KR101562854B1 - 솔레노이드 코일 장치 및 이를 구비한 현장형 헬륨-3 중성자 스핀 편극 시스템 - Google Patents

솔레노이드 코일 장치 및 이를 구비한 현장형 헬륨-3 중성자 스핀 편극 시스템 Download PDF

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조상진
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Abstract

본 발명은, 내부의 중앙 영역에 헬륨-3셀과 루비듐이 충전되는 충전공간을 구비하는 케이싱; 및 상기 헬륨-3셀이 상기 루비듐과의 스핀교환을 통하여 편극 기체가 되도록, 상기 충전공간에 균일한 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일부를 포함하며, 상기 솔레노이드 코일부는, 제1방향으로 감겨지면서 상기 케이싱 내부의 일 단부에서 타 단부로 연장되는 주 코일부; 상기 주 코일부의 일 단부와 타 단부에 각각 형성되고, 상기 제1방향으로 감겨지는 보상 코일부; 및 상기 주 코일부의 일 단부와 타 단부 사이의 중앙 부분에 형성되며, 상기 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 감겨지는 부 자기장 보상 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치를 제공한다.

Description

솔레노이드 코일 장치 및 이를 구비한 현장형 헬륨-3 중성자 스핀 편극 시스템{SOLENOID COIL DEVICE AND IN-SITU He-3 NEUTRON SPIN POLARIZATION SYSTEM HAVING A SOLENOID COIL DEVICE}
본 발명은 중성자 스핀 필터나 중성자 스핀 검광자로 사용이 가능한 헬륨-3 기체를 이용한 현장형 중성자 스핀 편극 시스템에 관한 것이다.
연구용 원자로에서 중성자 편극기를 사용하여 편극중성자 빔을 발생할 경우, 편극된 중성자의 핵스핀을 이용한 다양한 기초핵물리 연구, 자성체와 초전도체를 포함한 신소재 개발, 단백질의 구조연구를 포함하는 생명산업, 나노구조 연구를 통한 에너지산업 등의 연구분야에서 중성자의 활용 고도화를 이룰 수 있다.
연구용 원자로에서 인출되는 중성자 빔의 스핀을 편극하는 기술에는 호이슬러 합금(Heusler alloy)의 블라그 회절(Bragg diffraction)을 이용하는 편극 단색기(polarizing monochromator), 전반사를 이용하는 초거울(supermirror), 편극중성자에 대해서 헬륨-3 원자핵 스핀방향에 따라 중성자 흡수단면적이 다른 현상을 이용하는 편극 기체 중성자 스핀필터가 있다.
초거울의 경우 유지관리가 간단한 장점이 있으나 빔 편향(deflection), 작은 빔 발산각 조건, 강한 자기장, 간섭에 의한 비균일 등의 문제가 있다. 이와 대조적으로 헬륨-3 편극기체를 이용한 중성자 스핀필터는 편극기의 단면적이 크고, 발산하는 중성자 빔에 사용이 가능하며, 넓은 폭의 에너지 스펙트럼을 갖는 중성자 빔에 적용이 가능한 장점을 갖는다.
또한 스핀필터를 통과한 빔의 균일성이 뛰어나 분석이 용이하며, 낮은 자기장 조건과 저 감마선 발생의 장점이 있다. 그리고 중성자 편극도의 정밀한 측정과 필터를 통과한 빔이 편향되지 않으며, 스핀의 방향을 쉽게 바꿀 수 있는 장점도 있다.
헬륨-3 편극기체를 생성하는 방법으로 기체방전을 이용한 충돌여기와 레이저를 이용한 광펌핑을 동시에 사용하여 헬륨-3 기체의 핵스핀을 직접 편극 시키는 준안정광펌핑방법(MEOP, Metastable Exchange Optical Pumping)과 원편광된 레이저만을 사용하여 매개금속인 루비듐의 스핀을 편극시키고, 편극된 루비듐과 헬륨-3 기체와의 충돌에 의한 스핀교환으로 헬륨-3 기체의 핵을 편극 시키는 스핀교환광펌핑(SEOP, Spin Exchange Optical Pumping) 방법이 있다.
MEOP 방법은 순수 헬륨-3 편극기체를 생성할 수 있어 중성자 빔 라인뿐만 아니라 폐영상을 위한 저자기장 MRI에도 적용이 가능한 장점이 있으나 대형시설로서 고가인 점이 단점이다. SEOP 방법은 소규모 시설로 현장형 개발이 가능하고, 최근 80% 이상의 고편극도의 기체 발생이 가능하여 중성자 빔라인에서 중성자 스핀필터로 활용에 적합하다.
