KR100956440B1 - 광자빔 위치 모니터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빔라인 상에서 미세한 전류의 변화를 검출해내는 광자빔 위치 모니터 장치에 관한 것이다.

본 발명의 광자빔 위치 모니터 장치는, 전류의 변화를 감지하는 디텍터, 상기 디텍터를 수평 및 수직으로 이동시키는 구동부, 상기 디텍터에 부딪쳐 나오는 광자를 흡수하는 고전압부, 및 상기 디텍터가 감지한 전류값을 전달 및 표시하는 제어부를 포함한다.

광자빔, 빔라인, 디텍터, 블레이드, 와이어, 메쉬 스크린

Description

광자빔 위치 모니터 장치 {Photon Beam Position Monitor Device}

본 발명은 광자빔 위치 모니터 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세한 전류의 변화를 검출해내어 빔의 위치를 파악하는 광자빔 위치 모니터 장치에 관한 것이다.

빔라인 실험에서, 빔 위치의 정확한 모니터링, 빔의 안정성 파악 및 빔라인 광학기의 위치 정렬이 중요하다.

이를 위하여, 광자빔 위치 모니터(PBPM, Photon Beam Position Monitor) 장치가 빔라인에 설치된다. PBPM 장치는 저장링의 광원으로부터 방출되는 방사광이 빔라인에 입사하는 위치를 검출한다.

본 발명은 빔라인 상에서 미세한 전류의 변화를 검출해내어 빔의 위치를 파악하는 광자빔 위치 모니터 장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광자빔 위치 모니터 장치는, 전류의 변화를 감 지하는 디텍터, 상기 디텍터를 수평 및 수직으로 이동시키는 구동부, 상기 디텍터에 부딪쳐 나오는 광자를 흡수하는 고전압부, 및 상기 디텍터가 감지한 전류값을 전달 및 표시하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 디텍터는 브레이드를 포함할 수 있다. 상기 디텍터는, 상기 브레이드를 장착하는 지지 브래킷과, 상기 지지 브래킷과 상기 브레이드 사이에 개재되는 세라믹 절연체를 포함할 수 있다.

상기 고전압부는 상기 브레이드에 마주하면서 상기 지지 브래킷의 일측에 장착될 수 있다.

상기 디텍터는 와이어를 포함할 수 있다. 상기 디텍터는, 상기 와이어를 장착하는 지지 브래킷과, 상기 지지 브래킷과 상기 와이어 사이에 개재되는 세라믹 절연체를 포함할 수 있다.

상기 고전압부는 상기 지지 브래킷의 일측에 장착될 수 있다. 상기 고전압부는 상기 지지 브래킷의 측면 및 상기 와이어에 대응하여 형성될 수 있다.

상기 디텍터는 메쉬 스크린을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 빔라인에 PBPM 장치를 설치하므로 빔 프로파일(profile)의 정확한 파악이 가능하고, 빔의 위치 파악이 가능해지는 효과가 있다. 또한 PBPM과 저장링(미도시)과의 연계성 확보로, 실시간의 빔 위치 및 궤도 수정이 가능한 효과가 있다. 효율적인 빔 위치 파악으로 빔라인 정렬에 대한 시간이 단축되는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도1 및 도2를 참조하면, 일 실시예의 PBPM 장치는 디텍터(10), 구동부(20), 고전압부(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 디텍터(10)는 빔라인에서 미세 전류의 변화를 감지하도록 구성된다. 구동부(20)는 디텍터(10)의 감지를 위하여 디텍터(10)를 수평 및 수직으로 이동시도록 구성된다. 고전압부(30)는 디텍터(10)에 부딪쳐 나오는 광자를 흡수하도록 구성된다. 제어부(40)는 디텍터(10)가 감지한 전류값을 전달 및 표시하도록 구성된다.

예를 들면, PBPM 장치는 브레이드(blade) 타입(100)과 와이어(wire) 타입(200) 및 메쉬 스크린(mesh screen) 타입(300)으로 분류할 수 있다. 브레이드 타입(100)에 대하여 먼저 설명하고, 와이어 타입(200) 및 메쉬 스크린 타입(300)에 대하여 나중에 설명한다.

도3은 도2의 디텍터의 부분 사시도이다.

도3을 참조하여, 제1 실시예에 따른 브레이드 타입(100)을 설명하면, 디텍터(10)는 브레이드(11)와 지지 브래킷(12) 및 세라믹 절연체(13)를 포함한다.

브레이드(11)는 빔라인에서 인가되는 방사광에 의하여 광전효과(Photoelectric effect)를 일으킨다.

