[논문]연구용 선형가속기의 전자총 가열 전류에 따른 전자선의 에너지 인자 측정과 출력 측정 연구

임희진; 이만우; 김미영; 이준규; 이무진; 강상구; 이동주; 정동혁

doi:10.14316/pmp.2016.27.1.25

연구용 선형가속기의 전자총 가열 전류에 따른 전자선의 에너지 인자 측정과 출력 측정 연구
Measurement of Energy Parameters for Electron Gun Heater Currents and Output Dose Rate for Electron Beams from a Prototype Linac 원문보기

Progress in Medical Physics = 의학물리, v.27 no.1, 2016년, pp.25 - 30

임희진 (동남권원자력의학원 연구센터) , 이만우 (동남권원자력의학원 연구센터) , 김미영 (동남권원자력의학원 연구센터) , 이준규 (동남권원자력의학원 연구센터) , 이무진 (동남권원자력의학원 연구센터) , 강상구 (동남권원자력의학원 연구센터) , 이동주 (동남권원자력의학원 연구센터) , 정동혁 (동남권원자력의학원 연구센터)

초록
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본 연구에서는 의료용 선형가속기 제작을 위해 개발된 연구용 선형가속기의 전자선에 대한 선량학적 특성을 실험적으로 평가하였다. 본 논문에서는 전자총 가열 전류에 따른 에너지의 변화와 출력 흡수선량 측정 결과를 보고하고자 한다. 전자선의 에너지는 필름 측정법을 써서 평균에너지와 최빈에너지의 관점에서 결정하였다. 출력 흡수선량은 최적 에너지에 대하여 평행평판형 전리함을 사용하여 물속 깊이선량율을 측정하고 TRS-398 프로토콜에 따라 결정하였다. 측정 결과 전자총 가열 전류 2.02~2.50 A에서 평균에너지와 최빈에너지는 5.94~2.80 MeV와 6.54~3.31 MeV로 변화하였다. 그리고 평균에너지 5.94 MeV의 전자선에 대해 물속 기준 깊이에서 출력 흡수선량은 5.41 Gy/min으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The dosimetric characteristics were experimentally evaluated for electron beams from the prototype linac developed for radiotherapy units. This paper focuses on the electron beam output and energy variations as a function of electron gun heater current. The electron energy was derived from its mean and most probable energies measured by film dosimetry. The electron beam output at the maximum electron energy was measured with the plane parallel ionization chamber in water using TRS-398 dosimetry protocol. The mean energy and the most probable energy of the electron beam were 6.54~3.31 MeV and 5.94~2.80 MeV at electron gun current of 2.02~2.50 A respectively. The output dose rate for an electron beam of mean energy 6.54 MeV was 5.41 Gy/min ${\pm}1.5%$ at the reference depth in water.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 전자선의 에너지는 전자총의 가열 전류에 따라 급격한 변화를 보이기 때문에 최적의 가열 전류를 결정하기 위한 실험적 연구가 필요하다. 본 논문에서는 기존보다 보강된 전자가속기의 특성 시험의 일환으로 수행된 일련의 실험 중에서 전자총 전류에 따른 선량 학적 관점에서 평균 에너지와 최빈에너지 그리고 흡수선량 출력 측정 결과를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 중장기적 측면에서 의료용 선형가속기의 국산화를 목적으로 전자가속기를 개발하고 또한 성능을 보강하고 있으며 이때 초기에 개발한 약 4 MeV급 전자가속기의 기본 구조와 출력 특성은 기존의 논문에서 보고된 바 있다.³⁾ 이후에 연구진들은 기존의 전자가속기에서 가속관을 6 MeV급으로 다시 제작하고 고주파 출력을 증가시킨 형태로 성능을 향상시켰으며 현재 최적 전자빔의 발생과 치료기급 성능 확보를 위한 연구에 주력하고 있다.

가설 설정

02 A 에 대하여 출력선량을 측정하였다. 이 표에서 깊이의 단위를 g/cm²으로 표시한 것은 사용한 팬텀인 Virtual Water^TM 의 밀도를 물과 동일한 값으로 가정하고 나타낸 것이다. 향후 이 부분에 대한 보정이 필요하다고 생각한다.

