KR101468079B1 - 사이클로트론 rf 제어장치 및 제어방법. - Google Patents

사이클로트론 rf 제어장치 및 제어방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 사이클로트론 RF 제어장치로, 진공함(cavity)으로부터 입력받은 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호를 2개의 채널로 전달하고, 외부 발진기로부터 전달받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 2개의 채널로 전달하는 아날로그 신호처리부; 상기 제1 아날로그 RF 신호, 상기 제2 아날로그 RF 신호, 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호, 상기 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 디지털 신호로 변환하여 각각 제1 디지털 RF 신호, 제2 디지털 RF 신호, 제1 디지털 레퍼런스 신호, 제2 디지털 레퍼런스 신호로 출력하는 ADC부상기 ADC부에서 출력된 제1 디지털 RF 신호와 제1 디지털 레퍼런스 신호가 동일하도록 처리하고, 상기 ADC부에서 변환된 제2 디지털 RF 신호와 제2 레퍼런스 신호가 동일하도록 처리하는 디지털 신호처리부; 를 포함하여, 진공함으로부터 제1, 2 RF 신호 각각이 외부 발진기로부터 입력된 제1, 2 레퍼런스 신호를 추종하도록 하여, 사이클로트론 RF 필드(RF field)의 변화 요소인 진폭, 위상, 주파수에 대한 통합적인 제어가 가능하도록 한다.

Description

사이클로트론 RF 제어장치 및 제어방법. {CONTROLLING APPARATUS OF A CYCLOTRON RF SIGNAL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 사이클로트론의 RF 신호를 제어하는 장치에 관한 것으로 특히, 사이클로트론에 인가되는 RF 신호의 위상, 진폭 및 주파수를 통합적으로제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
사이클로트론은 하전 입자를 가속하여 높은 에너지의 빔을 인출하는 장치로서, 신소재 개발, 반도체 생산, 유전자원 개발, 첨단의료기기, 유전자 조작, 반도체 생산 등의 분야에 폭넓게 활용되고 있으며, 특히 암진단에 사용되는 방사성동위원소(RI; radioisotope)를 생산하기 위한 중요한 입자 가속장치이다.
사이클로트론 RF 제어 장치는 사이클로트론 가동 시 진공함(cavity) 내부의 RF 신호를 수신하여 내부 열 발생，진공도에 따른 기계적 변형 등으로 인한 RF 필드(RF field) 변형을 보상해 주는 장치로 RF 신호처리부, Fine Tunner를 조정하는 제어부를 포함할 수 있다.
기존의 사이클로트론 RF 제어 장치의 경우, 고주파 (radio-frequency: RF) 진폭을 모니터링하고 Tuner를 통해 RF 의 반사율을 줄이는 방식을 사용하였다. 하지만 이러한 방식은 사이클로트론 내부 RF 필드(RF field)의 변화에 영향을 미치는 다양한 요인들에 대한 통합적인 제어가 불가능하고 리플 등의 오신호에 민감하게 반응한다는 단점이 존재하였다. RF 필드의 불안정성은 곧 사이클로트론을 통한 방사성동위원소(RI; radioisotope) 생산의 효율성을 저하시키고, 더 나아가서 사이클로트로을 구성하는 장치들에 대한 손상을 야기할 수 있는 문제점이 있었다.
기존 한국특허공개공보 10-2009-0054703는 가속관 고주파 전력 신호에 대한 주기적인 계단 응답 특성을 고려하여, 매 펄스 신호 부가시, 입자 가속과 무관한 과도응답 구간에서 가속관의 공진 주파수 변화 측정을 통해 가속관 특성 변화에 의한 위상 변화를 산출하여, 입자 가속이 이루어지는 정상상태응답 구간에서 상기 산출된 위상 변화를 보상하여 줌으로써, 가속기 운전중 가속관의 특성 변화에 따른 제어 루프의 위상 변화를 효과적으로 보상해주는 가속기 고주파 제어 방법이 개시되어 있다. 그러나, 한국특허공개공보 10-2009-0054703는 I,Q 신호를 이용하여 고주파 를 제어함에 있어서 위상제어에 국한되어, 위상 및/또는 진폭 및/또는 주파수를 통합적으로 제어할 수 없는 문제가 있다.
