KR102179422B1 - 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법 및 그 장치 - Google Patents

고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법은, 펄스형의 고주파 가속기의 공진 주파수를 측정하는 방법으로서, 상기 고주파 가속기의 가속관에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 제 1 S21 파라미터와 제 2 S21 파라미터를 포함하는 파라미터를 측정하는 단계와, 상기 제 1 S21 파라미터와 측정된 상기 제 2 S21 파라미터 사이의 기울기를 계산하는 단계와, 계산된 상기 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 상기 공진 주파수를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 파라미터는, 상기 가속관의 전력포트 1에 인가한 제 1 신호와 상기 제 1 신호가 상기 가속관의 내부를 통과해 전력포트 2로 돌아오는 제 2 신호 간의 크기 비율을 나타낸다.

Description

고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING RESONANCE FREQUENCY OF RADIO FREQUENCY ACCELERATOR}
본 발명은 고주파 가속기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속관의 공진 주파수를 고주파 운전 중에도 실시간으로 측정할 수 있는 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 고주파 가속기에서 가속관의 공진 주파수 제어는 매우 중요한 요소 중 하나이다.
일반적으로, 가속관의 내부로 공급된 고주파가 입자에 에너지를 전달하여 가속을 시키므로 고주파 파워가 부족할 경우 원하는 에너지의 입자 빔을 얻을 수가 없다.
즉, 가속관의 공진 주파수와 고주파의 주파수가 일치할 때 가속관에 전달되는 고주파의 파워가 최대가 된다.
이를 위해, 가속관의 공진 주파수는 가속관에 들어가는 냉각수 온도를 조절해 가속관 내부의 부피를 미세하게 조정하는 방식으로 제어된다.
이때, 온도를 조절하기 전에 가속관의 공진 주파수가 얼마인지를 측정해야 하는데, 일반적으로 가속관에 입사된 고주파의 위상을 이용하여 공진 주파수를 측정하고 있다.
여기에서, 고주파 가속기는 입자빔의 연속성에 따라 연속형 가속기와 펄스형 가속기로 구분될 수 있다.
도 1은 펄스로 동작하는 고주파 가속기에서 고주파 진폭과 위상의 시간에 따른 변화를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 펄스형 가속기에서는 고주파 펄스가 시작되는 부분에서 상승(rising) 구간이 생기고, 펄스가 끝나는 시점부터 하강(falling) 구간이 생긴다.
가속관 내부의 고주파의 주파수는 고주파가 들어가는 중에는 입사되는 고주파 주파수를 그대로 따라가고, 하강 구간에서는 가속관의 공진 주파수를 따라간다. 이때. 하강 구간에서의 시간에 따른 위상 변화를 이용하여 고주파의 주파수와 가속관 공진 주파수의 차이를 알 수 있다.
이러한 종래 방법의 문제점은 고주파 위상을 이용하여 공진 주파수를 간접 측정하는 것이기 때문에 몇 가지 이유로 정확한 측정이 어려울 수 있다.
즉, 고주파 신호를 처리하는데 사용되는 믹서 등의 아날로그 부품의 특성이 측정에 영향을 주기도 하고, 하나의 고주파 증폭기로 여러 개의 가속관에 고주파를 보낼 때 가속관 사이의 간섭 현상이 위상신호의 정확한 측정을 방해할 수 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해서는 네트워크 분석기로 가속관의 공진 주파수를 직접 측정해야만 하는데, 고주파가 가속관에 들어가고 있는 상태에서는 네트워크 분석기의 이용이 제한되는 문제가 있다.
도 2는 입자 가속기에 고주파가 펄스 모드로 들어가는 것을 일례로서 보여주는 파형도이고, 도 3은 네트워크 분석기를 이용하여 가속관의 공진 주파수를 측정한 결과 그래프의 일례를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 고주파 운전 구간 사이(펄스 사이)의 짧은 시간 동안(S 파라미터 측정 가능 구간)에 네트워크 분석기를 이용하여 도 3에서와 같은 그래프를 얻기 때문에 가속관의 공진 주파수를 얻는 것이 물리적으로 거의 불가능하다.
그리고, 고주파의 펄스폭이 길어지고 반복률이 증가할수록 시간 제약을 심하게 받기 때문에 가속관의 공진 주파수를 측정하는 것이 더욱 어렵게 된다.
