본 논문은 방사선 치료에 사용되는 선형 전자가속기(LINAC)의 작동 원리와 구성 등 의료용 LINAC의 전반을 다룬다. 의료용 LINAC은 전자총에서 발사된 전자를 가속기 튜브 내에서 가속시켜 전자빔을 발생시키고, 이러한 전자빔을 금속 표적에 충돌시켜 발생한 X 선을 인체에 조사하는 원리이다. 최근에는 O-arm, C-arm 등 3-D 촬영을 위한 치료기가 개발됨에 따라, 의료용 LINAC의 전자총, 마그네트론 등을 구동하는데 사용되는 고전압 전원장치 또한 소형화와 고밀도화가 요구되는 추세이다. 본 논문에서는 마그네트론 구동을 위한 고밀도 40kV/100A 음극성 펄스 모듈레이터와 정전압 정전류 제어 및 50kV 절연이 가능한 히터 전원장치를 설계 및 제작하였으며, 9.3GHz, 1.7MW X-Band 마그네트론 연계실험을 통해 고효율 고신뢰성의 동작을 확인하였다.
본 연구에서는 몬테칼로 계산(MCNPX 2.4.0)을 이용하여 24MV 의료용 선형가속기에서 발생하는 이차중성자의 에너지분포와 선량계산을 수행하였다. 먼저 선형가속기 두부(head)에서 방출되는 광자와 중성자의 에너지분포를 계산하였으며, 이를 이용하여 물팬텀에서 광자와 중성자의 흡수선량을 계산하였다. 몬테칼로 계산결과 물표면에서 5cm까지 중성자의 흡수선량은 $0.66\~0.35mGy/photon\;Gy$로 나타났으며, 상호작용 자료를 이용한 근사적 계산결과는 전자평형 깊이에서 0.52mGy/photon Gy로 나타났다. 다른 연구결과들과 비교를 통하여 본 연구가 고에너지 선형가속기에서 발생되는 중성 자의 선량평가에 응용될 수 있음을 제시하였다.
본 연구는 의료용 선형가속기를 차폐하고 있는 차폐벽에 대하여 방사화 분석을 함으로서 추후 선형가속기 시설의 해체 시 해체비용의 절반이상을 차지하는 차폐벽에 대하여 폐기물 준위를 평가하고 이에 따른 폐기물 처리방법을 분석함으로서 해체비용 측면에 있어서 이득을 얻을 수 있는 방법에 대하여 논의하고자 한다. 실험결과, 선형가속기에서 발생하는 중성자 양은 차폐벽을 방사화 시키기에 충분한 양이 측정되었으며, 방사화 분석 결과 약 20 개 이상의 핵종이 분석되었다. 이 중 $^{24}Na$, $^{45}Ca$, $^{59}Fe$ 핵종이 규제해제 농도를 초과하는 것으로 분석되었으며, 그 값은 차폐벽 깊이가 깊어질수록 농도는 줄어들었다. 이를 바탕으로 특정 세 구역(E,F,G)은 매립이나 재활용이 불가능한 것으로 평가되었으며, 나머지 구역은 일정 깊이 이상일 경우 매립이나 재활용이 가능한 것으로 평가되었다.
고 energy영역의 소립자 연구는 기존 선진제국의 대연구소에 의존할 수 밖에 없어도 저 energy의 물성론이나 공업적면 및 의료용의 이용을 목표로 한 Linac는 radar의 micro파 기술이 있는 우리나라에서도 제작이 쉽게 가능하다. 그것은 기계적으로 micron범위의 정도를 요하는 가속관 부분만 도입해서 15MeV의 Linac를 첫 단계로 완성하면 원자로와 아울러 연구 및 생산기술면에 있어서 커다란 무기로서 활용할 수 있는 기구가 될것이다. 또 한걸음 나아가서는 우리나라의 군사과학기술을 민간공업부문에 전용할 수 있는 좋은 계기가 될것이다.