제안 방법

이때 팬텀 표면에서 전자선은 넓은 면적을 가지므로 이러한 넓은 조사면에 대하여 질량 분석기의 적용은 어렵다. 따라서 본 연구에서는 실용적인 측면에서 선량학적 방법으로 평균에너지(Mean energy)와 최빈에너지(Most probable energy)를 결정하였으며 이를 전자선의 에너지 인자로 정의하였다.
본 연구에서는 소형 평행평판형 전리함(TM34045, PTW, Germany)과 소형 물팬텀(TM31023, PTW, Germany)을 사용 하여 깊이선량율과 출력 흡수선량의 측정을 수행하였다. 또한 독립적인 전자선의 모니터링(Monitoring)을 위한 투과형 전리함(TM34060, PTW, Germany)을 이차 콜리메이터 앞단에 장착하여 매측정시 전하를 측정하였다. 앞서 언급되었듯이 모니터링 전리함의 역할은 측정 전리함과 동시에 측정하여 순간적인 출력변화가 발생할 경우에 깊이 이온 곡선의 변형을 보정한다.
먼저 깊이에 따른 전하량을 측정하기 위하여 팬텀 입사 창으로부터 전리함을 2 mm 간격으로 이동시키면서 각 깊이에서 30초 동안 3회씩 전하를 읽어 평균을 취하였다. 이때 가속기 출력의 변화를 감지하기 위하여 기준전리함을 별도로 장착하여, 동시에 읽은 후 R(z) = M(z)/M_ref을 기록 하였다.
먼저 전자총 가열 전류의 변화에 따른 에너지의 인자를 결정하기 위하여 고체팬텀에 필름을 삽입하여 간단한 방법으로 깊이선량율을 측정하였다. 이 때 고체팬텀은 Virtual Water^TM(StandardImaging, USA)로 알려진 물등가 플라스틱 그리고 필름은 Radiochromic 필름으로서 GafChromic EBT3 (ISP, USA)을 사용하였다.
본 논문의 결과에서는 먼저 필름 측정으로 구한 깊이선 량율과 에너지 인자들을 제시하고 이어서 전리함과 물팬텀으로 측정한 결과를 제시한다.
919로 주어진다. 본 연구에서는 깊이 이온분포 측정결과(Fig. 5)에서 z=1.5 g/cm² 에 대한 결과를 이용하여 근사적으로 출력 선량을 결정하였다.
본 연구에서는 소형 평행평판형 전리함(TM34045, PTW, Germany)과 소형 물팬텀(TM31023, PTW, Germany)을 사용 하여 깊이선량율과 출력 흡수선량의 측정을 수행하였다. 또한 독립적인 전자선의 모니터링(Monitoring)을 위한 투과형 전리함(TM34060, PTW, Germany)을 이차 콜리메이터 앞단에 장착하여 매측정시 전하를 측정하였다.
본 연구에서는 연구용 제작 선형가속기의 특성 평가의 일환으로 전자총의 가열 전류에 따른 에너지 인자들을 결정하고 최적 에너지에서 방사선 출력을 측정하였다. 가열 전류에 따른 에너지의 변화는 전자총 내부 음극(Cathode)의 가열에 따라 전자 방출량의 증가와 이에 따른 빔전류의 증가에 있다.
본 연구에서는 자체 제작한 25×25 cm2 크기의 어플리케이터(Applicator)를 장착하고 고체팬텀 및 물에서 깊이선량율을 측정하였다.
여기서 최적 E₀는 임상적 관점에서 명목상의 에너지 6 MeV와 가장 가까운 에너지를 의미하며 이 부분은 본 논문의 토의에서 다시 다룬다. 이와 같이 선정된 하나의 선질 E₀에 대하여 정확한 흡수선량을 측정하기 위하여 물팬텀에서 전리함을 이용하여 깊이선량율을 다시 측정하였다.
전자총에 인가되는 가열 전류를 2.0에서 2.5 A까지 변화시키면서 필름에 방사선을 조사하였다. 필름 판독에는 분석 소프트웨어인 FilmQApro^TM(ISP, USA)가 사용되었다.
를 결정하였다. 출력 흡수선량의 측정은 결정된 E₀값들 중 최적 E₀에 대하여 수행하였다. 여기서 최적 E₀는 임상적 관점에서 명목상의 에너지 6 MeV와 가장 가까운 에너지를 의미하며 이 부분은 본 논문의 토의에서 다시 다룬다.
필름 측정으로 전자총 가열 전류에 대한 깊이선량율이 구해지면 이로부터 R_P와 R₅₀을 결정하고 (1)식과 (2)식으로 E_P와 E₀를 결정하였다. 출력 흡수선량의 측정은 결정된 E₀값들 중 최적 E₀에 대하여 수행하였다.

