서
론
방사선 연구시설과 장비를 확보하여 방사선기술 연구 를 안정적으로 수행하고, 연구개발 자립기반을 확립하여 방사선 및 방사선 융합기술 관련 산업을 진흥시키며, 방 사선기술 산업단지를 구축하고 산학연 기술지원으로 지 방 균형 발전과 지역 혁신을 이루고자 한국원자력연구 원 (Korea Atomic Energy Research Institute, KAERI) 정읍 방사선과학연구소 (Advanced Radiation Technology Insti-tute, ARTI)에 30 MeV 대전류 사이클로트론을 제작/설치 하였고, 기초과학 분석시스템과 산업지원 예비 수준 (pilot scale) 시험시설을 구축하였다. 입자를 가속하는 장치인 가속기는 1930년대 시간에 따라 전자기장을 변화시키는 전자석을 이용하여 실용화 되었고, 베타트론, 선형가속기, 그리고 사이클로트론이 개 ─ ─ 239 ──한국원자력연구원의
RFT-30 30 MeV
대전류 사이클로트론
종합 연구 시설
김인종∙허민구∙김상욱∙최상무∙박정훈∙양승대* 한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소The High Current RFT-30 30 MeV Cyclotron Facility
in Korea Atomic Energy Research Institute
In Jong Kim, Min Goo Hur, Sang Wook Kim, Sang Mu Choi, Jeong Hoon Park and Seung Dae Yang*
Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea
Abstract -- A wide variety of accelerators related to the superconductor, semiconductor, plasma, and so on have been researched in these days. Accelerators have been used in various areas such as fundamental research on the physics of materials, radiodiagnosis, radiotherapy, biological research, ion implantation, and aerospace research. Especially, the most practical and appro-priate way to produce medical purposed radioisotopes is by use of a cyclotron, and the extracted beam should have sufficient energy to bring about the required nuclear reactions and sufficient beam current to give practical yields. In this paper, the RFT-30 30 MeV high current cyclotron installed in the Advanced Radiation Technology Institute of Korea Atomic Energy Research Insti-tute had been considered. The cyclotron facility plans to operate three target rooms to produce PET RI, SPECT RI, and 123I, and one target room to carry out proton beam study. We have also mentioned several modifications and improvements accomplished in test stage of acceleration, beam extraction, and related equipments of the cyclotron system.
Key words : RFT-30, Cyclotron, Proton beam, Radioisotope, Target
* Corresponding authors: Seung Dae Yang, Tel. +82-63-570-3570, Fax. +82-63-570-3580, E-mail. [email protected]
발되어 무한 가속의 가능성을 확인하였다 (Wilson 2001). 이후 가속기 개발 및 이용 연구에 목적을 둔 가속기 시 설이 구축되고 있으며 (Ogawa et al. 1979; Barrall et al. 1983; Gusdal et al. 1985; Anferov et al. 2003; Stres 2008), 최근에는 초전도체를 이용한 가속기와 레이저, 플라즈 마, 반도체 등을 이용한 가속기 개발 연구도 진행되고 있다 (Shenggang et al. 2000; Chu 2002; Geisler et al. 2005; Harrison et al. 2005; Laukkanen et al. 2005; Krischel et al. 2007; Light et al. 2009). 이러한 가속기는 물질의 기본 입자 연구뿐 아니라 의료적으로 방사선 진단과 치료, 생 물학적 연구, 방사성동위원소 개발에 이용되고 있고, 산 업적으로는 이온 주입과 표면 처리, 내방사성 시험 등 다양한 분야에서 이용되고 있다 (Conlon 1981; Duggan 1983; Lagunas-Solar 1983; Geisler et al. 2005; Krischel et
al. 2007). 가속기의 한 종류인 사이클로트론은 의료용 방사성동 위원소를 생산하는데 가장 실용적이고 적합한 장치로 알려져 있다 (Barrall et al. 1983). 특히, 동위원소 생산용 가속기는 생산하려는 핵종의 핵반응에 필요한 충분한 에너지를 제공해야하고, 적정의 수율을 얻기 위해 충분 한 빔 전류를 제공해야한다(IAEA 2008). 한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 사이클로트 론 종합 연구동에 설치된 RFT-30 30 MeV 사이클로트론 은 30 MeV 급의 에너지로 빔전류가 최대 500μA 이상 인 대전류 양성자 빔을 제공할 수 있어 이를 이용해 11C, 18F, 67Ga, 94mTc, 103Pd, 123I, 124I 등 다양한 방사성동위 원소를 개발할 수 있고, 동위원소 이용연구와 방사성의 약품 관련 연구에 활용할 수 있다. 뿐만 아니라 사이클 로트론을 이용한 핵구조 및 핵반응 측정연구, 방사선 생 물학, 공업, 농업, 환경, 식품 등 양성자 빔 이용 연구와 우주선과 관련한 태양전지 결함, 반도체 결함 및 각종 회로의 방사저항 연구, 금속재료공학, 중이온 가속에 의 한 반도체 도핑, 속중성자 방사선사진술 (Fast neutron radiography) 등의 연구에도 활용될 수 있다 (Conlon 1981; Duggan 1983; Laukkanen et al. 2005; IAEA 2008).
