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KR100648407B1 - 탄소-11 및 불소-18을 동시에 생산하기 위한 복합표적유니트 및 복합 생산방법 - Google Patents

탄소-11 및 불소-18을 동시에 생산하기 위한 복합표적유니트 및 복합 생산방법 Download PDF

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KR100648407B1
KR100648407B1 KR1020050053561A KR20050053561A KR100648407B1 KR 100648407 B1 KR100648407 B1 KR 100648407B1 KR 1020050053561 A KR1020050053561 A KR 1020050053561A KR 20050053561 A KR20050053561 A KR 20050053561A KR 100648407 B1 KR100648407 B1 KR 100648407B1
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KR
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김상욱
허민구
이민용
황원택
양승대
채종서
홍봉환
유국현
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한국원자력연구소
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Abstract

본 발명은 11C 및 18F을 동시에 생산하기 위한 복합 표적유니트 및 복합 생산방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 표적유니트는 일방향으로 조사되는 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C을 생산함과 동시에 상기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응에 의해 18F을 생산하기 위한 복합 표적유니트에 있어서, 상기 N2 기체가 수용되며 상기 양성자의 조사 경로상에 배치되는 수용부와, 상기 수용부로의 상기 양성자의 유입 및 상기 수용부내의 양성자의 배출을 위해 상기 수용부의 양측에 각각 형성되어 있는 유입구 및 배출구를 가지는 가스 표적장치; 및 상기 H2 18O 농축물이 수용되며 상기 가스 표적장치의 배출구를 통과한 양성자의 조사 경로상에 배치되는 캐비티를 가지는 캐비티부재를 포함하며, 상기 가스 표적장치에 결합되는 농축물 표적장치;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소-11 및 불소-18을 동시에 생산하기 위한 복합 표적유니트 및 복합 생산방법{Tandem target unit and multiple production method for producing C-11 and F-18 simultaneously}
도 1은 종래의 11C 생산용 표적장치의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 18F 생산용 표적장치의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 11C 및 18F을 동시에 생산하기 위한 복합 표적유니트를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 복합 표적유니트를 그 길이방향에 수직인 평면으로 절단한 개략적인 분리 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 에너지 감쇄기의 분리 사시도이다.
도 6는 양성자와 N2 기체간의 핵반응의 정도 및 양성자의 에너지와의 상관관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응의 정도 및 양성자의 에너지와의 상관관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...플랜지부재
20...가스 표적장치 21...수용부
22,34...유입구 23,35...배출구
24...공간부 25,82...유입유로
26,83...배출유로 30...에너지 감쇄기
31...전면판 32...후면판
33...공간부 40...농축물 표적장치
50...캐비티부재 51...캐비티
60...전면 보강부재 61...전면 박막
62,72...관통공 63...전면 격자부분
70...후면 보강부재 71...후면 박막
73...후면 격자부분 80...냉각부재
81...공간부 100...복합 표적유니트
본 발명은 11C 및 18F을 동시에 생산하기 위한 복합 표적유니트 및 복합 생산방법에 관한 것이다.
양전자 방출 단층촬영장치(Positron Emission Tomography)는 종양 및 다양한 질병의 조기 진단에 광범위하게 활용되고 있다.
최근 들어서는 양전자 방출 단층촬영(Positron Emission Tomography)을 이용한 진단의 범위가 확대되고 있으며 이에 따라 다양한 양전자 방출 동위원소가 표지된 양전자 방출 방사성 의약품이 개발되고 있다. 이러한 방사성 의약품중에서 가장 대표적인 것으로는 암 진단에 사용되는 FDG (2-[18F]Fluoro-2-deoxy-D-glucose) 및 암 종류 중 뇌종양의 진단에 유용한 L-[11C-methyl]methionine 등이 있다.
한편, 양전자 방출 단층촬영용 동위원소로는 18F, 11C, 15O 및 13N 등이 있다. 이러한 동위원소들 중 15O 및 13N는 반감기가 10분 정도로 짧아서 활용에 제약이 있으나, 18F 및 11C는 그 반감기가 각각 20.4분, 109.7분으로 15O 및 13N 보다 길어서 다양한 화합물을 구성하는 데에 사용되고 있다.
상술한 바와 같이 활용범위가 넓은 18F 및 11C를 생산하기 위해서는 18F 및 11C를 생산하기 위한 표적장치가 각각 별개로 구비되어야 하는데, 도 1 및 도 2에는 종래의 표적장치의 일례가 도시되어 있다.
도 1에 도시되어 있는 11C를 생산하기 위한 표적장치(200)는 N2 기체가 수용되는 수용부(210)와, 상기 N2 기체와 양전자간의 핵반응시 발생되는 열을 냉각시키기 위해 냉각수가 유동하는 공간부(220)와, 상기 냉각수가 유입 및 배출되는 유입구(221) 및 배출구(222)를 가진다.
