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KR20180060243A - Transport lines of compact-tridactyl high energy beam with minimal quadrupole magnets for Acceleator-Boron Neutron Capture Therapy - Google Patents

Transport lines of compact-tridactyl high energy beam with minimal quadrupole magnets for Acceleator-Boron Neutron Capture Therapy Download PDF

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KR20180060243A
KR20180060243A KR1020160159516A KR20160159516A KR20180060243A KR 20180060243 A KR20180060243 A KR 20180060243A KR 1020160159516 A KR1020160159516 A KR 1020160159516A KR 20160159516 A KR20160159516 A KR 20160159516A KR 20180060243 A KR20180060243 A KR 20180060243A
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KR
South Korea
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transmission line
quadrupole
electromagnet
matching
electromagnets
Prior art date
Application number
KR1020160159516A
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Korean (ko)
Inventor
하광희
계용욱
황정연
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

The present invention relates to a compact high-energy beam transmission line, branched into three sub-lines, for a boron-neutron capturing treatment device based on a proton accelerator. The beam transmission line, guiding a beam to a plurality of targets (50) located on a shielding wall (40), comprises: a matching means (A) which matches a beam to a straight or curved section; achromat means (B, B′) which are branched from the matching means and remove changes of a horizontal direction location and a size of the beam caused by dispersion; beam extending means (C, C′) which are extended from the achromat means (B, B′), respectively, and generate a large and uniform distribution in a horizontal direction of the beam; and a beam extension means (C′) which is extended from the matching means (A) and generates a large and uniform distribution in the horizontal direction of the beam. In general, a matching structure requires four to five quadrupole electromagnets, but the number of quadrupole electromagnets is reduced to three by using properties of the beam transmitted by a DTL in the present invention. The number of quadrupole, which is 20 commonly required by a high-energy beam transmission line branched into three sub-lines and comprises a beam extension device, is reduced to 11 by removing a matching structure needed between an achromat and the beam extension device by using a corner effect of the achromat. Accordingly, costs for constructing the treatment device are significantly reduced by reducing the required total length of the beam transmission line. In addition, the effort for designing a dipole electromagnet is reduced since the whole structure is simplified. The compact high-energy beam transmission line has an extraordinary advantage of being capable of controlling the beam in an easy manner, during the operation, compared to a common beam line and thus is a useful invention.

Description

양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인{Transport lines of compact-tridactyl high energy beam with minimal quadrupole magnets for Acceleator-Boron Neutron Capture Therapy}[0001] The present invention relates to a three-branched, compact high energy beam transmission line for a boron-neutron capture therapy based on a proton accelerator,

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 Document 1.

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 Non-Patent Document 1 is shown in Fig. FIG. 1 shows a schematic view of a conventional beam transmission line used for three-fold branching of a beam transmission line, in which three two-pole electromagnets are used for the acromat construction, one and four four poles An additional electromagnet is inserted. Since a large number of such electromagnets increase the cost of constructing the accelerator, it is necessary to reduce the number of electromagnets that can be used when constructing accelerators for industrial or medical purposes.

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 Document 1.

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 Document 3. [

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 Document 4 in the case of controlling only the vertical or horizontal direction, but in the case of controlling both the vertical and horizontal directions, It is difficult to satisfy the size of the beam at the required target while controlling the beam so as not to collide with the vacuum tube. In order to avoid this, It is general to control the beam by using two or more quadruple electromagnets as in the case of Patent Document 3.

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 Non-Patent Document 3 shown in Fig. 2 From the acromat to the beam expander, five quadrupole electromagnets are inserted to perform matching with the beam transmission.

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.

비특허문헌 1 : In-Seok Hong et al., in Proceedings of European ParticleNon-Patent Document 1: In-Seok Hong et al., In Proceedings of European Particle Accelerator Conference 2008, THPP093, p3581               Accelerator Conference 2008, THPP093, p3581 비특허문헌 2 : Helmut Wiedemann, Particle Accelerator Physics 3rd editi on, ISBN-13 978-3-540-49043-2, P397Non-Patent Document 2: Helmut Wiedemann, Particle Accelerator Physics 3rd ed., 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, p2579Non-Patent Document 3: Sang-Pil Yun et al., In Proceedings of International Parallel Accelerator Conference 2012, WEPPD033, p2579 비특허문헌 4 : Yosuke Yuri et al., PRSTAB 10, 104001 (2007)Non-Patent Document 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, p264Non-Patent Document 5: Helmut Wiedemann, Particle Accelerator Physics 3rd ed., ISBN-13 978-3-540-49043-2, p264

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 targets 50 located in a shielding wall 40, A beam transmission line for guiding a beam, comprising: a matching means (A) for matching a beam to a straight line and a bent line; and a beam splitter for splitting at the matching means (A) Beam expanding means (C, C ") for producing a large and uniform lateral distribution of the beam leading to each of the acom- matic means (B, B '), And a beam expanding means (C ') leading to a means (A) for producing a large and uniform lateral distribution of the beam.

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 targets 50 located in the shielding wall 40. The beam transmission line includes matching means A for matching the beam to a straight line and a bent line, , The above- (B, B ') branching at a step (A) and eliminating a change in the lateral position and size of the beam due to a disperion, and each of the acromat means (B, B') (C, C ") leading to a large, uniform lateral distribution of the beam leading to said matching means (A) and a beam expanding means (C ') leading to a large, .

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 bipolar electromagnet 20 and the bipolar electromagnet 20' which are shared.

