KR100999047B1 - 이씨알 이온원을 위한 다층구조의 다극자장 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ECR 이온원용 다극자장 발생장치에 대한 것으로, 다양한 종류의 자석을 마련하여 다층의 3중겹 구조로 이온원의 자석을 설계하되 자석 내부의 자기 스트레스를 고려하여 보자력과 잔류자기가 다른 자석을 적절하게 배치하여 자력을 오랫동안 유지하면서도 강한 자장을 형성하는 ECR 이온원용 다극자장 발생장치에 대한 것이다.

본 발명의 ECR 이온원용 다극자장 발생장치는 보자력과 잔류자기에 따라 분류된 적어도 3종류 이상의 영구자석으로 이루어지고, 상기 영구자석이 자기 스트레스의 강도에 따라 2층으로 배치된다.

위와 같은 구성의 본 발명에 따른 ECR 이온원용 다극자장 발생장치는 자기 스트레스와 관계없이 강력한 자장을 형성할 수 있는 효과가 있다.

ECR 이온원, 다극자장, 6극자석

Description

이씨알 이온원을 위한 다층구조의 다극자장 발생장치 {The Multi-layered Magnetic Field Generator for a ECR Ion Source}

본 발명은 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance)을 이용한 이온원에 대한 것으로 중이온 선형가속기에서 다가이온을 추출하기 위해 미러자기장을 형성하기 위한 다극자장 발생장치에 대한 것이다.

핵물리 등의 실험에는 방사성 이온빔이 필요한데 이러한 방사성 이온빔(또는 방사성 동위원소빔)을 생산하기 위해서는 가속된 이온빔을 여러 종류의 표적에 입사함으로써 In-flight 방식 또는 Isotope Separetion On Line(ISOL)방식을 통해 방사성 이온빔을 생산한다.

북미, 일본 및 유럽 등지에서는 차세대 핵물리 연구의 필수 시설로 방사성 이온빔 생산을 위한 대형가속기의 설계 또는 건설이 진행되고 있으며, 대표적인 차세대 핵물리 가속기 계획 중 하나인 미국의 Rare isotope Accelerator(RIA)의 경우 초전도 선형 가속기를 이용하여 핵종표(Nuclear chart)의 모든 입자를 수백 MeV/u( 핵자당 에너지)로 가속함으로써 In-flight 방식과 ISOL 방식 모두를 사용할 수 있게 한다.

보다 가속효율을 높여 에너지가 높은 방사선을 생산하기 위해서 중이온을 이용한 방사선 가속기에 대해 관심이 커지게 되었는데 이를 위해 중이온을 만들기 위한 이온화 장치에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

다양한 원자들의 다가 이온을 만들어 낼 수 있는 방법들 중에는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 이온원을 이용하는 것이 가장 효과적인데 이러한 ECR 이온원은 강력한 자장거울 구조를 이온원 내에 만들어 전자들을 이온원 내에 가두고 고주파 전자공명을 이용하여 전자들을 집중적으로 수 keV 이상 가열함으로써 원자의 내각에 위치한 전자들까지 궤도에서 떼어낼 수 있기 때문에 다가 이온화가 가능한 특징이 있다.

이러한 ECR 이온원의 설계에서 가장 중요한 점은 높은 에너지 전자들의 밀폐효율을 높이기 위해 강력한 거울자장 구조를 가져야 할 뿐만 아니라, 공명효율을 효율적으로 만들어 다가이온화 효율을 높이기 위해 반경방향으로도 강력한 다극자계를 만들도록 다극자장 발생장치를 설계하는 것이다.

이러한 다극자계 발생장치는 강력한 자장을 설계하기 위해 매우 복잡한 구조를 갖고 있어서 일반적인 ECR 이온원에 적용하기에는 적절하지 않은 문제점이 있다.

