KR20180060243A - Transport lines of compact-tridactyl high energy beam with minimal quadrupole magnets for Acceleator-Boron Neutron Capture Therapy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 이용하여 세 개의 치료실을 운영하기 위한 세 갈래로 분기된 고에너지 빔 전송 라인 설계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매칭(matching) 구조, 아크로맷(achromat) 및 빔확장기 (beam expander)를 최적화하여 치료기에서 요구하는 세 갈래 분기, 휘는 과정에서의 색수차 문제, 크고 균일한 횡방향 분포 생성의 세 가지 조건을 충족시키며 동시에 최소한의 매칭 구조 및 전자석을 사용하는 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인에 관한 것이다.The present invention relates to the design of a three-way branched high energy beam transmission line for operating three treatment rooms using a proton accelerator based boron-neutron capture therapy apparatus, and more particularly, to a matching structure, achromat) and beam expander to meet the three requirements of the three-branch branching, the chromatic aberration problem in the bending process, and the generation of a large and uniform lateral distribution required by the treatment machine, while simultaneously using the minimum matching structure and the electromagnet To a three-way branched high energy beam transmission line for a boron-neutron capture therapy device based on a proton accelerator.
붕소-중성자 포획치료기를 이용한 암 치료기는 기존의 소형 입자 가속기가 직접 입자를 암세포에 충돌시키고 이때 발생하는 열을 이용하여 암세포를 제거하는 것과는 다르게 환자에게 약물을 투여하고 이 약물과 중성자를 반응시켜 열을 발생시킨다.Unlike conventional small particle accelerators that collide particles with cancer cells and remove cancer cells by using the heat generated by the boron-neutron capture therapy device, the drug is administered to the patient and the drug is reacted with the neutron to generate heat .
직접 입자를 암세포에 충돌시키는 경우 암세포뿐만 아니라 암세포의 주변에 있는 정상세포도 함께 사멸하는 단점이 있는데, 붕소-중성자 포획치료기의 경우 붕소 약물이 암세포를 찾아가도록 만들고 해당 약물만이 중성자와 반응하도록 할 수 있기 때문에 기존의 방법에 비해 정상세포가 받는 피해를 최소화할 수 있다.In the case of the boron-neutron capture therapy, the boron drug makes cancer cells come into contact, and only the drug reacts with the neutrons. The damage to normal cells can be minimized compared with the conventional method.
이와 같은 치료시설의 경우 수용 가능한 환자의 수를 늘리기 위해서는 2개 이상의 치료실을 보유하는 것이 유리하고, 붕소-중성자 포획 치료에 필요한 중성자는 입자 가속기로 가속된 양성자 빔을 타겟에 충돌시켜 생성하는데, 다수의 치료실을 가장 효과적으로 보유하기 위해서는 가속이 완료된 고에너지 양성자 빔을 전송하는 빔라인을 필요한 치료실의 수만큼 가속장치 이후에 분기하여 구축해야 한다.In such a treatment facility, it is advantageous to have more than two treatment rooms to increase the number of acceptable patients, and the neutrons necessary for the boron-neutron capture therapy are generated by colliding a proton beam accelerated with a particle accelerator to the target, The beamline for transmitting the accelerated high energy proton beam must be branched off after the accelerating device by the number of necessary treatment rooms.
이와 같은 분기 방법은 비특허문헌 1에서 볼 수 있는 것과 같이 이미 다른 양성자 가속기를 이용하는 연구시설 등에서도 이용을 하고 있다.Such a branching method is also used in a research facility that already uses another proton accelerator as shown in Non-Patent
빔 전송라인을 분기하기 위해서는 반드시 빔을 수평 방향으로 휜 후에 진행시키는 휜 구간과 직진하는 빔을 그대로 이용하는 직선 구간이 필요하며, 휜 구간의 경우 1개 혹은 그 이상의 2극 전자석을 이용하여 빔의 진행 방향을 휘게 한다.In order to branch the beam transmission line, a fin section that advances after the beam is horizontally bent and a straight section that directly uses the beam that is advanced straight is required. In the case of the fin section, one or more bipolar electromagnets are used to progress the beam Bend the direction.
