KR100387724B1 - 사이클로트론의 자기장 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 사이클로트론을 위한 자기장 측정 장치는 홀 센서를 구비한 X-Y 플로터와 자기장 측정 제어기로 구성된다. 홀 센서는 X-Y 플로터의 각 X-Y 이동축에 연결되어 자기장 측정 제어기의 제어에 따라 해당되는 (X,Y) 좌표로 이동하며 자기장의 세기를 측정한다. 자기장 측정 제어기는 측정하고자 하는 (r, θ) 좌표 값을 대응되는 (X, Y) 좌표 값으로 변환하여 X-Y 플로터(30)로 제공한다. 이와 같은 본 발명의 자기장 측정 장치에 의하면 사이클로트론의 전자석의 사이즈 변화와 관계없이 다양한 사이즈에도 적용할 수 있다.

Description

사이클로트론의 자기장 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING MAGNETIC FIELD OF CYCLOTRON}

본 발명은 입자 가속기(particle accelerator)의 자기장(magnetic filed) 측정 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 사이클로트론(cyclotron)을 위한 자기장 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전하를 띤 원자나 분자 및 그 무리를 이온이라 한다. 전기적으로 중성인 원자나 분자로부터 전자를 떼어내면 양전하를 띤 양이온(cation)이 되며, 반대로 별도의 전자를 부착시키면 음이온(anion)이 된다. 이온은 전기장에 의해 가속된다. 전기장에 의해 가속된 이온은 고에너지상태가 되며 더 높은 에너지를 얻기 위해서는 진행방향에 수직으로 자기장을 가하여 원운동을 시킨다.

입자 가속기는 전자나 양성자와 같은 하전입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동에너지를 발생시키는 장치로서 원자핵이나 소립자에 관한 물질의 심층 구조를 탐구하는 물리실험에 사용되며, 암치료를 위한 의료장비 등에도 사용되고 있다. 이러한 입자 가속기는 원자핵파괴장치, 이온가속기로도 부르며 간단히 가속기라고도 한다.

입자가속기는 1932년 E.O.로렌스에 의하여 고안된 것으로서, 동일한 자기장에서 하전입자의 원운동주기는 입자의 질량에 비례하고, 전하와 질량의 세기에 반비례한다는 원리를 이용한 입자가속기이다. 고속중성자선, 양자선, α선 등의 방사선이 이 장치에서 발생한다. 이들 방사선은 각종 종양에 조사하여 종양이 치유되게 하는 것들이다. 고속중성자선은 여성성기암, 골육종, 경부암, 폐암, 연조직육종 등에 이용되고 있다. 이러한 의료에 이용되고 있는 입자가속기로 사이클로트론 치료장치가 있다.

도 1 내지 도 3은 사이클로트론의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 사이클로트론의 자극 및 전극 구조를 보여주는 도면, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 D 전극에 의한 공진 원리를 설명하기 위한 도면 그리고 도 3은 도 1의 D 전극 상에서 입자의 운동궤도를 보여주는 도면이다.

도면을 참조하여, 사이클로트론은 전자석 N, S 극(10, 12) 사이에 마주보는 한쌍의 D 전극(14)이 구비된다. D 전극(14)은 동판으로 구성되고 이는 회로적으로 공진기(20)의 구성을 갖는다. D 전극(14)은 N, S 극(10, 12)에 의해 형성되는 자기장안에 잠겨져 있고, 일정 주파수가 제공되면서 진공 상태의 D 전극 틈새(16)에 가속 전위가 형성된다. 이 D 전극 틈새(16)에 하전입자(22)가 입사되면 자기장의 방향과 입사방향 모두에 대해 수직방향으로 로렌츠힘을 받게 되어, 일정한 원궤도(18)를 그리면서 운동하게 되면서 가속을 받게된다.

사이클로트론의 전자석은 일반적으로 H형, 원통형 등의 다양한 형태로 제작되고 있으나 전자석은 원형으로 제작되고 있다. 전자석의 자기장의 세기는 자극 축을 중심으로 자극의 반지름과 원주의 길에 따라 결정되고, 이에 따라 가속되는 입자의 에너지와 가속 궤도가 결정되게 된다. 그럼으로 사이클로트론을 설계하는 과정에서 사이클로트론의 자기장의 세기를 정확히 측정하는 것이 매우 중요하다.