기존 한국등록특허 10-0786264는 사이클로트론의 고주파(RF)를 모니터링함에 있어서, 모니터링 된 현재 값을 이전의 모니터링 된 값과 비교하여 ADC의 resolution보다 클 경우, 모터를 동작시켜 RF 시스템 내부의 이 최대가 되도록 유지한다. 기존 한국등록특허 10-0786264는 모터 제어와 같은, 기계적인 동작을 통해 RF 신호의 진폭을 제어하기 때문에 고주파 신호의 변화에 대응하여 제어를 함에 있어서, 제어속도가 매우 느리므로 즉각적인 제어가 이루어지지 않는 단점이 있었다.
한국등록특허공보 10-0786264 (2007년12월17일 공고) 사이클로트론 가속기의 고주파 동조장치 및 동조방법.
본 발명의 목적은 RF 필드(RF field)의 변화 요소인 진폭, 위상, 주파수에 대한 통합적인 제어가 가능한 사이클로트론 RF 제어장치 및/또는 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 RF 필드의 신속한 피드백 제어가 가능한 사이클로트론 RF 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 지속적인 감시 없이도, 장치 스스로 예상하지 못한 RF 필드의 변화를 검출하고 제어할 수 있는 사이클로트론 RF 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 사이클로트론 RF 제어장치는 진공함(cavity)으로부터 입력받은 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호를 2개의 채널로 전달하고, 외부 발진기로부터 입력받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 2개의 채널로 전달하는 아날로그 신호처리부; 상기 제1 아날로그 RF 신호, 상기 제2 아날로그 RF 신호, 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호, 상기 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 디지털 신호로 변환하여 각각 제1 디지털 RF 신호, 제2 디지털 RF 신호, 제1 디지털 레퍼런스 신호, 제2 디지털 레퍼런스 신호로 출력하는 ADC부상기 ADC부에서 출력된 제1 디지털 RF 신호와 제1 디지털 레퍼런스 신호가 동일하도록 처리하고, 상기 ADC부에서 출력된 제2 디지털 RF 신호와 제2 레퍼런스 신호가 동일하도록 처리하는 디지털 신호처리부; 를 포함한다.
또한, 상기 아날로그 신호처리부는 상기 제1 아날로그 RF 신호 및 상기 제2 아날로그 RF 신호의 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 조절하는 제1조절부와 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호 및 상기 제2 아날로그 레퍼런스 신호의 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 조절하는 제2조절부를 더 포함한다.
또한, 상기 아날로그 신호처리부는 상기 제1 아날로그 RF 신호 및 상기 제2 아날로그 RF 신호 중 적어도 하나의 리플을 제거하는 리플 제거부를 더 포함한다.
또한, 상기 ADC부는 상기 아날로그 신호처리부로부터 전달받은 상기 제1 아날로그 RF 신호를 제1 디지털 RF 신호로 변환하는 제1ADC(analog-to-digital converter); 상기 아날로그 신호처리부로부터 전달받은 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호를 제1 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 제2ADC(analog-to-digital converter); 상기 아날로그 신호처리부로부터 전달받은 제2 아날로그 RF 신호를 제2 디지털 RF 신호로 변환하는 제3ADC(analog-to-digital converter); 및상기 아날로그 신호처리부로부터 전달받은 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 제2 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 제4ADC(analog-to-digital converter);를 포함한다.
또한, 상기 ADC부는 상기 아날로그 신호처리부로부터 전달받은 상기 제1아날로그 RF 신호, 상기 제2 아날로그 RF 신호, 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호 및 상기 제2 아날로그 레퍼런스 신호의 주파수를 4의 배수로 설정하는 샘플링 주파수 설정부를 더 포함한다.
또한, 상기 디지털 신호처리부는 상기 제1ADC로부터 출력된 상기 제1 디지털 RF 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제1디모듈레이터; 상기 제2ADC로부터 출력된 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제2디모듈레이터;상기 제3ADC로부터 출력된 상기 제2 디지털 RF 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제3디모듈레이터; 및 상기 제4ADC로부터 출력된 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제4디모듈레이터;를 포함한다. .
