10 MeV 사이클로트론은 양전자 방출 단층 촬영에서 18F 방사성 동위원소 생산을 위해 수직 반파장 (λ⁄2) 고주파 가속관을 기반으로 개발되었다. 개발된 사이클로트론의 크기는 의료 분야에 용이하게 사용하도록 직경과 높이가 1500 mm 미만으로 제한되었으며, 사이클로트론의 전기장은 수직 대칭 및 사이클로트론 반경에서의 균일성을 확보하기 위해서 λ⁄2 고주파 가속관이 적용되었다. 수직 λ⁄2 고주파 가속관은 Q_0을 최대화하는 것을 목표로 고주파 소비 전력을 감소시키도록 설계되었으며, 설계 ...
10 MeV 사이클로트론은 양전자 방출 단층 촬영에서 18F 방사성 동위원소 생산을 위해 수직 반파장 (λ⁄2) 고주파 가속관을 기반으로 개발되었다. 개발된 사이클로트론의 크기는 의료 분야에 용이하게 사용하도록 직경과 높이가 1500 mm 미만으로 제한되었으며, 사이클로트론의 전기장은 수직 대칭 및 사이클로트론 반경에서의 균일성을 확보하기 위해서 λ⁄2 고주파 가속관이 적용되었다. 수직 λ⁄2 고주파 가속관은 Q_0을 최대화하는 것을 목표로 고주파 소비 전력을 감소시키도록 설계되었으며, 설계 파라미터는 자기장의 제한을 고려하여 선정하였다. 사이클로트론 전자석의 중심에서 등시성 자기장은 13.7 kG로 전산모사를 통해 계산하였으며, 평균 자기장은 평형궤도가 형성되도록 분포되었다. 고주파 가속관에서 계산된 f_rf, Q_0, β_rf, 및 V_Dee는 고주파 소비 전력 12.4 kW에서 각각 83.2 MHz, 5830, 1.03 그리고 40kV이다. 빔 동역학 분석을 통해 턴당 최대 에너지 이득은 153 keV에 도달했으며, 최대 에너지 반경에서 턴당 최소 거리는 2.5 mm로 계산되었다. 최대 에너지 반경에서 입자 분포에 의한 빔 크기는 2.4 mm×4.9 mm이고, 수평 및 수직 방향 이미턴스는 각각 1.4π mm mrad, 1.3π mm mrad로 계산되었으며, 양성자로 추출된 빔 크기는 진공함 외곽에서 2.7 mm×7.9 mm를 얻었다. 사이클로트론의 전자석, 이온원 그리고 고주파 가속관은 물리 설계를 기반으로 제작되었다. 홀 센서 기반의 자기장 측정 장치를 이용하여 전자석의 자기장을 측정하였으며, 철의 자화곡선을 예측하였다. 자기장 쉬밍 단계를 수행하였으며, 코일 전류 242.2 A에서 전산모사와 자기장 측정 결과의 오차가 0.18%를 갖도록 전자석 쉬밍바 형상을 최적화하였다. 높이가 50 mm 인 이온원의 플라즈마 방전 실험을 수행하여, 수소 가스 방출량 2 sccm에서 방전임피던스 407 Ω의 결과를 획득하였다. 고주파 가속관의 성능 평가는 네트워크 분석기 측정, 저전력 고주파 실험, 임피던스 정합 및 대전력 고주파 실험을 통해 수행되었다. 제작된 고주파 가속관의 공진주파수는 83.2 MHz로 측정되었고, 정밀 튜너에 의해 ±0.5 MHz만큼 조절되었다. 사이클로트론 구동에 따른 특성 임피던스 정합은 50 Ω에 최적화하였으며, 진공과 온도조건을 고려한 공진주파수와 특성 임피던스는 파워 커플러를 통해 최적화되었다. 고주파 컨디셔닝은 반도체 기반 고주파 증폭기를 이용하여 수행되었으며, 12.4 kW의 공진기 소모 전력은 83.2MHz, 반사율 5%에서 측정되었다. 고주파 가속관의 Q_0 값은 고주파 시스템의 구동 중에, 감쇠 시간 방법을 이용하여 5567으로 측정되었다.
