국립 암 센터 치료용 가속기를 위한 빔라인의 광학계 연구

황지광,김은산,이세병,황왕신,현상헌 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.4

The proton accelerator which was constructed in 2007 at the NCC (National Cancel Center) consists of an ion source for high-intensity proton beams, a cyclotron for acceleration of the proton beam produced by the ion source up to 230 MeV, an energy degrader to decrease the energy of the proton beams to provide the required energy, an energy selection section to decrease the energy spread, a beam transport line for the transport of the beam to the gantry, and a gantry for adjusting the beam distribution so as to be suitable for treatment. A high-stability proton accelerator is required for cancel therapy. If high-stability beams are to be achieved,the beams must have an accurate energy, a small energy spread and a small beam size at exit of the gantry. To achieve a high-stability beam,we investigated of the specifications for a beam line which consisted of a quadrupole and a dipole magnet, and we simulated the design of the beam line that could produce a round beam with a beam size of 2 mm rms at the exit of the gantry. 암 치료를 목적으로 2007년 완공된 국립 암센터의 치료용 양성자가속기는 양성자를 만들어내는 이온원과 이온원에서 발생된 양성자를 230MeV의 에너지까지 가속시키는 사이클로트론, 가속된 양성자의 에너지를원하는 에너지로 만들기위한 에너지 감속재 (Degrader), 빔의 에너지퍼짐도를 줄이기 위한 에너지 선택구간, 낮은 에너지 퍼짐도를 가지는양성자 빔을 갠트리 (Gantry)까지 전송해주는 빔 전송라인, 전송 된양성자 빔을 치료의 목적에 알맞게 해주는 갠트리구간 등으로 이루어져있다. 이러한 가속기에서 만들어진 양성자 빔을 환자에게 조사하여 암치료에 이용하기 위해서는 높은 안정성이 요구된다. 빔의 높은 안정성을얻기 위해서는 발생되는 양성자 빔 에너지를 정확하게 알아야하며 동시에낮은 에너지 퍼짐도를 가지져야 하고, 갠트리의 출구에서 가능한 작은 빔사이즈를 만드는 것이 좋다. 우리는 앞에서 말한 빔의 높은 안정성을성취하기 위하여 갠트리 최종단에서 가능한 작은 사이즈를 가지는 양성자빔 생산을 위한 양성자 가속기의 빔 라인의 사극자석 및 이극자석이만들어 내는 광학적 특성의 조사와 이를 이론적으로 설명하기위한시뮬레이션을 수행하여 갠트리 최종단에서 2 mm rms 빔 사이즈를 가지는원형 빔을 생성 할 수 있는 광학 격자를 설계하였다.

양성자 빔을 이용한 3 차원 마이크로 구조물 가공

이성규(Seonggyu Lee),권원태(Won Tae Kwon) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.4

MC-50 사이클로트론에서 방출되는 양성자 빔은 직경이 2-3 mm 의 가우시안 분포를 가진다. 이렇게 넓게 조사되는 양성자 빔은 작은 스팟과 정밀한 위치정밀도를 요구하는 반도체 식각, 마이크로 머시닝 등에는 사용될 수 없다. 본 연구에서는 좀 더 경제적인 대안으로 양성자 빔을 마이크로 홀에 통과시켜 수십 μ m 의 직경을 가지도록 조형하는 방법을 제시하였다. 양성자 빔의 조형을 위하여 평균 직경 21μ m, 두께 9mm 의 세장비 428 의 마이크로 홀을 제작하였다. 마이크로 홀과 양성자 빔을 정밀하게 정렬하여 양성자 빔을 조형하였다. 이렇게 조형된 양성자 빔을 이용하여 수십μ m 크기의 마이크로 구조물의 가공성 확인 실험을 실시하였다. 또한 GEANT4 를 이용한 전산모사를 이용하여 해석한 후, 실험결과와 비교하고 분석하였다. 본 연구를 통하여 MC-50 사이클로트론이 조형 장치와 함께 20 마이크론 대의 3 차원 구조물 제작을 위한 마이크로 공정기술에의 사용 가능성을 확인하였다. The diameter of a proton beam emanating from the MC-50 cyclotron is about 2?3 mm with Gaussian distribution. This widely irradiated proton beam is not suitable for semiconductor etching, precise positioning, and micromachining, which require a small spot. In this study, a beam cutting method using a microhole is proposed as an economical alternative. We produced a microhole with aspect ratio, average diameter, and thickness of 428, 21 μm, and 9 mm, respectively, for cutting the proton beam. By using this high-aspect-ratio microhole, we conducted machinability tests on microstructures with sizes of tens of μm. Additionally, the results of simulation using GEANT4 and those of the actual experiment were compared and analyzed. The outcome confirmed the possibility of implementing a micro process technology for the fabrication of three-dimensional microstructures of 20 micron units using the MC-50 cyclotron with the microhole.

몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 양성자 조사에 따른 Polymer Gel 내부의 선량 분포 특성 평가

박민석,김기섭,정해조,박세영,최인석,김현지,윤용수,김정민 대한방사선과학회 2013 방사선기술과학 Vol.36 No.2

본 연구는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 양성자 빔을 피사체에 조사했을 때 발생되는 양성자, 즉발감마선 그리고 양성자 유발 중성자의 3차원적 공간분포를 polymer gel 선량계를 통해 구하고, 이를 물 팬텀에서 조사한 결과와 비교하여 3차원적 선량 분포의 정확성에 대해 알아보고자 한다. 본 연구에서 사용 된 polymergel 선량계는 Gelatin, Methacrylic acid, Hydroquinone, Tetrakis 그리고 증류수로 이루어진 혼합물로 그 밀도는 1.04 g/㎤ 으로 물의 밀도인 0.9998 g/㎤ 과 유사하다. 본 시뮬레이션에서는 72 MeV, 116 MeV, 140MeV 의 양성자 빔이 사용되었다. 양성자 빔은 팬텀의 핵과 반응을 하고 양성자 빔으로 인해 여기된 핵이 다시 안정하게 되기 위해 즉발감마선 그리고 양성자 유발 중성자를 방출한다. 양성자와 즉발감마선 그리고 양성자 유발 중성자는 polymer gel 선량계와 물 팬텀에서 각각 검출하였다. 3차원적 선량 분포를 얻기 위한 검출간격은 2 mm로 하여 선량 분포를 획득하였다. Polymer gel 선량계에서의 양성자의 Bragg-peak를 구해 본 결과 Bragg-peak 지점이 물 팬텀에서의 경우와 유사하게 나타남을 확인 할 수 있었다. 72 MeV, 116 MeV, 그리고 140 MeV의 양성자 빔을 polymer gel 그리고 물 팬텀에 조사했을 때 그 내부에서의 양성자 그리고 즉발감마선의 선량 분포는 polymer gel, 물 팬텀 각각 유사한 선량분포를 가짐을 감마 인덱스 평가로 확인 할 수 있었다. 하지만 양성자 유발 중성자의 경우 물 팬텀에서는 검출이 된 반면 polymer gel 선량계에서는 검출이 되지 않았다. Polymer Gel 선량계는 3차원적 선량 분포를 얻는데 유용한 선량계이지만 양성자 조사 시 그 유발중성자의 검출에는 한계를 보임을 확인할 수 있었다. This study was the estimation of the dose distribution for proton, prompt gamma rays and proton induced neutron particles, in case of exposing the proton beam to polymer gel dosimeter and water phantom. The polymer gel dosimeter was compositeness material of Gelatin, Methacrylic acid, Hydroquinone, Tetrakis and Distilled water. The density of gel dosimeter was 1.04 g/㎤ which was similar to water. The 72, 116 and 140 MeV proton beams were used in the simulation. Proton beam interacted with the nuclei of the phantom and the nuclei in excited states emitted prompt gamma rays and proton induced neutron particles during the process of de-excitation. The proton particles, prompt gamma rays, proton induced neutron particles were detected by polymer gel dosimeter and water phantom, respectively. The gap of the axis for gel was 2 mm. The Bragg-peak for proton particles in gel dosimeter was similar to water phantom. The dose distribution for proton and prompt gamma rays in gel dosimeter and water phantom was approximately identical in case of 72, 116 and 140 MeV for proton beam. However, in case of proton induced neutron particles for 72, 116 and 140 MeV proton beam, particles were not detected in gel dosimeter, while the Water phantom absorbed neutron particles. Considering the resulting data, gel dosimeter which was developed in the normoxic state attentively detected the dose distribution for proton beam exposure except proton induced neutron particles.

