KR102292507B1 - 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치 및 방법 - Google Patents

듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치에 있어서, 상기 듀오 플라즈마트론을 생성하기 위한 직류전류를 공급하는 직류전원; 상기 직류전원과 병렬 연결되고, 상기 직류전원으로부터 상기 직류전류를 공급받아 전압을 충전하는 커패시터; 일단이 상기 커패시터에 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 턴 온되는 스위치부; 및 캐소드는 상기 스위치부에 연결되고, 애노드는 접지되며, 상기 스위치부가 턴오프 되면 부하의 아크 전류를 프리휠링시키는 프리휠링 다이오드를 포함하는 펄스 전원 공급 장치를 제공한다.

Description

듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치 및 방법{Pulse Power Supply for Duo Plasmatron Ion Source and Method Thereof}
본 발명의 실시예들은 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치 및 방법, 특히 붕소중성자포획치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)용 양성자가속기의 대전류 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
듀오 플라즈마트론 이온원(Duo-plasmatron ion source)이란, 음극과 양극에 고전압을 인가하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마를 두 번의 과정을 거쳐 고밀도의 플라즈마로 압축시키는 기술을 의미한다.
구체적으로, 듀오 플라즈마트론 이온원이 음극의 필라멘트를 가열하면 음극으로부터 열 전자(hot electron)가 방출된다. 음극으로부터 방출된 열 전자와 수소 가스는 양극과 음극에 인가된 전압에 의해 서로 충돌을 일으켜 아크 방전(arc discharging)에 의한 플라즈마를 발생시킨다. 듀오 플라즈마트론 이온원은 플라즈마를 고밀도로 압축하기 위해 음극과 양극 사이에는 중간전극을 위치시킨다. 중간전극에는 좁은 구멍이인 핀홀(pin-hole) 형성되어 있고, 듀오 플라즈마트론은 좁은 구멍 사이의 압력 차이를 이용하여 플라즈마를 밀집시킴으로써 플라즈마를 고밀도로 한 번 압축할 수 있다. 이후, 중간전극과 양극 사이에 축 방향 자기장을 형성하고, 자기장을 이용하여 플라즈마 하전입자들을 밀집시켜 플라즈마를 이중으로 압축함으로써, 듀오 플라즈마트론 이온원이 생성된다. 그 후, 듀오 플라즈마트론 이온원은 고밀도의 플라즈마를 플라즈마 확장컵으로 이동시키고, 고밀도의 플라즈마는 공간적으로 확장되어 빔(beam) 인출에 적합한 밀도가 된다. 빔 인출에 적합한 밀도의 플라즈마에 양의 고전압을 인가함으로써, 양이온 빔을 인출하게 된다.
일반적으로, 듀오 플라즈마트론 이온원은 아크 방전을 일으키기 위하여 직류 전원 공급 장치를 사용한다. 직류 전원 공급 장치를 이용하면, 플라즈마를 지속적으로 생성하여 방출할 수 있기 때문이다.
하지만, 음극과 양극 사이에 플라즈마를 지속적으로 생성하는 과정에서, 양극의 핀홀 사이를 통과하지 못하고 핀홀 부근에 충돌하는 고밀도 플라즈마에 의해 장시간 운전 시 양극의 온도 상승으로 녹아 핀홀의 모양이 변형될 수 있다. 또한, 지속적으로 생성되는 플라즈마는 확장컵에서 가속 전극으로 확산되는 과정에서, 핀홀의 변형으로 인해 플라즈마 경계면이 불안정 및 불규칙적이게 되고, 이는 방전이 생기는 요인이며, 플라즈마 밀도를 낮추는 요인이다. 또한, 플라즈마를 장시간 생성하면 열 전자에 의해 음극 필라멘트와 양극 필라멘트의 수명이 단축된다.
또한, 듀오 플라즈마트론 이온원은 전원 공급 장치의 전류를 특정 기준 이상 높이면 이온원 내 냉각수의 온도가 60°C 이상으로 상승하므로 장시간 운전을 하는 데 한계가 있다. 또한, 듀오 플라즈마트론 이온원 내의 냉각수 온도가 올라가면 고밀도 양성자 빔을 생성하기 위한 아크 전류(arc current)를 높이는 데 있어 한계가 있다.
따라서, 듀오 플라즈마트론 이온원은 지속적으로 플라즈마를 생성하는 것보다 빔 인출 시점에만 양극에 펄스 전압을 인가함으로써, 듀오 플라즈마트론을 이용하는 시점에만 플라즈마를 생성할 필요가 있다.