일반적으로 입자 빔 내의 입자들은 기준이 되는 에너지 근처의 서로 다른 에너지를 가지므로 빔이 2극 전자석을 통과하는 경우, 에너지에 따라 휘는 정도에 차이가 생기고 이로 인해 빔의 횡 방향의 위치 혹은 크기가 원하지 않는 형태로 변화하게 된다. 특히 가속기에서의 가속 정도가 항상 일정하지 않으므로 빔은 항상 에너지 떨림(energy jitter)을 가지게 되는데, 이로 인해 생기는 횡 방향 위치 변화 및 크기 변화는 빔을 진공관에 충돌시켜 다량의 방사선을 발생시킬 위험이 있고, 중성자의 수율 감소로 치료 효율을 감소시킬 가능성이 있다.Generally, particles in the particle beam have different energies near the reference energy. Therefore, when the beam passes through the bipolar electromagnet, there is a difference in the degree of warping depending on the energy, so that the position or size of the beam in the lateral direction is desired It changes in the form that it does not. In particular, since the acceleration in the accelerator is not always constant, the beam always has energy jitter, which causes a risk of generating a large amount of radiation by colliding the beam with the tube, , There is a possibility of reducing treatment efficiency by reducing the yield of neutrons.
이와 같은 디스퍼션(dispersion)에 의한 횡 방향 위치 변화 및 크기 변화를 제거하기 위해서 아크로맷(achromat)이라는 구조를 사용한다(비특허문헌 2 참조).A structure called achromat is used to eliminate the lateral positional change and size change due to such dispersion (see Non-Patent Document 2).
비특허문헌 1의 빔 전송라인을 도 1에 나타냈다. 도 1은 빔 전송라인을 세 갈래 분기할 때 이용하는 일반적인 빔 전송라인의 개략도를 나타낸 것으로서, 아크로맷 구성을 위해서 3개의 2극 전자석을 이용하며 각 2극 전자석 사이에 각각 1개 및 4개의 4극 전자석이 추가로 삽입되어 있는 것이다. 이와 같이 많은 수의 전자석을 이용하는 방법은 가속기 구축 비용을 증가시키기 때문에 산업 혹은 의료 목적의 가속기 구축시에는 가능한 이용하는 전자석의 수를 줄이는 것이 요구된다.A beam transmission line of
아크로맷은 2극 전자석-4극 전자석-2극 전자석의 형태로 2극 전자석 2개와 4극 전자석 1개로 구성하는 것이 가능하지만 2극 전자석 2개와 4극 전자석 1개를 이용하는 경우 빔의 횡 방향 성질의 조정에 제한이 생기고, 4극 전자석은 수평방향으로 빔을 휘는 경우에 색수차 제거를 위해서 반드시 수평방향에 대해 빔을 집속해야 하는데, 이 과정에서 수직방향으로 빔이 강하게 퍼지고 수직 방향의 성질이 나빠지게 된다. 이 때문에 비특허문헌 1과 같이 2개 이상의 4극 전자석을 이용하는 경우가 많다.Acromat can be composed of 2-pole electromagnets and 2-pole electromagnets in the form of 2-pole electromagnets, 4-pole electromagnets and 2-pole electromagnets. However, when two electromagnets and one quadrupole electromagnet are used, When the beam is bent in the horizontal direction, the beam must be focused in the horizontal direction in order to remove the chromatic aberration. In this process, the beam is strongly spread in the vertical direction, and the vertical direction property It will fall out. For this reason, two or more quadruple electromagnets are often used as in Non-Patent
직선 구간과 휜 구간 모두 타겟 위치에서는 동일한 빔 조건을 요구하는데, 붕소-중성자 포획 치료기의 경우에는 일반적인 빔의 횡 방향 분포인 가우시안 (Gaussian)이 적합하지 않고, 크고 균일한 형태로 분포를 재조정하는 것이 요구되며, 치료를 위한 충분한 중성자 생성을 위해서 높은 양성자 빔 파워가 요구되기 때문에 작은 횡 방향 크기는 타겟을 녹이는 문제를 야기할 수 있으며 큰 환부를 한 번에 치료하기 위해서도 입사되는 양성자 빔의 크기가 클 필요가 있다.In the case of boron-neutron capture therapy, it is not appropriate to use Gaussian, which is a general lateral distribution of the beam, and to rebalance the distribution in a large and uniform form Because of the high proton beam power required to generate sufficient neutrons for treatment, small lateral dimensions can cause the problem of melting the target and the size of the incoming proton beam is large enough to treat large lesions at one time There is a need.