이 표적장치(200)에 있어서는, 상기 수용부(210)에 N2 기체를 충전하고, 별도의 펌핑장치(미도시)를 구동하여 상기 냉각수가 상기 유입구(221)로 유입되고 상기 배출구(222)로 배출되도록 함으로써 상기 공간부(220)를 순환하도록 하게 한다. 그 후에, 사이클로트론 등과 같은 입자가속장비로부터 양전자 빔을 발생시켜 상기 수용부(210)에 수용되어 있는 N2 기체와 상기 양전자간의 핵반응을 유발시키고, 그 결과로서 11C가 생산되게 된다.
한편, 도 2에 도시되어 있는 18F를 생산하기 위한 표적장치(300)는 H2 18O이 95%이상 농축되어 있는 H2O인 H2 18O 농축물이 수용되며 일측이 개방되어 있는 캐비티(311) 및 냉각수가 유동하는 공간부(312)를 가지는 캐비티부재(310)와, 상기 캐비티부재(310)의 개방된 부분을 덮도록 배치되는 박막(320)과, 상기 박막(320)으로부터 전방으로 이격되게 배치되며 상기 박막(320)과 함께 헬륨이 유동하는 공간부(325)를 형성하는 다른 박막(330)을 구비한다.
이 표적장치(300)에 있어서는, 상기 캐비티(311)에 H2 18O 농축물을 채우고, 별도의 펌핑장치를 구동하여 헬륨이 도 2에 화살표로 도시된 방향으로 유입 및 배출됨으로써 상기 공간부(325)를 유동하도록 할 뿐만 아니라 냉각수가 상기 공간부(312)를 유동하도록 하여, 상기 H2 18O 농축물과 양전자간의 핵반응시 발생되는 열을 냉각시킬 수 있는 상태로 만든다. 그 후에, 사이클로트론 등과 같은 입자가속장비에서 발생된 양성자를 캐비티(311)에 수용되어 있는 H2 18O 농축물을 향해 조사시키면, 양성자가 박막들(320,330)을 통과하여 H2 18O 농축물과 핵반응하게 되고, 이러한 핵반응에 의해 18F이 생산되게 된다.
그런데, 상술한 바와 같이 종래에는 11C을 생산하기 위한 표적장치(200)와 18F을 생산하기 위한 표적장치(300)를 별개로 제작하고 각 표적장치(200,300)마다 양성자 빔을 조사하여 11C 및 18F을 각각 생산하거나, 양성자 빔을 각 표적장치(200,300)마다 설치하는 것이 가능하지 않은 경우에는 예컨대 18F을 생산하기 위한 표적장치(300)에 양성자 빔을 조사하여 18F을 생산한 후에 18F을 생산하기 위한 표적장치(300)를 11C을 생산하기 위한 표적장치(200)로 교체하여 11C을 생산하였다. 따라서, 종래에는 11C 및 18F을 생산하는데 있어서 각 표적장치(200,300)를 구성해야 했으며, 11C 및 18F을 생산하는데 많은 시간이 소요되었을 뿐만 아니라 표적장치를 교체하는 과정에서 상당량의 방사능 피폭을 피할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목 적은, 11C 및 18F을 동시에 생산하기 위한 복합 표적유니트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 11C 및 18F을 동시에 생산하기 위한 복합 생산방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 복합 표적유니트는 일방향으로 조사되는 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C을 생산함과 동시에 상기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응에 의해 18F을 생산하기 위한 복합 표적유니트에 있어서, 상기 N2 기체가 수용되며 상기 양성자의 조사 경로상에 배치되는 수용부와, 상기 수용부로의 상기 양성자의 유입 및 상기 수용부내의 양성자의 배출을 위해 상기 수용부의 양측에 각각 형성되어 있는 유입구 및 배출구를 가지는 가스 표적장치; 및 상기 H2 18O 농축물이 수용되며 상기 가스 표적장치의 배출구를 통과한 양성자의 조사 경로상에 배치되는 캐비티를 가지는 캐비티부재를 포함하며, 상기 가스 표적장치에 결합되는 농축물 표적장치;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 복합 생산방법은 일방향으로 조사되는 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C을 생산함과 동시에 상 기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응에 의해 18F을 생산하기 위한 복합 생산 방법에 있어서, 상기 N2 기체가 수용되는 수용부를 가지는 가스 표적장치와, 상기 H2 18O 농축물이 수용되는 캐비티를 가지는 농축물 표적장치를 상기 양성자의 조사 경로상에 순차적으로 배열하는 배열단계; 상기 가스 표적장치의 수용부에 상기 N2 기체를 충전하며, 상기 농축물 표적장치의 캐비티에 상기 H2 18O 농축물을 충전하는 충전단계; 11C 및 18F를 동시에 생산할 수 있는 양성자의 에너지를 계산하는 에너지 계산단계; 및 상기 에너지 계산단계에서 계산된 에너지를 가지는 양성자를 상기 가스 표적장치와 농축물 표적장치로 조사하여, 상기 양성자가 순차적으로 상기 N2 기체 및 H2 18O 농축물과 핵반응하여 11C 및 18F를 동시에 생산하는 생산단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 11C 및 18F을 동시에 생산하기 위한 복합 표적유니트를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 복합 표적유니트를 그 길이방향에 수직인 평면으로 절단한 개략적인 분리 사시도이며, 도 5는 도 3에 도시된 에너지 감쇄기의 분리 사시도이며, 도 6은 양성자와 N2 기체간의 핵반응의 정도 및 양성자의 에너지와의 상관관계를 개략적으로 나타낸 그래프이며, 도 7은 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응의 정도 및 양성자의 에너지와의 상관관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예의 복합 표적유니트(100)는 일방향으로 조사되는 양성자와 N2 기체간의 핵반응(14N(p,α)11C)에 의해 11C을 생산함과 동시에 상기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응 (18O(p,n)18F)에 의해 18F을 생산하기 위한 것이다. 상기 복합 표적유니트(100)는 플랜지부재(10)와, 가스 표적장치(20)와, 에너지 감쇄기(30)와, 농축물 표적장치(40)를 구비한다.
