KR102204608B1 - 초전도 자석의 냉각을 유지하기 위한 극저온 용기 및 이의 설계 방법 - Google Patents

Abstract

극저온 용기 및 극저온 용기의 설계방법이 개시된다. 개시된 극저온 용기는 헬륨 증발을 통하여 유지되는 제1 작동 온도에서 액체 헬륨 조를 보유 및 지지하는 제1 용기, 상기 제1 용기 및 제2 용기를 수용하는 실온 진공 용기, 상기 제2 용기로서, 지지대(support)를 통하여 상기 진공 용기에 대하여 고정되도록 설치되며, 상기 제1 용기의 저면 및 측면을 포위하여 열 차폐하는 복사 실드 및 상기 복사 실드로부터 연장되고 질소 증발을 통하여 유지되는 제2 작동 온도에서 액체 질소 조를 보유하는, 상기 제2 용기를 포함하고, 상기 초전도 자석의 적어도 일부는 상기 액체 헬륨 조에 잠기고, 상기 제1 용기는 상기 실온 진공 용기의 일측을 통하여 도입되는 상기 초전도 자석의 전류 도입선이 상기 제1 용기의 내부를 통과하여 상기 초전도 자석에 전기적으로 연결되도록 상기 실온 진공 용기의 일측으로부터 상기 액체 헬륨 조로 연장되는 벽을 포함하고, 상기 제1 용기의 내부에 적어도 2개의 높이 각각에 복사 배플들(radiation baffles)이 설치된다.

Description

초전도 자석의 냉각을 유지하기 위한 극저온 용기 및 이의 설계 방법{CRYOSTAT FOR MAINTAINING COOLING OF SUPERCONDUCTING MAGNETS AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}

아래의 설명은 초전도 자석을 냉각시켜 극저온 상태를 유지하기 위한 극저온 용기 및 이를 설계하는 방법에 연관된다. 보다 구체적으로, 액체 헬륨 조 및 액체 질소 조를 포함하는 극저온 용기 및 이를 최적화 설계하는 방법에 연관된다.

초전도 자석은 극저온에서 동작하며 초전도 코일의 동작 환경을 조성하기 위해 액체 헬륨과 같은 냉각 용매가 이용된다. 헬륨의 끓는 점은 4.2K 정도로 헬륨은 4.2K보다 낮은 극저온에서만 액체 상태를 유지한다.

초전도 자석을 냉각시키기 위해서 액체 헬륨과 초전도 자석을 함께 수용하는 극저온 냉각 용기(cryostat)이 이용된다. 극저온 냉각 용기 안에 액체 헬륨과 초전도 자석이 함께 수용되면, 액체 헬륨과 초전도 자석 사이의 열교환에 의해 초전도 자석이 극저온으로 냉각된다. 이 과정에서 온도가 높아진 액체 헬륨은 기화되어 기체 헬륨으로 변환되어 버린다.

액체 헬륨은 그 제조가 어렵기 때문에 매우 비싼 냉각 용매에 해당한다. 현재 액체 헬륨의 거래 가격은 리터당 4만원 내지 5만원 정도로 다른 냉각 용매에 비해 상당히 고가에 해당한다.

극저온 냉각 용기가 배치되는 실험실은 보통 실온(room temperature) 환경에 해당하므로 극저온 냉각 용기 외부로부터 내부로 열전달이 일어날 수밖에 없다. 또한, 액체 헬륨과 접촉하는 초전도 자석은 전류 도입선을 통해 외부와 연결되며, 전류 도입선을 통해서도 전도열이 전달될 수 있다. 따라서, 액체 헬륨은 복사열과 전도열에 의해서 온도가 높아질 수 있으며 이로 인해 액체 헬륨이 기화된다.

액체 헬륨의 기화량이 많아지면 액체 헬륨을 구입하는데 필요한 비용이 더 많이 소모된다. 따라서, 극저온 냉각 용기에서 액체 헬륨으로 전달되는 열 전달량을 줄이는 것이 중요한 연구 과제로 인식되고 있다.

미국 등록특허 제7,140,190호

아래의 설명은 초전도 자석을 냉각시켜 극저온 상태를 유지하기 위한 극저온 용기 및 이를 설계하는 방법이 개시된다.

일 측면에 따르면, 초전도 자석의 냉각을 유지하기 위한 극저온 용기가 개시된다. 개시된 극저온 용기는 헬륨 증발을 통하여 유지되는 제1 작동 온도에서 액체 헬륨 조를 보유 및 지지하는 제1 용기, 상기 제1 용기 및 제2 용기를 수용하는 실온 진공 용기, 상기 제2 용기로서, 지지대(support)를 통하여 상기 진공 용기에 대하여 고정되도록 설치되며, 상기 제1 용기의 저면 및 측면을 포위하여 열 차폐하는 복사 실드 및 상기 복사 실드로부터 연장되고 질소 증발을 통하여 유지되는 제2 작동 온도에서 액체 질소 조를 보유하는, 상기 제2 용기를 포함하고, 상기 초전도 자석의 적어도 일부는 상기 액체 헬륨 조에 잠기고, 상기 제1 용기는 상기 실온 진공 용기의 일측을 통하여 도입되는 상기 초전도 자석의 전류 도입선이 상기 제1 용기의 내부를 통과하여 상기 초전도 자석에 전기적으로 연결되도록 상기 실온 진공 용기의 일측으로부터 상기 액체 헬륨 조로 연장되는 벽을 포함하고, 상기 제1 용기의 내부에 적어도 2개의 높이 각각에 복사 배플들(radiation baffles)이 설치된다.

상기 벽은, 소정 열전도도 기준보다 낮은 열전도도를 가지는 비금속재료로 구성될 수 있다.

상기 벽은, 상기 벽의 길이방향 단면(longitudinal cross section)에서 나타나는 열전도 길이가 소정 길이 기준보다 길도록 배치, 구조화 및 치수결정될 수 있다.

상기 벽은 비금속재료를 포함하고,

상기 벽과 제1 금속재료를 포함하는 상기 실온 진공 용기의 일측 사이 및 상기 벽과 제2 금속재료를 포함하는 상기 액체 헬륨 조 사이 중 적어도 하나를 접합하는 본딩 재(bonding 材)는, 상기 제1 금속재료의 열팽창률 및 제2 금속재료의 열팽창률 중 적어도 하나 및 상기 비금속재료의 열팽창률 각각으로부터 소정 편차 이내의 열팽창률을 가지도록 선택될 수 있다.

