KR100560601B1 - 하이브리드형 위글러 - Google Patents

Abstract

예컨대, 전자가속기 내의 일종의 삽입 장치로서 새로운 하이브리드형 위글러를 제공한다. 각기 복수의 영구자석블록 및 복수의 연질 자성 재료의 자극편으로 형성되는 두개의 마주보는 어레이로 이루어지며, 어레이들 사이의 공극내에 사인곡선의 주기적 자장을 발생시켜 전자빔을 사행하게 하는 종래의 하이브리드형 위글러와 달리, 각 자극편이 그 측면에서 한쌍의 보조 영구자석블록에 의해 끼워져 있어서, 공극내에 발생되는 주기적 자장을 매우 강하게 할 수 있다.

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Description

하이브리드형 위글러{HYBRID WIGGLER}

도 1의 (A)는 본 발명의 하이브리드형 위글러의 x-z평면에 도시된 x-z단면도;

도 1의 (B)는 도 1의 (A)에서 화살표IB-IB에 따른 단면도;

도 2는 본 발명의 하이브리드형 위글러에 사용되는 자장조정기구의 단면도;

도 3의 (A)는 본 발명의 실시예의 하이브리드형 위글러의 길이방향 단면도;

도 3의 (B)는 도 3의 (A)에서 화살표ⅢB-ⅢB에 따른 단면도;

도 3의 (C)는 도 3의 (A)에서 화살표ⅢC-ⅢC에 따른 단면도;

도 4는 본 발명의 실시예에서 설명한 하이브리드형 위글러에 있어서 중심축에 따른 자장분포를 표시한 그래프;

도 5는 주기적 자장의 피크값을 공극 거리(d)의 함수로서 표시한 그래프;

도 6의 (A)는 종래의 삽입장치의 개략 사시도;

도 6의 (B)는 도 6의 (A)에서 설명한 삽입장치의 공극내의 사인곡선의 주기적 자장을 표시한 도면;

도 6의 (C)는 도 6의 (A)에서 설명한 삽입장치의 공극을 통과하는 사행된 전자궤도를 나타내는 도면;

도 7은 길이방향에 따른 할바치(Halbach)형 위글러의 개략적인 y-z측면도;

도 8의 (A)는 종래 하이브리드형 위글러의 개략적인 x-z평면도;

도 8의 (B)는 종래 하이브리드형 위글러의 개략적인 y-z측면도이다.

본 발명은, 전자가속기 또는 전자 축적링의 직선부에 삽입되어 휘도가 높은 싱크로트론 방사광(synchrotron radiation)을 방출하는 새로운 삽입장치, 특히 위글러에 관한 것이다.

삽입장치는 공극(gap space)을 갖는 두개의 마주보는 어레이로 이루어지고, 각 어레이는 영구자석블록으로 형성되거나 또는 영구자석블록과 연질 강자성 재료(철 또는 철과 코발트의 합금)의 블록의 조합으로 형성되어 있다. 도 6의 (A)는 영구자석블록만의 두 어레이로 이루어진 삽입장치의 개략 사시도를 나타내며, 각 자석블록의 측면에 표시되어 있는 작은 화살표는 블록의 자화방향을 나타낸다. 이 삽입장치는 전자가속기 또는 전자 축적링의 일직선부에 도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이 자석 어레이들 사이에 진공실을 끼우는 방식으로 삽입되어, 도 6의 (B)에 나타낸 바와 같이 자석 어레이들 사이의 진공 공간 내에 사인곡선의 주기적 자장을 발생시킨다. 전자가속기내에서 거의 광속으로 회전하는 전자가 자석 어레이의 z방향을 따라 흔들리거나 또는 파동치는 자장에 도입될 경우, 도 6의 (A)에서 화살표(e)로 나타낸 방향으로 전자빔이 공간을 통해 사행되어, 도 6의 (C)에 개략적으로 나타낸 바와 같이 각 사행점(meandering point)으로부터 싱크로트론 방사광(R)을 방출시킨다.

