하전 입자들을 편향시키기 위한 편향 플레이트 및 편향 디바이스

하전 입자들을 편향시키기 위한 편향 플레이트 및 편향 디바이스 {DEFLECTION PLATE AND DEFLECTION DEVICE FOR DEFLECTING CHARGED PARTICLES}

본 발명은 특허 청구항 제 1 항에 따른, 하전 입자들을 편향시키기 위한 편향 플레이트(deflection plate), 및 특허 청구항 제 7 항에 따른, 하전 입자들을 편향시키기 위한 편향 디바이스(deflection device)에 관한 것이다.

전기장 및/또는 자기장에 의한 움직이는 하전 입자들의 편향이 알려져 있다. 전압들을 전도성 플레이트(conductive plate)들에 적용하는 것에 의한 전기장들의 발생이 또한 알려져 있다.

본 발명의 목적은 하전 입자들을 편향시키기 위한 개선된 편향 플레이트를 제공하는데 있다. 이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 편향 플레이트에 의해 달성된다. 본 발명의 추가의 목적은 하전 입자들을 편향시키기 위한 개선된 편향 디바이스를 제공하는데 있다. 이러한 목적은 청구항 제 7 항의 특징들을 갖는 편향 디바이스에 의해 달성된다. 바람직한 발전들은 종속 청구항들에 명시된다.

하전 입자들을 편향시키기 위한 본 발명에 따른 편향 플레이트는 리세스(recess)를 갖는다. 유리하게, 이러한 편향 플레이트는, 리세스를 갖지 않는 편향 플레이트와 비교하여, 개선된 공간 프로파일(spatial profile)을 갖는 전기장을 발생시킨다.

편향 플레이트의 바람직한 실시예에서, 상기 편향 플레이트는 실질적으로 평평한 플레이트로서 구현된다. 유리하게, 편향 플레이트는 이러한 경우, 용이하고 비용-효과적으로 제조될 수 있다. 특히, 편향 플레이트는 회로 기판, 예를 들어, 인쇄 회로 기판으로서 유리하게 제조될 수 있다.

편향 플레이트의 일 실시예에서, 리세스는 홀(hole)로서 구현된다. 이는 유리하게, 홀의 구역에서, 편향 플레이트에 의해 발생된 전기장을 약화시킨다.

편향 플레이트의 다른 실시예에서, 리세스는 슬롯(slot)으로서 구현된다. 유리하게, 리세스의 이러한 실시예는 또한, 리세스의 구역에서, 편향 플레이트에 의해 발생된 전기장의 약화를 초래한다.

편리하게, 리세스는 편향 플레이트 중심에 배열된다. 이러한 경우, 편향 플레이트에 의해 발생된 전기장의 공간 프로파일은 유리하게, 더 평평한 프로파일(flatter profile)을 갖는다.

편향 플레이트의 편리한 실시예에서, 상기 편향 플레이트는 전도성 재료, 더욱 상세하게는 금속을 포함한다. 유리하게, 그 다음으로, 편향 플레이트는 전위로 대전될 수 있다.

하전 입자들을 편향시키기 위한, 본 발명에 따른 편향 디바이스는, 상술된 유형의 제 1 편향 플레이트를 포함한다. 유리하게, 이러한 편향 디바이스는 입자 빔의 하전 입자들을 편향시키기 위해 이용될 수 있다. 유리하게 구현된 편향 플레이트의 결과로서, 편향 디바이스는, 하전 입자들의 연속적인 번치들의 빔으로부터의 개별적인 입자 번치들의 선택적인 편향을 위해 이용될 수 있다.

편향 디바이스의 바람직한 실시예에서, 상기 편향 디바이스는 상술된 유형의제 2 편향 플레이트를 포함한다. 유리하게, 그 다음으로, 전위차가 편향 디바이스의 편향 플레이트들 사이에서 발생될 수 있다.

편향 디바이스의 특히 바람직한 실시예에서, 편향 플레이트들은 실질적으로 평평한 플레이트들로서 구현된다. 여기서, 제 1 편향 플레이트 및 제 2 편향 플레이트는 제 2 공간 방향에 수직으로 배향된다. 더욱이, 제 1 편향 플레이트 및 제 2 편향 플레이트는 제 2 공간 방향으로 이격된다. 유리하게, 이러한 편향 디바이스의 경우에서, 제 2 공간 방향에서 포인팅되는 전기장의 컴포넌트(component)는 제 2 공간 방향에 수직하는 공간 방향에서 거의 직사각형 방식으로 연장된다.