사이클로트론의 자기장 세기를 측정하기 위해서는 자극 축을 중심으로 (r, θ) 방향에 따른 각 지점의 자기장 세기를 측정해야 한다. 이를 위한 자기장 측정 장치는 자극 축을 중심으로 θ 방향으로 원주를 그리며 이동하고 r 길이가 가변되면서 홀 센서를 통해 각 위치에서의 자기장 세기를 측정한다.

그런데, 사이클로트론의 전자석의 양 기둥에 의해 자기장 측정에 어려움이 있고, 전자석의 크기에 따라 측정 장치의 사이즈를 가변 제작하여야 하는 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서 사이클로트론의 전자석의 사이즈 변화와 관계없이 다양한 사이즈에도 적용할 수 있는 사이클로트론의 자기장 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1 내지 도 3은 사이클로트론의 원리를 설명하기 위한 도면으로서,

도 1은 사이클로트론의 자극 및 전극 구조를 보여주는 도면, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 D 전극에 의한 공진 원리를 설명하기 위한 도면 그리고 도 3은 도 1의 D 전극 상에서 입자의 운동궤도를 보여주는 도면;

도 4는 본 발명의 자기장 측정 장치를 보여주는 도면; 그리고

도 5는 도 4의 자기장 측정 장치의 회로 구성을 보여주는 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: N극 20: S극

14: D전극 20: 공진기

30: X-Y 플로터 40: 자기장 측정 제어기

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 사이클로트론의 자기장의 세기를 측정하기 위한 자기장 측정 장치는: X, Y 이동축에 연결된 홀 센서를 구비한 X-Y 플로터; (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치를 대응하는 (X, Y) 좌표값으로 변환하여 상기 X-Y 플로터로 제공하는 자기장 측정 제어기를 포함하고, 상기 X-Y 플로터는 입력된 (X, Y) 좌표로 상기 홀 센서를 이동시켜 자기장의 세기 측정하여 상기 자기장 측정 제어기로 제공한다.

이와 같은 본 발명의 실시예에서 상기 자기장 측정 제어기는: 자기장 세기 측정 데이터를 저장하기 위한 저장 장치; (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치 데이터를 받아들이는 입력부; 상기 입력부를 통해 입력된 (r, θ) 좌표값을 (X, Y) 좌표값으로 변환하여 상기 X-Y 플로터로 제공하는 좌표 변환부; 상기 좌표 환산부로부터 현재 측정된 위치의 (r, θ) 좌표값을 제공받고 상기 홀센서에 의해 측정된 자기장의 세기 데이터를 해당되는 (r, θ) 좌표값의 자기장 세기로 상기 저장 장치에 저장하는 자기장 검출부를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, X, Y 이동축에 연결된 홀 센서를 구비한 X-Y 플로터와 상기 X-Y 플로터를 제어하는 자기장 측정 제어기를 포함하는 사이클로트론 자기장 측정 장치의 제어 방법은: (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치 데이터를 입력받는 단계; 입력된 상기 (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치 데이터를 (X, Y) 좌표값으로 변환하는 단계; 변환된 (X, Y) 좌표로 상기 홀센서를 이동하여 자기장의 세기를 측정하는 단계; 측정된 자기장의 세기 데이터를 해당되는 (r, θ) 좌표의 자기장 세기로 저장하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

(실시예)

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 자기장 측정 장치를 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4의 자기장 측정 장치의 회로 구성을 보여주는 블록도이다.

도 4를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기장 측정 장치는 홀 센서(hole sensor)(36)를 구비한 X-Y 플로터(30)와 자기장 측정 제어기(40)로 구성된다. 홀 센서(36)는 X-Y 플로터(30)의 각 X-Y 이동축(32, 34)에 연결되어 자기장 측정 제어기(40)의 제어에 따라 해당되는 (X,Y) 좌표로 이동하며 자기장의 세기를 측정한다.

