KR100854069B1 - Magnetic probe for the measurement of the high frequency magnetic fluctuation under the high temperature, ultra-vacuum and high magnetic field environments - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온, 초고진공 및 고자장의 극한 환경을 갖는 토카막 장치 내에서 1MHz 영역까지 고주파수의 자장 섭동(magnetic fluctuation)량을 측정할 수 있는 자장 탐침에 관한 것으로서, 상기 탐침은 자장 섭동량 측정시 주파수 특성의 왜곡을 최소화하기 위하여 외피가 없는 도체선을 세라믹 보빈에 감아서 제작된다.
고온, 고자장, 초고진공, 자장섭동, 자장탐침, 신호선, 연결단자
The present invention relates to a magnetic field probe capable of measuring the amount of magnetic field fluctuation of high frequency up to 1 MHz in a tokamak device having an extreme environment of high temperature, ultra-high vacuum and high magnetic field. In order to minimize the distortion of the properties, the outer sheathed conductor wire is wound around the ceramic bobbin.
High temperature, high magnetic field, ultra high vacuum, magnetic field perturbation, magnetic field probe, signal line, connection terminal
Description
도 1은 본 발명의 일례에 따른 고주파 자장섭동 측정용 자장 탐침과 신호선을 보여주는 개요도이다. 1 is a schematic diagram showing a magnetic field probe and a signal line for measuring a high frequency magnetic field perturbation according to an example of the present invention.
도 2a는 본 발명에 의한 자장 탐침의 일례로서, 깊이가 다른 2개의 나선형의 홈(spiral groove)을 갖는 세라믹 보빈의 각각의 나선형 홈에 도체선이 감긴 모습을 보여준다. 여기서 상부 그림은 깊이가 얕은 나선형 홈에 도체선이 감긴 모습을 보여주는 것이며, 하부의 그림은 깊이가 깊은 나선형 홈에 도체선이 감긴 모습을 보여주는 것이다.Figure 2a is an example of the magnetic field probe according to the present invention, shows a conductor wire wound around each spiral groove of the ceramic bobbin having two spiral grooves of different depths. The upper figure shows the conductor wire wound in a shallow spiral groove, and the lower figure shows the conductor wire wound in a deep spiral groove.
도 2b는 도 2a에 의한 보빈에 형성된 나선형 홈에 감겨지는 도체선의 위치를 설명하기 위하여, 상기 보빈을 위쪽에서 내려다 보았을 때 보빈 주위로 도체선이 감겨지는 위치를 점선을 이용하여 가상적으로 도시한 것이다. 여기서, 상부 그림은 깊이가 얕은 나선형 홈에 도체선이 감기는 위치 관계를 보여주는 것이며, 하부의 그림은 깊이가 깊은 나선형 홈에 도체선이 감기는 위치 관계를 보여주는 것이다.FIG. 2B is a virtual diagram showing a position where the conductor line is wound around the bobbin when the bobbin is viewed from above to explain the position of the conductor line wound on the spiral groove formed in the bobbin of FIG. 2A. . Here, the upper figure shows the positional relationship in which the conductor line is wound in the shallow depth spiral groove, and the lower figure shows the positional relationship in which the conductor line is wound in the deep spiral groove.
도 3은 본 발명의 일례에 의한 자장 탐침의 도체선과 상기 자장 탐침의 신호 를 전달하기 위한 동축 신호선이 구리 연결단자(3)와 스테인레스 스틸 연결단자(6) 및 메탈라이징 된 세라믹튜브(5)에 의하여 진공 밀폐상태로 연결된 것을 보여주는 도면이다.3 shows a conductor wire of a magnetic field probe according to an example of the present invention and a coaxial signal line for transmitting a signal of the magnetic field probe to a
도 4는 미네랄 동축 신호선의 트위스트된 모습을 보여주는 일례로서, 상기 동축 신호선이 신호선 연결단자들(구리 연결단자(3)와 스테인레스 스틸 연결단자(6))과 부착된 상태에서 트위스트된 모습을 보여준다.4 is an example showing a twisted state of the mineral coaxial signal line, and the coaxial signal line is twisted in a state in which the coaxial signal line is attached to the signal line connecting terminals (
도 5는 본 발명의 일례로서 제작된 자장 탐침에 대하여 헬름홀츠 코일 내에서 측정한 주파수 특성 결과를 보여주는 그래프이다. 5 is a graph showing a frequency characteristic result measured in a Helmholtz coil for a magnetic field probe manufactured as an example of the present invention.
도 6은 종래의 일반적인 토카막 핵 융합로의 구성 및 작동원리를 나타내는 도면이다.6 is a view showing the configuration and operation principle of a conventional general Tokamak nuclear fusion furnace.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 2단으로 된 2중 나선형 홈이 있는 세라믹 보빈1: Ceramic bobbin with two-stage double spiral groove
2: 도체선2: conductor wire
3: 도체선을 연결하기 위한 구리 연결단자3: Copper connector for connecting conductor wire
4: 세라믹 덥개4: ceramic lid
5: 메탈라이징 된 세라믹튜브5: metallized ceramic tube
6: 스테인레스 스틸 연결단자6: stainless steel connector
7: 니켈 도금된 구리 심선7: nickel-plated copper core wire
8: 외피가 스테인레스 스틸인 미네랄 절연체 동축선8: mineral insulator coaxial wire with stainless steel sheath
Bt: 토로이달 자기장B t : toroidal magnetic field
Bp: 폴로이달 자기장B p : poloidal magnetic field
본 발명은 고온, 초고진공 및 고자장의 극한 환경을 갖는 핵융합용 토카막 장치 내의 고온 플라즈마에 의해 발생되는 자장 섭동량 (magnetic fluctuation)을 플라즈마 언저리(plasma edge)에서 측정하는 자장 탐침 (magnetic probe)에 대한 것이다. The present invention relates to a magnetic probe for measuring magnetic fluctuations generated by high temperature plasma in a fusion tokamak device having a high temperature, ultra high vacuum, and high magnetic field environment at the plasma edge. will be.
