KR101925630B1 - Method of arrangement of measurement points for magnetic field mapping and method of magnetic field mapping using the same - Google Patents
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Abstract
원통 좌표계에서의 라플라스 방정식의 해를 이용하여 자기장을 매핑하는 평행 원통 라인(PCL: parallel cylindrical line) 배치법(PCL arrangement method)을 제안한다. 본 발명은 자석의 원통형 중심 볼륨 내의 자기장을 매핑하기 위하여 원통 좌표계에서의 라플라스 방정식의 해에 기초한 수치적 방법을 제공한다. 매핑 절차에 있어서, 측정점들을 z=0 평면에 평행한 다수의 원을 따라 배치할 수 있다. 프로브들의 궤적들이 자석의 중심 볼륨 내에 있는 다수의 PCL들이 된다. 측정점들은 각 원상에 균일하게 분포된다.We propose a parallel cylindrical line (PCL) arrangement method which maps the magnetic field using the solution of the Laplace equation in the cylindrical coordinate system. The present invention provides a numerical method based on solving Laplace's equations in a cylindrical coordinate system to map the magnetic field in the cylindrical center volume of the magnet. For the mapping procedure, the measurement points can be arranged along a number of circles parallel to the z = 0 plane. The trajectories of the probes become a number of PCLs within the central volume of the magnet. The measurement points are uniformly distributed on each circle.
Description
본 발명은 자석의 자기장 특성을 보증하기 위한 자기장 매핑을 위하여 측정점을 배열하는 방법 및 이를 이용하여 자석의 원통형 중심 볼륨(volume) 내의 자기장을 매핑하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of arranging measurement points for magnetic field mapping to assure magnetic field characteristics of a magnet and a method of using the same to map a magnetic field in a cylindrical central volume of a magnet.
자석 응용에 있어서는 자기장에 대한 정확한 정보를 얻는 것이 중요하다. 또한 자기장 분석 또는 설계에 있어서는 관심 대상 공간에서의 자기장의 거동을 아는 것이 중요하다. In magnetic applications, it is important to obtain accurate information about the magnetic field. Also, in magnetic field analysis or design, it is important to know the behavior of the magnetic field in the space of interest.
일반적으로 자기장 매핑이 자기장의 연구를 위한 유용한 도구가 되는데, 구체적으로 자기장의 특성을 보증하기 위해서 자기장 분포(magnetic field distribution)의 맵(map)이 필요하다. 자기장 매핑(맵 작성)을 위한 간단하고 직접적인 방법은 대상 볼륨의 각 점에서 자기장을 측정하는 방법이다. 그러나, 측정점은 다수이기 때문에 측정 시간이 오래 걸릴 수 있다.In general, magnetic field mapping is a useful tool for studying magnetic fields. Specifically, a map of the magnetic field distribution is required to guarantee the characteristics of the magnetic field. A simple and straightforward method for magnetic field mapping (mapping) is to measure the magnetic field at each point of the target volume. However, since the number of measurement points is large, the measurement time may take a long time.
자기장 매핑을 위한 간접적 방법으로 수학적 도구를 사용하는 것이 있다. 자석의 자기장은, 맥스웰 방정식을 만족해야 하는 자기장을 고려하여 모종의 수학적 함수에 의해 기술될 수 있다. 이러한 수학적 함수에 측정 데이터를 적용하여 전체 볼륨의 자기장을 계산할 수 있다.An indirect method for magnetic field mapping is to use mathematical tools. The magnetic field of the magnet can be described by some kind of mathematical function in consideration of the magnetic field which must satisfy the Maxwell's equation. The magnetic field of the entire volume can be calculated by applying measurement data to this mathematical function.
다양한 수학 방정식에 의거한 간접 매핑 방법들이 실제로 개발되어 있다. H.Takeda는 원통체 표면의 2D 자기장을 측정하여 자기장을 매핑하는 수치적 방법을 소개하였다. 이 방법은 유연하기는 하지만 솔레노이드 자기장에는 적용할 수 없다. P.Vernin은 3D 모델과 측정된 자속(flux) 사이의 차이인 잔류 자속을 매핑하는 방법을 발표하였다. 이 방법은 강력한 방법이기는 하지만, 자석을 알지 못하는 경우에는 자석의 3차원 모델을 구축하는 것이 복잡하다. Indirect mapping methods based on various mathematical equations are actually being developed. H. Takeda introduced a numerical method for mapping the magnetic field by measuring the 2D magnetic field on the cylindrical surface. This method is flexible but not applicable to solenoids. P. Vernin has published a method for mapping the residual flux, which is the difference between the 3D model and the measured flux. Although this method is a powerful method, it is complicated to construct a three-dimensional model of the magnet when the magnet is not known.
본 발명은 상술한 것과 같은 종래의 자기장 매핑의 단점을 해소하여, 단순한 절차로 신속하게 원통형 몸체 내의 자기장 매핑 및 다양한 자석 유형에서 발생되는 자기장 매핑에 널리 적용할 수 있는 자기장 매핑 방법을 위한 측정점 배열 방법 및 이를 이용한 자기장 매핑 방법을 제안한다. The present invention solves the disadvantages of the conventional magnetic field mapping as described above, and can be widely applied to the magnetic field mapping in the cylindrical body and the magnetic field mapping generated in various types of magnets by a simple procedure. And a magnetic field mapping method using the same.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 원통 좌표계에서의 라플라스 방정식의 해를 이용하여 자기장을 매핑하는 평행 원통 라인(PCL: parallel cylindrical line) 배치법(PCL arrangement method)을 제안한다. 즉, 본 발명은 자석의 원통형 중심 볼륨 내의 자기장을 매핑하기 위하여 원통 좌표계에서의 라플라스 방정식의 해에 기초한 수치적 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention proposes a parallel cylindrical line (PCL) arrangement method in which a magnetic field is mapped using a solution of a Laplace's equation in a cylindrical coordinate system. That is, the present invention provides a numerical method based on solving the Laplace equation in a cylindrical coordinate system to map the magnetic field in the cylindrical center volume of the magnet.