또한, ECR 이온원에 적용되는 다극자계 발생장치는 여러 종류의 자화방향을 갖는 자석으로 이루어지고, 외부 자계에 의해 영향을 받음에 따라 자신의 자화방향 과 다른 자장에 의해 받는 자기 스트레스에 의해 자력이 점점 약해지는 문제점이 있고, 자기 스트레스에 의한 자력의 약화를 극복하기 위해 보자력이 강한 자석을 사용하게 되면 강한 자장이 형성되지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 다양한 종류의 자석을 마련하여 다층의 3중겹 구조로 이온원의 자석을 설계하되 자석 내부의 자기 스트레스를 고려하여 보자력과 잔류자기가 다른 자석을 적절하게 배치하여 자력을 오랫동안 유지하면서도 강한 자장을 형성하는 ECR 이온원용 다극자장 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 ECR 이온원용 다극자장 발생장치는 보자력과 잔류자기에 따라 분류된 적어도 3종류 이상의 영구자석으로 이루어지고, 상기 영구자석이 자기 스트레스의 강도에 따라 2층으로 배치된다.

또한, 상기 다극자장 발생장치는 원통형상으로 이루어지고, 6극자석의 자장구조가 발생되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 영구자석은 자기 스트레스에 따라 잔류자기가 다른 3종류의 영구자석으로 분류되고, 자기 스트레스가 작을수록 잔류자기가 큰 영구자석을 배치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 영구자석은 자기 스트레스에 따라 보자력이 다른 3종류의 영구자석으로 분류되고, 자기 스트레스가 클수록 보자력이 큰 영구자석을 배치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다극자장 발생장치는 자화방향에 따라 분리된 24개의 섹터로 이루어진다.

또한, 상기 다극자장 발생장치는 원통형상으로 이루어지고, 상기 24개의 섹터에는 자화방향이 원통과 동심원의 접선방향으로 형성된 섹터와 반경방향으로 형성된 섹터를 포함한다.

또한, 상기 자화방향이 접선방향 및 반경방향으로 형성된 섹터에는 상기 분류된 영구자석 중 보자력이 상대적으로 큰 영구자석을 배치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다극자장 발생장치는 원통형상으로 이루어지고, 상기 원통의 내경과 외경의 비가 2 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다극자장 발생장치는 상기 원통의 중심축방향으로 3겹의 구조로 이루어지져 모두 144개의 영구자석 절편으로 이루어진다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 자기 스트레스와 관계없이 강력한 자장을 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 자기 스트레스에도 불구하고 강력한 다극자장을 형성하면서 오랫동안 자력이 유지되는 효과가 있다.

또한, 최적의 섹터수로 배치하여 자장의 크기를 최대화하고 자기 스트레스에 강한 구조이므로 성능이 오래 유지되는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예의 2층-3중겹 ECR 이온원용 6극자기장 발생장치이다. 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 다극자장 발생장치는 다양한 자기적 성질을 갖는 여러 종류의 자석으로 이루어져 ECR 이온원에 필요한 다극자장을 형성한다. ECR 이온원에는 최적의 자장구조를 만들어내기 위해서 본 발명의 일 실시예와 같이 영구자석형 6극 자석이 사용되기도 한다. 핵물리 실험 등에 필요한 방사선 빔은 이온을 가속시켜 여러 종류에 표적에 입사함으로써 방사성 빔을 생산함은 앞서 설명하였지만 에너지가 높은 방사성 빔을 생산하기 위해서는 중이온을 가속시켜 표적에 입사시키는 것이 필요하다. 이러한 중이온을 만들기 위해서는 강력한 자장거울 구조를 이온원내에 만들어 전자들을 이온원내에 가두고 고주파 전자공명을 이용하여 전자들을 집중적으로 가열하여 원자 내각에 위치한 전자들까지 궤도에서 떼어내어 다가 이온화를 통해 중이온을 형성한다. 이를 위해서는 높은 에너지의 전자 들의 밀폐효율을 높이기 위해 축방향으로 강력한 자장 구조를 가져야 할 뿐만 아니라, ECR 공명영역을 효율적으로 만들어 다가이온화 효율을 높이기 위해서는 반경방향으로도 강력한 다극자계를 만들어 주어야 한다.

ECR 이온원에서 플라즈마 밀폐효율을 높이면서 빔 인출 효율을 최적화하기 위해서 다극자계는 6극자석으로 만드는 것이 바람직하다. 6극자석을 설계함에 있어서 강력한 자장에만 중점을 두어 매우 복잡한 구조를 갖고 있어 일반적인 ECR 이온원에 적용하기에는 적절하지 않다. 또한, 영구자석을 이용한 6극자석에는 반대자화에 의한 자기 스트레스가 생기고 이러한 스트레스에 의해 자력이 점차 약화되어 전자들의 밀폐효율이 떨어지게 된다. 이러한 자기 스트레스는 6극자석을 형성하는 모든 자석에 동일한 것은 아니며 위치에 따라 받는 자기 스트레스가 다르다.