핵융합이란 복수의, 통상적으로는 2개의 가벼운 핵이 서로 충돌하여 핵 사이의 강한 반발력을 극복하고 무거운 핵을 형성하도록 하는 현상 또는 과정을 말한다. 핵융합을 진행하는 과정에 있어서, 양성자로 인하여 양의 전하를 띤 핵들 사이에는 쿨롱의 힘이라 불리는 정전기적 척력이 작용하며, 핵들이 이러한 척력을 극복하고 중성자 등 소립자 간의 근거리력인 핵력이 작용할 수 있도록 충분히 근접하여야만 핵융합이 가능하다. 이러한 핵융합은 핵융합은 아주 높은 온도에서 전자와 핵(즉, 이온)이 분리된 채 고루 섞여 분포되어 있는 플라스마 상태에서 이루어지는 것이 일반적이다. Nuclear fusion refers to a phenomenon or process in which a plurality of, typically two, light nuclei collide with each other to overcome strong repulsion between nuclei and form a heavy nucleus. In the process of nuclear fusion, electrostatic repulsive forces, called coulomb forces, act between the positively charged nuclei due to protons, so that the nuclei can overcome these repulsive forces and act as near-field forces between small particles such as neutrons. Only enough close to allow fusion. Such fusion is generally achieved in a plasma state where electrons and nuclei (ie, ions) are separated and distributed evenly at very high temperatures.
핵융합이 가능한 고온 플라스마 상태는 매우 높은 온도를 요구하므로 현실적으로 그러한 고온 상태를 구현하는 것은 많은 어려움이 있으며, 따라서 이러한 핵융합 실현을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 핵융합을 가능케 하는 방법 중에 하나로서 전자기력을 이용하는 방법이 있다. 상기 전자기력을 이용하는 방법 에서는 대전 입자를 가두는 감금시간, 즉 플라스마 상태의 지속시간을 늘릴수록 핵융합 반응의 가능성이 높아진다. 이 때, 플라스마가 핵융합 반응을 일으키기 위한 시간보다 감금시간이 더 길어야 한다는 것이 요구되며, 이에 따라, 얼마나 큰 플라스마가 얼마나 오랫동안 핵융합 반응로 내에 있어야 하는 지가 중요한데, 현재 플라스마의 밀폐상태를 지속하기 위한 장치 및 방법으로서 토카막 핵융합로가 있다Since high temperature fusion possible plasma conditions require very high temperatures, there are many difficulties in realizing such high temperature conditions. Therefore, much research is being conducted to realize such fusion. One of the ways to enable such fusion is to use electromagnetic force. In the method using the electromagnetic force, the longer the confinement time of confining the charged particles, that is, the duration of the plasma state, the higher the possibility of the fusion reaction. At this time, it is required that the confinement time be longer than the time for the plasma to cause the fusion reaction, and therefore, it is important how long the plasma should be in the fusion reactor, and the device for maintaining the current state of plasma closure. And tokamak fusion reactors as a method.
플라스마의 밀폐시간을 연장하기 위해, 즉, 핵융합 반응의 확률을 높이기 위해, 현재 활발히 연구 중에 있는 것이 토카막 핵융합로이다. 즉, 토카막이란 핵융합 때 물질의 제4상태인 플라스마 상태로 변하는 핵융합 발전용 연료기체를 담아두는 용기(容器)를 말한다. 일반적으로 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 온도가 1억℃, 이온밀도 1 cm3당 100조(兆) 개 정도의 초고온 플라스마를 약 1초 동안 일정한 용기 속에 밀폐해 둘 필요가 있다. 이 때 용기에 플라스마가 닿으면 용기가 녹아버리므로, 플라스마를 강한 자기장에 의해 용기 중앙부의 공간에 띄우는 것을 생각하게 되었다. 이것이 플라스마 밀폐장치인데, 도너츠 모양을 한 진공용기 주위에 코일을 감고, 이 코일이 만드는 강한 자기장과 용기 중심부에 있는 플라스마에 전류를 발생시켜 플라스마를 안정적으로 밀폐하는 것이다.Tokamak fusion reactors are currently being actively researched to extend the plasma sealing time, ie to increase the probability of fusion reactions. In other words, the tokamak refers to a container containing a fuel gas for fusion power generation that changes to a plasma state of a fourth state of matter during fusion. In general, the temperature is 100 million ℃ to produce nuclear fusion reactions, a very high temperature of the plasma ion density of 1 100 cm jo (兆) per three degree for about one second it is necessary to seal in a certain container. At this time, when the plasma touches the container, the container melts, so it is thought that the plasma floats in the space of the center of the container by a strong magnetic field. This is a plasma sealer, which winds a coil around a donut-shaped vacuum vessel and generates a strong magnetic field that generates the current in the plasma at the center of the vessel, thus stably sealing the plasma.
토카막은 1950년대 초반에 구소련의 물리학자 탐(Tamm) 과 사크하로프(Sakharov) 그리고 미국의 스피져(Spitzer)에 의해서 처음 제안되었다. 토카막이란 명칭은 토로이드, 카메라 및 마그네틱이 합성된 것으로서 토로이드형의(즉, 토로이달(toroidal)) 자장용기라는 뜻을 함축하고 있다. 한동안 토카막에 대한 별다른 성과가 없던 중에, 1968년 구소련의 노보시비리스크(Novosibirisk)에서 열린 제 3차 국제 플라스마 물리 및 핵융합 대회에 이르러 발표된 T-3 및 TM-3 토카막의 실험값들은 과거의 값들과 비교하여 월등한 것이었으며, 이러한 성과에 기초하여 그에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 국내에서도 세계 최초로 초전도 자석을 적용한 토카막형 핵융합장치 'KSTAR(Korea Supercoducting Tokamak Advanced Research)'를 개발중이며 오는 2007년 준공될 예정이다.Tokamak was first proposed in the early 1950s by former Soviet physicists Tamm, Sakharov and the American Spitzer. The name Tokamak is a combination of toroidal, camera and magnetic, implying that it is a toroidal (ie, toroidal) magnetic container. While the results of Tokamak have been little for a while, the experimental values of T-3 and TM-3 Tokamak, announced in 1968 at the 3rd International Plasma Physics and Nuclear Contest at Novosibirisk, the former Soviet Union, Compared to this, research was actively conducted based on these achievements. In Korea, KSTAR (Korea Supercoducting Tokamak Advanced Research), the world's first superconducting magnet, is being developed and will be completed in 2007.
