KR101582733B1 - 중이온 가속기용 ecr 이온원의 초전도 자석 보호장치 및 이를 포함하는 중이온 가속기용 ecr 이온원 - Google Patents

중이온 가속기용 ecr 이온원의 초전도 자석 보호장치 및 이를 포함하는 중이온 가속기용 ecr 이온원 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치를 개시한다. 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치는, 코일이 권취되어 형성되고, 극저온 상태에서 전류가 흐르면 주위에 고자기장을 발생시키는 초전도 자석; 및 상기 초전도 자석을 지지하고, 상기 초전도 자석의 열 수축 및 고자기장에 의해 발생하는 기계적 응력에 의한 변형을 억제하는 지지부를 포함할 수 있다.

Description

중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석 보호장치 및 이를 포함하는 중이온 가속기용 ECR 이온원{APPARATUS FOR PROTECTING A SUPERCONDUCTING MAGNET OF ECR ION SOURCE FOR A HEAVY ION ACCELERATOR AND THE ECR ION SOURCE FOR A HEAVY ION ACCELERATOR}
본 발명은 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석 보호장치 및 이를 포함하는 중이온 가속기용 ECR 이온원에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고에너지의 이온빔을 만들어내는 28GHz 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석을 지지하는 보호장치 및 이를 포함하는 중이온 가속기용 ECR 이온원에 관한 것이다.
중이온 가속기용 ECR 이온원이란, 강한 자기장 속에 플라즈마를 가두고 고주파 전자공명 현상을 통해 전자들을 집중 가열함으로써 전자의 온도를 수십 KeV 이상으로 높여 원자를 '다가 이온'으로 만든 뒤 이를 선별적으로 추출해서 가속기에 공급해주는 장치를 말한다.
ECR 이온원은 전극을 사용하지 않아서 장치의 수명이 획기적으로 연장될 뿐 아니라, 고주파 방식의 이온원보다 에너지 효율도 높고 이온빔을 만들어내는 플라즈마의 사양도 우수하고, 양질의 고전하 중이온빔을 안정적으로 만들어 낼 수 있는 효과가 있다.
일반적으로 중이온 가속기용 ECR 이온원은 크게 초전도 자석과, 액체 헬륨을 담는 용기 역할을 하는 극저온 챔버와, 액체 헬륨을 공급하는 냉동기로 구성되어 있다. 특히, 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석은 새들(saddle) 형상의 헥사폴(hexapole) 자석과, 헥사폴 자석을 둘러싸는 외부의 솔레노이드(solenoid) 자석으로 구성될 수 있다.
이러한, 초전도 자석에는 극저온으로 인한 열 수축이 발생할 수 있고, 고자기장으로 인한 로렌츠 힘(lorentz force)의 기계적인 응력이 발생한다. 헥사폴 자석에 최대 자기장이 발생되며, 큰 기계적 응력을 받는다.
이와 같은 기계적인 응력은 초전도 자석의 변형을 일으켜 초전도 자석에 손상을 발생시킬 수 있는 문제점이 있었고, 이와 같은 기계적인 응력으로부터 초전도 자석을 보호하기 위한 장치 및 방법에 대한 필요성이 제기되었다.
본 발명은 중이온 가속기용 ECR 이온원에 사용되는 초전도 자석을 지지하여, 초전도 자석의 변형을 보다 효율적으로 억제함으로써 ECR 이온원이 양질의 고전하 중이온빔을 안정적으로 만들어 낼 수 있도록 하는 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치 및 및 이를 포함하는 중이온 가속기용 ECR 이온원을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치는, 중이온가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석을 지지하는 초전도 자석 보호 장치에 있어서, 코일이 권취되어 형성되고, 극저온 상태에서 전류가 흐르면 주위에 고자기장을 발생시키는 초전도 자석; 및 상기 초전도 자석을 지지하고, 상기 초전도 자석의 열 수축 및 고자기장에 의해 발생하는 기계적 응력에 의한 변형을 억제하는 지지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 초전도 자석은, 폐곡선 형상으로 형성되며, 플라즈마 챔버의 주변을 둘러싸도록 다수개가 구비되는 헥사폴 자석; 및 상기 헥사폴 자석의 주변을 둘러싸는 솔레노이드 자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 헥사폴 자석의 상단 및 하단은 곡면으로 형성되고, 상기 헥사폴 자석의 상단 및 하단을 연결하는 중간부는 직선으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 지지부는 상기 헥사폴 자석의 단부를 둘러싸서, 상기 헥사폴 자석의 단부의 변형을 저지하는 제1 지지부와, 상기 헥사폴 자석의 중간 부분을 둘러싸서, 상기 헥사폴 자석의 중간부의 변형에 의한 팽창을 억제하는 제2 지지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 지지부는 체결 부재에 의해 체결되는 클램프 장치인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2 지지부는 상기 초전도 자석 중간 부분의 외주면을 감싸는 얇은 막 형상의 와인딩인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다
또한, 상기 헥사폴 자석은 상기 플라즈마 챔버 주변에 다수개 설치되고, 상기 헥사폴 자석들 사이에는 지지대가 구비되며, 상기 지지대는 상기 헥사폴 자석의 측면에 밀착될 수 있다.