상기 플랜지부재(10)는 사이클로트론 등과 같은 입자가속장비의 양성자 빔 라인과 연결되어 있다.
상기 가스 표적장치(20)는 상기 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C을 생산하기 위한 것이다. 상기 가스 표적장치(20)는 알루미늄 등과 같은 금속으로 이루어져 있다. 상기 가스 표적장치(20)는 수용부(21)와, 유입구(22)와, 배출구(23)와, 공간부(24)와, 유입유로(25)와, 배출유로(26)를 구비한다.
상기 수용부(21)에는 상기 N2 기체가 수용되어 있으며, 그 수용부(21)는 상기 양성자의 조사 경로상에 배치되어 있다. 상기 수용부(21)는 상기 양성자의 조 사 방향으로 길게 형성되어 있다. 상기 수용부(21)의 단면, 즉 상기 양성자의 조사 방향에 대해 수직인 평면에 대한 단면은 원형으로 이루어져 있다. 상기 수용부(21)의 단면적은 상기 유입구(22)로부터 상기 배출구(23)쪽으로 갈수록 커지도록 형성되어 있다. 이와 같이 상기 수용부(21)의 단면적의 크기가 변화하도록 형성되어 있으므로, 비록 상기 양성자가 일방향으로 진행함에 따라 그 일방향에 수직인 평면에 대한 단면적이 증가하는 특성을 가지고 있더라도 상기 양성자는 에너지 손실을 최소화하면서 상기 핵반응할 수 있게 된다.
상기 유입구(22) 및 배출구(23)는 상기 수용부(21)의 양측에 각각 형성되어 있다. 상기 양성자는 상기 유입구(22)를 통해서 상기 수용부(21)로 유입되며, 상기 수용부(21)로 유입된 상기 양성자는 상기 배출구(23)를 통해 배출된다.
상기 공간부(24)는 상기 양성자와 N2 기체간의 핵반응시 발생되는 열을 냉각시키기 위해 냉각수가 순환하는 부분이다.
상기 유입유로(25)를 통해서, 상기 냉각수가 상기 공간부로 공급되며, 상기 배출유로(26)를 통해서, 상기 공간부로 공급된 냉각수가 배출된다. 즉, 상기 냉각수는 펌핑장치(미도시)에 의해 상기 유입유로(25)를 통해 유입되어 후술하는 에너지 감쇄기의 공간부(33)를 지나 상기 공간부(24)로 공급되어 순환한 후에 상기 배출유로(26)를 통해 흘러 나가게 되며, 이에 따라 상기 핵반응시 가열된 N2 기체가 냉각되게 된다.
상기 에너지 감쇄기(30)는 상기 가스 표적장치의 유입구(22)와 플랜지부재 (10) 사이에 설치되어 있다. 상기 플랜지부재(10) 및 가스 표적장치의 유입구(22)에는 각각 공지의 오링(O-ring)(미도시)이 설치되어 있으므로, 상기 에너지 감쇄기(30)는 상기 가스 표적장치의 유입구(22) 및 플랜지부재(10)와 밀폐된 상태로 결합된다. 상기 양성자는 사이클로트론 등과 같은 입자가속장비로부터 발생되며, 그 발생된 양성자는 일반적으로 고에너지를 가지고 있어서, N2 기체와 핵반응을 잘 하지 못하게 된다. 따라서 상기 에너지 감쇄기(30)는 상기 양성자가 N2 기체와 효율적으로 핵반응할 수 있을 정도로 그 양성자의 에너지를 감쇄시키는 역할을 한다.