토카막의 원리는 자력선 회전변위를 만드는 플라스마 자체에 전류를 발생시켜 해결하는 것이다. The principle of the tokamak is to solve this problem by generating an electric current in the plasma itself, which makes the rotation of the magnetic lines.
도 6은 종래의 토카막 핵융합로(100)의 구성을 나타낸 개략도이다. 종래의 토카막 핵융합로(100)는 도 6에 나타낸 바와 같이 토로이달 자장용 절연코일(110)이 감긴 토러스 용기가 변압기 코어(160)를 중심으로 배치되어 있고, 토러스 용기 내에는 진공용기(140)와 플라스마 통과제한장치(130)가 설치되어 있다. 토러스 용기 내에 핵융합 연료를 넣고 변압기 1차 코일(150)에 충격적 펄스전류를 흘려주면 핵융합 연료는 강한 유도전류의 영향으로 전리되면서 플라스마(120) 상태가 된다. 이와 더불어 용기의 토로이달 방향으로 강한 유도 전기장이 형성되면서 플라스마(120)에 전류가 흐르게 되고, 이 전류가 바로 회전변위를 주는 자기장을 만든다. 이렇게 토카막 장치에서 플라스마(120)에 흐르는 전류는 자력선의 회전변위, 자기우물, 자기 단층 등을 형성시켜 플라스마의 평형 및 안정을 이룰 뿐만 아니라 동시에 플라스마(120)를 가열시키는 역할도 한다.Figure 6 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional Tokamak fusion reactor (100). In the conventional Tokamak
이러한 토카막 장치 내의 고온 플라즈마에 의해 발생되는 자기장은 안정적이지 못하여 섭동을 나타내는데, 이러한 자장 섭동량은 플라즈마 조건에 따라 수 kHz에 서 수 MHz 영역에 걸친 주파수 스펙트럼을 갖는다. 상기 자장 섭동량의 주파수 특성 및 공간적 위상 차이(phase difference)값은 토카막 플라즈마 내의 자기 유체 역학적 불안정성(MHD instability) 현상 등을 연구하는 데 주요한 데이터로 사용되고 있다. The magnetic field generated by the high temperature plasma in the tokamak device is not stable and exhibits perturbation. The amount of magnetic field perturbation has a frequency spectrum ranging from several kHz to several MHz depending on the plasma conditions. The frequency characteristics and spatial phase difference values of the magnetic field perturbation amount are used as main data to study the phenomenon of MHD instability in Tokamak plasma.
이러한 토카막 장치 내의 고온 플라즈마에 의해 발생되는 자장 섭동량을 측정하기 위하여 자장 탐침이 사용된다.A magnetic field probe is used to measure the amount of magnetic field perturbation generated by the high temperature plasma in such a tokamak device.
그런데, 종래의 기존의 자장 탐침은 에나멜선을 이용하여 제작되었는데, 고온의 플라즈마 조건에서 사용할 경우 피복이 손상되어 탐침으로서 역할이 어렵게 되고, 피복에서 배출되는 불순물이 플라즈마에 영향을 주게 되는 문제점이 있다.By the way, the conventional magnetic field probe is manufactured using an enameled wire, when used under high temperature plasma conditions, the coating is damaged, so that it becomes difficult to serve as a probe, and impurities emitted from the coating affect the plasma. .
또한, 토카막 플라즈마 내에서는 플라즈마 가열에 이용되는 수십 MHz에서 수십 GHz의 고출력 전자파가 필연적으로 존재하게 된다. 이 때문에 부도체 피복을 갖는 코일을 이용하여 제작된 탐침을 사용할 경우, 측정신호 전달과정에서 부도체 피복의 신호선에 상기 고출력 전자파가 측정신호에 잡음 신호로 실리게 되는 문제점이 있다. 이에 고온에 적합하고 전자파 차폐 효과를 갖는 스테인레스 스틸로 피복된 미네랄 절연 동축선을 이용하여 제조된 탐침이 제시되었다. 그런데 상기 탐침을 이용하여 자장 섭동량을 측정하는 경우에는, 상기 피복물인 스테인레스 스틸이 도체이기 때문에 도체인 상기 피복물에 표면전류 (eddy current)가 유기되어 섭동량의 주파수 특성이 왜곡되어 측정하고자 하는 섭동량의 주파수 범위가 제한을 받는다. In addition, high power electromagnetic waves of several tens of MHz to several tens of GHz are inevitably present in the tokamak plasma. For this reason, when a probe manufactured using a coil having a non-conducting sheath is used, there is a problem in that the high output electromagnetic wave is loaded as a noise signal on the measuring signal in a signal line of the non-conducting sheath during a measurement signal transmission process. This suggests a probe manufactured using a mineral insulated coaxial wire coated with stainless steel, which is suitable for high temperature and has an electromagnetic shielding effect. However, in the case of measuring the magnetic field perturbation amount using the probe, since the stainless steel as the coating material is a conductor, surface current (eddy current) is induced in the coating material as the conductor and the frequency characteristic of the perturbation amount is distorted. The same frequency range is limited.
이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하고자 연구하였으며, 세라믹 보빈에 홈(groove)을 내어 외피가 없는 도체선을 홈을 따라 감아 탐침을 제작함으로써 상기 문제점을 해결할 수 있음을 알고 본 발명을 완성하였다. Thus, the present invention has been studied to solve the problems described above, and completed the present invention by knowing that the problem can be solved by making a probe by winding a groove in a ceramic bobbin along a groove without a sheath. .
따라서, 본 발명은 고온의 플라즈마 조건에서 사용할 수 있는 자장 섭동 측정용 자장 탐침을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic field probe for measuring magnetic field perturbation that can be used under high temperature plasma conditions.