SEOP 방법에 의한 헬륨-3 기체를 중성자 빔라인 장치에 적용하기 위해서는 장치의 유지관리가 쉬운 현장형의 스핀필터기술 개발, 중성자의 스핀 편극도를 높이기 위한 고편극도를 갖는 헬륨-3 편극기체 발생, 고해상도를 위한 고집약형의 소형스핀필터 기술의 개발이 중요하다. 편극된 헬륨-3 기체가 고편극도를 갖기 위해서는 장수명의 고순도 유리 셀 제작기술과 더블어 고균일 분포를 갖는 외부자기장 생성기술이 긴요하다.
지금까지 SEOP 방법에서 요구되는 균일한 외부자기장은 헬름호르츠(Helmhortz) 코일, 마술상자(magic box), 끝면-보상(end-compensated) 솔레노이드 코일 등이 사용되었다.
헬룸호르츠 코일은 고균일 자기장분포를 얻을 수 있으나 코일의 직경이 수 미터(m) 정도가 필요하여 중성자 빔라인에 현장형으로 적용하기에는 적합하지 않다.
고균일 정자기장 장치인 마술상자의 경우 중성자 빔라인에 수직한 고균일 자기장 생성을 위해서 사용이 가능하나 외부 자기장의 영향에 쉽게 노출되는 약점이 있다.
솔레노이드 코일의 경우 상대적으로 소형이며 불필요한 외부자기장의 차폐가 용이하여 중성자 빔라인의 진행방향으로 자기장을 형성하는데 이용될 수 있다.
지금까지 SEOP 방법을 이용한 편극 기체 발생장치에서 사용된 솔레노이드 장치는 고 균일 자기장을 얻기 위해서 양 끝면의 약한 자기장 분포를 보완하기 위한 양 끝면의 코일 회전수를 증가시킨 끝면 보상(end-compensated) 솔레노이드 코일이 주로 사용되었다.
그러나 끝면-보상 솔레노이드 코일은 고 해상도를 갖는 고 집약형의 소형 스핀 필터를 위한 짧은 길이의 고 집약형 고 균일 자기장을 생성하는데 최소길이의 한계가 있다.
본 발명의 일 목적은 끝면 보상 코일부의 길이를 줄이면서도 고균일 자기장 발생이 가능하도록 고 분극도를 갖는 편극기체 발생에 사용이 가능한 고균일 자기장을 갖는 고 집약형 솔레노이드 코일 장치를 제시하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 솔레노이드 코일 장치에 차폐부를 더 설치하여, 불필요한 외부 자기장으로 부터 솔레노이드 코일 장치 내부를 차폐하며, 주 코일부 내부의 자기장을 균일하게 하도록 차폐하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 차폐부가 구비된 고집약형 솔레노이드 코일 장치를 이용한 현장형 헬륨-3 중성자 스핀 편극 시스템를 제시하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 솔레노이드 코일 장치는, 내부의 중앙 영역에 헬륨-3셀과 루비듐이 충전되는 충전공간을 구비하는 케이싱; 및 상기 헬륨-3셀이 상기 루비듐과의 스핀교환을 통하여 편극 기체가 되도록, 상기 충전공간에 균일한 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일부를 포함하며, 상기 솔레노이드 코일부는, 제1방향으로 감겨지면서 상기 케이싱 내부의 일 단부에서 타 단부로 연장되는 주 코일부; 상기 주 코일부의 일 단부와 타 단부에 각각 형성되고, 상기 제1방향으로 감겨지는 보상 코일부; 및 상기 주 코일부의 일 단부와 타 단부 사이의 중앙 부분에 형성되며, 상기 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 감겨지는 부 자기장 보상 코일부를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 중앙 부분은 상기 충전공간이 형성되는 상기 중앙 영역에 대응되는 부분이다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 케이싱은 상기 주 코일부, 상기 보상 코일부 및 상기 부 자기장 보상 코일부 중 적어도 하나 이상에 의해 형성되는 자기장을 차폐하도록 이루어진다.
상기 케이싱은, 상기 주 코일부의 연장 방향과 나란한 방향으로 형성되어 상기 주 코일부의 외부로 발생되는 자기장을 차폐하도록 형성되는 원통부; 및 상기 원통부의 단부 방향으로 향하는 자기장을 차폐하기 위하여, 상기 원통부 측면의 개방 영역의 일부를 덮도록 형성되는 커버부를 포함할 수 있다.
상기 주 코일부, 상기 보상 코일부 및 상기 부 자기장 보상 코일부 중 적어도 하나를 고정하도록 상기 주 코일부와 상기 케이싱 사이에는 복수 개의 코일 고정부가 설치될 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 솔레노이드 코일부는, 상기 주 코일부의 측부에서 상기 제1방향으로 감겨지도록 형성되어 상기 헬륨-3셀의 중성자의 편극방향을 유지하도록 형성되는 가이딩 코일부를 더 포함한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 주 코일부의 내부에서 상기 주 코일부의 연장방향과 나란하게 연장되어 형성되는 보빈(bobbin)을 포함하고, 상기 주 코일부는 상기 보빈을 감싸도록 형성된다.