상기 에너지 감쇄기(30)는 전면판(31) 및 후면판(32)과, 공간부(33)와, 유입구(34) 및 배출구(35)를 구비한다. 상기 전면판(31) 및 후면판(32)은 상호 대향되게 배치되어 있으며, 각각 알루미늄 등과 같은 금속으로 이루어져 있다. 상기 공간부(33)는 상기 전면판(31)과 후면판(32) 사이에 형성되어 있으며, 그 공간부(33)에서는 냉각수가 유동 가능하며, 그 냉각수는 상기 양성자의 조사시 발생되는 열을 냉각한다. 상기 유입구(34)는 상기 유입유로(25)와 연결되어 있으므로, 상기 유입유로(25)로 유입된 냉각수는 상기 유입구(34)를 통해서 상기 공간부(33)로 유입되며, 그 유입된 냉각수는 상기 배출구(35)를 통해서 배출된다. 또한, 상기 배출구(35)는 상기 공간부(24)로 통하여 있으므로, 상기 배출구(35)를 통해서 배출된 냉각수는 상기 공간부(24)로 공급되게 된다. 상기 전면판(31) 및 후면판(32)의 두께 및 상기 공간부(33)의 폭을 조절함으로써, 상기 양성자의 에너지의 감쇄 정도를 결정할 수 있게 된다.
양성자와 N2 기체간의 핵반응에 있어서 그 효율이 가장 좋은 양성자의 에너지 범위는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 대략 7MeV부근이며, 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응에 있어서 그 효율이 가장 좋은 양성자의 에너지 범위는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 대략 5MeV부근이다. 그런데, 양성자는 N2 기체를 통과하면서 그 에너지가 줄어들게 되므로, 만약 에너지 감쇄기를 통과한 양성자가 7MeV부근의 에너지를 가지게 되면, 그 양성자와 N2 기체간에는 핵반응이 잘 일어나게 되지만, 그 양성자는 N2 기체를 통과하면서 5MeV 이하의 에너지를 가지도록 감쇄되어 H2 18O 농축물과 핵반응을 잘 하지 못하게 된다. 따라서, 11C의 생산성은 높일 수 있는 반면 18F의 생산성은 매우 떨어지게 된다. 이와 같이 11C의 생산성과 18F의 생산성을 동시에 최대로 할 수는 없기 때문에, 11C의 생산성과 18F의 생산성을 적절히 보장할 수 있도록 조사되는 양전자의 에너지 준위를 최적화해야 한다.
이러한 관점에서 N2 기체와 핵반응하는 양성자의 에너지 대역을 13MeV 부근으로 설정하고 H2 18O 농축물과 핵반응하는 양성자의 에너지 대역을 7MeV 부근으로 설정하여, 이러한 에너지 대역을 활용하게 되면 11C의 생산성과 18F의 생산성을 최적화할 수 있게 된다. 그리고, 상기 에너지 대역을 활용하여 11C 및 18F을 생산하기 위해서는 상기 가스 표적장치(20)가 상기 농축물 표적장치(40)보다 양성자의 조사경로상에서 더 먼저 배치되어야 한다.
상기 농축물 표적장치(40)는 상기 가스 표적장치(20)에 결합되어 있다. 상기 농축물 표적장치(40)는, 상기 가스 표적장치(20)의 N2 기체를 통과한 양성자가 상기 농축물 표적장치(40)에 수용된 H2 18O 농축물과 핵반응하여 18F을 생산하기 위해 마련되어 있다.
상기 농축물 표적장치(40)는 캐비티부재(50)와, 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)과, 전면 보강부재(60) 및 후면 보강부재(70)와, 냉각부재(80)를 구비한다.
상기 캐비티부재(50)는 티타늄(Ti) 등과 같은 금속으로 이루어져 있다. 상기 캐비티부재(50)에는 상기 H2 18O 농축물이 수용되는 캐비티(51)가 형성되어 있으며, 그 캐비티(51)의 전방 및 후방은 개방되어 있다. 상기 H2 18O 농축물은 H2 18O이 95%이상 농축되어 있는 H2O을 말한다.
상기 가스 표적장치(20)를 통과한 양성자는 상기 캐비티(51)쪽으로 조사되며, 조사된 상기 양성자는 그 에너지가 상기 캐비티(51)에 수용된 H2 18O 농축물에 모두 흡수되도록 되어 있다.
상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)은 상기 캐비티(51)의 전방 및 후방을 각각 막도록 배치되어 있다. 상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)에 의해 상기 캐비티(51)에 충전되는 H2 18O 농축물은 외부로 흘러내리지 않고 상기 캐비티(51)에 수용된 상태를 유지하게 된다. 상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)은 티타늄(Ti) 등과 같은 금속으로 이루어져 있으며, 그 두께는 일반적으로 수십㎛이다.