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 quadrupole electromagnets 10 and two eight-pole electromagnets 30 are arranged in the order of the quadrupole electromagnets 10 and the eight-pole electromagnets 30 in the order of the beam expanding means C, C ', C " Alternately arranged.

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 quadruple electromagnets 10, thereby satisfying the beam property required by the beam expanding means C, C ', C " The distance between the quadrupole electromagnets 10 is not critical when the distance between the quadrupole electromagnets 10 is more than 10 cm, so it is adjusted according to the installation conditions of the other devices required for the beam transmission line. (B, B ') at the entrance to meet the requirements of the beam expanding means (C, C', C ") in the optimization code A beam transfer matrix is used to predict the beam state at the entrance of the acromat means B, B 'according to the quadrupole electromagnet 10 intensity.

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 bipolar electromagnet 20, a quadrupole electromagnet 10 and a bipolar electromagnet 20' as shown in Fig. 3 for removing chromatic aberration. The structure of each of the entire acromat means B and B 'is symmetrical with respect to the quadrupole electromagnet 10 and the distance between the bipolar electromagnets 20 and 20' and the quadrupole electromagnet 10 is a quadrupole electromagnet 10 ). The distance between the vacuum tube of the straight section and the quadrupole electromagnet 10 is sufficiently increased so as not to physically overlap. As the distance increases, the required strength of the quadrupole electromagnet 10 drops, and the angle between the edges of the bipolar electromagnets 20 and 20 'and the advancing direction of the beam can be changed according to the intensity.

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 bipolar electromagnet 20, the distance between the bipolar electromagnets 20 and 20 'and the quadrupole electromagnet 10 is set to 0.8 to 1.2 m, (20, 20 '), which is simple and simple, using 5 ~ 5.4 T / m.

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 first quadrupole electromagnet 10 of the first quadrupole electromagnet 10 focuses the beam in the vertical / horizontal direction and places the first 8 pole electromagnet 30 at the focus point to perform horizontal / vertical beam adjustment.

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 second quadrupole electromagnet 10 of the beam expanding means C, C, The beam is accelerated at a higher speed in the conventional vertical / horizontal direction. [0044] A second 8-pole electromagnet 30 is placed at a focus point created by the second quadrupole electromagnet 10, As shown in FIG.

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 second quadrupole electromagnet 10, the beam spreads faster than the first quadrupole electromagnet 10, and the size of the two beams is changed equally in the target 50 position. The entire process can be confirmed from the result of computer simulation showing the beam size change along the high energy beam transmission line shown in FIG.

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-pole electromagnet 30 of the beam expanding means C, C and C ", as can be seen from the computational simulation results of Fig. 6, show that the distribution of the initial Gaussian form is uniform Distribution.

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" : 빔확장수단
10: Four pole electromagnet 20, 20 ': Two pole electromagnet
30: 8 pole Electromagnet 40: Shielding wall
50: Target A: matching means
B, B ': acromat means C, C', C ": beam expanding means

Claims (5)

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 구성된 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인.A beam transmission line for guiding a beam to a plurality of targets (50) located in a shielding wall (40), comprising: a matching means (A) for matching a beam to a straight and a bent region; (B, B ') for eliminating the lateral positional change and the size change of the beam due to the disperion, and each of the acromat means (B, B' (C, C ") for generating a direction distribution and a beam expanding means (C ') for generating a large and uniform lateral distribution of the beam in succession to said matching means (A) A three-pronged, compact high-energy beam transmission line for neutron capture therapy. 제 1항에 있어서, 상기 매칭수단(A)은 3개의 4극 전자석(10)이 일정한 간격을 두고 직선상으로 배열된 구성을 이루는 것을 특징으로 하는 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인.2. The proton accelerator-based boron-neutron capture device according to claim 1, wherein the matching means (A) comprises three quadrupole electromagnets (10) arranged in a straight line at regular intervals. A branched high energy beam transmission line. 제 1항에 있어서, 상기 아크로맷수단(B, B') 각각은 공유되는 2극 전자석(20)과 2극 전자석(20') 사이에 하나의 4극 전자석이 배열된 구성을 이루는 것을 특징으로 하는 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인.[3] The apparatus according to claim 1, wherein each of the acromat means B and B 'has a configuration in which one quadrupole electromagnet is arranged between a shared dipole electromagnet 20 and a dipole electromagnet 20' A three-prong branched high energy beam transmission line for boron-neutron capture therapy based on proton accelerators. 제 3항에 있어서, 상기 아크로맷수단(B, B') 각각에서 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 세기 5 ∼ 5.4T/m를 사용하는 것을 특징으로 하는 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인.The electromagnet according to claim 3, wherein each of the acromat means B and B 'is formed by bending the beam 20 to 30 degrees with the bipolar electromagnet 20 and between the bipolar electromagnets 20 and 20' And a quadrupole electromagnet (10) having a strength of 5 to 5.4 T / m, wherein the distance between the quadrupole electromagnet (10) and the quadrupole electromagnet (10) is in the range of 0.8 to 1.2 m. Beam transmission line. 제 1항에 있어서, 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 이루는 것을 특징으로 하는 양성자 가속기 기반의 붕소-중성자 포획치료기를 위한 세 갈래로 분기된 콤펙트한 고에너지 빔 전송라인.2. The apparatus of claim 1, wherein each of the beam expanding means (C, C ', C ") comprises two quadrupole electromagnets (10) and two quadrupole electromagnets (30) 30). The proton accelerator-based boron-neutron capture therapy apparatus is a three-way branched high energy beam transmission line.
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