또한, 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템은, 헬륨-3셀이 충전되는 충전공간에 균일한 자기장을 형성하고, 제1항 내지 제7항에 따르는 솔레노이드 코일 장치; 상기 헬륨-3셀을 가열하여 상기 루비듐 금속을 기화시키도록 형성되는 가열장치; 및 상기 충전공간에 편광된 레이저빔을 조사하도록 형성되는 레이저빔 조사 장치를 포함하며, 상기 편광된 레이저빔에 의해 여기된(excited) 상기 루비듐의 원자는 상기 헬륨-3셀의 원자와의 스핀교환 과정을 통해서 상기 헬륨-3셀은 편극기체로 형성된다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 솔레노이드 코일 장치 내부에 설치되고, 상기 헬륨-3셀의 분극도를 측정하도록 형성되는 신호 측정부를 더 포함한다.
상기 신호 측정부는 픽업코일을 포함하고, 상기 픽업코일은 상기 주 코일부의 연장방향과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 제1방향 또는 상기 제2방향으로 감겨지도록 형성되며, 상기 헬륨-3셀의 분극도를 측정하도록 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 가열장치는, 상기 루비듐 금속을 가열하여 기화하도록 고온의 공기가 이동 가능하도록 열풍기 및 상기 충전공간에 연결되어 형성되는 기체흐름관; 상기 기체흐름관에 결합되고, 자기장을 발생시키도록 이루어지는 RF 코일; 및 상기 충전공간에 이격되어 형성되고, 상기 레이저빔이 상기 루비듐에 투과되도록 형성되는 코일창을 포함한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 레이저빔 조사 장치는, 외부에서 인가되는 레이저빔을 원편광하도록 형성되는 편광부; 및 상기 편광부를 통과하여 편광된 상기 레이저빔을 확대하고, 상기 헬륨-3셀로 상기 편광된 레이저빔을 전송하도록 이루어지는 전송부를 포함한다.
상기 편광부는, 외부에서 인가되는 상기 레이저빔을 평행하게 정열하도록 형성되는 구면렌즈; 상기 구면렌즈를 통과하여 평행하게 정열된 상기 레이저빔이 선편광되도록 이루어지는 편광빔분할기; 및 상기 편광빔분할기에 의해 상기 선편광된 레이저빔을 우측으로 원편광되도록 형성되는 λ/4-파장판를 포함할 수 있다.
상기 전송부는, 오목렌즈 및 볼록렌즈를 연속적으로 배치하여 상기 레이저빔을 확대하도록 형성되는 갈랄리안 망원경; 및 상기 갈랄리안 망원경을 통과한 레이저빔의 궤적과 소정 각도를 이루도록 형성되어 상기 레이저빔을 전반사하도록 이루어지는 전반사 금속 반사경을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 코일 장치는 주 코일부, 보상 코일부 및 부 자기장 보상 코일부를 구비하여, 주 코일부의 내부에 고 균일, 고 집약형 자기장을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 솔레노이드 코일 장치는 차폐부를 더 포함하여, 주 코일부, 상기 보상 코일부 및 상기 부 자기장 보상 코일부 중 어느 하나 이상에 의해 형성되는 자기장의 차폐를 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 현장형 중성자 스핀 편극 시스템는 외부환경으로부터 발생하는 자기장의 영향이 최소화된 고균일 자기장 발생이 가능하여 고 편극도를 갖는 헬륨-3 편극 기체의 생성이 용이하며, 이러한 편극기체를 통과한 중성자 빔의 중성자 스핀 편극도를 높일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 현장형 중성자 스핀 편극 시스템는 중성자 진행방향으로 스핀필터장치의 길이를 최소화할 수 있어 공간이 제약되는 편극중성자 이용 연구 장비에서 고집약형 중성자 스핀필터나 검광자 장치로 사용이 가능하다.
그리고 부피가 작은 고집약 현장형 중성자 스핀 필터 장치의 개발로 좁은 공간에서도 중성자 빔라인에 직접 설치하여 연속동작이 가능하며, 이로 인해 기체의 편극형성에 소요되는 시간과 이송설치 시간이 절약되어 사용시간에 제한이 거의 없는 편극중성자 연구시설의 운용이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고 균일 자기장 발생을 위한 고 집약형 솔레노이드장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 솔레노이드 코일 장치에 의해 형성된 자기력선의 분포를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 솔레노이드 코일 장치에서 발생된 자기장 세기의 분포를 로가리듬 척도로 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 현장형 중성자 스핀 편극 시스템를 나타낸 단면도.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 발명은 외부 자기장이 차폐된 부 자기장보상을 사용한 고 집약형 고 균일 솔레노이드 코일 장치를 개시하고, 고안된 코일장치를 이용하여 중성자 빔라인에서 스핀 교환 광펌핑 방법으로 직접 고 편극도를 갖는 헬륨-3 기체의 편극을 생성하는 현장형 중성자 스핀필터 장치를 구현한 것으로서, 이하 도면을 참조하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
본 발명의 헬륨-3 기체(헬륨-3셀)는 연구용 원자로의 중성자 빔라인에 설치된 산란장치, 반사율 측정장치, 삼축분광기 등에서 고 편극도와 고 분해능을 갖는 중성자 스핀 필터나 중성자 스핀 검광자로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고 균일 자기장 발생을 위한 고 집약형 솔레노이드 코일 장치(100)의 개념도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 솔레노이드 코일 장치(100)의 일례에 해당한다.