또한 똑같이 주어진 횡 방향 크기에 대해서 열 문제를 최소화하기 위해서는 가우시안과 같이 입자가 가운데 집중된 형태가 아닌 균일한 분포가 필요하고, 치료시에도 환부 전체에 균일한 효과를 줄 수 있기 때문에 균일한 분포는 치료시간을 단축하는 효과도 불러올 수 있다.In order to minimize the heat problem for a given lateral dimension, uniform distribution is required instead of a central concentration of particles such as Gaussian, The effect of shortening the time can also be invoked.
크고 균일한 횡 방향 분포를 생성하기 위해서는 일반적으로 빔 확장기(Beam expander)를 이용한다. 빔 확장기(Beam expander)를 이용하는 구조는 비특허문헌 3과 같이 일반적으로 두 개 이상의 4극 전자석과 두 개의 8극 전자석으로 구성된다.Generally, a beam expander is used to generate a large and uniform lateral distribution. The structure using a beam expander is generally composed of two or more quadrupole electromagnets and two eight-pole electromagnets as in Non-Patent
두 개의 4극 전자석이 각각 빔을 수평 방향 및 수직 방향으로 집속시키고, 강한 집속으로 인해 집속점을 지난 이후에는 빔의 수직, 수평 방향 크기가 급속도로 커지게 되며, 이 과정 중 중간에 삽입된 8극 전자석은 3차 비선형 자기장 성분을 통해 빔의 위상공간(phase space)에 변형을 주어 빔의 바깥 쪽에 위치한 입자들이 중심으로 밀려 들어오도록 만들어 전체 분포를 균일하게 재조정한다.The two quadrupole electromagnets converge the beam in the horizontal and vertical directions, respectively. After passing through the focal point due to the strong focusing, the vertical and horizontal sizes of the beam rapidly increase. In this process, The extreme electromagnets deform the phase space of the beam through the third order nonlinear magnetic field component so that the particles located outside of the beam are pushed to the center to uniformly resize the entire distribution.
이와 같은 구조는 수직 혹은 수평 방향만을 제어하는 경우 비특허문헌 4에 제시된 것과 같이 1개의 4극 전자석과 1개의 8극 전자석으로 구성할 수 있지만, 수직 및 수평 방향을 모두 제어하는 경우에는 두 방향 사이에 강한 상관관계가 형성되기 때문에 2개의 4극 전자석과 2개의 8극 전자석을 사용하는 경우 빔이 진공관과 충돌하지 않도록 제어하면서 요구하는 타겟에서의 빔의 크기를 충족시키는 것이 어렵고, 이를 피하기 위해 비특허문헌 3의 경우와 같이 2개 이상의 4극 전자석을 이용하여 빔을 제어하는 것이 일반적이다.Such a structure can be constituted by one quadrupole electromagnet and one eight-pole electromagnet as shown in Non-Patent
앞서 언급된 아크로맷과 빔 확장기와 같은 특수한 목적을 가지는 구조들은 기능을 발휘하기 위해서 일반적으로 들어오는 빔에 대해 특정한 성질이 요구되며, 세 갈래로 분기된 붕소-중성자 포획 치료기와 같이 두 개의 서로 다른 특수 목적 빔라인을 이을 필요가 있거나 하나의 빔을 직선구간과 휜 구간에 모두 사용 가능하도록 만드는 경우에는 각각의 구조가 요구하는 조건을 이전 구조를 통과한 빔이 충족하도록 조정하는 과정이 반드시 필요하고, 이와 같은 과정을 매칭(matching)이라고 부른다(비특허문헌 5의 매칭에 대한 내용을 참조.).Special-purpose structures, such as the acromat and beam expander mentioned above, require specific properties for the incoming beam in order to perform their function, and two different specimens, such as a branched-boron-neutron capture device, If the beamline needs to be beamed or one beam can be used in both the straight section and the warped section, it is necessary to adjust the conditions required by the respective structures so that the beams passing through the previous structure are satisfied. The same process is called matching (see the matching of non-patent document 5).
횡 방향 빔의 성질로는 크게 두 가지로 크기(size)와 발산정도(divergence)가 있으며, 수평 및 수직 방향 각각이 두 가지 성질을 가지므로, 횡 방향에는 총 4개의 조정이 필요한 성질이 존재한다. 따라서 통상적인 매칭의 경우 4개의 성질을 모두 조정하기 위해 최소 4개 혹은 조정 자유도를(degree of freedom)을 높이기 위해 5개의 4극 전자석을 사용한다.There are two types of properties of the transverse beam, namely, size and divergence. Since the horizontal and vertical directions have two properties, there is a need to adjust four transverse directions in total . Thus, in the case of typical matching, four quadrupole electromagnets are used to adjust all four properties or to increase the degree of freedom.
