KR101360852B1

KR101360852B1 - 주기가변 영구자석 언듈레이터

Info

Publication number: KR101360852B1
Application number: KR1020120093102A
Authority: KR
Inventors: 정영욱; 이기태; 박성희; 신상인; 장규하; 문정호; 비노쿠로프 니콜라이
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-02-11
Also published as: US9502166B2; WO2014030810A1; US20150255201A1

Abstract

본 발명의 목적은 평면형 언듈레이터 뿐 아니라 나선형 언듈레이터에도 적용 가능한, 주기가변 영구자석 언듈레이터를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 영구자석 및 강자성체가 교번 배치된 형태로 이루어지는 언듈레이터에서, 영구자석 사이에 개재된 강자성체가 자속포화됨으로써 영구자석 간의 척력에 의하여 자석 간 간격이 효과적으로 벌어질 수 있도록 형성된 구조를 통해, 자기장의 주기를 용이하면서도 세밀하게 조절 가능하도록 하는, 주기가변 영구자석 언듈레이터를 제공함에 있다.

Description

주기가변 영구자석 언듈레이터 {Variable-period permanent-magnet undulator}

본 발명은 주기가변 영구자석 언듈레이터에 관한 것이다.

언듈레이터(undulator)란 주기적인 자기장 또는 전기장 구조물로서, 자유전자 레이저(free electron laser)나 방사광 가속기에서 전자빔으로부터 빛을 발생시키는 장치이다. 전자빔의 운동에너지가 빛의 속도에 가까운 상대론적인 속도인 경우 자기장 언듈레이터를 사용한다. 보다 구체적으로 설명하자면, 전자의 진행 방향을 따라서 주기적으로 변화하는 자계 분포를 가지도록 형성되어 특정 파장의 빛을 강하게 방사시키는 역할을 하는 것으로, 영구자석 또는 전자석을 주기적으로 배치함으로써 이러한 자계 분포를 실현한다. 도 1은 일반적인 언듈레이터 형태를 간략하게 도시하고 있는데, 도 1(A)는 평면 내에서 자장이 주기적으로 방향을 바꾸는 평면형(planar) 언듈레이터를, 도 1(B)는 자장의 방향이 나선형(helical)으로 변화하도록 형성되는 나선형 언듈레이터를 각각 도시한다(도 1(B)에서, 자기장의 방향을 잘 표현하기 위해, 자석 간 간격이 다소 과장되게 도시되었다). 도 1(A)에 도시된 바와 같이 자기장에 따라 전자 진행 방향이 구불구불하게 휘어지는 것을 가리켜 사행 운동(wiggling motion)이라고 하며, 이는 방사선의 편광 방향을 결정하게 된다. 즉 평면형 언듈레이터에 의해 발생된 방사선은 선편광(linear polarization)이 되며, 나선형 언듈레이터에 의해 발생된 방사선은 원편광(circular polarization)이 된다.

언듈레이터에서 발생되는 방사선의 파장(λ)은 하기의 수학식 1과 같은 식으로 주어진다. 여기에서 γ는 전자빔의 에너지를 나타내는 로렌츠(Lorentz) 상수이며, λ_u는 언듈레이터 자기장의 주기, B_u는 언듈레이터 자기장의 세기이다.

수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 언듈레이터에서 발생하는 방사선의 파장은 전자빔의 에너지와 언듈레이터 특성에 의해서 결정된다. 원하는 방사선 파장을 결정함에 있어서, 먼저 전자빔의 에너지에 따라서 테라헤르츠, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선 등 방사선 파장 대역이 결정되고, 그 다음 언듈레이터 특성을 조절함으로써 원하는 파장을 정확하고 미세하게 조절하게 된다. 수학식 1에 보이는 바와 같이 방사선의 파장은 언듈레이터의 자기장 주기(λ_u) 및 자기장 세기(B_u)에 따라 달라지므로, 언듈레이터 자기장 주기나 세기를 적절히 조절함으로써 방사선 파장을 조절할 수 있음을 알 수 있다.

이 때 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 자기장의 주기는 언듈레이터를 구성하는 자석들의 간격을 물리적으로 조절하여야만 바꿀 수 있는 것으로, 자기장의 주기를 조절하는 것보다는 자기장의 세기를 조절하는 것이 상대적으로 용이하여, 기존의 언듈레이터는 대부분 자기장의 세기를 조절함으로써 방사선 파장을 조절하도록 이루어져 왔다. 영구자석을 사용하는 언듈레이터의 경우 언듈레이터 갭 공간의 크기를 변화시키는 방식으로, 전자석을 사용하는 언듈레이터의 경우 전자석에 공급되는 전류의 세기를 변화시키는 방식으로, 자기장의 세기는 용이하게 조절이 가능하다.

그런데, 이와 같이 방사선 파장을 조절하기 위해 자기장 세기를 조절하는 것에는 다음과 같은 여러 문제점이 내포되어 있다.

도 1(A)에 도시되어 있는 바와 같은 평면형 언듈레이터의 경우, 영구자석을 사용하는 경우든 전자석을 사용하는 경우든 자기장 세기의 조절은 쉽게 가능하다. 영구자석을 사용하는 경우라면 단지 영구자석 어레이의 상하를 기계적으로 벌리거나 좁히는 방법으로 언듈레이터 갭 공간의 크기를 변화시킬 수 있다. 평면형 언듈레이터의 경우에는, 영구자석을 사용하는 경우에라도 언듈레이터 갭 공간 크기 변화가 용이하기 때문에 큰 문제가 없다. 그러나 나선형 언듈레이터의 경우 평면형 언듈레이터와는 달리 자석 간 갭을 조절하는 것이 구조적으로 전혀 불가능하다(도 1(B) 참조).

한편, 전자석을 사용하는 경우에는 기계적인 움직임이 전혀 필요치 않으며 상술한 바와 같이 전류 세기만을 조절하면 된다. 그러나 전자석은 영구자석만큼 자기장의 세기가 강하지 않아서(영구자석 수준으로 강한 자기장을 만들기 위해서는 큰 전류를 인가해야 하므로 단면적이 작은 도선으로는 상온에서 불가능함), 효과적으로 방사선을 발생시키지 못한다는 단점이 있다는 사실이 잘 알려져 있다. 나선형 언듈레이터의 경우, 방사선 파장 조절을 위해 자기장 세기를 조절하려면 앞서 설명한 바와 같이 갭 조절을 구현할 수 없기 때문에 전자석을 사용할 수밖에 없으며, 따라서 작은 규모로는 원하는 만큼의 강한 출력을 가지는 방사선을 얻기 어려워지는 문제가 있었다.

뿐만 아니라, 자기장 세기 조절을 통해 방사선 파장을 조절하는 방법에는 근본적으로 방사선의 파장만 변화하는 것이 아니라 방사선 출력 크기까지 변화하게 된다는 문제가 있다.