Beam Induced Fluorescence 모니터를 이용한 KIRAMS-13 싸이클로트론의 양성자빔 횡단면 측정

남순권,김기범,Nam, S.K.,Kim, K.B. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.6

권역별 싸이클로트론연구소에 설치되어 있는 KIRAMS-13 싸이클로트론에서 안정적이고 최적화된 양성자빔을 인출하기 위해서는 양성자빔의 횡단면 측정이 필수적이다. 빔의 횡단면 측정장치 중 비파괴적인 방법인 BIF(Beam Induced Fluorescence) 모니터는 그 구조가 상대적으로 간단하고 빔의 에너지 손실을 최소화하며 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있다. 이 연구에서는 KIRAMS-13 싸이클로트론에서 양성자빔의 횡단면 측정을 위한 BIF 모니터를 설계하고 제작한 후 13 MeV 양성자빔 조사실험을 통하여 양성자 빔의 중심 및 반경을 측정하였다. To get the stable and optimized proton beam in the KIRAMS-13 cyclotron which installed in the regional cyclotron center, it is necessary to measure the transverse profile of proton beam. Beam Induced Fluorescence monitor is one of the non-destructive methods to measure the beam profiles, and it has many advantages such as a simple structure, real-time measurement, and minimum energy loss. The objective of this research is the design and development of Beam Induced Fluorescence monitor to measure the proton beam profiles in the KIRAMS-13 cyclotron.

45 MeV 양성자 빔을 이용한 중합체 겔 선량계의 특성 평가

봉지혜,김금배,양태건,고인옥,박지애,김경민,정해조,지영훈,권수일 한국물리학회 2012 새물리 Vol.62 No.1

A normoxic polymer gel dosimeter was developed to measure the dosimetric characteristics of a 45 MeV proton beam. The gel dosimeter was synthesized using gelatin, methacrylic acid (MAA),hydroquinon (HQ), tetrakis (THPC) and Distilled water (HPLC) and was poured into an ABS container. The 45 MeV proton beam of the MC-50cyclotron accelerator was used for testing the gel dosimeter, and using a collimator, we exposed the gel dosimeter at a diameter of 12mm and a beam current of 2 nA. For the comparison with the gel dosimeter, 50 films of EBT2 were seriated and exposed to 5 nA for 5sec. The relaxation rate (R2) of the gel dosimeter exposed to the beam was obtained using 3.0T MRI and its dose was analyzed. In the dosimetric range of 0 ~ 15.5 Gy, the correlation coefficient was analyzed. The bragg peak of the proton beam based on the dosimetric changes in the 3.9 ~ 5.3 Gy dosimetric range was found at WED 12.39 mm. The possibility for using the gel dosimeter with films for the dosimetric measurement of a proton beam was confirmed. 정상산소 중합체 겔 선량계를 제작하여 45 MeV 양성자 빔에 대한 선량특성을 측정하였다. 겔 선량계는 젤라틴(Gelatin), 메타크릴산(MAA),히드로퀴논(HQ), 테트라키스(THPC), 증류수(HPLC)를 이용하여 합성하고ABS용기에 넣었다. 겔 선량계는 MC-50 사이클로트론 가속기의 45 MeV 양성자 빔을 사용하였으며 콜리메이터를 이용하여 지름 12 mm, 빔전류 2nA 로 조사하였다. 겔 선량계와의 비교를 위해서 GafchromiⓇ 필름 50장을 연속 배열하여 5 nA로 5 초 동안 조사시켰다. 빔이 조사된겔 선량계는 3.0 T MRI를 이용하여 횡이완률 R2 값을 얻어 선량을분석하였다. 0 ~ 15.5 Gy 선량범위에서 선형상관계수를 구하였다. 3.9 ~ 5.3 Gy 선량 영역에서 선량변화에 따른 양성자 빔의 브래그피이크는 WED 12.39 mm 에서 나타났다. 양성자 빔의 선량 측정에 겔선량계가 필름과 함께 선량분포를 확인하는데 유용하게 사용될 수 있는가능성을 확인하였다.