지지 브래킷(12)은 브레이드(11)를 장착한다. 지지 브래킷(12)에 형성되는 냉각 라인(14)은 열부하에 의한 디텍터(10)의 구조적 변형을 감소시킨다.

지지 브래킷(12)은 지지 구조대(미도시)에 연결된다. 예를 들어 개략적으로 설명하면, 지지 구조대는 PBPM 장치 전체를 안정적으로 지지한다. 지지 구조대는 지반에서 올라올 수 있는 진동을 차단한다.

미세 진동을 차단하기 위해 지반과 지지 구조대 사이에 방진패드(미도시)를 설치한다. 지지 구조대는 진동에 대하여 강한 볼 타입을 적용하며, 스크류를 이용하여, 수평 및 수직 이동에 대해 움직인다.

부품 설계시 공진 대역을 회피하기 위한 방진설계의 고려가 필요하며, 심한 진동이 우려되는 부품 장착시 방진처리 및 제진처리를 고려한다. 방진 재료는 사용 주파수 대역을 확인하고, 그에 적절한 재료로 선택된다. 예를 들면, 공기 스프링은 1Hz 이하, 금속 스프링은 4Hz 이하, 그리고 방진고무는 4Hz 이상의 고유진동수에 사용될 수 있다.

진동 문제를 고려함에 있어, 미세진동의 발생에 주의할 필요가 있다. 미세진동이라 함은 미진 정도의 진동으로서 진동가속도 값은 대략 0.8-2.5gal 정도이다. 이러한 미세진동의 영향은 민감한 실험에 대해서 충분히 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 채용되는 대책은 구조물의 중량을 올려서 주파수 대역을 낮추고 그에 따라 변위량을 줄이는 것이다.

이 방법 채용시, 지반의 운동을 고려해야 한다. 따라서 문제가 되고 있는 지역의 지반운동에 대한 정보를 입수하고 그에 따른 적절한 대책을 세우는 것이 필요하다.

부품의 성능에 영향을 미치는 것은 종진동보다는 횡진동의 영향이 크다. 전체적인 안정성을 고려해 본다면 종진동의 경우, 부품의 지지 구조대가 다소 불안정하더라도 큰 영향을 받지 않으나, 횡진동의 경우, 지지 구조대가 불안정하게 되면 부품의 성능에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

따라서 부품을 지지하고 있는 지지 구조대를 바닥에 단단하게 고정시킬 필요가 있다. 빔라인 지지 구조대의 고정은 앵카 볼트를 이용할 수 있다. 이러한 이유로 PBPM 장치의 지지 구조대는 미세진동 대책으로 내부에 모래를 삽입하여 전체적인 중량을 키킬 수 있다.

디텍터(10)에서 세라믹 절연체(13)는 지지 브래킷(12)과 브레이드(11) 사이에 개재되어 양자를 전기적으로 절연시킨다.

브레이드 타입(100)의 PBPM 장치는 전기적 신호 추출 및 저장링(미도시) 궤도와의 연계성이 우수하여, 빔 위치의 변화에 민감하게 반응한다. 미세 전류의 변화를 감지하는 브레이드(11)는 방사광의 접촉으로 인한 색이 변질되어 가스가 발생하는 문제를 제거하도록 텅스텐 또는 몰리브덴(molybdenum)으로 형성될 수 있다.

구동부(20)는 디텍터(10)를 수평 및 수직으로 이동시도록 구성되며, 다양한 구조로 이루어질 수 있다. 따라서 여기서는 구동부(20)를 개략적으로 설명한다.

구동부(20)는 PBPM 장치에서, 선형운동 가이드(미도시)를 통하여 빔 프로파 일의 특성을 읽기 위해 주어진 스트로크 내에서 디텍터(10)를 왕복 구동하고, 구동모터(미도시)를 통하여 선형운동 가이드를 작동시킨다.

예를 들면, 고전압부(30)는 구리 블록(Cu block)으로 형성될 수 있다. 조립 완료시, PBPM 장치를 빔라인에 설치하고 블레이드(11)로 전류를 읽을 때, 광자의 대부분은 스캐터링 된다. 이러한 영향으로 몇 개의 채널에서의 값은 정확성이 떨어지게 되는데, 이를 방지하고자 구리 블록으로 형성되는 고전압부(30)가 고전압을 적용한다. 고전압부(230)는 블레이드(11) 근처에서 발생하는 스캐터링을 최대한 감소시킨다.

제어부(40)는 빔라인에 설치된 PBPM 장치의 데이터 취득을 위해서 연결되는 전자 장비를 의미하며, 정확한 데이터를 얻기 위해 노이즈 발생을 최소화하도록 구성된다.