이러한 여러 문제들 때문에, 자기장의 세기를 변화시키는 것이 아닌 자기장의 주기를 변화시켜서 방사선 파장을 조절할 수 있도록 하는 언듈레이터 구조에 대한 연구 노력이 꾸준히 있어 왔다. 도 2는 종래의 자기장 주기 조절 언듈레이터 기술들을 도시하고 있다.

미국특허등록 제6858998호("Variable-period undulators for synchrotron radiation", 2005.02.22, 이하 선행기술 1)에는 자석 간의 간격을 변화시키는 기계적인 링크 장치를 구비하는 언듈레이터가 개시되어 있다. 선행기술 1에서는 자석 간 간격을 변화시킴으로써 즉 자기장의 주기를 조절하여 방사선 파장을 조절하도록 된 것으로, 영구자석을 사용할 수 있어 앞서 설명한 전자석 사용 시의 문제점들을 해결할 수 있는 장점이 있다. 도 2(A)는 선행기술 1의 링크 장치를 개략적으로 도시한 것인데, 도시된 바와 같이 상기 링크 장치의 각 링크들 간 각도를 조절함으로써 자석 간의 간격을 변화시킬 수 있도록 되어 있다. 그런데 선행기술 1의 경우 구조적 특성상 미세한 움직임을 구현하기가 상당히 어려워 정밀한 조작이 이루어지기 어렵고, 결과적으로 방사선 파장의 미세한 조절이 어렵다는 문제가 있다. 뿐만 아니라 선행기술 1은 평면형 언듈레이터에 관한 것으로서, 이 구조를 나선형 언듈레이터에 그대로 적용할 수 없으며, 나선형 언듈레이터에 적용하기 위한 설계 변경이 매우 난해하다.

논문 "Variable-period permanent magnet undulators"(Vinokurov, N. A. et al., 2011 physical review special topics-accelerators and beams 14(4), art. no040701, 이하 선행기술 2)에서는, 평면형 언듈레이터에 있어서, 전혀 새로운 관점에서의 주기 가변 구조를 제시하고 있다. 도 2(B)는 선행기술 2에 개시된 구조 및 원리를 도시한 것이다. 선행기술 2에서는, 영구자석(permanent magnet) 및 영구자석보다 작은 크기의 강자성체(ferromagnetic material)를 교번 배치되게 한다. 이 때 영구자석의 자화 방향은 영구자석 열의 진행 방향과 나란하게 형성되도록 하되, 각각의 영구자석의 자화 방향은 도시된 바와 같이 영구자석 열(array)의 진행 방향에 따라 교번되도록 하고, 상측 열과 하측 열의 자화 방향 배치가 서로 대칭이 되도록 한다.

이와 같이 배치하였을 때, 강자성체는 인근의 영구자석에서 발생된 자기장을 모아서 상측 또는 하측 방향으로 강한 자력선을 발생시키게 된다. 이 때 강자성체 상에 형성되는 자력선 형태는, 도 2(B)의 확대도와 같이, 두 개의 영구자석 간 간격의 중간이 되는 위치가 대칭 중심선이 되게 된다. 이 때 선행기술 2에서는, 도 2(B)의 확대도와 같이, 바로 이 대칭 중심선 위치에서 강자성체가 분리되어 있도록 한다. 이와 같이 하면 분리된 두 강자성체 사이에는 서로 척력이 발생하게 된다. 따라서 각각의 강자성체 간에 작용하는 척력에 의해, 외부에서 일방향의 압축력을 기계적으로 인가해 주는 것만으로 쉽게 자기장 주기를 변화시킬 수 있게 되는 것이다.

그런데, 선행기술 2의 구조 역시 나선형 언듈레이터에는 적용이 불가능하다. 도 2(B)에 도시된 것은 평면형 언듈레이터 구조로서, 나선형 언듈레이터의 경우 도 2(B)에 도시된 바와 같은 평면형 언듈레이터 한 쌍이 서로 수직하도록 교차 배치되도록 이루어져야 한다. 이 때 나선형 언듈레이터의 축방향 단면들에 있어서, 동일 평면 상에 [상하 방향에는 강자성체 / 좌우 방향에는 영구자석] 또는 [상하 방향에는 영구자석 / 좌우 방향에는 강자성체]의 배치가 이루어지게 된다. 따라서 강자성체를 영구자석 간 간격 중간 위치에서 자르고자 하면, 그와 수직한 방향에 배치된 동일 평면 상의 영구자석도 잘라져야만 한다. 그런데 영구자석을 자르게 되면 단지 2개의 영구자석이 되어 버리게 되어 서로 인력이 작용하게 된다. 즉 분리된 강자성체 간에 서로 척력이 작용한다 해도 (동일 평면 상의) 분리된 영구자석 간에 서로 인력이 작용해 버리게 되어, 자석 간 간격을 효과적으로 벌리는 것이 불가능해지는 것이다. 이처럼 선행기술 2의 구조는 평면형 언듈레이터에 최적인 구조인 반면 나선형 언듈레이터에는 적용이 불가능한 구조이다.

1. 미국특허등록 제6858998호("Variable-period undulators for synchrotron radiation", 2005.02.22)

1. Vinokurov, N. A. et al., "Variable-period permanent magnet undulators", 2011 physical review special topics-accelerators and beams 14(4), art. no040701

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 평면형 언듈레이터 뿐 아니라 나선형 언듈레이터에도 적용 가능한, 주기가변 영구자석 언듈레이터를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 영구자석 및 강자성체가 교번 배치된 형태로 이루어지는 언듈레이터에서, 영구자석 간의 척력에 의하여 자석 간 간격이 효과적으로 벌어질 수 있도록 형성된 구조를 통해, 자기장의 주기를 용이하면서도 세밀하게 조절 가능하도록 하는, 주기가변 영구자석 언듈레이터를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주기가변 영구자석 언듈레이터는, 전자의 진행 방향을 따라 주기적으로 변화하는 자계 분포를 가지도록 형성되어 그 중심을 통과하는 빛의 특정 파장을 증폭하여 방사시키는 언듈레이터(100)에 있어서, 영구자석(111) 및 강자성체(112)가 교번 배치되어 이루어지는 적어도 한 쌍의 열(array)이 서로 이격 배치되어 이루어지되, 상기 영구자석(111)은 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향과 나란한 방향의 자화 방향을 가지며, 인접한 한 쌍의 상기 영구자석(111)에서 발생된 자기장에 의하여 한 쌍의 상기 영구자석(111) 사이에 배치된 상기 강자성체(112)가 자속포화되도록 이루어져, 상기 영구자석(111) 간 척력에 의하여 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112) 간 간격이 가변되도록 형성되어, 적어도 한 쌍의 상기 영구자석(111) 및 강자성체(112) 열들 사이를 통과하는 빛의 증폭 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 언듈레이터(100)는 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향으로 인접한 한 쌍의 상기 영구자석(111)들 간의 자화 방향이 서로 반대가 되고, 상기 영구자석 및 강자성체 열들 간의 이격 방향으로 인접한 한 쌍의 영구자석(111)들 간의 자화 방향이 서로 반대가 되도록 형성된다.