본 발명의 제1특징에 따른 PCL 배치법에 따르면, 평행 원통 라인 방식(PCL법)으로 측정점들을 배치한다. 이는 자석의 원통형 중심 볼륨에서 z=0 평면에 평행한 다수의 원을 따라 측정점들을 배치하는 것이다. 프로브들의 궤적들이 자석의 중심 볼륨 내에 있는 다수의 PCL 측정점들이 된다. 측정점들은 각 원상에 균일하게 분포시킨다. 이렇게 자석의 원통형 중심 볼륨에서 z=0 평면에 평행한 다수의 원을 따라 측정점들을 균일하게 배치할 수 있는 것은 아래에 소개한 식 (2)~(4)가 의 퓨리에 급수와 유사하기 때문이다. 이러한 측정점 배치법을 본 발명에서는 'PCL 배치법(PCL arrangement method)'이라고 부른다.According to the PCL layout method according to the first aspect of the present invention, the measurement points are arranged by a parallel cylindrical line method (PCL method). This places the measurement points along a number of circles parallel to the z = 0 plane in the cylindrical center volume of the magnet. The trajectories of the probes become a number of PCL measurement points within the central volume of the magnet. The measurement points are uniformly distributed on each circle. In this way, the uniformity of the measurement points along a number of circles parallel to the z = 0 plane in the cylindrical central volume of the magnet can be obtained by equations (2) to (4) Because it is similar to the Fourier series. This method of arranging the measurement points is referred to as a " PCL arrangement method " in the present invention.
본 발명의 제2특징에 있어서, 상기 PCL 배치법에 의한 자기장 매핑 절차를 설명하면 다음과 같다. In the second aspect of the present invention, the magnetic field mapping procedure according to the PCL placement method will be described as follows.
자석의 중심에서의 자기장의 각 성분 , , 을 PCL 배치법에 따라 배치한 측정점들에서 측정한다. Each component of the magnetic field at the center of the magnet , , Are measured at the measurement points arranged according to the PCL arrangement method.
맥스웰 방정식에 따르면, 정적(static) 자기장에서의 자기 스칼라 전위(magnetic scalar potential) V는, 볼륨에 전류 소스가 없거나 전류 싱크(sink)가 없을 때에는 라플라스 방정식을 만족해야 한다. 원통 좌표 (: 반경, : 방위각, z: 높이)에서, 라플라스 방정식은 베셀(Bessel)함수 , 삼각함수 , 지수함수 의 기본해들을 갖는다. 여기서, n 및 m은 변수 분리 과정에서 사용되는 상수이다. 원통 좌표계에서의 라플라스 방정식의 일반해는 이들 기본해를 선형 조합한 것이다.According to the Maxwell equation, the magnetic scalar potential V in a static magnetic field must satisfy the Laplace equation when the volume has no current source or no current sink. Cylindrical coordinates ( : Radius, : Azimuth, z: height), the Laplace equation is the Bessel function , Trigonometric function , Exponential function . Where n and m are constants used in the variable separation process. The general solution of the Laplace equation in the cylindrical coordinate system is a linear combination of these fundamental solutions.
자석의 원통형 중심 볼륨(center volume)에서의 자기 스칼라 전위 V에 대해서, 베셀함수는 의 멱급수(power series)로 전개될 수 있고, 지수함수의 선형 조합은 및 함수로 표현된다. 그리고 자기 스칼라 전위 V는 For the magnetic scalar potential V at the cylindrical center volume of the magnet, the Bessel function is , And a linear combination of the exponential functions can be developed And Function. And the self-scalar potential V
이다. 여기서, 는 기준 반경(reference radius)이다. to be. here, Is the reference radius.
따라서 자속 밀도는 Therefore, the magnetic flux density
와 같이 계산될 수 있다. Can be calculated as follows.
이들 식을 적용하여 자속 밀도의 각 성분을 계산하기 위해서는 및 함수를 알아야 한다. 자기 스칼라 전위 V는 라플라스 방정식을 만족해야 하기 때문에 식 (1)을 라플라스 방정식에 대입해서 In order to calculate each component of magnetic flux density by applying these equations And You need to know the function. Since the magnetic scalar potential V must satisfy the Laplace equation, we substitute equation (1) into the Laplace equation
를 얻을 수 있다. 식 (5), (6)에서, 및 함수는 이라고 정할 때 아래와 같이 쓸 수 있다. Can be obtained. In equations (5) and (6) And The function You can write as follows.
자기장 매핑은 이들 미지의 함수 및 를 찾기 위한 것이다.Magnetic field mapping is a function of these unknown functions And .
다음에, 상기 식 (2), (3), (4)에서 성분을 에 대해 퓨리에 변환을 하여 의 삼각함수의 계수들을 구한다. 이들 계수는 아래에서 식 (12)에 나타낸 것과 같은 의 함수, 즉, 로 볼 수 있다. 이와 같이 의 삼각함수의 계수들을 구한 후에는 이를 이용하여 을 풀 수 있다. 이에 대해서 구체적으로 설명한다. Next, in equations (2), (3), and (4) Ingredients To Fourier transform Of the trigonometric function. These coefficients can be expressed as in Equation (12) below Function, i.e., Can be seen as. like this After obtaining the coefficients of the trigonometric functions of Can be solved. This will be described in detail.
