KR101609973B1 - 입자가속기를 위한 방사선 차폐와 빔 집속 기능을 겸비한 솔레노이드 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리는, 내부에 가속관이 수용되도록 전후 방향으로 관통된 제1중공이 형성되며, 자기장을 형성하는 제1솔레노이드 및 상기 제1솔레노이드의 내주면을 따라 구비되며, 상기 가속관에 빔 집속 시 상기 빔이 가속관에 부딪힘에 따라 발생되는 방사선을 차폐하는 차폐유닛을 포함한다.

Description

입자가속기를 위한 방사선 차폐와 빔 집속 기능을 겸비한 솔레노이드 어셈블리{Solenoid Assembly with Beam Focusing and Radiation Shielding Functions for Particle Accelerators}

본 발명은 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빔이 가속관에 부딪힘에 따라 발생되는 방사선을 차폐하는 차폐유닛을 포함하는 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리에 관한 것이다.

입자가속기는 전자나 양성자 같은 하전입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동 에너지를 발생시키는 장치이다. 상기 입자가속기는 일반적으로 솔레노이드 내측에 가속관을 삽입한 상태에서, 가속관 내에 빔을 집속하게 된다.

하지만, 종래의 입자가속기의 경우, 단순히 자기장을 이용하여 빔을 집속하는 데에만 주안점을 두고 있었다 이에 따라 빔 집속시에 헤드 부분에 초점을 맞추어 포커싱을 할 경우, 테일 부분은 에너지 차에 의한 과 집속 현상으로 빔 퍼짐 현상이 발생하여 방사선 동위원소가 발생하게 된다.

이는 입자의 가속 효율을 현저히 떨어뜨리는 문제를 가져오는 것은 물론, 방사성 동위 원소에 의한 2차 피해, 즉 전자 장치의 수명 감소 및 기타 전자 부품의 에러를 비롯하여 인체 방사선 피폭 등 다양한 문제점이 야기될 수 있다.

따라서 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구되고 있는 상황이다.

한국등록특허 제10-0268649호

본 발명에 따른 차폐유닛을 포함하는 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리는 빔의 집속과 방사선의 차폐를 동시에 수행하고자 하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 차폐유닛을 포함하는 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리는, 내부에 가속관이 수용되도록 전후 방향으로 관통된 제1중공이 형성되며, 자기장을 형성하는 제1솔레노이드 및 상기 제1솔레노이드의 내주면을 따라 구비되며, 상기 가속관에 빔 집속 시 상기 빔이 가속관에 부딪힘에 따라 발생되는 방사선을 차폐하는 차폐유닛을 포함한다.

그리고 상기 차폐유닛은, 상기 본체의 내주면을 따라 구비되며, 상기 방사선의 차폐를 수행하는 차폐부 및 상기 차폐부의 형태를 유지하도록 지지하는 지지부를 포함할 수 있다.

또한 상기 차폐부의 단면은 링 형태로 형성되며, 상기 지지부는 상기 차폐부의 외면 및 내면을 감싸도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 지지부는 상기 차폐부의 전면 및 후면을 더 감싸도록 형성될 수 있다.

또한 상기 지지부는 비자성체로 형성될 수 있다

그리고 상기 제1솔레노이드와 전후 방향으로 연결되며, 상기 제1중공과 연통되는 제2중공이 형성된 제2솔레노이드를 더 포함하고, 상기 차폐유닛은 상기 제2솔레노이드의 내주면을 따라 구비되도록 연장 형성될 수 있다.

또한 상기 제1솔레노이드 및 상기 제2솔레노이드는 서로 다른 길이를 가지도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 차폐유닛은 상기 제1솔레노이드 및 상기 제2솔레노이드에 각각 대응되도록 분할될 수 있다.

본 발명에 따른 차폐유닛을 포함하는 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 입자가속기에서 가속관의 빔의 집속과 차폐를 동시에 수행함으로써, 이중으로 차폐 설계를 따로 할 필요가 없으므로 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 이에 따라 컴팩트한 형태의 솔레노이드 전자석을 만들 수 있는 장점이 있다.