본 발명은 이를 위해 6극 자석을 형성하는 영구자석을 보자력과 잔류자기가 각각 상이한 여러 종류로 분류하고 자기 스트레스의 강도에 따라 분류된 영구자석을 적절하게 배치하여 강력한 자장을 형성하면서도 자기 스트레스에 강한 내성을 갖는다. 종래 자기 스트레스에 대응하여 자력이 약화되는 것을 방지하기 위해 보작력이 큰 영구자석을 사용하는 경우 강한 자장을 형성하지 못하고 강력한 자장구조를 형성하기 위해 잔류자기가 큰 영구자석을 사용하는 경우 점차 자력이 약화되어 내구성이 떨어지는 문제점이 있었으나 본 발명의 다극자장 발생장치는 자기 스트레스의 정도에 따라 여로 종류로 분류된 영구자석을 적절하게 배치하여 강력한 자장을 형성하면서도 내구성이 강한 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 자기 스트레스에 따라 보자력 내지는 잔류자기의 크기가 다른 3종류로 분류하고 자기 스트레스가 큰 위치에는 보자력이 큰 영구자석을 배치하고 자기 스트레스가 작은 위치에는 잔류자기가 큰 영구자석을 배치한다. 이를 통해 자기 스트레스에 의한 자력의 약화를 최대한 방지하여 내구성이 강한 6극자석을 만들고 강력한 자장을 형성하여 밀폐효율이 높은 ECR용 다극자장 발생장치를 구현할 수 있다. 도 2는 이러한 6극자석에 의한 자석내부의 자력선의 분포를 나타내고, 이러한 자장구조에 의해 다가이온들의 밀폐효율을 높이면서 ECR 이온원의 빔인출부에서의 에미턴스를 최적화할 수 있게 된다.

도 3(a)(b)는 6극 자석의 구성예를 도시한 도면으로서 각 섹터에는 동일한 크기의 자화방향이 다른 영구자석이 배치되어 있다. 6극 자석을 만들기 위해서는 도 3(a)와 같이 최소 12개 섹터의 영구자석이 필요하고 18개, 24개, 30개 등 동일한 크기의 자화방향이 다른 섹터를 통해 6극자석을 구성할 수 있다. 섹터의 수가 작으면 6극자석을 구성하기가 쉽지만 자화방향의 많은 부분이 비효율적으로 사용되어 강한 자장을 구현하기가 어렵고 섹터수가 많으면 자화방향을 효율적으로 배치하여 자석들을 효율적으로 사용할 수 있지만 구성이 복잡한 문제점이 있다.

섹터수가 증가하면 강한 자장이 형성되기는 하나 구성이 복잡해지는 문제가 있는 바 섹터수가 증가하여도 자장이 크게 증가하지 않는 한계인 24섹터로 6극자석을 구성하는 것이 바람직하다. 이는 도 4를 참조하여 설명할 수 있는데 도 4는 섹터수에 따른 자장의 세기를 나타내는 그래프로서 섹터수가 24개인 점을 기준으로 자장세기가 서서히 포화되고 있음을 볼 수 있다. 24개 섹터로 이루어진 6극자석의 구성예는 도 3(b)에 도시되어 있다.

6극자석의 내경은 ECR 이온원을 구성하는 용기의 크기에 따라 결정되지만 외경은 자장의 세기와 축방향의 자장을 형성하는 솔레노이드 자석의 성능에 의해 제한이 있다. 즉, 외경의 크기가 증가할수록 이온원 용기 벽에서의 자장의 세기는 증가하는 특성을 이용하여 최적의 외경의 크기를 결정할 수 있는데 외경과 내경의 비가 2 이상 커지면 자장의 세기의 증가폭이 현저하게 떨어진다. 도 5는 외경의 크기에 따른 자장의 세기를 나타내는 것으로 내경의 크기가 75mm인 ECR 이온원의 경우 외경과 내경의 비가 2이상 커지면서 자장의 세기가 포화되기 시작함을 볼 수 있으며, 장치의 효율성을 고려하여 외경의 크기를 내경의 두 배 정도로 하면 적당하다.