또한, 상기 지지대는 스테인리스스틸 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 헥사폴 자석의 내측에는, 내측 보빈 및 상기 내측 보빈에 감긴 내측 요크가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중이온 가속기용 ECR 이온원은, 내부에 플라즈마 상태가 형성되고, 원자가 유입되는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버 주변에 다수개 설치되고, 폐곡선 형상으로 형성되는 헥사폴 자석과, 상기 헥사폴 자석의 주변을 둘러싸는 솔레노이드 자석을 포함하는 초전도 자석; 상기 헥사폴 자석의 양 단부를 조이는 클램프 및 상기 헥사폴 자석의 중간부를 둘러싸는 와인딩을 포함하는 초전도 자석 보호 장치; 및 액체 헬륨이 수용되고, 상기 플라지마 챔버, 상기 초전도 자석, 상기 초전도 자석 보호 장치를 수용하는 액체 헬륨 챔버를 포함하고, 상기 플라즈마 챔버 내부에서 전자공명 현상에 의하여 전자들을 집중 가열하여, 전자를 다가 이온으로 만들 수 있다.
또한, 상기 액체 헬륨 챔버의 주변을 감싸고, 상기 초전도 자석에서 발생하는 자속이 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 최외곽 쉴드 요크를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 중이온 가속기용 ECR 이온원에 사용되는 초전도 자석의 열 수축 및 기계적 응력에 의한 변형을 최소화하여 중이온 가속기용 ECR 이온원의 구조적인 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 중이온 가속기용 ECR 이온원에 사용되는 초전도 자석에 퀀치(Quench)가 발생하는 경우에 초전도 자석에 일어날 수 있는 대단히 큰 전자기력에 의한 변형과 냉각에 의한 열 변형에 견딜 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치에 의해 지지되는 초전도 자석의 측면도 및 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석이 플라즈마 챔버 주위에 설치된 것을 도시하는 도면이다.
도 4는 유한요소해석을 통하여 로렌츠 힘에 의해 발생한 초전도 자석의 변형을 나타내는 도면이다.
도 5는 유한요소해석을 통하여 액체헬륨 내에서의 열 수축에 의해 발생한 초전도 자석의 변형을 나타내는 도면이다.
도 6은 유한요소해석을 통하여 헥사폴 자석의 단부에서의 변형을 나타내는 도면이다.
도 7은 유한요소해석을 통하여 헥사폴 자석의 중간부의 변형을 나타내는 도면이다.
도 8은 헥사폴 자석에 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치를 설치한 상태에서의 헥사폴 자석에서의 변형을 유한요소해석을 통하여 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치에 의해 지지되는 초전도 자석에 내측 요크가 설치되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치가 설치되는 중이온 가속기용 ECR 이온원의 내부를 도시하는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치를 도시하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치에 의해 지지되는 초전도 자석의 측면도 및 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석이 플라즈마 챔버 주위에 설치된 것을 도시하는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기의 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치(1)는 초전도 자석(10)과, 지지부(20)를 포함할 수 있다.
초전도 자석(10)은 헥사폴 자석(11)과, 헥사폴 자석(11)의 주위를 둘러싸는 솔레노이드 자석(12)을 포함할 수 있다. 헥사폴 자석(11) 및 솔레노이드 자석(12)은 내부에 전류가 흐르는 코일이 구비된 전자석이고, 이러한 코일에 흐르는 전류에 의하여 주위에 자기장이 발생할 수 있다. 초전도 자석(10)을 구성하는 코일은 Ni-Ti 재질로 형성될 수 있다.