또한, 상기 언듈레이터(100)는 상기 영구자석(111)이 상기 강자성체(112)보다 넓은 면적을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 언듈레이터(100)는 한 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열로 이루어지는 평면형 언듈레이터이거나, 또는 두 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열로 이루어지며, 각 쌍은 동축 상에 서로 수직하도록 배치되는 나선형 언듈레이터일 수 있다.

또한, 상기 영구자석(111)은 Nd-Fe-B 영구자석 또는 사마륨 코발트 계열 영구자석을 포함하는 희토류계 영구자석 재질로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 강자성체(112)는 순철(pure steel), 저탄소강(low-carbon steel), 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 언듈레이터(100)는, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 축 중심을 중심점, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향을 제1방향, 제1방향에 수직한 두 방향을 각각 제2방향 및 제3방향이라 할 때, 한 쌍의 영구자석(111) 또는 한 쌍의 강자성체(112) 중 선택되는 적어도 한 종의 쌍을 포함하여 이루어지는 복수 개의 자력부(110); 제1방향에 수직한 방향으로 배치되어 상기 자력부(110)를 고정 지지하며, 상기 중심점 위치에 전자빔이 통과하는 통로를 형성하는 통공이 형성되며, 복수 개의 안내수단 통공(121)이 형성되고, 비자성체 재질로 된 복수 개의 지지판(120); 제1방향에 나란한 방향으로 연장 형성되며, 복수 개의 상기 지지판(120)의 상기 안내수단 통공(121)을 관통하도록 배치되고, 비자성체 재질로 된 복수 개의 안내수단(130); 상기 자력부(110) 및 상기 지지판(120)으로 이루어지는 상기 영구자석 및 강자성체 열의 제1방향 양쪽 끝단을 지지하며 제1방향으로 길이가 가변되도록 형성되어, 상기 영구자석 및 강자성체 열에 제1방향의 압축력을 인가하여 상기 자력부(110) 간 간격을 조절하는 선형이송수단(150); 을 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 언듈레이터(100)는, 상기 자력부(110)가 상기 중심점을 중심으로 제1방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되며 자화 방향이 서로 반대로 형성되는 한 쌍의 영구자석(111) 및 상기 중심점을 중심으로 제1방향 및 한 쌍의 상기 영구자석(111)의 배치 방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 강자성체(112)를 포함하여 이루어지며, 1주기당 상기 자력부(110)가 4개 배치되어 나선형 언듈레이터(100)를 이루되, 4개의 상기 자력부(110)를 순차적으로 제1자력부(110), 제2자력부(110), 제3자력부(110), 제4자력부(110)라 할 때, 상기 제1자력부(110)의 영구자석(111) 및 상기 제2자력부(110)의 강자성체(112)끼리 및 상기 제1자력부(110)의 강자성체(112) 및 상기 제2자력부(110)의 영구자석(111)끼리 마주보도록, 상기 제1자력부(110)에 대하여 상기 제2자력부(110)가 미리 결정된 회전 방향으로 90도 회전되게 배치되며, 상기 제2자력부(110)의 영구자석(111) 및 상기 제3자력부(110)의 강자성체(112)끼리 및 상기 제2자력부(110)의 강자성체(112) 및 상기 제3자력부(110)의 영구자석(111)끼리 마주보도록, 상기 제2자력부(110)에 대하여 상기 제3자력부(110)가 상기 회전 방향으로 90도 더 회전되게 배치되며, 상기 제3자력부(110)의 영구자석(111) 및 상기 제4자력부(110)의 강자성체(112)끼리 및 상기 제3자력부(110)의 강자성체(112) 및 상기 제4자력부(110)의 영구자석(111)끼리 마주보도록, 상기 제3자력부(110)에 대하여 상기 제4자력부(110)가 상기 회전 방향으로 90도 더 회전되게 배치되어, 상기 제1자력부(110) 내지 상기 제4자력부(110)의 영구자석(111) 자화 방향이 상기 회전 방향으로 90도씩 돌아가도록 형성되도록 한다. 이 때, 상기 회전 방향은 제1방향을 축으로 한 시계 방향 또는 반시계 방향이다.

또는, 상기 언듈레이터(100)는, 상기 자력부(110)가 상기 중심점을 중심으로 제1방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되며 자화 방향이 서로 반대로 형성되는 한 쌍의 영구자석(111)을 포함하여 이루어지는 영구자석 자력부 및 상기 중심점을 중심으로 한 쌍의 상기 영구자석(111)의 배치 방향에 나란한 방향으로 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 강자성체(112)를 포함하여 이루어지는 강자성체 자력부의 2종으로 이루어지며, 1주기당 상기 자력부(110)가 4개 배치되어 평면형 언듈레이터(100)를 이루되, 4개의 상기 자력부(110)를 순차적으로 제1자력부(110), 제2자력부(110), 제3자력부(110), 제4자력부(110)라 할 때, 상기 제1자력부(110) 및 상기 제3자력부(110)는 상기 영구자석 자력부이고, 상기 제2자력부(110) 및 상기 제4자력부(110)는 상기 강자성체 자력부이며, 상기 제1자력부(110) 및 상기 제3자력부(110)의 영구자석(111) 자화 방향이 서로 대칭되도록 반대로 형성되도록 한다.

또한, 상기 선형이송수단(150)은 프레임(155), 상기 프레임(155)의 상기 영구자석 및 강자성체 열의 일측 끝단 위치에 고정 구비되는 고정판(151), 상기 영구자석 및 강자성체 열의 타측 끝단 위치에 배치되는 이동판(152)을 포함하여 이루어져, 상기 이동판(152)에 의하여 상기 영구자석 및 강자성체 열의 타측 끝단이 눌려져 압축력을 인가하도록 형성되되, 상기 이동판(152)이 제1방향을 따라 선형 이송 가능하도록 이루어질 수 있다.

또한, 상기 지지판(120)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것이 바람직하다.

또한, 상기 안내수단(130)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 안내수단 통공(121)은 상기 중심점을 중심으로 점대칭을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 안내수단 통공(121)은 상기 안내수단(130)과의 마찰력 저감을 위한 베어링이 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 언듈레이터(100)는, 상기 지지판(120) 사이에 개재되어 상기 선형이송수단(150)이 인가하는 압축력에 반하는 방향의 탄성력을 발생하는 복수 개의 탄성수단(140); 을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 언듈레이터(100)는, 상기 지지판(120)에 복수 개의 탄성수단 통공(122)이 더 형성되며, 상기 탄성수단(140)은, 제1방향에 나란한 방향으로 연장 형성되며 복수 개의 상기 지지판(120)의 상기 탄성수단 통공(122)을 관통하도록 배치되는 비자성체 재질로 된 중심봉(142) 및 상기 지지판(120) 사이에 개재되며 상기 중심봉에 끼워져 배치되는 스프링 코일(141)을 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 중심봉(142)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄성수단 통공(122)은 상기 중심점을 중심으로 점대칭을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 언듈레이터에서 자기장의 세기가 아닌 주기를 조절함으로써 방사선 파장을 보다 안정적으로 조절할 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 종래의 언듈레이터에서는 자기장 세기를 변화시켜 방사선 파장을 조절했는데, 자기장 세기가 변화하면 방사선의 출력도 변화하는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 자기장 주기를 변화시키기 때문에 방사선 출력에는 영향이 없어, 안정적인 방사선 출력을 유지하면서도 원하는 대로 방사선 파장을 조절할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한 본 발명에 의하면, 영구자석을 사용하여 자기장을 발생시키기 때문에 전력의 낭비 없이 작은 규모로 충분히 강한 자기장을 발생시킬 수 있는 큰 장점이 있다.