전자 데이터 측정에서 소스(source) 값에는 측정 오차가 존재할 수 있는데, 이런 측정 오차의 종류에는 계통적 오차와 우연적 오차가 존재한다. 계통적 오차에는 이론적 오차, 장비와 관계가 있는 기기 오차, 개인적 오차로 분류되며 우연적 오차는 과실적 오차와 우연적 오차로 나누어진다.

측정 방법은 비교측정으로 하게 되는데, 비교측정은 미지의 양을 이것과 같은 성질의 기지의 양과 비교하는 방법이며, 표준기가 사용된다. 이러한 방법은 공업상의 측정방법으로 많이 쓰이며 대표적인 것으로는 영위법과 편위법이 있다.

영위법은 미지의 양을 기지의 양과 비교할 때 측정치의 지시가 영이 되도록 평형을 취하는 방법으로, 측정감도가 높고 정밀 측정에 적합하다. 빔라인에 설치된 PBPM 장치는 디지탈 계측으로 여러 가지의 장점이 있는데 그중에서 가장 중요한 것은 정밀도가 대단히 높고 개인적 오차가 적다는 것이다.

빔라인에 적용되는 제어부(40)는 각 빔라인의 특성에 맞게 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어부(40)는 A/D 변환 타입, GPIB 타입 및 VFC 변환 타입을 포함한다. 각 타입은 장, 단점을 가지고 있으며 빔라인의 특성에 맞는 시스템이 적용될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.

이하에서 다른 실시예들에 대하여 설명한다. 제2 및 제3 실시예는 제1 실시예와 전체적으로 유사 내지 동일하므로, 여기서는 서로 비교하여 동일한 부분에 대한 설명을 생략하고 다른 부분에 대하여 설명한다.

도4는 제2 실시예에 따른 디텍터의 부분 정면도이다.

도4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 와이어 타입(200)의 PBPM 장치는 전체적으로 구성이 간단하고, 냉각 라인을 구비하지 않아 작은 공간에 적용 가능하다. 와이어 타입의 PBPM 장치(200)는 ID 빔라인에 적용 가능하다.

그 근거를 제시하면, 일반적인 싱크로트론 방사(synchrotron radiation) 빔라인에 비해 ID 빔라인의 파워 밀도는 수십 내지 수백 배까지 커지기 때문에, 빔의 궤도 조정에 있어서 문제가 발생하는 경우, 적절히 냉각된 브레이드의 설계가 어렵다.

ID 빔라인의 방사선은 통상 굽힘 자석(bending magnet) 빔라인의 방사선과 겹치게 된다. 이 경우, 브레이드 타입으로 두개의 방사선을 분리하는 것은 거의 불가능하다.

또한, 언줄레이터(undulator) 빔라인의 경우, K값이 변하는 경우, 언줄레이터 방사선의 공간적 스펙트럼의 배치가 바뀔 수 있어서, PBPM의 결과에 영향을 미친다. 따라서 실험자들은 적절한 K값을 선택하고자 한다.

보다 상세히 설명하면, 와이어 타입(200)에서, 디텍터(210)는 와이어(211)와 지지 브래킷(212) 및 세라믹 절연체(213)을 포함한다.

와이어(211)는 빔라인에서 인가되는 방사광에 의하여 광전효과(Photoelectric effect)를 일으켜, 전류를 읽어낸다.

지지 브래킷(212)은 브레이드(211)를 장착한다. 세라믹 절연체(213)는 지지 브래킷(212)과 브레이드(211) 사이에 개재되어 양자를 전기적으로 절연시킨다.

디텍터(210)에 부딪쳐 나오는 광자를 흡수하는 고전압부(230)는 지지 브래킷(212)의 측면 및 와이어(211)에 대응하여 형성된다. 즉 고전압부(230)는 일측이 개방되는 지지 브래킷(212)에 대응하고 지지 부래킷(21)의 개방 측에 설치되는 와이어(211)에 대응하여 형성된다.

예를 들면, 고전압부(230)는 구리 블록(Cu block)으로 형성되어 와이어(211) 근처에서 발생하는 스캐터링을 최대한 감소시킨다.

도5는 제3 실시예에 따른 디텍터의 부분 정면도이다.

도5를 참조하면, 제3 실시예에 따른 메쉬 스크린 타입(300)의 PBPM 장치는 스크린 모니터와 와이어 모니터의 두 기능을 구비함으로써, 하나의 장치로 실험을 중단하지 않고 빔의 형상과 프로파일을 측정할 수 있다.