위에서, 자기장 매핑은 미지의 함수 및 를 찾기 위한 것이라고 하였다. 함수 및 를 얻기 위해서는 이들 함수의 형태를 먼저 결정하여야 한다. 자기 스칼라 전위 V에서, 미지 함수 및 는 z 방향으로 연속적이며, 무한 차수의 도함수(infinite order derivative)를 갖는다. 또한, 함수 및 의 값은 z가 무한대일 때에 영(0)에 접근한다. 로렌츠 곡선의 형태로 인하여 미지 함수 및 는 로렌츠 곡선들의 합으로 근사할 수 있다. In the above, the magnetic field mapping is an unknown function And . function And The type of these functions must be determined first. At the magnetic scalar potential V, the unknown function And Is continuous in the z direction and has an infinite order derivative. Also, And The value of zero approaches zero when z is infinite. Because of the form of the Lorenz curve, the unknown function And Can be approximated by the sum of Lorenz curves.
로렌츠 곡선 f(x)는 The Lorenz curve f (x)
로 나타낼 수 있다. 여기서 x0는 로렌츠 곡선의 중심이고 a와 L은 로렌츠 곡선의 크기와 폭을 결정한다. 매핑 절차 중에 N개의 로렌츠 곡선을 사용한다고 가정하면, 미지 함수 및 는 . Where x 0 is the center of the Lorenz curve and a and L determine the size and width of the Lorenz curve. Assuming that N Lorentz curves are used during the mapping procedure, the unknown function And The
로 근사할 수 있다. 여기서 와 는 미지의 상수이고, 는 측정점의 높이에 의해 결정될 수 있고, 은 상수이다. 와 의 값은 측정 데이터에 의해 최적화될 수 있다. PCL 배치법의 파라미터(아래의 표 1 참조)로부터 알 수 있는 와 z 값을 고려하여서 미지의 상수 와 를 풀 수 있다. . here Wow Is an unknown constant, Can be determined by the height of the measurement point, Is a constant. Wow Can be optimized by the measurement data. From the parameters of the PCL placement method (see Table 1 below) And the z value, the unknown constant Wow Can be solved.
한편, 자속 밀도 성분이 와 의 합임을 고려하여, 이산 퓨리에 변환(DFT)에 의해서 와 의 계수를 구할 수 있다. 따라서 성분의 항에 대해서 On the other hand, when the magnetic flux density component Wow (DFT), considering the sum of Wow Can be obtained. therefore Constituent About the Port
를 얻을 수 있다.Can be obtained.
여러 높이 z에서 N개의 계수를 얻었다고 하면, 식 (12)를 이용함으로써, 에 대한 선형 방정식들의 집합을 얻을 수 있고, 아래와 같은 매트릭스 형식으로 식 (12)를 표기할 수 있다.If we obtain N coefficients at several elevations z, we can use Eq. (12) (12) can be expressed in the following matrix form.
여기서 은 DFT에 따른 항의 계수들의 벡터, 은 식 (12)로 계산된 성분들을 갖는 매트릭스, 은 미지 상수들 의 벡터이다. 또한, 미지의 상수 는 항의 계수를 사용하여 풀 수 있다. 일단 모든 와 를 알면, 성분을 식 (2)를 써서 계산할 수 있다. here According to DFT The vector of the coefficients of the term, Is a matrix having components calculated by equation (12) Unknown constants . Also, unknown constants The Can be solved by using a coefficient of interest. Once all Wow If you know, The component can be calculated using equation (2).
이상에서와 같이 상기 식 (10) 및 (11)을 통해 미지의 함수 및 를 구할 수 있다.As described above, the unknown functions (10) and (11) And Can be obtained.
마지막으로, 이상과 같은 방법으로 다른 측정점들에서의 자기장의 각 성분을 식 (2), (3), (4)를 사용하여 계산할 수 있으며, 및 성분도 계산할 수 있다.Finally, each component of the magnetic field at different measurement points can be calculated using equations (2), (3), and (4) And The composition can also be calculated.
이상에서 기재한 본 발명의 목적과 구성은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예의 설명에 의해 보다 더 명확해질 것이다.The objects and construction of the present invention described above will become more apparent from the following description of specific embodiments with reference to the drawings.
원통 좌표계에서의 라플라스 방정식의 해를 사용하여, 자석의 중심 볼륨 내에서의 자기장을 매핑하는 데 PCL 배치법을 적용한다. 본 발명의 방법은 원통형 볼륨에서의 자기장 매핑에 적합하며, 다양한 자석 종류에서 발생되는 자기장 매핑에 널리 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 매핑 결과로부터, PCL 배치법은 자석 중심의 원통 볼륨 내의 자기장을 매핑하는 유용하고 편리한 방법이라는 것을 알 수 있다. 그리고, PCL 구성법은 다양한 유형의 자석에서 생성되는 자기장에 적용할 수 있다.Using the solution of the Laplace equation in a cylindrical coordinate system, a PCL arrangement is applied to map the magnetic field within the central volume of the magnet. The method of the present invention is suitable for magnetic field mapping in a cylindrical volume and can be widely applied to magnetic field mapping occurring in various kinds of magnets. From the mapping results according to the present invention, it can be seen that the PCL placement method is a useful and convenient method of mapping the magnetic field in the cylindrical volume of the magnet center. And, the PCL configuration method can be applied to magnetic fields generated from various types of magnets.