또한, 상기 디지털 신호처리부는 상기 제1 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제1연산부; 상기 제2 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제2연산부; 상기 제3 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제2 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제3연산부; 및 상기 제4 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제2 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제4연산부;를 더 포함한다.
또한, 상기 디지털 신호처리부는 상기 제1연산부에 의해 연산된 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값이 상기 제2연산부에 의해 연산된 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값와 동일하도록 제어하는 PI 제어부를 더 포함한다.
또한, 상기 디지털 처리부는 상기 제3연산부에 의해 연산된 제2 디지털 RF 신호의 위상값과 상기 제4연산부에 의해 연산된 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상값을 비교하여 위상 오차값을 산출하는 오차산출부를 더 포함한다.
또한, 상기 디지털 신호처리부는 상기 PI 제어부로부터 상기 제어된 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상값으로부터 IQ 신호를 연산하는 제5연산부를 더 포함한다.
또한, 상기 디지털 신호처리부는 상기 제5연산부로부터 연산된 I, Q신호를 합성하는 모듈레이터를 더 포함한다.
또한, 상기 사이클로트론 RF 제어장치는 상기 모듈레이터로부터 합성된 I, Q 신호를 아날로그 RF 신호로 변환하여 출력하는 DAC부를 더 포함한다.
또한, 상기 디지털 처리부는상기 제1 디지털 RF 신호와 상기 제2 디지털 RF 신호의 리플을 제거하는 CIC 디지털 필터를 더 포함하는 포함한다.
또한, 상기 디지털 처리부는상기 위상 오차값을 보정하기 위한 모터구동용 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발생부를 더 포함하는 포함한다.
또한, 상기 디지털 신호처리부는 FPGA(field-programmable gate array) 보드에 구비된다.
또한, 상기 사이클로트론 RF 제어장치는 상기 ADC부 및 DAC부 중 적어도 하나의 구동을 위한 클럭(clk)을 생성하고, 호스트 컴퓨터와 시리얼(serial) 통신을 수행하여 상기 디지털 신호처리부를 제어하는 디지털 I/O부를 더 포함하는 포함한다.
본 발명의 사이클로트론의 RF 신호 제어방법은 (1) 진공함(cavity)으로부터 입력받은 제1 아날로그 RF 신호 및 제2 아날로그 RF 신호를 전달하는 단계; (2) 외부 발진기로부터 입력받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 전달하는 단계; (3) 상기 전달된 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호를 제1 디지털 RF 신호와 제2 디지털 RF 신호로 변환하는 단계;
(4) 상기 전달된 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 제1 디지털 레퍼런스 신호와 제2 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 단계; (5) 상기 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상을 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상과 동일하도록 처리하는 단계; (6) 상기 제2 디지털 RF 신호의 위상을 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상과 동일하도록 처리하는 단계;
(7) 상기 (5) 단계에서 처리된 상기 제1 디지털 RF 신호를 아날로그 신호로 변환하는 단계;를 포함한다. .
또한, 상기 (5) 단계는 (5-1) 상기 제1 디지털 RF 신호, 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호로부터 I,Q 신호를 분리하는 분리하는 단계; (5-2) 상기 분리된 I,Q 신호로부터 상기 제1 디지털 RF 신호 및 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상을 연산하는 단계; (5-3) 상기 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상이 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상이 동일하도록 PI 제어하는 단계;
(5-4) 상기 (5-3) 단계에서 PI 제어된 상기 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상으로부터 I, Q 신호를 연산하는 단계; (5-5) 상기 (5-4) 단계에서 연산된 I, Q 신호를 합성하는 단계; (5-6) 상기 제2 디지털 RF 신호 및 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호로부터 각각 I,Q 신호를 분리하는 단계; (5-7) 상기 각각 분리된 I,Q 신호로부터 상기 제2 디지털 RF 신호, 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상을 연산하는 단계; (5-8) 상기 제2 디지털 RF 신호의 위상과 상기 제2 디지털 래퍼런스 신호의 위상을 비교하여, 위상 오차를 산출하는 단계;를 포함한다. .