솔레노이드 코일 장치(100)는 케이싱(10a), 솔레노이드 코일부(1a) 및 보빈(bobbin, 7)을 포함할 수 있다.
케이싱(10a)은 솔레노이드 코일 장치(100)의 외관을 형성하고, 주 코일부(1) 및 보상 코일부(2, 3)의 외부에 설치될 수 있다. 케이싱(10a)은 일 방향으로 연장되어 형성될 수 있는데, 일례로, 원통형의 형상으로 형성될 수 있으며, 그 외에도 내부에 주 코일부(1), 보상 코일부(2, 3) 등을 수용할 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
케이싱(10a)은 내부에 형성된 충전공간(16a) 내에 헬륨-3셀(16)과 루비듐이 충전될 수 있는데, 일례로 충전공간(16a)은 케이싱(10a) 내부의 중앙 영역에 형성될 수 있다. 또한, 케이싱(10a)은 후술하는 바와 같이 솔레노이드 코일 장치(100)의 내부를 차폐하도록 형성될 수 있다.
솔레노이드 코일부(1a)는 주 코일부(1), 보상 코일부(2, 3), 부 자기장 보상 코일부(4) 및 가이딩 코일부(5, 6)를 포함할 수 있다.
주 코일부(1)는 제1방향으로 감겨지면서 케이싱(10a) 내부의 일 단부에서 타 단부로 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 주 코일부(1)는 후술하는 보빈(7)의 외주면을 제1방향으로 감싸도록 형성될 수도 있다.
제1방향은 코일이 감겨지는 방향으로 시계방향 또는 반시계방향이 될 수 있으며, 만일 제1방향이 시계방향이라면, 후술하는 제2방향은 반시계방향이 되어야 한다. 본 발명의 코일들은 제1방향 또는 제2방향으로 감겨질 수 있다. 제1방향 및 제2방향으로 감겨진 코일들은 각각 서로 반대되는 방향의 자기장을 형성하며, 제1방향 및 제2방향으로 감겨진 코일에 의해 형성되는 자기장은 서로 상쇄될 수 있다.
보빈(7)은 코일에서 발생한 열의 전달이 용이하고 내부 자기장에 영향이 없도록 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으며, 외주면에 코일이 감겨지도록 원통형으로 형성된다. 보빈(7)의 내부에는 충전공간(16a)이 구비될 수 있다.
보상 코일부(2, 3)는 상기 주 코일부(1)의 일 단부와 타 단부에 각각 형성되고, 상기 제1방향으로 감겨지도록 형성될 수 있다. 또한, 보상 코일부(2, 3)는 주 코일부(1)의 좌우측에서 주 코일부(1) 및 보빈(7)을 감싸도록 형성될 수 있다.
보상 코일부(2, 3)는 주 코일부(1)의 자기장 생성 방향과 동일한 방향으로 자기장을 발생시킨다. 즉, 보상 코일부(2, 3)는 주 코일부(1)와 균일한 방향의 내부자기장의 발생을 위해서 주 코일부(1) 양 단부의 코일의 권선수를 증가시킨다.
부 자기장 보상 코일부(4)는 주 코일부(1)의 일 단부와 타 단부 사이의 중앙 부분에 형성되며, 상기 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 감겨지도록 형성될 수 있다. 또한, 부 자기장 보상 코일부(4)는 주 코일부(1)의 중앙부에서 주 코일부(1) 및 보빈(7)을 감싸도록 형성될 수도 있다. 부 자기장 보상 코일부(4)는 주 코일부(1) 및 보상 코일부(2, 3)와 반대되는 제2방향으로 감겨져 형성됨에 따라 케이싱(10a)의 내부에 형성되는 자기장의 세기를 줄이는 역할을 한다.
가이딩 코일부(5, 6)는 주 코일부(1)의 좌, 우측에서 상기 제1방향으로 감겨지도록 형성된다. 즉, 가이딩 코일부(5, 6)는 보빈(7)의 단부에서 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 가이딩 코일부(5, 6)는 후술하는 바와 같이, 헬륨-3셀(16)을 통과한 중성자의 편극방향을 유지하도록 형성된다.