무엇보다도, 종래에 개발된 자기장 주기를 변화시킬 수 있는 구조는 단지 평면형 언듈레이터에만 적용이 가능하며 나선형 언듈레이터에는 적용이 불가능하였으나, 본 발명에 의하면 나선형 언듈레이터에서도 매우 용이하게 자기장 주기를 변화시킬 수 있는 큰 효과가 있다. 또한 본 발명의 자기장 주기 변화 구조는 구성이 간소하여 장치 자체의 부피를 크게 줄여 줄 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 간소한 구성으로 인하여 주기 조절이 용이하면서도 효과적이고 세밀한 주기 조절이 가능하여, 원하는 만큼 정밀한 파장 조절이 용이하게 가능하다는 큰 장점이 있다.

도 1은 일반적인 언듈레이터 형태.
도 2는 종래의 주기가변 평면형 언듈레이터.
도 3은 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 원리.
도 4 및 도 5는 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 한 실시예.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 주기가변 나선형 언듈레이터의 배치 구조.
도 9 및 도 10은 본 발명의 주기가변 나선형 언듈레이터에 의한 모의실험 결과.
도 11은 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 다른 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 주기가변 영구자석 언듈레이터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 주기가변 언듈레이터는 기본적으로 영구자석을 사용하여 자기장을 발생시킨다. 따라서 전자석을 사용하여 자기장을 발생시키는 언듈레이터에 비하여 전력의 낭비 없이 훨씬 안정적이고 강한 자기장을 만들 수 있다. 또한 본 발명의 언듈레이터는 그 이름에서 알 수 있다시피 자기장의 주기를 변화시켜서 방사선의 파장을 조절한다. 따라서 자기장의 세기를 변화시키는 언듈레이터에 비하여 방사선 출력의 변화 없이 안정적인 방사선 출력을 실현할 수 있음과 동시에, 방사선 파장을 자유로이 조절할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래의 언듈레이터에서는 자기장 주기를 변경시키는 것 자체가 어려웠으며, 일부 주기가변 구조가 개시되기는 하였으나 나선형 언듈레이터에는 구조적으로 적용이 불가능한 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 주기가변 언듈레이터는 그 구조를 개선함으로써, 영구자석을 사용하면서도 용이하게 주기의 변화가 가능하도록 하여, 종래의 문제들을 원천적으로 해결한다.

이하에서 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 원리 및 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 원리를 설명한 것이다. 본 발명의 주기가변 언듈레이터는, 기본적으로 도 3(B)에 도시된 바와 같이 영구자석(111) 및 강자성체(112)가 교번 배치되어 이루어지는 적어도 한 쌍의 열(array)이 서로 이격 배치되어 이루어진다. 이 때 상기 영구자석(111)은 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향과 나란한 방향의 자화 방향을 가지도록 형성된다. 보다 상세히는, 도 3(B)에 상기 영구자석(111) 상의 좌우 방향 화살표로 표시되어 있는 바와 같이, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향으로 인접한 한 쌍의 상기 영구자석(111)들 간의 자화 방향이 서로 반대가 되고, 또한 상기 영구자석 및 강자성체 열들 간의 이격 방향으로 인접한 한 쌍의 영구자석(111)들 간의 자화 방향이 서로 반대가 되도록 형성된다. 이와 같이 배치됨으로써 인접한 한 쌍의 영구자석(111)에서 발생된 자력선이 상기 인접한 한 쌍의 영구자석(111) 사이에 배치된 상기 강자성체(112)로 모아지게 되어, 도 3(B)에 상하 방향 화살표로 표시되어 있는 바와 같이, 상기 영구자석 및 강자성체 열들 간의 이격 방향으로 인접한 한 쌍의 상기 강자성체(112) 사이에 강한 자기장이 형성되게 된다.

이 때 본 발명의 언듈레이터(100)는, 인접한 한 쌍의 상기 영구자석(111)에서 발생된 자기장에 의하여 한 쌍의 상기 영구자석(111) 사이에 배치된 상기 강자성체(112)가 자속포화되도록 이루어진다는 것이 가장 중요한 특징이다. 이와 같이 한 쌍의 상기 영구자석(111) 사이에 배치된 상기 강자성체(112)가 자속포화되도록 하기 위한 가장 용이한 구성은, 상기 영구자석(111)이 상기 강자성체(112)보다 넓은 면적을 가지도록 형성되게 하는 것이다. 도 3(A)는 바로 이처럼 한 쌍의 상기 영구자석(111) 사이에 배치된 상기 강자성체(112)가 자속포화된 상태의 자력선 예시를 도시하고 있다.

상기하자면, 선행기술 2의 경우에는, 도 2(B)의 확대도에 도시된 바와 같이, 영구자석 사이에 배치된 강자성체가 자속포화되지 않고 중간 지점에서 대칭 중심선이 이루어지도록 형성되었으며, 이 대칭 중심선을 따라 강자성체를 분리함으로써 분리된 강자성체들이 서로 척력을 발생시키도록 형성되었다. 이 때문에 선행기술 2의 구조를 나선형 언듈레이터에 적용하려고 할 경우, 강자성체 분리 시 동일 평면 상에 있는 영구자석 또한 분리될 수밖에 없는데, 영구자석은 분리되는 순간 각각이 별도의 영구자석으로 형성되는 바 분리 위치에서 서로 인력을 발생시키므로, 분리된 강자성체 간 척력에 의해 간격을 조절하는 것이 불가능하게 되어, 선행기술 2의 구조를 나선형 언듈레이터에는 적용하는 것이 불가능하였다.