온도 특성을 제외한 영구자석의 중요한 특성 중 2가지는 자석의 세기를 결정하는 잔류자기와 자석의 자화방향을 계속 유지시켜 줄 수 있는 능력으로 설명되는 보자력이다. ECR 이온원내의 6극자석의 경우 각 섹터를 이루는 영구자석간의 자화방향이 상이하고, 6극자석 외부에서 솔레노이드에 의해 형성되는 자기장에 의해 자신의 자화방향과 다른 자기장에 의한 자기 스트레스가 존재한다. 또한 잔류자기가 큰 자석의 경우 일반적으로 보자력이 약해 자신의 자화방향과 다른 방향의 자장에 의해 자력이 점점 약해지게 된다. 이러한 자기 스트레스에 의한 자력의 약화를 막기위해 보자력이 센 자석을 사용하게 되면 강한 자장을 형성하기가 어려운 문제가 있다. 이를 위해 본 발명은 보자력 내지는 잔류자기의 세기에 따라 영구자석을 여러종류로 분류하고 자기 스트레스에 따라 적절하게 배치하여 강한 자장을 형성하면서도 내구력이 강한 다극자장 발생장치를 구성한다.

6극자석의 위치에 따른 자기 스트레스의 계산을 이하에서 설명하면 이온원 주변을 감싸는 6극자석 자체에 의해 만들어지는 자석들의 반경방향의 스트레스분포는 자석 내부를 포함한 Bmod (Bmod = SQRT(Bx2 + By2 +Bz2))성분의 자장분포를 구해 추정할 수 있다. 도 6은 외경에서의 자기 스트레스를 나타내는 도면으로 3차원 자장해석코드를 통해 계산한 Bmod성분의 자장분포를 나타낸 그래프이다. 자석 내부와 외부를 포함해서 자장 값의 분포가 0 테스라부터 2.0 테스라에 접근하는 값을 보여주는데 자장 값이 6극자석을 만드는 데 사용된 영구자석의 잔류자기 크기인 1.41을 중심으로 더 커지는 것은 주변 자석의 자장방향이 자신이 만드는 자장방향과 일치하고 있어 자장 값이 더 커지는 경우이고, 더 작아지는 것은 그 반대의 경우이다. 따라서 자석 내부의 Bmod 값이 0 에 접근한다는 것은 주변의 자석들이 만드는 자장방향이 자신이 가지고 있는 자화방향과 어긋나서 자장 스트레스를 매우 많이 받고 있다는 것을 의미한다.

24개 섹터들의 자화방향과 자석 내의 자장분포를 참조하면 6극자석을 구성하는 24개의 섹터들 중 가장 스트레스를 많이 받는 위치는 원의 접선방향으로 자화된 것들의 안쪽부분과 반경방향으로 자화된 것들의 바깥쪽 부분인 것을 알 수 있다. 이 곳의 스트레스는 부분적으로 1.4 T 이상이 되기 때문에 보자력이 1.4 테스라 이상의 자석을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 24개의 섹터들을 반경방향으로 2층으로 나누면 필요한 부분에 적절한 자석들을 배치할 수 있다.

6극자석 외부의 솔레노이드 전자석에 의해 만들어지는 축방향 자장에 의한 스트레스는 6극자석의 경우 자화방향이 모두 반경방향으로 되어있기 때문에 자석 내부에 미치는 축방향 자장 Bz는 모두 자석의 스트레스로 작용하게 된다. 도 6, 7 은 ECR 이온원의 솔레노이드 전자석을 고주파 입력부에서 이온원 용기벽에서 축방향으로 1.6 테스라 이상이 되게 하고, 빔인출부에서 용기벽에서 1.3 테스라 이상이 되도록 설계하여 그 자장 값을 만들어낼 수 있는 전자석에 의해 만들어지는 축방향 자장값 Bz의 크기를 6극자석의 내경과 외경의 표면에서 평가한 것이다.