주 코일부(1)의 측면, 즉 보빈(7)의 단부에 측면판(8) 및 가이딩 코일 고정부(9)가 설치될 수 있다.
측면판(8)은 주 코일부(1)의 내부에 헬륨-3셀(16) 설치를 위해 가이딩 코일 고정부(9)와 수시로 탈착 가능하도록 설치되는데, 일례로 알루미늄의 재질로, 링 형태로 형성될 수 있다. 가이딩 코일 고정부(9)는 측면판(8)에 결합될 수 있으며, 가이딩 코일부(6)를 고정하도록 형성된다.
주 코일부(1), 보상 코일부(2, 3) 및 부 자기장 보상 코일부(4)은 직렬로 연결되어 있으며, 상기 코일들과 가이딩 코일부(5, 6)는 전기적으로 연결될 수 있다.
케이싱(10a)은 주 코일부(1), 보상 코일부(2, 3) 및 부 자기장 보상 코일부(4) 중 적어도 하나 이상에 의해 형성되는 자기장을 차폐하도록 형성될 수 있다.
케이싱(10a)는 원통부(10) 및 커버부(11, 12)를 포함할 수 있다.
원통부(10)는 주 코일부(1)의 연장 방향과 나란한 방향으로 형성되어 상기 주 코일부(1)의 외부로 발생되는 자기장을 차폐하도록 형성될 수 있다. 즉, 원통부(10)는 주 코일부(1)의 외부를 둘러싸도록 설치될 수 있다.
원통부(10)는 일례로 퍼말로이나 뮤메탈로 제작될 수 있으며, 자기장을 차폐하도록 소정 두께로 형성됨이 바람직하다.
커버부(11, 12)는 상기 솔레노이드 코일부(1a)에서 형성되는 자기장 중에 원통부(10)의 단부 방향으로 향하는 자기장을 차폐하도록 형성된다.
커버부(11, 12)는 주 코일부(1) 또는 보빈(7)의 단부에 소정 거리 만큼 이격되어 형성되어 주 코일부(1)의 단부 방향으로 형성되는 자기장을 차폐할 수 있다. 커버부(11, 12)는 원통부(10)의 양 측부의 개방 영역의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 커버부(11, 12)는, 일례로 퍼말로이 자성체로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 원통부(10)와 커버부(11, 12)를 포함하는 케이싱(10a)은, 케이싱(10a)의 내부를 덮어서, 불필요한 외부자기장이 균일한 분포를 갖는 주 코일부(1)의 내부자기장 분포에 영향을 주지 않도록 형성된다.
상기 코일들과 케이싱(10a) 사이에는 코일을 고정하고 원통형의 원통부(10)의 형태를 유지하기 위한 복수 개의 코일 고정대(13)가 설치될 수 있다. 즉, 코일 고정대(13)는 주 코일부(1), 보상 코일부(2, 3) 및 부 자기장 보상 코일부(4) 중 적어도 하나를 고정하여, 상기 코일들의 형태를 유지하도록 이루질 수 있다. 또한, 코일 고정대(13)는 상기 코일 등에 의해 발생된 자기력에 의해, 원통부(10)가 변형되지 않도록 원통부(10)를 고정, 지지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 솔레노이드 코일 장치(100)에 의해 형성된 자기력선의 분포를 보여준다.
도 2를 참조하면, 주 코일부(1), 보상 코일부(2, 3), 및 가이딩 코일부(5, 6)에 의해서 형성된 자기장의 극성은 각각 코일의 좌측이 N극 그리고 우측이 S극을 띄게 될 수 있다.
이와 반대로, 주 코일부(1) 중앙부의 부 자기장 보상 코일부(4)에 의한 자기장의 방향은 코일의 회전방향이 반대인 관계로 좌측이 S극 그리고 우측이 N극을 갖게 될 수 있다.
각각의 코일에서 발생된 자기장은 주 코일부(1)의 내부 공간에서 합해지게 되고 주 코일부(1)의 내부 자기장의 세기를 결정하게 된다.
주 코일부(1) 내부의 자기력선(14)은 코일 내부를 균일하게 관통한 후에 높은 투자율을 갖는 자성체로 형성된 좌측 커버부(11)와 외부자기장 원통부(10), 그리고 우측 커버부(12)를 따라서 형성된다.
주 코일부(1) 내부의 자기장의 세기와 균일도는 개별 코일의 길이와 직경, 코일의 회전수, 전류의 세기에 의해서 결정된다.
주 코일부(1)의 길이가 짧은 경우, 문제가 되는 낮은 자기장 균일도는 부 자기장 보상 코일부(4)의 회전수와 길이의 최적 설계에 의해서 높은 균일도를 갖는 자기장 분포를 얻을 수 있다.
이상과 같이 높은 균일도를 갖는 자기장 분포에 의해, 충전공간(16a)에 균일한 자기장의 영향이 미치게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 솔레노이드 코일 장치(100)에서 발생된 자기장 세기의 분포를 로가리듬 척도로 보여주고 있다.