또한 본 발명은, 신호선 경로상에서 측정신호에 잡음 신호가 실리지 않는 자장 섭동 측정용 자장 탐침을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a magnetic field probe for measuring magnetic field perturbation in which no noise signal is carried on a measurement signal on a signal line path.
또한, 본 발명은 측정신호의 주파수 특성이 왜곡되지 않는 자장 섭동 측정용 자장 탐침을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a magnetic field probe for measuring magnetic field perturbation in which the frequency characteristic of the measurement signal is not distorted.
또한 본 발명은 토카막 장치에서 고주파 자장섭동을 측정하기 위해 상기 자장 탐침을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide the magnetic field probe for measuring the high frequency magnetic field perturbation in the Tokamak device.
본 발명은 세라믹 보빈 및 상기 세라믹 보빈에 감겨져 있는 도체선을 포함하는 자장 탐침에 대한 것으로서, 상기 세라믹 보빈의 표면에는 깊이가 서로 다른 2개의 나선형의 홈(spiral groove)이 형성되어 있으며, 상기 2개의 나선형 홈은 상기 세라믹 보빈의 저부에서 세라믹 보빈의 중심축을 중심으로 서로 대향되는 지점에 형성되어 있으며 상기 세라믹 보빈의 상부에서는 서로 연결되어 있으며, 상기 도체선은 상기 2개의 나선형 홈을 따라 연속적으로 상기 세라믹 보빈을 감게 되어 하나의 도체선으로 2층을 감은 모양이 형성되며, 상기 도체선의 양단부는 보빈의 저부에 위치하며, 상기 도체선은 무피복의 나선(裸線; bare wire)인 것을 특징으로 하는 자장 탐침을 제공한다.The present invention relates to a magnetic field probe comprising a ceramic bobbin and a conductor wire wound around the ceramic bobbin, wherein two spiral grooves having different depths are formed on a surface of the ceramic bobbin. Spiral grooves are formed at the bottom of the ceramic bobbin to be opposed to each other about the central axis of the ceramic bobbin and connected to each other at the top of the ceramic bobbin, the conductor line is continuously along the two spiral grooves The bobbin is wound to form a shape in which two layers are wound with one conductor wire, and both ends of the conductor wire are positioned at the bottom of the bobbin, and the conductor wire is bare wire. Provide a magnetic field probe.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명에서는 상기에서도 언급한 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 방법을 연구한 결과, 우선 고온에 견디며 및 고진공에서 사용 가능한 고순도 세라믹 재료(예를 들어, Al2O3)를 이용하여 제작한 세라믹 보빈에 일정한 깊이의 홈(groove)을 내어 외피가 없는 도체선을 홈을 따라 감아 탐침을 제작하였다. 이때 세라믹 보빈에 2층으로 구리선을 감아 시작점과 끝점 간의 간격을 최소화하여 자기장 측정시 탐침의 끝단에서 야기되는 스트레이 필드(stray field)의 실림을 최소화하였다. 이로 인하여 종래의 탐침에서 나타나는 고온에서 감은 코일 외피 손상에 따른 측정상 문제 및 불순물 배출에 의한 플라즈마 영향을 상당히 개선할 수 있다.In the present invention, as a result of studying the method to solve the above-mentioned problems of the prior art, firstly, a ceramic bobbin fabricated using a high-purity ceramic material (for example, Al 2 O 3 ) that can withstand high temperatures and can be used in high vacuum. The probe was fabricated by winding a grooved conductor wire along the groove with a groove having a constant depth. At this time, the copper wire was wound in two layers on the ceramic bobbin to minimize the gap between the start point and the end point, thereby minimizing the stray field caused at the tip of the probe during magnetic field measurement. As a result, measurement problems caused by coil winding damage wound at a high temperature in a conventional probe and plasma effects due to impurity discharge can be significantly improved.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 고주파 자장섭동 측정용 자장 탐침과 신호선을 보여주는 개요도이다. 1 is a schematic diagram showing a magnetic field probe and a signal line for measuring a high frequency magnetic field perturbation according to an example of the present invention.
도 2a는 본 발명에 의한 자장 탐침의 일례로서, 깊이가 다른 2개의 나선형의 홈(spiral groove)을 갖는 세라믹 보빈의 각각의 나선형 홈에 도체선이 감긴 모습을 보여준다. 여기서 상부 그림은 깊이가 얕은 나선형 홈에 도체선이 감긴 모습을 보여주는 것이며, 하부의 그림은 깊이가 깊은 나선형 홈에 도체선이 감긴 모습을 보여주는 것이다.Figure 2a is an example of the magnetic field probe according to the present invention, shows a conductor wire wound around each spiral groove of the ceramic bobbin having two spiral grooves of different depths. The upper figure shows the conductor wire wound in a shallow spiral groove, and the lower figure shows the conductor wire wound in a deep spiral groove.
도 2b는 도 2a에 의한 보빈에 형성된 나선형 홈에 감겨지는 도체선의 위치를 설명하기 위하여, 상기 보빈을 위쪽에서 내려다 보았을 때 보빈 주위로 도체선이 감겨지는 위치를 점선을 이용하여 가상적으로 도시한 것이다. 여기서, 상부 그림은 깊이가 얕은 나선형 홈에 도체선이 감기는 위치 관계를 보여주는 것이며, 하부의 그림은 깊이가 깊은 나선형 홈에 도체선이 감기는 위치 관계를 보여주는 것이다.FIG. 2B is a virtual diagram showing a position where the conductor line is wound around the bobbin when the bobbin is viewed from above to explain the position of the conductor line wound on the spiral groove formed in the bobbin of FIG. 2A. . Here, the upper figure shows the positional relationship in which the conductor line is wound in the shallow depth spiral groove, and the lower figure shows the positional relationship in which the conductor line is wound in the deep spiral groove.
