선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자의 가속 방법 {LINEAR ACCELERATOR AND METHOD FOR ACCELERATING CHARGED PARTICLE BY USING THE SAME}
본 발명은 선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자 가속 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가속 캐비티(cavity)로 인가되는 RF 전자기장의 세기를 조절하는 선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자 가속 방법에 관한 것이다.
하전 입자를 가속시키는 가속기로서 원형 가속기와 선형 가속기가 존재한다. 그 중 선형 가속기는 RF 전자기장을 이용하여 선형으로 이동하는 하전 입자로 에너지를 가하여 하전 입자를 가속시키는 장치이다. 선형 가속기는 크게는 수십 km에서 작게는 수십 cm에 이르기까지 그 크기가 다양하며, 산업용, 의료용, 연구용, 군사용 등 폭넓게 이용되고 있다. 이들 선형 가속기 중 의료용 선형 가속기는 가속된 6MeV의 전자빔을 이용하여 엑스선을 발생시켜 암을 치료하는 장치이다. 일반적으로 의료용 선형 가속기는 의료 영상 기기와 함께 사용될 수 있는데, 양 장치간의 간섭을 최소화시키기 위해 또는 암 치료시 자유롭게 움직이기 위해 소형화된 의료용 선형 가속기들이 제안되고 있다. 그러나, 선형 가속기가 소형화될수록 온도 등의 외부 환경의 변화에 따라 가속 캐비티 내부에 인가된 RF 전자기장의 세기가 변화되어 전자빔의 에너지가 손실될 수 있고, 전자빔의 전송 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 외부 환경에 따른 선형 가속기의 성능 저하를 방지할 수 있는 효율적인 선형 가속기가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자 가속 방법은 외부 환경의 변화에도 선형 가속기의 성능을 일정하게 유지하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자 가속 방법은 전자 빔의 에너지 퍼짐이 작고, 높은 전송 효율을 갖는 소형화된 선형 가속기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기는, 하전 입자를 가속시키는 선형 가속기에 있어서, 상기 하전 입자가 이동되는 가속 통로; RF 전자기장이 인가되어 상기 가속 통로를 따라 이동하는 상기 하전 입자를 가속시키는 복수의 가속 캐비티(cavity); 및 상기 복수의 가속 캐비티 중 제 1 가속 캐비티와 연결된 제 1 가이드 포트를 통해 제 1 세기의 RF 전자기장을 상기 제 1 가속 캐비티로 인가하고, 상기 복수의 가속 캐비티 중 상기 제 1 가속 캐비티를 제외한 제 2 가속 캐비티와 연결된 제 2 가이드 포트를 통해 제 2 세기의 RF 전자기장을 상기 제 2 가속 캐비티로 인가하는 RF 소스를 포함할 수 있다. 상기 선형 가속기는, 상기 하전 입자를 상기 가속 통로로 조사하는 하전 입자 소스를 더 포함할 수 있다. 상기 선형 가속기는, 상기 제 1 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 제 1 세기와, 상기 제 2 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 제 2 세기를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 선형 가속기의 외부 온도를 측정하고, 상기 측정된 외부 온도에 기초하여 상기 제 1 세기와 상기 제 2 세기를 조절할 수 있다. 상기 선형 가속기는, 상기 제 2 가이드 포트에 연결되어, 상기 제 2 가속 캐비티로 인가되는 제 2 세기의 RF 전자기장의 위상을 조절하는 위상 조절부를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 가속 캐비티는 복수의 제 1 가속 캐비티를 포함하고, 상기 제 2 가속 캐비티는 복수 개의 제 2 가속 캐비티를 포함하되, 상기 RF 소스는, 소정 위상을 갖는 상기 제 1 세기의 RF 전자기장과, 상기 소정 위상과 180도의 위상 차이가 나는 상기 제 1 세기의 RF 전자기장을 상기 복수 개의 제 1 가속 캐비티들 각각으로 교대로 인가하고, 소정 위상을 갖는 상기 제 2 세기의 RF 전자기장과, 상기 소정 위상과 180도의 위상 차이가 나는 상기 제 2 세기의 RF 전자기장을 상기 복수 개의 제 2 가속 캐비티들 각각으로 교대로 인가할 수 있다. 상기 선형 가속기는, 상기 RF 소스로부터 인가되는 상기 제 1 세기의 RF 전자기장을 상기 복수의 제 1 가속 캐비티들 각각으로 전달하고, 상기 RF 소스로부터 인가되는 상기 제 2 세기의 RF 전자기장을 상기 복수의 제 2 가속 캐비티들 각각으로 전달하는 사이드 커플링 캐비티(side coupling cavity)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전 입자 가속 방법은, 선형 가속기에 의한 하전 입자 가속 방법에 있어서, 복수의 가속 캐비티 중 제 1 가속 캐비티와 연결된 제 1 가이드 포트를 통해 제 1 세기의 RF 전자기장을 상기 제 1 가속 캐비티로 인가하는 단계; 상기 복수의 가속 캐비티 중 상기 제 1 가속 캐비티를 제외한 제 2 가속 캐비티와 연결된 제 2 가이드 포트를 통해 제 2 세기의 RF 전자기장을 상기 제 2 가속 캐비티로 인가하는 단계; 및 하전 