또한, 듀오 플라즈마트론 이온원에 펄스 전압을 인가하기 위하여 스위치를 사용하는 경우, 스위치가 턴 온(turn on)될 때 순간적으로 플라즈마가 생성되고, 스위치에 과전류가 흐른다. 스위치에 순간적으로 스위치의 정격전류를 초과하는 과전류가 흐르면 스위치 소자가 파손되는 문제점이 있다.
따라서, 스위치에 순간적으로 정격전류 이상의 전류가 흐르는 것을 제한하고, 플라즈마를 생성하는 양극 사이에 정격전압 이상의 전압이 인가되는 것을 지양할 필요가 있다.
본 발명의 실시예들은, 듀오 플라즈마트론 이온원에 직류 전압 대신 펄스 전압을 인가하여 열전자 방출을 최소화 시킴으로써 양극 필라멘트의 수명을 늘리고, 전력 소모를 절감할 수 있는 펄스 전원 공급 장치 및 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 직류 전압 대신 펄스 전압을 이용하여 온도 상승으로 인한 핀홀의 변형을 줄여 빔 인출에 이용되는 플라즈마의 경계면을 평탄하게 함으로써 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 유지하고, 냉각수 온도 상승으로 인해 제한되는 아크 전류의 한계치를 높여 50mA 이상의 대전류 듀오 플라즈마트론 이온원을 장시간으로 운영할 수 있는 펄스 전원 공급 장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 듀오 플라즈마트론 이온원에 스위치를 이용하여 펄스 전압을 인가할 때, 스위치에 정격전류 이상의 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 펄스 전원 공급 장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치에 있어서, 상기 듀오 플라즈마트론을 생성하기 위한 직류전류를 공급하는 직류전원; 상기 직류전원과 병렬 연결되고, 상기 직류전원으로부터 상기 직류전류를 공급받아 전압을 충전하는 커패시터; 일단이 상기 커패시터에 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 턴 온되는 스위치부; 및 캐소드는 상기 스위치부에 연결되고, 애노드는 접지되며, 상기 스위치부가 턴오프 되면 부하의 아크 전류를 프리휠링시키는 프리휠링 다이오드를 포함하는 펄스 전원 공급 장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 듀오 플라즈마트론을 생성하기 위한 직류전류를 커패시터에 공급하는 과정; 상기 직류전류를 이용하여 커패시터의 전압을 충전하는 과정; 상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 상기 커패시터에 연결된 스위치부를 턴 온시켜 상기 커패시터의 전압을 부하로 방전시키는 과정; 및 상기 스위치부가 턴 오프 되면 상기 부하의 아크 전류를 상기 부하에 연결된 프리휠링 다이오드를 이용하여 프리휠링시키는 과정을 포함하는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 듀오 플라즈마트론 이온원에 직류 전압 대신 펄스 전압을 인가하여 열 전자 방출을 최소화 시킴으로써 양극 필라멘트의 수명을 늘릴 수 있고, 전력 소모를 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 직류 전압 대신 펄스 전압을 이용하여 온도 상승으로 인한 핀홀의 변형을 줄여 빔 인출에 이용되는 플라즈마의 경계면을 평탄하게 함으로써 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 유지하고, 냉각수 온도 상승으로 인해 제한되는 아크 전류의 한계치를 높여 50mA 이상의 대전류 듀오 플라즈마트론 이온원을 장시간으로 운영할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 듀오 플라즈마트론 이온원에 스위치를 이용하여 펄스 전압을 인가할 때, 스위치에 정격전류 이상의 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 대전류 듀오 플라즈마트론 이온원(duo plasmatron ion source)의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치 및 그의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치의 커패시터 전압 및 출력 전압에 대한 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류제한용 인덕터를 부가한 펄스 전원 공급 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전류제한용 인덕터 및 하프 브릿지 스위치를 부가한 펄스 전원 공급 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치의 커패시터 전류, 커패시터 전압 및 출력 전압에 대한 파형을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 트리거(trigger), 아크 펄스 전압 및 빔 추출 전압 인가 순서 및 시간을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하의 아크 전류에 대한 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '~부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 대전류 듀오 플라즈마트론 이온원(duo plasmatron ion source)의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 대전류 듀오 플라즈마트론 이온원(100)은 양극(110), 음극(120), 중간전극(130), 핀 홀(140) 및 플라즈마 확장컵(150)을 포함한다.