일반적으로 빔라인에서 빔 형상이나 위치를 파악하고자 할 때 간단하게는 스 크린 모니터를 이용하고 있으며, 이 경우 실험에 영향을 주는 것이 보편적이다. 따라서 이러한 영향을 줄이기 위하여, 메쉬를 이용한 스크린 모니터를 사용하며, 실험에 큰 영향을 주지 않고 빔 형상과 위치 파악이 가능하다. 스크린과 와이어의 갖춘 장점을 가지고 있으나, 메쉬의 조립이 어렵고, 메쉬의 제작 단가가 높다.

메쉬 스크린 타입(300)에서 디텍터(310)는 메쉬 스크린(311)을 포함한다. 메쉬 스크린(311)은 지지 브래킷(312)에 장착되어 빔라인에서 인가되는 방사광에 의하여 광전효과(Photoelectric effect)를 일으켜, 빔의 형상과 프로파일을 측정할 수 있게 한다.

이하에서 블레이드 타입(100), 와이어 타입(200) 및 메쉬 스크린 타입(300)의 PBPM 장치에 공통적으로 적용되는 부분에 대하여 설명한다.

PBPM 장치의 측정 이론에 대하여 설명한다. 편의상, 2개 설치되는 블레이드 타입(100)으로 설명한다.

도6은 PBPM 장치들 사이에서 광자의 진행 상태도이고, 도7은 광자의 진행 방향에 대한 높이 변화비를 나타내는 그래프이며, 도8은 빔라인에 입사되는 광자를 측정하여 광원의 높이 및 위치 변화를 나태나는 그래프이다.

도6 내지 도8을 참조하면, 저장링(미도시)에서 발생된 광자의 광원은 진행 방향(Φ)의 수직 방향을 따라 가우스(gaussian) 분포를 갖는다.

제1, 제2 PBPM 장치(FirstPBPM, SecondPBPM)(101, 102)는 저장링(미도시)의 여러 가지 변화에 의해 발생되는 영향을 조기에 파악한다. 제1, 제2 PBPM 장치(101, 102)는 빔라인에 입사되는 광자를 측정하여 광원의 높이 및 위치 변화(Δ h, ΔΦ)를 검출한다.

다음은 이론적으로 위치 및 높이 변화를 파악하는 과정이다.

PBPM 장치에 설치되어 있는 디텍터(10)는 블레이드(11)에서 감지되는 광전효과 전류량을 이용해서 광원의 높이 변화와 진행방향(수직성분) 변화(Δh, ΔΦ)를 감지하게 된다.

이와 같은 원리는 지렛대 법칙과 유사하며, 제1, 제2 PBPM 장치(101, 102)는 통과하는 광자 빔(photon beam)의 중심 위치를 파악할 수 있으면 광원의 높이와 진행방향 변화를 계산해 낼 수 있도록 되어있다(수학식 1 참조).

이하에서는 와이어 타입(200)을 예로 들어 설명한다.

일반적으로 광학소자에 있어서 열에너지에 의한 변형의 결과는 실험에 있어 대단히 중요한 요소이기 때문에 사전에 해석을 통하여 그 결과를 예측하는 것이 필요하다.

입사광 에너지에 접촉하는 광학소자의 변형량 및 변형구조는 빔라인의 성능에 중대한 영향을 미치기 때문에 냉각구조에 의하여 요구되는 정밀도를 얻는 것이 좋다

와이어 타입(200)의 PBPM 장치는 일반 굽힘 자석(bending magnet) 빔라인 및 ID 빔라인에도 적용이 가능하다. 와이어(211)은 그래파이트(graphite) 또는 텅스텐(tungsten)으로 형성된다.

와이어(211)은 강한 방사선에도 손상을 입지 않아야 한다. 그래파이트와 텅스텐은 이 조건을 충족하며, 전류 전도성과 낮은 방사선 파워 흡수 및 높은 승화 온도를 가지므로 별도의 냉각 시스템을 필요로 하지 않는다.

예를 들면, 진단 빔라인에 설치된 PBPM 장치의 디텍터는 와이어를 텅스텐으로 형성하며, 직경 0.5 mm, 길이 92 mm로 형성되어 있다.

이하에서는 열 해석 이론에 대하여 설명한다.

와이어 타입(200)의 PBPM 장치에 장착된 디텍터(210)는 냉각 시스템을 구비하지 않는다. 따라서 와이어(211)는 강렬한 히트 파워(heat power)를 견딜 수 있어야 한다.

열 해석을 수행하는 목적은 주어진 시간에 있어서 그 물체에서의 온도 분포를 알고자 함이며, 물체의 재질을 선정하고, 열 변형과 열 응력을 구하는데 필수적이다.