상술한 바와 같이, 사인곡선의 주기적 자장을 발생하는 삽입장치는, Nuclear Instruments and Methods, volume 288(1983), pages 117-125 및 Review of Scientific Instruments, volume 58(3), March, 1987에 기재되어 있는 바와 같이, 영구자석 블록만으로 이루어진 할바치형과, 영구자석블록과 연질 강자성 재료블록의 조합으로 이루어진 하이브리드형으로 분류될 수 있다. 도 7은 영구자석블록(41,42)만으로 이루어진 할바치형 삽입장치에 있어서 자석블록 어레이의, x축 방향에서 본 개략 측면도이며, 각각은 블록(41,42)의 측면상의 작은 화살표로 표시된 방향으로 자화되어 있다. 사인곡선의 주기적 자장의 주기는 4개의 인접하는 영구자석블록으로 형성되는 길이(P)에 대응한다.

y축 방향에서 본 개략 평면도인 도 8의 (A)에 나타낸 바와 같이, 하이브리드형 삽입장치에 있어서, 각 자석 어레이는 자속집중용 강자성 재료의 자극편(43;pole pieces)과 영구자석블록(41)으로 이루어지는 교대 배열로 구성되어 있다. 이 경우, 사인곡선의 주기적 자장의 주기(P)는 두개의 영구자석(41)과 두개의 자극편(43)으로 형성되는 길이이다. 상기에 설명한 2가지 형태의 삽입장치에서 얻어지는 자장의 강도 및 분포는, 하이브리드형 삽입장치의 영구자석 전체 용량이 할바치형 삽입장치에 비해 절약할 수 있기 때문에 경제적 이점을 제외하고는 성능에 특별한 차이없이 거의 동일하다.

또한, 이들 타입의 삽입장치는 주기 길이(P)와 자장 강도의 함수인 파라미터 K의 값에 따라서 언듈레이터(undulator)와 위글러로 분류할 수 있다. 즉, 삽입장치는 K값이 대략 1 또는 그 이하인 경우 언듈레이터로 되고, K값이 1보다 상당히 큰 경우에는 위글러로 된다.

본 발명은 하이브리드형 삽입장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 하이브리드형 위글러에 관한 것이다. 하이브리드형 위글러에 있어서, 도 8의 (A) 및 도 8의 (B)의 개략 평면도 및 측면도에 나타낸 바와 같이, 자석 어레이내의 각 자극편(43)은 중심축(C) 또는 어레이방향을 따라서 서로 반대방향의 자화를 가지는 가장 가까운 두개의 영구자석블록(41)사이에 끼워져 있고, 자속이 각각의 자극편(43)에 집중되어, 영구자석(41)과 자극편(43)의 두 어레이 사이에서 거리(d)를 갖는 공극내에 강한 자장을 발생시킨다. 도 8의 (A)에 나타낸 바와 같이, 전자가 통과하는 중심축(C)에서 자속 변환을 용이하게 하기 위해, 자극편(43)의 x방향 치수는 영구자석블록(41)의 치수 보다 작게 되어 있다.

위글러는 특히, 높은 에너지의 방사광 또는 경(硬) X선(hard X-rays)을 발생시키기 위해서 사용되기 때문에, 자석블록 어레이들 사이의 공극에서 발생되는 자장은 충분히 강해야만 한다. 자장은 자석블록 어레이들 사이의 거리(d)를 감소시킴으로써 증가될 수 있지만, 진공실의 공간을 확보하기 위해 공극 거리(d)를 10mm 보다 상당히 작게 감소시키는 것은 실용적이지 않다. 영구자석블록의 체적을 증가시킴으로써 어느 정도 자장이 증가될 수 있지만, 하이브리드형 위글러에 있어서 영구자석블록(41)의 체적이 증가함에 따라서 자극편(43)의 자기포화에 의해 자장이 제한되고, 할바치형 위글러에 있어서의 자장에 대한 기여는 중심축(C)에 근접해 있는 영구자석블록의 체적부분에 의해서만 나타나며, 중심축(C)으로부터 떨어진 체적부분은 별로 기여하지 못하기 때문에, 이러한 방법은 문제를 해결하지 못한다.