상기 극저온 용기는, 상기 액체 질소 조와 상기 벽의 외부를 열적으로 연결하는 써멀 링크(thermal link)를 더 포함하고,

상기 써멀 링크가 상기 벽의 외부에 연결되는 위치는, 상기 벽의 열 구배에 기초하여 상기 벽의 열전도량이 최소화되도록 결정될 수 있다.

상기 써멀 링크는 미리 정해진 무게를 지니고, 상기 써멀 링크의 굵기 및 길이는, 상기 써멀 링크의 양단의 목표로 된 온도차에 기초하여 결정될 수 있다.

상기 복사 배플들의 개수는, 상기 액체 헬륨 조에 담긴 액체 헬륨의 표면으로 전달되는 복사열 및 기체 열전도량의 감소와 상기 복사 배플들의 총 무게 증가로 인한 상기 제1 용기의 지지 구조체의 무게 증가에 따라 발생되는 열전도량 증가 사이의 최적화를 통하여 결정될 수 있다.

상기 지지대의 단면적은, 상기 복사 실드 및 상기 액체 질소 조를 포함하는 상기 제2 용기의 무게를 지탱하는 범위에서 결정될 수 있다.

다른 측면에 있어서, 초전도 자석의 냉각을 유지하기 위한 극저온 용기를 설계하는 방법이 개시된다. 상기 극저온 용기는, 헬륨 증발을 통하여 유지되는 제1 작동 온도에서 액체 헬륨 조를 보유 및 지지하는 제1 용기; 상기 제1 용기 및 제2 용기를 수용하는 실온 진공 용기; 상기 제2 용기로서, 지지대(support)를 통하여 상기 진공 용기에 대하여 고정되도록 설치되며, 상기 제1 용기의 저면 및 측면을 포위하여 열 차폐하는 복사 실드 및 상기 복사 실드로부터 연장되고 질소 증발을 통하여 유지되는 제2 작동 온도에서 액체 질소 조를 보유하는, 상기 제2 용기를 포함하고, 상기 초전도 자석의 적어도 일부는 상기 액체 헬륨 조에 잠기고, 상기 제1 용기는 상기 실온 진공 용기의 일측을 통하여 도입되는 상기 초전도 자석의 전류 도입선이 상기 제1 용기의 내부를 통과하여 상기 초전도 자석에 전기적으로 연결되도록 상기 실온 진공 용기의 일측으로부터 상기 액체 헬륨 조로 연장되는 벽을 포함하고, 상기 제1 용기의 내부에 적어도 2개의 높이 각각에 복사 배플들(radiation baffles)이 설치된다. 상기 방법은, 상기 액체 질소 조 및 상기 액체 헬륨 조에 대한 적어도 하나의 열침입 요소로 인하여 상기 액체 질소 조 및 상기 액체 헬륨 조 중 적어도 하나에 침입하는 열량을 최소화함으로써 상기 액체 헬륨 조에 적재된 액체 헬륨의 증발율이 목표치 이하가 되도록 한다.

상기 방법은, 상기 실온 진공 용기, 상기 제1 용기 및 상기 제2 용기인 용기들 각각에 대하여, 상기 용기들의 형상을 설정하는 단계; 상기 제1 용기에 담기는 액체 헬륨 및 상기 제2 용기에 담기는 액체 질소의 부피를 계산하는 단계; 상기 용기들에 가해지는 열부하를 계산하는 단계; (i) 상기 제1 용기로부터 증발하는 액체 헬륨의 증발량, 또는 (ii) 상기 액체 헬륨의 증발량 및 상기 제2 용기로부터 증발하는 액체 질소의 증발량을 계산하는 단계; 상기 용기들의 상세 치수 및 재질을 결정하는 단계; 및 상기 용기들을 3차원 모델링하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 용기들 중 적어도 하나가 미리 정해진 요구 사양에 미달하면, 상기 용기의 형상을 설정하는 단계부터 다시 수행될 수 있다.

상기 벽은, 소정 열전도도 기준보다 낮은 열전도도를 가지는 비금속재료로 구성될 수 있다.

상기 벽은, 상기 벽의 길이방향 단면(longitudinal cross section)에서 나타나는 열전도 길이가 소정 길이 기준보다 길도록 배치, 구조화 및 치수결정될 수 있다.

상기 벽은 비금속재료를 포함하고, 상기 벽과 제1 금속재료를 포함하는 상기 실온 진공 용기의 일측 사이 및 상기 벽과 제2 금속재료를 포함하는 상기 액체 헬륨 조 사이 중 적어도 하나를 접합하는 본딩 재(bonding 材)는, 상기 제1 금속재료의 열팽창률 및 제2 금속재료의 열팽창률 중 적어도 하나 및 상기 비금속재료의 열팽창률 각각으로부터 소정 편차 이내의 열팽창률을 가지도록 선택될 수 있다.

상기 방법은 상기 극저온 용기에, 상기 액체 질소 조와 상기 벽의 외부를 열적으로 연결하는 써멀 링크(thermal link)를 더 도입하고, 상기 써멀 링크가 상기 벽의 외부에 연결되는 위치는, 상기 벽의 열 구배에 기초하여 상기 벽의 열전도량이 최소화되도록 결정될 수 있다.

상기 써멀 링크는 미리 정해진 무게를 지니고, 상기 써멀 링크의 굵기 및 길이는, 상기 써멀 링크의 양단의 목표로 된 온도차에 기초하여 결정될 수 있다.

상기 복사 배플들은 등간격으로 설치되고, 상기 복사 배플들의 개수는,

상기 액체 헬륨 조에 담긴 액체 헬륨의 표면으로 전달되는 복사열 및 기체 열전도량의 감소와 상기 복사 배플들의 총 무게 증가로 인한 상기 제1 용기의 지지 구조체의 무게 증가에 따라 발생되는 열전도량 증가 사이의 최적화를 통하여 결정될 수 있다.

상기 지지대의 단면적은, 상기 복사 실드 및 상기 액체 질소 조를 포함하는 상기 제2 용기의 무게를 지탱하는 범위에서 결정될 수 있다.

