- 한국원자력의학원, 붕소중성자포획치료용 고전압 직류 전원장치 국내 최초 개발 -

□ 한국원자력의학원(원장 이진경)은 방사선의학연구소 홍봉환 박사 연구팀이 붕소중성자포획치료용 양성자 2.4MeV(메가전자볼트)급 탄뎀 가속기의 1200kV(킬로볼트) 고전압 전원장치를 국내 최초로 개발했다고 밝혔다.

※ 탄뎀 가속기: 입자를 가속하여 이온빔 분석 또는 중성자포획치료의 중성자 발생에 이용하는 정전형 가속장치(두 개의 전극 사이에 높은 정전압 전위차를 주고, 그 사이의 전기장으로 입자를 가속하는 장치)임

□ 방사선 치료의 일종인 붕소중성자포획치료(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)는 인체에 무해하고 암세포에 집중되는 붕소 약물을 암환자에게 주입한 후, 붕소가 중성자와 반응해 방사선을 방출하는 원리를 이용하여 가속기에서 발생시킨 중성자를 치료부위에 조사, 암세포만을 선택적으로 파괴하여 정상세포 손상을 최소화하는 새로운 치료기술로서, 수술 없이 한 번의 조사로 암을 치료하는 것이 특징이다.

□ 붕소중성자포획치료를 위해서는 중성자를 만들어 조사하기 위한 고출력 양성자 가속기가 필요한데, 국내에서 의학원이 최초로 개발 중인 대전류 양성자 탄뎀 가속기 기반 시스템은 기존 선형 가속기나 사이클로트론 가속기 기반 시스템보다 적은 에너지를 사용하기 때문에 치료를 위한 전체적인 시스템의 규모가 작아 병원에서 더 경제적이고 효율적인 운용이 가능하다.

□ 한국원자력의학원이 국산화에 도전 중인 탄뎀 가속기는 고전압 터미널을 중심으로 양쪽에 두 개의 가속관과 고전압 터미널에 연결된 전원장치로 구성되며, 이 중 전원장치는 입자 가속을 위한 에너지를 가속관에 전달하는 핵심 장치다.

	<작동 원리>
1200kV(킬로볼트) 전압을 전원장치에서 고전압 터미널로 전달하면 수소 음이온이 가속관을 통해 고전압 터미널 방향으로 당겨지면서 1200KeV(킬로전자볼트)로 가속되고 고전압 터미널 내의 스트리핑 시스템*에 의해 수소 음이온이 양성자로 바뀌면 고전압 터미널은 바뀐 양성자를 반대쪽의 가속관을 통해 1200KeV(킬로전자볼트)의 에너지로 밀어내어 결과적으로 기존 에너지의 두 배에 해당하는 2.4.MeV(메가전자볼트)로 양성자가 가속되며 이 양성자를 리튬에 조사하여 중성자를 만들게 된다. * 스트리핑 시스템(stripping system): 수소 음이온(H-)의 전자를 벗겨내어 양성자(H+)로 바꿔주는 기능을 함

 

<탄뎀 가속기 구성>

□ 한국원자력의학원 의료용 가속기 연구팀은 2019년 과학기술정보통신부 지원으로 붕소중성자포획치료용 가속기 개발에 착수하여 2022년 500KeV(킬로전자볼트) 대전류 양성자 탄뎀가속기 시작품을 개발한 바 있으며, 이번 성과를 기반으로 2.4MeV급 탄뎀 가속기 개발에 속도를 내게 됐다.

□ 이진경 원장은“이번 탄뎀 가속기의 핵심장치 개발 성공으로 첨단 붕소중성자포획치료기의 국내 개발을 앞당겨 해외 선도 기술과의 격차를 줄이고 난치암 환자분들이 빨리 치료 혜택을 보기를 기대한다”고 말했다.

참고 1

연구 개요

 

□ 연구 배경

○ 가속기 기반의 붕소중성자포획치료는 전 세계적으로 초기 단계에 있으며, 2000년대 이후 미국, 일본, 유럽 등 약 13곳의 의료기관에서 시스템을 개발 중으로 국내에서는 붕소중성자포획치료를 위한 선형 가속기가 개발되어 임상시험 중이다.

○ 주로 가속기질량분석(AMS) 시스템에 활용되고 있는 탄뎀 가속기는 최근 가속기 기반 붕소중성자포획치료(BNCT) 시스템의 개발이 활발해지기 시작하면서 활용도가 넓어지고 있으며, 탄뎀 가속기 기반 치료 시스템은 가속기의 크기와 에너지가 적어 운영이 상대적으로 다른 가속기를 이용하는 시스템들 보다 효율적이다.

○ 의학원 가속기 연구팀은 이에 착안하여 2019년 과학기술정보통신부 지원으로 붕소중성자포획치료용 탄뎀 가속기 개발에 착수해 2022년 가속기 시작품을 개발했으며, 올해 가속기의 핵심 장치인 고전압 전원장치 개발에 성공했다.

 

□ 연구 내용

○ 붕소중성자포획치료용 탄뎀 가속기는 효과적으로 암세포를 파괴하기 위해 많은 양의 중성자를 발생시켜야 하기 때문에 기존 가속기질량분석(AMS)용 탄뎀 가속기보다 아주 많은 양의 입자를 가속할 수 있는 큰 전력의 고전압 전원장치가 필요하다.

※ 가속기질량분석기(AMS: Accelerator Mass Spectrom): 질량의 차이를 이용하여 초극미량 동위원소를 분석하는 장치로서 입자를 가속하여 자기장에 통과시키면 질량이 가벼운 것은 많이 휘고, 무거운 것은 덜 휘는 성질을 이용하여 물질을 분리하는 분석 방법임

○ 탄뎀 가속기는 크게 가속관, 고전압 터미널 그리고 전원장치로 구성되며, 이중 전원장치는 고전압 터미널에 연결되어 가속기에 입자 가속을 위한 에너지를 전달하는 역할을 한다.

○ 연구팀은 2022년도에 개발한 500keV(킬로전자볼트) 양성자 탄뎀 가속기 시작품의 핵심기술을 바탕으로 2.4MeV(메가전자볼트) 양성자 탄뎀 가속기 개발을 위한 1200㎸(킬로볼트) 직류 전원장치 개발에 성공했다.

 

□ 기대 효과

○ 붕소중성자포획치료를 위한 탄뎀 가속기의 핵심인 1200㎸(킬로볼트) 고전압 전원장치 개발은 독자적인 기술로 한국이 탄뎀 가속기를 개발할 수 있는 핵심기술을 확보한 것에 의의가 있으며, 향후 소형 가속기 기반 중성자포획치료 시스템 개발에 가속이 붙을 것으로 기대한다.

참고 2

사 진

 

▲의학원 의료용 가속기 연구팀

▲탄뎀 가속기 고전압 전원장치