본 발명에 있어서 상기 도체선은 비자화성과 도전성을 가진 선이라면 제한없이 사용가능하다. 본 발명의 일례에 따르면 도체선은 금속선이 될 수 있다. 또한, 본 발명의 일례에 따르면, 상기 금속선으로서 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐, 알루미늄, 니켈, 또는 이들에 금 혹은 은이 도금된 것 또는 백금에 의하여 형성된 것을 사용할 수 있다.In the present invention, the conductor wire can be used without limitation as long as it has a non-magnetic and conductive wire. According to an example of the present invention, the conductor wire may be a metal wire. In addition, according to an example of the present invention, as the metal wire, stainless steel, copper, tungsten, aluminum, nickel, or gold or silver plated on these, or one formed of platinum can be used.
핵융합 분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자라 한다)라면, 필요에 따라 적절한 형태의 도체선을 사용하여 적절하게 자장 탐침을 제조할 수 있을 것이다.Those of ordinary skill in the fusion field (known as those skilled in the art) will be able to manufacture magnetic field probes appropriately using appropriately shaped conductor wires as needed.
본 발명에 있어서 상기 도체선의 단면 형태에는 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 원형 또는 타원형 혹은 사각형의 단면을 갖는 도체선을 사용할 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 도체선으로서 단면이 사각형인 도체선을 사용할 수 있다.In the present invention, the cross-sectional shape of the conductor wire is not particularly limited. For example, a conductor wire having a circular, elliptical or square cross section can be used. According to one example of the present invention, a conductor wire having a rectangular cross section can be used as the conductor wire.
상기 도체선의 길이는 세라믹 보빈의 크기에 따라 정해질 수 있으며, 상기 도체선의 직경은 필요에 따라 당업자가 적의하게 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면, 직경이 0.5 내지 3mm인 도체선을 사용할 수 있을 것이다.The length of the conductor wire may be determined according to the size of the ceramic bobbin, and the diameter of the conductor wire may be appropriately selected and used by those skilled in the art as needed. According to one example of the present invention, a conductor wire having a diameter of 0.5 to 3 mm may be used.
본 발명에 있어서 상기 세라믹 보빈을 제조하기 위한 세라믹 재료에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 고온 및 고 자기장 환경의 플라즈마 환경에서 사용가능한 세라믹 재료라면 제한없이 사용가능하다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 세라믹 보빈은 Al2O3, MgO, SiO2, SiC, BN 또는 이들의 혼합물에 의하여 형성된 것을 사 용할 수 있다.There is no particular limitation in the ceramic material for producing the ceramic bobbin in the present invention. Any ceramic material usable in a plasma environment of high temperature and high magnetic field environment can be used without limitation. According to an example of the present invention, the ceramic bobbin may be formed of Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , SiC, BN or a mixture thereof.
본 발명에 있어서 상기 세라믹 보빈의 크기 및 그 형태에는 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 핵융합 분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면, 필요에 따라 적절한 형태 및 크기의 세라믹 보빈을 적의하게 제조하여 자장 탐침을 제조할 수 있을 것이다. 본 발명의 일례에 따르면, 도 2a 및 2b에 개시된 바와 같이 상기 세라믹 보빈은 길이방향의 중심축에 수직하는 단면이 레이스트랙(race-track) 형태로 제조될 수 있다.In the present invention, the size and shape of the ceramic bobbin are not particularly limited. Those skilled in the art of fusion will be able to manufacture magnetic field probes by appropriately preparing ceramic bobbins of appropriate shape and size as needed. According to one example of the present invention, as shown in FIGS. 2A and 2B, the ceramic bobbin may be manufactured in a race track in a cross section perpendicular to the central axis in the longitudinal direction.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 세라믹 보빈의 크기나 규격은 길이 5-15cm, 두께 1-3cm 폭 1-6cm인 것을 사용할 수 있다.According to an example of the present invention, the size or size of the ceramic bobbin can be used 5-15cm in length, 1-3cm in thickness 1-6cm in width.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 세라믹 보빈의 표면에 형성된 깊이가 서로 다른 2개의 나선형의 홈에 있어서, 깊이가 더 깊은 홈과 덜 깊은 홈의깊이 차이는 상기 도체선의 두께보다 크게 하는 것이 바람직하다. 즉, 세라믹 보빈의 표면에 형성된 상기 2개의 나선형 홈의 깊이 차이는 상기 도체선의 두께보다 크게 하는 것이 적당하다. 본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 깊이가 더 깊은 홈과 덜 깊은 홈의 깊이 차이는 상기 도체선의 두께의 1.5 내지 2.5배 정도로 할 수 있다.According to an example of the present invention, in two spiral grooves having different depths formed on the surface of the ceramic bobbin, the difference in depth between the deeper grooves and the less deep grooves is preferably greater than the thickness of the conductor line. That is, the depth difference between the two helical grooves formed on the surface of the ceramic bobbin is suitably larger than the thickness of the conductor wire. According to another example of the present invention, the depth difference between the deeper groove and the less deep groove may be about 1.5 to 2.5 times the thickness of the conductor line.
한편, 본 발명에 의한 자장 탐침의 상기 도체선은 도전성 연결단자, 세라믹튜브 및 스테인레스 스틸 연결단자와 같은 부품을 매개로 하여 신호선과 접속될 수 있다. 상기 신호선은 토카막 장치 내에 배치된 상기 자장 탐침에서 측정된 자장 습동량에 대응하는 신호를 전송하기 위한 것이다.On the other hand, the conductor wire of the magnetic field probe according to the present invention can be connected to the signal line via a component such as a conductive connection terminal, a ceramic tube and a stainless steel connection terminal. The signal line is for transmitting a signal corresponding to the magnetic field sliding amount measured by the magnetic field probe disposed in the tokamak device.