의료용 및 산업용으로 활용하기 위한 C-밴드형 콤팩트 선형가속기의 개발이 동남권원자력의학원에서 진행되고 있다. 본 논문에서는 선형가속기 시작품에서 발생한 전자빔의 출력 측정 결과를 보고하고자 한다. 출력 측정은 물흡수선량에 대해 교정된 Exradin-A10 마커스형 평행평판형 전리함을 사용하여 물속 기준 깊이에서 IAEA TRS-398 프로토콜에 따라 흡수선량율을 결정하는 과정으로 진행되었다. 전자선 에너지가 낮은 점으로 인하여 선질지표($R_{50}$)은 필름 측정법을 써서 근사적으로 결정하였다. 결과로서 단위 펄스 진동수당의 선형가속기 전자빔의 출력은 $17.0cGy/(min{\cdot}Hz$로 나타났다. 본 연구의 결과는 개발 중인 전자가속기의 성능 평가 자료로 활용될 것이다.
한나라의 과학수준이 rocket기술이나 가속기의 출력 energy로서 운운 되었을 때가 있었는데 그때의 기속기는 원자핵 반응을 인공적으로 실험해 보는데 없어서는 안되는 것이기 때문이었다. 2차대전중 원자폭전의 출현을 보게 한 원자로의 발전은 대전후에는 평화적인 이용면에 따르는 응용 분야가 없는 고 energy의 소립자 연구라든지 isotope생산, 고분자화학 및 의료용등에는 대전중에 발전된 잔자기술의 이용으로 더 큰 가속기의 출현이 필요하였다. 특히 이 Electron Accelerator(이하 Linac라고 함)는 높은 고압과 큰 자석을 쓰지 않는 면에서 손쉽게 우리 신변에서 초고압 X선 이상의 효과로 쓸수있게해 주어서 그 이용면은 매우 다급해졌다. 여기서 우리나라의 입장에서 이러한 것을 살펴볼 때 첫째의 radar기술이 충분히 있으면서 이러한 것을 평화적 생산면에서 아직 활용하지 못하고 있으며 한편에서는 외국으로 부터 강력 동위원소를 도입하여 오고 있는데 Linac를 제작하여 여기서 이용하면 이러한 동위원소의 강도 이상의 것을 우리나라 기술로서 제작할 수 있다. 여기서 그 원리와 제작면에 있어서의 문제점 및 국제적인 이용 현황을 소개해 보겠다.
본 연구는 의료용 선형가속기 시설을 차폐하는 콘크리트에 대한 중성자 방사화 연구로써, 일반 콘크리트와 저 방사화 콘크리트를 비교 분석하였다. 실험 방법은 MCNPX (Ver. 2.5.0)와 FISPACT-2010를 사용하여 모의실험을 진행하여, 광자선과 중성자선에 대한 차폐능을 산정하고 중성자 방사화 평가를 진행하였다. 그 결과 차폐능은 일반 콘크리트에서 20~50 cm 효율적이였으며, 방사화 평가의 경우 저 방사화 콘크리트에서 방사능이 낮게 계산되었으나, 모두 자체처분허용 농도를 초과하지 않는 수준으로 산정되었다. 이를 종합적으로 분석한 결과 일반 콘크리트를 사용하는 것이 효율적인 것으로 판단된다.
GEANT4 Medical Linac 2 예제 코드를 이용하여 선형가속기 전자선의 에너지 분포를 계산하였다. 입사 전자의 평균 에너지는 6, 9, 12, 16, 20 MeV이었으며, 전자선 특성에 영향을 주는 전자선 산란박 물질, 두께, 위치에 따른 에너지 분포를 계산하였다. 산란박 물질은 납, 구리, 알루미늄, 금을 사용하였다. 산란박 위치를 변경하여 선형 가속기 헤드 속 산란박 위치가 전자 및 광자 에너지 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 의료용 선형가속기 시뮬레이션의 기초자료인 에너지 분포에 대해 여러 가지 산란박 조건을 적용하여 경향을 나타내었다. 이 결과는 선형가속기 헤드 설계에 이용될 수 있을 것으로 본다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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