양성자 에너지 변화에 따른 핵반응 생성핵종 분석

이삼열 한국방사선학회 2019 한국방사선학회 논문지 Vol.13 No.5

본 연구에서 서로 다른 양성자 에너지를 사용하여 핵반응에 의해 생성된 감마선의 차이를 통해 고에너지 양성자 Pb(p, nx) 핵반응에서 생성된 동위원소를 식별하는 방법을 제안했다. 한국원자력연구원의 100-MeV 양성자 선형 가속기에서 생성된 고 에너지 양성자를 이용하여 실험을 수행 하였다. 양성자 핵반응을 통해 생성된 다양한 핵종에 의해 생성된 감마선은 HPGe 검출기로 구성된 감마선 분광법 시스템을 사용하여 측정되었습니다. 감마선 표준선원은 감마선 검출기의 정확한 에너지교정 및 효율측정을 위해 사용되었습니다. 제안한 방법을 위하여 동일한 천연 납 시료에 서로 다른 100 및 60 MeV 양성자 에너지빔을 사용하였다. 이 방법은 동일한 시료에서 발생되는 감마선들을 서로 비교함으로써 생성된 핵종들을 확인하는데 매우 효과적임을 알 수 있었다. 이 연구의 결과는 향후 다른 양성자 핵반응 결과를 얻는데도 매우 효과적으로 적용될 것이라 생각된다. In this study, we proposed a method for identifying isotopes generated from high-energy proton natPb(p,xn) nuclear reactions through the difference of gamma rays generated through nuclear reactions using different proton energies. The experiment was performed by using a high energy proton generated from a 100 MeV proton linear accelerator of the Korea Atomic Energy Research Institute. Gamma rays generated by various nuclides generated through proton nuclear reactions were measured using a gamma-ray spectroscopy system composed of HPGe detectors. Gamma-ray standard sources were used for accurate energy calibration and efficiency measurements of HPGe gamma-ray detectors. For the proposed method, 100 and 60 MeV proton energy beams were used for the same natural lead samples. This method was found to be very effective in identifying nuclides produced by comparing gamma rays generated from the same sample with each other. The results of this study are expected to be very effective in obtaining other proton nuclear reaction results in the future.

동시계수 양전자 소멸 측정에 의한 양성자 조사된 Si 구조 특성

이권희,이종용,Lee, K.H.,Lee, C.Y. 한국진공학회 2011 Applied Science and Convergence Technology Vol.20 No.5

It is described that the proton beam induces micro defects and electronic deep levels in Cz single crystal silicon. Enhance signal-to-noise ratio, Coincidence Doppler Broadening Positron Annihilation Spectroscopy has been applied to study of characteristics of p type and n type silicon samples. In this investigation the numerical analysis of the Doppler spectra was employed to the determination of the shape parameter, S, defined as the ratio between the amount of counts in a central portion of the spectrum and the total counts of whole spectrum. The samples were exposed by 4.0 MeV proton beams ranging from 0 to ${\sim}10^{14}$ ptls. The S-parameter values were increased as increasing the irradiated proton beam, that indicated the defects generate more. 동시 계수 도플러 넓어짐 양전자 소멸 분광법으로 p형과 n형 실리콘 시료에 0, 4.0 MeV 에너지의 1.0, $2.0{\times}10^{13}$ protons/$cm^2$ 양성자 빔 조사에 의한 결함을 측정하여 실리콘 구조 특성에 대하여 조사하였다. 양전자와 전자의 쌍소멸로 발생하는 감마선 스펙트럼의 수리적 해석 방법인 S-변수와 W-변수를 사용하여, 시료의 구조 변화를 측정하였다. 본 연구에서 측정된 S-변수는 시료에 조사된 양성자의 빔 에너지에 따라 변하지 않고 거의 일정한 값을 보인 반면, 양성자 조사량의 변화에 따라 결함이 증가하였으며, 그 이유는 양성자 조사 에너지에 따른 Bragg 피크 때문에 에너지는 시료의 특정 깊이에 주로 결함을 형성하여 시료전체에는 결함으로 잘 나타나지 않기 때문으로 판단된다. 그리고 빔의 조사량에 따른 결함의 영향이 큰 것으로 나타났다.