대상 데이터

연구용 선형가속기는 기존에 개발한 4 MeV급 C-밴드형 가속기에서 가속관을 6 MeV급으로 다시 제작하고 펄스전력을 보강하여 다시 제작한 형태를 가진다.⁴⁾ 이와 같이 보완된 펄스 전력시스템의 순간 출력은 약 6 MW이며 이를 통해 마그네트론(Magnetron)에서 발생되는 고주파의 출력은 2.
이 때 고체팬텀은 Virtual WaterTM (StandardImaging, USA)로 알려진 물등가 플라스틱 그리고 필름은 Radiochromic 필름으로서 GafChromic EBT3 (ISP, USA)을 사용하였다.

성능/효과

4) 이와 같이 보완된 펄스 전력시스템의 순간 출력은 약 6 MW이며 이를 통해 마그네트론(Magnetron)에서 발생되는 고주파의 출력은 2.5 MW로 평가된다.⁴⁾ 이 때 고주파의 주파수는 5712 GHz를 가지며 마이크로파의 C-밴드 대역에 해당한다.
5) 그러나 전자선의 이용 측면에서 초기 전자선의 에너지보다 산란박과 모니터 전리함 그리고 어플리케이터를 모두 통과하여 팬텀 표면에 도달한 전자선의 에너지를 결정하는 것이 보다 중요하다. 이때 팬텀 표면에서 전자선은 넓은 면적을 가지므로 이러한 넓은 조사면에 대하여 질량 분석기의 적용은 어렵다.
본 연구에서 측정한 전자가속기의 출력은 5.41 Gy/min로나타났다. 이 결과는 상용 선형가속기의 전자선 출력 범위인 4∼10 Gy/min에 해당한다.
02 A에서 거의 일정한 값을 보이고 있다. 본 연구에서는 최대 에너지를 보이는 2.02 A 에 대하여 출력선량을 측정하였다. 이 표에서 깊이의 단위를 g/cm²으로 표시한 것은 사용한 팬텀인 Virtual Water^TM 의 밀도를 물과 동일한 값으로 가정하고 나타낸 것이다.
는 전자총 가열 전류(Heater current)를 나타낸다. 이 결과에서 알 수 있듯이 전자총 전류가 감소할수록 에너지가 증가하는데 2.14와 2.02 A에서 거의 일정한 값을 보이고 있다. 본 연구에서는 최대 에너지를 보이는 2.
41 Gy/min로 나타났다. 이 결과의 합성표준불확도(Combined standard uncertainty)는 3회 반복 측정에 대하여 0.9%, 교정성적서에 주어진 N_DWQ0의 불확도, 그리고 TRS-398에 주어진 k_QQ0의 불확도를 합성할 때 약 1.5%로 평가된다.