중간 규모의 싱크로트론 방사광 시설에서 경X선을 이용하게 되면, 주기적 자장의 피크값으로서 적어도 2T의 자장을 발생시키는 위글러가 필요하다고 여겨진다. 물론, 위글러에서 발생되는 자장이 증가함에 따라서 넓은 에너지 범위의 싱크로트론 방사광을 제공할 수 있기 때문에, 싱크로트론 방사광 시설은 이용가치가 높아진다.

본 발명의 목적은 종래의 위글러에서 얻을 수 없었던 높은 주기적 자장을 발생시킬 수 있는 하이브리드형 위글러를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 사이에 공극(gap space)을 개재하여 마주보고 대면하는 한쌍의 어레이로 구성되며, 상기 각 어레이는 상기 어레이의 길이방향으로 교대로 배치된, 복수의 메인 영구자석블록 및 자극편(pole pieces)으로서 철 또는 철-코발트 합금 같은 연질 강자성 재료의 복수의 블록으로 이루어지고, 하나의 어레이 내의 각 메인 영구자석블록은 다른 어레이 내의 메인 영구자석블록들 중 하나와 대면하고, 하나의 어레이 내의 각 자극편은 다른 어레이 내의 자극편들 중 하나와 대면하며, 각 자극편은 그 측면에서 한쌍의 보조 영구자석블록에 의해 끼워져 있는 하이브리드형 위글러를 제공한다.

본 발명의 하이브리드형 위글러의 가장 특징적인 것은, 어레이내의 두개의 인접하는 메인 영구자석블록 사이에 배치되어 있는 각각의 연질 자극편이 그 측면에서 한쌍의 보조 영구자석블록에 의해 끼워져 있고, 두 어레이 사이의 공극내에서 예상하지 못한 높은 자장이 발생될 수 있다는 것이다.

이하, 본 발명의 하이브리드형 위글러에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1의 (A)는 본 발명의 하이브리드형 위글러에 있어서 x-z평면에 도시된 단면도이고, 도 1의 (B)는 도 1의 (A)에서 화살표IB-IB로 나타낸 선에 따른 y-z평면에서의 단면도이다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 하이브리드형 위글러는 기본적으로 그 사이에 거리(d)의 공극(G)을 둔 한쌍의 마주보는 자석블록 어레이로 구성되며, 각 어레이는 도 8의 (A) 및 도 8의 (B)에 나타낸 종래 하이브리드형 위글러와 마찬가지로, 복수의 영구자석블록(1,1)(이하, 메인 자석이라 함)과 복수의 연질 강자성 재료의 블록(3,3)(이하, 자극편이라 함)으로 형성되어 있고, 어레이의 길이방향으로 교대로 배열되어 있다. 메인 자석(1,1)의 자화방향은 z축방향, 즉 자석블록 어레이의 길이방향으로 되어 있지만, 메인 자석은 각각의 단면(1,1)에 표시된 작은 화살표로 나타낸 바와 같이 교대로 반대방향으로 자화된다. 공극(G)내에 발생되는 주기적 자장은 주로 메인 자석(1,1)과 자극편(3,3)에 의한 것이다.

종래의 하이브리드형 위글러에 있어서의 자석블록 어레이와 다르게, 각각의 자극편(3,3)이 그 측면에서 한쌍의 보조 영구자석블록(2,2)(이하, 보조자석이라 함)에 의해 끼워져 있다. 즉, 각각의 자극편(3)은 4개의 영구자석블록에 의해서 둘러싸여져 있고, 그 중 두개는 어레이의 길이방향으로 자극편(3)을 끼워 넣는 메인 자석(1,1)이고, 나머지 두개는 측면에서 자극편(3)을 끼워 넣는 보조 자석(2,2)이다. 보조자석의 자화방향은 z축에 수직하고, x-z평면내에 있으며, 보조자석(2)의 자화방향은 자극편(3)을 끼워 넣고 있는 마주보는 보조자석(2)의 자화방향과 반대방향이며, 가장 가까운 보조자석(2,2)쌍의 자화방향과 반대방향이다. 이들 보조자석(2,2)에 의해, 공극(G)내의 사인곡선의 주기적 자장은 매우 강해질 수 있다.