일반적으로 세 가지 방법의 열전달이 가능하며, 예를 들면, 물체간의 접촉에 의하여 발생하는 전도, 물체가 주위의 공기나 물과 같이 작용하는 대류, 및 전자파에 의해 발생하는 복사 현상이다.

PBPM 장치의 디텍터(210)는 전도나 대류보다는 열 복사에 의하여 열 평형 상 태가 이루므로 열 복사를 고려한 열 해석이 이루어진다. 열 해석에 의해 구한 결과치, 즉 온도 분포는 구조해석의 입력 값으로 되어 해석이 수행되며, 그 결과로 구조해석에서는 먼저 구조물 자체의 안전성과 관계있는 등가 응력(equivalent stress)을 검토하게 된다.

등가 응력 값이 구조물의 인장강도 값과 비교해 보았을 때의 비는 안전율을 고려한 값이 되어야 한다. 또한 각 방향의 변형량을 검토하게 되며 전체적으로 와이어(211)의 변위(deformation) 형상도 검토하게 된다. 열 해석(heat transfer analysis) 및 구조해석에서 적용하는 계산식을 열거하면 아래와 같다.

전도(Conduction)

여기서, k=열전도계수, A=단면적, =X방향에 대한 온도 변화 이다.

대류(Convection)

여기서, h=대류계수, A=단면적, Ts=물체 표면온도, Tb=주위 유체의 온도 이다.

대류계수 h는 아래와 같이 유효단면적 및, Nu, Re, Pr을 구하여 Sieder-Tate equation에 대입하면 구할수 있다.

유효 지름(Effective diameter)

De = 4 x 수력학 반경(hydraulic radius)

= 4 x Ac/P

여기서, De: 유효지름, Ac: 단면적, P: 접촉둘레 이다.

Sieder-Tate equation

여기서, Nu : 누셀트수(Nusselt number) = h De / k, Re : 레이놀드수(Reynolds number) = De V / , Pr : 프란틀수(Prantle number) = Cp / k 이다.

복사(Radiation)

여기서, ε=방사율(emissivity),

=스테판-볼쯔만 상수(Stefan-Boltzmann constant), F=형상 인수(form factor) 이다.

구조해석(Structure analysis)에서 변위(Deformation) 및 등가 응력을 검토한다.

표준편차 및 최적화

록킹 폭(ω)

가중 표준 편차(σ)

도4를 참조하면, 와이어 타입(200)의 PBPM 장치에서 디텍터(210)의 와이 어(211)에 신호 와이어(214)가 연결되어 전류 값이 보내진다.

구동부(220)의 정확도를 높이기 위하여, 예를 들면, 100:1 감속기어의 하모닉 모터를 구비하며, 그에 따른 결과로 디텍터(210)는 1㎛의 반복 정확도를 확보한다.

디텍터(210)는 수평과 수직의 빔 상태를 정확하게 체크하기 위하여, 수평 및 수직 방향 각각에 듀얼로 적용하며, 빔 사이즈가 변경되었을 때 적절하게 간격을 조절하여 조정할 수 있도록 구성된다.

디텍터(210)는 입사되는 빔의 스캐터링(scattering) 을 방지하기 위하여, 고전압을 적용할 수 있는 구리 블록의 고전압부(230)를 와이어(211) 근처에 구비한다.

이로 인하여 스캐터링이 현저히 줄어들었다. 정확한 열 해석을 수행하기 위하여 와이어(211)의 실제 사이즈 및 최고 히트 파워의 피크 파워 밀도(peak power density) 값을 적용하였으며, 순수한 열 복사만을 고려하여 열 해석이 수행되었다.

히트 파워에 의한 열 해석은 이론적인 고찰과 분석 프로그램 분석의 두 가지 방법이 사용되었다. 먼저 이론적인 고찰을 살펴보면 수학식 2와 같다.

여기서, 분자는 열용량에 기여(Heat Capacity Contribution)하고, W는 굽힘 자석 광자빔에 기여(Bending Magnet Photon Beam contribution)하며, S는 복사 손실에 기여(Radiation Loss Contribution)한다.

여기서, t: 조사 시간, M: 텅스텐 와이어(

), C_p: 열용량, W: S에서 굽힘 자석 광자 파워, ε: 방사량, S: 표면적(

), W_B: 고전압부 복사 파워 밀도, σ: 스테판-볼쯔만 상수 이다.

수학식 2는 전체적으로 와이어(211)에 인가되는 히트 파워와 동시에 열 복사의 냉각작용으로 어느 순간 온도가 평형 상태가 되며 그에 도달되는 시간 및 온도를 계산하여 와이어(211)의 안전성을 파악하게 된다.

해석 결과는 다음과 같다.