상기 전면 보강부재(60) 및 후면 보강부재(70)는 상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)을 각각 지지하도록 상기 캐비티부재(50)에 결합되어 있으며, 이에 따라 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 전면 보강부재(60)와 캐비티부재(70) 사이에는 전면 박막(61)이 배치되어 있으며, 상기 후면 보강부재(70)와 캐비티부재(50) 사이에는 후면 박막(71)이 배치되어 있다. 그리고, 상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)은 폴리에틸렌 등과 같은 실링부재(미도시)에 의해 밀폐된 상태로 결합된다. 상기 전면 보강부재(60) 및 후면 보강부재(70)는 상기 양성자의 조사 경로 상에 배치되어 있다. 상기 전면 보강부재(60) 및 후면 보강부재(70)는 알루미늄(Al) 등과 같은 금속으로 이루어져 있다.
상기 전면 보강부재(60) 및 후면 보강부재(70)는, 상기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응시 상기 캐비티(51) 내에서의 압력 상승으로 인해 상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)이 각각 부풀어 오르는 것을 방지한다. 즉, 상기 핵반응시발생되는 열에 의해 상기 H2 18O 농축물은 상변화하게 되어 그 일부가 H2 18O 수증기로 변하게 되고, 그 H2 18O 수증기에 의한 압력 상승에 의하여 상기 전면 박막(61) 및 후면 박막(71)이 각각 서로 반대방향으로 부풀어 오르는 것이 방지된다.
상기 전면 보강부재(60)에는 상기 양성자의 조사방향으로 그 전면 보강부재(60)를 관통하는 관통공(62)이 복수 형성되어 있다. 그리고, 상기 전면 보강부재(60) 중 상기 캐비티(51)의 전방 개구부에 대응되는 부분에 형성된 관통공들의 총면적은, 상기 캐비티(51)의 전방 개구부의 총면적의 80% 이상이 되도록 되어 있다. 상기 양성자는 전면 격자부분(63), 즉 상기 전면 보강부재(60) 중 상기 관통공(62)들이 형성되어 있지 않으며 상기 관통공(62)들 사이에 있는 부분을 통과하지 못하므로, 상기 전면 격자부분(63)을 통과하지 못하는 양성자는 에너지 손실로 나타나게 된다. 따라서, 상기 관통공(62)들의 총면적이 상기 캐비티(51)의 전방 개구부의 총면적의 80% 미만이 되도록 하는 것은, 상기 양성자의 에너지 손실을 과다하게 발생시켜 상기 18F의 생산 효율을 떨어뜨리기 때문에 바람직하지 않다.
상기 후면 보강부재(70)에는 상기 양성자의 조사방향으로 그 후면 보강부재(70)를 관통하는 관통공(72)이 복수 형성되어 있다. 후면 격자부분(73), 즉 상기 후면 보강부재(70) 중 상기 관통공(72)들이 형성되어 있지 않으며 상기 관통공(72)들 사이에 있는 부분은, 방열면적을 증대시킬 뿐만 아니라 후술하는 냉각부재(80)의 공간부(81)에서 강제 순환하는 냉각수에 와류를 형성시켜 상기 핵반응시 발생되는 열을 더 효율적으로 방출시키기 위해 형성되어 있다.
상기 냉각부재(80)는 상기 후면 보강부재(70)에 결합된다. 상기 냉각부재(80)에는, 상기 핵반응시 발생되는 열을 냉각시키기 위해서, 충돌제트에 의하여 냉 각수가 강제 대류되는 공간부(81)가 형성되어 있다. 상기 냉각수는 별도의 펌핑장치(미도시)에 의해 도 3에 화살표로 지시된 바와 같이 유입유로를(82) 통해 상기 공간부(81)로 유입되며 유입된 냉각수는 배출유로(83)를 통해 상기 공간부(81)로부터 배출된다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 복합 표적유니트(100)를 사용하여 11C 및 18F을 동시에 생산하는 과정의 일례를 설명하기로 한다.
먼저, 농축물 표적장치(40)의 캐비티(51)에 H2 18O 농축물을 충전시키고, 가스 표적장치(20)의 수용부(21)에는 N2 기체를 충전시킨다.
다음으로, 농축물 표적장치(40)의 냉각부재(80)의 공간부(81)에 냉각수를 순환시키고, 가스 표적장치(20)의 공간부(24)에도 냉각수를 순환시킨다. 이와 같이 냉각수를 순환시키는 것은 양성자와 N2 기체간의 핵반응 및 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응시 발생되는 열을 냉각시키기 위함이다.
그 후에, 에너지 손실 프로그램으로서 일반적으로 사용되는 SRIM 2003을 활용하여, N2 기체와는 13MeV 부근의 에너지를 가진 상태로 핵반응하고 H2 18O 농축물과는 7MeV 부근의 에너지를 가진 상태로 핵반응하여 11C 및 18F를 최적화하여 생산할 수 있는 양전자의 에너지를 계산한다.