도 1에서도 AC magnet을 선두로 시작되는 아크로맷을 이전의 빔라인과 매칭해주기 위해서 4개의 4극 전자석이 삽입되어 있는 것을 볼 수 있으며(비특허문헌 1 참조), 도 2에 나타낸 비특허문헌 3에서도 아크로맷 후부터 빔확장기 전까지 5개의 4극 전자석이 삽입되어 빔 전송과 매칭 역할을 수행하고 있다.In Fig. 1, it can be seen that four quadrupole electromagnets are inserted in order to match the acromat starting from the AC magnet to the previous beam line (see Non-Patent Document 1), and in
상기한 바와 같이 일반적으로 알려진 방법을 이용하여 세 갈래로 분기된 붕소-중성자 포획치료기의 고에너지 빔 전송라인을 구성하기 위해서는 직선구간과 휜 구간이 공유하는 매칭 구조에 이어 직선구간은 빔 확장기를 휜 구간은 아크로맷과 매칭구조 및 빔 확장기를 필요로 하기 때문에, 약 20개 가량의 4극 전자석을 필요로 하고 동시에 이 4극 전자석이 들어갈 넓은 공간이 요구되어 치료기 구축에 큰 비용이 소요되는 문제점이 있었다.In order to construct a high-energy beam transmission line of a boron-neutron capturing apparatus branched by a triple branch using a generally known method as described above, a straight line section is formed by a straight line section and a fin section, Since the section requires a matching structure with acromat and a beam expander, it requires about 20 quadrupole electromagnets and at the same time requires a large space for the quadrupole electromagnets, there was.
본 발명은 상기한 실정을 고려하여 종래 빔 전송라인에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 가장 단순한 아크로맷을 이용하여 색수차 및 에너지 떨림 문제를 극복하고 이에 가장 간단한 형태의 빔 확장기를 바로 이어 붙여 매칭 구조를 생략하며 휜 구간과 직선 구간 모두를 고에너지 빔 전송라인 이전의 구간과 매칭해주는 4극 전자석을 이용한 매칭구조를 사용하여 세 갈래로 분기된 붕소-중성자 포획 치료기에 요구되는 고에너지 빔 전송라인을 가장 단순화하고 이를 통해 최소한의 전자석을 이용하여 치료기 건설 비용을 절감하는 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the various drawbacks and problems caused by the conventional beam transmission line in consideration of the above-mentioned problems. The object of the present invention is to overcome the problem of chromatic aberration and energy tremble by using the simplest acromat, And the matching structure using a quadrupole electromagnet that matches both the fin section and the straight section with the section before the high energy beam transmission line is used for the boron-neutron capturing treatment A three-way branched high energy beam transmission line for a proton accelerator based boron-neutron capture therapy device that simplifies the high energy beam transmission line required for a high energy beam transmission line, .
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인은 차폐벽(40)에 위치하는 다수의 타겟(50)으로 빔을 유도하는 빔 전송라인에 있어서, 직선 및 휜 구간으로 빔을 매칭하는 매칭수단(A)과, 상기 매칭수단(A)에서 분기되어 디스퍼션(dispersion)에 의한 빔의 횡 방향 위치 변화 및 크기 변화를 제거하는 아크로맷수단(B, B')고, 상기 아크로맷수단(B, B') 각각에 이어져 빔의 크고 균일한 횡 방향 분포를 생성하는 빔확장수단(C, C") 및, 상기 매칭수단(A)에 이어져 빔의 크고 균일한 횡 방향 분포를 생성하는 빔확장수단(C')로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, a three-branched, high-energy beam transmission line for boron-neutron capture therapy based on the proton accelerator of the present invention includes a plurality of
본 발명은 일반적으로 4 ∼ 5개의 4극 전자석을 요구하는 매칭구조를 DTL에서 나오는 빔의 특성을 활용하여 3개로 줄이고 아크로맷의 모서리 효과를 활용하여 아크로맷과 빔 확장기 사이에 필요한 매칭구조를 제거하여 빔 확장기를 포함한 세 갈래로 분기된 고에너지 빔 전송라인에서 통상적으로 요구하는 20개 가량의 4극 전자석의 수를 11개로 줄였으며 이에 따라 요구되는 전체 빔 전송라인의 길이를 줄여 치료기 건설에 소요되는 비용을 크게 감축할 뿐만 아니라 전체 구조가 간단해짐으로써 2극 전자석의 설계 부담을 완화하고 운전시 빔 조정을 통상의 빔 라인에 비해서 쉽게 할 수 있는 각별한 장점이 있다.The present invention reduces the number of matching structures required between acromat and beam expander by reducing the number of matching structures requiring four to five quadrupole electromagnets to three by utilizing beam characteristics from DTL and utilizing the edge effect of acromat To reduce the number of 20 quadrupole electromagnets required in a three-branch high-energy beam transmission line including a beam expander to 11, thereby reducing the length of the required total beam transmission line, And the overall structure is simplified, thereby reducing the design burden of the bipolar electromagnet and facilitating beam adjustment during operation as compared with a normal beam line.
