| 说明书全文 |
이온 소오스{ion source}
본 발명은 이온 치료 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하전 입자들을 생성하고 가속하는 이온 소오스에 관한 것이다.
하전 입자들을 이용한 치료 방법은, 정상 조직의 손상을 최소화하면서 암세포를 정확하게 공격할 수 있기 때문에, 예후가 좋은 치료법으로 주목 받고 있다. 종래에는, 하전 입자들을 생성하기 위해 거대할 뿐만 아니라 비싼 가속 장치 및 겐트리(gantry)가 요구되었다. 더불어, 치료법이 실용화되기 위해서는, 하전 입자들의 가속 에너지는 충분히 커야 하고, 그 에너지 분포는 충분히 작아야 한다. 일반적으로, 싱클로트론, 혹은 사이클로트론, 선형가속기용 이온 소오스는 Eelectron Cychrotron Resornance (ECR)장치 등 기체를 이용한 플라즈마를 활용하고 있다. ECR 장치는 고주파 전압을 이용하여 기체를 방전시키고 이 방전되어 이온화된 가스를 싱클로트론에 입사하는 이온 소오스이다. 종래의 ECR 등 기체 플라즈마 방법은 장비가 비교적 복잡하다. 진공 챔버가 필요하며 고압의 교류전압이 필요하고, 기체 가스를 보관하고 이송 시스템등이 복잡하다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 신속한 이온 교체 공급이 가능한 이온 소오스를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 과제는 이온 소스의 교차 오염을 방지할 수 있는 이온 소오스를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이온 소오스는, 하전 입자들을 생성하는 이온 발생부; 상기 이온 소스에서 생성된 상기 하전 입자들을 가속하는 싱크로트론; 및 상기 싱크로트론과 상기 이온 소스 사이에 배치된 선형 가속기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 이온 소스는: 상기 선형 가속기의 방향으로 레이저 빔을 제공하는 레이저 장치; 및 상기 레이저 빔으로부터 상기 하전 입자들을 생성하여 상기 레이저 빔과 동일한 방향으로 상기 하전 입자들을 상기 선형 가속기에 제공하는 타겟을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 이온 소오스는 싱크로트론에 정렬되는 레이저 빔과 타겟을 이용하여 신속한 이온 교체 공급을 용이하게 하고, 이온간의 교차 오염을 방지할 수 있다.
도 1은 및 도 2는 일반적인 이온 소오스의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 3은 도 2의 제 1 및 제 2 이온 발생부들과 선형 가속기를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소오스를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 타겟을 보여준다.
도 6은 도 5의 타겟 박막의 일 예를 보여준다.
도 7 및 도 8은 도 5의 타겟 박막의 다른 예들을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 명세서에서 사용된 레이저 펄스 및 레이저 빔은 동일한 빛을 의미하며, 스펙트럼, 펄스 폭, 평행 빔 및 빔 사이즈 등은 레이저 펄스의 파장, 세기, 및 선량 등에 관계되는 일반적인 광학 용어들로 이해될 수 있을 것이다. 바람직한 실시 예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 도 1은 일반적인 이온 소오스(300)의 일 예를 보여준다. 일반적인 이온 소오스(300)는 이온 발생부(100) 및 이온 가속기(180)를 포함할 수 있다. 이온 발생부(100)는 플라즈마 하전 입자들(160)를 이온 가속기(180)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 이온 발생부(100)는 ECR(Electron Cychrotron Resonance) 플라즈마 이온 발생기를 포함할 수 있다. 이온 발생부(100)는 H 2 , He, CH 4 와 같은 기체를 플라즈마 상태로 여기시켜 기체 상태의 하전 입자들(160)을 생성할 수 있다. 이온 가속기(180)는 하전 입자들(160)을 가속할 수 있다. 