입자를 가속 통로로 조사하는 단계를 포함하고, 상기 가속 통로로 조사된 하전 입자는 상기 제 1 가속 캐비티에 인가된 상기 제 1 세기의 RF 전자기장과 상기 제 2 가속 캐비티에 인가된 상기 제 2 세기의 RF 전자기장에 의해 가속될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자 가속 방법은 외부 환경의 변화에도 선형 가속기의 성능을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기 및 이를 이용한 하전 입자 가속 방법은 전자 빔의 에너지 퍼짐이 작고, 높은 전송 효율을 갖는 소형화된 선형 가속기를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 선형 가속기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 선형 가속기의 평면도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 일반적인 선형 가속기에 의해 가속 캐비티 내에 인가된 RF 전자기장의 세기와 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기에 의해 가속 캐비티 내에 인가된 RF 전자기장의 세기를 비교하기 위한 그래프이다.
도 5(a)는 복수의 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 4(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기에 의해 생성되는 전자 빔의 빔 에너지에 대한 전자 밀도를 도시하는 그래프이고, 도 5(b)는 복수의 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 4(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기에 의해 생성되는 전자 빔의 전송 효율을 도시하는 그래프이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 일반적인 선형 가속기에 의해 가속 캐비티 내에 인가된 RF 전자기장의 세기와 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기에 의해 가속 캐비티 내에 인가된 RF 전자기장의 세기를 비교하기 위한 그래프이다.
도 7(a)는 복수의 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 6(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기에 의해 생성되는 전자 빔의 빔 에너지에 대한 전자 밀도를 도시하는 그래프이고, 도 7(b)는 복수의 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 6(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기에 의해 생성되는 전자 빔의 전송 효율을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전 입자 가속 방법의 순서를 도시하는 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 실시예에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다. 도 1은 일반적인 선형 가속기(10)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 일반적인 선형 가속기(10)는 하전 입자 소스(11), 가속 통로(12), RF 소스(13), 가이드 포트(14) 및 복수의 가속 캐비티(15)를 포함한다. 하전 입자 소스(11)는 가속 통로(12)로 하전 입자를 조사하고, 하전 입자는 가속 통로(12)를 따라 선형으로 이동한다. RF 소스(13)는 가이드 포트(14)를 통해 복수의 캐비티(15)로 RF(radio frequency) 전자기장을 인가하고, 하전 입자는 가속 통로(12)를 따라 이동하면서 복수의 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장에 의해 가속된다. RF 소스(13)는 소정 위상의 RF 전자기장과 소정 위상과 180도의 위상 차이가 나는 RF 전자기장을 복수의 가속 캐비티(15) 각각으로 교대로 인가할 수 있다. 하전 입자가 도 1에 도시된 복수의 가속 캐비티(15) 중 첫 번째 가속 캐비티(15)를 지날 때에는, 첫 번째 가속 캐비티(15)에 인가된 RF 전자기장에 의해 가속된다. 다음으로, 하전 입자가 두 번째 가속 캐비티(15)에 진입할 때에는 두 번째 가속 캐비티(15)에 인가되었던 소정 위상과 180도의 위상 차이가 나는 RF 전자기장의 위상이 반전됨으로써, 결국 두 번째 가속 캐비티(15)에 인가된 RF 전자기장의 위상은 하전 입자가 첫 번째 가속 캐비티(15)에 진입할 때 첫 번째 가속 캐비티(15)에 인가되었던 RF 전자기장의 위상과 동일해지고, 이에 따라 하전 입자는 두 번째 가속 캐비티(15) 내에서도 가속될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 가속 캐비티(15)는 집군 영역(buncher section)인 a 영역과 가속 영역(acceleration section)인 b 영역으로 구분될 수 있다. a 영역에서는 하전 입자 소스(11)에 의해 조사되는 직렬(DC) 형태의 전자 빔이 펄스화되고, b 영역에서는 펄스화된 전자 빔이 가속된다. 