편향 디바이스의 발전에서, 상기 편향 디바이스는 제 3 편향 플레이트 및 제 4 편향 플레이트를 포함한다. 여기서, 제 3 편향 플레이트는 제 2 공간 방향에 수직하는 제 3 공간 방향으로 제 1 편향 플레이트에 관하여 변위된다. 더욱이, 제 4 편향 플레이트는 제 3 공간 방향으로 제 2 편향 플레이트에 관하여 변위된다. 유리하게, 상이한 전위차는, 제 1 편향 플레이트와 제 2 편향 플레이트 사이보다는 제 3 편향 플레이트와 제 4 편향 플레이트 사이에 적용될 수 있다.

편향 디바이스의 바람직한 실시예에서, 상기 편향 디바이스는 제 3 공간 방향으로 움직이는 하전 입자를 제 2 공간 방향으로 편향시키기 위해 구현된다. 유리하게, 그 다음으로, 편향 디바이스는 입자 빔으로부터의 입자들의 번치들 또는 개별적인 입자들을 선택적으로 편향시키기 위해 이용될 수 있다.

본 발명의 상술된 특성들, 특징들, 및 이점들, 그리고 이들이 달성되는 방식은, 도면들과 함께 더욱 상세하게 설명되는 예시적인 실시예들의 다음의 설명과 함께 더욱 명백해지고 더욱 이해가능해진다. 상세하게:
도 1은 입자 치료 기기(particle therapy instrument)의 개략적인 예시를 도시하고;
도 2는 편향 디바이스의 개략적인 예시를 도시하고;
도 3은 편향 디바이스의 플레이트 쌍(plate pair)을 관통하는 제 1 단면(section)을 도시하고;
도 4는 편향 디바이스의 플레이트 쌍의 평면도를 도시하고;
도 5는 편향 디바이스의 플레이트 쌍을 관통하는 제 2 단면을 도시하고; 그리고
도 6은 플레이트 쌍 내의 필드 세기 프로파일(field strength profile)의 그래프(graph)를 도시한다.

도 1은 편향 디바이스에 대한 예시적인 애플리케이션(application)으로서 입자 치료 기기(100)를 매우 개략적인 예시로 도시한다. 그러나, 편향 디바이스들은 또한, 다수의 다른 분야들의 애플리케이션에서 이용될 수 있다. 본 발명은 절대로 입자 치료 기기들의 분야로 제한되지 않는다.

입자 치료 기기(100)는 입자 치료를 수행하기 위해 이용될 수 있고, 여기서 환자의 질병에 걸린 몸체 부분에 하전 입자들이 퍼부어진다(bombard). 예로서, 하전 입자들은 양성자(proton)들일 수 있다. 예로서, 환자의 질병은 종양일 수 있다.

입자 치료 기기(100)는 이온 소스(ion source)(110), 번칭 디바이스(bunching device)(120), 편향 디바이스(130), 정지부(stop)(140), 및 입자 가속기(150)를 포함하고, 이들은 z-방향(103)에서 연속적으로 배치된다.

이온 소스(110)는 하전 입자들의 빔(115)을 발생시키기 위해 기능한다. 예로서, 입자 빔(115)의 입자들은 양성자들일 수 있다. 입자 빔(115)의 입자들은 z-방향(103)에서 이온 소스(110)를 떠난다. 예로서, 이온 소스(110)를 떠날 때, 입자 빔(115)의 입자들은 10 keV 내지 20 keV의 에너지(energy)를 가질 수 있다.

번칭 디바이스(120)는 연속적인 입자 빔(115)을 이산 입자 번치(discrete particle bunch)들(125)로 세분하기 위해 기능한다. 입자 번치들(125)은 z-방향(103)에서 번칭 디바이스(120)를 떠난다. 번칭 디바이스(120)는 또한 생략될 수 있다.

편향 디바이스(130)는, z-방향(103)에서 연장되는 개별적인 입자 번치들(125)(또는 연속적인 입자 빔(115)으로부터의 개별적인 입자들)의 움직임에 관하여, z-방향(103)에 수직하는 y-방향(102)에서 상기 개별적인 입자 번치들(125)(또는 연속적인 입자 빔(115)으로부터의 개별적인 입자들)을 선택적으로 편향시키도록 기능한다.

편향 디바이스(130)에 의해 편향된 입자들 및 입자 번치들(125)은, 편향 디바이스(130)를 따르는 정지부(140)를 지나가지 않거나 또는 전혀 지나가지 않지만, 비-편향된 입자들 및 입자 번치들(125)은 정지부(140)를 지나간다. 입자 치료 기기(100)의 대안적인 실시예들에서, 편향 디바이스(130)에 의해 y-방향(102)에서 편향된 입자들 및 입자 번치들(125)만이 정지부(140)를 완전히 지나간다.

정지부(140)를 지나가는 입자들 및 입자 번치들(125)은 입자 가속기(150)에 도달하고, 여기서 이들은 예를 들어, 80 MeV 내지 250 MeV의 더 높은 운동 에너지(kinetic energy)로 가속된다. 예로서, 입자 가속기(150)는 선형 가속기일 수 있다. 특히, 입자 가속기(150)는 RF 선형 가속기일 수 있다.