이 논문에서는 한국원자력연구원 정읍 방사선과학연 구소에 설치된 RFT-30 30 MeV 사이클로트론과 종합 연 구동을 소개하고자 한다. 구체적으로는, 사이클로트론 시스템의 구성과 제원을 소개하고 이온원 (Ion source)부터 가속 챔버를 거쳐 빔 라인으로의 빔 인출에 이르기까지 가속 절차를 살펴보 고 RFT-30 시스템의 파트별 기능을 소개한다. 빔 인출 시험 및 성능 테스트를 거치며 개선한 부분을 기술하고 인출된 빔의 집속 절차와 표적 조사를 통한 방사성동위 원소 개발 절차를 알아본다. 개발 가능한 방사성동위원 소와 이용 연구 계획 및 양성자 빔 이용 연구 계획도 살펴본다. 이와 함께, 사이클로트론 종합 연구동의 일반 구역과 방사선작업구역의 구성에 대하여 살펴보고 방사선 작업 에 있어 안정성을 확보하고자 수행한 선량 평가 절차와 평가 결과에 따른 개선 내용에 대하여 살펴본다. 종합 연구동을 운영함에 있어 피폭 관리 계획과 방사선 감시 장치 등 방사선 안전 관리에 대하여 알아본다. 1. RFT-30 30 MeV 사이클로트론 RFT-30 30 MeV 사이클로트론은 한국원자력연구원과 원자력의학원 (Korea Institute of Radiological & Medical Sciences, KIRAMS)이 공동 개발한 것으로 Ion Beam Applications (IBA, Belgium)와 TRI-University Meson Facility (TRIUMF, Canada)의 30 MeV 급 사이클로트론의 장점을 최대한 수용한 것이다. RFT-30 30 MeV 사이클로 트론은 4-섹터 집중형 가속기로서 이온원 시스템, 전자 석 시스템, 고주파 (Radio Frequency, RF) 시스템, 빔인출 시스템, 그리고 진공 시스템으로 구성되어 있다. 이 가속기는 이온원으로부터 인출한 H-이온을 64.05 MHz RF로 가속하여 최대 30 MeV, 500 μA의 H++ 이온빔 을 탄소박막 (Carbon stripper foil)으로 인출하는 장치이 다. H++ 이온빔은 동시에 가속기 양쪽에서 인출될 수 있 고, 총 4개의 인출 빔라인은 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 각 각 4개의 표적조사실로 연결된다. 이때, 인출한 양성자 빔은 극성이 (++)인 입자들의 모임이므로 빔 전송라인을 이동하면서 퍼짐 현상이 발생하는데, 전송중 양성자 빔 을 집속하고 표적조사 효율을 높이고자 3개의 4극 전자 석 (Triplet quadrupole magnets), 위치조정 전자석 (Steer-ing magnet), 빔 퍼뜨림 전자석 (Wobbl(Steer-ing magnet), 그리 고 진공 장치와 빔 측정 장치를 사용한다. Fig. 2는 RFT-30 RFT-30 MeV 사이클로트론이고, Fig. 3은 사이클로트론실에 서 벽을 통해 연결된 빔라인의 종단에 설치된 고체 표 적 조사스테이션이다. Table 1은 설치된 사이클로트론의 Fig. 1. The RFT-30 30 MeV cyclotron and four target rooms.