전자 빔이 모든 가속 캐비티(15)를 지날 때 적은 손실과 원하는 에너지를 얻게 하는 가장 중요한 부분은 a 영역의 각 가속 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장 세기와 각 가속 캐비티(15)의 길이이다. 왜냐하면, 전자 빔이 상대론적 에너지에 도달한 경우에는 전자 빔과 RF 전자기장 사이의 위상 변화가 미미해져서 각 가속 캐비티(15)의 길이와 RF 전자기장의 세기로 인하여 변화되는 손실 및 에너지 변화폭이 작기 때문이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 선형 가속기(10)가 소형화되는 경우에는 외부 환경 변화에 따른 영향을 많이 받게 된다. 예를 들어, 엑스 밴드(X-band)의 RF 전자기장을 사용하는 선형 가속기(10)의 가속 캐비티(15)는 상온 1도의 온도 차에도 열팽창을 하고, 약 150kHz정도의 공진 주파수 차이를 발생시킨다. 가속 캐비티(15)의 공진 주파수의 변형은 가속 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기에도 영향을 주게 되어 전자 빔이 원하는 에너지를 얻기 어렵고, 또한 전송 효율도 낮아지게 된다. 이를 극복하기 위해 가속 캐비티(15) 자체의 형상 등을 변형하는 기계적인 튜닝(tuning) 방법이 사용되고 있는데, 이 방법은 선형 가속기(10)가 소형화됨에 따라 적용의 어려움과 한계가 드러나고 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)는 하전 입자 소스(210), 가속 통로(220), RF 소스(230), 복수의 가속 캐비티(240), 제어부(250), 제 1 가이드 포트(252, 254) 및 제 2 가이드 포트(256, 258)를 포함한다. 하전 입자 소스(210)는 가속 통로(220)로 하전 입자를 조사한다. 하전 입자 소스(210)는 DC 형태의 전자 빔을 방출하는 전자 총을 포함할 수 있다. 복수의 가속 캐비티(240)는 RF 전자기장을 인가받아 가속 통로(220)로 이동하는 하전 입자를 가속시킨다. 복수의 가속 캐비티(240)는 집군 영역(a)에 포함되는 제 1 가속 캐비티와 가속 영역(b)에 포함되는 제 2 가속 캐비티를 포함할 수 있다. 제 1 가속 캐비티와 제 2 가속 캐비티는 사용자에 의해 선택될 수 있다. RF 소스(230)는 제 1 가속 캐비티와 연결된 제 1 가이드 포트(252, 254)를 통해 제 1 세기의 RF 전자기장을 제 1 가속 캐비티로 인가하고, 제 2 가속 캐비티와 연결된 제 2 가이드 포트(256, 258)를 통해 제 2 세기의 RF 전자기장을 제 2 가속 캐비티로 인가한다. 도 2를 보면, 제 1 가이드 포트(252, 254)와 제 2 가이드 포트(256, 258)는 서로 분리되어 있는 것을 알 수 있다. 제 1 가이드 포트(252, 254)는 소정 위상을 갖는 제 1 세기의 RF 전자기장과, 상기 소정 위상과 180도의 위상 차이가 나는 제 1 세기의 RF 전자기장을 제 1 가속 캐비티들 각각으로 교대로 인가하기 위한 적어도 두 개의 제 1 서브 가이드 포트들(252, 254)을 포함한다. 또한, 제 2 가이드 포트(256, 258)는 소정 위상을 갖는 제 2 세기의 RF 전자기장과, 상기 소정 위상과 180도의 위상 차이가 나는 제 2 세기의 RF 전자기장을 제 2 가속 캐비티들 각각으로 교대로 인가하기 위한 적어도 두 개의 제 2 서브 가이드 포트들(256, 258)을 포함한다. 제어부(250)는 마이크로프로세서로 구성될 수 있으며, 제 1 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 제 1 세기와 제 2 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 제 2 세기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 선형 가속기(200)의 외부 온도를 측정하고, 상기 측정된 외부 온도에 기초하여 제 1 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 제 1 세기와 제 2 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 제 2 세기를 조절할 수 있다. 즉, 외부 온도에 의해 제 1 가속 캐비티 내에 인가된 RF 전자기장의 세기가 약해진 경우, 제어부(250)는 제 1 세기를 향상시킬 수 있다. 또한, 제어부(250)는 제 1 가속 캐비티와 제 2 가속 캐비티 각각으로 제 1 세기의 RF 전자기장과 제 2 세기의 RF 전자기장을 인가하고, 제 1 가속 캐비티 내에서 측정된 RF 전자기장의 세기와 제 2 가속 캐비티 내에서 측정된 RF 전자기장의 세기가 설계값에 따른 기 설정된 RF 전자기장의 세기와 다른 경우, 제 1 세기와 제 2 세기를 조절할 수도 있다. 이는, 선형 가속기가 소형화됨에 따라 원래 기대하였던 설계값과 다른 결과가 도출될 수 있기 때문이다. 제 1 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장의 제 1 세기와 제 2 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장의 제 2 세기는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서 Pg는 RF 소스(230)에 의해 방출되는 RF 전자기장의 세기이고, P B 는 제 1 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장의 제 1 세기이며, P A 는 제 2 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장의 제 2 세기이다. 