도 1. PCL 배치법에서의 측정점들. (a) 측정점들의 위치, (b) 평면도, (c) 측면도
도 2. PCL 배치법을 사용한 자기장 매핑 절차
도 3. 네 개의 솔레노이드 및 6극 자석으로 구성된 ECRIS 자석의 구조
도 4. ECRIS 자석에서의 6극 자석의 시뮬레이션을 위한 여섯 개의 동일한 전류 루프
도 5. PCL 방법을 사용시의 ECRIS 자석 내의 측정점들의 위치 및 매핑된 볼륨의 위치
도 6. 계산시 절대 오차의 값에 따른 변화
도 7. 성분의 계산 항들
도 8. 성분 계산시 항들의 최대 크기
도 9. PCL 법을 사용한 경우 ECRIS 자석의 자속 밀도 매핑의 성분들의 절대 오차
도 10. PCL 법을 사용한 경우 ECRIS 자석의 자속 밀도 매핑의 성분들의 절대 오차
도 11. 반경 70mm인 ECRIS 자석의 중심에서의 자속 밀도 성분들의 분포. (a) 성분, (b) 성분, (c) 성분
도 12. 4극 자석의 시뮬레이션을 위한 4개의 동일한 전류 루프 (네 개의 루프를 표현하기 위해 그들 사이에 약간의 틈새를 표시하였음)
도 13. 4극 자석에서의 측정점들의 위치와 매핑된 볼륨
도 14. 130mm의 반경을 갖는 원통 표면에서의 4극 자석의 균일도
도 15. PCL 배치법을 사용할 때의 4극 자석에서의 자속 밀도 매핑의 성분들의 절대 오차
도 16. 퓨리에 변환을 이용한 매핑법 사용시의 매핑 오차Figure 1. Measurement points in the PCL batch method. (a) location of measurement points, (b) plan view, (c) side view
Figure 2. Magnetic field mapping procedure using PCL placement
Figure 3. Structure of ECRIS magnet composed of four solenoids and six pole magnets
Figure 4. Six identical current loops for simulating a six pole magnet in an ECRIS magnet.
Figure 5. The location of the measurement points in the ECRIS magnet and the position of the mapped volume when using the PCL method
6. Absolute error of calculation Change by value
7. Calculation terms of components
Figure 8. The maximum size of the terms in the component calculation
Figure 9. Absolute error of the components of the magnetic flux density mapping of the ECRIS magnet using the PCL method
10. The absolute error of the components of the magnetic flux density mapping of the ECRIS magnet when using the PCL method
Figure 11. Distribution of magnetic flux density components at the center of an ECRIS magnet with a radius of 70 mm. (a) (B) (C) ingredient
Figure 12. Four identical current loops for simulating a four pole magnet (with a small gap between them to represent the four loops)
Figure 13. Position of measurement points and mapped volume in 4 pole magnets
Figure 14. Uniformity of quadrupole magnets on a cylindrical surface with a radius of 130 mm
15. The absolute error of the components of the magnetic flux density mapping in the quadrupole magnet when using the PCL arrangement
Figure 16. Mapping error when using mapping method using Fourier transform
도 1은 PCL 배치법에서의 측정점들을 나타내는 것으로서, (a)는 측정점들의 위치, (b)는 평면도, (c)는 측면도이다. 평행 원통 라인 방식으로 측정점(10)들을 배치하였다. 앞에서 식 (2)~(4)가 의 퓨리에 급수와 유사하다는 것을 고려하여 측정점(10)들을 자석의 원통형 중심 볼륨에서 z=0 평면에 평행한 다수의 원을 따라 균일하게 배치한 것이다. 자석의 중심 볼륨 내에 있는 다수의 측정점들이 곧 프로브들의 궤적이 된다. 이러한 PCL 배치법의 파라미터들을 표 1에 열거하였다.Fig. 1 shows measurement points in the PCL layout method, where (a) is a position of measurement points, (b) is a plan view, and (c) is a side view. Measurement points 10 were arranged in a parallel cylindrical line fashion. (2) to The measurement points 10 are uniformly arranged along a plurality of circles parallel to the z = 0 plane in the cylindrical central volume of the magnet. A number of measurement points within the central volume of the magnet are now the trajectories of the probes. The parameters of this PCL batch method are listed in Table 1.
위 표에서, PCL 배열법에서 원통 표면의 반경은 R이고 표면의 높이는 H이다. 각 원의 인접한 두 점 사이의 방위각은 이며, 각 원에 있는 측정점의 수는 다음과 같이 계산할 수 있다.In the above table, the radius of the cylinder surface is R and the height of the surface is H in the PCL arrangement. The azimuth angle between two adjacent points of each circle is , And the number of measurement points in each circle can be calculated as follows.
축 방향으로의 각 원 사이의 거리를 h라 할 때 이 방법에서의 원의 개수는 다음과 같이 계산할 수 있다.When the distance between each circle in the axial direction is h, the number of circles in this method can be calculated as follows.
또한 분석시에 기준 반경 r0을 사용하여 정규화(normalize)한 반경 R과 높이 H는 다음과 같이 얻을 수 있다.The radius R and height H normalized using the reference radius r 0 at the time of analysis can be obtained as follows.
위 표와 같이 PCL 배치법의 파라미터들이 결정되면, 측정점들의 위치를 그 정의에 의해 찾을 수 있다. 식 (12)와 측정점들의 좌표를 이용하여 식 (13)의 행렬 을 만들 수 있고 미지의 상수 와 를 풀 수 있다. Once the parameters of the PCL batch method are determined as shown in the above table, the positions of the measurement points can be found by their definition. Using the coordinates of Eq. (12) and measurement points, the matrix of Eq. (13) And an unknown constant Wow Can be solved.