헥사폴 자석(11)은 상단 및 하단이 곡면으로 형성되고, 양 측면은 직선으로 형성되는 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다. 헥사폴 자석(11)이 폐곡선 형상으로 형성됨에 따라, 헥사폴 자석(11)의 내측에는 자기장이 통과할 수 있는 빈 공간이 형성될 수 있다.
헥사폴 자석(11)은, 헥사폴 자석(11)의 상단 및 하단을 형성하고, 곡면으로 형성될 수 있는 단부(111)와, 헥사폴 자석(11)의 상단 및 하단 사이에 구비되고, 직선으로 연장될 수 있는 중간부(112)로 구성될 수 있다.
헥사폴 자석(11)은 원통 형상의 플라즈마 챔버(30) 주위를 둘러싸도록 다수개 배치될 수 있다. 일례로, 도 1에는 헥사폴 자석(11)이 플라즈마 챔버(30) 주위에 6개가 배치된 것이 도시된다.
헥사폴 자석(11)의 내주면은 플라즈마 챔버(30)의 외주면에 밀착될 수 있도록 곡면으로 형성될 수 있다. 헥사폴 자석(11)은 플라즈마 챔버(30)의 외주면에 밀착될 수 있도록 소정 곡률로 휘어져서 형성될 수 있고, 이에 따라 플라즈마 챔버(30)의 외주면에 설치된 다수의 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)는 서로 밀착될 수 있다. 다수의 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)의 측면은 서로 밀착되어 플라즈마 챔버(30) 주변을 둘러싸므로, 다수의 헥사폴 자석(11)은 전체적으로 속이 빈 원통 형성으로 형성될 수 있다.
또한, 플라즈마 챔버(30) 내부에 강력한 자기장을 형성하기 위해, 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)에 흐르는 전류는 이웃하는 다른 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)에 흐르는 전류와 같은 방향으로 흐르는 것이 바람직하다(도 2의 화살표 참조).
솔레노이드 자석(12)는 링 형상으로 형성될 수 있고, 솔레노이드 자석(12) 내측에 형성된 빈 공간으로 헥사폴 자석(11) 및 플라즈마 챔버(30)가 관통할 수 있다. 솔레노이드 자석(12)은 헥사폴 자석(11)의 주변에 다수개 구비될 수 있고, 각각의 솔레노이드 자석(12)은 서로 기설정된 간격 이격되어 배치될 수 있다. 일례로, 도 2와 같이 헥사폴 자석(11)의 주변에 솔레노이드 자석(12)이 4개 배치될 수 있다.
솔레노이드 자석(12)에 흐르는 전류의 방향은 솔레노이드 자석(12)이 둘러싸는 헥사폴 자석(11)에 흐르는 전류의 방향과 직각을 형성하는 것이 바람직하며, 4개의 솔레노이드 자석(12)이 헥사폴 자석(11) 주변에 배치되었을 때 양 끝에 배치된 솔레노이드 자석(12)에 흐르는 전류의 방향은 안쪽에 배치된 솔레노이드 자석(12)에 흐르는 전류의 방향과 서로 반대 방향인 것이 바람직하다(도 2의 화살표 참조).
또한, 솔레노이드 자석(12)은 적어도 하나 이상 구비되며, 각각의 솔레노이드 자석(12)은 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. 일례로, 솔레노이드 자석(12)은 헥사폴 자석(11)의 외주면에 4개로 구비될 수 있다. 헥사폴 자석(11)의 가장자리를 감싸며 구비되는 솔레노이드 자석(12)은 두께가 두껍게 형성될 수 있는 반면, 중간 부분에 구비되는 솔레노이드 자석(12)의 두께는 상대적으로 얇게 형성될 수 있다.
헥사폴 자석(11)과 솔레노이드 자석(12) 사이에는 보빈(43)이 구비될 수 있다. 보빈(43)은 속이 빈 원통 형상으로 형성될 수 있고, 헥사폴 자석(11)의 외주면을 둘러쌀 수 있다. 보빈(43)의 외주면에는 코일이 감겨서 솔레노이드 자석(12)을 형성할 수 있다. 보빈(43)의 외측에는 적어도 하나 이상의 돌출부가 형성될 수 있고, 상기 돌출부는 솔레노이드 자석(12)들 사이에 구비되어 각각의 솔레노이드 자석(12)을 소정 간격 이격되게 배치시킬 수 있다.