또한, K B 는 제 1 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장에 가해지는 가중치이고, K A 는 제 2 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장에 가해지는 가중치이다. 제어부(250)는 제 1 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장에 가해지는 가중치(K B )와 제 2 가속 캐비티 내로 인가되는 RF 전자기장에 가해지는 가중치(K A )를 조절함으로써, 제 1 세기 및 제 2 세기를 조절할 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)는 위상 조절부(260) 및 진공 포트(270)를 더 포함할 수 있다. 위상 조절부(260)는 제 2 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 위상을 변화시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)의 가이드 포트는 제 1 가속 캐비티를 위한 제 1 가이드 포트(252, 254)와 제 2 가속 캐비티를 위한 제 2 가이드 포트(256, 258)로 분리되기 때문에, 제 2 가이드 포트(256, 258)를 통해 인가되는 RF 전자기장의 위상이 제 1 가이드 포트(252, 254)를 통해 인가되는 RF 전자기장의 위상과 차이가 발생할 수 있다. 위상 조절부(260)는 제 2 가이드 포트(256, 258)를 통해 제 2 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장의 위상을 조절하여 제 1 가이드 포트(252, 254)를 통해 제 1 가속 캐비티로 인가되는 RF 전자기장과의 위상차를 감소시키거나, 일치시킬 수 있다. 도 2는 위상 조절부(260)가 제 2 가이드 포트(256, 258)에 연결된 것으로 도시하고 있지만, 위상 조절부(260)는 제 1 가이드 포트(252, 254)에 연결되어 제 1 가속 캐비티로 인가되는 제 1 세기의 RF 전자기장의 위상을 조절할 수도 있다. 진공 포트(270)는 선형 가속기(200)의 내부를 진공으로 유지하기 위한 포트이다. 도 3은 도 2에 도시된 선형 가속기(200)의 평면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)는 RF 소스(230)로부터 인가되는 상기 제 1 세기의 RF 전자기장을 제 1 가속 캐비티들 각각으로 전달하고, RF 소스(230)로부터 인가되는 상기 제 2 세기의 RF 전자기장을 제 2 가속 캐비티들 각각으로 전달하는 사이드 커플링 캐비티(side coupling cavity)(280)를 더 포함할 수 있다. 사이드 커플링 캐비티(280)가 연결된 사이드 커플링 선형 가속기(200)는 축 커플링(axial coupling) 선형 가속기보다 더 높은 Q(quality factor)와 분로 임피던스(shunt impedance)를 갖는다. 도 4(a) 및 도 4(b)는 일반적인 선형 가속기(10)에 의해 가속 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기와 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 가속 캐비티(240) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기를 비교하기 위한 그래프이다. 도 4(a)는 일반적인 선형 가속기(10)에 의해 가속 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기와, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 있어서, 수학식 1에서 k B = 37.5(%), k A = 62.5(%)로 제 1 세기와 제 2 세기를 조절하였을 때 가속 캐비티(240) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기가 동일한 것을 나타낸다. 도 4(b)는 도 4(a)에 도시된 RF 전자기장의 세기 중 도 2의 a 영역, 즉 집군 영역에 포함된 제 1 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 제 1 세기가 원래의 설계 값보다 높아 수학식 1에서 k B = 30(%), k A = 70(%)로 제 1 세기와 제 2 세기를 조절하였을 때의 가속 캐비티들(240)에 인가된 RF 전자기장의 세기를 나타낸다. 도 4(b)를 보면, 도 4(a)에 비해 a 영역에 포함된 제 1 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 제 1 세기는 감소한 반면에, b 영역에 포함된 제 2 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 제 2 세기는 증가한 것을 알 수 있다. 도 5(a)는 복수의 가속 캐비티(15, 240)에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 4(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기(10) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 생성되는 전자 빔의 빔 에너지에 대한 전자 밀도를 도시하는 그래프이고, 도 5(b)는 복수의 가속 캐비티(15, 240)에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 4(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기(10) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 생성되는 전자 빔의 전송 효율을 도시하는 그래프이다. 