후속연구

본 연구에서 보인바와 같이 전자선의 에너지가 상용 방사선치료기와 비교할 때 6 MeV급 제원과 동등하기 때문에 의료용 선형가속기 개발을 지속할 수 있을 것으로 보며 이를 위해 앞서 언급한 후속 연구들을 수행해야 할 것이다.
물론 에너지의 조절을 위하여 고주파 세기를 제어할 수 있으나 마그네트론 방식으로 고주파 전력을 생성하는 전자가속기 시스템의 경우에 제어가 어렵다. 본 연구에서는 가열 전류와 에너지의 변화를 단순한 이차 다항식으로 표현하였으며 향후 이 결과를 제어 시스템에 반영할 수 있다.
전자가속기에서 발생되는 전자선의 물리적 특성은 전자 총과 고주파 발생원에 공급하는 전원, 고주파의 주파수와 출력, 가속관의 온도 등 다양한 파라미터에 의존하는 특성을 가지기 때문에 전자가속기의 초기 작동에서 이들의 특성을 분석하기 위한 일련의 시험이 필요하다. 특히 전자선의 에너지는 전자총의 가열 전류에 따라 급격한 변화를 보이기 때문에 최적의 가열 전류를 결정하기 위한 실험적 연구가 필요하다. 본 논문에서는 기존보다 보강된 전자가속기의 특성 시험의 일환으로 수행된 일련의 실험 중에서 전자총 전류에 따른 선량 학적 관점에서 평균 에너지와 최빈에너지 그리고 흡수선량 출력 측정 결과를 제시하고자 한다.
따라서 전자선 측정을 통하여 가속기의 인자들이 확정되고 이를 통하여 가속기의 제어를 통하여 안정성을 확보하는 것이 필요하다. 향후 치료용 엑스선에 대한 연구도 필요한데 전자가속기의 성능과 제원이 확보되고 제어시스템과 연동으로 충분한 빔 안정도를 확보한 후에 수행하는 것이 타당하다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가열 전류의 적절한 제어는 에너지의 제어 수단으로 사용할 수 있다는 주장의 근거는?	본 연구에서는 연구용 제작 선형가속기의 특성 평가의 일환으로 전자총의 가열 전류에 따른 에너지 인자들을 결정하고 최적 에너지에서 방사선 출력을 측정하였다. 가열 전류에 따른 에너지의 변화는 전자총 내부 음극(Cathode)의가열에 따라 전자 방출량의 증가와 이에 따른 빔전류의 증가에 있다. 전자의 가속을 위한 에너지원은 고주파 전력이며 이를 전류와 전압의 곱으로 표현할 때 빔전류의 증가는 가속 전압의 감소를 유도하며 이에 따라 에너지의 감소로 나타난다. 따라서 가열 전류의 적절한 제어는 에너지의 제어 수단으로 사용할 수 있다.
	모니터링 전리함의 역할은?	또한 독립적인 전자선의 모니터링(Monitoring)을 위한 투과형 전리함(TM34060, PTW, Germany)을 이차 콜리메이터 앞단에 장착하여 매측정시 전하를 측정하였다. 앞서 언급되 었듯이 모니터링 전리함의 역할은 측정 전리함과 동시에 측정하여 순간적인 출력변화가 발생할 경우에 깊이 이온 곡선의 변형을 보정한다. Fig.
	본 연구에서 전자선의 에너지 인자로 정의한 것은?	이 때 팬텀 표면에서 전자선은 넓은 면적을 가지므로 이러한 넓은 조사면에 대하여 질량 분석기의 적용은 어렵다. 따라서 본 연구에서는 실용적인 측면에서 선량학적 방법으로 평균에너지(Mean energy)와최빈에너지(Most probable energy)를 결정하였으며 이를 전자선의 에너지 인자로 정의하였다. 국제원자력기구(IAEA)의 TRS-277 (Technical Report Series No.

참고문헌 (9)

David IT, John BT: Back to the future: the history and development of the clinical linear accelerator. Phys Med Biol 51: R343-R362(2006)

상세보기
www.kirams.re.kr/khima
Kim S, Kang SK, Rhee DJ et al.: Measurement of Electron Beam Output for the Prototype Compact Linac, Progress in Medical Physics 26(1): 1-5(2015)

원문보기 상세보기
Yi J, Lee M, Lee M et al.: Fabrication and High power RF test of a C-band Standing-wave Accelerating Structure for Medical Application, ICABU(International Conference on Accelerators and Beam Utilizations) Proceeding: 134-134(2015)
Scott EVB: An Introduction to Mass Spectrometry, Widner University, PA, USA (1998)
TRS-277: Absorbed Dose Determination in Photon and Electron Beams: An International Code of Practice. International Atomic Energy Agency, Vienna (1997)
Li A, Wen D, Chen et al.: A study of dosimetry characteristics of GAF DM-1260 radiochromic Films, Rad Phys Chem 57: 103-113(2000)

상세보기
TRS-398: Absorbed dose determination in external beam radiotherapy: an international code of practice for dosimetry based on standards of absorbed dose to water. International Atomic Energy Agency, Vienna (2000)
Zink K, Wulff J: Monte Carlo calculations of beam quality correction factors $k_{Q}$ for electron dosimetry with a parallel-plate Roos chamber, Phys Med Biol 53: 1595-1607(2008)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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