도 2는 PCL 배치법을 사용한 자기장 매핑 절차를 설명한다.Figure 2 illustrates a magnetic field mapping procedure using PCL placement.
먼저, PCL 배치법에 따라 자석의 중심 볼륨에 측정점을 배치하고 특정 측정점에서 자기장의 각 성분을 측정한다(100).First, a measurement point is arranged at the center volume of the magnet according to the PCL arrangement method, and each component of the magnetic field is measured at a specific measurement point (100).
그리고, 를 기준으로 퓨리에 변환을 적용해서 식 (2), (3), (4)의 의 삼각함수의 계수를 구한다(200). 이들 계수는 식 (12)에 나타낸 바와 같이 의 함수로 볼 수 있다. And, (2), (3), and (4) by applying the Fourier transform on the basis of (200) of the trigonometric function. These coefficients are expressed as shown in equation (12) Can be seen as a function of.
이러한 함수를 정하기 위해 로렌츠 곡선을 사용한다(300). 구체적으로, 매핑 절차 중에 N개의 로렌츠 곡선을 사용한다고 가정하면, 미지 함수 및 는 The Lorenz curve is used to determine these functions (300). Specifically, assuming that N Lorenz curves are used during the mapping procedure, the unknown function And The
로 근사할 수 있다. 여기서 와 는 미지의 상수이고, 는 측정점의 높이에 의해 결정될 수 있고, 은 상수이다. 와 의 값은 측정 데이터에 의해 최적화될 수 있다. 이제, 미지의 함수 및 를 구하기 위해서는 PCL 배치법의 파라미터로부터 알 수 있는 와 z 값을 고려하여서 미지의 상수 와 를 풀면 된다.. here Wow Is an unknown constant, Can be determined by the height of the measurement point, Is a constant. Wow Can be optimized by the measurement data. Now, the unknown function And The PCL allocation method And the z value, the unknown constant Wow .
값을 구한 상수 와 를 식 (10) 및 (11)에 대입해서 미지의 함수 및 를 구한다(400). The constant from which to get the value Wow (10) and (11) to calculate an unknown function And (400).
마지막으로, 다른 측정점들에서의 자기장의 각 성분을 식 (2), (3), (4)를 사용하여 계산할 수 있다(500).Finally, each component of the magnetic field at different measurement points can be calculated using Eqs. (2), (3), and (4) (500).
이하에서는, 본 발명에 따른 PCL 배치법을 사용하여, ECRIS 자석과 4극(quadrupole) 자석의 중심의 자속 밀도를 매핑하는 실시예에 대해 설명한다. Hereinafter, an embodiment will be described in which the magnetic flux density of the center of the ECRIS magnet and the quadrupole magnet is mapped using the PCL arrangement method according to the present invention.
실시예 1: ECRIS 자석Example 1: ECRIS magnet
도 3은 네 개의 솔레노이드 및 6극 자석으로 구성된 ECRIS 자석(30)의 구조를 나타낸다. ECRIS(electron cyclotron resonance ion source) 자석은 선형 가속기에 고도로 하전된 이온빔을 집중적으로 제공하기 위해 사용된다. ECRIS 자석의 구조는 네 개의 축상 코일(axial coil)(32) 및 여섯 개의 방사상 코일(radial coil)(34)로 구성된다. 축상 코일(32)은 상이한 크기와 전류의 네 개의 동축 솔레노이드로 구성되어 있다. 그리고 여섯 개의 방사상 코일(34)은 6극 자석(sextupole) 형태로 이루어져 있다. 6극 자석은 도 3에 도시된 바와 같이, 솔레노이드의 내부에 배치된다.3 shows the structure of an
이 자기 시스템은 네 개의 솔레노이드 코일로부터의 축상 자기장을 6극 자석으로부터의 방사상 자기장을 생성하여서 ECR 플라즈마 스트림을 구속한다(confine).This magnetic system confines the axial magnetic field from the four solenoid coils to a radial magnetic field from the six pole magnets to confine the ECR plasma stream.
자기 시스템 내의 코일의 설계 파라미터들을 표 2에 열거하였다.The design parameters of the coils in the magnetic system are listed in Table 2.
이 실시예에서, 솔레노이드에 의해 발생되는 자기장을 고정밀 "rzBI" 프로그램으로 시뮬레이션하였다(L.Huang and S.Lee, "Development of a magnetic field calculation program for air-core solenoid which can control the precision of a magnetic field," Progress in Superconductivity and Cryogenics, vol. 16, no. 4, pp. 53-56, 2014.).In this embodiment, the magnetic field generated by the solenoid is simulated with a high-precision " rzBI " program (L. Huang and S. Lee, " Development of a magnetic field calculation program for an air- , Progress in Superconductivity and Cryogenics , vol. 16, no. 4, pp. 53-56, 2014.).