셋째, 방사선 방출에 의한 2차 피해를 예방할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리가 적용된 입자가속기의 모습을 나타낸 단면도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리가 적용된 입자가속기의 모습을 다른 방향에서 나타낸 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제1솔레노이드의 전류 대 자기장 그래프;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제1솔레노이드의 길이 대 자기장 그래프;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제2솔레노이드의 전류 대 자기장 그래프;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제2솔레노이드의 길이 대 자기장 그래프;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제1솔레노이드 및 제2솔레노이드를 결합한 경우의 전체 길이 대 자기장 그래프; 및
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 차폐유닛의 모습을 나타낸 단면도이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리가 적용된 입자가속기의 모습을 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리가 적용된 입자가속기의 모습을 다른 방향에서 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 솔레노이드 어셈블리(100)가 적용된 입자가속기는, 솔레노이드 어셈블리(100) 내측에 가속관(10)이 삽입될 수 있다. 상기 가속관(10)은 RF발생기와 연결되는 연결부(12)와, 입자가 방출되는 방출부(14)를 포함하며, 내부에 형성된 통공을 통해 전자 또는 양성자와 같은 입자가 이동된다. 이와 같은 가속관(10)은 당업자에게는 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

그리고 본 실시예에서 상기 가속관(10)의 둘레에는, 스티어링 마그넷(20a, 20b)이 구비된다. 상기 스티어링 마그넷(20a, 20b)은 상기 가속관(10) 내측을 이동하는 입자의 이동 방향을 조절하는 역할을 수행하며, 본 실시예의 경우 상하 한 쌍의 스티어링 마그넷(20b)과, 좌우 한 쌍의 스티어링 마그넷(20a)이 짝지어 연결된다.

그리고 본 실시예의 경우 솔레노이드 어셈블리(100)는, 제1솔레노이드(100a)와, 제2솔레노이드(100b)와, 차폐유닛(150)을 포함한다. 즉 본 실시예에서 상기 솔레노이드 어셈블리(100)는 상기 제1솔레노이드(100a)와 상기 제2솔레노이드(100b)가 서로 전후 방향으로 연결된 형태를 가진다.

이때 상기 제1솔레노이드(100a)와 상기 제2솔레노이드(100b)는 서로 다른 길이를 가지는 것으로 하였다. 구체적으로 본 실시예에서 제1솔레노이드(100a)는 130 mm, 제2솔레노이드(100b)는 370 mm인 것으로 하였다.

하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예와 달리 제1솔레노이드(100a)와 제2솔레노이드(100b)의 길이는 다양하게 이루어질 수 있음은 물론, 제1솔레노이드(100a)와 제2솔레노이드(100b) 중 어느 하나만이 구비된 형태일 수도 있음은 물론이다.

구체적으로 본 실시예의 경우, 상기 제1솔레노이드(100a)의 내측에는 가속관이 수용되도록 전후 방향으로 관통된 제1중공이 형성되며, 상기 제2솔레노이드(100b)의 내측에는 상기 제1중공과 연통되는 제2중공이 형성된다. 이에 따라 상기 제1중공 및 상기 제2중공에 수용된 가속관은 상기 제1솔레노이드(100a)와 상기 제2솔레노이드(100b)가 형성하는 자기장 내에 위치될 수 있다.

이때 본 발명의 경우 빔이 가속관에 부딪힘에 따라 발생되는 방사선을 차폐하기 위해, 차폐유닛(150)이 구비된다. 상기 차폐유닛(150)은 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 내주면을 따라 구비되며, 방사선을 차폐할 수 있는 구조 또는 재질을 가지도록 형성된다. 본 실시예의 경우, 상기 차폐유닛은 납을 포함하는 것으로 하였다.

또한 본 실시예서 상기 차폐유닛(150)은, 방사선의 차폐를 직접적으로 수행하는 차폐부(152)와, 상기 차폐부(152)의 형태를 유지하도록 지지하는 지지부(153)를 포함하는 형태를 가진다. 즉 상기 차폐부(152)는 납 재질로 형성되어 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 내주면 전체를 따라 구비되고, 이때 상기 지지부(153)는 상기 차폐부(152)가 자중 등 외부적인 요인에 의해 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있도록 지지하는 역할을 수행한다.

이때 상기 지지부(153)는, 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 자기장에 영향을 받지 않도록 비자성체로 형성될 수 있으며, 본 실시예의 경우 상기 지지부(153)로 SUS를 사용하였다. 다만, 이에 제한되지 않고 다양한 재질이 사용될 수 있음은 물론이다.

보다 구체적으로 본 실시예의 경우, 상기 차폐부(152)의 단면은 링 형태로 형성되며, 상기 지지부(153)는 상기 차폐부(152)의 외면을 감싸는 외면대응부(154)와, 상기 차폐부(152)의 내면을 감싸도록 형성된 내면대응부(156)를 포함한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제1솔레노이드의 전류 대 자기장 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제1솔레노이드의 길이 대 자기장 그래프이다.