주요 제원이고, Fig. 4는 H-이온 인출과 가속, 그리고 H++ 이온빔 인출과 인출한 양성자 빔이 빔라인을 통해 전송되는 절차를 개괄적으로 나타낸 것이다. 빔 인출 시험을 거쳐 1.5 MeV 100 μA의 빔을 1시간 이상 인출함으로써 안정적으로 빔 인출이 가능하다는 것을 확인하였으며, 이온원의 패러데이 컵 (Faraday-cup) 위치 조정 및 필라멘트 지지부를 교체하여 이온원에서 발생시킬 수 있는 빔 전류를 최대 30% 향상시켰다. RF 노화 (RF aging) 테스트와 전원 장치 및 측정 장치들의 성능 테스트를 진행하였고, 이온원과 인플렉터 (Inflector) 를 개선하였으며 섹터 구조를 보정하여 사이클로트론의 성능을 향상시킴으로써 RFT-30 시스템이 안정적인 상태 에서 최대 성능을 발휘할 수 있도록 하였다. 2. 사이클로트론 이용 연구 15~30 MeV의 에너지로 인출된 H++ 이온빔은 위치조 정 전자석을 지나면서 위치가 보정되고 3개의 4극 전자 석을 지나면서 각각 X축, Y축, 그리고 다시 X축에서 집 속이 이루어진다. 이후 빔 퍼뜨림 전자석을 통해 표적에 효율적으로 빔 조사가 이루어진다. 양성자 빔은 Fig. 1과 같이 네 개의 빔라인을 통해 각 각 고체 표적조사실, 123I 개발용 124Xe 기체 표적조사실,
양전자 방출 단층 촬영 (Positron Emission Tomography, PET)용 동위원소 표적조사실, 그리고 양성자 빔 이용 연구용 표적조사실로 전송되는데, 현재는 고체 표적조사 실과 PET용 동위원소 표적조사실에만 일부 조사스테이 션이 설치된 상태이다 (Fig. 3 참고). 개발하려는 방사성 동위원소 (Radioisotope, RI)에 알맞게 설계/제작된 표적 장치에 적정 에너지의 H++ 양성자 빔을 일정시간 조사하 여 RI를 개발하는데 개발되는 모든 RI는 표준 행동 절 차서 (Standard Operating Procedures, SOP)에 따라 생산 관리된다. SOP에 준하여 일정시간 동안 적정한 에너지 로 조사를 마친 표적은 표적조사실에서 자동 표적 이송 시스템을 통해 각각 단일광자 방출 단층 촬영 (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) RI 개발 용 핫셀, PET RI 개발용 핫셀, 그리고 123I 개발용 핫셀로
이송된다. 방사성동위원소의 자동분배장치인 핫셀은
Fig. 2. The RFT-30 30 MeV cyclotron in KAERI ARTI.
Fig. 3. The solid target irradiation station.
Table 1. Specifications of the RFT-30 30 MeV cyclotron Ion source type Multicusp type Ion source Max. extracted beam current Max. 10 mA
Extracted ion Negative Hydrogen ion (H-) Extraction method Carbon stripper foil Extracted ion Proton (H++
) Extracted Max. extracted 500 μA (Max.)
beam beam current
Extracted beam energy 15~30 MeV No. of extraction ports 2
RF frequency 64.05 MHz RF system No. of dees 2
Dee angular width 39 deg No. of harmonics 4 Magnet
Field 10.50 kG (kilogauss) system
SPECT RI 개발용 7기, PET RI 개발용 4기, 그리고 123I 개 발용으로 2기를 설치할 예정이고 이 가운데 핫셀 11기 는 설치 진행중이다. 개발한 방사성동위원소는 핫셀에서 연구 목적에 맞게 분배되고, 동위원소 이용 실험실과 표 지화합물 합성 실험실, 방사성동위원소 동물실험실에서 는 동위원소 이용 방사성의약품과 표지화합물을 개발하 려는 실험이 진행될 것이다. 방사성동위원소의 생산수율 을 높이고 표적의 안정성을 확보하려는 표적 장치 개발 연구와 방사성동위원소, 방사성의약품의 자동 합성 및 분배 장치에 대한 연구도 진행하고 있다. Table 2에는 사이클로트론으로 개발하는 대표적인 핵종을 기술하였 고, Table 3에는 H++양성자 빔을 이용한 연구 분야와 계 획에 대하여 개괄적으로 기술하였다. 3. 사이클로트론 종합 연구동 시설 현황 사이클로트론 종합 연구동은 지하 1층, 지상 2층 건물 로서 지하에는 방사성 폐수 탱크실, 화학 폐수 탱크실, 기계실 그리고 전기실이 있다. 특히, 기계실에는 RFT-30 30 MeV 사이클로트론 시스템(가속기, 빔라인, RF와 제어 장치 등 포함)의 냉각순환펌프 3기를 설치하였고, 전기 실에는 가속기 포함 관련 장비들의 제어장치 전원을 안 정적으로 유지해주는 정전에 대비한 보조전원 (Unin-terrupted Power Supply, UPS)을 설치하였다. 지상 1층에 는 Fig. 5와 같이 RFT-30 30 MeV 사이클로트론실과 T1~T3의 3개 표적조사실, 그리고 T4에 1개 양성자 빔 이용연구용 표적조사실이 있다. SPECT RI, PET RI, 그리 고 123I 개발실 (핫셀) 및 방사성동위원소의 개발, 계측, 분
