Heavy Ion Facility, Present and Future

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1 Heavy Ion Facility, Present and Future
성균관대학교 채 종 서

2 Status of Ion Beam Facility in Korea
Future of Ion Beam Facility in Korea

3 중이온 가속기란?

4 중이온 가속기의 응용

5 1. 포항가속기(Pohang Accelerator Lab.:PAL)
    2.5 GeV Linac, Storage Ring  Light Source 2. 원자력의학원(KIRAMS)    50 MeV cyclotron , 30 MeV cyclotron , 13 MeV cyclotron    Nuclear Science research, RI productions   3. 한국지질자원연구소(KIGAM)    2 MeV Van de Graaf   Element Analysis 4. 서울대학교 공동기기원 질량분석가속기(AMS)    2.5 MeV High Voltage Acclerator Accelrator Mass Spectroscopy 5. 양성자가속기 (KAERI / PEFP)    20 MeV  Linac 6. KAERI / RSRI    30 MeV  cyclotron 7. 국립암센터(National Cancer Center)    235 MeV cyclotron

6 필요성 - 가속기는 인류의 가장 큰 지식인 우주의 비밀과 생명의 구조를 풀 수 있는 열쇠
  - 가속기는 인류의 가장 큰 지식인 우주의 비밀과 생명의 구조를 풀 수  있는 열쇠   - 우리나라는 가속기 장치 및 연구의 부재로 최근 10 년간 관련 과학자  공동화 - 기초지식은 응용지식을 파생하고 응용지식은 산업을 창출하므로 국민 소득 3 만 불 시대에 혁신 산업을 위하여 지식 과학자 양성과 장치의 건설을 더 이상 늦출 수 없음   - 중이온 가속기는 가장 지식을 산업화 할 수 있는 인프라 임

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8 1. 중이온(탄소)치료 예상 치료 환자 수 1200 명 /년 예상 수입 : 20,000 천원 * 1200 명 = 24,000,000 천원 /년 파급효과 : 재발 암 환자, 간암, 폐암 등 수술이 어려운 환자 등 기존의 방법으로 치료 어려운 환자 적용 가능

9 Cancer Treatment Surgical operation
Anti-cancer medicine ; chemotherapy immunotherapy Radiotherpy X-ray, ɣ-ray, electron Fast Neutron, Proton, (R. Wilson ) Heavy Ion ; He4, C12, Ne20, Si28, Ar40 electron He Ar Si Ne C Neutron Protin Particle Size 음이온중간자 X선 감마선 electron

10 중입자선 치료의 특색 -생물효과 (산소효과)OER 산소 증감비 (OER: Oxygen enhancement ratio)
생물효과(RBE) 질량이 큰 중입자는 전하도 크고 조직에 부여하는 에너지도 많다. 각종 방사선의 생물학적 효과(RBE) 각종 방사선의 산소 증감비(OER) 감마선 양성자 헬륨 클수록 좋음 음이온 중간자 탄소 속중성자 네온 실리콘 작을수록 좋음 아르곤 (높은 생물 효과비, RBE)방사선 손상을 받은 세포의 회복을 방해한다.

11 Features of Carbon Therapy
Excellent dose localization No serious side effects Small numbers of fractional treatments required (typically one day treatment of lung cancers) Effective for radiation resistive tumors such as born and soft tissue cancer, malignant melanoma, etc.

