국립 암 센터 치료용 가속기를 위한 빔 라인의 광학계...
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국립 암 센터 치료용 가속기를 위한 빔 라인의 광학계 연구 황지광, 김은산, 이세병 1 , 황왕신 1 , 현상헌 1 경북대학교 1 국립 암센터 양성자 치료센터 Abstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 암 치료를 목적으로 2007년 완공된 국립 암센터의 치료용 양성자 가속기는 양성자를 만들어내는 이온원과 이온원에서 발생된 양성자를 230 MeV의 에너지까지 가속시키 는 사이클로트론, 가속된 양성자의 에너지를 원하는 에너지로 만들기 위하여 감속시키는 Energy Degrader, 빔이 가진 에너지 퍼짐도를 줄이기 위한 에너지 선택구간, 낮은 에너지 퍼짐도를 가지는 양성자 빔을 Gantry까지 전송해주는 빔 전송라인, 전송 된 양성자 빔을 치료의 목적에 알맞게 해주는 Gantry구간 등으로 이루어져 있다. 이러한 가 속기에서 만들어진 양성자 빔을 환자에게 조사하여 암 치료에 이용하기 위해서는 높은 안정성이 요구된다. 빔의 높은 안정성을 얻기 위해서는 발생되는 양성자 빔 에너지를 정확하게 알고 있어야하며 동시에 낮은 에너지 퍼짐도를 가지져야 하고, Gantry의 출구에서 가능한 작은 빔 사이즈를 만드는 것이 좋다. 우리는 앞에서 말한 빔의 높은 안 정성을 성취하기 위하여 Gantry 최종단에서 가능한 작은 사이즈를 가지는 양성자 빔 생산을 위한 양성자 가속기의 빔 라인의 사극자석 및 이극자석이 만들어 내는 광학적 특성의 조사와 이를 이론적으로 설명하기위한 시뮬레이션을 수행하여 Grantry 최종단에서 2cm의 RMS 빔 사이즈를 가지는 원형 빔을 생성 할 수 있는 광학 격자를 설계하 였다. Layout∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Cyclotron Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Gantry Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Energy Selection Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Specification ▪ Energy : 70 ~ 230 MeV (Proton) ▪ Carbon Degrader ▪ Proton source (PIG type) <Issues> 1.Beam condition 2.Energy Selection 3.Energy Dispersion Cyclotron 70~230MeV Beam Line ▪ Energy Selection Section ▪ Beam Transport Line ▪ 3 Gantry ( Fixed – 1, Moveable – 2) ▪ QM, BM, BPMs, Slit, Degrader 4 Bending Magnet 10 Quadrupole Magnet @ a Slit dipersive section B2 Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Simulation for small beam∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Name Length[m] Bore radius[cm] Field [T] Sign B1G2 1.14 4.6 1.60 positive Q5G2 0.27 6.5 0.22 Defocusing Q6G2 0.27 6.5 0.22 Focusing Q7G2 0.27 6.5 0.47 Defocusing Q8G2 0.27 6.5 0.37 Focusing Q9G2 0.27 6.5 0.41 Defocusing B2G2 3.40 5.2 1.61 negative ]) [ / ) (( u Diagonal A u v B ⋅ ⋅ = + Name Field [T] 전 → 후 Field [T] Sign Q7G2 0.47 0.038 Defocusing Q8G2 0.37 0.138 Focusing Q9G2 0.41 0.235 Defocusing 15 10 5 0 5 10 15 20 8 6 4 2 0 2 4 6 x mm y mm 15 10 5 0 5 10 15 20 10 0 10 20 x mm y mm 0.10 0.05 0.00 0.05 0.10 4 5 6 7 8 Dispersion m Horizontal beamsize mm = (|) (| ′ ) (| ) ( ′ |) ( ′ | ′ ) ( ′ | ) = . . −. . . −. = (|) (| ′ ) ( ′ |) ( ′ | ′ ) = −. −. −. −. (|) (| ′ ) (| ) ( ′ |) ( ′ | ′ ) ( ′ | ) − = = ∙ Singular Value Decomposition 위의 시뮬레이션들을 통하여 파악한 빔 라인 정보를 기반으로 Gantry 출구에서 더 작은 빔 사이즈를 얻기 위한 사극자석의 세기 매칭을 수행하였다. Gantry 빔 라인의 많은 사극자석을 이용하여 매칭 할 경우에 다 른 효과들이 많이 발생할 수 있기 때문에 우선적으로 IC1 모니터 앞 단에 설치된 사극자석 세 개의 세기 조 정을 통하여 빔 사이즈 최소화하였다. 이 때의 빔 분포 및 사극자석의 세기는 오른쪽 그림과 표에 각각 주 어져 있다. 하지만 실제 가속기에 이를 적용하기 위해서는 전체 가속기의 Layout 및 자석들의 특징들을 더 연구할 필요가 있다.