직선 와이어에서 생성되는 자기장을 폐쇄 형태의 식으로 산출할 수 있기 때문에, 6극 자석에서 발생되는 자기장은 도 4에 나타낸 바와 같이 여섯 개의 동일한 전류 루프로써 시뮬레이션하였다. 도 4는 ECRIS 자석에서의 6극 자석의 시뮬레이션을 위한 여섯 개의 동일한 전류 루프(40)를 나타낸다. 이에 자기장은 직선 및 솔레노이드에서 생성되는 자기장들을 중첩하여 계산될 수 있다. 본 실시예에서, 자기장 계산시에 FEM(유한 요소법)을 사용할 필요는 없다.Since the magnetic field generated in the straight wire can be calculated in a closed form, the magnetic field generated in the six pole magnet was simulated with six identical current loops as shown in FIG. Figure 4 shows six identical
매핑된 볼륨(52)의 높이가 1,000mm이고 ECRIS 자석의 중심에서의 원통체(50)의 반경이 70mm라고 가정할 때, PCL 배치법 사용시의 측정점(54)들을 도 5에 나타내었고, PCL 배치법의 파라미터를 표 3에 나타내었다. 도 5는 PCL 방법을 사용시의 ECRIS 자석 내의 측정점들의 위치 및 매핑된 볼륨의 위치를 나타낸다.Assuming that the height of the mapped
PCL 배치법을 이용하여, ECRIS 자석의 중심의 측정점에서의 자속 밀도의 성분들을 얻을 수 있다. 이산 퓨리에 변환에 따라, 식 (2), (3), (4)에서의 n의 최대값은 로 계산될 수 있다. ECRIS 자석이 6중 대칭 구조임을 고려하여, 퓨리에 급수의 성분들은 n이 3, 9, 12, ... 로 커질수록 더 큰 값을 갖게 된다. 매핑 과정에서, 크기가 작은 퓨리에 급수의 성분들은 무시할 수 있다. 값은 측정 데이터로부터 최적화될 수 있다. By using the PCL layout method, the components of the magnetic flux density at the measurement point of the center of the ECRIS magnet can be obtained. According to the discrete Fourier transform, the maximum value of n in the expressions (2), (3), and (4) Lt; / RTI > Considering that the ECRIS magnet is a six-symmetric structure, the components of the Fourier series become larger as n becomes 3, 9, 12, .... In the mapping process, the components of the small Fourier series can be ignored. The value can be optimized from the measurement data.
성분에서의 n=3의 경우를 나타낸 것과 같이 매핑 과정에서의 오차는 도 6에 나타낸 바와 같이 산출되었다. 도 6에서 값에 따른 계산시의 절대 오차(absolute error)가 변동됨을 알 수 있다. 가 150mm일 때 계산시 오차가 최소값이 될 수 있다. As shown in the case of n = 3 in the component, the error in the mapping process was calculated as shown in Fig. 6 Depending on the value It can be seen that the absolute error at the time of calculation changes. Is 150mm, the error in calculation can be the minimum value.
식 (12)에 따르면, 성분은 로렌츠 곡선들의 고차 도함수의 합으로 계산될 수 있다. (12)에 있는 항들의 크기는 도 7에 표시된 것과 같이 m이 증가함에 따라 감소하게 될 것이고, 각 m에서의 최대값을 도 8에 도시하였다. m이 10일 때, 계산시의 절대 오차는 0.01 가우스(Gauss)보다 작을 것이다. 도 7은 상이한 m에서의 성분 계산시의 항들을 나타내고, 도 8은 성분 계산시 항들의 최대 크기를 나타낸다.According to equation (12) The component can be calculated as the sum of the higher order derivatives of the Lorenz curves. The magnitude of the terms in (12) will decrease as m increases as shown in Fig. 7, and the maximum value at each m is shown in Fig. When m is 10, The absolute error in the calculation will be less than 0.01 Gauss. Figure 7 shows the Components in calculation of the components, and Fig. 8 It represents the maximum size of the terms in the component calculation.
일단 성분의 항 및 항 모두를 구했으면, 식 (2)를 이용하여 매핑된 볼륨의 모든 지점에서의 성분을 계산할 수 있다. 동일한 방식으로, 해당 볼륨에서의 및 성분을 구할 수 있다.First Constituent And If we have all of the terms, we can use Eq. (2) The components can be calculated. In the same way, And Components can be obtained.
, , 성분에서의 절대 오차는 도 9에 표시하였다. 도 9는 PCL법을 사용한 경우 ECRIS 자석의 자속 밀도 매핑의 성분들의 절대 오차를 나타낸다. 의 매핑 결과가 다른 것들보다 더 나쁘며 매핑 결과의 절대 오차는 거의 0.1 가우스보다 작다. 그러나 홀 효과를 이용한 전계강도 측정기의 범위가 0.1 mT ~ 3×104 mT인 것을 고려하면, 이 매핑 결과는 받아들일만 하다. , , The absolute error in the components is shown in Fig. 9 shows the absolute error of the components of the magnetic flux density mapping of the ECRIS magnet when the PCL method is used. Is worse than the others and the absolute error of the mapping result is less than about 0.1 Gauss. However, considering that the range of the electric field intensity measuring device using the Hall effect is 0.1 mT to 3 x 10 4 mT, the mapping result is acceptable.
본 발명자의 선행 연구물인 HCL 배치법[참고: L.Huang and S.Lee, "Study on Magnetic Field Mapping Method in the Center Volume of the Air-Core Solenoid," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 26, Iss. 4, pp.4900104, 2016 및 L.Huang and S.Lee, "A study on the effect of the condition number in the magnetic field mapping of the Air-Core solenoid,"Progress in Superconductivity and Cryogenics, vol. 17, no. 2, pp.31-35, 2015]을 이용하여 매핑한 볼륨에서의 각 성분의 절대 오차를 도 10에 도시하였다. 도 10은 PCL 법을 사용한 경우 ECRIS 자석의 자속 밀도 매핑의 성분들의 절대 오차를 나타낸다.The present inventor's previous research, HCL method (refer to L. Huang and S. Lee, "Study on Magnetic Field Mapping Method in the Center of the Air-Core Solenoid," IEEE Transactions on Applied Superconductivity , Vol. 26, Iss. 4, pp. 4900104, 2016 and L. Huang and S. Lee, "A Study on the Effect of the Condition Number in the Air-Core Solenoid," Progress in Superconductivity and Cryogenics , vol. 17, no. 2, pp. 31-35, 2015] is shown in Fig. 10. The absolute error of each component in the mapped volume is shown in Fig. 10 shows the absolute error of the components of the magnetic flux density mapping of the ECRIS magnet when the PCL method is used.