듀오 플라즈마트론 이온원(100)은 이온화될 가스를 공급받고, 음극(120)이 열 전자(hot electron)을 발생시키고, 열 전자를 가스와 충돌시켜 가스로부터 양이온을 만들 수 있다. 양극(110)과 음극(120)은 양이온을 이용하여 아크 방전(arc discharge)에 의한 플라즈마를 생성한다. 아크 방전이란, 음극으로 방출된 열전 전자가 양이온과의 결합 및 분리를 반복하며 이동하여 양극으로 이동하는 현상을 의미한다.
중간전극(130)은 양극(110)과 음극(120) 사이에 위치하며, 좁은 구멍을 포함한다. 중간전극(130)은 플라즈마가 인출될 때 공간적으로 제한하여 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 양극(110)은 핀 홀(140)을 포함하고, 핀 홀(140)을 통해 플라즈마를 인출할 수 있다.
이때, 듀오 플라즈마트론 이온원(100)에 전자석 코일을 이용하여 자기장을 형성함으로써, 플라즈마의 밀도를 높일 수 있다. 플라즈마 확장컵(150)은 핀 홀(140)로부터 인출된 고밀도의 플라즈마를 수용할 수 있다.
플라즈마 확장컵(150)에 수용된 플라즈마에 빔 인출을 위한 전압을 인가함으로써, 듀오 플라즈마트론 이온 빔을 방출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치 및 그의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치는 직류전원(DC), 커패시터(C), 스위치부(SW) 및 프리휠링 다이오드(D, freewheeling diode)를 포함한다.
이하에서, 부하(load)는 듀오 플라즈마트론 이온원(100)의 양극(110) 및 음극(120)을 의미한다.
직류전원(DC)은 듀오 플라즈마트론을 생성하기 위한 직류전류를 커패시터(C)에 공급할 수 있다. 직류전류는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 직류전원(DC)은 커패시터(C)에 직류전류를 대신하여 직류전압을 인가할 수도 있다.
커패시터(C, capacitor)는 직류전원(DC)과 병렬로 연결되고, 직류전원(DC)로부터 직류전류를 공급받아 전압(Vc)을 충전할 수 있다. 커패시터(C)는 직류전원(DC)로부터 공급받은 에너지를 전압(Vc)으로 충전한 후, 부하의 펄스 빔 인출을 위한 플라즈마 생성 시점에만 부하로 방전함으로써, 부하에 펄스 전압을 인가할 수 있다. 이로써, 부하에는 펄스 전압이 인가되는 동안에만 플라즈마가 생성될 수 있다.
커패시터(C)는 커패시터(C)에 충전된 전압(Vc)의 크기에 따라 펄스 빔 인출에 필요한 이온량(ion amount)를 조절할 수 있다. 즉, 부하에 인가되는 펄스 전압의 크기 및 듀티비(duty ratio)에 따라 커패시터(C)의 전압을 조절할 수 있다.
스위치부(SW)는 일단이 커패시터(C)에 연결되고, 타단이 부하에 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 커패시터(C)에 충전된 전압(Vc)을 펄스의 형태로 부하에 전달할 수 있다.
스위치부(SW)는 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 턴 온(turn on)되어 커패시터(C)의 전압(Vc)을 부하에 전달하고, 듀오 플라즈마트론의 빔 인출이 끝난 후에 턴 오프(tunr off)되어 커패시터(C)가 직류전원(DC)으로부터 전압을 충전할 수 있도록 한다.
듀오 플라즈마트론은 기 설정된 주기마다 생성될 수 있으며, 듀오 플라즈마트론이 생성된 후 유지되는 시간도 미리 설정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오 플라즈마트론 유지 시간이 1.7 ms일 때, 스위치부(SW)의 턴 온 후부터 턴 오프 전까지의 시간은 3 ms일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부(SW)는 HV(high voltage) 스위치로써, 적어도 하나의 IGBT(insulated gate bipolar transistor)로 구성될 수 있다.