도 1의 (B)에 나타낸 바와 같이, 메인 자석(1), 보조 자석(2) 및 자극편(3)의, 공극(G)과 각각 대면하는 끝면(11,21,31)은 실질적으로 동일 평면상에 있는 반면, 원래 동일 평면에 있는 메인 자석(1)과 보조자석(2)의 외측과 대면하는 끝면(16,26)은 오목한 자극편(3,3)의 외측과 대면하는 끝면(36)과 동일 평면상에 있지 않는 것이 바람직하다. 이러한 각 블록(1,2,3)의 어레이는 자속이 위글러 시스템의 외부로 누설되는 것을 방지하고 자속을 공극(G)쪽으로 집중시키기 위해서 중요하다.

삽입장치에 있어서, 자장분포의 변화를 최소로 하기 위한 요구가 일반적으로 많으므로, 통상 자석블록 어레이의 조립후 자장 조정을 행할 필요가 있다. 자장 조정 방법에는, 공극(G)과 대면하고 있는 각각의 영구자석블록의 끝면에 자기적 연자성 재료의 박판을 부착하는 방법과, 영구자석블록 어레이의 외부에 자장 조정의 효과를 갖고 있는 자기적 연자성 재료로 이루어진 부재를 배치하는 방법 등이 알려져 있다. 전자의 방법은 영구자석블록의 끝면에 상기 자성 박판을 부착할 수 있는 장소가 없기 때문에 본 발명의 하이브리드형 위글러에 적절하지 않고, 또한, 후자의 방법은 자석블록 어레이를 유지하기 위한 프레임랙(frame rack)의 구조를 필요로 하기 때문에 실용적이지 않다.

도 2는 영구자석블록(2,2)를 유지하는 홀더(4)와, 스러스트 나사(5)를 회전시킴으로써 마주보는 보조자석(2,2) 사이에서 미끄러질 수 있는 상태로 자극편(3)을 유지하는 홀더(8)를 포함하는, x-y평면에서의 단면도에 의해 일종의 프레임랙을 나타내며, 이것에 의해 자극편(3)을 둘러싸는 메인 영구자석블록(1,1)과 보조 영구자석블록(2,2)에 대해 자극편(3)을 수직방향으로 배치할 수 있다. 자극편(3)의 위치는 공극(G)내의 자장에 크게 영향을 주기 때문에, 스러스트 나사(5)의 아주 작은 회전 조정으로도 자장 조정의 큰 효과를 얻을 수 있다.

자극편(3)을 형성하는 자성재료는 철 및 철에 기초한 합금 등의 연질 강자성 재료이며, 높은 포화 자화에 관해서는 철-코발트 합금이 바람직하다.

이하, 본 발명의 하이브리드형 위글러에 대하여 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명한다.
(실시예)

도 3의 (A)∼(C)에서 단면도로 나타낸 하이브리드형 위글러를 준비하였다. 도면에 주어진 치수는 각각 밀리미터 단위이다. 도 3의 (A)는 중심축(C)을 포함하는 y-z평면에 따른 자석블록어레이 조립의 수직 단면도이다. 도 3의 (B)는 도 3의 (A)에서 화살표ⅢB-ⅢB에 따른 단면도, 도 3의 (C)는 도 3의 (A)에서 화살표ⅢC-ⅢC에 따른 단면도이다.

메인 자석(1,1) 및 보조 자석(2,2)용으로 사용되는 영구자석 재료는 잔류 자화 Br=12.9kG, 항자력 iHc=12.9kOe 를 갖는 Nd-Fe-B 자석(N42H, 신에츠 케미칼사 제품)이며, 자극편(3,3)은 포화 자화가 23.1kG인 Fe-Co 합금(Cemendur, 토킨사 제품)으로 만들어졌다. 3개의 자극편(3,3)은 각 자석블록어레이의 거리가 100mm 이상이 되도록 조립되었다. 자석블록어레이 간의 공극 거리(d)는 3∼30mm의 가변 거리로 하였다.