상기 신호선으로는 종래 핵융합 분야에서 사용되던 신호선을 제한없이 사용 할 수 있다. 당업자라면, 필요에 따라 적절한 신호선을 선택하여 사용할 수 있을 것이다.As the signal line, any signal line used in the conventional nuclear fusion field can be used without limitation. Those skilled in the art will be able to select and use the appropriate signal lines as needed.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 신호선으로서, 도전성의 심선 및 상기 심선과 동축으로 형성된 도전성의 외피 및 상기 심선과 도전성 외피 사이에 충진된 미네랄 절연입자를 포함하는 동축선로를 사용할 수 있다.According to an example of the present invention, as the signal line, a coaxial line including a conductive core wire and a conductive outer shell coaxially formed with the core wire and mineral insulating particles filled between the core wire and the conductive shell may be used.
보다 구체적으로, 본 발명의 일례에 따르면, 얇은 스텐인레스 스틸(stainless steel)로 된 외피, 니켈이 입혀진 구리심선 및 상기 외피와 구리 심선 사이에 충진된 절연물질인 MgO, SiO2 등의 미네랄 분말을 포함하는 미네랄 절연된 동축선을 사용할 수 있다. 상기 미네랄 절연된 동축선은 토카막 내의 고온 플라즈마 환경에 적합하며, 플라즈마 가열에 이용되는 수십 MHz에서 수십 GHz의 고출력 전자파가 부도체 피복을 갖는 코일로 제작된 탐침의 신호선 경로상에 측정신호에 실리는 잡음 신호를 차폐할 수 있다.More specifically, according to one embodiment of the present invention, the outer skin includes a thin stainless steel (stainless steel), nickel-coated copper core wire and mineral powder, such as MgO, SiO 2 and the like as an insulating material filled between the shell and the copper core wire Mineral insulated coaxial wires can be used. The mineral insulated coaxial wire is suitable for a high temperature plasma environment in a tokamak, and noise of a measurement signal on a signal line path of a probe made of a coil having a non-conductive coating of high-output electromagnetic waves of several tens of MHz to several tens of GHz used for plasma heating. You can shield the signal.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 신호선에는 상기 도전성 연결단자, 세라믹튜브 및 스테인레스 스틸 연결단자가 배치되어 있으며, 상기 신호선은 상기 도전성 연결단자에 의하여 상기 도체선과 탈착 가능하도록 할 수 있다.According to an example of the present invention, the conductive wire, the ceramic tube and the stainless steel connecting terminal is disposed on the signal line, the signal line may be detachable from the conductor wire by the conductive connecting terminal.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 심선은 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐, 알루미늄, 니켈, 또는 이들에 금 혹은 은이 도금된 것 또는 백금에 의하여 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the core wire may be formed of stainless steel, copper, tungsten, aluminum, nickel, or gold or silver plated on them, or platinum.
한편, 본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 세라믹 튜브는 그 내경이 신호선의 심선의 굵기와 일치하며, 그 표면을 텅스텐 또는 몰리브덴으로 페이스트 인쇄한 후 니켈 도금하여 메탈라이징하여 제조될 수 있다. 바람직하게는, 상기 세라믹튜브는 상기 도전성 연결단자 및 상기 스테인레스 스틸 연결단자 사이에 배치될 수 있다. 이 때, 상기 신호선의 심선과 도전성 외피 사이의 공간은 상기 세라믹튜브에 의하여 밀폐될 수 있다.Meanwhile, according to another example of the present invention, the ceramic tube may have an inner diameter that matches the thickness of the core of the signal line, and may be manufactured by metallizing the surface by paste printing tungsten or molybdenum. Preferably, the ceramic tube may be disposed between the conductive connection terminal and the stainless steel connection terminal. At this time, the space between the core of the signal line and the conductive outer cover may be sealed by the ceramic tube.
구체적으로 본 발명의 다른 일례에 따르면, 신호선 내부의 절연물질 미네랄 분말이 새어나지 않도록 진공밀폐용 신호선 연결단자를 사용하여 미네랄 동축선 두 가닥을 도체선 끝단과 연결하여 사용한다. 이는 탐침과 신호선간의 분리 및 교체가 용이하도록 되어 있다. In detail, according to another example of the present invention, two strands of mineral coaxial wires are connected to the conductor wire ends by using a signal line connection terminal for vacuum sealing so that the insulating material mineral powder does not leak inside the signal line. This makes it easy to remove and replace the probe and signal line.
본 발명에 의한 자장 탐침은, 예를 들어, 레이스 트랙(race-track) 모양의 단면을 갖는 세라믹 보빈 표면에 깊이가 다른 두 개의 일정 피치 간격의 홈(groove)을 내어, 도체선이 이 홈을 따라 두 층으로 하여 감기게 되어 있다. 이는 측정 주파수에 따라 이웃한 도체선간의 임피던스 변화를 최소화하기 위함이다. 또한 세라믹 보빈에 도체선을 2층으로 감기 때문에 도체선의 시작점과 끝점을 같은 방향에 위치하게 함으로 스트레이 필드(stray field) 실림 효과를 줄일 수 있다. The magnetic field probe according to the present invention has two grooves of different pitches at different depths, for example, on a ceramic bobbin surface having a race track-shaped cross section, so that the conductor wires It is wound in two layers. This is to minimize the impedance change between neighboring conductor lines according to the measurement frequency. In addition, since the conductor wire is wound on the ceramic bobbin in two layers, the start and end points of the conductor wire are positioned in the same direction, thereby reducing the stray field loading effect.
토카막 장치 내부에서 고온 플라즈마를 얻기 위하여 고출력 수십 MHz에서 수십 GHz 영역의 전기파 가열방식이 이용되므로, 자장 섭동 측정시 탐침의 측정신호 전송 중 상기와 같은 강한 전자파를 차폐할 필요하다. 이에 외피가 스테인레스 스틸과 같은 금속인 미네랄 절연 동축 신호선을 사용한 것이다. 최종적으로 도체선과 동축 신호선은 진공밀폐가 되도록 브레이징 방식을 이용한 신호선 연결 단자방식으로 연결하여, 완전한 자장탐침이 된다.In order to obtain a high temperature plasma inside the tokamak device, the electric wave heating method in the region of high power tens of MHz to several tens of GHz is used, and thus it is necessary to shield such strong electromagnetic waves during transmission of the measurement signal of the probe when measuring magnetic field perturbation. The outer shell is made of mineral insulated coaxial signal wire, which is a metal such as stainless steel. Finally, the conductor line and the coaxial signal line are connected by the signal line connection terminal method using the brazing method so as to be vacuum sealed, thereby making a complete magnetic field probe.