그러나 본 발명의 언듈레이터(110)는 이와 달리, 상기 강자성체(112)가 자속포화되도록 형성됨으로써, (선행기술 2에서 분리된 강자성체 간에 척력이 발생했던 것과는 전혀 달리) 상기 강자성체(112) 양 옆의 상기 영구자석(111) 간에 척력이 발생되도록 한다. 이와 같이 함으로써, 본 발명의 언듈레이터(100)에서는 상기 영구자석(111) 간 척력에 의하여 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112) 간 간격이 가변되도록 형성된다. 즉 도 3(B)의 점선으로 표시된 도면 및 좌우 양 끝에 표시된 엷은 화살표로 표시하고 있는 바와 같이, 각각의 상기 영구자석(111)들이 서로 척력을 발생시킴으로써 서로간의 간격이 벌어지게 되는 것이다. 상기 영구자석(111)과 상기 강자성체(112)의 움직임에 대한 제재 수단이 없다면, 상기 강자성체(112)가 자속포화되지 않고 상기 영구자석(111) 간 척력이 작용하지 않는 위치까지 간격이 벌어지게 될 것이다. 이 때, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향의 양쪽 끝단을 지지하고, 이 연장 방향으로 적절한 압축력을 인가해 주면, 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112) 간 간격을 원하는 만큼만 벌어지게 한 상태로 안정적으로 고정할 수 있다. 즉 단지 일방향의 힘을 가해 주는 압축력 인가수단을 구비하는 것만으로, 용이하게 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112) 간 간격을 원하는 만큼으로 조절할 수 있는 것이다.

이처럼 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112) 간 간격을 조절한다는 것은 궁극적으로는 상기 언듈레이터(100)의 자기장 주기를 조절한다는 것이다. (이하 실시예에서 보다 구체적으로 설명하겠지만) 일방향의 힘을 가해 주는 압축력 인가수단은 매우 쉽게 구성할 수 있는 간소한 구조로서, 단지 일방향으로 인가되는 압축력만을 조절하여 동일한 일방향의 부품들 간격이 조절될 수 있다. 상기하자면, 도 2(A)에 도시된 바와 같은 선행기술 1의 복잡한 링크 구조의 경우 부품들 간 간격 조절을 위해 각 링크의 길이, 링크 간 조인트 위치, 구동 조인트에서의 회전력과 링크 위치 변화 관계 등 복잡한 계산이 필요하여, 선행기술 1의 구조 자체를 구성하거나 그 구조에 대한 제어 설계를 하는 것이 매우 어렵다. 그러나 본 발명의 언듈레이터(100)는 이처럼 구조 자체가 간소하다는 특성에 따라, 복잡한 링크 구성이나 난해한 제어 설계가 전혀 필요하지 않기 때문에, 본 발명의 언듈레이터(100)는 그 설계나 제어 역시 매우 용이하게 구현할 수 있다. 특히, 이러한 주기가변 언듈레이터에서 요구되는 주기의 정확도 오차는 수백 마이크로미터 정도로서, 이 값은 자기장 세기를 변화시키기 위해 영구자석 간 이격 간격을 조절하는 언듈레이터가 수십 마이크로미터 이하의 정밀도를 갖는 것에 비해 최소 10배 이상 큰 값으로 비교적 어렵지 않게 실현할 수 있다.

즉 본 발명에 의하면, 상기 언듈레이터(100)에서 자기장의 주기를 매우 용이하게 변화시킬 수 있으며, 또한 설계나 제어가 용이한 만큼 세밀한 제어 또한 용이하게 가능하게 되어, 궁극적으로는 상기 언듈레이터(100)에 의하여 발생되는 방사선의 파장을 원하는 대로 자유로이 또한 세밀하게 조절할 수 있다. 더불어 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 언듈레이터(100)에서 자기장을 발생시키는 수단으로 영구자석을 사용하므로 전력의 낭비가 없을 뿐만 아니라 강한 출력을 발생시킬 수 있으며, 또한 (자기장의 세기가 아닌) 자기장의 주기를 변화시켜서 발생되는 방사선의 파장을 조절하는 것이므로 방사선 출력 또한 안정적으로 유지할 수 있다.

무엇보다도 본 발명의 언듈레이터(100) 구조에 의하면, 평면형 언듈레이터 뿐만 아니라, (원편광 방사선을 발생시킬 수 있는) 나선형 언듈레이터에도 얼마든지 적용이 가능하다. 즉, 상기 언듈레이터(100)가 한 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열로 이루어지도록 하면 평면형 언듈레이터가 되고, 상기 언듈레이터(100)가 두 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열로 이루어지며, 각 쌍은 동축 상에 서로 수직하도록 배치되도록 하면 나선형 언듈레이터가 된다. 앞서 설명한 바와 같이 종래의 주기가변 언듈레이터 구조는 평면형 언듈레이터에밖에 적용할 수 없는 한계가 있었던 반면, 본 발명의 언듈레이터(100) 구조는 나선형 언듈레이터에도 얼마든지 자유로이 적용이 가능하여, 나선형 언듈레이터에서도 상술한 바와 같은 장점들을 그대로 누릴 수 있게 되는 것이다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 한 실시예이며, 도 6 내지 도 8은 상기 실시예에서의 배치 구조로서, 보다 상세히는 상기 언듈레이터(100)가 주기가변 나선형 언듈레이터인 경우인 실시예를 도시하고 있다. 또한 도 11은 본 발명의 주기가변 언듈레이터의 다른 실시예로서, 보다 상세히는 상기 언듈레이터(100)가 주기가변 평면형 언듈레이터인 경우인 실시예를 도시하고 있다. 앞서 도 3의 설명을 참조하면 본 발명의 언듈레이터(100)는 가장 기본적으로는 영구자석(111)과 강자성체(112)를 포함하는데, 실질적으로는 이들을 안정적으로 지지하는 수단 및 압축력 인가수단이 더 포함되어야 한다. 도 4 내지 도 8, 도 11은 이러한 수단들의 구체적인 예시를 나타내고 있는 것이다.

상기 언듈레이터(100)가 평면형(도 11의 실시예) 또는 나선형(도 4 내지 도 8의 실시예) 중 어떤 경우이든, 본 발명의 언듈레이터(100)는, 도시된 바와 같이 영구자석(111) 또는 강자성체(112) 중 선택되는 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 복수 개의 자력부(110), 상기 자력부(110)를 고정 지지하는 복수 개의 지지판(120), 상기 지지판(120)의 선형 이동을 안내하는 안내수단(130) 및 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향으로 압축력을 인가하는 선형이송수단(150)을 포함하여 이루어진다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

여기에서 먼저 설명을 보다 간략하게 하기 위하여 용어를 정리한다. 이하에서, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 축 중심을 중심점, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향을 제1방향, 제1방향에 수직한 두 방향을 각각 제2방향 및 제3방향이라 한다. 도 6 내지 도 8을 기준으로 할 때, 제1방향은 x축 방향이 되며, 제2방향 및 제3방향은 각각 y축 방향 및 z축 방향이 될 수 있다. (물론 제2방향 및 제3방향이 반드시 y축 방향 및 z축 방향이어야만 하는 것은 아니며, 제2방향 및 제3방향은 각각이 제1방향과 수직하고 또한 서로 수직하기만 하면 된다.)