실시예에 따르면 극저온 용기가 실온 밀폐 용기, 제1 용기 및 제2 용기를 포함하기 때문에 액체 헬륨의 증발률이 줄어들 수 있다. 또한, 본딩 재에 의해 극저온 용기의 진공 상태가 유지될 수 있다. 써멀 링크, 복사 배플 등에 의해 액체 헬륨에 전달되는 전도열과 복사열이 줄어들 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 극저온 용기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 복사 배플을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 복사 배플의 개수와 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플(150)의 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 벽의 길이방향 단면을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본딩 재에 의해 접합되는 영역을 나타낸 도면이다.
도 6은 서로 다른 본딩 소재를 사용한 경우, 극저온 용기 내부의 진공도 차이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 액체 질소 조와 벽 사이를 연결하는 써멀 링크(thermal link)를 나타낸 도면이다.
도 8은 써멀 링크의 규격에 따른 써멀 링크 양단의 온도차를 나타낸 그래프들이다.
도 9는 컴퓨팅 장치의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 10은 컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 극저온 용기의 설계 방법을 나타낸 순서도이다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 극저온 용기를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 극저온 용기는 실온 진공 용기(110)와, 실온 진공 용기(110)에 수용되는 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)를 포함할 수 있다. 실온 진공 용기(110)는 제1 금속을 포함할 수 있다. 실온 진공 용기(110)는 스테인리스 강 소재를 포함할 수 있다. 예시적으로 실온 진공 용기(110)는 오토나이트계 스테인리스 강인 SUS304 및 SUS316 중 어느 하나일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 실온 진공 용기(110)의 내부는 실질적으로 진공 상태로 유지될 수 있다. 여기서 진공 상태란 이상적인 진공 상태를 의미하는 것은 아니며, 진공에 가까울 만큼 압력이 매우 낮은 상태일 수 있다. 실온 진공 용기(110)는 실험실에 배치될 수 있다. 따라서, 실온 진공 용기(110)의 외부는 실온(room temperature)과 유사한 온도로 유지될 수 있다. 따라서, 실온 진공 용기(110)의 외부로부터 내부로 복사열이 전달될 수 있다.

제1 용기(120)는 액체 헬륨 조(122) 및 벽(124)을 포함할 수 있다.

액체 헬륨 조(122)는 제2 금속을 포함할 수 있다. 액체 헬륨 조(122)는 스테인리스 강 소재를 포함할 수 있다. 예시적으로 액체 헬륨 조(122)는 오토나이트계 스테인리스 강인 SUS304 및 SUS316 중 어느 하나일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.

벽(124)은 실온 진공 용기(110)의 일측으로부터 액체 헬륨 조(122)로 연장될 수 있다. 따라서 액체 헬륨 조(122)는 벽(124)에 의해 지지될 수 있다. 액체 헬륨 조(122)가 벽(124)에 의해 지지되기 때문에 액체 헬륨 조(122)는 제2 용기(130)의 바닥과 이격되어 있을 수 있다. 따라서, 제2 용기(130)의 바닥으로부터 액체 헬륨 조(122)에 열이 전달되는 양을 줄일 수 있다.

액체 헬륨 조(122)에는 액체 헬륨과 초전도 자석(140)이 수용될 수 있다. 액체 헬륨 조(122)에 저장된 액체 헬륨은 4.2K 이하의 온도에서 존재할 수 있다. 액체 헬륨 조(122)에 저장된 액체 헬륨 중 일부는 증발될 수 있다. 따라서 극저온 용기 내부에서 제1 용기(120)의 내부가 가장 낮은 온도로 유지될 수 있다. 제1 용기(120)는 헬륨 증발을 통해 유지되는 제1 작동 온도에서 액체 헬륨 조(122)를 보유 및 지지할 수 있다. 제1 용기(120)의 제1 작동 온도는 극저온 용기의 다른 영역의 작동 온도보다 낮을 수 있다.

초전도 자석(140)의 적어도 일부는 액체 헬륨 조(122)에 잠기어서 액체 헬륨과 접촉할 수 있다. 초전도 자석(140)은 액체 헬륨에 의해 냉각될 수 있다.

제1 용기(120)의 벽(124)은 속이 빈 실린더 형태를 가질 수 있다. 벽(124)의 내부로 실온 진공 용기(110)의 일측을 통하여 도입되는 전류 도입선(142)이 통과할 수 있다. 전류 도입선(142)은 초전도 자석(140)과 연결될 수 있다. 초전도 자석(140)은 전류 도입선(142)을 통해 실온 진공 용기(110) 외부의 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.

제2 용기(130)는 제1 용기(120)의 저면 및 측면을 포위하여 열 차폐하는 복사 실드(134, radiation shield) 및 복사 실드(134)와 연결된 액체 질소 조(132)를 포함할 수 있다. 액체 질소 조(132)는 지지대(160, support)를 통해 실온 진공 용기(110)에 대해 고정되도록 설치될 수 있다. 지지대(160)에 의해 제2 용기(130)의 복사 실드(134)는 실온 진공 용기(110)의 바닥과 이격되어 있을 수 있다. 지지대(160)의 단면적이 클수록 지지대(160)를 통해 전달되는 전도열의 양이 많아질 수 있다. 반면, 지지대(160)의 단면적이 너무 작아지면 제2 용기(130)가 지지대(160)에 의해 지지되지 않을 수 있다. 따라서, 지지대(160)의 단면적은 복사 실드(134) 및 액체 질소 조(132)를 포함하는 제2 용기(130)의 무게를 지탱하는 범위에서 결정될 수 있다. 지지대(160)의 단면적은 지지대(160)의 허용 중량이 제2 용기(130)의 무게보다 큰 범위 내에서 결정되되, 가급적 작게 결정될 수 있다. 예를 들어, 지지대(160)의 단면적은 지지대(160)의 허용 중량이 제2 용기(130)의 무게의 소정 배수에 해당하도록 결정될 수 있다.

따라서 실온 진공 용기(110)의 바닥으로부터 제2 용기(130)에 열이 전달되는 양을 줄일 수 있다.