도 2는 편향 디바이스(130)의 개략적인 예시를 도시한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 편향 디바이스(130)는 하전 입자들의 입자 번치들(125)을 편향시키기 위한 6개의 편향 플레이트들을 포함한다. 상세하게, 도시된 실시예의 편향 디바이스(130)는 제 1 편향 플레이트(210), 제 2 편향 플레이트(220), 제 3 편향 플레이트(230), 제 4 편향 플레이트(240), 제 5 편향 플레이트(250), 및 제 6 편향 플레이트(260)를 포함한다.

제 1 편향 플레이트(210) 및 제 2 편향 플레이트(220)는 제 1 플레이트 쌍(201)을 형성한다. 제 3 편향 플레이트(230) 및 제 4 편향 플레이트(240)는 제 2 플레이트 쌍(202)을 형성한다. 제 5 편향 플레이트(250) 및 제 6 편향 플레이트(260)는 제 3 플레이트 쌍(203)을 형성한다. 다른 실시예들에서, 편향 플레이트(230)는 또한, 3개의 플레이트 쌍들(201, 202, 203)보다 더 적은 수 또는 3개의 플레이트 쌍들(201, 202, 203)보다 더 많은 수를 포함할 수 있다.

플레이트 쌍들(201, 202, 203)은 z-방향(103)에서 연속적으로 배치된다. 각각의 플레이트 쌍(201, 202, 203)의 2개의 각각의 편향 플레이트들은, y-방향(102)에 그리고 z-방향(103)에 수직하는 z-방향(103)에서 그리고 x-방향(101)에서 각각 공통 포지션(common position)에 놓이며, y-방향(102)으로 이격된다. 입자 번치들(125)은 z-방향(103)에서 플레이트 쌍(201, 202, 203)의 2개의 각각의 편향 플레이트들 사이를 지나간다.

편향 플레이트들(210, 220, 230, 240, 250, 260)은 전기 전도성 재료, 바람직하게는 금속을 포함한다. 편향 플레이트들(210, 220, 230, 240, 250, 260)은 예를 들어, 금속 코팅(metallic coating)을 갖는 회로 기판들로서 구현될 수 있다.

전위차, 및 그러므로 전기장은, z-방향(103)으로 움직이는 입자 번치들(125)의 입자들을 y-방향(102)으로 편향시키기 위해, 플레이트 쌍들(201, 202, 203)의 편향 플레이트들 사이에서 각각 발생될 수 있다. 예로서, 양전압이 제 1 플레이트 쌍(201)의 제 1 편향 플레이트(210)에 적용될 수 있고, 동일한 크기를 갖는 음전압이 제 1 플레이트 쌍(201)의 제 2 편향 플레이트(220)에 적용될 수 있다. 다양한 플레이트 쌍들(201, 202, 203)에서 발생된 전위차들은 서로 상이할 수 있다. 바로 연달아(in quick time succession) 하나의 것이 다른 것을 뒤따르는 입자 번치들(125)의 개별적인 입자 번치들(125)을 단지 y-방향(102)으로 편향시키기 위해서만, 단기간 전압 펄스(short-term voltage pulse)들을 편향 플레이트들(210, 220, 230, 240, 250, 260)에 적용하는 것이 필요하다.

플레이트 쌍(201, 202, 203)에서 발생된 전기장의 y-방향(102)에서 포인팅되는 컴포넌트는, 편향 플레이트들(210, 220, 230, 240, 250, 260)이 폐쇄 평면 플레이트(closed plane plate)들로서 구현되는 경우, z-방향(103)에서 가우시안 프로파일(Gaussian profile)을 갖는다. 그러나, y-방향(102)에서 포인팅되는 전기장의 컴포넌트의 프로파일이, 플레이트 쌍(201, 202, 203) 내에서 z-방향(103)에서 거의 직사각형 함수(approximate rectangle function)를 갖는 경우 더 편리하다.

y-방향(102)에서 포인팅되는 전기장의 컴포넌트의 이러한 바람직한 공간 프로파일을 근사화하기 위해, 편향 디바이스(130)의 편향 플레이트들(210, 220, 230, 240, 250, 260)은 각각의 경우에서 리세스를 갖는다. 이는 제 1 플레이트 쌍(201)의 표현들을 도시하는 도 3 내지 도 5에 기초하여 아래에서 설명될 것이다. 나머지 플레이트 쌍들(202, 203)은 바람직하게, 제 1 플레이트 쌍(201)의 설계와 동일한 설계를 갖는다.