이론적으로 와이어(211)의 온도 분포를 살펴보았다. 굽힘 자석 빔라인의 총 파워는 약 9.57W이며, PBPM 장치의 설치 위치는 빔소스로부터 약 14m이다. 또한 와이어(211)는 길이 90mm, 폭 0.5mm이다.

도9a 및 도9b를 참조하면, 복사(10W)를 고려한 도9a에서 보면 819K에서 포화(saturation)가 일어나며, 복사를 고려하지 않은 도9b에서는 최대 3,700K까지 상승하여 와이어(211)의 소성 변형을 초래한다. 도9b에서는 비교 값을 구하기 위해 총 파워가 40W의 경우도 고려하였다.

도10은 분석 프로그램을 이용하여 와이어의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

도10을 참조하면, 분석 프로그램을 이용하여 구한 와이어(211)의 온도 분포를 나타내며, 와이어(211) 중심에서 최대 온도는 793도이며 이론 값과 크게 다르지 않다. 냉각 작용은 복사만을 고려하였다.

도11a는 와이어의 x방향 변위 분포를 나타내는 그래프이고, 도11b는 와이어의 y방향 변위 분포를 나타내는 그래프이다.

도11a 및 도11b를 참조하면, 와이어(211)의 각 방향에서 변위(deformation)를 알 수 있으며, x방향으로는 최대 1.5 ㎛, y방향으로는 최대 2.1 ㎛의 변위 결과를 알 수 있다.

와이어(211)의 온도 분포가 거의 800K까지 올라가는 관계로 와이어(211)의 열 응력은 매우 커지게 되며, 그로 인해 생길 수 있는 구조적인 변형은 와이어(211)의 안정성을 손상시킬 수 있다. 따라서 와이어 타입(200)의 PBPM 장치에서, 와이어(211)를 지지하는 지지 브래킷(212)은 최대한으로 응력을 줄이고자 z방향으로의 자유도는 고정으로 하지 않는다.

도12는 A/D 변환 타입의 제어부 구성도이다.

도12를 참조하면, 제어부(40)는 PBPM 장치(200)의 와이어(211)에서 읽은 전류 값을 피코메터(picoammeter)에서 증폭하고, 또한 전압으로 변환하며, 이러한 변환 값을 A/D 변환 단자를 통해 디지털 값으로 변환하여 컴퓨터(pc)로 전송하며, 데이터를 읽어 터치 스크린(50)에 표시하도록 구성된다.

PBPM 데이타를 취득할 때 전류증폭기가 부표준기(0.2%급) 기기의 오차가 없다면, PBPM 장치(200) 와이어(211)에서 증폭기까지의 케이블 부분이 길어짐에 따라 노이즈 성분이 유입될 가능성이 크며, DC 0-10V 케이블 부분이 길어짐에 따라 노이즈 성분이 유입되고 기기적 오차 또는 이론적 오차가 발생할 수 있다.

도13은 GPIB 타입의 제어부 구성도이다.

도13을 참조하면, 제어부(240)는 각 와이어(211)에서 읽은 전류 값을 피코메터(picoammeter)를 통하게 하고, GPIB 통신을 통해 전류 값을 그대로 컴퓨터(pc)에 전송도록 구성된다. GPIB 방식은 A/D 변환 타입보다 노이즈 유입 가능성이 적으며, 실제로 이러한 방식을 취하고 있는 빔라인에서는 좋은 결과를 얻을 수 있다.

PBPM 데이타 취들할 때, 전류증폭기가 부표준기(0.2%급) 기기의 오차가 없다면 와이어(211) 케이블 부분이 길어짐에 따라 노이즈 성분을 줄이는 방법으로 케이블 길이를 1m 이내로 하고 후단의 GPIB 통신으로 DC 0-10V 케이블 부분이 없어짐에 따라 노이즈 성분이 유입이 될 가능성이 적다.

도14는 VFC 타입의 제어부 구성도이다.

도14를 참조하면, 제어부(340)는 노이즈 유입이 적고, 신뢰성이 높은 데이터를 제공한다. 제어부(340)는 와이어(211)에서 읽은 전류를 전압으로 변환하며 주파수를 다시 변화하여 웹서버 유닛으로 전송하여 카운트 하며, 이후 빔라인 운영 컴퓨터(pc) 또는 저장링 운전실로 데이터를 송부하여 결과를 비교하도록 구성된다.