예를 들어, 이온 가속기(180)는 싱크로트론을 포함할 수 있다. 이온 가속기(180)는 진공 튜브들(110), 디플렉팅 마그넷들(deflecting magnets, 120), 가속 캐버티(accelerating cavity, 130), 입력 파이프(140), 및 출력 파이프(150)를 포함할 수 있다. 진공 튜브들(110)은 하전 입자들(160)의 이동 공간을 제공할 수 있다. 디플렉팅 마그넷들(120)은 하전 입자들(160)의 이동 방향을 제어할 수 있다. 진공 튜브들(110) 사이에 배치될 수 있다. 진공 튜브들(110)과 디플렉팅 마그넷들(120)은 원형으로 연결될 수 있다. 가속 캐버티(130)는 입력 파이프(140)와 진공 튜브들(110) 사이를 연결할 수 있다. 입력 파이프(140)는 가속 캐버티(130)를 이온 발생부(100)에 연결할 수 있다. 출력 파이프(150)는 진공 튜브들(110)과 디플렉팅 마그넷들(120)을 따라 가속된 하전 입자들(160)을 암치료 목적으로 인체(미도시)에 출사할 수 있다. 암치료에 필요한 이온의 종류의 교체가 필요하면 기체의 교환이 필요하다. 예로서, 양성자 치료에는 H 2 가스를 이용하고 탄소이온(12C 6 + ) 치료가 필요하면 CH 4 가스가 필요하다. 싱클로트론에서는 1종의 하전 입자들(160)을 가속시키므로 양성자 치료 후 탄소이온 치료가 필요하면 ECR 플라즈마에 H 2 에서 CH 4 가스로 교체해야 한다. 일반적으로 기체 플라즈마 장치에서 가스 교체는 적어도 수분이 걸린다. 플라즈마 챔버와 가스 튜브중의 잔류 가스를 완전히 제거하기 위해서는 상당한 시간의 진공펌프의 펌핑시간이 걸린다. 이는 비효율성을 야기할 수 있다. 또한 가스 튜브나 챔버에 잔류하는 가스성분에 의해 교차 오염(cross ?ontamination)의 가능성이 있다. 따라서, 이온 가속기(180) 내에는 일정 부분 여러 종의 이온이 존재가능성이 있고 이는 암치료 효과에 문제를 야기 할 수 있다. 하지만, 일반적인 이온 소오스(300)는 이온 발생부(100)에서의 하전 입자들(102)의 종류를 바꾸기 위한 대기 시간을 필요로 한다. 또한, 일반적인 이온 소오스(300)는 이온 발생부(100)에서의 재료 물질들의 교차 오염을 유발할 수 있다. 이온 발생부(100)는 다양한 종류의 이온 기체들에 의해 오염될 수 있기 때문이다. 도 2는 다른 일반적인 이온 소오스(301)를 보여준다. 도 3은 도 2의 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)과 선형 가속기(250)를 보여준다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 이온 소오스(301)는 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)은 이온 가속기(270)에 대해 병렬로 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)은 서로 다른 종류의 하전 입자들(260)을 생성할 수 있다. 제 1 및 제 2 스펙트로미터 마그넷들(spectrometer magnet, 220, 230), 스위칭 자석(240), 및 선형 가속기(250)는 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)과 이온 가속기(270) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 스펙트로미터 마그넷들(spectrometer magnet, 220, 230)은 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)에서 생성된 하전 입자들(260)을 스위칭 자석(240)에 집속할 수 있다. 스위칭 자석(240)은 제 1 및 제 2 이온 발생부들(200, 210)에서 생성된 하전 입자들(260)을 선택적으로 단속할 수 있다. 스위칭 자석(240)은 제 1 이온 발생부(200)에서 생성된 하전 입자들(260)을 선택적으로 이온 가속기(270)에 제공할 수 있다. 반대로, 스위칭 자석(240)은 제 2 이온 발생부(210)에서 생성된 하전 입자들(260)을 선택적으로 이온 가속기(270)에 제공할 수 있다. 따라서, 제 1 이온 발생부(200)와 제 2 이온 발생부(210)는 두 종류의 하전 입자들(260)을 생성할 수 있다. 