이 때 사용된 주 코일부(1)의 크기는 길이 280 mm x 직경이 200 mm 이며, 주 코일의 회전수는 270회이다. 부 자기장 보상 코일부(4)의 회전수와 길이는 10회/8 cm, 보상 코일부(2, 3)의 회전수와 길이는 20회/2.5 cm, 가이딩 코일부(5, 6)의 회전수와 길이는 20회/2.5 cm 가 본 실험에서 사용되었다.
본 발명의 일 실시예에 의한 솔레노이드 코일 장치(100)에서 헬륨-3 기체셀(16)이 위치할 코일 중앙부의 자기장 세기는 코일 전류 1.45 A에서 약 24.3 Gauss 정도이다. 이때 상대적인 자기장 세기변화(△B/B)는 5 cm x 5 cm 크기의 셀 크기에서 길이 방향으로 2.0x10-4/cm,그리고 횡 방향으로 2.8x10-4/cm 정도로 계산되었으며, 이는 고편극도를 갖는 헬름-3 기체의 생성에 충분한 자기장의 균일도에 해당한다. 도면 부호 15는 주 코일부(1)의 내부에 형성되는 균일한 자기장 세기의 등고선을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 현장형 중성자 스핀 편극 시스템(200)을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하여, 현장형 중성자 스핀 편극 시스템(200)의 구성 및 동작과정에 대하여 서술한다.
현장형 중성자 스핀 편극 시스템(200)은 도 1에서 설명한 솔레노이드 코일 장치(100), 가열장치(20a) 및 레이저빔 조사 장치를 포함할 수 있다. 현장형 중성자 스핀 편극 시스템(200)은 일례로, SEOP 방식일 수 있다.
솔레노이드 코일 장치(100)는 도 1부분에서 상세히 전술하였기에, 도 4에서는 솔레노이드 코일 장치(100)와 관련된 솔레노이드 코일부(1a) 및 케이싱(10a) 등에 대해서는, 그 설명을 도 1에서의 설명으로 갈음하기로 한다.
헬륨-3셀(16)은 균일한 자기장 분포를 갖는 케이싱(10a)의 중앙 부분에 위치한다. 내부에 루비듐을 포함하는 헬륨-3셀(16)은 솔레노이드 코일부(1a)의 내부에 설치되고 셀 마운트(17)에 위치될 수 있다.
신호 측정부(18a)는 헬륨-3셀(16)의 주위에 설치되는데, 헬륨-3셀(16)의 NMR 신호 측정을 통하여 편광 분극도를 측정할 수 있으며, RF cosineθ 코일(18)과 픽업코일(19)을 포함할 수 있다.
RF cosineθ 코일(18)은 주 코일부(1)의 내부에서 주 코일부(1)의 배열방향과 교차하는 방향으로 감겨져 형성될 수 있는데, 일례로 기체흐름관(20)을 일부 감싸는 구조가 될 수 있다.
픽업코일(19)은 셀마운트(17)의 내부에 제1방향 또는 제2방향으로 감겨지도록 결합되어, 헬륨-3셀(16)의 분극도를 측정할 수 있다. 일례로, 픽업코일(19)은 주 코일부(1) 및 RF cosineθ 코일(18)과 교차하는 방향으로 배치될 수 있다.
예를 들면, 도 4 내에서 주 코일부(1)는 좌우방향으로, RF cosineθ 코일(18)은 전후방향으로, 픽업코일(19)은 상하방향으로 각각 연장되는 배치 구조가 될 수 있다.
가열장치(20a)는 헬륨-3셀(16)을 가열하여, 헬륨-3셀(16)의 셀 내부에 함께 밀봉된 루비듐 금속을 기화시키는 장치이다.
가열장치(20a)는 기체흐름관(20), RF cosineθ 코일(18) 및 cosineθ 코일 창(21)을 포함할 수 있다.
기체흐름관(20)은 루비듐 금속을 가열하여 기화하도록 고온의 공기가 이동 가능하게 형성되는데, 열풍기 및 충전공간(16a)에 연결되어 형성되고, 다수의 관을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 기체흐름관(20)은 복수 개로 구비될 수도 있는데, 일례로 기체흐름관(20)은 루비듐, 헬륨-3셀(16)을 사이에 두고 양쪽으로 두 개로 배치될 수 있다.
RF 코일(18)은 주 코일부(1)의 내부에서 주 코일부(1)의 배열방향과 교차하는 방향으로 감겨져 형성될 수 있는데, 일례로 기체흐름관(20)을 일부 감싸는 구조가 될 수 있다. 또한, RF 코일(18)은 RF cosineθ 코일이 될 수도 있다.