솔레노이드 자석에 의한 스트레스는 도 3(b)의 24개 섹터들의 자화방향과 자석 내의 자장분포를 참조하면 6극자석의 내부를 중심으로 고주파 입력부에서는 용기 중심으로부터 나오는 방향으로 자화된 섹터를 중심으로 최대 2.0 테스라의 강한 스트레스가 걸리고, 빔인출부에서는 용기 중심을 향해 들어가는 방향으로 자화된 섹터들을 중심으로 2.5 테스라 이상의 강한 스트레스가 걸림을 알 수 있다. 따라서 ECR 이온원의 6극자석의 경우 솔레노이드자석 근처의 섹터는 전반적으로 강한 자장이 걸리기 때문에 잔류자기보다 보자력이 강한 자석을 선택하고 스트레스가 특히 강한 부분은 보자력이 탁월한 자석을 배치하는 것이 바람직하다. 24개의 섹터들을 축방향으로 3중겹으로 나누면 필요한 부분에 적절한 자석들을 구분하여 배치할 수 있다.

위의 도면을 참조하여 6극자석에 걸리는 스트레스 결과를 요약하면 솔레노이드 자석에 의해 양쪽에서 부분적으로 2테스라 이상의 매우 강한 스트레스를 받고, 또한 6극자석 자체의 자장에 의해 부분적으로 자신이 갖고 있는 잔류자기를 0으로 만들 수 있는 만큼의 스트레스를 받게 됨을 알 수 있다. 이를 고려하여 도 1과 같이 2층-3중겹을 갖는 144개로 6극자석을 구성하는 것이 바람직하다. 144개의 자석들의 재질은 위치에 따라 스트레스가 작은 부분에 사용되는 잔류자기가 강한 자석 (Hign Br), 중간 스트레스 영역에 사용되는 자석 (Middle Br/Hcj), 그리고 스트레스가 강한 곳에 사용되는 자석 (High Hcj)으로 구분하고 이를 적절하게 배치하여 제작 조립한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 6극자석의 반경방향의 자장분포에 대한 것으로 최종 자장은 중심에서 반경방향으로 도 8과 같은 분포를 갖으며, 이온원의 용기벽에서 1.43 테스라의 강한 자장을 만들 수 있어서 다가이온을 효과적으로 가둘 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2층-3중겹 ECR 이온원용 다극자장 발생장치이고,

도 2는 6극자석의 자기력선의 분포를 나타내는 도면이고,

도 3(a)(b)는 각각 12섹터와 24섹터를 사용한 6극자석의 구성예이고,

도 4은 섹터수에 따른 자장값의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 5는 다극자장 발생장치의 외경에 따른 자장값의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 6는 본 발명에 따른 일실시예인 6극자석의 외경에서의 자기 스트레스를 나타내는 도면이고,

도 7는 본 발명에 따른 일실시예인 6극자석의 내경에서의 자기 스트레스를 나타내는 도면이고,

도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 2층-3중겹 ECR 이온원용 다극자장 발생장치의 반경방향 자장분포를 나타내는 그래프이다.

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Claims (9)

1. ECR 이온원용 다극자장 발생장치에 있어서,

   보자력과 잔류자기에 따라 분류된 적어도 3종류 이상의 영구자석을 포함하여 구성되며,

   상기 영구자석은, 자기 스트레스에 따라 잔류자기가 다른 3종류의 영구자석으로 분류되고, 자기 스트레스가 작을수록 잔류자기가 큰 영구자석을 배치하도록 구성되거나, 또는, 자기 스트레스가 클수록 보자력이 큰 영구자석을 배치하도록 구성되어, 자기 스트레스의 강도에 따라 2층 구조로 배치되며,

   상기 다극자장 발생장치는, 원통형상으로 이루어지고, 자화방향에 따라 분리된 24개의 섹터로 이루어져, 6극 자석의 자장구조가 발생되도록 구성되고,

   상기 24개의 섹터는, 자화방향이 원통과 동심원의 접선방향으로 형성된 섹터와 반경방향으로 형성된 섹터를 포함하며,

   상기 자화방향이 접선방향 및 반경방향으로 형성된 섹터에는, 상기 분류된 영구자석 중 보자력이 상대적으로 큰 영구자석을 배치하도록 구성되고,

   상기 원통의 내경과 외경의 비는 2 이상으로 구성되며,

   상기 다극자장 발생장치는, 상기 원통의 중심축 방향으로 3겹의 구조로 이루어져 모두 144개의 영구자석 절편으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 ECR 이온원용 다극자장 발생장치.
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