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문제 정의
- 갑상선암과 알츠하이머 환자의 진단에 사용하는 I-123은 몇 년 사이 이런 환자 수가 상당히 늘어나고 있는 이때 I-123의 핵종생산의 필요성은 보다 높아지고 있다. 본 연구는 외산에 의존하고 있는 방사성의약품인 I-123을 생산하는 장치를 국내 기술로 설계 개발하고자 하였다. 기능에 따라 4파트로 나누어진 I-123핵종생산 장치는 각각의 서브 파트들을 설계하였고 일부 완성된 장치는 성능 테스트를 하였다.
제안 방법
- 콜리메이터는 빔의 가장자리를 잘라 빔의 조사 크기를 조절하여 표적외의 다른 부분에 조사되는 것을 방지한다[5]. 본 논문에서는 I-123 생산을 위한 전체적인 시스템을 설계하였고, PLC 자동화시스템으로 각각의 파트에 있는 밸브들과 센서 들을 제어 하고 테스트 하였다.
- 온도, 압력 등 각종 신호의 값과 이상시 통보기능이 있는 인터록을 구비해 빔 조사 중이나 후에 타겟의 안정성이 유지되도록 제작하였다. 기존의 타겟 도면을 분석한 결과 타겟 냉각기능을 보다 강화시키는 것이 핵종 생산 중 발생하는 열을 보다 효과적으로 식힐 수 있어 타겟 시스템을 보다 안정적으로 운영할 수 있다.
- 기존 시스템은 냉각수의 회전에 따른 냉각과정에서 타겟 안쪽에 와류현상이 일어나 냉각기능을 다소 떨어트릴 수 있으므로 본 논문에서 제작한 타겟의 냉각방식은 그림2에서 보는 거와 같이 나선형 형태로 냉각수가 보다 자연스럽게 흐름으로 타겟 내 와류현상을 최소화시켜 냉각기능을 보다 향상시켰다. 또한, 빔 라인과 타겟의 결합부분의 진공도를 높이기 위해 콜리메이터에 U자형 고무 패킹을 사용하였다.
- 솔리드웍스의 분석도구를 이용하여 타겟의 냉각수에 의한 냉각정도를 실험 하였다. 입력단은 그림 2에서 보는 것과 같이 왼편에 물을 넣었고 출력단은 오른편에 나오도록 하였다.
- 또한, Storage vessel에는 Xe 가스를 가두어 둘 때 LN2 액체질소로 냉각하며 가스를 보낼 때는 히터로 열을 가열하여 보내게 된다. 이를 위해모니터용 온도 센서와 압력게이지를 장착하였다.
- 3-웨이 밸브를 통하여 세척수가 vessel에 채워지고, 추출액을 통과시키며 케타이온 컬럼을 통해 최종Product Vial로 이동한다. WPM은 핫셀 내에 설치하여야 하고, 핫셀의 사용공간 활용도를 높이기 위해 그림 6에서 보는 것처럼 모듈화 하여 크기가 최소가 되도록 설계하였다.
- 구조는 제어 처리를 담당하는 중앙 제어부, 입력 신호를 받아 중앙 제어부로 넘겨주는 입력부, 처리된 신호의 결과를 제어 대상에 전달해 주는 출력부 등 3개 부분으로 되어 있다. 각각의 파트들에서 나오는 I/O들의 수를 더하여 랙의 개수를 구하였다. PLC는 컴퓨터와 연결되어 UI(User Interface)상에서 제어되고 설계된 4개의 하드웨어 필드에 있는 각각의 부품들의 상태를 UI로 보내주고, UI에서 나온 신호 명령어들이 PLC로 들어가 하드웨어 각각의 필드에 있는 각각의 부품들을 제어한다.
- 디지털 입력모듈로는 321-1BL00-0AA0를 디지털 출력모듈로는 322-1BL00-0AA0, 아날로그 입력모듈로는331-7KF02-0AB0 그리고, 아날로그 출력모듈로는 332-5HK00-0AB0로 구성하였다. 또한, 각각의 센서로부터 PLC 아날로그 입력모듈의 표준화된 전압 값과 전류 값으로 변환하여 인터페이스하기 위한 트랜스미터를 장착하였다
- GPM파트에는 열전대 3개가 있다. 이 3개의 열전대 값을 이용하여 UI에서 각각의 온도 값을 즉시 파악할 수 있도록 제작하였다. 또한 각각 온도, 유량, 레벨, 압력 등을 모아서 한눈에 바라볼 수 있는 팝업창과 압력게이지를 볼 수 있는 팝업창, Dewar Bottle에서 나오는 온도들을 체크할 수 있는 팝업창으로 나누어 메인 화면에서 나타나 있는 값들을 파트별로 나누어 쉽게 볼 수 있게 제작 하였다.
- 이 3개의 열전대 값을 이용하여 UI에서 각각의 온도 값을 즉시 파악할 수 있도록 제작하였다. 또한 각각 온도, 유량, 레벨, 압력 등을 모아서 한눈에 바라볼 수 있는 팝업창과 압력게이지를 볼 수 있는 팝업창, Dewar Bottle에서 나오는 온도들을 체크할 수 있는 팝업창으로 나누어 메인 화면에서 나타나 있는 값들을 파트별로 나누어 쉽게 볼 수 있게 제작 하였다. PLC에서 들어오는 각각의 신호들은 PC Vue 화면상에서 아이콘들에 각각 주소 값을 부여한 후 통신하였다.