석실을 위한 공간을 확보하고 있다. 자동 합성/분배 장 치 및 표적장치 개발실과 동위원소 이용 실험실, 표지화 합물 합성 실험실, 방사성동위원소 동물실험실이 계획되 어 있고 방사성의약품을 제조, 보관, 그리고 분배하는 우 수의약품제조기준 (Good Manufacturing Practice, GMP) 시설용 공간을 확보하고 있으며, 일반구역과 구분하여
Carbon stripper foil ∙Capture 2-electrons ∙Change H-ion to H++
ion
H-ion
∙Ion source, main magnet and RF system H++
ion beam
∙Carbon stripper foil and switching magnet
Table 2. Radionuclides producible by cyclotron
Radionuclide Half-life Decay mode Main γ-ray, keV (%)
Electron 201Tl 73.5 h Capture 167 (10.2), 135 (2.6) (EC) (100) 123I 13.02 h EC (100) 159 (83), 529 (1.05) 67Ga 78.3 h EC (100) 93 (38), 185 (23.6), 300 (19) 111In 67.2 h EC (100) 172 (87.6), 245 (94.2) 57Co 271.8 d EC (100) 122 (85.6), 136.5 (10.7) 94mTc 52.5 m β++(28), 871 (94), 993.2 (2.21) EC (72) 18F 109.7 m β++(96.9), 511 (193.8) EC (3.1) 11C 20.3 m β++(99.8), 511 (199.6) EC (0.2) 13N 9.96 m β++(100) 511 (200)
Fig. 4. Principals of the H-acceleration and H++
extraction.
Multicusp ion source ∙Generate H-ion
∙Inject H-ion to center
Inflector ∙Inflect H-ion
Switching magnet ∙Select beam direction
방사선작업구역에 대한 출입을 관리하기위한 출입관리 실과 안전관리 계측실이 있다. 지상 2층에는 천연물 실
험실 2개, 유기합성 실험실 3개, bio-chip 연구실 2개와 cold-kit 제조실이 있고 1층의 RFT-30 30 MeV 사이클로
Table 3. Applications of the H++
ion beam
RI production RI application research
ㆍRIs: 11C, 18F, 67Ga, 67Cu, 68Ge, 62Zn, 94mTc, 103Pd, 123I, 124I etc ㆍRadiopharmaceuticals and RI labeled compound development
ㆍHigh current target system ㆍRadiopharmaceuticals synthesizer
ㆍGenerators: 68Ge/68Ga, 62Zn/62Cu
Fundamental studies Industrial applications
ㆍFundamental scientific research: Nuclear reaction measurement, ㆍThin layer analysis (TLA)
New material development, Space radiation research etc ㆍSemiconductor doping, Fast neutron radiography etc ㆍProton beam writing (Lithography): Bio-chip, Patterning, ㆍProton induced X/γ-ray emission (PIXE/PIGE)
Micro fluidic device etc High current solid
target station
68Ge/68Ga generator (Obninsk, Russia)
MRI 18F-FDG 11C-Methionine
FDG-FLT synthesizer
Micro fluidic device (White-sides GM. 2006. The origins and the future of
microflui-dics. Nature 442:368-373.) Patterning (Breese MBH, Cham-peaux FJT, Teo EJ, Bettiol AA, and Blackwood DJ. 2006. Hole transport through proton-irradi-ated p-type silicon wafers dur-ing electrochemical anodiza-tion. Phys. Rev. B 73: 035428.)