액체 질소 조(132)는 복사 실드(134)와 열적으로 연결되어 있을 수 있다. 액체 질소 조(132) 내에는 액체 질소가 수용될 수 있다. 질소의 끓는 점은 대략 77.36K으로 액체 질소 조(132) 및 복사 실드(134)를 포함하는 제2 용기(130)는 액체 질소의 증발을 통해 유지되는 제2 작동 온도로 작동될 수 있다. 따라서, 제2 용기(130)와 제1 용기(120) 사이의 온도는 실온 진공 용기(110)와 제2 용기(130) 사이의 온도보다 낮게 유지될 수 있다. 액체 질소 조(132)를 포함하는 제2 용기(130)에 의해 제1 용기(120)의 외부가 낮은 온도로 유지될 수 있다. 액체 질소는 액체 헬륨에 비해 가격이 저렴할 수 있다. 현재 시세로 액체 질소는 리터당 500원에 불과한 반면, 액체 헬륨은 리터당 4만원 내지 5만원이다. 도 1에서 나타낸 바와 같이 액체 질소 조(132)에 의해 냉각되는 제2 용기(130)가 제1 용기(120)를 열적으로 차폐함으로써 제1 용기(120)에 전달되는 열의 양을 줄일 수 있다. 즉, 실시예에 따르면 상대적으로 값이 싼 액체 질소에 의해 냉각되는 제2 용기(130)를 이용함으로써 제1 용기(120)에서 증발되는 액체 헬륨의 양을 줄일 수 있다.

제1 용기(120)의 내부에는 적어도 둘 이상의 복사 배플(150, radiation baffle)이 서로 다른 높이에 배치될 수 있다. 복사 배플(150)들 중 가장 아래에 위치한 복사 배플(150)의 위치는 액체 헬륨의 저장 높이에 따라 달라질 수 있다. 가장 아래에 위치한 복사 배플(150)은 액체 헬륨의 표면과 접촉하거나 액체 헬륨의 표면으로부터 이격되어 있을 수 있다.

도 2는 복사 배플(150)을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 용기(120)의 내부에 복사 배플(150)들이 배치될 수 있다. 복사 배플(150)은 초전도 자석(140)을 연결하는 지지관에 설치될 수 있다. 복사 배플(150)은 링 형상을 가질 수 있다. 복사 배플(150)들은 서로 다른 높이에 배치될 수 있다. 복사 배플(150)들 사이의 간격은 일정할 수도 있고, 불규칙적일 수도 있다. 제1 용기(120)의 상부로부터 액체 헬륨 조(122)에 전달되는 열을 차폐할 수 있다. 따라서, 액체 헬륨 조(122)에서 증발되는 헬륨의 양을 줄일 수 있다. 복사 배플(150)들의 개수는 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플(150)의 온도가 목표 온도에 도달하는 조건을 만족하도록 결정될 수 있다.

도 3은 복사 배플(150)의 개수와 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플(150)의 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3에서 가로축은 복사 배플(150)의 개수를 나타내며, 세로축은 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플(150)의 온도를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 복사 배플(150)의 개수가 증가할수록 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플(150)의 온도가 감소할 수 있다. 즉, 복사 배플(150)의 개수가 늘어날수록 열 차폐 효과가 우수해짐으로써 액체 헬륨의 증발량이 감소할 수 있다. 하지만, 복사 배플(150)의 개수를 무한정 늘리면 극저온 용기의 무게와 제작 비용이 증가한다. 도 3에서 나타낸 바와 같이 복사 배플(150)의 개수가 증가할수록 복사 배플(150)의 개수 증가에 따른 마지막 복사 배플(150)의 온도 감소 폭이 줄어들 수 있다. 예시적으로 복사 배플(150)의 개수가 4개를 넘어가면서부터 복사 배플(150)의 개수 증가에 따른 마지막 복사 배플(150)의 온도 감소 폭이 현저히 줄어들 수 있다. 따라서, 배치되는 복사 배플(150)의 개수는 대략 4개 내지 7개의 범위 안에서 결정될 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 극저온 용기의 용적이나 디자인이 달라짐에 따라 복사 배플(150)의 개수는 다르게 설정될 수도 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제1 용기(120)의 벽(124)은 비금속 소재를 포함할 수 있다. 제1 용기(120)의 벽(124)이 열전도율이 낮은 비금속 소재를 포함하면, 벽(124)을 통해 액체 헬륨 조(122)에 전달되는 전도열을 감소시킬 수 있다. 벽(124)의 소재는 소정 열전도도 기준(예를 들어, 10 W/m K)보다 낮은 열전도도를 가지는 소재일 수 있다. 예시적으로, 벽(124)은 섬유강화플라스틱(glass fiber reinforced polymer, 이하 GFRP)를 포함할 수 있다. GFRP는 열전도율이 낮으면서 상술한 SUS304 및 SUS316과 열팽창 계수가 유사하여 극저온 용기의 온도가 변하더라도 벽(124)과 액체 헬륨 조(122) 사이의 간극 및 벽(124)과 실온 진공 용기(110) 사이의 간극이 크게 변하지 않을 수 있다.

벽(124)을 통해 액체 헬륨 조(122)에 전달되는 전도열을 감소시키기 위해 벽(124)은, 길이 방향 단면(longitudinal cross section)에서 나타나는 열전도 길이가 소정 길이 기준보다 길도록 배치, 구조화 및 치수결정될 수 있다.

도 4는 벽(124)의 길이방향 단면을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 벽(124)은 길이방향으로 배치된 제1 벽(124a), 제2 벽(124b) 및 제3 벽(124c)을 포함할 수 있다. 도 4에서는 벽(124)이 세 개의 요소들을 포함하는 경우를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 벽(124)은 길이방향으로 배치된 5개 이상의 벽들을 포함할 수도 있다. 도 4에서 나타낸 바와 같이 벽(124)이 길이방향으로 배치된 복수 개의 벽들로 이어지면, 벽(124)의 양 끝단 사이의 열전도 길이가 길어질 수 있다. 벽(124)의 양 끝단 사이의 열전도 길이가 길어짐에 따라 벽(124)의 상부 끝단으로부터 액체 헬륨 조(122)에 전달되는 전도열의 양이 줄어들 수 있다.

제1 벽(124a) 및 제3 벽(124c)의 길이는 제2 벽(124b)의 길이보다 더 클 수 있다. 따라서, 벽(124)의 온도 변화에 의해 제1 내지 제3 벽(124a, 124b, 124c)이 수축 또는 팽창하더라도 제1 내지 제3 벽(124a, 124b, 124c) 모두 파손되지 않고 안정성을 유지할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 벽(124)과 실온 진공 용기(110)의 개구부 사이는 서로 이격되어 있을 수 있다. 또한, 벽(124)과 액체 헬륨 조(122)도 서로 재질이 다르므로 접합이 필요할 수 있다. 따라서, 벽(124)과 실온 진공 용기(110)의 일측 사이 및 벽(124)과 액체 헬륨 조(122) 사이 중 적어도 어느 한 곳이 접합될 필요가 있다.