동시계수 양전자 소멸 측정에 의한 양성자 조사된 BaSrFBr:Eu 박막 특성

김주흥,이종용,Kim, J.H.,Nagai, Y.,Lee, C.Y. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.6

동시 계수 도플러 넓어짐 양전자 소멸 분광법과 양전자 소멸 수명 측정법으로 BaSrFBr:Eu의 박막 시료에 0, 3, 5, 7.5 MeV 에너지의 양성자 조사에 의한 결함을 측정하여 박막구조 특성에 대하여 조사하였다. 양전자와 전자의 쌍소멸로 발생하는 511 keV 감마선 스펙트럼의 수리적 해석 방법인 S-변수를 사용하여, 박막 구조 변화를 측정하였다. 본 연구에서 측정된 S-변수가 박막에 조사된 양성자의 빔 에너지에 따라 변하지 않고 거의 일정한 값을 보였다. 따라서 양성자 조사에너지의 세기 변화에 따라 결함이 증가하지 않았으며, 그 이유는 양성자 조사 에너지에 따른 Bragg 피크 때문에 박막 시료의 특정 깊이에 결함을 형성하여 박막전체의 결함으로 잘 나타나지 않기 때문으로 판단된다. 향후, 박막의 두께에 따른 결함의 분포를 측정하기 위해서는 양전자 선원 Na의 사용 대신 양전자 빔을 이용하여야 한다. Enhance signal-to-noise ratio, Coincidence Doppler Broadening positron method has been applied to study of characteristics of BaSrFBr:Eu film sample. In this investigation the numerical analysis of the Doppler spectra was employed to the determination of the shape parameter, S, defined as the ratio between the amount of counts in a central portion of the spectrum and the total counts of whole spectrum. The films were exposed by 0, 3, 5, and 7.5 MeV proton beams ranging from 0 to $10^{13}$ ptls. The S-parameter values were increased as increasing the exposed time and the energies, that indicated the defects generate more.

100-MeV 양성자 빔을 이용하여 169Tm(p,3n)167Yb 반응에 의해 생성된 167Yb 방사성동위원소에서 방출되는 감마선 스펙트럼 비교 연구