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국립 암 센터 치료용 가속기를 위한 빔 라인의 광학계 연구
황지광, 김은산, 이세병1, 황왕신1, 현상헌1
경북대학교 1국립 암센터 양성자 치료센터 Abstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
암 치료를 목적으로 2007년 완공된 국립 암센터의 치료용 양성자 가속기는 양성자를 만들어내는 이온원과 이온원에서 발생된 양성자를 230 MeV의 에너지까지 가속시키는 사이클로트론, 가속된 양성자의 에너지를 원하는 에너지로 만들기 위하여 감속시키는 Energy Degrader, 빔이 가진 에너지 퍼짐도를 줄이기 위한 에너지 선택구간, 낮은 에너지 퍼짐도를 가지는 양성자 빔을 Gantry까지 전송해주는 빔 전송라인, 전송 된 양성자 빔을 치료의 목적에 알맞게 해주는 Gantry구간 등으로 이루어져 있다. 이러한 가속기에서 만들어진 양성자 빔을 환자에게 조사하여 암 치료에 이용하기 위해서는 높은 안정성이 요구된다. 빔의 높은 안정성을 얻기 위해서는 발생되는 양성자 빔 에너지를 정확하게 알고 있어야하며 동시에 낮은 에너지 퍼짐도를 가지져야 하고, Gantry의 출구에서 가능한 작은 빔 사이즈를 만드는 것이 좋다. 우리는 앞에서 말한 빔의 높은 안정성을 성취하기 위하여 Gantry 최종단에서 가능한 작은 사이즈를 가지는 양성자 빔 생산을 위한 양성자 가속기의 빔 라인의 사극자석 및 이극자석이 만들어 내는 광학적 특성의 조사와 이를 이론적으로 설명하기위한 시뮬레이션을 수행하여 Grantry 최종단에서 2cm의 RMS 빔 사이즈를 가지는 원형 빔을 생성 할 수 있는 광학 격자를 설계하였다.
Layout∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
Cyclotron Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
Gantry Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
Energy Selection Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
Specification ▪ Energy : 70 ~ 230 MeV (Proton) ▪ Carbon Degrader ▪ Proton source (PIG type)
<Issues> 1.Beam condition 2.Energy Selection 3.Energy Dispersion
Cyclotron 70~230MeV
Beam Line ▪ Energy Selection Section ▪ Beam Transport Line ▪ 3 Gantry ( Fixed – 1, Moveable – 2) ▪ QM, BM, BPMs, Slit, Degrader
4 Bending Magnet 10 Quadrupole Magnet @ a Slit dipersive section
B2 Section∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Simulation for small beam∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙
Name Length[m] Bore radius[cm] Field [T] Sign
B1G2 1.14 4.6 1.60 positive
Q5G2 0.27 6.5 0.22 Defocusing
Q6G2 0.27 6.5 0.22 Focusing
Q7G2 0.27 6.5 0.47 Defocusing
Q8G2 0.27 6.5 0.37 Focusing
Q9G2 0.27 6.5 0.41 Defocusing
B2G2 3.40 5.2 1.61 negative
])[/)(( uDiagonalAuvB ⋅⋅= +
Name Field [T]
전 → 후
Field [T] Sign
Q7G2 0.47 0.038 Defocusing
Q8G2 0.37 0.138 Focusing
Q9G2 0.41 0.235 Defocusing
15 10 5 0 5 10 15 208642
0246
xmm
ymm
15 10 5 0 5 10 1520
10
0
10
20
xmm
y mm 0.10 0.05 0.00 0.05 0.104
5
6
7
8
DispersionmHor
izon
talb
eam
sizemm
𝒙𝒙𝒙𝜹𝒑
=(𝒙|𝒙) (𝒙|𝒙′) (𝒙|𝜹𝒑)(𝒙′|𝒙) (𝒙′|𝒙′) (𝒙′|𝜹𝒑)𝟎 𝟎 𝟏
𝒙𝟎𝒙𝒙𝟎𝜹𝒑𝟎
=𝟏.𝟓𝟓 𝟎.𝟕𝟕 −𝟑.𝟖𝟏𝟏.𝟎𝟖 𝟏.𝟏𝟖 −𝟑.𝟖𝟓𝟎 𝟎 𝟏
𝒙𝟎𝒙𝒙𝟎𝜹𝒑𝟎
𝒚𝒚𝒙 = (𝒚|𝒚) (𝒚|𝒚′)
(𝒚′|𝒚) (𝒚′|𝒚′)𝒚𝟎𝒚𝒙𝟎
= −𝟓.𝟎𝟎 −𝟏𝟖.𝟏−𝟎.𝟓𝟓 −𝟓.𝟕𝟕
𝒚𝟎𝒚𝒙𝟎
(𝒙|𝒙) (𝒙|𝒙′) (𝒙|𝜹𝒑)(𝒙′|𝒙) (𝒙′|𝒙′) (𝒙′|𝜹𝒑)𝟎 𝟎 𝟏
−𝟏 𝒙𝒙𝒙𝜹𝒑
=𝒙𝟎𝒙𝒙𝟎𝜹𝒑𝟎
𝑨 = 𝑴 ∙ 𝑩
Singular Value Decomposition
위의 시뮬레이션들을 통하여 파악한 빔 라인 정보를 기반으로 Gantry 출구에서 더 작은 빔 사이즈를 얻기 위한 사극자석의 세기 매칭을 수행하였다. Gantry 빔 라인의 많은 사극자석을 이용하여 매칭 할 경우에 다른 효과들이 많이 발생할 수 있기 때문에 우선적으로 IC1 모니터 앞 단에 설치된 사극자석 세 개의 세기 조정을 통하여 빔 사이즈 최소화하였다. 이 때의 빔 분포 및 사극자석의 세기는 오른쪽 그림과 표에 각각 주어져 있다. 하지만 실제 가속기에 이를 적용하기 위해서는 전체 가속기의 Layout 및 자석들의 특징들을 더 연구할 필요가 있다.