프리휠링 다이오드(D, freewheeling diode)는 캐소드(cathode)가 스위치부(SW)에 연결되고, 애노드(anode)는 접지되며, 스위치부(SW)가 턴 오프(turn off)되면 부하의 아크 전류(arc current)를 프리휠링시킬 수 있다. 아크 전류란, 양극(110)과 음극(120)에 전압 인가가 중단된 후에도 열 전자와 양이온이 이동함으로써 양극(110)과 음극(120) 사이에 흐르는 전류를 의미한다. 구체적으로, 스위치부(SW)가 턴 오프되는 경우, 프리휠링 다이오드(D)는 부하에 병렬로 연결되어 폐회로를 구성하므로, 부하의 아크 전류가 멈출 때까지 아크 전류를 프리휠링시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치의 커패시터 전압 및 출력 전압에 대한 파형을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 부하에 인가되는 펄스 형태의 출력 전압(Vout)과 커패시터 양단의 전압(Vc)의 시간에 따른 파형이 나타난다. 우선, 커패시터의 전압(Vc)의 전압 상승 구간에는 스위치부(SW)가 턴 오프되므로 부하의 출력 전압(Vout)은 0 V이다.
커패시터 전압(Vc)이 듀오 플라즈마트론 빔 인출에 적합한 기준의 전압에 도달한 경우, 스위치부(SW)가 턴 온된다. 스위치부(SW)가 턴 온되면, 커패시터에 충전된 전압(Vc)이 스위치부(SW)를 통하여 부하에 순간적으로 전달됨으로써, 출력 전압(Vout)은 펄스의 형태를 띤다.
이때, 출력 전압(Vout)이 최대 크기가 일정하게 유지되지 않고, 크기가 작아진다. 이는, 커패시터에 충전되어 있던 전압(Vc)이 방전되면서, 전압(Vc)의 크기가 낮아지기 때문이다. 도 3에서 출력 전압(Vout) 및 커패시터 전압(Vc)에는 스위치부(SW)가 턴 온 되는 동안 7볼트의 전압 강하가 발생한다. 이후, 다시 스위치부(SW)가 턴 오프되면, 커패시터 전압(Vc)이 충전되고, 출력 전압(Vout)은 0 V가 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류제한용 인덕터를 부가한 펄스 전원 공급 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치는 스위치부(SW)의 전류 제한을 위한 인덕터(L)를 포함할 수 있다.
직류전원(DC), 커패시터(C), 스위치부(SW) 및 프리휠링 다이오드(D)에 관한 설명은 도 1에서 상술하였으니 이하에서 자세한 설명은 생략한다.
인덕터(L)는 일단이 프리휠링 다이오드(D)의 캐소드(cathode)에 연결되고, 타단이 부하에 연결되어, 스위치부(SW)에 정격전류 이상의 전류가 흐르는 것을 제한할 수 있다.
인덕터의 전류 연속성으로 인해 인덕터(L)는 일반적으로 인덕터에 흐르는 전류가 급격하게 변하는 것을 막을 수 있다. 커패시터(C)에 충전된 전압이 스위치부(SW)에 의해 부하에 펄스 형태로 인가되는 경우, 부하에는 순간적으로 큰 전류가 흐른다. 특히, 듀오 플라즈마트론 생성을 위해서는 부하에 고전압이 인가되므로, 부하뿐만 아니라 스위치부(SW)에도 스위치부(SW)의 정격전류 이상의 전류가 흐를 수 있다. 스위치부(SW)의 온오프 이후에 스위치부(SW)에 흐르는 전류 증감 속도, 및 스위치부(SW)의 온오프 주기를 이용하여 스위치부(SW)에 정격 전류 이상의 전류가 흐르는 것을 막을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 하프 브릿지 스위치를 부가한 펄스 전원 공급 장치를 설명하기 위한 도면이다.
직류전원(DC), 커패시터(C), 스위치부(SW) 및 인덕터(L)에 관한 설명은 도 1 및 도 4에서 상술하였으니 이하에서 자세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치에서 프리휠링 다이오드(D)를 이용하지 않고, 스위치부(SW)를 하프 브릿지(half-bridge) 형태로 구성하여 부하에 펄스 전압을 인가할 수 있다.
구체적으로, 스위치부(SW)는 제1 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 스위치 및 제2 IGBT 스위치를 포함할 수 있고, 제1 IGBT 스위치 및 제2 IGBT 스위치는 하프 브릿지 형태를 구성한다. 제1 IGBT 스위치의 일단이 커패시터(C)에 연결되고, 제2 IGBT 스위치의 일단은 접지된다. 제1 IGBT 스위치와 제2 IGBT 스위치 사이에 인덕터(L)의 일단이 접속될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치는 듀오 플라즈마트론이 생성되는 시간에만 부하에 전압을 인가하기 위해, 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 제1 IGBT 스위치를 턴 온시키고, 제2 IGBT 스위치를 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 펄스 전원 공급 장치는 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 후에 제1 IGBT 스위치를 턴 오프 시키고, 제2 IGBT 스위치를 턴 온 시킴으로써, 펄스 전압 인가를 중단하고 커패시터(C)의 전압을 충전할 수 있다.