먼저, 상기 에너지 계산단계에서 그 에너지 계산에 영향을 미치는 매개변수 를 아래와 같이 설정한다.
에너지 감쇄기(30)를 구성하는 전면판(31) 및 후면판(32)이 밀도가 2.698g/㎤인 알루미늄으로 이루어지고 그 두께가 각각 0.75mm가 되도록 구성하고, 전면판 및 후면판 사이의 공간부(33)의 깊이를 3.5mm로 설정하고 그 공간부(33) 전체에 냉각수가 유동하도록 설정하였다. 또한, 가스 표적장치(20)의 수용부(21)의 길이를 100mm로 구성하고, 농축물 표적장치(40)의 전면 박막(61)이 밀도가 4.519g/㎤인 티타늄으로 이루어지고 그 두께가 0.05mm가 되도록 구성하였다. 그리고, 에너지 감쇄기의 공간부(33)에는 밀도가 1g/㎤ 인 냉각수를 충전하고, 가스 표적장치의 수용부(21)에는 압력이 12bar(0.015g/㎤)인 N2 기체를 충전한다.
다음으로, 사이클로트론으로부터 28MeV, 30MeV, 32MeV 및 35MeV의 에너지를 가지는 양성자를 각각 상술한 매개변수를 가지는 복합 표적유니트(100)에 조사하는 경우를 가정한다. 그리고, 상기 에너지를 가지는 양성자가 가스 표적장치(20)와 농축물 표적장치(40)를 순차적으로 통과하여 N2 기체 및 H2 18O 농축물에 조사되는 시점에서 있어서의 에너지 수치를 SRIM 2003 프로그램을 활용하여 계산하였고, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 28MeV의 에너지를 가지는 양성자를 조사한 경우
부재 명칭 치수(mm) 밀도(g/㎤) 입사에너지(MeV) 통과후 에너지(MeV)
전면판 0.75 두께 2.698 28 24.785
공간부 3.5 깊이 1 24.785 15.528
후면판 0.75 두께 2.698 15.528 9.779
수용부 100 길이 0.015(압력 : 15bar) 9.779 0
전면 박막 0.05 두께 4.519 - -
상기 표에 나타나 있는 바와 같이, 28MeV의 양성자를 조사하게 되면, 그 양성자는 에너지 감쇄기의 전면판(31), 공간부(33) 및 후면판(32)을 순차적으로 통과하면서 각각 24.785MeV, 15.528MeV, 9.779MeV의 에너지를 가지도록 감쇄된다. 따라서, 가스 표적장치의 수용부(21)에는 9.779MeV의 에너지를 가지는 양성자가 입사되게 되며, 이에 따라 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C가 생산되게 된다.
한편, 상기 표에 나타나 있는 바와 같이 양성자는 N2 기체에 모두 흡수되어 농축물 표적장치로 조사될 수 없게 되므로, 결국 18F를 생산할 수 없게 된다.
(2) 30MeV의 에너지를 가지는 양성자를 조사한 경우
부재 명칭 치수(mm) 밀도(g/㎤) 입사에너지(MeV) 통과후 에너지(MeV)
전면판 0.75 두께 2.698 30 26.962
공간부 3.5 깊이 1 26.962 18.593
후면판 0.75 두께 2.698 18.593 13.877
수용부 100 길이 0.015(압력 : 15bar) 13.877 8.328
전면 박막 0.05 두께 4.519 8.328 7.535
상기 표에 나타나 있는 바와 같이, 30MeV의 양성자를 조사하게 되면, 그 양성자의 에너지는 13.877MeV의 에너지로 감쇄되어 가스 표적장치의 수용부(21)에 입사되며, 이에 따라 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C가 생산되게 된다.
게다가, 28MeV의 에너지를 조사한 경우와는 달리, N2 기체를 통과한 양성자는 8.328MeV의 에너지를 가지게 되며, 이 양성자는 농축물 표적장치(40)의 전면 박막(61)을 통과하여 7.535MeV의 에너지를 가진 상태로 캐비티(51)에 수용되어 있는 H2 18O 농축물로 조사되게 된다. 따라서, 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응이 발생되게 되며, 이에 따라 18F를 생산할 수 있게 된다.