도 3은 제 1 플레이트 쌍(201)을 관통하는 제 1 단면을 도시한다. 여기서, 상기 제 1 단면은 z-방향(103)에 수직으로 연장된다. 제 1 플레이트 쌍(201)의 제 1 편향 플레이트(210) 및 제 2 편향 플레이트(220)는 x-방향(101)에서 폭(301)을 갖는다. 예로서, 상기 폭(301)은 4 ㎜일 수 있다. 편향 플레이트들(210, 220)은 각각 y-방향(102)에서 두께(302)를 갖는다. 예로서, 상기 두께(302)는 0.1 ㎜일 수 있다. y-방향(102)에서, 제 1 편향 플레이트(210) 및 제 2 편향 플레이트(220)는 서로 거리(312)를 갖는다. 예로서, 상기 거리(312)는 6 ㎜일 수 있다.

도 4는 y-방향(102)에 반대되는 뷰잉 방향(viewing direction)에서의 제 1 플레이트 쌍(201)의 제 1 편향 플레이트(210)의 평면도를 도시한다. 제 2 편향 플레이트(220)(도 4에서 가시적이지 않음)는 바람직하게, 제 1 편향 플레이트(210)와 동일하다. 제 1 편향 플레이트(210)는 z-방향(103)에서 길이(303)를 갖고, 상기 길이(303)는 예를 들어, 4 ㎜일 수 있다.

제 1 편향 플레이트(210)는 또한, 직사각형 홀(rectangular hole)(300)을 갖는다. 홀(300)은 제 1 편향 플레이트(210) 중심에 배열된다. x-방향(101)에서, 홀(300)은 예를 들어, 1 ㎜일 수 있는 홀 폭(hole width)(311)을 갖는다. z-방향(103)에서, 홀(300)은 예를 들어, 마찬가지로 1 ㎜일 수 있는 홀 길이(hole length)(313)를 갖는다.

제 1 편향 플레이트(210)가 금속 코팅을 갖는 회로 기판으로서 구현되는 경우, 홀(300)이 금속 코팅에 형성되는 것으로 충분하다.

중심에 배열된 홀(300) 대신에, 제 1 편향 플레이트(210)는 또한, 중심에 배열되지 않은 홀을 가질 수 있다.

홀(300) 대신에, 제 1 편향 플레이트(210)는 또한, 제 1 편향 플레이트(210)를 2개의 부분들로 분리하는 관통-슬롯(through-slot)을 가질 수 있다. 상기 슬롯은 예를 들어, x-방향(101) 또는 z-방향(103)에서 배향될 수 있다. 제 1 편향 플레이트(210)가 금속 코팅을 갖는 회로 기판으로서 구현되는 경우, 슬롯이 금속 코팅에 형성되는 것으로 충분하다. 분할된 편향 플레이트(210)의 2개의 부분들은 이러한 경우, 공통 회로 기판 상에 배열될 수 있다.

도 5는 제 1 플레이트 쌍(201)의 편향 플레이트(210, 220)를 관통하는 제 2 단면을 도시한다. 도 5에서, 상기 단면은 x-방향(101)에 수직한다.

도 6은 플레이트 쌍들(201, 202, 203) 내에서 나타나는 공간 필드 세기 프로파일(spatial field strength profile)을 그래프(600)에서 도시한다. 플레이트 쌍(201, 202, 203)의 구역에서 z-방향(103)은 그래프(600)의 수평축 상에 플로팅(plot)된다. y-방향(102)에서 포인팅되는 전기장 세기의 컴포넌트(601)는 그래프(600)의 수직축 상에 플로팅된다.

제 1 필드 프로파일(610)은 플레이트 쌍(201, 202, 203)의 상부 편향 플레이트와 하부 편향 플레이트 사이의 중심에서, y-방향(102)에서의 전기장 세기의 프로파일을 명시한다. 제 1 필드 프로파일(610)이 가우시안 프로파일과 비교하여 직사각형 함수(rectangular function)를 더욱 가깝게 근사화한다는 것이 식별될 수 있다. 직사각형 함수에 대한 이러한 근사화는 편향 플레이트들(210, 220, 230, 240, 250, 260)에 제공된 홀들(300)에 의해 달성된다.

제 2 필드 프로파일(620)은 y-방향(102)에서의 플레이트 쌍(201, 202, 203)의 다른 편향 플레이트보다, 하나의 편향 플레이트에 더욱 가까운 포지션에서, y-방향(102)에서의 전기장 세기의 프로파일을 표시한다. 제 2 필드 프로파일(620)이 플레이트 쌍(201, 202, 203)의 중심에서 z-방향(103)에서 볼록 실시예를 갖는다는 것이 식별될 수 있다.

본 발명이 바람직한 예시적인 실시예들에 의해 상세하게 예시되고 기술되었지만, 본 발명은 개시된 예들로 제한되지 않는다. 다른 변형들이, 본 발명의 보호의 범주로부터 벗어남이 없이, 개시된 예들로부터 당업자에 의해 도출될 수 있다.