12 Reduction of size/cost of facility
Number of Japanese patients of cancer is estimated to be about 890,000 in 2015. Particle therapy should be applied to about 60,000 (6.5%) cancer patients. At most, only 1,000 patients can be treated per year at one particle therapy facility. More than 60 facilities will be required in 2015 in Japan. Reduction of size and cost of therapy facility is desired to meet these requirements

13 Cancers treated with HIMAC
June 1994～ Mar. 2004， 1,791 Patients Head & Neck Others Eye Rectum Uterus Prostate Born/ST Pancreas Liver Lung Esophagus Lachrymals Brain Head/ Neck Esophagus Lung Liver This transparency shows sites of cancers mainly treated with HIMAC. Total number of treated patients exceeds 1,000 in this summer. But this graph is for the end of February. Total of 136 cancers are in Head and neck area, 131 are in lung, 96 are in liver, another 96 are in prostate, 64 are in bone and soft tissue and 44 are in uterus. Pancreas Rectum Born / Soft Tissue Uterus Prostate

14 Track of carbon beam in a scintillator block
This photograph indicates the track of carbon beam passing through a scintillator block. A track of each ion looks almost a line. The situation is completely different from protons or pions. The excellent doze localization both in transverse and longitudinal directions is very much effective in deeply seated cancer treatments.

15 Comparison of beam boundary
In the transverse direction, effects of multiple scattering are relatively small for heavy ions comparing with protons or pions. 5 10 15 Depth in water (cm)

16 Examples of treatments at HIMAC
Liver cancer Born and Soft tissue Rectal cancer (recurred after surgery) Malignant melanoma of tongue

17 2. 이온빔 기술을 이용한 에너지 환경분야 PIXE/PIGE를 이용한 대량신속 분석법이용 황사현상뿐 아니라 일반적으로 공해배출로 인한 오염을 감시자로부품(연료봉피복재료 등)의 이온주입에 의한 내마모성 및 내식성 향상기술 개발 • 이온주입에 의한 광전지, 태양전지의 에너지 저장효율 향상기술 개발 • 이온주입에 의한 유리 코팅 기술 개발 (단열효과로 에너지 절약) • 예상 파급 경제 효과 : 2 조원

18 3. 이온빔 소재 분야 이온주입에 의한 스테인레스 및 금속재료의 세라믹코팅 기술 개발
이온주입에 의한 구리합금의 스테인레스화 기술 개발

19 4. 기계 분야 • 절삭공구의 이온빔 코팅에 의한 내마모성 향상 기술 개발
  4. 기계 분야 • 절삭공구의 이온빔 코팅에 의한 내마모성 향상 기술 개발 • 기계부품(금형, 캠, 기어 등)의 이온빔 질화에 의한 내마모성 향상기술 개발 • 각종 산업기계 (냉동기용 피스톤, 사출성형용 스크류, 터빈블레이드 등)의 이온주입에 의한 내마모 및 내식성 향상기술 개발 • 플라스틱 금형 및 정밀금형(렌즈, IC몰드 등)의 이온주입에 의한 내마모성 향상기술 개발

20 자동차부품(피스톤링 등)의 이온주입에 의한 내마모성 향상기술 개발
자동차용 유리의 이온주입에 의한 적외선 차단기술 개발 항공기 및 로케트부품(기어 등)의 이온주입에 의한 내식, 내열, 내마모성 향상기술 개발

21 5. 전기 전자부품 반도체 분야 이온빔 도핑에 의한 반도체 디바이스, LSI, 액정판넬 제조기술 개발
이온빔 도핑에 의한 고성능 자성박막제조기술 개발 전자제품용 정밀구동부품(VTR 드럼 등)의 이온주입에 의한 내마모성 향상기술 개발

22 이온주입에 의한 flexible 기판의 밀착성 향상기술 개발
이온주입에 의한 액정용 유리의 보호막 제조기술 개발 이온주입에 의한 스피커진동판의 고음역 주파수특성 개선기술 개발 이온빔에 의한 조명용 반사경의 반사율 향상기술 개발 광학 응용분야로는 광학 박막기술 분야로 기존의 증착기와 이온원을 장착하여 무반사 코팅, 컬러 필터, 간섭 필터 등의 제품을 생산하는 분야.