초전도 자석(10)의 내측에는 고자기장을 필요로 하는 고온의 플라즈마를 가두기 위한 플라즈마 챔버(30)가 설치될 수 있다. 플라즈마 챔버(30)는 내부에 빈 공간이 형성되는 원통형으로 형성될 수 있고, 헥사폴 자석(11)의 내부를 관통하여 연장될 수 있다.
플라즈마 챔버(30) 내부는 플라즈마 상태이고, 이러한 플라즈마가 강한 자기장 속에서 고주파 전자공명 현상을 통해 전자들을 집중 가열함으로써 원자를 다가 이온으로 만들어 가속기에 공급해 줄 수 있다.
플라즈마 챔버(30)의 일 단을 통하여 원자가 입력될 수 있고, 플라즈마 챔버(30)에 입력된 원자는 강한 자기장 및 플라즈마 상태에서 전자공명 현상을 통해 전자들을 집중 가열됨으로써 원자를 다가 이온으로 변환될 수 있으며, 이러게 변환된 이온은 플라즈마 챔버(30)의 타 단을 통하여 배출되어 가속기로 공급될 수 있는 것이다.
초전도 자석(10)은 초전도 상태를 유지하기 위해 극저온 조건에 설치되어야 한다. 일례로, 초전도 자석(10)은 액체상태의 헬륨에서 운전될 수 있다.
초전도 자석(10)에는 이러한 극저온으로 인한 열 수축이 작용할 수 있고, 고자기장으로 인하여 로렌츠 힘의 기계적인 응력이 작용할 수 있다. 구조적으로 솔레노이드 자석(12)에 비해 헥사폴 자석(11)의 변형이 크기 때문에 상대적으로 큰 기계적인 응력을 받을 수 있다. 헥사폴 자석(11)의 변형은 단부(111)에서의 변형과, 중간부(112)에서의 변형의 두 가지 종류로 구분될 수 있다.
한편, 지지부(20)는 초전도 자석(10)을 지지하여 초전도 자석(10)이 열 수축이나 로렌츠 힘에 의하여 변형되는 것을 방지할 수 있다. 보다 상세히, 지지부(20)는 헥사폴 자석(11) 또는 솔레노이드 자석(12)의 외주면을 감싸서 헥사폴 자석(11) 또는 솔레노이드 자석(12)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
지지부(20)는 헥사폴 자석(11)의 단부(111)를 감싸서 변형을 방지하는 제1 지지부(21)와, 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)를 감싸서 변형을 방지할 수 있는 제2 지지부(22)를 포함할 수 있다.
제1 지지부(21)는 헥사폴 자석(11)의 단부(111)의 둘레를 감쌀 수 있는 원형 클램프 장치인 것이 바람직하다. 제1 지지부(21)는 얇은 두께를 갖는 소정 길이의 속이 빈 원통 형상으로 형성될 수 있다. 제1 지지부(21)의 내주면은 곡면으로 형성되어 헥사폴 자석(11)의 외주면에 밀착될 수 있다.
제1 지지부(21), 즉 클램프 장치는 헥사폴 자석(11) 단부(111)의 상부를 감싸는 상부 클램프와, 헥사폴 자석(11) 단부(111)의 하부를 감싸는 하부 클램프로 구성될 수 있다. 상기 상부 클램프 및 하부 클램프는 적어도 하나 이상의 볼트(210)에 의하여 체결될 수 있다.
제1 지지부(21)는 볼트(210)의 체결력에 의하여 헥사폴 자석(11)의 단부(111)에서 분리되는 것이 방지될 수 있고, 헥사폴 자석(11)의 단부(111)의 외주면을 가압할 수 있다. 따라서, 제1 지지부(21)는 헥사폴 자석(11)의 단부(111)의 반지름 방향으로의 변형을 저지할 수 있다.
제2 지지부(22)는 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)의 둘레를 감쌀 수 있다. 제2 지지부(22)는 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)의 외주면에 밀착되는 얇은 막, 즉 와인딩(winding)으로 형성될 수 있다. 제2 지지부(22)는 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)를 조여서, 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)의 외주면을 가압할 수 있다.