도 1은 종래 일반적인 빔 전송라인을 나타낸 개략도,
도 2는 종래 20MeV 및 100MeV 프로톤 빔 라인의 전송분포를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인의 모식도,
도 4는 DTL 구조를 지난 직후의 빔의 횡방향 분포(왼쪽)와 50 cm를 더 진행한 후의 횡방향 분포(오른쪽)를 나타낸 도면,
도 5는 도 3에 제시된 고에너지 빔 전송라인을 진행하는 동안 빔의 횡방향 크기변화를 보여주는 전산모사 결과를 나타낸 도면,
도 6은 도 1에 제시된 고에너지 빔전송라인을 통과하기 전(위)과 통과한 후 (아래)의 빔의 횡방향 분포를 나타낸 도면이다.1 is a schematic view of a conventional beam transmission line,
2 is a view showing transmission distribution of conventional 20 MeV and 100 MeV proton beam lines,
3 is a schematic diagram of a three-pronged, compact high energy beam transmission line for a boron-neutron capture therapy device based on the present invention proton accelerator,
4 shows a lateral distribution (right) of the beam immediately after the DTL structure (left) and a lateral distribution (right) after a further 50 cm,
FIG. 5 is a graph showing a result of a computer simulation showing a lateral size variation of a beam during the traveling of the high energy beam transmission line shown in FIG. 3;
FIG. 6 is a diagram showing the lateral distribution of the beam before (above) and after passing (below) the high energy beam transmission line shown in FIG.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a three-branched branched high energy beam transmission line for a boron-neutron capture therapy apparatus based on the proton accelerator of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인의 모식도, 도 4는 DTL 구조를 지난 직후의 빔의 횡방향 분포(왼쪽)와 50 cm를 더 진행한 후의 횡방향 분포(오른쪽)를 나타낸 도면, 도 5는 도 3에 제시된 고에너지 빔 전송라인을 진행하는 동안 빔의 횡방향 크기변화를 보여주는 전산모사 결과를 나타낸 도면, 도 6은 도 1에 제시된 고에너지 빔전송라인을 통과하기 전(위)과 통과한 후(아래)의 빔의 횡방향 분포를 나타낸 도면으로서, 본 발명 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인은 차폐벽(40)에 위치하는 다수의 타겟(50)으로 빔을 유도하는 빔 전송라인에 있어서, 직선 및 휜 구간으로 빔을 매칭하는 매칭수단(A)과, 상기 매칭수단(A)에서 분기되어 디스퍼션(disper sion)에 의한 빔의 횡 방향 위치 변화 및 크기 변화를 제거하는 아크로맷수단(B, B')고, 상기 아크로맷수단(B, B') 각각에 이어져 빔의 크고 균일한 횡 방향 분포를 생성하는 빔확장수단(C, C") 및, 상기 매칭수단(A)에 이어져 빔의 크고 균일한 횡 방향 분포를 생성하는 빔확장수단(C')로 구성되어 있다.FIG. 3 is a schematic diagram of a three-pronged compact high energy beam transmission line for boron-neutron capture therapy based on the proton accelerator of the present invention, FIG. 4 is a schematic diagram of a lateral distribution (left) FIG. 5 is a graph showing a result of a computer simulation showing the lateral size variation of the beam during the traveling of the high energy beam transmission line shown in FIG. 3, and FIG. 6 1 shows a lateral distribution of the beam before (above) and after passing through (below) the high energy beam transmission line, in which the three-way for boron-neutron capture therapy based on the present invention proton accelerator The branched, compact high energy beam transmission line is a beam transmission line for guiding a beam to a plurality of
상기 매칭수단(A)은 3개의 4극 전자석(10)이 일정한 간격을 두고 직선상으로 배열된 구성을 갖는다.The matching means (A) has a configuration in which three quadrupole electromagnets (10) are arranged in a straight line at regular intervals.