(3) 32MeV의 에너지를 가지는 양성자를 조사한 경우
부재 명칭 치수(mm) 밀도(g/㎤) 입사에너지(MeV) 통과후 에너지(MeV)
전면판 0.75 두께 2.698 32 29.130
공간부 3.5 깊이 1 29.130 21.450
후면판 0.75 두께 2.698 21.450 17.343
수용부 100 길이 0.015(압력 : 15bar) 17.343 13.042
전면 박막 0.05 두께 4.519 13.042 12.488
상기 표에 나타나 있는 바와 같이, 32MeV의 양성자를 조사하게 되면, 그 양성자는 순차적으로 감쇄되어, 가스 표적장치(20)에 수용된 N2 기체에는 17.343MeV로, 농축물 표적장치(40)에 수용된 H2 18O 농축물에는 12.488MeV로 조사되게 된다. 그런데, N2 기체 및 H2 18O 농축물에 각각 조사되는 양성자의 에너지는 각각 17.343MeV 및 12.488MeV으로서, 이는 앞서 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한 바와 같이 11C 및 18F를 최적화해서 가장 효율적으로 생산할 수 있는 에너지 범위를 벗어나는 것으로서 바람직하지 않다.
(4) 35MeV의 에너지를 가지는 양성자를 조사한 경우
부재 명칭 치수(mm) 밀도(g/㎤) 입사에너지(MeV) 통과후 에너지(MeV)
전면판 0.75 두께 2.698 35 32.345
공간부 3.5 깊이 1 32.345 25.454
후면판 0.75 두께 2.698 25.454 21.946
수용부 100 길이 0.015(압력 : 15bar) 21.946 18.522
전면 박막 0.05 두께 4.519 18.522 18.101
상기 표에 나타나 있는 바와 같이, 35MeV의 양성자를 조사하게 되면, 그 양성자는 순차적으로 감쇄되어, 가스 표적장치(20)에 수용된 N2 기체에는 21.946MeV로, 농축물 표적장치(40)에 수용된 H2 18O 농축물에는 18.101MeV로 조사되게 된다. 그런데, N2 기체 및 H2 18O 농축물에 각각 조사되는 양성자의 에너지는 각각 21.946MeV 및 18.101MeV으로서, 이는 앞서 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한 바와 같이 11C 및 18F를 최적화해서 가장 효율적으로 생산할 수 있는 에너지 범위를 벗어나는 것으로서 바람직하지 않다.
상술한 결과를 종합해 보면, 30MeV의 에너지를 가지는 양성자를 조사한 경우에 있어서만, N2 기체에 조사되는 양전자를 13MeV 부근의 에너지를 가지도록 설정할 수 있게 되며 H2 18O 농축물에 조사되는 양전자를 7MeV 부근의 에너지를 가지도록 설정할 수 있게 되며, 그에 따라 11C 및 18F를 가장 효율적으로 생산할 수 있게 된다. 그리고, 30MeV 부근에서 11C 및 18F를 최적으로 생산할 수 있는 양성자의 에너지 범위를 동일한 방식으로 계산해보면, 29.5MeV 내지 30.5MeV임을 알 수 있다.
따라서, 양성자는 29.5MeV 내지 30.5MeV의 에너지를 가지도록 설정되어야 한다. 만약 사이클로트론 등과 같은 입자가속장비로부터 조사되는 양성자가 29.5MeV 미만의 에너지를 가지게 되면, 그 양성자는 에너지 감쇄기(30)를 통과한 후에 가스 표적장치(20)에 수용된 N2 기체에 모두 흡수될 뿐 농축물 표적장치에 수용된 H2 18O 농축물에까지 조사되지 못하게 되며, 이에 따라 11C 및 18F를 동시에 생산할 수 없게 된다. 한편, 만약 사이클로트론 등과 같은 입자가속장비로부터 조사되는 양성자가 30.5MeV 보다 큰 에너지를 가지게 되면, N2기체 및 H2 18O 농축물에 조사되는 양전자의 에너지가 과도하게 높아지게 되어 11C 및 18F를 최적으로 생산할 수 없게 되어 바람직하지 않다.
상술한 바와 같이 에너지 계산단계에서 얻어진 결과를 토대로, 29.5MeV 내지 30.5MeV의 에너지를 가지는 양성자를 복합 표적유니트(100)로 조사시키면, 그 양성자는 순차적으로 상기 N2 기체 및 H2 18O 농축물과 핵반응하여, 결국 11C 및 18F를 동 시에 생산되게 된다.
한편, 상술한 바와 같이 11C 및 18F를 동시에 생산 가능한 점을 확인하기 위해서 다음과 같은 실험을 수행하였다.
에너지 감쇄기를 구성하는 전면판(31) 및 후면판(32)을 밀도가 2.698g/㎤인 알루미늄으로 제조하고 그 두께가 각각 0.75mm가 되도록 구성하고, 전면판 및 후면판 사이의 공간부(33)의 깊이를 3.5mm로 설정하고 그 공간부(33) 전체에 냉각수가 유동하도록 설정하였다. 또한, 가스 표적장치(20)의 수용부(21)의 길이를 100mm로 구성하고, 농축물 표적장치(40)의 전면 박막(61)을 밀도가 4.519g/㎤인 티타늄으로 제조하고 그 두께가 0.05mm가 되도록 구성하였다. 그리고, 에너지 감쇄기의 공간부(33)에는 밀도가 1g/㎤ 인 냉각수를 충전하고, 가스 표적장치의 수용부(21)에는 압력이 12.8bar인 N2 기체를 충전하며, 농축물 표적장치의 캐비티(51)에는 H2 18O 농축물을 충전하였다.