그리고 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제2솔레노이드의 전류 대 자기장 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제2솔레노이드의 길이 대 자기장 그래프이다.

또한 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리에 있어서, 제1솔레노이드 및 제2솔레노이드를 결합한 경우의 전체 길이 대 자기장 그래프이다.

각 그래프에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 자기장 값은 조정이 가능하며 제1솔레노이드는 제2솔레노이드에 비해 필드가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다. 즉 제1솔레노이드의 경우 최대 약 1000Gauss 정도, 제2솔레노이드의 경우 최대 약 800Gauss정도를 나타낸다.

이와 같이 나타나는 이유는, 제1솔레노이드의 경우 초기 전자총에서 빠져나온 전자들이 공간전하 효과로 인해 사상으로 빔이 많이 퍼지기 때문이다. 또한 공간전하 효과는 에너지가 작은 경우에 크게 작용하기 때문에, 처음에 큰 자기장을 요하기 때문이다.

한편 가속관의 전자총으로부터 멀어질수록 빔의 속도가 빨라지고, 공간전하 효과는 작아지기 때문에, 제2솔레노이드의 경우 제1솔레노이드에 비해 필드가 상대적으로 작게 형성된다.

다음으로 도 8에는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리(100)의 모습이 도시된다. 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔레노이드 어셈블리(100)는, 전술한 일 실시예의 경우와 전체적으로 동일하게 형성된다. 즉 제1솔레노이드(100a), 제2솔레노이드(100b) 및 차폐유닛(250)을 포함한다는 점이 동일하다.

다만, 본 실시예의 경우 상기 차폐유닛(250)의 지지부(253)는, 외면대응부(254)와, 내면대응부(256)뿐 아니라, 상기 차폐부(252)의 전면 및 후면을 감싸도록 형성된 전후대응부(258)를 더 포함한다.

즉 본 실시예에서 상기 차폐부(252)는 외부에 노출되지 않도록 상기 지지부(253)에 의해 완전히 둘러싸인 형태를 가지며, 이에 따라 상기 지지부(252)의 형태 변화를 완전히 차단함과 동시에, 차폐유닛(250) 전체의 강도를 보다 견고하게 할 수 있다.

한편 상기 차폐유닛(250)의 경우, 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)가 결합된 전체 길이에 대응되도록 일체로 형성되어 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 내측에 장착될 수도 있으나, 이와 달리 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 길이에 각각 대응되도록 분할된 형태일 수도 있다.

즉 이와 같은 경우, 상기 차폐유닛(250)은 두 개의 파트로 분리되어 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 내측에 각각 장착된 상태에서, 상기 제1솔레노이드(100a) 및 상기 제2솔레노이드(100b)의 결합과 동시에 결합될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 가속관 20a, 20b: 스티어링 마그넷
100: 솔레노이드 어셈블리 100a: 제1솔레노이드
100b: 제2솔레노이드 150: 차폐유닛
152: 차폐부 153: 지지부

Claims (8)

1. 내부에 가속관이 수용되도록 전후 방향으로 관통된 제1중공이 형성되며, 자기장을 형성하는 제1솔레노이드;
   상기 제1솔레노이드와 전후 방향으로 연결되며, 상기 제1중공과 연통되는 제2중공이 형성된 제2솔레노이드;
   상기 제1솔레노이드 및 제2솔레노이드의 내주면을 따라 구비되며, 상기 가속관에 빔 집속 시 상기 빔이 가속관에 부딪힘에 따라 발생되는 방사선을 차폐하는 차폐유닛;
   을 포함하는 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 차폐유닛은,
   상기 제1솔레노이드 및 제2솔레노이드의 내주면을 따라 구비되며, 상기 방사선의 차폐를 수행하는 차폐부; 및
   상기 차폐부의 형태를 유지하도록 지지하는 지지부;
   를 포함하는 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,
   상기 차폐부의 단면은 링 형태로 형성되며,
   상기 지지부는 상기 차폐부의 외면 및 내면을 감싸도록 형성된 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.
4. 제3항에 있어서,
   상기 지지부는 상기 차폐부의 전면 및 후면을 더 감싸도록 형성된 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.
5. 제2항에 있어서,
   상기 지지부는 비자성체로 형성된 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1솔레노이드 및 상기 제2솔레노이드는 서로 다른 길이를 가지도록 형성된 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.
8. 제1항에 있어서,
   상기 차폐유닛은 상기 제1솔레노이드 및 상기 제2솔레노이드에 각각 대응되도록 분할된 입자가속기의 솔레노이드 어셈블리.

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