도 5는 본딩 재(180)에 의해 접합되는 영역을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본딩 재(180)는 실온 진공 용기(110)의 일측과 벽(124) 사이를 접합할 수 있다. 본딩 재(180)에 의해 실온 진공 용기(110)와 벽(124) 사이가 접합되므로서 외부 공기의 대류에 의한 열 전달을 방지하고 실온 진공 용기(110) 내부를 진공에 가까운 상태로 유지할 수 있다. 본딩 재(180)는 벽(124)과 액체 헬륨 조(122) 사이를 접합할 수 있다. 본딩 재(180)에 의해 벽(124)과 액체 헬륨 조(122)가 접합되어 액체 헬륨 조(122)가 벽(124)에 의해 지지되며, 제1 용기(120) 내부에 열 침입이 일어나는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이 온도 변화에 의해 벽(124), 실온 진공 용기(110), 액체 헬륨 조(122) 각각이 팽창 또는 수축할 수 있다. 그런데 본딩 재(180)의 열팽창률이 벽(124), 실온 진공 용기(110) 및 액체 헬륨 조(122)의 열팽창률과 차이가 많이 날 경우, 온도가 변하는 과정에서 본딩 재(180)가 다른 부재와 이격될 수 있다. 이로 인해 본딩 재(180)에 의한 접합이 깨질 수 있다.

액체 헬륨 조(122) 및 실온 진공 용기(110)는 SUS 304 및 SUS 316 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 액체 헬륨 조(122) 및 실온 진공 용기(110)는 금속 소재를 포함하는 반면, 벽(124)은 GFRP와 같은 비금속 소재를 포함할 수 있다. 따라서, 액체 헬륨 조(122)와 벽(124) 사이는 용접으로 접합되지 않을 수 있다. 마찬가지로 실온 진공 용기(110)와 벽(124) 사이는 용접으로 접합되지 않을 수 있다.

본딩 재(180)는 에폭시 계열의 소재를 포함할 수 있다. 본딩 재(180)의 소재는 실온 진공 용기(110)에 포함된 제1 금속 재료(예를 들어, SUS 304)의 열 팽창률, 액체 헬륨 조(122)에 포함된 제2 금속 재료(예를 들어, SUS 316) 및 벽(124)에 포함된 비금속재료(예를 들어, GFRP)의 열팽창률 각각으로부터 소정 편차 이내의 열팽창률을 가지도록 선택될 수 있다.

표 1은 SUS 304, SUS 316, GFRP의 열팽창률 계수를 예시적으로 나타낸 표이다.

표 1을 참조하면, SUS 304, SUS 316, GFRP 모두 대략

내지

의 열팽창률 계수를 가질 수 있다. 표 1에서 나타낸 열팽창률 계수는 대략 -145

내지 20

범위 안에서 유효할 수 있다. -145

내지 20

범위 안에서 SUS 304 및 SUS 316의 열팽창 계수는 대략

이며, -145

내지 20

범위 안에서 GFRP의 경우 대략

일 수 있다.

따라서, 본딩 재(180)의 소재는 -145

내지 20

범위에서 열팽창률 계수가

내지

의 범위와 근접한 값을 가지는 소재로 선택될 수 있다. 예시적으로 본딩 소재는 열팽창 계수가 SUS 304의 열팽창 계수의 1/2배 내지 2배 사이의 값을 가지는 소재로 결정될 수 있다.

도 6은 서로 다른 본딩 소재를 사용한 경우, 극저온 용기 내부의 진공도 차이를 나타낸 그래프이다.

도 6의 (a)는 본딩 소재가 STYCAST 1266(열팽창률 계수가 -145

내지 20

범위에서 대략

)을 포함하는 경우 실험 결과를 나타내고, 도 6의 (b)는 본딩 소재가 STYCAST 2850(열팽창률 계수가 -145

내지 20

범위에서 대략

)을 포함하는 경우 실험 결과를 나타낸다. 도 6의 실험에서는 제2 용기(130)에 액체 질소를 주입하여 온도를 극저온 용기의 온도를 변화시키면서 액체 질소의 주입 시간에 따라 극저온 용기 내부의 압력 변화를 측정하였다.

도 6을 참조하면, 액체 질소의 주입 시간이 증가함에 따라 소재간 열팽창률 차이로 인해 본딩 재와 다른 부재 사이의 간격이 이격되어 진공이 깨어질 수 있다. 도 6의 (a)를 참조하면, 본딩 재(180)가 SUS 304, SUS 316, GFRP에 비해 열팽창계수가 2배이상 큰 STYCAST 1266을 포함하면 액체 질소가 주입됨에 따라 극저온 용기 내부의 진공도가 깨져서 압력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 본딩 재(180)가 SUS 304, SUS 316, GFRP에 비해 열팽창계수가 2배보다 작은 STYCAST 2850을 포함하면 액체 질소가 주입되더라도 극저온 용기 내부의 진공도가 유지되어 압력이 계속 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 액체 질소 조(132)와 벽(124) 사이를 연결하는 써멀 링크(170, thermal link)를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 액체 질소 조(132)와 벽(124)의 외부가 써멀 링크(170, thermal link)를 통해 열적으로 연결될 수 있다. 도 7에서는 좌측의 써멀 링크(170)가 벽(124)의 외부에 연결되는 높이와 우측의 써멀 링크(170)가 벽(124)의 외부에 연결되는 높이를 같게 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 우측의 써멀 링크와 좌측의 써멀 링크는 벽(124)의 외부에서 서로 다른 높이에 연결될 수도 있다.

써멀 링크(170)가 벽(124)의 외부에 연결되는 위치는 벽(124)의 열 구배에 기초하여 벽(124)의 열전도량이 최소화되도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 써멀 링크(170)는 벽(124)의 상단에 연결될 수 있다. 써멀 링크(170)가 없는 경우, 벽(124)의 상부 일단은 상온에 노출되고, 벽(124)의 하부 일단은 액체 헬륨 조(122)에 연결될 수 있다. 이 경우, 벽(124)의 상부 일단은 대략 300K이고 벽(124)의 하부 일단은 대략 4K으로 벽(124)의 양단 사이의 온도차이가 커서 벽(124)을 통해 전달되는 전도열의 크기가 클 수 있다. 반면, 벽(124)의 상부 일단에 써멀 링크(170)를 연결하면, 써멀 링크(170)를 통해 벽(124)의 상부 일단과 액체 질소 조(132)가 열적으로 서로 연결될 수 있다. 벽(124)의 상부 일단은 대략 77K 정도로 유지될 수 있다. 따라서, 벽(124)의 상부 일단과 하부 일단 사이의 온도차이가 줄어들고 벽(124)을 통해 전달되는 전도열의 크기를 줄일 수 있다.