또한, 상기 사이클로트론의 RF 신호 제어방법은, 상기 (5-5) 단계에서 합성된 I, Q 신호를 아날로그 RF 신호로 변환하여 출력하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 사이클로트론의 RF 신호 제어방법은 모터 구동용 펄스 신호를 발생시켜 상기 위상 오차를 보정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 의하면 진공함으로부터 제1, 2 RF 신호 각각이 외부 발진기로부터 입력된 제1, 2 레퍼런스 신호를 추종하도록 하여, 사이클로트론 RF 필드(RF field)의 변화 요소인 진폭, 위상, 주파수에 대한 통합적인 제어가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 디지털 신호처리부를 FPGA 보드에 구비하여, 사이클로트론 RF 필드의 신속한 피드백 제어가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 진공함으로부터 전달된 RF 신호와 외부 발진기로부터 전달된 레퍼런스 신호가 동일하도록 제어하여, 지속적인 감시 없이도, 장치 스스로 예상하지 못한 RF 필드의 변화를 검출하고 제어함으로써, 종래 기술에 비하여 손쉽게 사이트로클론을 운전할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론 RF 제어장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ADC부를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제, 2 디지털 RF 신호 및/또는 제1, 2 레퍼런스 신호로부터 분리되는 I,Q 신호를 도시한 것이다.
본 발명에서 아날로그 RF 신호라 함은 진공함(cavity)(10)으로부터 전달받은 RF 신호(radio-frequency signal)이며, 아날로그 레퍼런스 신호(reference signal)이라 함은 외부 발진기(20)로부터 전달받은 신호(signal)로 정의한다.
본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론 RF 제어장치(1000)는 사이클로트론에 인가되는 RF 신호(radio-frequency signal)를 제어하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 사이트로클론 RF 제어장치는 진공함(cavity)(10)으로부터 전달된 RF 신호들로부터 I,Q 신호를 검출하고, 검출된 I,Q 신호를 제어하여, RF 신호의 진폭, 위상 및 주파수를 제어할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 I,Q 신호는 RF 신호의 진폭, 위상, 주파수에 관한 정보를 모두 포함하고 있으며, 반복적인 패턴을 갖고 있기 때문에 디지털 신호처리가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론 RF 제어장치(1000)를 도시한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론 RF 제어장치(1000)는 아날로그 신호처리부(100), ADC부(200), 디지털 신호처리부(300), DAC부(400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부(100)는 진공함(cavity)(10)으로부터 제 1, 2아날로그 RF 신호를 전달받고, 외부 발진기(20)로부터 제 1, 2 아날로그 레퍼런스 신호를 전달받아 디지털 신호처리부(300)에 적합한 진폭, 위상을 갖도록 처리할 수 있다. 여기서, 아날로그 레퍼런스 신호(reference signal)는 안정적인 사이클로트론 RF 필드에서 전달된 RF 신호의 주파수, 위상, 진폭과 동일한 값을 갖을 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면 레퍼런스 신호(reference signal)는 외부 발진기(20)로부터 전달받은 신호로 사이클로트론 고주파 시스템 내부의 RF field가 불안정하더라도 항상 일정한 신호값을 갖는 안정적인 신호이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 외부 발진기(20)로부터 전달받은 안정적인 신호인 레퍼런스 신호를 기준값으로 하고, 진공함(cavity)(10)으로부터 전달된 RF 신호를 기준값인 레퍼런스 신호과 동일하도록 RF 신호의 진폭 및/또는 위상을 조절하여, 사이클로트론 내부 RF field 변화를 제어할 수 있다. 이러한 피드백 제어는 오퍼레이터의 지속적인 감시 없이도, 사이클로트론 RF 제어장치(1000)스스로 예상하지 못한 여기서 외부 발진기(20)는 사이클로트론 외부에 존재하며, 오실로스코프와 같이 정현파를 발생시킬 수 있는 장치일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부(100)는 진공함(cavity)(10)으로부터 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호를 입력받아 디지털 처리부(300)로 향하는 2개의 채널로 각각 전달할 수 있다. 또한, 외부 발진기(20)로부터 전달받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 입력받아 디지털 처리부(300)로 향하는 2개의 채널로 각각 전달할 수 있다. 여기서, 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호는 진공함(10)으로부터 전달받은 하나의 RF 신호가 분리된 것으로, 동일한 진폭, 주파수, 위상을 갖는다. 또한, 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호 역시 외부 발진기(20)로부터 전달받은 하나의 레퍼런스 신호가 분리된 것으로, 동일한 진폭, 주파수, 위상을 갖는다.