그리고, 양성자 빔의 에너지를 30MeV로 설정하고, 그 양성자 빔의 전류를 5μA로부터 20μA까지 상승시켜 20μA를 유지한 상태에서 양성자 빔을 1시간동안 조사하였다. 이와 같이 양성자 빔을 조사하게 되면, 11C 및 18F을 각각 300 mCi 및 585 mCi만큼 생산할 수 있게 된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 11C 및 18F를 동시에 생산할 수 있는 양성자를 조사하여, 그 양성자가 순차적으로 상기 N2 기체 및 H2 18O 농축물과 핵반응하게 함으로써 11C 및 18F를 동시에 생산할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 일방향으로 조사되는 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C을 생산함과 동시에 상기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응에 의해 18F을 생산하기 위한 복합 표적유니트에 있어서,
    상기 N2 기체가 수용되며 상기 양성자의 조사 경로상에 배치되는 수용부와,
    상기 수용부로의 상기 양성자의 유입 및 상기 수용부내의 양성자의 배출을 위해 상기 수용부의 양측에 각각 형성되어 있는 유입구 및 배출구를 가지는 가스 표적장치; 및
    상기 H2 18O 농축물이 수용되며 상기 가스 표적장치의 배출구를 통과한 양성자의 조사 경로상에 배치되는 캐비티를 가지는 캐비티부재를 포함하며, 상기 가스 표적장치에 결합되는 농축물 표적장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 표적유니트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 표적장치의 수용부는 상기 양성자의 조사 방향으로 길게 형성되어 있으며,
    상기 수용부의 상기 양성자의 조사 방향에 대해 수직인 평면에 대한 단면은, 그 단면적이 상기 유입구로부터 상기 배출구쪽으로 갈수록 커지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 표적유니트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 표적장치의 유입구에는 그 유입구로 유입되는 양성자의 에너지를 감쇄시키기 위한 에너지 감쇄기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 표적유니트.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 에너지 감쇄기는, 상호 대향되게 배치되어 있으며 그 사이에 냉각수가 유동하는 공간부를 형성하는 전면판 및 후면판을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 표적유니트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 캐비티부재의 캐비티는 전방 및 후방으로 개방되어 있으며,
    상기 농축물 표적장치는,
    상기 캐비티의 전방 및 후방을 막도록 배치되어 있는 전면 박막 및 후면 박막과,
    상기 핵반응시 상기 캐비티 내에서의 압력 상승으로 인해 상기 박막들이 부 풀어 오르는 것을 방지하기 위해 상기 전면 박막 및 후면 박막을 각각 지지하도록 상기 캐비티부재에 결합되며, 상기 양성자의 조사 경로 상에 배치되는 전면 보강부재 및 후면 보강부재를 구비하며,
    상기 전면 보강부재에는 상기 양성자의 조사방향으로 그 전면 보강부재를 관통하는 관통공이 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 표적유니트.
  6. 일방향으로 조사되는 양성자와 N2 기체간의 핵반응에 의해 11C을 생산함과 동시에 상기 양성자와 H2 18O 농축물간의 핵반응에 의해 18F을 생산하기 위한 복합 생산 방법에 있어서,
    상기 N2 기체가 수용되는 수용부를 가지는 가스 표적장치와, 상기 H2 18O 농축물이 수용되는 캐비티를 가지는 농축물 표적장치를 상기 양성자의 조사 경로상에 순차적으로 배열하는 배열단계;
    상기 가스 표적장치의 수용부에 상기 N2 기체를 충전하며, 상기 농축물 표적장치의 캐비티에 상기 H2 18O 농축물을 충전하는 충전단계;
    11C 및 18F를 동시에 생산할 수 있는 양성자의 에너지를 계산하는 에너지 계산단계; 및
    상기 에너지 계산단계에서 계산된 에너지를 가지는 양성자를 상기 가스 표적장치와 농축물 표적장치로 조사하여, 상기 양성자가 순차적으로 상기 N2 기체 및 H2 18O 농축물과 핵반응하여 11C 및 18F를 동시에 생산하는 생산단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 생산방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가스 표적장치에는 상기 N2 기체로 유입되는 양성자의 에너지를 감쇄하기 위한 에너지 감쇄기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 생산방법.
  8. 제 6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 에너지 계산단계에서 계산된 양성자의 에너지는 29.5MeV 내지 30.5MeV인 것을 특징으로 하는 복합 생산방법.
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