써멀 링크(170)의 길이와 두께 또는 굵기에 따라 써멀 링크(170) 양단의 온도차이가 달라질 수 있다. 써멀 링크(170)의 무게가 미리 정해진 경우, 써멀 링크(170)의 양단(벽(124)의 외부와 액체 질소 조(132)) 사이의 목표 온도차를 고려하여 써멀 링크(170)의 굵기와 길이가 조정될 수 있다.

써멀 링크(170)의 길이는 벽(124)의 써멀 링크(170) 연결부분과 액체 질소 조(132)의 연결부분 사이의 거리보다 길 수 있다. 써멀 링크(170)의 길이와 굵기(또는 두께)의 비율은 써멀 링크(170) 양단의 목표 온도차에 따라 달라질 수 있다.

도 8은 써멀 링크(170)의 규격에 따른 써멀 링크(170) 양단의 온도차를 나타낸 그래프들이다.

도 8의 (a)는 써멀 링크(170)의 두께 또는 굵기에 따른 써멀 링크(170) 양단의 온도차를 나타내고, 도 8의 (b)는 써멀 링크(170)의 길이에 따른 써멀 링크(170) 양단의 온도차를 나타내고, 도 8의 (c)는 써멀 링크(170)의 췌적(volume)에 따른 써멀 링크(170) 양단의 온도차를 나타낸다. 도 8의 (c)에서 붉은 색 그래프는 써멀 링크(170)의 길이에 따른 써멀 링크(170)의 양단의 온도차의 변화를 나타내고, 검은 색 그래프는 써멀 링크(170)의 두께 또는 굵기에 따른 써멀 링크(170)의 양단의 온도차의 변화를 나타내고, 푸른 색 그래프는 써멀 링크(170)의 굵기 또는 두께 및 길이에 의해 결정되는 췌적에 따른 써멀 링크(170)의 양단의 온도차의 변화를 나타낸다.

도 8의 (a)를 참조하면, 써멀 링크(170)의 두께 또는 굵기가 증가함에 따라 써멀 링크(170) 양단의 온도차가 줄어들 수 있다. 도 8의 (b)를 참조하면, 써멀 링크(170)의 길이가 증가함에 따라 써멀 링크(170) 양단의 온도차가 증가할 수 있다. 도 8의 (c)를 참조하면, 써멀 링크(170)의 췌적이 증가함에 따라 써멀 링크(170) 양단의 온도차가 감소하다가 다시 증가할 수 있다. 따라서, 써멀 링크(170)의 췌적은 써멀 링크(170) 양단의 온도차를 최소화하도록 결정될 수 있다. 다른 예로 써멀 링크(170)의 길이 또는 굵기에 대해 제한 조건(예를 들어, 써멀 링크(170)의 길이가 벽(124)과 액체 질소 조(132) 사이의 간격보다 클 것)이 있을 경우, 해당 제한 조건을 만족하는 췌적 범위에서 써멀 링크(170)의 양단의 온도차가 최소화되도록 써멀 링크(170)의 췌적이 결정될 수 있다.

이하에서는 상술한 극저온 용기의 설계 방법에 관하여 설명한다. 극저온 용기의 설계 방법은 컴퓨팅 장치에 의해 수행될 수 있다.

도 9는 컴퓨팅 장치의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 9를 참조하면, 실시 예에 따른 컴퓨팅 장치는, 통신부(210) 및 프로세서(220)를 포함하며, 상기 통신부(210)를 통하여 외부 컴퓨팅 장치(미도시)와 직간접적으로 통신할 수 있다.

구체적으로, 상기 컴퓨팅 장치는, 전형적인 컴퓨터 하드웨어(예컨대, 컴퓨터 프로세서, 메모리, 스토리지, 입력 장치 및 출력 장치, 기타 기존의 컴퓨팅 장치의 구성요소들을 포함할 수 있는 장치; 라우터, 스위치 등과 같은 전자 통신 장치; 네트워크 부착 스토리지(NAS; network-attached storage) 및 스토리지 영역 네트워크(SAN; storage area network)와 같은 전자 정보 스토리지 시스템)와 컴퓨터 소프트웨어(즉, 컴퓨팅 장치로 하여금 특정의 방식으로 기능하게 하는 명령어들)의 조합을 이용하여 원하는 시스템 성능을 달성하는 것일 수 있다.

이와 같은 컴퓨팅 장치의 통신부(210)는 연동되는 타 컴퓨팅 장치와 요청과 응답을 송수신할 수 있는바, 일 예시로서 그러한 요청과 응답은 동일한 TCP(transmission control protocol) 세션(session)에 의하여 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는바, 예컨대 UDP(user datagram protocol) 데이터그램(datagram)으로서 송수신될 수도 있을 것이다. 덧붙여, 넓은 의미에서 상기 통신부(210)는 명령어 또는 지시 등을 전달받기 위한 키보드, 마우스, 기타 외부 입력장치, 프린터, 디스플레이, 기타 외부 출력장치를 포함할 수 있다.

또한, 컴퓨팅 장치의 프로세서(220)는 MPU(micro processing unit), CPU(central processing unit), GPU(graphics processing unit) 또는 TPU(tensor processing unit), 캐시 메모리(cache memory), 데이터 버스(data bus) 등의 하드웨어 구성을 포함할 수 있다. 또한, 운영체제, 특정 목적을 수행하는 애플리케이션의 소프트웨어 구성을 더 포함할 수도 있다.

도 10은 컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 극저온 용기의 설계 방법을 나타낸 순서도이다. 도 10에서 나타낸 극저온 용기의 설계 방법은 예시적인 것에 불과하며 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 극저온 용기의 설계 방법은 도 9에서 나타낸 단계들 중 일부를 포함하지 않거나 다른 단계를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 10에서는 실온 밀폐 용기(110)의 형상이 미리 결정되어 실온 밀폐 용기(110)의 형상을 설정하는 단계는 생략되었지만, 실시예에 따라 실온 밀폐 용기(110)의 형상을 설정하는 단계가 더 추가될 수도 있다.

도 10을 참조하면, S112 단계 및 S114 단계에서 컴퓨팅 장치는 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)의 형상을 설정할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 사용자의 입력에 기초하여 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)의 형상과 위치 등을 설정할 수 있다.