따라서, 제2 지지부(21)는 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)의 반지름 방향으로의 변형을 저지할 수 있다.
제1 지지부(21) 및 제2 지지부(22)는 헥사폴 자석(11)이 극저온의 액체 헬륨 내부에서 운전될 때 열 수축 및 로렌츠 힘에 의한 변형을 최소화하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 제1 지지부(21) 및 제2 지지부(22), 즉 와인딩은 열 수축 계수가 큰 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.
각각의 헥사폴 자석(11)의 사이에는 헥사폴 자석(11)의 측면을 지지하여, 헥사폴 자석(11)의 원주 방향으로의 변형을 방지할 수 있는 지지대(23)가 포함될 수 있다. 지지대(23)는 얇고 넓적한 막대 형상으로 형성될 수 있다. 지지대(23)는 서로 헥사폴 자석(11)들 사이에 구비될 수 있고, 헥사폴 자석(11)의 중간부(112) 사이에 구비될 수 있다. 다시 말해, 지지대(23)는 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)의 측면에 밀착될 수 있다.
헥사폴 자석(11)이 극저온의 액체 헬륨 내에서 운전될 때 열 수축이 발생되어 변형이 발생하면 파손을 발생시킬 수 있기 때문에, 지지대(23)는 헥사폴 자석(11)의 파손을 방지하기 위해 스테인리스 스틸 재질로 형성될 수 있다.
한편, 보빈(43)의 전단 및 후단에는 제1 지지부(21)의 주변을 감쌀 수 있는 보호캡(42, 43)이 결합될 수 있다. 보호캡(42, 43)은 보빈(43)의 전단에 결합되는 전단 보호캡(42)과, 보빈(43)의 후단에 결합되는 후단 보호캡(43)을 포함할 수 있다.
보호캡(42, 43)은 볼트 등의 체결부재에 의하여 보빈(43)의 전단 및 후단에 체결될 수 있다(도 10 참조). 보호캡(42, 43)은 제1 지지부(21)의 외주면 및 제2 지지부(22)의 일부분을 감싸고 보빈(43)과 체결되어, 헥사폴 자석(11)을 지지하므로, 헥사폴 자석(11)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 유한요소해석을 통하여 로렌츠 힘에 의해 발생한 초전도 자석의 변형을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 로렌츠 힘에 의해 발생한 초전도 자석(10)의 변형은 솔레노이드 자석(12)보다 헥사폴 자석(11)에서 변형이 크게 나타나며, 유한요소해석을 통하여 로렌츠 힘에 의해 발생하는 최대 변형 값은 약 0.025[mm]로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 헥사폴 자석(11)을 감싸는 솔레노이드 자석(12)은 변형 정도가 상대적으로 적으며, 변형 정도가 큰 헥사폴 자석(11)은 로렌츠 힘에 의한 기계적 응력을 크게 받을 수 있다.
도 5는 유한요소해석을 통하여 액체헬륨 내에서의 열 수축에 의해 발생한 초전도 자석의 변형을 나타내는 도면이다.
도 5을 참조하면, 초전도 자석(10)은 극저온 조건을 필요로 하기 때문에, 액체 헬륨 내에서 운전될 수 있다. 극저온에서의 초전도 자석(10)은 온도 변화에 따라 부피가 감소하는 열 수축 현상이 발생할 수 있다. 이러한 열 수축 현상은 초전도 자석(10)의 큰 전류와 높은 자기장의 작용에 의한 로렌츠 힘보다 더 큰 변형을 발생시킬 수 있다.
초전도 자석(10)의 내부에서 외부를 향하는 방향으로 갈수록 변형 정도가 더 크게 나타나며, 유한요소해석을 통하여 열 수축 현상에 의해 발생하는 최대 변형 값은 약 2.83[mm]로 나타난다. 로렌츠 힘에 의해 나타나는 최대 변형 값이 약 0.025[mm]인 것에 비해 열 수축 현상에 의하여 나타나는 최대 변형 값은 약 2.83[mm]로 더 큰 변형을 발생시키는 것으로 나타나는 것을 알 수 있다.