한국등록특허 제10-1611232호(공고일 : 2016. 04. 12.)
본 발명은 가속관의 공진 주파수를 고주파 운전 중에도 실시간으로 측정할 수 있는 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 펄스형의 고주파 가속기의 공진 주파수를 측정하는 방법으로서, 상기 고주파 가속기의 가속관에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 고주파가 제 1 주파수일 때의 제 1 S21 파라미터와 고주파가 제 2 주파수일 때의 제 2 S21 파라미터를 측정하는 단계와, 상기 측정된 제 1 S21 파라미터 값과 제 2 S21 파라미터 값 사이의 기울기를 주파수-S21 파라미터 좌표 상에서 계산하는 단계와, 상기 계산된 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 상기 공진 주파수를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 S21 파라미터 및 상기 제 2 S21 파라미터는, 상기 가속관의 전력포트 1에 인가한 제 1 신호와 상기 제 1 신호가 상기 가속관의 내부를 통과해 전력포트 2로 돌아오는 제 2 신호 간의 크기 비율을 나타내는 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 기울기는, 상기 가속관의 공진 주파수가 상기 고주파 펄스의 주파수보다 낮아지면 줄어드는 방향으로 수렴되고, 상기 가속관의 공진 주파수가 상기 고주파 펄스의 주파수보다 높아지면 커지는 방향으로 수렴될 수 있다.
본 발명은 다른 관점에 따라, 펄스형의 고주파 가속기의 공진 주파수를 측정하는 장치로서, 고주파 펄스를 생성하여 상기 고주파 가속기의 가속관에 인가하는 고주파 발생부와, 상기 가속관에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 고주파가 제 1 주파수일 때의 제 1 S21 파라미터와 고주파가 제 2 주파수일 때의 제 2 S21 파라미터를 측정하는 파라미터 측정부와, 상기 측정된 제 1 S21 파라미터 값과 상기 제 2 S21 파라미터 값 사이의 기울기를 주파수-S21 파라미터 좌표 상에서 계산하는 기울기 계산부와, 계산된 상기 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 상기 공진 주파수를 계산하는 주파수 계산부를 포함하며, 상기 제 1 S21 파라미터 및 상기 제 2 S21 파라미터는, 상기 가속관의 전력포트 1에 인가한 제 1 신호와 상기 제 1 신호가 상기 가속관의 내부를 통과해 전력포트 2로 돌아오는 제 2 신호 간의 크기 비율을 나타내는 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 고주파 발생부의 작동시간과 상기 파라미터 측정부의 작동시간이 겹치지 않도록 동작시간을 조절하는 타이밍부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, F0 - △F, F0 + △F의 두 주파수에서만 공진 주파수의 검출을 위한 S21 파라미터를 측정하기 때문에 측정 소요시간이 매우 적어 고주파가 펄스로 들어가는 상태에서도 펄스들 사이의 구간을 여유롭게 활용할 수 있다(F0: 고주파의 주파수).
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 가속관의 S21 파라미터를 직접 측정하기 때문에 외부 간섭으로 인해 발생할 수 있는 측정 오차를 현저하게 줄일 수 있다.
도 1은 펄스로 동작하는 고주파 가속기에서 고주파 진폭과 위상의 시간에 따른 변화를 보여주는 도면이다.
도 2는 입자 가속기에 고주파가 펄스 모드로 들어가는 것을 일례로서 보여주는 파형도이다.
도 3은 네트워크 분석기를 이용하여 가속관의 공진 주파수를 측정한 결과 그래프의 일례를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 장치에 대한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 가속관의 공진 주파수를 실시간으로 측정하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 6은 가속관의 공진 주파수가 고주파의 주파수보다 상대적으로 낮을 때 임의의 기울기를 갖고 측정되는 S21 파라미터의 파형 예시도이다.
도 7은 가속관의 공진 주파수가 고주파의 주파수보다 상대적으로 높을 때 임의의 기울기를 갖고 측정되는 S21 파라미터의 파형 예시도이다.
먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어지는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.