- 통신방식은 PC Vue에서 가장 흔히 쓰이는 XBUS-IP-MASTER을 사용하였고 time out은 1초로 지정하였다. 노드 설정은 네트워크 파라미터 설정에서 이더넷의 XBUS-IPMASTER의 세부 설정사항으로 설정 하였다. 본 시스템에서는 MODBUS의 10진수로 값을 받아 편리하게 이 값들을 UI에서 처리했다.
- 노드 설정은 네트워크 파라미터 설정에서 이더넷의 XBUS-IPMASTER의 세부 설정사항으로 설정 하였다. 본 시스템에서는 MODBUS의 10진수로 값을 받아 편리하게 이 값들을 UI에서 처리했다.
- Application Explorer는 유지 보수 시 오류가 난 부분을 쉽게 찾을 수 있는 부분이다. 변수 트리구조에서는 각각의 파트들인 유량, 히터, 레벨센서, 압력, 펌프, 열전대, 진공 및 밸브로 나누어 한눈에 보기 쉽게 설계하였다. 초기 I-123을 설계할 때 각각의 파트에 명칭을 잘 정리하여 UI에서도 한눈에 보기 쉽게 잘 정리되도록 일목요연하게 구성하였다.
- 이유는 사용 하다보면 I-123시스템이 환경에 따라 값들이 변하기 때문이다. 밸브들은 UI 화면상에서 사용자가 온/오프가 가능하도록 구성하였으며, 이는 각각의 주소 값에 command 명령을 할 수 있게 기능을 추가하여 설계하였다.
- 본 연구는 외산에 의존하고 있는 방사성의약품인 I-123을 생산하는 장치를 국내 기술로 설계 개발하고자 하였다. 기능에 따라 4파트로 나누어진 I-123핵종생산 장치는 각각의 서브 파트들을 설계하였고 일부 완성된 장치는 성능 테스트를 하였다. PLC를 이용하여 하드웨어 시스템을 제어하도록 구성하였다.
대상 데이터
- 타겟 부분은 콜리메이터, flange_ring, Gas Cooling window, Insulator ring, Xe-target chamber, Chamber cover로 각각 이루어져 있다. 콜리메이터는 빔 라인에 장착되어 타겟에만 빔이 조사될 수 있도록 빔을 한정하는 장치이다.
- 디지털 입력모듈로는 321-1BL00-0AA0를 디지털 출력모듈로는 322-1BL00-0AA0, 아날로그 입력모듈로는331-7KF02-0AB0 그리고, 아날로그 출력모듈로는 332-5HK00-0AB0로 구성하였다. 또한, 각각의 센서로부터 PLC 아날로그 입력모듈의 표준화된 전압 값과 전류 값으로 변환하여 인터페이스하기 위한 트랜스미터를 장착하였다
데이터처리
- PLC를 이용하여 하드웨어 시스템을 제어하도록 구성하였다. 제작된 하드웨어 중 타겟장치는 누수 테스트를 거쳐 안정성을 확인하였으며 시뮬레이션을 통하여 안정성과 성능을 검증하였다.
이론/모형
- PLC에서 들어오는 각각의 신호들은 PC Vue 화면상에서 아이콘들에 각각 주소 값을 부여한 후 통신하였다. 통신방식은 PC Vue에서 가장 흔히 쓰이는 XBUS-IP-MASTER을 사용하였고 time out은 1초로 지정하였다. 노드 설정은 네트워크 파라미터 설정에서 이더넷의 XBUS-IPMASTER의 세부 설정사항으로 설정 하였다.
성능/효과
- 각각의 부분들은 모두 솔리드웍스로 설계하여 3-D로 나타내었다. 따라서 각 부분의 문제점들을 손쉽게 볼 수 있었고, 솔리드웍스에 있는 자체 시뮬레이션 기능을 이용하여 열해석, 유체해석, 응력 등을 분석하여 제작 시 실패율을 줄일 수 있었다. 그림 1은 4개의 주요 하드웨어 시스템으로 이루어진 전체시스템을 보여주고 있다.
- 기존의 타겟 도면을 분석한 결과 타겟 냉각기능을 보다 강화시키는 것이 핵종 생산 중 발생하는 열을 보다 효과적으로 식힐 수 있어 타겟 시스템을 보다 안정적으로 운영할 수 있다. 기존 시스템은 냉각수의 회전에 따른 냉각과정에서 타겟 안쪽에 와류현상이 일어나 냉각기능을 다소 떨어트릴 수 있으므로 본 논문에서 제작한 타겟의 냉각방식은 그림2에서 보는 거와 같이 나선형 형태로 냉각수가 보다 자연스럽게 흐름으로 타겟 내 와류현상을 최소화시켜 냉각기능을 보다 향상시켰다. 또한, 빔 라인과 타겟의 결합부분의 진공도를 높이기 위해 콜리메이터에 U자형 고무 패킹을 사용하였다.
- 입력단은 그림 2에서 보는 것과 같이 왼편에 물을 넣었고 출력단은 오른편에 나오도록 하였다. 위의그림에서 보는 것과 같이 타겟을 식혀주는 냉각수 부분은 물의 와류현상 없이 자연스럽게 흐르고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 빔 조사 중 타겟 내부에 물이 흘러들어갔을 때 열의 분포는 그림 3과 같다.
후속연구
- 일본에서 수입되는 I-123 상당부분이 국내시장을 점유하고 있다. 해외에 의존하던 핵종 생산 기술력을 국내 기술로 이루어진 I-123 자동화 시스템을 완성한다면 보다 저렴한 가격으로 국내에 I-123을 대량으로 국내에 안정적으로 보급할 수 있을 것이다. 또한, 국산화된 한국형 장비로 해외시장 진출을 희망해 본다.
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