HCL 배치법을 사용한 매핑 결과와 비교하면, PCL 배치법을 이용하여 매핑된 방사 성분 및 방위각 성분 가 HCL 배치법을 이용한 매핑 결과보다 더 우수하다. 그리고, HCL 배치법을 이용한 매핑 결과는 매핑된 볼륨의 양단부에서 더 나빠진다.Compared with the mapping results using the HCL batch method, And an azimuth component Is better than the mapping result using the HCL batch method. And, the mapping result using the HCL batch method gets worse at both ends of the mapped volume.
매핑된 볼륨의 부분에서의 자기장의 세 성분들의 분포는 도 11에 나타내었다. 도 11은 반경 70mm인 ECRIS 자석의 중심에서의 자속 밀도 성분들의 분포를 나타내는 것으로, (a)는 성분, (b)는 성분, (c)는 성분을 나타낸다.The distribution of the three components of the magnetic field at the portion of the mapped volume is shown in FIG. 11 shows the distribution of magnetic flux density components at the center of an ECRIS magnet having a radius of 70 mm, (a) The component, (b) Component, (c) Lt; / RTI >
실시예 2: 4극 자석Example 2: Four-pole magnet
도 12는 4극 자석(quadropole magnet)의 시뮬레이션을 위한 4개의 동일한 전류 루프(120)(네 개의 루프를 표현하기 위해 그들 사이에 약간의 틈새를 표시하였음)를 나타낸다. 입자빔의 포커싱에는 4극 자석이 유용한데, 그 이유는 4극 자석에 의해 발생된 자기장의 크기는 종축으로부터 방사상으로 신속하게 퍼져나가기 때문이다. 본 실시예에서 4극 자석은 도 12에 도시된 것과 같이 네 개의 동일한 전류 루프(120)로써 시뮬레이션된다. 이들 전류 루프의 파라미터들을 표 4에 열거하였다.FIG. 12 shows four identical current loops 120 (showing a small gap between them to represent four loops) for the simulation of a quadropole magnet. Four-pole magnets are useful for focusing the particle beam because the magnitude of the magnetic field generated by the quadrupole magnet quickly spreads radially from the longitudinal axis. In this embodiment, the quadrupole magnet is simulated with four identical
매핑 볼륨이 4극 자석의 중심에 있는 높이 1,000mm 반경 170mm의 원통형 볼륨이라고 가정한다.Suppose the mapping volume is a cylindrical volume with a height of 1,000 mm and a radius of 170 mm in the center of the quadrupole magnet.
PCL 배치법 사용시의 측정점을 도 13에 도시하였고, PCL 배치법의 파라미터를 표 5에 나타내었다. 도 13은 4극 자석에서의 측정점들의 위치와 매핑된 볼륨을 나타낸다.The measurement points at the time of using the PCL arrangement method are shown in Fig. 13, and the parameters of the PCL arrangement method are shown in Table 5. 13 shows the position of the measurement points in the quadrupole magnet and the mapped volume.
4극 자석의 중심에서, 자기장의 성분들은 4중 대칭적이다. n = 2, 6, 10, ...인 경우에 퓨리에 급수의 성분들은 점점 큰 값을 갖는다. 4극 자석 내에서의 자기장의 균일도는 At the center of the quadrupole magnet, the components of the magnetic field are quadruply symmetrical. For n = 2, 6, 10, ..., the components of the Fourier series are increasingly large. The uniformity of the magnetic field in the quadrupole magnet
로 정의된다. 여기서 은 z에 대한 퓨리에 급수에서의 n=6 항을 의미하고, 은 n=2 항을 의미한다.. here Means n = 6 in the Fourier series for z, Means n = 2.
도 14는 130mm의 반경을 갖는 원통 표면에서의 4극 자석의 균일도를 나타낸다. 본 발명의 매핑 결과 및 계산 결과에 따르면, 반경 130mm의 균일도는 도 14에 나타내는 바와 같이 얻을 수 있다. 매핑 결과로부터 얻은 균일도는 시뮬레이션에 의한 계산 결과로부터 얻은 균일도와 거의 동일하다.Fig. 14 shows the uniformity of quadrupole magnets on a cylindrical surface having a radius of 130 mm. According to the mapping result and calculation result of the present invention, uniformity of a radius of 130 mm can be obtained as shown in Fig. The uniformity obtained from the mapping results is almost the same as the uniformity obtained from the simulation results.
매핑 오차는 매핑 결과와 시뮬레이션 결과간의 차이에 의해 확인된다. 원의 표면에서의 z에 대한 최대 절대 오차를 도 15에 나타내었다. 도 15는 PCL 배치법을 사용할 때의 4극 자석에서의 자속 밀도 매핑의 성분들의 절대 오차를 나타낸다.The mapping error is identified by the difference between the mapping result and the simulation result. The maximum absolute error for z at the surface of the circle is shown in Fig. 15 shows the absolute error of the components of the magnetic flux density mapping in the quadrupole magnet when using the PCL arrangement method.