도 6은 유한요소해석을 통하여 헥사폴 자석의 단부에서의 변형을 나타내는 도면이고, 도 7은 유한요소해석을 통하여 헥사폴 자석의 중간부의 변형을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 유한요소 해석을 통한 헥사폴 자석(11)의 단부(111)에서의 최대 로렌츠 힘과 변형 값은 각각 약 66[kN]과, 0.018[mm]임을 알 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 유한요소 해석을 통한 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)에서의 최대 로렌츠 힘과 그 변형 값은 각각 660[kN]과, 약 0.025[mm]임을 알 수 있다. 헥사폴 자석(11)의 중간부(112)에서 최대 로렌츠 힘과 그 변형 값이 헥사폴 자석(11)의 단부(111)에서의 최대 로렌츠 힘과 변형 값보다 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 8은 헥사폴 자석에 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치를 설치한 상태에서의 헥사폴 자석에서의 변형을 유한요소해석을 통하여 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 초전도 자석(10)의 단부(111)에 제1 지지부(21), 일례로 링 형상의 클램프 장치가 볼트(210)에 의해 체결되어 변형을 억제할 수 있고, 초전도 자석(10)의 중간부(112)를 제2 지지부(22), 일례로 큰 열 수축 계수를 갖는 알루미늄 재질의 와인딩으로 감싸 변형을 최소화 시킬 수 있다.
헥사폴 자석(11)에 클램프 장치가 결합되고, 알루미늄을 감은 상태에서의 최대 변형 값은 약 0.0115[mm]으로 나타난다. 앞에서, 유한요소해석을 통해 로렌츠 힘 및 열 수축 현상에 의한 초전도 자석(10)의 최대 변형 값이 각각 0.025[mm]과, 2.83[mm]인 것에 비해 초전도 자석(10)의 변형 정도가 감소한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 제1 지지부(21), 즉 클램프 장치 및 제2 지지부(22), 즉 알루미늄 와인딩에 의해 지지되는 초전도 자석(10)은 변형이 최소화 될 수 있고, 초전도 자석(10)에 생길 수 있는 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석의 보호 장치에 의해 지지되는 초전도 자석에 내측 요크가 설치되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 헥사폴 자석(11)의 내측에 형성된 빈 공간에 내측 보빈(52)과, 내측 요크(51)가 구비될 수 있다. 내측 요크(51)는 얇은 강판으로 형성될 수 있고, 내측 보빈(52)의 둘레에 감겨질 수 있다.
내측 보빈(52)은 알루미늄 재질로 형성될 수 있고, 내측 요크(51)는 철 재질로 형성될 수 있다.
내측 요크(51)는 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석(10)에 흐르는 운전 전류를 낮추기 위해 사용될 수 있다. 실제로, 내측 요크(51)가 없는 경우의 초전도 자석(10)의 운전 전류는 284[A]이고, 내측 요크(51)가 헥사폴 자석(11)에 구비된 경우의 초전도 자석(10)의 운전 전류는 254[A]인 것으로 측정되었으므로, 내측 요크(51)를 사용하는 경우 이를 사용하지 않는 경우에 비하여 초전도 자석(10)의 운전 전류가 대략 30[A] 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 중이온 가속기용 ECR 이온원의 내부를 도시하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 초전도 자석(10)은 극저온 조건을 필요로 하기 때문에 액체 헬륨이 수용된 액체 헬륨 챔버(70) 내에서 운전될 수 있다. 액체 헬륨 챔버(70)은 내부의 공간에 액체 헬륨을 담을 수 있고, 액체 헬륨 챔버(70)에 수용된 액체 헬륨의 온도는 대략 4[K] 정도가 될 수 있다.
액체 헬륨 챔버(70)의 외측에는 진공 상태를 유지할 수 있는 진공 용기(vacuum vessel, 80)이 구비되고, 진공 용기(80) 외측에는 최외곽 쉴드 요크(outer shielding yoke, 60)가 구비된다.
최외곽 쉴드 요크(60)는 직육면체 형상으로 형성될 수 있고, 초전도 자석(10)에서 발생하는 자속이 외부로 빠져나가지 못하게 하는 역할을 할 수 있다. 이는 중이온 가속기용 ECR 이온원 주변에 설치된 기기 가운데 자기장의 영향을 강하게 받는 기기들을 보호하기 위함이며, 실험결과 최외곽 쉴드 요크(60)의 두께가 40mm일 때, 중이온 가속기용 ECR 이온원의 중심으로부터 1000mm 지점에서 자기장이 포화됨을 확인할 수 있다.
