 인입되는 경우 회전판(710)은 센서(720) 방향으로 회동하여 센서부(700)와 접촉하게 된다. 따라서, 마이크로 스위치에 해당하는 센서(720)는 회전판과 접촉시 스위치가 on되면서 신호를 인가할 수 있다. 이와 같이, 센서부(700)에서 신호가 인가되면 제어부(미도시)는 신호가 인가된 배기부의 배기가 비정상적으로 동작하는 것을 인식하고, 외부에 이상 신호를 발생할 수 있다. 그리고 제어부는 이상 신호가 발생한 배기부의 진공 펌프 퍼포먼스를 향상시키도록 제어하거나, 이상 신호가 발생되지 않은 배기부의 진공 펌프의 퍼포먼스를 낮추도록 제어하여 챔버 내부에서 교란이 발생하는 것을 최소화시킬 수 있다. 다만, 도 2 및 도 3에서는 센서부의 회전판이 배기부 측에 위치하고 센서가 챔버 내측 방향에 위치하도록 구성하고 있으나, 도 4에 도시된 것과 같이 센서부(700)의 회전판(710)이 챔버(200) 내측 방향에 위치하고 센서(720)가 배기부(600) 방향에 위치하도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 배기부(600)가 정상적으로 동작하는 동안에는 회전판(710)이 센서(720)와 접촉한 상태를 유지하면서 지속적으로 신호를 인가하고, 배기에 이상이 발생한 경우에는 off 상태가 되면서 지속적으로 인가되던 신호가 차단될 수 있다. 따라서, 제어부는 센서부의 신호 차단 여부에 근거하여 이상 동작 사실을 감지하여 이에 대응되는 제어를 수행하는 것이 가능하다.
도 5는 본 실시예에 따른 사이클로트론의 제어방법을 도시한 순서도이다. 이하에서는 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 사이클로트론의 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 우선 챔버 내부를 배기하는 단계를 수행한다(S10). 챔버 내부의 배기 단계는 입자가 가속되기 이전 단계에서 진행될 수도 있고, 입자가 챔버 내부에서 가속되는 단계와 동시에 진행되는 것도 가능하다. 본 단계에서는 복수개의 배기부에 각각 연결되어 있는 진공펌프를 이용하여, 침버 내부의 기체를 배기시키는 방식으로 진행된다. 이러한 단계를 통해 챔버의 내부가 진공상태를 형성할 수 있다. 한편, 이러한 챔버 배기가 진행되는 동안 각각의 배기부에 설치된 센서부는 진공 배기 상태를 지속적으로 감지하는 단계를 진행한다(S20). 본 단계는 다양한 종류의 센서를 이용하여 진행하는 것이 가능하며, 본 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이 챔버 내부의 기체의 이동 방향에 따라 회동가능하게 설치되는 회전판 및 회전판의 회동 방향을 감지하는 센서를 이용하며, 이를 이용하여 각 배기부의 배기 이상 여부를 판단하는 것이 가능하다(S30). 이러한 이상 여부 판단을 통해 배기가 정상적으로 진행되고 있는 것으로 판단되면, 위의 단계를 지속적으로 수행하면서 배기를 진행할 수 있다. 다만, 들어 특정 배기부에 배기 이상이 발생된 것으로 판단되는 경우, 제어부는 이상 신호를 발생하여 사용자 또는 기타 제어 계통으로 배기 이상 사실을 알리는 단계를 진행한다(S40). 나아가, 제어부는 배기 이상이 감지된 배기부와 연결된 진공 펌프의 퍼포먼스를 향상시키거나, 다른 배기부와 연결되되는 진공 펌프의 퍼포먼스를 낮추도록 제어하여 챔버 내부에서 균일하게 진공 배기가 진행되도록 제어할 수 있다(S50). 이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 챔버 내부에 대칭적으로 구비되는 복수개의 배기부를 이용하여 배기를 진행함으로써 균일한 진공 배기가 가능하다. 나아가, 각각의 배기부에 진공 배기 상태를 감지할 수 있는 센서부를 구비하여, 각각의 배기부별 정상 동작 여부를 감지하면서 배개를 진행하고, 이상 발생시 제어부에서 이상 신호를 발생하고 배기 불균형 문제를 해결하도록 제어함으로써 안정적으로 진공 배기 동작을 수행할 수 있다. 이상, 본 발명의 일 실시예에 대해 상세하게 기술하였으나, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이 이외에도 본 발명이 속하는 기술 분야에 대해 통상의 지식을 가진 사람이면 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 기술적 특징의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음은 밝혀둔다.
100 : 본체 200 : 챔버
500 : 인출부 600 : 배기부
700 : 센서부 710 : 회전판
720 : 센서 800 : 진공 펌프 |