코일 창(21)은 레이저빔이 루비듐 증기에 흡수되도록 형성되는데, 루비듐을 사이에 두고 양쪽으로 배치될 수 있다. 또한, 코일 창(21)은 충전공간(16a)에 이격되어 형성될 수 있다. 코일 창(21)은 일례로 코일 cosineθ 창이 될 수도 있다.
헬륨-3셀(16)은 상기 가열장치(20a)에 의하여 약 150-180℃ 사이에서 일정 온도로 가열되어, 셀 내부에 함께 밀봉된 루비듐 금속을 기화시킨다.
편광부(24a)는 외부에서 인가되는 레이저빔을 평행하게 정열하도록 형성되는 구면렌즈(24), 구면렌즈(24)를 통과하여 평행하게 정열된 레이저빔을 선편광되도록 이루어지는 편광빔분할기(25) 및 편광빔분할기(25)에 의해 선편광 된 레이저빔을 우측으로 원편광되도록 형성되는 λ/4-파장판(26)을 포함할 수 있다.
편광부(24a)는 외부에서 인가되는 레이저빔 중에서 특수 진동 방향의 레이저빔만 투과하도록 할 수 있다. 일례로, 편광부(24a)는 레이저빔 중 도면 4의 뚫고 나오고 들어가는 방향으로 진동하는 레이저빔만 투과하도록 할 수 있다.
편광부(24a)를 통과한 레이저빔은 전송부(29a)를 거치게 된다.
전송부(29a)는 갈랄리안 망원경(27a) 및 전반사 금속 반사경(29)을 포함할 수 있다.
갈랄리안 망원경(27a)은 오목렌즈(27) 및 볼록렌즈(28)을 포함할 수 있는데, 오목렌즈(27)는 레이저빔을 퍼뜨리는 역할을 하며, 볼록렌즈(28)는 퍼뜨려진 빛을 평형화 시키는 역할을 한다.
전반사 금속 반사경(29)은 갈랄리안 망원경(27a)을 투과한 레이저빔을 전반사 시키도록 형성되는데, 일례로, 갈랄리안 망원경(27a)을 투과한 레이저빔과 대략 45°경사지게 형성되어 빛이 전반사 되는 일례가 도시된다.
이하에서, 현장형 중성자 스핀 편극 시스템(200)의 동작과정이 서술된다.
헬륨-3셀(16)은 셀 내부에 함께 밀봉된 루비듐 금속을 기화시키기 위해서 열풍기에 연결된 고온 기체흐름관(20), RF cosineθ 코일(18), cosineθ 코일 창(21)으로 구성된 가열장치(20a)에 의해서 약 150-180℃ 사이에서 일정 온도로 가열된다.
가열된 셀 장치는 후술하는 광섬유(22)와 여기빔 광학계(31)에 의해서 전송되는 다이오드 레이저에 의해서 광 여기된다. 이때 레이저의 발진파장은 헬륨-3 기체와 스핀을 교환하는 루비듐(Rb) 증기의 D1 흡수스펙트럼(794.8 nm)과 일치한다.
광섬유 마운트(23)에 설치된 광섬유(22)로부터 전송된 레이저 다이오드 빔은 구면렌즈(24)에 의해서 평행 정열된 후에 편광빔분할기(25)에 의해서 선편광되고, λ/4-파장판(26)에 의해서 우측으로 원편광된다.
이후에 레이저빔은 오목렌즈(27)와 볼록렌즈(28)로 구성된 갈릴리안 망원경에 의해서 확대되고, 전반사 금속 반사경(29)에 의해서 반사되어 헬륨-3 종면을 통하여 균일하게 조사된다. 셀의 내부에 입사된 원편광된 레이저빔은 셀 내부의 루비듐 증기 원자를 여기하게 된다.
원편광 레이저빔에 의해서 여기된 루비듐 원자는 헬륨-3 원자와 스핀교환을 하게 되고, 루비듐 원자의 여기를 지속하면 스핀교환 과정을 통해서 높은 편극도를 갖는 헬륨-3 기체의 편극을 얻게 된다. 편극 빔분할기를 투과한 평면 편광된 레이저빔은 빔덤퍼(30)에 의해서 소실하도록 설계되어 있다.
이상에서 설명한 솔레노이드 코일 장치 및 현장형 중성자 스핀 편극 시스템는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 상술한 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예로서 통상의 기술자가 발명을 실시하기 위한 구체적인 예시이고, 출원인의 권리가 이에 한정되는 것은 아니다. 출원인의 권리는 이하에서 서술되는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여진다.