이삼열 한국방사선학회 2022 한국방사선학회 논문지 Vol.16 No.7

The measurement of branching ratio of 167Yb radioactive isotopes from gamma-ray spectrum of 169Tm(p,3n)167Yb reaction were performed by using a 100-MeV proton linear accelerator of the Korea Multi-purpose Accelerator Complex (KOMAC). The 167Yb isotope has a half-life of 17.5 minutes and decays to 169Tm. The gamma rays generated from the 167Yb isotope were measured using an HPGe detector gamma ray spectroscopy system. The energy calibration of the detector and the efficiency measurement of the detector were determined using a standard source. The gamma rays of known main energy (62.9, 106.2, 113.3, 143.5 and 176.3 keV) were measured. On the other hand, information about the intensity of the generated gamma rays is very inaccurate. Therefore, in this study, the decay strength of the main gamma rays was accurately measured. Overall, it was different from the previously known results, and in particular, it was found that the intensity of the main decay gamma ray, such as the 113.3 and 106.2 keV gamma ray, was overestimated, and it was found that the gamma ray, such as 62.9, 116.7 and 143.5 keV was underestimated. The present results are considered to be important information in the fields of nuclear fusion, astrophysics and nuclear physics in the future. 양성자과학연구단의 100-MeV 양성자선형가속기의 양성자를 사용하여 천연 169Tm과 핵반응을 일으켜 167Yb 방사성동위원소를 생성하였다. 생성된 동위원소는 17.5분의 반감기를 가지며 167Tm로 붕괴한다. 이때 발생하는 감마선을 HPGe 검출시스템을 사용하여 측정하였다. 검출기의 에너지 교정 및 검출기의 효율 측정은 표준선원을 사용하여 결정하였다. 기존에 알려진 Table of Isotopes의 주요 감마선 에너지는 모두 측정되었다. 한편, 현재까지 알려진 발생되는 감마선의 강도에 대한 정보는 매우 부정확한 상황이다. 따라서 본 연구를 통하여 주요 감마선에 대한 붕괴 강도를 정확하게 측정하였다. 전체적으로 기존에 알려져 있던 결과들과 상이한 차이를 보였으며 특히 113.3 및 106.2 keV 감마선 같은 주 붕괴 감마선의 강도들이 과대평가 되었다는 사실을 알게 되었고 62.9, 116.7 및 143.56 keV의 감마선 들은 과소평가 된 감마선들임을 알게 되었다. 본 연구의 결과는 핵융합 연구, 천체 물리학 및 핵물리 분야에 있어서 중요한 정보가 될 것으로 생각된다.

KOMAC 양성자 선형가속기를 이용한 천연 텅스텐 핵반응에 대한 감마선 스펙트럼 측정에 대한 연구

이삼열 ( Samyol Lee ) 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.2

양성자가속기연구센터(KOMAC)의 100-MeV 양성자 선형가속기에서 생성된 고에너지 양성자를 사용하여 천연 텅스텐과 핵반응을 일으켰다. 핵반응을 통해 생성된 다양한 핵종으로 부터의 감마선은 HPGe 검출기 감마선 분광시스템을 사용하여 측정하였다. 감마선 표준선원은 에너지 교정 및 검출기의 효율 측정에 사용 되었다. 측정된 스펙트럼에서 관찰된 감마선을 분석한 결과 방사성 핵종은 ¹⁶⁷Re, ¹⁷⁸Re, ¹⁷⁹Re, ¹⁸⁰Re, ¹⁸¹Re, ¹⁸²Re, ¹⁸⁴Re, ¹⁷²Ta, ¹⁷⁴Ta, ¹⁷⁸Ta, ¹⁸²Ta, ¹⁸⁴Ta, ¹⁷⁵W, ¹⁷⁶W, ¹⁷⁷W 및 ¹⁷⁹W 으로 총 16 종류의 핵종이 생성되었다. 이 연구의 결과는 미래의 핵융합, 천체 물리학 및 핵의학 응용 분야에 적용될 것으로 생각된다. The measurement of gamma-ray spectrum of ^natW(p,xn) reaction with natural tungsten were performed by using a high energy proton generated from a 100-MeV proton linear accelerator of the Korea Multi-purpose Accelerator Complex (KOMAC). Gamma rays generated by various nuclides generated through the nuclide were measured using a gamma-ray spectroscopy system composed of HPGe detector. A gamma-ray standard source was used for energy calibration and efficiency measurement of the detector. Analysis of the gamma rays observed in the measured spectra showed that the radionuclides produced were ¹⁶⁷Re, ¹⁷⁸Re, ¹⁷⁹Re, ¹⁸⁰Re, ¹⁸¹Re, ¹⁸²Re, ¹⁸⁴Re, ¹⁷²Ta, ¹⁷⁴Ta, ¹⁷⁸Ta, ¹⁸²Ta, ¹⁸⁴Ta, ¹⁷⁵W, ¹⁷⁶W, ¹⁷⁷W and ¹⁷⁹W. Nuclides were generated. The results of this study will be applied to nuclear fusion, astrophysics, and nuclear medicine applications in the future.