*German Research Center for Environmental Health (http:// www.helmholtz-muenchen.de/en/iss/nanoan alytics/research/ nanoanalytics/pixe-proton-induce d-x-ray-emission-spectrometry /index.html)
**University of Liege, Belgium (http://www2.ulg.ac.be/ipne/ipne/ iba/NRAPIGE.html)
트론실 위치에 사이클로트론 제어실이 있다. 4. 방사선 안전 관리 방사선을 다루는 작업에서는 다른 산업적 행위에 비 해 무엇보다 안전이 중요하며, 방사선 관련 시설에서는 방사선과 무관한 경미한 사고가 발생하여도 방사선 사 고로 간주될 수 있으므로 작업 시 각별히 주의해야한다. 사이클로트론 종합 연구동에서는 방사선작업구역의 물 리적인 차폐와 방사선 감시 장치 (Radiation Monitoring System, RMS), 그리고 인터록 시스템을 설치하여 자동 제어가 가능하도록 하였다. 한편, 본격적인 사이클로트론 운영에 대비하여 현재 방사선작업구역에 대한 출입 관 리를 시범적으로 시행하고 있다. 최대 30 MeV, 500 μA의 H++양성자 빔을 인출하는 사 이클로트론실과 PET용 동위원소 표적조사실, 고체 표적 조사실, 123I 표적조사실과 양성자 빔 이용연구용 표적조 사실은 직접적으로 방사선이 발생하는 구역으로 차폐가 반드시 필요한 곳이다. 이를 위해 사이클로트론실과 표 적조사실 내부에서 콘크리트 벽을 통한 외부로의 직선 거리가 어느 각도에서든 2 m가 되도록 설계하여 한국원 자력안전기술원 (Korea Institute of Nuclear Safety, KINS) 의 안전관리 기준에 부합하도록 하였다. 또한, 사이클로 트론 운전 시 표적조사실에서 발생하는 방사선에 대한 안전성을 평가하고자 선량평가를 실시하였다. 가속된 500 μA의 H++양성자 빔이 빔 포트 출구 지점의 표적에 조사되었다고 가정하고, Ag, Cu, Al 중 최대 중성자 발생 률을 나타낸 Ag를 표적 물질로 선정하였으며 양성자
Fig. 5. The 1st floor of the cyclotron facility.
Hot zone
GMP zone Hot cell RFT-30
T2 T3 Entrance control Experimental laboratories Cold zone T4 T1 Cyclotron vault
손실률은 없다고 가정하였다. 이러한 조건에서 빔-표적 반응으로 발생하는 중성자와 감마선원의 에너지 스펙트 럼 및 각분포를 확인하였고, 사이클로트론실과 표적조사 실의 출입 통로와 복도까지의 위치에 따른 평균 선량률 을 측정하였다. 측정 결과에 따라 표적조사실 및 사이클 로트론실에 차폐문을 추가함으로써 원하는 수준의 차폐 가 이루어졌음을 확인하였다. RMS 장치로는 감마선 측정용 지역 감시기 3세트, 감 마선 및 중성자 측정용 지역 감시기 3세트, 배기구 알파 베타 미립자 연속 감시기 1세트, 배기구 옥소 연속 감시 기 1세트, 그리고 출입자의 손/발/의류 감시기 2세트를 설치하였고, 방사선작업구역에 CCTV 2세트를 설치하였 으며 일반구역 1층에 위치한 안전관리실에서 RMS 제어 용 컴퓨터로 종합 관리한다.
결
론
RFT-30 30 MeV 사이클로트론은 순수 국내 기술로 개 발한 대전류 가속기로서 한국원자력연구원 정읍 방사선 과학연구소에 최초로 설치된 것이다. 이 논문에서는 사이클로트론의 소개뿐 아니라 가속 절차와 빔 인출 테스트 절차 및 테스트 결과를 살펴보 았고, 이를 통해 사이클로트론 시스템에서 성능 개선한 부분도 살펴보았다. 가속 절차를 거쳐 인출한 빔의 이용 연구 계획과 개발 가능한 방사성동위원소에 대해서도 알아보았으며 종합 연구동의 일반적인 현황과 방사선 작업 구역의 현황, 그리고 시설 운영 현황에 대하여 기 술하였다. 뿐만 아니라 이용 연구 계획과 시설 구축 계 획에 대해서도 알아보았다. 사이클로트론 종합 연구동에서는 지금도 성능 테스트 뿐 아니라 기반 연구 및 이용 연구를 진행하고 있다. RFT-30 사이클로트론 종합 연구 시설을 정상적으로 운 영한다면, 국내 기술로 개발한 30 MeV 급 대전류 가속 기의 최초 설치 및 운영이라는 의미뿐 아니라, 세계적으 로 30 MeV 급 가속기 연구 분야와 방사성동위원소 개발 및 이용 연구 분야, 그리고 방사성의약품 연구 분야에 있어서 한국의 과학 기술력 및 국제 경쟁력 제고에 크 게 이바지할 것이다.사
사
본 연구는 2009년도 정부출연금 (기본사업)의 지원으 로 이루어졌으며, 이에 고마움을 전합니다.참 고 문 헌
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Manuscript Received: August 14, 2009 Revision Accepted: September 2, 2009