반면, 제 1 이온 발생부(200) 및 제 2 이온 발생부(210)은 동일한 종류의 하전 입자들(260)을 생성할 경우, 그들 중 하나 내의 가스를 교체하고, 나머지 하나는 정삭적으로 가동될 수 있다. 제 1 이온 발생부(200)와 제 2 이온 발생부(210)이외에 다른 이온 발생부들이 추가되면 설치 비용과 유지 비용이 단점이 될 수 있다. 추가되는 이온 발생부들의 진공도를 최상으로 유지해야 하기 때문에 생산성이 줄어들 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소오스(400)를 보여준다. 본 발명의 이온 소오스(400)는 이온 발생부(410), 선형 가속기(440), 및 싱크로트론(450)을 포함할 수 있다. 이온 발생부(410)는 레이저 빔(412)을 이용하여 하전 입자들(460)을 생성할 수 있다. 이온 발생부(410)는 레이저 장치(420) 및 타겟(430)을 포함할 수 있다. 레이저 빔(412)은 펨토초 레이저 빔 또는 피코초 레이저 빔을 포함할 수 있다. 타겟(430)은 종래의 플라즈마 소스보다 간편하게 교체될 수 있다. 레이저 빔(412)과 타겟(430)의 상호 작용(laser-matter interaction)에 의한 하전 입자들(460)의 가속 원리는 다음과 같이 두가지의 모델로 설명될 수 있다. 먼저, Target normal sheath acelleration(TNSA) 모델이 있다. TNSA 모델은 레이저 빔(412)의 세기가 10 20 W/cm 2 이하로 약한 경우이다. 레이저 빔(412)이 타겟(430)에 입사되면 타겟(430) 내의 전자들이 가속되어 상기 타겟(430)의 배면(rear surface)이나 배면으로부터 떨어져 나와 전자구름(electron clouding) 형태로 순간적으로 존재한다. 타겟(430) 내부의 양성자 혹은, 양이온이 남게 되고 배면의 전자구름과 양이온 사이에 10 12 V/cm이상의 매우 큰 전기장이 형성된다. 이 전기장에 의해 양이온은 전자구름을 향하여 가속된다. 그 에너지가 200MeV 에 이르면 인체 체내 15cm이상 깊은 곳의 종양에 도달할 수 있다. 이때, 레이저 빔(412)이 타겟(430)의 입사 각도에 무관하게 제공되면 이온들은 타겟(430)의 표면에 수직 방향으로 가속될 수 있다. 이를 TNSA 모델이라 한다. 둘째, Radiation pressure 모델이 있다. 레이저 빔(412)의 세기가 10 21 W/cm 2 이상이 되면 TNSA모델과 다르게 레이저 빔(412)의 진행 방향으로 이온들이 가속된다. Radiation pressure 은 전자기학적 로렌츠 힘(Lorentz force)에 따라 증가할 수 있다. 로렌츠 힘(Lorentz force)은 전하를 띤 물체가 전자기장 안에서 받는 힘이다. 물체는 전기장 안에서 qE의 을 받고, 자기장 qv x B의 힘을 받는다. 로렌츠 힘은 자기장과 전기장 힘의 합(F=q(E + qx B)이다. 여기서 E는 전기장, B는 자기장이고, q는 입자의 전하량이며, v는 입자의 속력이다. 또한 x 는 외적을 뜻한다. 레이저 빔(412)의 세기에 따라 이온의 가속원리가 달라진다. Radiation pressure(광압) 모델이 적용된 이온들은 가속 에너지가 크며 TNSA모델이 적용된 이온의 에너지는 Radiation pressure 모델 적용 에너지 보다 작을 수 있다. 계속하여, 도 4를 참조하면, 선형 가속기(440) 및 싱크로트론(450)은 하전 입자들(460)을 가속할 수 있다. 선형 가속기(440)는 싱크로트론(450)과 타겟(430) 사이에 배치될 수 있다. 싱크로트론(450)은 진공 튜브들(452), 디플렉팅 마그넷들(454), 가속 캐버티(456), 입력 파이프(458), 및 출력 파이프(459)를 포함할 수 있다. 하전 입자들(160)은 진공 튜브들(452)을 따라 이동할 수 있다. 디플렉팅 마그넷들(454)은 진공 튜브들(452) 사이에 배치될 수 있다. 디플렉팅 마그넷들(454)은 하전 입자들(160)의 이동 방향을 변경할 수 있다. 진공 튜브들(452), 디플렉팅 마그넷들(454), 및 가속 캐버티(456)은 원모양으로 연결된다. 가속 캐버티(456)는 진공 튜브들(452)과 디플렉팅 마그넷들(454)을 따라 이동하는 하전 입자들(460)을 가속할 수 있다. 