도 2를 계속 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부(100)는 진공함(cavity)(10)으로부터 입력된 제1 아날로그 RF 신호 및 제2 아날로그 RF 신호의 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 조절하는 제1조절부(111)와 외부 발진기(20)로부터 전달받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호 및 제2 아날로그 레퍼런스 신호의 진폭 및 주파수 중 적어도 하나를 조절하는 제2조절부(112)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 제1조절부(111) 및/또는 제2조절부(112)에 따르면, 진공함(cavity)(10)으로부터 검출되는 제1,2 아날로그 RF 신호와 외부 발진기(20)로부터 입력받은 제 1,2 아날로그 레퍼런스 신호는 디지털 신호처리부(300)로 인가되기 전에 디지털 신호처리부(300)의 입력범위에 적합하도록 진폭 및/또는 주파수를 조절될 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부(100)는 진공함(cavity)(10)으로부터 전송되는 과정에서 제1, 2 아날로그 RF 신호에 포함될 수 있는 리플 노이즈를 제거할 수 있는 리플제거부(120)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리플제거부(120)는 차단주파수(fc)가 20 ~ 65 MHz인 것을 특징으로 하는 저역통과필터의 특성을 갖는 것일 수 있으며, 능동 RC 필터 또는 스위치드-커패시터 필터일 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부(100)는 진공함(cavity)(10)으로부터 제1, 2 아날로그 RF 신호를 입력받아, 디지털 처리부(300)에서 처리되기 용이한 형태의 진폭 및/또는 주파수로 조절하고, 노이즈인 리플 성분을 제거하어 디지털 처리부(300)로 향하는 2개의 채널로 각각 전달할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 신호처리부(100)는 외부 발진기(20)로부터 제1, 2 레퍼런스 신호를 입력받아 디지털 처리부에서 처리되기 용이한 형태의 진폭 및/또는 주파수로 조절하여 제1, 2 아날로그 RF 신호에 대응되도록 디지털 처리부로 향하는 2개의 채널로 각각 전달될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 ADC(analog-to-digital converter)부는 아날로그 신호처리부(100)로부터 전달받은 아날로그 RF 신호과 레퍼런스 신호를 각각 디지털 신호로 변환할 수 있다.
도 3을 계속 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 ADC(analog-to-digital converter)부는 제1 아날로그 RF 신호, 제2 아날로그 RF 신호, 제1 아날로그 레퍼런스 신호, 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 디지털 신호로 변환하여 각각 제1 디지털 RF 신호, 제2 디지털 RF 신호, 제1 디지털 레퍼런스 신호, 제2 디지털 레퍼런스 신호로 출력할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 ADC부(200)는 아날로그 신호처리부(100)로부터 전달된 제1 아날로그 RF 신호를 제1 디지털 신호로 변환하는 제1ADC(211)(analog-to-digital converter), 아날로그 신호처리부(100)로부터 전달받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호를 제1 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 제2ADC(212)(analog-to-digital converter), 아날로그 신호처리부(100)로부터 전달받은 제2 아날로그 RF 신호를 제2 디지털 RF 신호로 변환하는 제3ADC(213)(analog-to-digital converter), 아날로그 신호처리부(100)로부터 전달받은 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 제2 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 제4ADC(214)(analog-to-digital converter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 ADC부(200)에서 출력된 제1 디지털 RF 신호와 제1 디지털 레퍼런스 신호가 동일하도록 처리하고, 상기 ADC부(200)에서 출력된 제2 디지털 RF 신호와 제2 레퍼런스 신호가 동일하도록 처리할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 제1ADC(211)로부터 출력된 제1 디지털 RF 신호로부터 I,Q 신호를 분리하는 제1디모듈레이터(311); 제2ADC(212)로부터 출력된 제1 디지털 레퍼런스 신호로부터 I,Q 신호를 분리하는 제2디모듈레이터(312); 제3ADC(213)로부터 변환된 제2 디지털 RF 신호로부터 I,Q 신호를 분리하는 제3디모듈레이터(313); 및 제4ADC(214)로부터 변환된 제2 디지털 레퍼런스 신호로부터 I,Q 신호를 분리하는 제4디모듈레이터(313)를 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 제, 2 디지털 RF 신호 및/또는 제1, 2 레퍼런스 신호로부터 분리되는 I,Q 신호는 0°및 90°의 두 위상을 갖는 신호를 의미한다.