상기 자력부(110)는, 나선형 언듈레이터일 때와 평면형 언듈레이터일 때 다르게 형성된다. 상기 언듈레이터(100)가 나선형 언듈레이터일 때는, 상기 자력부(110)는 상기 영구자석(111) 한 쌍 및 상기 강자성체(112) 한 쌍을 모두 포함하여 이루어진다. 한편 상기 언듈레이터(100)가 평면형 언듈레이터일 때는, 상기 자력부(110)는 상기 영구자석(111) 한 쌍만 포함하는 영구자석 자력부 및 상기 강자성체(112) 한 쌍만 포함하는 강자성체 자력부, 이 2종으로 이루어진다. 상기 자력부(110)의 상세 구성에 대해서는, 이후 상기 영구자석(111)의 자화 방향에 대해 설명할 때 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 더불어 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112) 재질의 구체적인 예시를 들자면, 상기 영구자석(111)은 Nd-Fe-B 영구자석 또는 사마륨 코발트 계열 영구자석을 포함하는 희토류계 영구자석 재질 등이 될 수 있고, 상기 강자성체(112)는 순철(pure steel), 저탄소강(low-carbon steel), 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 등이 될 수 있다.

상기 지지판(120)은 제1방향에 수직한 방향으로 배치되어 상기 자력부(110)를 고정 지지하며, 상기 중심점 위치에 전자빔이 통과하는 통로를 형성하는 통공이 형성된다. 상기 지지판(120)은 비자성체 재질로 되어 상기 자력부(110)에 의한 자력의 영향을 받거나 자력의 방향 등에 영향을 끼치지 않도록 하는데, 구체적으로는 상기 지지판(120)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등이 될 수 있다. 도시된 바와 같이 상기 지지판(120)에는 상기 영구자석(111) 또는 상기 강자성체(112)가 안착될 수 있는 통공 또는 홈 형태의 안착부가 형성되므로, 상기 자력부(110)가 안정적으로 고정 지지될 수 있게 된다. 또한 상기 지지판(120)에는, 복수 개의 안내수단 통공(121)이 형성된다.

상기 안내수단(130)은 제1방향에 나란한 방향으로 연장 형성되며, 상기 지지판(120)의 상기 안내수단 통공(121)을 관통하도록 배치됨으로써, (상기 자력부(110)를 고정 지지하고 있는) 상기 지지판(120)을 지지함과 동시에 선형 이동 시 이동 궤적을 안내하는 역할을 한다. 상기 안내수단(130) 역시 비자성체 재질로 됨으로써 자력에 대한 영향이 없도록 하는데, 구체적으로는 상기 안내수단(130) 역시 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등이 될 수 있다. 상기 지지판(120)에 복수 개의 안내수단 통공(121)이 형성되는바 상기 안내수단(130)도 복수 개가 구비될 수 있는데, 상기 지지판(120)을 안정적으로 지지하며 상기 영구자석 및 강자성체 열의 뒤틀림을 방지할 수 있도록 하기 위해 상기 안내수단 통공(121)은 상기 중심점을 중심으로 점대칭을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다. 도 4 및 도 11에서는 상기 안내수단(130) 및 상기 안내수단 통공(121)이 4개 형성되는 것으로 도시되어 있으나 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 안내수단 통공(121)에는, 상기 안내수단(130)과의 마찰력 저감을 위한 베어링이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 선형이송수단(150)은, 상기 자력부(110) 및 상기 지지판(120)으로 이루어지는 상기 영구자석 및 강자성체 열의 제1방향 양쪽 끝단을 지지하며 제1방향으로 길이가 가변되도록 형성되어, 상기 영구자석 및 강자성체 열에 제1방향의 압축력을 인가하여 상기 자력부(110) 간 간격을 조절하는 역할을 한다. 상기 선형이송수단(150)이 강하게 압축력을 인가하면 상기 자력부(110) 간 간격이 좁아져 자기장 주기가 짧아지고, 약하게 압축력을 인가하면 상기 자력부(110) 간 간격이 넓어져 자기장 주기가 길어지게 된다. 도 5에서는 상기 선형이송수단(150)이 프레임(155), 상기 프레임(155)의 상기 영구자석 및 강자성체 열의 일측 끝단 위치에 고정 구비되는 고정판(151), 상기 영구자석 및 강자성체 열의 타측 끝단 위치에 배치되는 이동판(152)을 포함하여 이루어져, 상기 이동판(152)에 의하여 상기 영구자석 및 강자성체 열의 타측 끝단이 눌려져 압축력을 인가하도록 형성되되, 상기 이동판(152)이 제1방향을 따라 선형 이송 가능하도록 이루어지는 실시예를 도시하고 있다. 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며 상기 선형이송수단(150)은 단지 제1방향으로 이송 가능하게만 된다면 어떠한 구조로든 변경 실시가 가능하다.

더불어, 본 발명의 언듈레이터(100)는 도 4 및 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 지지판(120) 사이에 개재되어 상기 선형이송수단(150)이 인가하는 압축력에 반하는 방향의 탄성력을 발생하는 복수 개의 탄성수단(140)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 탄성수단(140)은, 상기 선형이송수단(150)이 인가하는 압축력에 반하는 방향의 탄성력을 발생하여, 상기 자력부(110) 간에 발생되는 척력을 더 보완해 주는 역할을 한다. 도 4 및 도 11에는, 먼저 상기 지지판(120)에 복수 개의 탄성수단 통공(122)이 더 형성되며, 상기 탄성수단(140)은, 제1방향에 나란한 방향으로 연장 형성되며 복수 개의 상기 지지판(120)의 상기 탄성수단 통공(122)을 관통하도록 배치되는 비자성체 재질로 된 중심봉(142) 및 상기 지지판(120) 사이에 개재되며 상기 중심봉에 끼워져 배치되는 스프링 코일(141)을 포함하여 이루어지는 실시예를 도시하고 있다. 상기 중심봉(142)은 상기 스프링 코일(141)이 정위치를 벗어나는 것을 막아 주는 역할을 하며, 또한 상기 안내수단(130)의 역할을 겸할 수도 있다. 상기 중심봉(142)의 재질은 역시 상기 지지판(120)이나 상기 안내수단(130)과 마찬가지로 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등이 되도록 하면 된다. 상기 탄성수단(140)은 앞서 설명한 바와 같이 상기 탄성수단 통공(122)이 상기 중심점을 중심으로 점대칭을 이루도록 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 도 4 및 도 11에서는 상기 탄성수단(140) 및 상기 탄성수단 통공(122)이 8개 형성되는 것으로 도시되어 있으나 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄성수단(140)이 반드시 중심봉 및 스프링 코일의 조합으로 이루어져야만 하는 것은 아니며, 상기 지지판(120)에 위치 이탈 방지용 홈이 형성되고 스프링이 이 홈에 안착되도록 형성하는 등과 같이, 상기 지지판(120) 간 척력을 보완하는 탄성력을 상기 지지판(120)에 안정적으로 인가할 수 있다면 다른 어떤 구조로 변경 실시되어도 무방하다.

상기 언듈레이터(100)가 나선형 언듈레이터인 경우 상기 영구자석(111)의 자화 방향을 도 6 내지 도 8을 통해 보다 상세히 설명한다. 도 6 내지 도 8에서 편의상 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112)만을 도시하고 그 외의 구성요소는 생략하였다.