도 16은 퓨리에 변환을 이용한 매핑법 사용시의 매핑 오차를 나타낸다. 퓨리에 변환을 이용한 매핑법[H.Takeda et al., "Extraction of 3D field maps of magnetic multipoles from 2D surface measurements with applications to the optics calculations of the large-acceptance superconducting fragment separator BigRIPS," Nucl. Instrum. Meth. Part B, vol.317, pp. 798-809, 2013]과 비교할 때, PCL 배치법으로부터 도 16에 도시된 바와 같이 보다 정확한 매핑 결과를 얻을 수 있다. 16 shows a mapping error when using the mapping method using the Fourier transform. The mapping method using Fourier transform [H. Takeda et al ., &Quot; Extraction of 3D field maps of magnetic multipoles from 2D surface measurements with applications to the optics calculations of the large-acceptance superconducting fragment separator BigRIPS, " Nucl. Instrum. Meth . Part B, vol.317, pp. 798-809, 2013], it is possible to obtain a more accurate mapping result as shown in FIG. 16 from the PCL layout method.
이상에서와 같이 ECRIS 자석과 4극 자석에서의 자기장 매핑의 결과, 본 발명에 따른 PCL 배치 매핑 방법은 실현가능하고 편리한 것임이 증명되었다.As a result of the magnetic field mapping in the ECRIS magnet and the quadrupole magnet as described above, it has been proved that the PCL layout mapping method according to the present invention is feasible and convenient.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 기술 사상을 실제로 구현하기 위한 한 가지 예에 불과하다. 본 발명의 기술적 범위는 이하에 작성된 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 결정된다. The above-described embodiments are merely examples for actual implementation of the technical idea of the present invention. The technical scope of the present invention is determined by the rational interpretation of the claims set forth below.
Claims (5)
상기 측정점들에서 측정된 자기장의 각 성분 , , 은 아래 식 (2), (3), (4)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 자기장 매핑을 위한 측정점 배치 방법.
(상기 식 (2), (3), (4)에서
는 기준 반경(reference radius),
,
이고,
식 (7), (8)에서
,
,
이고,
식 (10), (11)에서 와 는 미지의 상수, 는 측정점의 높이에 의해 결정되는 상수, 그리고 , n, m은 상수임)
To map the magnetic field in the cylindrical center volume of the magnet, three magnetic field components for the radius, azimuth, and height of the cylinder , , (here, : Radius, : Azimuth angle, z: height) are arranged along a plurality of spaced apart circles parallel to the z = 0 plane, the method comprising the steps of:
The respective components of the magnetic field measured at the measurement points , , Is calculated by the following equations (2), (3), and (4).
(In the formulas (2), (3), and (4)
Is the reference radius,
,
ego,
In equations (7) and (8)
,
,
ego,
In equations (10) and (11) Wow Is an unknown constant, Is a constant determined by the height of the measurement point, and , n , m are constants)
(여기서 는 기준 반경(reference radius)임)),
상기 식 (2)~(4)에 포함된 및 함수 (여기서, , 임)를 알기 위해 미지의 함수 및 를 계산하기 위한 자기장 매핑 방법에 있어서,
(여기서, 이고,
,
이며,
식 (10), (11)에서 와 는 미지의 상수, 는 측정점의 높이에 의해 결정되는 상수, 그리고 , n, m은 상수임)
1) 상기 청구항 3의 측정점 배치 방법에 따라 자석의 원통형 중심 볼륨에서 z=0 평면에 평행한 다수의 원을 따라 균일하게 측정점들을 배치하는 단계,
2) 자석의 중심에서의 자기장의 각 성분 , , 을 상기 배치한 측정점들에서 측정하는 단계,
3) 자기장의 성분을 를 기준으로 퓨리에 변환을 적용해서 상기 식 (2)의 의 삼각함수 와 의 계수를 구하고, 로렌츠 곡선을 적용하여 (상기 식 (10)) 및 (상기 식 (11))의 근사식을 정하는 단계,
4) 미지의 함수 및 를 구하기 위해서 단계 1)에서 배치된 측정점의 와 z 값을 고려하여 상수 와 를 푸는 단계,
5) 값을 구한 상수 와 를 상기 식 (10) 및 (11)에 대입해서 미지의 함수 및 를 구하는 단계,
6) 자기장의 다른 성분 및 을 계산하기 위하여 상기 3) 내지 4) 단계를 반복하는 단계 - 여기서 를 계산시에는 상기 3) 단계에서 식 (3)의 의 삼각함수의 계수를 구하고, 를 계산시에는 상기 3) 단계에서 식 (4)의 의 삼각함수의 계수를 구함 - 를 포함하는, 자석의 원통형 중심 볼륨 내의 자기장을 매핑하는 방법. Each component of the magnetic field measured at the measurement points of the cylindrical center of the magnet , , (Where each magnetic field component is equal to the following equations (2) to (4)).
(here Is the reference radius)),
In the formulas (2) to (4) And Function, , To know the unknown function And A magnetic field mapping method for calculating a magnetic field,
(here, ego,
,
Lt;
In equations (10) and (11) Wow Is an unknown constant, Is a constant determined by the height of the measurement point, and , n , m are constants)
1) arranging the measurement points uniformly along a plurality of circles parallel to the z = 0 plane in the cylindrical central volume of the magnet according to the method of arranging the measuring points of claim 3,
2) Each component of the magnetic field at the center of the magnet , , At the placed measurement points,
3) The magnetic field Ingredients (2) < / RTI >< RTI ID = 0.0 > Trigonometric function Wow , And the Lorenz curve is applied (Equation (10) above) and (Formula (11)),
4) Unknown function And Of the measurement points placed in step 1) And the z value. Wow , ≪ / RTI >
5) Constant to get the value Wow (10) and (11) to obtain the unknown function And , ≪ / RTI >
6) Other components of the magnetic field And Repeating steps 3) to 4) above to calculate < RTI ID = 0.0 > (3) in the step 3) Of the trigonometric function, (4) in the step 3) To obtain a coefficient of a trigonometric function of the magnetic field of the magnet.
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