PBPM 데이타 취득할 때, 전류증폭기가 부표준기(0.2%급) 기기의 오차가 없다면 와이어 케이블 부분이 길어짐에 따라 노이즈 성분을 줄이는 방법으로 케이블의 길이를 1m 이내로 하고, 후단 VFC(Voltage To Converter)는 아나로그형의 전압 신호를 장거리 전송시키고자 하는 환경에서, 신호선의 감쇄 및 외부 노이즈 유입문제 가 될 때, 전압신호 대신 주파수로 변환된 디지털 신호로 장거리 전송 후 데이터 취득 시에는 DC 0-10V 케이블 부분이 없어짐에 따라 노이즈 성분이 유입이 될 가능성이 적어진다.

4CH 카운터를 사용할 경우 속도상으로 보면, VFC 타입은 GPIB 타입보다 데이터 취득 속도가 상승한다. 도13에는 노이즈 발생 가능 부분과 노이즈 유입의 가능성이 적은 부분을 구분하고 있다.

데이터 취득 과정에 대하여 설명한다.

도15a는 PBPM 장치들 사이에서 광자의 진행 상태도이고, 도15b는 광자의 진행 방향에 대한 높이 변화비를 나타내는 그래프이다.

도15a 및 도15b를 참조하면, PBPM 장치는 광자 빔의 상태를 가장 빠르게 파악하여 빔라인의 상태를 최적화시키는 것으로서, 정확한 데이터 취득이 중요하다.

비교적 균일한 시료를 사용하여 실험하는 경우, 방사광의 위치나 크기는 중요하지 않으나 미세한 구조를 가진 시료일 경우, 방사광의 입사하는 위치가 중요하며, 또한 시료에 입사하는 방사광의 광속의 크기도 중요하다. PBPM 장치의 타입은 듀얼 타입으로서 수직방향으로 본다면 위, 아래 와이어가 구동되어 빔의 상태를 파악한다.

광자빔의 프로파일은 가우스 분포를 이루며, PBPM 장치의 듀얼 와이어(Aup, Bdn)는 적절한 위치에서 빔의 움직임을 파악한다. X레이빔은 텅스텐 와이어(Aup, Bdn)를 통과하며, 일부분의 빔이 와이어(Aup, Bdn)와 충돌한다. 이때 발생하게 되는 광전효과에 의해서 전자가 나오며, 이러한 전자의 흐름의 양을 피코메터를 이용 하여 측정한다. 각 와이어(Aup, Bdn)에서 측정된 전류량은 도15b에 도시된 바와 같이, 상, 하 와이어(Aup, Bdn)의 값과 적절한 계산식으로 계산된다. 이를 그래프로 표현하면 도16과 같다.

도16은 도15b의 변화비와 위치 관계를 나타내는 그래프이다.

도16을 참조하면, 일정한 구간에서 선형 그래프가 형성된다. X레이빔이 선형 구간에서 이동하게 되면 각 와이어(Aup, Bdn)에서 측정된 전류량은 빔의 위치를 알려주게 되며, 이러한 결과 값은 빔라인의 운영에 즉시 반영된다. 주어진 선형 구간에서 측정된 결과는 도17에서와 같이 도시된다.

도17은 도16의 선형 구간에서 위치 값를 나타내는 그래프이다.

도17을 참조하면, PBPM 장치의 구동 거리는 크지는 않지만 실제의 빔라인에서 빔 사이즈가 몇 ㎛인 것을 감안하면 빔 상태를 파악하는 것은 어렵지 않다.

PBPM 데이터 결과에 대하여 설명한다.

디텍터(210) 와이어(211)의 수평, 수직 간격은 빔라인의 빔 사이즈에 알맞게 정해지고, 각 와이어(211)는 독립적으로 구동이 가능하므로 빔 사이즈의 변동에 따라 유동적으로 움직일 수 있다.

도18은 PBPM 장치에서 읽은 전류 값을 나타내는 그래프이다.

도18을 참조하면, PBPM 장치에서 읽은 전류 값으로서 y(+) 와이어(Aup)가 구동하였을 때의 (+), (-) 방향의 전류 값을 나타낸다. y(+) 와이어(Aup)가 움직였을 때 스캐터링 영향에 의해 y(-) 와이어(Bdn)의 전류 값도 크게 변화하는 모습을 보여준다. 따라서 와이어 간 거리를 수정하고, 또한 고전압부(230)를 구축하여 스캐 터링 영향을 감소시킨다. 이를 보완한 PBPM 장치에서 읽어 낸 전류값은 다음과 같다.

도19는 PBPM 장치의 y(+) 와이어의 움직임에 대한 전류 값을 나타내는 그래프이다

도19를 참조하면, 주어진 이동 거리에 대한 전류 값으로서 전체적으로는 빔 프로파일 값을 잘 나타낸다. 위 결과에 대한 y(-) 와이어(Bdn)의 전류 값을 나타내면 도20과 같다.