23 6. 재료 및 신소재 개발 연구 결정 결함, 마모 및 비파괴 검사, 원자로 재료개발
합금 신소재 개발, 이온주입, 이온빔가공 (lithography), 이온빔 증착(IBAD), 이온빔 스퍼터링, 기계․금속, 폴리머 재료에 붕소, 질소, 탄소, 티타늄 등의 조사를 통한 고경도 표면층을 형성함으로서 재료의 내마모성, 마찰저항 감소, 내 부식, 산화 방지 및  피로수명 향상 등. 예상 파급 경제 효과 :  5 조원

24 7. 이온빔 화학 고분자 세라믹 분야 이온빔에 의한 고해상도의 flexible 기판제조기술 개발
이온빔에 의한 가정용 디지털 VTR용 DLC 증착테이프 제조기술 개발 이온빔에 의한 포장필름의 전기전도성 향상기술 개발

25 7 - 10. 물리분야 핵반응을 통한 기초물질의 현상연구 원자 및 핵과학 연구
  원자 및 핵과학 연구   순수 방사성 동위원소의 이온 주입에 의한 물성 연구 핵합성과 물질 조성의 기원에 관한 천체 물리학 연구 레이저 냉각과 이온 trap을 이용한 질량모멘트의 정밀측정 지구과학 (기후학, 우주화학, 빙하학, 수문학, 해양학, 퇴적학, 화산학  및 광물탐사),

26 11. 중성자 파쇄를 이용한 신 원자력에너지 개발 12. uSR 이용 빔 시설     13. 우주항공산업: single-event upset, 우주항공 소자의 방사성 손상 14. 가속기 자체 파생기술

27 자기장 전자석               초전도 전자석기술 이온원 및 진공장치                  고진공 장치 기술,                                      저전류 고효율 플라즈마 기술 고주파공동공진기                    초전도 고주파 공진 기술 빔인출장치,                          고전압기술, 정밀제어기술 빔진단장치                           전자기 계측 기술,                                      고감도 및 원격 센서 기술 빔수송장치                           빔광학기술 RF 증폭 및 신호처리장치            초고주파 증폭 및 장비 기술 산업 대전류 고정밀 DC전원공급장치        초정밀 대전류 DC전원 장치기술 통합 컴퓨터 제어 및 S/W            임베디드 제어 기술 개발 고속 데이터 전송                    대량 데이터 처리 S/W 기술 통신기술                            대전력 디지털통신 고속신호 변환 및 처리기             고속 데이터 및 신호처리 기술                                           전기자기장 잡음 저감 기술 선형가속기                          초소형 선형가속기 기술 X-band modulator                   초소형 X-band 급 고주파 기술 로봇 암                              로봇 기술 레이저 추적장치                     레이저 광학 기술, 레이저 추적 기술                                     초고속 신호 전송 및 변환기술

28 - 에너지 : 핵자당 2억2천만 전자볼트 (우라늄의 경우) - 규모 : 400 미터 x 400 미터
□ 성능 및 규모   - 에너지 : 핵자당 2억2천만 전자볼트 (우라늄의 경우)   - 규모 : 400 미터 x 400 미터   - 성능 : 세계 최고의 이온빔 전류 (U ; 2 eμA)            세계 최고의 정밀 중이온 암치료 빔 에미턴스 (0.5 mmmπrad)            세계 최고의 방사성 핵종 빔 생산            세계 5대 μSR 시설 및 물성연구시설 □ 주요시설   - 빔가속장치 : 선형가속기 및 부스터 싱크로트론, 초전도 선형가속기   - 중이온 치료장치, 방사성 핵종 빔 생산장치   - 빔라인 : 12 개의 방사성 빔 및 중이온 실험 시설 □ 기대효과   - 중이온 이용 암치료 (무통, 무혈, 난치성 암치료)   - 방사성이온빔 이용 신물질 개발, 물성/천체/핵물리 등 기초과학연구   - 방사선, 원자력, 신소재, 물질 정밀 분석 산업 응용 □ 설치계획   년 전반기 설계,  2009년 후반기 착공, - 2012년 1단계완공/시운전