아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 발명의 설명 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 장치에 대한 블록 구성도로서, 타이밍부(402), 고주파 발생부(404), 가속관(406), 파라미터 측정부(408), 기울기 계산부(410) 및 주파수 계산부(412) 등을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 타이밍부(402)는, 고주파 발생부(404)가 가속관(406)에 고출력의 고주파를 인가하고 있는 상태에서는 S 파라미터를 측정할 수 없기 때문에, 고주파 발생부(404)의 작동시간과 파라미터 측정부(408)의 작동시간이 겹치지 않도록 동작시간을 조절하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 고주파 발생부(404)는 타이밍부(402)로부터 전달되는 동작 타이밍에 의거하여 고출력의 고주파를 발생한 후 이를 가속관(406)으로 인가하는 등의 기능을 제공할 수 있다. 여기에서, 가속관(406)에 들어가는 고주파의 주파수와 가속관(406)의 공진 주파수가 동일할 때, 고주파 운전 효율은 최대가 될 수 있다.
다음에, 파라미터 측정부(408)는 타이밍부(402)로부터 전달되는 동작 타이밍에 의거하여 가속관(406)에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 전력포트1(P1)로 신호를 보내고, 가속관(406)의 내부를 통과한 후 전력포트2(P2)를 통해 나오는 신호를 측정할 수 있다.
여기에서, 전력포트1(P1)로 보낸 신호와 전력포트2(P2)로 돌아온 신호의 크기 비율을 S21 파라미터라고 정의할 수 있는데, 가속관(406)의 공진 주파수와 동일한 주파수의 신호를 가속관(406)의 내부로 보낼 때 신호 감쇄가 가장 적기 때문에 S21 파라미터가 가장 크게 측정될 수 있다.
이러한 S21 파라미터는 파라미터 측정부(408)에 의해 측정될 수 있다.
도 6은 가속관의 공진 주파수가 고주파의 주파수보다 낮을 때 임의의 기울기를 갖고 측정되는 S21 파라미터의 파형 예시도이고, 도 7은 가속관의 공진 주파수가 고주파의 주파수보다 높을 때 임의의 기울기를 갖고 측정되는 S21 파라미터의 파형 예시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 파라미터 측정부(108)는, 고주파의 주파수를 F0라고 할 때, F0 - △F, F0 + △F 두 점에서의 S21 파라미터(제 1 S21 파라미터와 제 2 S21 파라미터)를 측정할 수 있다. 여기에서, △F는 임의의 값이다.
다시, 기울기 계산부(410)는 파라미터 측정부(408)를 통해 각각 측정된 제 1 S21 파라미터와 제 2 S21 파라미터 사이의 기울기를 계산하는 등의 기능을 제공할 수 있다. 여기에서, 기울기는 가속관(406)의 공진 주파수가 고주파 펄스의 주파수보다 낮아지면 줄어드는 방향으로 수렴되고, 가속관(406)의 공진 주파수가 고주파 펄스의 주파수보다 높아지면 커지는 방향으로 수렴될 수 있다.
즉, 고주파의 주파수를 F0라고 할 때, 두 점(F0 - △F, F0 + △F) 사이의 기울기는 아래의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019063160268-pat00001
이때, 도 6 및 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 가속관(406)의 공진 주파수가 고주파의 주파수보다 낮아지면 상술한 수학식 1을 통해 계산한 두 점 사이의 기울기가 줄어들고, 가속관(406)의 공진 주파수가 고주파의 주파수보다 높아지면 두 점 사이의 기울기가 커지게 됨을 알 수 있다.
여기에서, 가속관(406)의 공진 주파수와 고주파의 주파수가 동일하고 △F가 충분히 작다면 기울기는 제로(0)가 된다. 즉, 두 점의 기울기를 이용하여 가속관(406)의 공진 주파수 상태를 체크(확인)할 수 있다.
그리고, 주파수 계산부(412)는 기울기 계산부(410)를 통해 계산된 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 공진 주파수를 계산하고, 이 계산된 공진 주파수를 고주파 가속기 제어장치(도시 생략) 측으로 전달하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
이때, 각 기울기에 매칭되는 공진 주파수는 가속관(406)의 특성에 따라 다를 수 있으므로, x=기울기, y=공진 주파수인 y=f(x) 함수를 미리 측정을 해서 테이블로 만들어 두고 공진주파수 제어에 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 실시예의 고주파 가속기의 공진 주파수 측정 장치를 이용하여 본 발명의 실시예에 따라 가속관의 공진 주파수를 실시간으로 측정하는 주요 과정에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 가속관의 공진 주파수를 실시간으로 측정하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 고주파 발생부(404)에서는 타이밍부(402)로부터 전달되는 동작 타이밍에 의거하여 고출력의 고주파를 발생한 후 이를 가속관(406)으로 인가한다(단계 502).