상기 아크로맷수단(B, B') 각각은 공유되는 2극 전자석(20)과 2극 전자석( 20') 사이에 하나의 4극 전자석이 배열된 구성을 갖는다.Each of the acromat means B and B 'has a configuration in which one quadrupole electromagnet is arranged between the
그리고, 상기 빔확장수단(C, C', C") 각각은 2개의 4극 전자석(10)과 2개의 8극 전자석(30)이 4극 전자석(10)과 8극 전자석(30) 순으로 교대로 배열된 구성을 갖는다.The two
다음에는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인의 작용을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of a three-branched, compact high energy beam transmission line for the boron-neutron capture therapy apparatus based on the present invention of the present invention will be described in detail.
가속을 위한 DTL(Drift Tube Linac) 구조를 지나는 동안 빔의 조정을 위해서 일반적으로 FODO(focusing/defocusing) 구조를 이용한다. FODO(focusing/defocusi ng) 구조를 통과해 나온 빔은 도 4의 왼쪽 도면에 나타낸 바와 같이 수평 및 수직 방향으로 빔의 크기가 유사하나 도 4의 오른쪽 도면에서 알 수 있듯이 한 방향으로는 빔이 집속되지만 다른 방향으로는 퍼지는 성질이 있다. 이는 일반적인 원형 빔이 4극 전자석을 통과했을 때 벌어지는 일과 유사하다.A focusing / defocusing (FODO) structure is generally used to adjust the beam through a drift tube linac (DTL) structure for acceleration. The beams passing through the FODO (focusing / defocusing) structure are similar in beam size in the horizontal and vertical directions as shown in the left drawing of FIG. 4. However, as shown in the right drawing of FIG. 4, But spread in the other direction. This is similar to what happens when a typical circular beam passes through a quadrupole electromagnet.
따라서 이와 같은 빔을 그대로 이용하여 3개의 4극 전자석(10)만으로 빔의 횡방향 성질을 비교적 넓은 범위에서 조정할 수 있도록 하여 빔확장수단(C, C', C")에서 요구하는 빔 성질을 충족시킬 수 있도록 한다. 이 과정에서 4극 전자석(10) 간의 간격은 10cm 이상 벌어져 있는 경우 크게 중요하지 않으므로 빔 전송라인에 필요한 다른 장치들의 설치 상황에 맞추어 조정한다. 4극 전자석(10)의 세기는 일반적인 최적화코드를 이용하여 결정하고, 최적화코드에서는 빔확장수단(C, C', C")의 요구조건을 충족하기 위한 아크로맷수단(B, B') 입구에서의 빔 요구조건을 충족시키는 것을 목표로 하고, 4극 전자석(10) 세기에 따른 아크로맷수단(B, B') 입구에서의 빔 상태를 예상하기 위하여 빔 전송 매트릭스(transfer matrix)를 이용한다.Therefore, by using such a beam as it is, it is possible to adjust the lateral property of the beam in a comparatively wide range with only three
아크로맷수단(B, B')은 색수차 제거를 위해 도 3에 나타낸 바와 같이 2극 전자석(20)-4극 전자석(10)-2극 전자석(20')의 구조를 가진다. 4극 전자석(10)을 기준으로 전체 아크로맷수단(B, B') 각각의 구조는 대칭적이고, 2극 전자석(20, 20')과 4극 전자석(10) 사이의 거리는 4극 전자석(10)의 세기에 의해 결정되는데, 직선구간의 진공관과 4극 전자석(10)이 물리적으로 겹치지 않도록 거리를 충분히 띄운다. 거리가 멀어질수록 요구되는 4극 전자석(10)의 세기는 떨어지며, 이 세기에 따라서 2극 전자석(20, 20')의 모서리와 빔의 진행방향이 이루는 각도는 바뀔 수 있다.The acromat means B and B 'have a structure of a
도 3에서는 2극 전자석(20)으로 빔을 20 ∼ 30도 꺾어주고 2극 전자석(20, 20')과 4극 전자석(10) 사이의 거리를 0.8 ∼ 1.2m로 두며 4극 전자석(10)의 세기를 5 ∼ 5.4T/m를 사용하여 간단 단순한 2극 전자석(20, 20')의 형태인 직사각형 형태를 활용할 수 있도록 하였다.3, the beam is bent by 20 to 30 degrees with the
매칭수단(A)의 구조와 아크로맷수단(B, B')을 통해 조정된 빔은 바로 빔확장수단(C, C', C")로 입사되고, 빔확장수단(C, C, C")의 첫 번째 4극 전자석(10)은 수직/수평 방향으로 빔을 집속시키고 해당 집속 점에 첫 번째 8극 전자석(30)을 두어 수평/수직 방향의 빔 조정을 수행한다.The beams adjusted through the matching means A and the acromat means B and B 'are directly incident on the beam expanding means C, C' and C ", and the beam expanding means C, C and C ' The