도 5(a)를 보면, 일반적인 선형 가속기(10)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 생성된 전자 빔이 상대적으로 에너지의 퍼짐 정도가 증가하였지만, 도 5(b)를 보면, 전송 효율은 15%에서 27%까지 상승한 것을 알 수 있다. 도 6(a) 및 도 6(b)는 일반적인 선형 가속기(10)에 의해 가속 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기와 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 가속 캐비티(240) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기를 비교하기 위한 그래프이다. 도 6(a)는 일반적인 선형 가속기(10)에 의해 가속 캐비티(15) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기와, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 있어서, 수학식 1에서 k B = 37.5(%), k A = 62.5(%)로 제 1 세기와 제 2 세기를 조절하였을 때 가속 캐비티(240) 내에 인가된 RF 전자기장의 세기가 동일한 것을 나타낸다. 도 6(b)는 도 6(a)에 도시된 RF 전자기장의 세기 중 도 2의 a 영역, 즉 집군 영역에 포함된 제 1 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 제 1 세기가 원래의 설계 값보다 낮아 수학식 1에서 k B = 42.5(%), k A = 57.5(%)로 제 1 세기와 제 2 세기를 조절하였을 때의 가속 캐비티들(240)에 인가된 RF 전자기장의 세기를 나타낸다. 도 6(b)를 보면, 도 6(a)에 비해 a 영역에 포함된 제 1 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 제 1 세기는 증가한 반면에, b 영역에 포함된 제 2 가속 캐비티에 인가된 RF 전자기장의 제 2 세기는 감소한 것을 알 수 있다. 도 7(a)는 복수의 가속 캐비티(15, 240)에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 6(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기(10) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 생성되는 전자 빔의 빔 에너지에 대한 전자 밀도를 도시하는 그래프이고, 도 7(b)는 복수의 가속 캐비티(15, 240)에 인가된 RF 전자기장의 세기가 도 6(b)와 같은 RF 전자기장 세기를 가질 경우, 일반적인 선형 가속기(10) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 생성되는 전자 빔의 전송 효율을 도시하는 그래프이다. 도 7(a)를 보면, 일반적인 선형 가속기(10)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 가속기(200)에 의해 생성된 전자 빔의 에너지 퍼짐이 ΔE(MeV)= 0.43MeV에서 ΔE(MeV)= 0.27MeV로 줄어들고, 도 7(b)를 보면, 전송효율이 26%에서 29%로 상승한 것을 알 수 있다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전 입자 가속 방법의 순서를 도시하는 순서도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전 입자 가속 방법은 도 2에 도시된 선형 가속기(200)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 2에 도시된 선형 가속기(200)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 8의 하전 입자 가속 방법에도 적용됨을 알 수 있다. S810 단계에서, 선형 가속기(200)는, 복수의 가속 캐비티(240) 중 제 1 가속 캐비티와 연결된 제 1 가이드 포트(252, 254)를 통해 제 1 세기의 RF 전자기장을 제 1 가속 캐비티로 인가한다. S820 단계에서, 선형 가속기(200)는, 복수의 가속 캐비티(240) 중 제 1 가속 캐비티를 제외한 제 2 가속 캐비티와 연결된 제 2 가이드 포트(256, 258)를 통해 제 2 세기의 RF 전자기장을 제 2 가속 캐비티로 인가한다. S830 단계에서, 선형 가속기(200)는 하전 입자를 가속 통로(220)로 조사하여, 가속 통로(220)로 조사된 하전 입자가 제 1 가속 캐비티에 인가된 제 1 세기의 RF 전자기장과 제 2 가속 캐비티에 인가된 제 2 세기의 RF 전자기장에 의해 가속되도록 한다. 한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
200: 선형 가속기
210: 하전 입자 소스
220: 가속 통로
230: RF 소스
240: 가속 캐비티
250: 제어부
252, 254: 제 1 가이드 포트
256, 258: 제 2 가이드 포트
260: 위상 조절부
270: 진공 포트
280: 사이드 커플링 캐비티 |