또한, 가속 캐버티(456)는 입력 파이프(458)에 연결될 수 있다. 입력 파이프(458)는 선형 가속기(440)와 가속 캐버티(456) 사이에 하전 입자들(460)을 전달할 수 있다. 출력 파이프(459)는 디플렉팅 마그넷들(454) 중의 어느 하나에 연결될 수 있다. 출력 파이프(459)는 싱크로트론(450)의 암치료 목적으로 인체(미도시)에 하전 입자들(460)을 제공할 수 있다. 도 5는 도 4의 타겟(430)을 보여준다. 타겟(430)은 지지대(432)와 타겟 박막(434)을 포함할 수 있다. 지지대(432)는 타겟 박막(434)을 고정할 수 있다. 레이저 빔(412)은 타겟 박막(434)에 제공될 수 있다. 타겟 박막(434)은 레이저 빔(412)의 광에너지를 흡수하여 의해 하전 입자들(460)을 생성할 수 있다. 도 6은 도 5의 타겟 박막(434)의 일 예를 보여준다. 타겟 박막(434)은 소스 재료에 따라 제 1 내지 제 N영역들(1-N)을 가질 수 있다. 제 1 내지 제 N영역들(1-N)은 어레이 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역(1)의 타겟 박막(434)은 수소를 포함할 수 있다. 제 2 영역(2)의 타겟 박막(434)은 탄소를 포함할 수 있다. 제3 영역(3)의 타겟 박막(434)은 산소를 포함할 수 있다. 제 4 영역(4)의 타겟 박막(434)은 헬륨을 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 영역들(1-4)에 레이저 빔(412)이 제공되면, 양이온의 하전 입자들(460)이 생성될 수 있다. 레이저 빔(412)이 제 1 영역(1)에 입사되면, 양성자(H + , 462)가 발생될 수 있다. 레이저 빔(412)이 제 2 영역(2)에 입사되면, 탄소 이온(C 1 +~6+ , 464)이 발생될 수 있다. 제 3 영역(3)에서는 산소 이온(O + , 466)이 생성될 수 있다. 제 4 영역(4)에서는 헬륨 이온(He + , 468)이 생성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소오스(400)는 이온 교체 공급을 용이하게 할 수 있다. 본 발명은 이온의 재질 종류의 개수에 제한을 두지 않는다. 즉, 타겟 박막(434) 내부의 소영역의 개수에 제한을 두지 않는다. 하전 입자들(460)은 레이저 빔(412)과 동일한 방향으로 진행할 수 있다. 때문에, 하전 입자들(460)은 타겟 박막(434)과 재 반응되지 않을 수 있다. 따라서, 하전 입자들(460)의 이온간 교차 오염(cross-contamination)이 방지될 수 있다. 도 7 및 도 8은 도 5의 타겟 박막(434)의 다른 예들을 보여준다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 레이저 빔(412)은 제 1 내지 제 N영역들(1-N)의 타겟 박막(434)에 순차적으로 제공될 수 있다. 타겟 박막(434)의 제 1 내지 제 N 영역들(1-N)은 단일 물질로 이루어질 수 있다. 일 예에 따르면, 타겟 박막(434)은 헬륨 성분 및/또는 탄소 성분을 포함할 수 있다. 헬륨 성분 및/또는 탄소 성분의 타겟 박막(434)의 종류는 그 제한을 두지 않는다. 레이저 빔(412)이 제 1 내지 제 N 영역들(1-N)에 제공되면, 동일한 종류의 헬륨 이온(468) 및/또는 탄소 이온(464)이 생성될 수 있다. 타겟 박막(434)이 해당 영역에서 소진되면, 레이저 빔(412)은 이웃하는 영역의 타겟 박막(434)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역(1)이 소진되면, 레이저 빔(412)은 제 2 영역(2)에 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이온 소오스(400)는 한 종류의 하전 입자들(460)을 연속적으로 제공할 수 있다. 이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 예를 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 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. |