S122 단계 및 S124 단계에서 컴퓨팅 장치는 설정된 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)의 형상에 기초하여 제1 용기(120)와 제2 용기(130)의 부피를 계산할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치는 액체 헬륨 조(122) 및 액체 질소 조(132)의 부피를 계산함으로써 액체 헬륨 조(122) 및 액체 질소 조(132)에 저장된 액체 헬륨과 액체 질소의 증발량 계산에 이용할 수 있다.

S132 단계 및 S134 단계에서 컴퓨팅 장치는 제1 용기(120) 및 제2 용기(130) 용기의 열부하를 계산할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)의 열부하를 계산함으로써 열량이 전달됨에 따라 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)의 온도가 얼마나 변하는지를 결정할 수 있다.

S142 단계 및 S144 단계에서 컴퓨팅 장치는 액체 헬륨 조(122)에 저장된 액체 헬륨의 증발율과 액체 질소 조(132)에 저장된 액체 질소의 증발율을 계산할 수 있다. 증발율은 시간당 액체의 증발량을 나타낼 수 있다. S150 단계에서 컴퓨팅 장치는 액체 헬륨 및 액체 질소 중 적어도 하나의 증발율에 기초하여 요구 냉각 성능이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치는 미리 정해진 양의 액체 헬륨으로 정해진 시간 이상 초전도 자석을 냉각시킬 수 있는지 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과 요구 냉각 성능이 만족되지 않는다고 판단한 경우, 컴퓨팅 장치는 다시 S112 단계 및 S114 단계를 수행할 수 있다. 요구 냉각 성능이 만족된다고 판단한 경우, 컴퓨팅 장치는 S162 단계를 수행할 수 있다.

S162 단계에서 컴퓨팅 장치는 실온 진공 용기(110), 제1 용기(120), 제2 용기(130)의 상세 치수(재질, 직경, 두께 등)를 결정할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 벽(124)의 길이방향 단면에서 나타나는 열전도 길이가 소정 길이보다 길도록 배치, 구조화 및 치수결정되게 할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 지지대(160)의 두께, 길이, 무게 등을 결정함에 있어서 지지대(160)가 제2 용기(130)의 무게를 지지하는 범위 안에서 열전도량이 최소가 되도록 결정할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 복사 배플(150)의 개수를 결정함에 있어서 복사 배플(150)에 의한 열 차폐 성능이 기준치 이상이 되도록 결정할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 써멀 링크(170)의 연결 위치와 써멀 링크(170)의 길이 및 두께 또는 굵기를 결정할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 써멀 링크(170) 양단의 목표 온도차를 고려하여 써멀 링크(170)의 길이 굵기를 결정할 수 있다.

S164 단계에서 컴퓨팅 장치는 이전 단계들에서 결정된 정보들에 기초하여 3D 모델링을 수행할 수 있다. S166 단계에서 컴퓨팅 장치는 극저온 용기의 부품들을 결합하여 통합 시험(integration check)를 실시하고 극저온 용기가 동작 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 통합 시험이 통과되지 않은 경우, 컴퓨팅 장치는 S162 단계를 다시 수행할 수 있다. 통합 시험이 통과된 경우, 컴퓨팅 장치는 S170 단계를 수행할 수 있다.

S170 단계에서 컴퓨팅 장치는 3D 모델에 기초하여 2D 도면을 작성할 수 있다. S180 단계에서 2D 도면에 기초하여 극저온 용기가 제작될 수 있다.

이상에서 도 1 내지 도 10을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 극저온 용기 및 극저온 용기의 설계 방법에 관하여 설명하였다. 상술한 실시예에 따르면 극저온 용기가 실온 밀폐 용기(110), 제1 용기(120) 및 제2 용기(130)를 포함하기 때문에 액체 헬륨의 증발률이 줄어들 수 있다. 또한, 본딩 재에 의해 극저온 용기의 진공 상태가 유지될 수 있다. 써멀 링크(170), 복사 배플(150) 등에 의해 액체 헬륨에 전달되는 전도열과 복사열이 줄어들 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 사람이라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허등록청구범위뿐만 아니라 이 특허등록청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

110: 실온 진공 용기
120: 제1 용기
122: 액체 헬륨 조
124: 벽
130: 제2 용기
132: 액체 질소 조
134: 복사 실드
150: 복사 배플
160: 지지대

Claims (18)