도20은 위 결과에 대한 y(-) 와이어의 전류 값을 나타낸 그래프이다.

도20을 참조하면, y(+) 와이어(Aup)가 이동할 때 y(-) 와이어(Bdn)의 전류 값은 거의 변화가 없고, 이에 대한 결과로 하나의 와이어가 구동함에 대한 스캐터링 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.

도21은 y(+) 와이어에서 읽은 전류 값을 위치로 변환한 위치 값을 나타내는 그래프이다.

도21을 참조하면, y(+) 와이어(Aup)에서 읽은 전류 값을 위치로 변환한 위치 값을 알 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자빔 위치 모니터 장치의 블록도이다.

도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광자빔 위치 모니터 장치의 정면도이다.

도3은 도2의 디텍터의 부분 사시도이다.

도4는 제2 실시예에 따른 디텍터의 부분 정면도이다.

도5는 제3 실시예에 따른 디텍터의 부분 정면도이다.

도6은 PBPM 장치들 사이에서 광자의 진행 상태도이다.

도7은 광자의 진행 방향에 대한 높이 변화비를 나타내는 그래프이다.

도8은 빔라인에 입사되는 광자를 측정하여 광원의 높이 및 위치 변화를 나태나는 그래프이다.

도9a는 복사를 고려하여 이론식에 의하여 계산된 와이어의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

도9b는 복사를 고려하지 않고 이론식에 의하여 계산된 와이어의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

도10은 분석 프로그램을 이용하여 와이어의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

도11a는 와이어의 x방향 변위 분포를 나타내는 그래프이다.

도11b는 와이어의 y방향 변위 분포를 나타내는 그래프이다.

도12는 A/D 변환 타입의 제어부 구성도이다.

도13은 GPIB 타입의 제어부 구성도이다.

도14는 VFC 타입의 제어부 구성도이다.

도15a는 PBPM 장치들 사이에서 광자의 진행 상태도이다.

도15b는 광자의 진행 방향에 대한 높이 변화비를 나타내는 그래프이다.

도16은 도15b의 변화비와 위치 관계를 나타내는 그래프이다.

도17은 도16의 선형 구간에서 위치 값를 나타내는 그래프이다.

도18은 PBPM 장치에서 읽은 전류 값을 나타내는 그래프이다.

도19는 PBPM 장치의 y(+) 와이어의 움직임에 대한 전류 값을 나타내는 그래프이다.

도20은 위 결과에 대한 y(-) 와이어의 전류 값을 나타낸 그래프이다.

도21은 y(+) 와이어에서 읽은 전류 값을 위치로 변환한 위치 값을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 210, 310 : 디텍터 11, 311 : 브레이드

12, 212, 312 : 지지 브래킷 13, 213 : 세라믹 절연체

14 : 냉각 라인 20 : 구동부

30, 230 : 고전압부 40 : 제어부

100 : 브레이드(blade) 타입 200 : 와이어(wire) 타입

211 : 와이어 300 : 메쉬 스크린(mesh screen) 타입

Claims (9)

1. 빔라인에서 인가되는 방사광에 의하여 광전효과를 일으켜 상기 빔라인에서 미세 전류의 변화를 감지하는 디텍터;

   상기 디텍터를 수평 및 수직으로 이동시키는 구동부;

   상기 디텍터에 부딪쳐 나오는 광자를 흡수하는 고전압부; 및

   상기 디텍터가 감지한 전류값을 전달 및 표시하는 제어부를 포함하는 광자빔 위치 모니터 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 디텍터는 브레이드를 포함하는 광자빔 위치 모니터 장치.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 디텍터는,

   상기 브레이드를 장착하는 지지 브래킷과

   상기 지지 브래킷과 상기 브레이드 사이에 개재되는 세라믹 절연체를 포함하는 광자빔 위치 모니터 장치.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 고전압부는 상기 브레이드에 마주하면서 상기 지지 브래킷의 일측에 장착되는 광자빔 위치 모니터 장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 디텍터는 와이어를 포함하는 광자빔 위치 모니터 장치.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 디텍터는,

   상기 와이어를 장착하는 지지 브래킷과

   상기 지지 브래킷과 상기 와이어 사이에 개재되는 세라믹 절연체를 포함하는 광자빔 위치 모니터 장치.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 고전압부는 상기 지지 브래킷의 일측에 장착되는 광자빔 위치 모니터 장치.
8. 제7 항에 있어서,

   상기 고전압부는 상기 지지 브래킷의 측면 및 상기 와이어에 대응하여 형성되는 광자빔 위치 모니터 장치.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 디텍터는 메쉬 스크린을 포함하는 광자빔 위치 모니터 장치.

Images