10 MeV 사이클로트론은 양전자 방출 단층 촬영에서 18F 방사성 동위원소 생산을 위해 수직 반파장 (λ⁄2) 고주파 가속관을 기반으로 개발되었다. 개발된 사이클로트론의 크기는 의료 분야에 용이하게 사용하도록 직경과 높이가 1500 mm 미만으로 제한되었으며, 사이클로트론의 전기장은 수직 대칭 및 사이클로트론 반경에서의 균일성을 확보하기 위해서 λ⁄2 고주파 가속관이 적용되었다. 수직 λ⁄2 고주파 가속관은 Q_0을 최대화하는 것을 목표로 고주파 소비 전력을 감소시키도록 설계되었으며, 설계 파라미터는 자기장의 제한을 고려하여 선정하였다. 사이클로트론 전자석의 중심에서 등시성 자기장은 13.7 kG로 전산모사를 통해 계산하였으며, 평균 자기장은 평형궤도가 형성되도록 분포되었다. 고주파 가속관에서 계산된 f_rf, Q_0, β_rf, 및 V_Dee는 고주파 소비 전력 12.4 kW에서 각각 83.2 MHz, 5830, 1.03 그리고 40kV이다. 빔 동역학 분석을 통해 턴당 최대 에너지 이득은 153 keV에 도달했으며, 최대 에너지 반경에서 턴당 최소 거리는 2.5 mm로 계산되었다. 최대 에너지 반경에서 입자 분포에 의한 빔 크기는 2.4 mm×4.9 mm이고, 수평 및 수직 방향 이미턴스는 각각 1.4π mm mrad, 1.3π mm mrad로 계산되었으며, 양성자로 추출된 빔 크기는 진공함 외곽에서 2.7 mm×7.9 mm를 얻었다. 사이클로트론의 전자석, 이온원 그리고 고주파 가속관은 물리 설계를 기반으로 제작되었다. 홀 센서 기반의 자기장 측정 장치를 이용하여 전자석의 자기장을 측정하였으며, 철의 자화곡선을 예측하였다. 자기장 쉬밍 단계를 수행하였으며, 코일 전류 242.2 A에서 전산모사와 자기장 측정 결과의 오차가 0.18%를 갖도록 전자석 쉬밍바 형상을 최적화하였다. 높이가 50 mm 인 이온원의 플라즈마 방전 실험을 수행하여, 수소 가스 방출량 2 sccm에서 방전 임피던스 407 Ω의 결과를 획득하였다. 고주파 가속관의 성능 평가는 네트워크 분석기 측정, 저전력 고주파 실험, 임피던스 정합 및 대전력 고주파 실험을 통해 수행되었다. 제작된 고주파 가속관의 공진주파수는 83.2 MHz로 측정되었고, 정밀 튜너에 의해 ±0.5 MHz만큼 조절되었다. 사이클로트론 구동에 따른 특성 임피던스 정합은 50 Ω에 최적화하였으며, 진공과 온도조건을 고려한 공진주파수와 특성 임피던스는 파워 커플러를 통해 최적화되었다. 고주파 컨디셔닝은 반도체 기반 고주파 증폭기를 이용하여 수행되었으며, 12.4 kW의 공진기 소모 전력은 83.2MHz, 반사율 5%에서 측정되었다. 고주파 가속관의 Q_0 값은 고주파 시스템의 구동 중에, 감쇠 시간 방법을 이용하여 5567으로 측정되었다.
A 10 MeV cyclotron was developed based on a half-wavelength (λ⁄2) RF cavity to produce 18F in positron emission tomography. To use the medical application, the size of cyclotron was limited to less than 1500 mm of diameter and height, and the vertical λ⁄2 RF cavity was applied for the symmetric (for...