자세히 설명하면, 제1 IGBT 스위치 및 제2 IGBT 스위치가 모두 턴 오프된 상태에서, 커패시터(C)에 전압이 충전된다. 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 제1 IGBT 스위치를 턴 온시키고, 제2 IGBT 스위치를 턴 오프 시키면, 커패시터의 전압(Vc)이 인덕터(L)와 부하에 펄스 형태로 인가될 수 있다. 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 후에 제1 IGBT 스위치를 턴 오프시키고, 제2 IGBT 스위치를 턴 온 시키면, 직류전원(DC)이 커패시터(C)를 충전하고, 부하에 남아있는 아크 전류가 제2 IGBT 스위치로 흐르며 점점 소멸한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치의 커패시터 전류, 커패시터 전압 및 출력 전압에 대한 파형을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 펄스 전원 공급 장치의 동작 과정은 직류전원(DC)으로부터 직류전류가 커패시터(C)로 흘러 커패시터의 전압(Vc)이 충전되는 구간(t1), 커패시터의 전압(Vc)이 듀오 플라즈마트론의 빔 인출에 적합한 크기(150 V)의 전압에 도달한 후 부하에 펄스 전압을 인가 하기 전까지 대기하는 구간(t2), 및 스위치부(SW)가 턴 온되어 커패시터의 전압(Vc)이 부하로 방전되는 구간(t3)으로 나뉜다.
t1 구간에서, 스위치부(SW)는 턴 오프되며, 직류전원(DC)으로부터 커패시터(C)에 직류 전류(Ic)가 흐르고, 커패시터의 전압(Vc)이 시간이 지남에 따라 충전된다.
t2 구간에서, 스위치부(SW)는 턴 오프된 상태이며, 직류전원(DC)워 전류 공급이 중단되어 커패시터의 충전도 중단된다.
t3 구간에서, 스위치부(SW)가 턴 온되며, 커패시터(C)에 충전된 전압이 펄스의 형태로 부하에 인가된다. 커패시터(C)의 전압이 방전되므로 커패시터의 전류(Ic)는 마이너스 값을 가지며, 커패시터 전압(Vc)은 순간적으로 낮아진다. 커패시터 전압(Vc)이 순간적으로 부하로 방전됨으로써, 부하의 출력 전압(Vout)은 펄스의 형태를 띤다.
도 7을 참조하면, 도 6과 비교하여 커패시터(C)의 충전 시간을 줄인 펄스 전원 공급 장치의 동작 과정이 예시된다.
t1, t2 및 t3 구간에서 펄스 전원 공급 장치의 동작 과정은 도 7에서 설명하였으니 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치는 스위치부(SW)의 턴 온 및 턴 오프 시점을 조절하여 커패시터(C)의 충전 시간 및 펄스 전압 인가 시간을 조절할 수 있으며, 커패시터에 충전되는 전압(Vc)의 최대 크기를 조절할 수도 있다. 도 6에서 커패시터의 최대 전압은 150 V이며, 도 7에서 커패시터의 최대 전압은 200 V이다. 즉, 펄스 전원 공급 장치는 커패시터에 충전되는 전압의 최대 크기를 조절하여 부하에 인가되는 펄스 전압의 최대 크기를 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 트리거(trigger), 아크 펄스 전압 및 빔 추출 전압 인가 순서 및 시간을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 스위치부(SW)의 온오프를 제어하는 트리거(trigger) 신호, 펄스 전압(arc pulse) 및 빔 인출을 위한 펄스 전압(extraction voltage)에 대한 그래프가 예시된다.