도 6 내지 도 8에서, 제1방향은 x축 방향, 제2방향은 y축 방향, 제3방향은 z축 방향이 된다. 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 언듈레이터(100)가 나선형 언듈레이터가 되도록 할 경우에는, 상기 자력부(110)가 상기 영구자석(111) 한 쌍과 상기 강자성체(112) 한 쌍을 모두 구비한다. 보다 상세하게는, 상기 자력부(110)는 상기 중심점을 중심으로 제1방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되며 자화 방향이 서로 반대로 형성되는 한 쌍의 영구자석(111) 및 상기 중심점을 중심으로 제1방향 및 한 쌍의 상기 영구자석(111)의 배치 방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 강자성체(112)를 포함하여 이루어진다.

상기 언듈레이터(100)가 나선형 언듈레이터가 되도록 할 경우, 상술한 바와 같이 형성된 상기 자력부(110)가 1주기당 4개 배치되도록 한다. 이 때 4개의 상기 자력부(110)를 순차적으로 제1자력부(110), 제2자력부(110), 제3자력부(110), 제4자력부(110)라 할 때, 각각의 자력부(110)의 배치는 다음과 같이 할 수 있다. 도 8(A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 상기 제1자력부(110)의 영구자석(111) 및 상기 제2자력부(110)의 강자성체(112)끼리 및 상기 제1자력부(110)의 강자성체(112) 및 상기 제2자력부(110)의 영구자석(111)끼리 마주보도록, 상기 제1자력부(110)에 대하여 상기 제2자력부(110)가 미리 결정된 회전 방향(상기 회전 방향은 제1방향을 축으로 한 시계 방향 또는 반시계 방향이 될 수 있는데, 도 8에서는 시계 방향인 예시가 도시되어 있다)으로 90도 회전되게 배치한다. 또한 도 8(B) 및 (C)에 도시된 바와 같이, 상기 제2자력부(110)의 영구자석(111) 및 상기 제3자력부(110)의 강자성체(112)끼리 및 상기 제2자력부(110)의 강자성체(112) 및 상기 제3자력부(110)의 영구자석(111)끼리 마주보도록, 상기 제2자력부(110)에 대하여 상기 제3자력부(110)가 상기 회전 방향으로 90도 더 회전되게 배치한다. 또한 도 8(C) 및 (D)에 도시된 바와 같이, 상기 제3자력부(110)의 영구자석(111) 및 상기 제4자력부(110)의 강자성체(112)끼리 및 상기 제3자력부(110)의 강자성체(112) 및 상기 제4자력부(110)의 영구자석(111)끼리 마주보도록, 상기 제3자력부(110)에 대하여 상기 제4자력부(110)가 상기 회전 방향으로 90도 더 회전되게 배치한다.

이와 같이 함으로써, 상기 제1자력부(110) 내지 상기 제4자력부(110)의 영구자석(111) 자화 방향이 상기 회전 방향으로 90도씩 돌아가도록 형성된다. xy 평면에서 보자면, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 강자성체(112)들 사이에, 서로가 이격된 방향에 나란하되 교번되는 방향으로 자기장이 형성되게 된다. 물론 xz 평면에서도 마찬가지로 교번되는 자기장이 형성되며, 결과적으로 4개의 자력부(110)를 지나는 동안 방향이 90도 간격으로 4번 돌아가도록 변화하는 자기장을 형성할 수 있게 된다.

도 9 및 도 10은 실제로 이와 같이 구현한 본 발명의 주기가변 나선형 언듈레이터에 의한 모의실험 결과로서, 언듈레이터의 주기를 변화시켰을 때의 자기장 3차원 분포 계산 결과를 나타내고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 언듈레이터(100)는 자기장의 주기만을 가변시키므로, 이론적으로 자기장 주기를 변화시켜 방사선 파장이 변화되도록 하여도 방사선의 출력에는 거의 영향이 없어야 한다. 도 9는 언듈레이터 주기가 23mm인 경우의 모의실험 결과로서 피크(peak) 값이 1.06T로 나타나고, 도 10은 언듈레이터 주기가 26mm인 경우의 모의실험 결과로서 피크 값이 1.07T로 나타나, 예측과 매우 잘 합치되는 결과가 나타남을 알 수 있다.

상기 언듈레이터(100)가 평면형 언듈레이터인 경우 상기 영구자석(111)의 자화 방향을 도 11을 통해 보다 상세히 설명한다. 도 11에서도 역시 편의상 상기 영구자석(111) 및 상기 강자성체(112)만을 도시하고 그 외의 구성요소는 생략하였다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상기 언듈레이터(100)가 평면형 언듈레이터가 되도록 할 경우에는, 상기 자력부(110)는 상기 영구자석(111) 한 쌍만을 구비하거나, 또는 상기 강자성체(112) 한 쌍만을 구비하는, 2종으로 이루어진다. 보다 상세하게는, 상기 자력부(110)는 상기 중심점을 중심으로 제1방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되며 자화 방향이 서로 반대로 형성되는 한 쌍의 영구자석(111)을 포함하여 이루어지는 영구자석 자력부 및 상기 중심점을 중심으로 한 쌍의 상기 영구자석(111)의 배치 방향에 나란한 방향으로 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 강자성체(112)를 포함하여 이루어지는 강자성체 자력부의 2종으로 이루어진다.

상기 언듈레이터(100)가 평면형 언듈레이터가 되도록 할 경우, 상술한 바와 같이 형성된 상기 자력부(110)가 1주기당 4개 배치되도록 한다. 이 때 4개의 상기 자력부(110)를 순차적으로 제1자력부(110), 제2자력부(110), 제3자력부(110), 제4자력부(110)라 할 때, 상기 제1자력부(110) 및 상기 제3자력부(110)는 상기 영구자석 자력부이고, 상기 제2자력부(110) 및 상기 제4자력부(110)는 상기 강자성체 자력부가 되도록 한다. 또한 상기 제1자력부(110) 및 상기 제3자력부(110)의 영구자석(111) 자화 방향이 서로 대칭되도록 반대로 형성되도록 한다.

이와 같이 함으로써, 도 1(A)나 도 2(B)에 나타난 바와 같이, 상하 방향으로 교번되는 자기장이 형성되는 평면형 언듈레이터를 용이하게 구현할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 주기가변 언듈레이터 110: 자력부
111: 영구자석 112: 강자성체
120: 지지판
121: 안내수단 통공 122: 탄성수단 통공
130: 안내수단 140: 탄성수단
141: 스프링 코일 142: 중심봉
150: 선형력 인가수단 155: 프레임
151: 고정판 152: 이동판