A 10 MeV cyclotron was developed based on a half-wavelength (λ⁄2) RF cavity to produce 18F in positron emission tomography. To use the medical application, the size of cyclotron was limited to less than 1500 mm of diameter and height, and the vertical λ⁄2 RF cavity was applied for the symmetric (for vertical) and uniformed (for cyclotron radius) electric field. The vertical λ⁄2 RF cavity was designed for maximizing the Q_0 to decrease the RF consumption power, and the design was considered with limitation of the magnetic field. In the simulation, the isochronous B_z (r) at the center was obtained as 13.7 kG, and the average B_z (r) was distributed to generate the equilibrium orbit. The optimum f_rf, Q_0, β_rf, and V_Dee were simulated as 83.2 MHz, 5830, 1.03, and 40 kV at 12.4 kW cavity dissipation power, respectively. In beam dynamics, the maximum energy gain was reached as 153 keV, and the turn separation distance was 2.5 mm at the extraction radius. The beam spot size (2.4 mm×4.9 mm), horizontal (1.4π mm mrad) and vertical beam emittance (1.3π mm mrad) were realized at extraction radius of the cyclotron by particle distributions, and the extracted beam was investigated for the proton with spot size (2.7 mm×7.9 mm) at the exit of the vacuum chamber. The magnet, ion source, and RF cavity were fabricated based on design. The magnetic field was measured with a field mapping system based on a hall sensor, and the BH-curve of pure iron was estimated. The magnet shimming process was performed, and the magnetic field was optimized as error 0.18% between simulation data and measurement value at 242.2 A coil current. The arc discharge experiment was performed by PIG ion source, which had 50 mm of height, and the arc impedance was achieved 407 Ω at 2 sccm of hydrogen gas rate by arc discharge. The experiment of the RF cavity was done by the process of network analyzer test, low power test, impedance matching, and high power test. The f_rf was measured as 83.2 MHz, and the value could be covered ±0.5 MHz by the tuner. The characteristic impedance (Z_0) was achieved 50 Ω, and the f_rf and Z_0 were optimized practically by the power coupler because of vacuum and temperature conditions. The RF conditioning was performed by a solid-state RF amplifier, and the 12.4 kW cavity dissipation power was obtained with a 5% reflection rate at 83.2 MHz. The Q_0 value was measured as 5567 by the decay time method when the RF system was operated.
A 10 MeV cyclotron was developed based on a half-wavelength (λ⁄2) RF cavity to produce 18F in positron emission tomography. To use the medical application, the size of cyclotron was limited to less than 1500 mm of diameter and height, and the vertical λ⁄2 RF cavity was applied for the symmetric (for vertical) and uniformed (for cyclotron radius) electric field. The vertical λ⁄2 RF cavity was designed for maximizing the Q_0 to decrease the RF consumption power, and the design was considered with limitation of the magnetic field. In the simulation, the isochronous B_z (r) at the center was obtained as 13.7 kG, and the average B_z (r) was distributed to generate the equilibrium orbit. The optimum f_rf, Q_0, β_rf, and V_Dee were simulated as 83.2 MHz, 5830, 1.03, and 40 kV at 12.4 kW cavity dissipation power, respectively. In beam dynamics, the maximum energy gain was reached as 153 keV, and the turn separation distance was 2.5 mm at the extraction radius. The beam spot size (2.4 mm×4.9 mm), horizontal (1.4π mm mrad) and vertical beam emittance (1.3π mm mrad) were realized at extraction radius of the cyclotron by particle distributions, and the extracted beam was investigated for the proton with spot size (2.7 mm×7.9 mm) at the exit of the vacuum chamber. The magnet, ion source, and RF cavity were fabricated based on design. The magnetic field was measured with a field mapping system based on a hall sensor, and the BH-curve of pure iron was estimated. The magnet shimming process was performed, and the magnetic field was optimized as error 0.18% between simulation data and measurement value at 242.2 A coil current. The arc discharge experiment was performed by PIG ion source, which had 50 mm of height, and the arc impedance was achieved 407 Ω at 2 sccm of hydrogen gas rate by arc discharge. The experiment of the RF cavity was done by the process of network analyzer test, low power test, impedance matching, and high power test. The f_rf was measured as 83.2 MHz, and the value could be covered ±0.5 MHz by the tuner. The characteristic impedance (Z_0) was achieved 50 Ω, and the f_rf and Z_0 were optimized practically by the power coupler because of vacuum and temperature conditions. The RF conditioning was performed by a solid-state RF amplifier, and the 12.4 kW cavity dissipation power was obtained with a 5% reflection rate at 83.2 MHz. The Q_0 value was measured as 5567 by the decay time method when the RF system was operated.
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