자기장 측정 제어기(40)는 일반적인 개인용 컴퓨터로 구성될 수 있으며 마이크로프로세서와 메모리를 구비한 산업용 컴퓨터로도 구성될 수 있다. 자기장 측정 제어기(40)는 측정하고자 하는 (r, θ) 좌표 값을 대응되는 (X, Y) 좌표 값으로 변환하여 X-Y 플로터(30)로 제공한다.

도 5를 참조하여, 자기장 측정 제어기(40)는 입력부(44), 좌표 환산부(42), 자기장 검출부(46), 대용량 저장 장치(48)를 포함하여 구성된다. 좌표 환산부(42)는 (r, θ)좌표를 대응하는 (X, Y)좌표로 환산하기 위한 좌표 변환 테이블(43)을 구비한다.

자기장 측정 제어기(40)는 먼저 입력부를 통해 (r, θ) 좌표값을 입력받고, 입력된 (r, θ) 좌표값을 좌표 변환 테이블(43)을 이용하여 (X, Y) 좌표값으로 변환하여 X-Y 플로터(30)로 제공한다.

X-Y 플로터(30)의 X-Y 플로터 구동기(38)는 자기장 측정 제어기(40)로부터 제공되는 (X, Y) 좌표값에 따라 홀 센서(36)의 위치를 이동시켜 해당되는 위치에서의 자기장 세기를 측정한다. 측정된 자기장 세기 데이터는 자기장 측정제어기(40)의 자기장 검출부(46)로 제공된다. 자기장 검출부(46)는 좌표 환산부(42)로부터 현재 측정된 위치의 (r, θ) 좌표값을 제공받고 홀센서(36)에 의해 측정된 자기장의 세기 데이터를 저장 해당되는 (r, θ) 좌표값의 자기장 세기로 저장 장치(48)에 저장한다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사이클로트론의 자기장 측정 장치 및 방법의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 사이클로트론의 전자석의 사이즈 변화와 관계없이 다양한 사이즈에도 적용하여 사이클로트론의 자기장을 측정할 수 있다. 그러므로 사이클로트론의 전자석의 사이즈 변화에 따라 각기 자기장 측정 장치를 제조할 필요가 없다.

Claims (3)

1. 사이클로트론의 자기장의 세기를 측정하기 위한 자기장 측정 장치에 있어서:

   X, Y 이동축에 연결된 홀 센서를 구비한 X-Y 플로터;

   (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치를 대응하는 (X, Y) 좌표값으로 변환하여 상기 X-Y 플로터로 제공하는 자기장 측정 제어기를 포함하고,

   상기 X-Y 플로터는 입력된 (X, Y) 좌표로 상기 홀 센서를 이동시켜 자기장의 세기 측정하여 상기 자기장 측정 제어기로 제공하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론의 자기장 세기 측정 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 자기장 측정 제어기는:

   자기장 세기 측정 데이터를 저장하기 위한 저장 장치;

   (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치 데이터를 받아들이는 입력부;

   상기 입력부를 통해 입력된 (r, θ) 좌표값을 (X, Y) 좌표값으로 변환하여 상기 X-Y 플로터로 제공하는 좌표 변환부;

   상기 좌표 환산부로부터 현재 측정된 위치의 (r, θ) 좌표값을 제공받고 상기 홀센서에 의해 측정된 자기장의 세기 데이터를 해당되는 (r, θ) 좌표값의 자기장 세기로 상기 저장 장치에 저장하는 자기장 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론의 자기장 세기 측정 장치.
3. X, Y 이동축에 연결된 홀 센서를 구비한 X-Y 플로터와 상기 X-Y 플로터를 제어하는 자기장 측정 제어기를 포함하는 사이클로트론 자기장 측정 장치의 제어 방법에 있어서:

   (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치 데이터를 입력받는 단계;

   입력된 상기 (r, θ) 좌표의 자기장 측정 위치 데이터를 (X, Y) 좌표값으로 변환하는 단계;

   변환된 (X, Y) 좌표로 상기 홀센서를 이동하여 자기장의 세기를 측정하는 단계;

   측정된 자기장의 세기 데이터를 해당되는 (r, θ) 좌표의 자기장 세기로 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 사이클로트론의 세기 측정 장치.