이후 수직/수평 방향으로는 빔이 다시 커지는데, 빔확장수단(C, C, C")의 두 번째 4극 전자석(10)을 이용해야 남은 다른 방향 즉 수평/수직 방향으로 빔을 다시 집속 시킨다. 이 과정을 통해서 기존의 수직/수평 방향은 빔이 더 빠른 속도로 커지게 된다. 두 번째 4극 전자석(10)에 의해 만들어진 집속점에 두 번째 8극 전자석(30)을 두어 수직/수평 방향의 빔 조정을 수행한다.Thereafter, the beam is again enlarged in the vertical / horizontal direction, and the beam is re-focused in the remaining direction, i.e., in the horizontal / vertical direction, by using the
이때 빔의 크기가 두 번째 4극 전자석(10)에서 더 크기 때문에 첫 번째 4극 전자석(10)보다 빠른 속도로 빔이 퍼지면서 타겟(50) 위치에서는 두 빔의 크기가 동일하게 변경된다. 해당 전체 과정은 도 5에 나타낸 고에너지 빔 전송라인을 따라 빔의 크기 변화를 보여주는 전산모사 결과로부터 확인 할 수 있다.At this time, since the size of the beam is larger in the
빔확장수단(C, C, C")의 8극 전자석(30)을 통해 조정된 횡방향 분포 변화는 도 6의 전산모사 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이 초기의 가우시안 형태의 분포가 균일한 형태의 분포로 변화된다.The transverse distribution changes adjusted through the 8-
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.While the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited thereto and that various changes and modifications may be made therein without departing from the scope of the invention.
10 : 4극 전자석 20, 20' : 2극 전자석
30 : 8극 전자석 40 : 차폐벽
50 : 타겟 A : 매칭수단
B, B' : 아크로맷수단 C, C', C" : 빔확장수단10: Four
30: 8 pole Electromagnet 40: Shielding wall
50: Target A: matching means
B, B ': acromat means C, C', C ": beam expanding means
Claims (5)
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KR1020160159516A KR20180060243A (en) | 2016-11-28 | 2016-11-28 | Transport lines of compact-tridactyl high energy beam with minimal quadrupole magnets for Acceleator-Boron Neutron Capture Therapy |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20210080023A (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-30 | 한국원자력연구원 | Ultrafast electron diffraction apparatus |
-
2016
- 2016-11-28 KR KR1020160159516A patent/KR20180060243A/en unknown
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
Accelerator Conference 2008, THPP093, p3581 |
비특허문헌 1 : In-Seok Hong et al., in Proceedings of European Particle |
비특허문헌 2 : Helmut Wiedemann, Particle Accelerator Physics 3rd editi on, ISBN-13 978-3-540-49043-2, P397 |
비특허문헌 3 : Sang-Pil Yun et al., in Proceedings of International Par ticle Accelerator Conference 2012, WEPPD033, p2579 |
비특허문헌 4 : Yosuke Yuri et al., PRSTAB 10, 104001 (2007) |
비특허문헌 5 : Helmut Wiedemann, Particle Accelerator Physics 3rd editi on, ISBN-13 978-3-540-49043-2, p264 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20210080023A (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-30 | 한국원자력연구원 | Ultrafast electron diffraction apparatus |
US11728125B2 (en) | 2019-12-20 | 2023-08-15 | Korea Atomic Energy Research Institute | Ultrafast electron diffraction apparatus |
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