1 : 주 코일부 2, 3 : 보상 코일부
4 : 부 자기장 보상 코일부 5, 6 : 가이딩 코일
7 : 보빈 8 : 측면판
9 : 가이딩 코일 고정부 14: 자기력선
16: 헬륨-3셀 17: 셀 마운트
18: RF cosineθ 코일 19: 픽업코일

Claims (14)

  1. 내부의 중앙 영역에 헬륨-3셀과 루비듐이 충전되는 충전공간을 구비하는 케이싱; 및
    상기 헬륨-3셀이 상기 루비듐과의 스핀교환을 통하여 편극 기체가 되도록, 상기 충전공간에 균일한 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일부를 포함하며,
    상기 솔레노이드 코일부는,
    제1방향으로 감겨지면서 상기 케이싱 내부의 일 단부에서 타 단부로 연장되는 주 코일부;
    상기 주 코일부의 일 단부와 타 단부에 각각 형성되고, 상기 제1방향으로 감겨지는 보상 코일부; 및
    상기 주 코일부의 일 단부와 타 단부 사이의 중앙 부분에 형성되며, 상기 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 감겨지는 부 자기장 보상 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 부분은 상기 충전공간이 형성되는 상기 중앙 영역에 대응되는 부분인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱은 상기 주 코일부, 상기 보상 코일부 및 상기 부 자기장 보상 코일부 중 적어도 하나 이상에 의해 형성되는 자기장을 차폐하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 케이싱은,
    상기 주 코일부의 연장 방향과 나란한 방향으로 형성되어 상기 주 코일부의 외부로 발생되는 자기장을 차폐하도록 형성되는 원통부; 및
    상기 원통부의 단부 방향으로 향하는 자기장을 차폐하기 위하여, 상기 원통부 측면의 개방 영역의 일부를 덮도록 형성되는 커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 주 코일부, 상기 보상 코일부 및 상기 부 자기장 보상 코일부 중 적어도 하나를 고정하도록 상기 주 코일부와 상기 케이싱 사이에는 복수 개의 코일 고정부가 설치되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 솔레노이드 코일부는,
    상기 주 코일부의 측부에서 상기 제1방향으로 감겨지도록 형성되어 상기 헬륨-3셀의 중성자의 편극방향을 유지하도록 형성되는 가이딩 코일부를 더 포함하는 솔레노이드 코일 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주 코일부의 내부에서 상기 주 코일부의 연장방향과 나란하게 연장되어 형성되는 보빈(bobbin)을 포함하고,
    상기 주 코일부는 상기 보빈을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일 장치.
  8. 헬륨-3셀이 충전되는 충전공간에 균일한 자기장을 형성하고, 제1항 내지 제7항에 따르는 솔레노이드 코일 장치;
    상기 헬륨-3셀을 가열하여 상기 루비듐 금속을 기화시키도록 형성되는 가열장치; 및
    상기 충전공간에 편광된 레이저빔을 조사하도록 형성되는 레이저빔 조사 장치를 포함하며,
    상기 편광된 레이저빔에 의해 여기된(excited) 상기 루비듐의 원자는 상기 헬륨-3셀의 원자와의 스핀교환 과정을 통해서 상기 헬륨-3셀은 편극기체로 형성되는 것을 특징으로 하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 솔레노이드 코일 장치 내부에 설치되고, 상기 헬륨-3셀의 분극도를 측정하도록 형성되는 신호 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 신호 측정부는 픽업코일을 포함하고,
    상기 픽업코일은 상기 주 코일부의 연장방향과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 제1방향 또는 상기 제2방향으로 감겨지도록 형성되며, 상기 헬륨-3셀의 분극도를 측정하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 가열장치는,
    상기 루비듐 금속을 가열하여 기화하도록 고온의 공기가 이동 가능하도록 열풍기 및 상기 충전공간에 연결되어 형성되는 기체흐름관;
    상기 기체흐름관에 결합되고, 자기장을 발생시키도록 이루어지는 RF 코일; 및
    상기 충전공간에 이격되어 형성되고, 상기 레이저빔이 상기 루비듐에 투과되도록 형성되는 코일창을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 레이저빔 조사 장치는,
    외부에서 인가되는 레이저빔을 원편광하도록 형성되는 편광부; 및
    상기 편광부를 통과하여 편광된 상기 레이저빔을 확대하고, 상기 헬륨-3셀로 상기 편광된 레이저빔을 전송하도록 이루어지는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 편광부는,
    외부에서 인가되는 상기 레이저빔을 평행하게 정열하도록 형성되는 구면렌즈;
    상기 구면렌즈를 통과하여 평행하게 정열된 상기 레이저빔이 선편광되도록 이루어지는 편광빔분할기; 및
    상기 편광빔분할기에 의해 상기 선편광된 레이저빔을 우측으로 원편광되도록 형성되는 λ/4-파장판를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전송부는,
    오목렌즈 및 볼록렌즈를 연속적으로 배치하여 상기 레이저빔을 확대하도록 형성되는 갈랄리안 망원경; 및
    상기 갈랄리안 망원경을 통과한 레이저빔의 궤적과 소정 각도를 이루도록 형성되어 상기 레이저빔을 전반사하도록 이루어지는 전반사 금속 반사경을 포함하는 현장형 중성자 스핀 편극 시스템.
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