본 발명에 의한 상기 자장 탐침은 핵융합 반응용 토카막 장치 내의 플라즈마에 의해 발생하는 자장 섭동량을 측정하기 위하여 사용될 수 있다.The magnetic field probe according to the present invention can be used to measure the amount of magnetic field perturbation generated by plasma in the tokamak device for fusion reaction.
따라서, 본 발명에서는 핵융합 반응용 토카막 장치에서 사용가능한 상기 자장 탐침을 제공한다.Accordingly, the present invention provides the magnetic field probe that can be used in the tokamak device for fusion reaction.
또한 본 발명에서는 도전성의 심선 및 상기 심선과 동축으로 형성된 도전성의 외피 및 상기 심선과 도전성 외피 사이에 충진된 미네랄 절연입자를 포함하는 동축선로에 의하여 형성된 신호선의 일측에, 스테인레스 스틸 연결단자, 세라믹튜브 및 도전성 연결단자가 순차적으로 배치되어 있는 자장 탐침용 신호선을 제공한다.In addition, in the present invention, the stainless steel connecting terminal, the ceramic tube on one side of the signal line formed by a conductive core wire and a coaxial line including a conductive outer shell coaxially formed with the core wire and mineral insulating particles filled between the core wire and the conductive outer shell. And a magnetic field probe signal line in which conductive connection terminals are sequentially arranged.
또한 본 발명에서는, 심선 및 상기 심선과 동축으로 형성된 도전성의 외피 및 상기 심선과 도전성 외피 사이에 충진된 미네랄 절연입자를 포함하는 동축선로 형태의 자장 탐침용 신호선과 세라믹 보빈에 도체선이 감겨진 형태의 자장 탐침의 상기 도체선을 연결하기 위한 튜브로서, 상기 튜브 내경은 신호선의 심선의 굵기와 일치하며, 상기 튜브의 표면은 텅스텐 또는 몰리브덴에 의하여 페이스트 인쇄된 후 다시 니켈 도금되어 메탈라이징된 세라믹 튜브를 제공한다.In addition, in the present invention, the conductor wire is wound around the magnetic field probe signal line and ceramic bobbin in the form of a coaxial line including a core wire and a conductive outer shell coaxially formed with the core wire and mineral insulating particles filled between the core wire and the conductive outer shell. A tube for connecting the conductor wire of the magnetic field probe of the tube inner diameter is equal to the thickness of the core wire of the signal line, the surface of the tube is paste-plated by tungsten or molybdenum and then nickel-plated and metallized ceramic tube To provide.
<실시예><Example>
본 발명의 일례에 의한 자장탐침은 도 1에 도시한 바와 같이 고온 및 고진공에 적합한 세라믹 보빈 (1), 보빈의 표면을 따라 감은 도체선(2), 신호선인 트위스트된 한쌍의 동축선(8) 및 신호선 연결용 단자부품 (3),(5),(6)로 구성된다. 각 구성 요소에 대해서는 보다 상세히 기술하면 아래와 같다.The magnetic field probe according to one embodiment of the present invention is a ceramic bobbin (1) suitable for high temperature and high vacuum as shown in Fig. 1, a conductor wire (2) wound along the surface of the bobbin, a pair of twisted coaxial wire (8) which is a signal line And terminal components (3), (5) and (6) for signal line connection. Each component is described in detail below.
우선 자장 탐침은 도 1에서 보는 바와 같이, 도체선(2)을 세라믹 보빈(1) 표면에 일정 피치 간격의 깊이가 다른 두개의 홈(groove)을 따라 2개 층으로 감아 제작된다. 본 발명의 일 실시예에서는 세라믹 보빈은 고온에 견디며, 고온에 의한 불순물 배출이 적은 재질인 고순도 Al2O3로 제작한다. 상기 세라믹 보빈의 도체선 감는 부분은 단면이 race-track 모양이 되도록 하여 도체선을 감은 후 꺽이는 부분이 없어 유효면적(턴수 x 면적)의 변형이 최소화되게 한다. 상기 도체선으로는, 측정되는 자기 섭동량의 주파수 범위내에서 파형 왜곡 등을 방지하기 위하여, 외피가 없고 자체 저항이 적은 단면이 사각인 금속선을 사용한다.First, as shown in FIG. 1, the magnetic field probe is manufactured by winding the
신호선(8)은 토카막 장치내에 설치된 탐침에서 측정된 신호를 장치밖의 데이터 처리 장치로 전송하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에서는 트위스트된 형태이다다. 대형 핵융합 장치내에서는 신호선의 경로가 길기 때문에 경로상에서 외부 환경조건 때문에 전자기파가 신호에 실릴 수 있다. 이를 차폐하기 위해서는 외피가 도체인 동축선을 사용한다. 이 경우 장치내의 조건이 고온이므로, 특히, 미네랄 전연 동축선을 사용한다. 이 동축선은 얇은 스텐인레스 스틸(stainless steel)의 외피와 니켈이 입혀진 구리심선(7)과 두 도체사이에 미네랄 절연물질인 MgO, SiO2 등의 분말이 충진된 미네랄 절연 동축선이다. The
신호선 연결단자, 즉, 신호선과 자장 탐침의 도체선을 연결하는 연결단자에는 스테인레스 스틸 단자(6), 메탈라이징된 세라믹튜브(5) 및 구리 단자(3)가 포함된다. 상기 단자는 탐침으로부터의 도체선(2)과 동축선(8)을 연결하기 위한 것으로 동축선 내부의 미네랄 절연물질인 MgO 분말이 새어나오지 않도록 진공밀폐를 유지 하여야 한다. 또한, 신호선의 심선(7)과 외피가 전기적으로 절연이 되게 세라믹 튜브(5)를 사용하여 금속의 단자(6), (3)와 브레이징한다. The signal line connecting terminal, that is, the connecting terminal connecting the signal line and the conductor wire of the magnetic field probe includes a
보다 상세히 기술하면, 미네랄 절연 동축선의 심선을 표면이 메탈라이징된 세라믹 튜브(5) 내에 끼우고 세라믹 튜브 양끝에 스테인레스 스틸 단자(6)와 구리 단자(3)를 끼우고 틈새가 없도록 브레이징 한다. 여기서 세라믹 튜브는, 상기 심선의 굵기에 맞추어 내경이 결정되고, 세라믹 튜브 표면을 텅스텐 혹은 몰리브덴 등의 금속으로 페이스트 인쇄한 후 니켈 도금하여 메탈라이징하여 제조될 수 있다. 다음에 심선과 구리 단자, 미네랄 절연 동축선 (8)과 스테인레스 스틸 단자와 브레이징한다. 이로서 한 쌍의 외피가 스테인레스 스틸인 미네랄 절연 동축 신호선의 심선(7)은 한 쌍의 도체선과 진공밀폐상태를 유지하며 연결된다. 특히 탐침과 신호선 연결부위가 탐침 근처이므로 고온에 견디는 재질의 세라믹튜브를 선택할 수 있다. 마지막으로 연결부위를 세라믹 덮개(4)로 덮어 전기적인 접촉을 방지한다. 이로서 탐침과 신호선간의 해체 및 교체가 용이한 구조를 갖는다. In more detail, the core of the mineral insulated coaxial wire is inserted into the