Claims

전자의 진행 방향을 따라 주기적으로 변화하는 자계 분포를 가지도록 형성되어 그 중심을 통과하는 빛의 특정 파장을 증폭하여 방사시키는 언듈레이터에 있어서,
영구자석 및 강자성체가 교번 배치되어 이루어지는 적어도 한 쌍의 열(array)이 서로 이격 배치되어 이루어져 적어도 한 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열들 사이로 빛이 통과되되, 상기 영구자석은 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향과 나란한 방향의 자화 방향을 가지며,
인접한 한 쌍의 상기 영구자석에서 발생된 자기장에 의하여 한 쌍의 상기 영구자석 사이에 배치된 상기 강자성체가 자속포화되도록 이루어져, 상기 영구자석 간 척력에 의하여 상기 영구자석 및 상기 강자성체 간 간격이 가변되도록 형성되어, 적어도 한 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열들 사이를 통과하는 빛의 증폭 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 1항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향으로 인접한 한 쌍의 상기 영구자석들 간의 자화 방향이 서로 반대가 되고,
상기 영구자석 및 강자성체 열들 간의 이격 방향으로 인접한 한 쌍의 영구자석들 간의 자화 방향이 서로 반대가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 1항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 영구자석이 상기 강자성체보다 넓은 면적을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 1항에 있어서, 상기 언듈레이터는
한 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열로 이루어지는 평면형 언듈레이터이거나, 또는
두 쌍의 상기 영구자석 및 강자성체 열로 이루어지며, 각 쌍은 동축 상에 서로 수직하도록 배치되는 나선형 언듈레이터인 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 1항에 있어서, 상기 영구자석은
Nd-Fe-B 영구자석 또는 사마륨 코발트 계열 영구자석을 포함하는 희토류계 영구자석 재질로 되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 1항에 있어서, 상기 강자성체는
순철(pure steel), 저탄소강(low-carbon steel), 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질로 되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 1항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 영구자석 및 강자성체 열의 축 중심을 중심점, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 연장 방향을 제1방향, 제1방향에 수직한 두 방향을 각각 제2방향 및 제3방향이라 할 때,
한 쌍의 영구자석 또는 한 쌍의 강자성체 중 선택되는 적어도 한 종의 쌍을 포함하여 이루어지는 복수 개의 자력부;
제1방향에 수직한 방향으로 배치되어 상기 자력부를 고정 지지하며, 상기 중심점 위치에 전자빔이 통과하는 통로를 형성하는 통공이 형성되며, 복수 개의 안내수단 통공이 형성되고, 비자성체 재질로 된 복수 개의 지지판;
제1방향에 나란한 방향으로 연장 형성되며, 복수 개의 상기 지지판의 상기 안내수단 통공을 관통하도록 배치되고, 비자성체 재질로 된 복수 개의 안내수단;
상기 자력부 및 상기 지지판으로 이루어지는 상기 영구자석 및 강자성체 열의 제1방향 양쪽 끝단을 지지하며 제1방향으로 길이가 가변되도록 형성되어, 상기 영구자석 및 강자성체 열에 제1방향의 압축력을 인가하여 상기 자력부 간 간격을 조절하는 선형이송수단;
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 자력부가 상기 중심점을 중심으로 제1방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되며 자화 방향이 서로 반대로 형성되는 한 쌍의 영구자석 및 상기 중심점을 중심으로 제1방향 및 한 쌍의 상기 영구자석의 배치 방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 강자성체를 포함하여 이루어지며,
1주기당 상기 자력부가 4개 배치되어 나선형 언듈레이터를 이루되,
4개의 상기 자력부를 순차적으로 제1자력부, 제2자력부, 제3자력부, 제4자력부라 할 때,
상기 제1자력부의 영구자석 및 상기 제2자력부의 강자성체끼리 및 상기 제1자력부의 강자성체 및 상기 제2자력부의 영구자석끼리 마주보도록, 상기 제1자력부에 대하여 상기 제2자력부가 미리 결정된 회전 방향으로 90도 회전되게 배치되며,
상기 제2자력부의 영구자석 및 상기 제3자력부의 강자성체끼리 및 상기 제2자력부의 강자성체 및 상기 제3자력부의 상기 영구자석끼리 마주보도록, 상기 제2자력부에 대하여 상기 제3자력부가 상기 회전 방향으로 90도 더 회전되게 배치되며,
상기 제3자력부의 상기 영구자석 및 상기 제4자력부의 강자성체끼리 및 상기 제3자력부의 강자성체 및 상기 제4자력부의 영구자석끼리 마주보도록, 상기 제3자력부에 대하여 상기 제4자력부가 상기 회전 방향으로 90도 더 회전되게 배치되어,
상기 제1자력부 내지 상기 제4자력부의 영구자석 자화 방향이 상기 회전 방향으로 90도씩 돌아가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 8항에 있어서, 상기 회전 방향은
제1방향을 축으로 한 시계 방향 또는 반시계 방향인 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 자력부가 상기 중심점을 중심으로 제1방향에 수직한 방향으로 서로 대칭되게 배치되며 자화 방향이 서로 반대로 형성되는 한 쌍의 영구자석을 포함하여 이루어지는 영구자석 자력부 및 상기 중심점을 중심으로 한 쌍의 상기 영구자석의 배치 방향에 나란한 방향으로 서로 대칭되게 배치되는 한 쌍의 강자성체를 포함하여 이루어지는 강자성체 자력부의 2종으로 이루어지며,
1주기당 상기 자력부가 4개 배치되어 평면형 언듈레이터를 이루되,
4개의 상기 자력부를 순차적으로 제1자력부, 제2자력부, 제3자력부, 제4자력부라 할 때,
상기 제1자력부 및 상기 제3자력부는 상기 영구자석 자력부이고, 상기 제2자력부 및 상기 제4자력부는 상기 강자성체 자력부이며,
상기 제1자력부 및 상기 제3자력부의 상기 영구자석 자화 방향이 서로 대칭되도록 반대로 형성되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 선형이송수단은
프레임, 상기 프레임의 상기 영구자석 및 강자성체 열의 일측 끝단 위치에 고정 구비되는 고정판, 상기 영구자석 및 강자성체 열의 타측 끝단 위치에 배치되는 이동판을 포함하여 이루어져,
상기 이동판에 의하여 상기 영구자석 및 강자성체 열의 타측 끝단이 눌려져 압축력을 인가하도록 형성되되, 상기 이동판이 제1방향을 따라 선형 이송 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 지지판은
알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 안내수단은
알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 안내수단 통공은
상기 중심점을 중심으로 점대칭을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 안내수단 통공은
상기 안내수단과의 마찰력 저감을 위한 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 7항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 지지판 사이에 개재되어 상기 선형이송수단이 인가하는 압축력에 반하는 방향의 탄성력을 발생하는 복수 개의 탄성수단;
을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 16항에 있어서, 상기 언듈레이터는
상기 지지판에 복수 개의 탄성수단 통공이 더 형성되며,
상기 탄성수단은, 제1방향에 나란한 방향으로 연장 형성되며 복수 개의 상기 지지판의 상기 탄성수단 통공을 관통하도록 배치되는 비자성체 재질로 된 중심봉 및 상기 지지판 사이에 개재되며 상기 중심봉에 끼워져 배치되는 스프링 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 17항에 있어서, 상기 중심봉은
알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.
제 16항에 있어서, 상기 탄성수단 통공은
상기 중심점을 중심으로 점대칭을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 주기가변 영구자석 언듈레이터.