1. 초전도 자석의 냉각을 유지하기 위한 극저온 용기에 있어서,
   헬륨 증발을 통하여 유지되는 제1 작동 온도에서 액체 헬륨 조를 보유 및 지지하는 제1 용기;
   상기 제1 용기 및 제2 용기를 수용하는 실온 진공 용기; 및
   상기 제2 용기로서, 지지대(support)를 통하여 상기 실온 진공 용기에 대하여 고정되도록 설치되며, 상기 제1 용기의 저면 및 측면을 포위하여 열 차폐하는 복사 실드 및 상기 복사 실드로부터 연장되고 질소 증발을 통하여 유지되는 제2 작동 온도에서 액체 질소 조를 보유하는, 상기 제2 용기를 포함하고,
   상기 초전도 자석의 적어도 일부는 상기 액체 헬륨 조에 잠기고,
   상기 제1 용기는 상기 실온 진공 용기의 일측을 통하여 도입되는 상기 초전도 자석의 전류 도입선이 상기 제1 용기의 내부를 통과하여 상기 초전도 자석에 전기적으로 연결되도록 상기 실온 진공 용기의 일측으로부터 상기 액체 헬륨 조로 연장되는 벽을 포함하고,
   상기 제1 용기의 내부에 적어도 2개의 높이 각각에 복사 배플들(radiation baffles)이 설치되고,
   상기 벽은,
   상기 벽의 길이방향 단면(longitudinal cross section)에서 나타나는 열전도 길이가 소정 길이 기준보다 길도록 배치, 구조화 및 치수결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 벽은,
   소정 열전도도 기준보다 낮은 열전도도를 가지는 비금속재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 벽은 비금속재료를 포함하고,
   상기 벽과 제1 금속재료를 포함하는 상기 실온 진공 용기의 일측 사이 및 상기 벽과 제2 금속재료를 포함하는 상기 액체 헬륨 조 사이 중 적어도 하나를 접합하는 본딩 재(bonding 材)는, 상기 제1 금속재료의 열팽창률 및 제2 금속재료의 열팽창률 중 적어도 하나 및 상기 비금속재료의 열팽창률 각각으로부터 소정 편차 이내의 열팽창률을 가지도록 선택되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 극저온 용기는,
   상기 액체 질소 조와 상기 벽의 외부를 열적으로 연결하는 써멀 링크(thermal link)를 더 포함하고,
   상기 써멀 링크가 상기 벽의 외부에 연결되는 위치는,
   상기 벽의 열 구배에 기초하여 상기 벽의 열전도량이 최소화되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 써멀 링크는 미리 정해진 무게를 지니고,
   상기 써멀 링크의 굵기 및 길이는,
   상기 써멀 링크의 양단의 목표로 된 온도차에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 복사 배플들의 개수는,
   상기 액체 헬륨 조에 담긴 액체 헬륨의 표면으로 전달되는 복사열 및 기체 열전도량의 감소와 상기 복사 배플들의 총 무게 증가로 인한 상기 제1 용기의 지지 구조체의 무게 증가에 따라 발생되는 열전도량 증가를 고려하여 상기 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플의 온도가 미리 정해진 목표 온도에 도달하는 조건으로 결정되는 극저온 용기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 지지대의 단면적은,
   상기 복사 실드 및 상기 액체 질소 조를 포함하는 상기 제2 용기의 무게를 지탱하는 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기.
9. 초전도 자석의 냉각을 유지하기 위한 극저온 용기를 설계하는 방법에 있어서,
   상기 극저온 용기는,
   헬륨 증발을 통하여 유지되는 제1 작동 온도에서 액체 헬륨 조를 보유 및 지지하는 제1 용기; 상기 제1 용기 및 제2 용기를 수용하는 실온 진공 용기;
   상기 제2 용기로서, 지지대(support)를 통하여 상기 실온 진공 용기에 대하여 고정되도록 설치되며, 상기 제1 용기의 저면 및 측면을 포위하여 열 차폐하는 복사 실드 및 상기 복사 실드로부터 연장되고 질소 증발을 통하여 유지되는 제2 작동 온도에서 액체 질소 조를 보유하는, 상기 제2 용기를 포함하고, 상기 초전도 자석의 적어도 일부는 상기 액체 헬륨 조에 잠기고, 상기 제1 용기는 상기 실온 진공 용기의 일측을 통하여 도입되는 상기 초전도 자석의 전류 도입선이 상기 제1 용기의 내부를 통과하여 상기 초전도 자석에 전기적으로 연결되도록 상기 실온 진공 용기의 일측으로부터 상기 액체 헬륨 조로 연장되는 벽을 포함하고, 상기 제1 용기의 내부에 적어도 2개의 높이 각각에 복사 배플들(radiation baffles)이 설치되며,
   상기 방법은,
   상기 액체 질소 조 및 상기 액체 헬륨 조에 대한 적어도 하나의 열침입 요소로 인하여 상기 액체 질소 조 및 상기 액체 헬륨 조 중 적어도 하나에 침입하는 열량을 최소화함으로써 상기 액체 헬륨 조에 적재된 액체 헬륨의 증발율이 목표치 이하가 되도록 하며,
   상기 방법은
   상기 실온 진공 용기, 상기 제1 용기 및 상기 제2 용기인 용기들 각각에 대하여,
   상기 용기들의 형상을 설정하는 단계;
   상기 제1 용기에 담기는 액체 헬륨 및 상기 제2 용기에 담기는 액체 질소의 부피를 계산하는 단계;
   상기 용기들에 가해지는 열부하를 계산하는 단계;
   (i) 상기 제1 용기로부터 증발하는 액체 헬륨의 증발량, 또는 (ii) 상기 액체 헬륨의 증발량 및 상기 제2 용기로부터 증발하는 액체 질소의 증발량을 계산하는 단계;
   상기 용기들의 상세 치수 및 재질을 결정하는 단계; 및
   상기 용기들을 3차원 모델링하는 단계
   를 포함하는 극저온 용기 설계 방법.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서,
    상기 용기들 중 적어도 하나가 미리 정해진 요구 사양에 미달하면, 상기 용기의 형상을 설정하는 단계부터 다시 수행되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 벽은,
    소정 열전도도 기준보다 낮은 열전도도를 가지는 비금속재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.
13. 제9항에 있어서,
    상기 벽은,
    상기 벽의 길이방향 단면(longitudinal cross section)에서 나타나는 열전도 길이가 소정 길이 기준보다 길도록 배치, 구조화 및 치수결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.
14. 제9항에 있어서,
    상기 벽은 비금속재료를 포함하고,
    상기 벽과 제1 금속재료를 포함하는 상기 실온 진공 용기의 일측 사이 및 상기 벽과 제2 금속재료를 포함하는 상기 액체 헬륨 조 사이 중 적어도 하나를 접합하는 본딩 재(bonding 材)는, 상기 제1 금속재료의 열팽창률 및 제2 금속재료의 열팽창률 중 적어도 하나 및 상기 비금속재료의 열팽창률 각각으로부터 소정 편차 이내의 열팽창률을 가지도록 선택되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.
15. 제9항에 있어서,
    상기 극저온 용기에,
    상기 액체 질소 조와 상기 벽의 외부를 열적으로 연결하는 써멀 링크(thermal link)를 더 도입하고,
    상기 써멀 링크가 상기 벽의 외부에 연결되는 위치는,
    상기 벽의 열 구배에 기초하여 상기 벽의 열전도량이 최소화되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 써멀 링크는 미리 정해진 무게를 지니고,
    상기 써멀 링크의 굵기 및 길이는,
    상기 써멀 링크의 양단의 목표로 된 온도차에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.
17. 제9항에 있어서,
    상기 복사 배플들은 등간격으로 설치되고,
    상기 복사 배플들의 개수는,
    상기 액체 헬륨 조에 담긴 액체 헬륨의 표면으로 전달되는 복사열 및 기체 열전도량의 감소와 상기 복사 배플들의 총 무게 증가로 인한 상기 제1 용기의 지지 구조체의 무게 증가에 따라 발생되는 열전도량 증가 를 고려하여 상기 액체 헬륨에 가장 가까운 복사 배플의 온도가 미리 정해진 목표 온도에 도달하는 조건으로 결정되는 극저온 용기 설계 방법.
18. 제9항에 있어서,
    상기 지지대의 단면적은,
    상기 복사 실드 및 상기 액체 질소 조를 포함하는 상기 제2 용기의 무게를 지탱하는 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 극저온 용기 설계 방법.

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