본 발명의 일실시예에 따른 ADC부(200)는 모듈레이터(315)에서 I,Q 신호의 분리이 용이하도록 샘플링 주파수 설정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 샘플링 주파수 설정부는 아날로그 신호처리부(100)로부터 전달된 제1, 2 아날로그 RF 신호와 제1, 2레퍼런스 신호의 주파수를 동일한 4배수로 샘플링할 수 있다. 즉, 제1, 2 아날로그 RF 신호의 주파수를 4배하여 샘플링한 경우, 제1, 2 레퍼런스 신호의 주파수도 4배하여 샘플링할 수 있다. 예컨대, 제1, 2 아날로그 RF 신호가 50MHz인 경우에 상기 주파수의 4배인 200MHz로 샘플링할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 샘플링 주파수 설정부는 상기 제1, 2 디지털 RF 신호의 주파수를 4배수로 샘플링하여 각각 제1디모듈레이터(311) 및 제3디모듈레이터(313)로 전송하고, 제2ADC(212) 및 제4ADDC로부터 입력받은 디지털 레퍼런스 신호의 주파수를 4배수로 샘플링하여 각각 제2디모듈레이터(312) 및 제4디모듈레이터(313)로 전송할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 디지털 RF 신호에서 소정 주파수 대역 이상의 신호를 필터링하는 CIC 디지털 필터(320)를 더 포함할 수 있다. 여기서, CIC 디지털 필터(320)는 진공함으로부터 전달되는 제1, 2 아날로그 RF 신호에서 노이즈 성분에 해당되는 리플을 제거하여 정밀한 신호 처리를 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 제1 디모듈레이터(311)에서 분리된 I,Q 신호로부터 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제1연산부(341); 제1디모듈레이터(311)에서 분리된 I,Q 신호로부터 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제2연산부(342); 제3디모듈레이터(313)에서 분리된 I,Q 신호로부터 제2 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제3연산부(343); 및 제4디모듈레이터(313)에서 분리된 I,Q 신호로부터 제2 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제4연산부(344);를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1연산부(341) 내지 제4연산부(344)는 벡터 모드(vector mode) CORDIC 연산기일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 디지털 신호처리부(300)는 제1연산부(341)에 의해 연산된 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값이 상기 제2연산부(342)에 의해 연산된 제2 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값와 동일하도록 제어하는 PI 제어부(250)를 더 포함할 수 있다. PI 제어부(250)는 연산된 제1 디지털 레퍼런스 신호와 연산된 제1 디지털 RF 신호로부터 각각 진폭과 위상값들로부터 진폭, 위상 각각의 오차 성분을 구하고, 오차에 PI 제어를 적용하여, 제1 디지털 RF 신호가 제1 디지털 레퍼런스 신호를 추종하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 PI 제어부(250)로부터 제1 디지털 레퍼런스 신호를 추종하도록 제어된 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상값으로부터 I,Q 신호를 연산하는 제5연산부(345)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제5연산부(345)는 로테이션 모드 CORDIC 연산기로 벡터 모드의 I,Q 신호를 로테이션 모드로 변환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 제5연산부(345)로부터 연산된 I, Q신호를 모듈레이션하는 모듈레이터(315)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DAC부(400)는 모듈레이터(315)로부터 출력된 I, Q 신호를 아날로그 RF 신호로 출력할 수 있다. 여기서, DAC부(400)로부터 출력된 아날로그 RF 신호는 RF amp의 preamp 단으로 인가되어, 외부 발진기(20)와 동일한 진폭 및/또는 위상을 갖도록 제어된 RF 신호가 인가될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 제3연산부(343)에 의해 연산된 제2 디지털 RF 신호의 위상값과 제4연산부(344)에 의해 연산된 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상값을 비교하여 위상 오차값을 산출하는 오차산출부(260)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제3연산부(343)에 의해 연산된 제2 디지털 RF 신호의 위상값이 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상값을 추종하도록 오차산출부(260)에서 산출된 위상 오차값을 보정하기 위하여 모터 구동용 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 시간에 대해 일차함수로 변하는 위상값을 미분하면, 일정한 상수값을 갖는 주파수를 갖게 되므로, 상기 모터 구동용 펄스 신호에 의해 디지털 RF 신호의 주파수 제어가 가능하게 된다. 