비자기 홀더(4,8)로 조립할 경우, 4개의 메인 자석(1,1)과 각각 그 측면에서 한쌍의 보조 자석(2,2)의 옆면에 끼워진 3개의 자극편(3,3)으로 이루어지는 자석블록어레이 각각은, 보호 가드(9)로 보호되고, 나사 볼트(11)를 갖는 자석 프레서(6)에 의해 고정되어, 자극편(3)의 바람직한 위치조정을 위해 스러스트 나사(5)을 삽입하기 위한 개구(10)를 가진 베이스 플레이트(7)상에 부착되었다.

상기 준비된 하이브리드형 위글러는 실제 하이브리드형 위글러의 1/2 축소된 크기인 테스트 모형이었다. 예를 들면, 이 테스트 모형에서 공극 거리(d) 5mm 는 실제 모형에서 공극 거리 10mm에 해당하였다.

도 4는 z축을 따라서 거리(z)를 횡좌표로서 취하고, 상기 준비된 테스트 위글러에 있어서 공극 거리(d) 3.5mm(실선) 또는 5mm(점선)에 대해 중심축(C)을 따라서 y축 방향에서의 주기적 자장(B_y)의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 상측 피크(2)의 값은 하측 피크(1)의 값보다 약간 작다. 이는 상측 피크가 하방향 피크 자장 사이에 끼워지기 때문이다. 이 상황은 피크 자장이 중앙 피크인 피크(2)의 값에 가까운 값을 갖는 큰 주기를 갖는 실제 위글러에 있어서 상이하다.

도 5는 공극 거리(d)가 30mm까지 변할 때, 피크(1)(곡선1) 및 피크(2)(곡선2)에 대한 자장의 피크값(절대값)을 나타내는 그래프이다. 실제 위글러에 있어서 공극 거리 10mm 및 7mm에 각각 해당하는, 공극 거리(d)가 5.0mm 또는 3.5mm일 때, 피크(2)의 피크값은 2.8T 및 3.0T이었다.

본 발명에 의하면, 종래의 위글러에서 얻을 수 없는 높은 주기적 자장을 발생시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 사이에 공극(gap space)을 개재하여 마주보고 대면하는 한쌍의 어레이로 구성된 하이브리드형 위글러로서,

   상기 각 어레이는 상기 어레이의 길이방향으로 교대로 배치된, 자극편(pole pieces)으로서 복수의 연질 강자성 재료의 블록 및 복수의 메인 영구자석블록으로 이루어지고,

   하나의 어레이 내의 각 메인 영구자석블록은 다른 어레이 내의 메인 영구자석블록들 중 하나와 대면하고, 하나의 어레이 내의 각 자극편은 다른 어레이 내의 자극편들 중 하나와 대면하며, 각 어레이에서 상기 각 자극편은 그 측면에서 한쌍의 보조 영구자석블록에 의해 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 자극편은, 자극편이 상기 한쌍의 메인 영구자석블록과 상기 한쌍의 보조 영구자석블록으로 둘러싸여진 공간내에서 어레이의 길이방향에 수직인 방향으로 미끄러질 수 있게 하는 기계적인 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
3. 제1항에 있어서, 상기 자극편을 형성하는 연질 강자성 재료는 철과 코발트의 합금인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
4. 제1항에 있어서, 상기 메인 영구자석블록의 자화방향은 상기 어레이의 길이방향에 평행하고, 그 사이에 자극편을 두는 가장 가까운 메인 영구자석블록의 자화방향과 반대방향인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
5. 제1항에 있어서, 상기 보조 영구자석블록의 자화방향은 상기 어레이의 길이방향에 수직이고, 한쌍으로 상기 자극편을 사이에 끼우고 있는 두개의 보조 영구자석블록은 서로 반대방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
6. 제1항에 있어서, 어레이내에서 상기 공극과 대면하는 상기 메인 영구자석블록, 상기 자극편 및 상기 보조 영구자석블록의 끝면은 실질적으로 동일 평면상에 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
7. 제1항에 있어서, 상기 공극으로부터 떨어져 있는 상기 자극편의 끝면은 상기 공극으로부터 떨어져 있는 상기 메인 영구자석블록 및 상기 보조 영구자석블록의 끝면에 비해 오목한 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.

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