그리고, 파라미터 측정부(408)에서는 타이밍부(402)로부터 전달되는 동작 타이밍에 의거하여 가속관(406)에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 전력포트1(P1)로 신호를 보내고, 가속관(406)의 내부를 통과한 후 전력포트2(P2)를 통해 나오는 신호를 측정함으로써, 임의의 기울기를 갖는 두점 사이의 제 1 S21 파라미터와 제 2 S21 파라미터를 각각 측정한다(단계 504). 여기에서, 가속관(406)의 공진 주파수와 동일한 주파수의 신호를 가속관(406)의 내부로 보낼 때 신호 감쇄가 가장 적기 때문에 S21 파라미터가 가장 크게 측정될 수 있다.
다음에, 기울기 계산부(410)에서는 전술한 수학식 1에서와 같이 파라미터 측정부(408)를 통해 각각 측정된 제 1 S21 파라미터와 제 2 S21 파라미터 사이의 기울기를 주파수-S21 파라미터 좌표 상에서 계산한다(단계 506).
이후, 주파수 계산부(412)에서는 기울기 계산부(410)를 통해 계산된 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 공진 주파수를 계산하고, 이 계산된 공진 주파수를 도시 생략된 고주파 가속기 제어장치 측으로 전달한다(단계 508).
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
402 : 타이밍부
404 : 고주파 발생부
406 : 가속관
408 : 파라미터 측정부
410 : 기울기 계산부412 : 주파수 계산부

Claims (4)

  1. 펄스형의 고주파 가속기의 공진 주파수를 측정하는 방법으로서,
    상기 고주파 가속기의 가속관에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 고주파가 제 1 주파수일 때의 제 1 S21 파라미터와 고주파가 제 2 주파수일 때의 제 2 S21 파라미터를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 제 1 S21 파라미터 값과 제 2 S21 파라미터 값 사이의 기울기를 주파수-S21 파라미터 좌표 상에서 계산하는 단계와,
    상기 계산된 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 상기 공진 주파수를 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 S21 파라미터 및 상기 제 2 S21 파라미터는,
    상기 가속관의 전력포트 1에 인가한 제 1 신호와 상기 제 1 신호가 상기 가속관의 내부를 통과해 전력포트 2로 돌아오는 제 2 신호 간의 크기 비율을 나타내는
    고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기울기는,
    상기 가속관의 공진 주파수가 상기 고주파 펄스의 주파수보다 낮아지면 줄어드는 방향으로 수렴되고, 상기 가속관의 공진 주파수가 상기 고주파 펄스의 주파수보다 높아지면 커지는 방향으로 수렴되는
    고주파 가속기의 공진 주파수 측정 방법.
  3. 펄스형의 고주파 가속기의 공진 주파수를 측정하는 장치로서,
    고주파 펄스를 생성하여 상기 고주파 가속기의 가속관에 인가하는 고주파 발생부와,
    상기 가속관에 인가되는 고주파 펄스의 고주파 비운전 구간에서 고주파가 제 1 주파수일 때의 제 1 S21 파라미터와 고주파가 제 2 주파수일 때의 제 2 S21 파라미터를 측정하는 파라미터 측정부와,
    상기 측정된 제 1 S21 파라미터 값과 상기 제 2 S21 파라미터 값 사이의 기울기를 주파수-S21 파라미터 좌표 상에서 계산하는 기울기 계산부와,
    계산된 상기 기울기에 대응되는 기 설정된 함수 값으로 상기 공진 주파수를 계산하는 주파수 계산부를 포함하며,
    상기 제 1 S21 파라미터 및 상기 제 2 S21 파라미터는,
    상기 가속관의 전력포트 1에 인가한 제 1 신호와 상기 제 1 신호가 상기 가속관의 내부를 통과해 전력포트 2로 돌아오는 제 2 신호 간의 크기 비율을 나타내는
    고주파 가속기의 공진 주파수 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고주파 발생부의 작동시간과 상기 파라미터 측정부의 작동시간이 겹치지 않도록 동작시간을 조절하는 타이밍부를 더 포함하는
    고주파 가속기의 공진 주파수 측정 장치.
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Citations (6)

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