예를 들어, 도 3은 본 발명의 일례에 의한 자장 탐침의 도체선과 상기 자장 탐침의 신호를 전달하기 위한 동축 신호선이 구리 연결단자(3)와 스테인레스 스틸 연결단자(6) 및 메탈라이징 된 세라믹튜브(5)에 의하여 진공 밀폐상태로 연결된 것을 보여주는 도면이다.For example, Figure 3 is a copper conductor terminal (3) and stainless steel connector (6) and the metalized ceramic tube is a conductor wire of the magnetic field probe according to an example of the present invention and a coaxial signal line for transmitting the signal of the magnetic field probe (5) shows the connection in a vacuum sealed state.
또한, 도 4는 미네랄 동축 신호선의 트위스트된 모습을 보여주는 일례로서, 상기 동축 신호선이 신호선 연결단자들(구리 연결단자(3)와 스테인레스 스틸 연결 단자(6))과 부착된 상태에서 트위스트된 모습을 보여준다.In addition, Figure 4 is an example showing a twisted state of the mineral coaxial signal line, the coaxial signal line is a twisted state in the state attached to the signal line connecting terminals (
도 5는 본 발명의 일례로서 제작된 자장 탐침에 대하여 헬름홀츠 코일 내에서 측정한 주파수 특성 결과를 보여주는 그래프이다. 5 is a graph showing a frequency characteristic result measured in a Helmholtz coil for a magnetic field probe manufactured as an example of the present invention.
본 발명의 일례에 따라 제작된 탐침은 약 1MHz 주파수영역까지는 선형적 특성을 보이며, 이는 앞으로 고주파수 자장 섭동 측정에 적용할 수 있음을 나타낸 것이다.Probes manufactured according to an example of the present invention show a linear characteristic up to a frequency range of about 1MHz, which indicates that it can be applied to high frequency magnetic field perturbation measurements in the future.
본 발명에 의한 자장 탐침의 경우, 종래에 사용되던 에나멜로 제작된 자기적 센서에 비하여 보다 더 고온에 견딜 수 있으며, 외피가 스테인레스 스틸인 미네랄 동축선에 의해 제작된 센서에 비해 보다 더 높은 주파수인 1MHz 영역의 자장 섭동량을 측정할 수 있다. 또한 강한 전자파가 적용되는 환경하에서도 전자파 잡음신호 비율을 줄일 수 있다. 특히 본 발명에서의 신호선 연결단자는 동축선 신호선의 교체 및 설치를 용이하게 하여, 핵융합 장치내부와 같이 고온, 초고진공 같은 극한환경에서 1MHz 영역의 자기장의 섭동량 측정을 용이하게 할 수 있다. 이러한 응용은 핵융합 플라즈마 실험장치인 토카막에서 플라즈마 자기유체역학 불안정 현상 등의 고온 플라즈마 물리연구 등에 응용될 수 있다. The magnetic field probe according to the present invention can withstand higher temperatures than the magnetic sensor made of enamel, which is conventionally used, and has a higher frequency than that of a sensor made of a mineral coaxial wire made of stainless steel. The magnetic field perturbation in the 1 MHz region can be measured. In addition, even in an environment where strong electromagnetic waves are applied, the ratio of electromagnetic noise signals can be reduced. In particular, the signal line connection terminal of the present invention can facilitate the replacement and installation of the coaxial signal line, it is easy to measure the perturbation amount of the magnetic field in the 1MHz region in extreme environments such as high temperature, ultra-high vacuum, such as inside the fusion device. This application can be applied to high temperature plasma physics research such as plasma magnetohydrodynamic instability in Tokamak, a fusion plasma experimental apparatus.
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|---|---|---|---|
| KR1020070006955A KR100854069B1 (en) | 2007-01-23 | 2007-01-23 | Magnetic probe for the measurement of the high frequency magnetic fluctuation under the high temperature, ultra-vacuum and high magnetic field environments |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104849678A (en) * | 2015-05-22 | 2015-08-19 | 大连理工大学 | Probe for intensity measurement of alternating magnetic field in low-pressure very-high-frequency discharge |
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| JPS5587061A (en) | 1978-12-26 | 1980-07-01 | Japan Atom Energy Res Inst | Magnetic probe unit |
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-
2007
- 2007-01-23 KR KR1020070006955A patent/KR100854069B1/en not_active IP Right Cessation
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| CN104849678B (en) * | 2015-05-22 | 2017-07-21 | 大连理工大学 | The probe of alternating magnetic field ionization meter a kind of electric discharge suitable for low pressure very high frequency(VHF) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20080069349A (en) | 2008-07-28 |
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