여기서, 모터 구동용 펄스 신호는 디지털 처리부(200)에 포함된 펄스 발생부(270)에서 발생될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 디지털 신호처리부(300)는 FPGA(field-programmable gate array) 보드에 구비되어, 신속한 피드백 제어가 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론 RF 제어장치는 ADC부(200) 및 DAC부(400) 중 적어도 하나의 구동을 위한 클럭(clk)을 생성하고, 호스트 컴퓨터와 시리얼(serial) 통신을 수행하여 상기 디지털 신호처리부(300)를 제어하는 디지털 I/O부(500)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론의 RF 신호 제어방법은 (1) 진공함(cavity)으로부터 입력받은 제1 아날로그 RF 신호 및 제2 아날로그 신호를 전달하는 단계; (2) 외부 발진기로부터 입력받은 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 전달하는 단계; (3) 상기 전달된 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호를 각각 제1 디지털 RF 신호와 제2 디지털 RF 신호로 변환하는 단계; (4) 상기 전달된 제1 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 제1 디지털 레퍼런스 신호와 제2 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 단계; (5) 상기 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상을 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상과 동일하도록 처리하는 단계; (6) 상기 제2 디지털 RF 신호의 위상을 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상과 동일하도록 처리하는 단계; (7) 상기 (5) 단계에서 처리된 상기 제1 디지털 RF 신호를 아날로그 신호로 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.
제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상을 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상과 동일하도록 처리하는 단계는 (5-1) 상기 제1 디지털 RF 신호, 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호로부터 각각 I,Q 신호를 분리하는 분리하는 단계; (5-2) 상기 각각 분리된 I,Q 신호로부터 상기 제1 디지털 RF 신호 및 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상을 연산하는 단계; (5-3) 상기 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상이 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상이 동일하도록 PI 제어하는 단계; (5-4) 상기 (5-3) 단계에서 PI 제어된 상기 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상으로부터 I, Q 신호를 연산하는 단계; (5-5) 상기 (5-4) 단계에서 연산된 I, Q 신호를 합성하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론의 RF 신호 제어방법은 상기 (5-5) 단계에서 합성된 I, Q 신호를 아날로그 RF 신호로 변환하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상을 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상과 동일하도록 처리하는 단계는
(5-6) 상기 제2 디지털 RF 신호 및 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호로부터 각각 I,Q 신호를 분리하는 단계; (5-7) 상기 각각 분리된 I,Q 신호로부터 상기 제2 디지털 RF 신호, 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상을 연산하는 단계; (5-8) 상기 제2 디지털 RF 신호의 위상과 상기 제2 디지털 래퍼런스 신호의 위상을 비교하여, 위상 오차를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사이클로트론의 RF 신호 제어방법은 모터 구동용 펄스 신호를 발생시켜 산출된 위상 오차를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.