트리거 신호는 스위치부(SW)를 턴 온시키는 신호로써, 설정된 주기마다 발생할 수 있다. 예를 들어, 트리거 신호는 8.3 ms마다 스위치부(SW)를 턴 온시킬 수 있다. 트리거 신호에 의해 스위치부(SW)가 턴 온되면, 커패시터의 전압이 펄스의 형태로 부하에 인가된다. 펄스 전압이 인가되는 시간은 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 시간보다 길어야 한다. 부하에 펄스 전압이 인가되어 플라즈마가 형성되고, 플라즈마에 빔 인출을 위한 전압을 인가함으로써 듀오 플라즈마트론 빔을 인출할 수 있다. 예를 들어, 부하에 펄스 전압이 3 ms동안 인가되면, 듀오 플라즈마트론은 3 ms보다 작은 시간인 1.7 ms동안 빔으로 인출될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하의 아크 전류에 대한 파형을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치가 부하에 펄스 전원을 인가함으로써 부하에 흐르는 아크 전류의 파형이 예시된다. 펄스 전원 공급 장치는 부하에 3 ms동안 펄스 전압을 인가하여 플라즈마를 형성할 수 있다. 이때, 부하의 양극과 음극 사이에 생성된 플라즈마에 의해 아크 전류가 흐르며, 3 ms의 시간 동안 15 A의 대전류가 흐른다. 15 A의 큰 전류가 지속적으로 흐른다면, 부하 및 냉각수의 온도 상승으로 인해 듀오 플라즈마트론 이온원을 장시간 동작시킬 수 없다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 펄스 전원 공급 장치를 이용하면 듀오 플라즈마트론 이온원을 장시간 동작 시킬 수 있다.
한편, 전술한 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 듀오 플라즈마트론 이온원
DC: 직류전원 C: 커패시터
SW: 스위치부 D: 프리휠링 다이오드
L: 인덕터 SW1: 제1 IGBT 스위치
SW2: 제2 IGBT 스위치

Claims (12)

  1. 듀오 플라즈마트론 이온원(duo plasmatron ion source)에 적용되는 펄스(pulse) 전원 공급 장치에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론을 생성하기 위한 직류전류를 공급하는 직류전원;
    상기 직류전원과 병렬 연결되고, 상기 직류전원으로부터 상기 직류전류를 공급받아 전압을 충전하는 커패시터;
    일단이 상기 커패시터에 연결되는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 턴 온(turn on)되는 스위치부;
    캐소드(cathode)는 상기 스위치부에 연결되고, 애노드(anode)는 접지되며, 상기 스위치부가 턴 오프(turn off) 되면 부하의 아크 전류를 프리휠링(free-wheeling)시키는 프리휠링 다이오드; 및
    상기 캐소드와 부하 사이에 양단이 연결되며, 상기 스위치부의 정격전류 이상의 전류를 제한하기 위한 인덕터
    를 포함하되,
    상기 스위치부는,
    제1 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위치 및 제2 IGBT 스위치를 포함하고, 상기 제1 IGBT 스위치 및 제2 IGBT 스위치는 하프 브릿지(Half-Bridge)를 구성하고,
    상기 인덕터는 제1 IGBT스위치와 제2 IGBT 스위치 사이에 일단이 연결되는
    는 펄스 전원 공급 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 후에 턴 오프되는 펄스 전원 공급 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 제1 IGBT 스위치가 턴 온되고 제2 IGBT 스위치가 턴 오프되는 펄스 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 후에 제1 IGBT 스위치가 턴 오프되고 제2 IGBT 스위치가 턴 온되는 펄스 전원 공급 장치.
  7. 듀오 플라즈마트론 이온원에 적용되는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론을 생성하기 위한 직류전류를 커패시터에 공급하는 과정;
    상기 직류전류를 이용하여 커패시터의 전압을 충전하는 과정;
    상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 상기 커패시터에 연결된 스위치부를 턴 온시켜 상기 커패시터의 전압을 부하로 방전시키는 과정; 및
    상기 스위치부가 턴 오프 되면 상기 부하의 아크 전류를 상기 부하에 연결된 프리휠링 다이오드를 이용하여 프리휠링시키는 과정;
    을 포함하되,
    상기 스위치부와 상기 부하 사이에 양단이 연결된 인덕터를 이용하여 상기 스위치부에 정격전류 이상으로 흐르는 전류를 제한하고,
    상기 스위치부는,
    제1 IGBT 스위치 및 제2 IGBT 스위치를 포함하고, 상기 제1 IGBT 스위치 및 제2 IGBT 스위치는 하프 브릿지를 구성하되,
    상기 인덕터의 일단이 제1 IGBT스위치와 제2 IGBT 스위치 사이에 연결되는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 후에 상기 스위치부를 턴 오프시키는 과정을 더 포함하는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법.
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론의 생성 전에 제1 IGBT 스위치를 턴 온시키고 제2 IGBT 스위치를 턴 오프시키는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 듀오 플라즈마트론의 빔 인출 후에 제1 IGBT 스위치를 턴 오프시키고 제2 IGBT 스위치를 턴 온시키는 펄스 전원 공급 장치의 동작 방법.
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