1: 초전도 자석 보호 장치
10: 초전도 자석 11: 헥사폴(Hexapole) 자석
12: 솔레노이드(Solenoid) 자석 30: 플라즈마 챔버
20: 지지부 21: 제1 지지부
22: 제2 지지부 23: 지지대
41, 42: 보호캡 43: 보빈
51: 내측 요크 60: 최외곽 쉴드 요크
70: 극저온 챔버 210: 볼트

Claims (12)

  1. 중이온가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석을 지지하는 초전도 자석 보호 장치에 있어서,
    코일이 권취되어 형성되고, 극저온 상태에서 전류가 흐르면 주위에 고자기장을 발생시키는 초전도 자석; 및
    상기 초전도 자석을 지지하고, 상기 초전도 자석의 열 수축 및 고자기장에 의해 발생하는 기계적 응력에 의한 변형을 억제하는 지지부;
    를 포함하고,
    상기 초전도 자석은, 폐곡선 형상으로 형성되며, 플라즈마 챔버의 주변을 둘러싸도록 다수개가 구비되는 헥사폴 자석; 및 상기 헥사폴 자석의 주변을 둘러싸는 솔레노이드 자석을 포함하고,
    상기 지지부는 상기 헥사폴 자석의 단부를 둘러싸서, 상기 헥사폴 자석의 단부의 변형을 저지하는 제1 지지부와, 상기 헥사폴 자석의 중간 부분을 둘러싸서, 상기 헥사폴 자석의 중간부의 변형에 의한 팽창을 억제하는 제2 지지부를 포함하며,
    상기 제1 지지부는 제1 체결부재에 의해 체결되는 클램프 장치이고, 상기 제2 지지부는 상기 초전도 자석 중간 부분의 외주면을 감싸는 얇은 막 형상의 와인딩이며,
    상기 헥사폴 자석과 상기 솔레노이드 자석 사이에는 보빈이 구비되고, 상기 보빈의 전단 및 후단에는 상기 제1 지지부의 외주면 및 상기 제2 지지부의 일부를 감싸는 보호캡이 제2 체결부재에 의하여 결합되는 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 헥사폴 자석의 상단 및 하단은 곡면으로 형성되고, 상기 헥사폴 자석의 상단 및 하단을 연결하는 중간부는 직선으로 연장되는 중이온 가속기용 ECR 이온원의 초전도 자석 보호 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부는 알루미늄 재질로 형성되는 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 헥사폴 자석은 상기 플라즈마 챔버 주변에 다수개 설치되고, 상기 헥사폴 자석들 사이에는 지지대가 구비되며, 상기 지지대는 상기 헥사폴 자석의 측면에 밀착되는 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지대는 스테인리스스틸 재질로 형성되는 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 헥사폴 자석의 내측에는, 내측 보빈 및 상기 내측 보빈에 감긴 내측 요크가 구비되는 중이온 가속기용 ECR 이온원 초전도 자석 보호 장치.
  11. 내부에 플라즈마 상태가 형성되고, 원자가 유입되는 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버 주변에 다수개 설치되고, 폐곡선 형상으로 형성되는 헥사폴 자석과, 상기 헥사폴 자석의 주변을 둘러싸는 솔레노이드 자석을 포함하는 초전도 자석;
    상기 헥사폴 자석의 양 단부를 조이는 클램프 및 상기 헥사폴 자석의 중간부를 둘러싸는 얇은 막 형상의 와인딩을 포함하는 초전도 자석 보호 장치; 및
    액체 헬륨이 수용되고, 상기 플라즈마 챔버, 상기 초전도 자석, 상기 초전도 자석 보호 장치를 수용하는 액체 헬륨 챔버;
    를 포함하고, 상기 플라즈마 챔버 내부에서 전자공명 현상에 의하여 전자들을 집중 가열하여, 전자를 다가 이온으로 만들고,
    상기 헥사폴 자석과 상기 솔레노이드 자석 사이에는 보빈이 구비되고, 상기 보빈의 전단 및 후단에는 상기 클램프의 외주면 및 상기 와인딩의 일부를 감싸는 보호캡이 체결부재에 의하여 결합되는 중이온 가속기용 ECR 이온원.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액체 헬륨 챔버의 주변을 감싸고, 상기 초전도 자석에서 발생하는 자속이 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 최외곽 쉴드 요크를 더 포함하는 중이온 가속기용 ECR 이온원.
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