1000: 사이클로트론 RF 제어장치
10: 진공함 20: 외부 발진기
100: 아날로그 신호처리부
111: 제1조절부 112: 제2조절부
120: 리플제거부
200: ADC부
211: 제1ADC, 212: 제2ADC, 213: 제3ADC, 214: 제4ADC
300: 디지털 신호처리부
311: 제1디모듈레이터 312: 제2디모듈레이터 313: 제3디모듈레이터 314: 제4디모듈레이터
315: 모듈레이터
320: CIC 디지털 필터
341: 제1연산부 342: 제2연산부
343: 제3연산부 344: 제4연산부
345: 제5연산부
250: PI 제어부
260: 오차산출부
270: 펄스 발생부
400: DAC부
500: 디지털 I/O부

Claims (20)

  1. 진공함(cavity)으로부터 입력받은 제1 아날로그 RF 신호와 제2 아날로그 RF 신호의 진폭 또는 주파수를 조절하여 출력하고, 외부 발진기로부터 입력받은 제2 아날로그 레퍼런스 신호와 제2 아날로그 레퍼런스 신호의 진폭 또는 주파수를 조절하여 출력하는 아날로그 신호처리부; 상기 아날로그 신호처리부에서 출력된 제1 아날로그 RF 신호, 제2 아날로그 RF 신호, 제1 아날로그 레퍼런스 신호, 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 디지털 신호로 변환하여 각각 제1 디지털 RF 신호, 제2 디지털 RF 신호, 제1 디지털 레퍼런스 신호, 제2 디지털 레퍼런스 신호로 출력하는 ADC부; 및 상기 ADC부에서 출력된 제1 디지털 RF 신호와 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭 및 위상을 동일하도록 처리하고, 상기 ADC부에서 출력된 제2 디지털 RF 신호와 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상을 동일하도록 처리하는 디지털 신호처리부; 를 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치에 있어서,
    상기 ADC부는
    상기 아날로그 신호처리부로부터 출력된 상기 제1 아날로그 RF 신호를 제1 디지털 RF 신호로 변환하는 제1ADC(analog-to-digital converter), 상기 아날로그 신호처리부로부터 출력된 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호를 제1 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 제2ADC(analog-to-digital converter), 상기 아날로그 신호처리부로부터 출력된 제2 아날로그 RF 신호를 제2 디지털 RF 신호로 변환하는 제3ADC(analog-to-digital converter),상기 아날로그 신호처리부로부터 출력된 제2 아날로그 레퍼런스 신호를 제2 디지털 레퍼런스 신호로 변환하는 제4ADC(analog-to-digital converter)를 포함하고,
    상기 디지털 신호처리부는
    상기 제1ADC로부터 출력된 상기 제1 디지털 RF 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제1디모듈레이터, 상기 제2ADC로부터 출력된 상기 제1 디지털 레퍼런스 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제2디모듈레이터, 상기 제3ADC로부터 출력된 상기 제2 디지털 RF 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제3디모듈레이터, 제4ADC로부터 출력된 상기 제2 디지털 레퍼런스 신호로부터 I, Q 신호를 분리하는 제4디모듈레이터;
    상기 제1 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제1연산부, 상기 제2 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제2연산부, 상기 제3 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제2 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제3연산부, 상기 제4 디모듈레이터에서 분리된 I,Q 신호로부터 제2 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값을 연산하는 제4연산부;
    상기 제1연산부에 의해 연산된 제1 디지털 RF 신호의 진폭과 위상값이 상기 제2연산부에 의해 연산된 제1 디지털 레퍼런스 신호의 진폭과 위상값와 동일하도록 제어하는 PI 제어부; 및
    상기 PI 제어부로부터 상기 제어된 제1 디지털 RF 신호의 진폭 및 위상값으로부터 I, Q 신호를 연산하는 제5연산부를 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 아날로그 신호처리부는
    상기 제1 아날로그 RF 신호 및 상기 제2 아날로그 RF 신호 중 적어도 하나의 리플을 제거하는 리플 제거부를 더 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 ADC부는
    상기 아날로그 신호처리부로부터 전달받은 상기 제1아날로그 RF 신호, 상기 제2 아날로그 RF 신호, 상기 제1 아날로그 레퍼런스 신호 및 상기 제2 아날로그 레퍼런스 신호의 주파수를 4의 배수로 설정하는 샘플링 주파수 설정부를 더 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 디지털 신호처리부는
    상기 제3연산부에 의해 연산된 제2 디지털 RF 신호의 위상값과 상기 제4연산부에 의해 연산된 제2 디지털 레퍼런스 신호의 위상값을 비교하여 위상 오차값을 산출하는 오차산출부를 더 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는
    상기 제5연산부로부터 연산된 I, Q신호를 합성하는 모듈레이터를 더 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 사이클로트론 RF 제어장치는
    상기 모듈레이터로부터 합성된 I, Q 신호를 아날로그 RF 신호로 변환하여 출력하는 DAC부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클로트론 RF 제어장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는
    상기 제1 디지털 RF 신호와 상기 제2 디지털 RF 신호의 리플을 제거하는 CIC 디지털 필터를 더 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는
    상기 위상 오차값을 보정하기 위한 모터구동용 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발생부를 더 포함하는 사이클로트론 RF 제어장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는
    FPGA(field-programmable gate array) 보드에 구비된 사이클로트론 RF 제어장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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