KR102384366B1 - 극저온 초전도 사극자석 모듈 - Google Patents

극저온 초전도 사극자석 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사극자석; 상기 사극자석이 내부에 수용되며, 극저온 상태로 사극자석을 냉각하고, 외부에 냉각조 링크가 설치된 냉각조; 상기 냉각조를 내부에 수용하며, 내부를 밀폐하는 진공용기; 및 상기 진공용기에 설치되며, 상기 사극자석의 고정 및 미세한 정렬을 수행하는 서포트 유닛;을 포함하고, 상기 서포트 유닛은 상기 진공용기의 외면에 설치되는 페로씰; 및 상기 페로씰을 통하여, 상기 진공용기를 관통하여 삽입되는 컨넥팅 로드;를 포함하고, 상기 컨넥팅 로드의 단부와 상기 냉각조 링크는 아라미드 섬유 벨트에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 사극자석 모듈에 관한 것이다.

Description

극저온 초전도 사극자석 모듈{Cryogenic superconducting quadrupole magnet module}
본 발명은 극저온 초전도 사극자석 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 사극자석의 위치를 조절할 수 있으면서도 동시에 높은 열차폐 능력을 가지는 극저온 초전도 사극자석 모듈에 관한 것이다.
입자가속기는 재료과학, 의학, 생물학, 화학, 물리 환경과학, 제약 등 순수기초과학 분야나, 우주 원소 및 별의 진화, 핵의 구조와 핵력의 본질을 규명하기 위한 연구와 핵자료 구축 등이 포함된 천체물리 분야, 핵과학, 정밀 질량 측정과 같은 원자 및 분자과학 분야, 신물질의 특성을 연구할 물성과학 분야, 암치료 포함한 의생명과학응용과학 분야 등의 첨단기술개발에 필수적인 연구시설로서 세계적으로 관심을 받고 있는 선도적 과학기술장치이다.
이러한 입자가속기에는 초전도 사극자석 모듈이 이용된다. 그런데 일반적으로 초전도 자석을 실현하기 위해서는 극저온 상태의 유지가 필요하다. 사극자석을 극저온으로 냉각하기 위해 사극자석을 헬륨조 내에 위치시키고, 헬륨조로 액체 헬륨을 주입한다. 그리고 진공용기의 내측에는 별도의 열차폐층(Thermal shield)을 설치한다.
한편, 극저온 초전도 사극자석 모듈을 이용하기 위해서는 진공용기 내의 사극자석의 정렬을 미세하게 제어할 필요가 있다.
문제는 극저온 초전도 사극자석 모듈의 내부는 진공을 유지하여 외부로부터 열이 차폐되어 있으므로, 사극자석을 지지하고 그 정렬을 제어하기 위한 서포트 프레임의 일부가 필연적으로 진공용기를 통과해 외부로 노출될 수 밖에 없다는 점이다.
이때 서포트 프레임은 스테인레스 스틸 재질로 형성되는데, 사극자석을 지지하고 있는 서포트 프레임을 통해 외부와 열전도가 발생하게 된다. 즉, 서포트 프레임이 극저온 초전도 사극자석 모듈의 내부가 극저온으로 유지되는 것을 방해하는 요소가 된다. 뿐만 아니라 서포트 프레임을 통해 열전도가 발생할 경우 서포트 프레임 자체의 온도 변화에 따라 서포트 프레임에서 열팽창이 발생하여 열변형에 따라 내부의 부품들의 정밀도가 저하되는 문제가 있다.
이를 위해 서포트 프레임에 고가의 단열재 수겹을 도포하는 방안이 시도되었으나, 서포트 프레임의 외부에 단열재를 도포하는 것만으로는 서포트 프레임 자체를 통해 전달되는 열을 막을 수 없어서 임시방편일 뿐 유효한 해결책이 되지 못했다.
등록특허 제10-0958748호
본 발명의 일 목적은 극저온 초전도 사극자석 모듈의 사극자석의 극저온 상태를 유지하면서 동시에 사극자석의 미세한 정렬을 제어할 수 있는 구조의 서포트 프레임을 가지는 극저온 초전도 사극자석 모듈을 제공하는 것이다.
상술한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈은 사극자석; 상기 사극자석이 내부에 수용되며, 극저온 상태로 사극자석을 냉각하고, 외부에 냉각조 링크가 설치된 냉각조; 상기 냉각조를 내부에 수용하며, 내부를 밀폐하는 진공용기; 및 상기 진공용기에 설치되며, 상기 사극자석의 고정 및 미세한 정렬을 수행하는 서포트 유닛;을 포함하고, 상기 서포트 유닛은 상기 진공용기의 외면에 설치되는 페로씰; 및 상기 페로씰을 통하여, 상기 진공용기를 관통하여 삽입되는 컨넥팅 로드;를 포함하고, 상기 컨넥팅 로드와 상기 냉각조 링크는 아라미드 섬유 벨트로 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 예에 있어서, 상기 서포트 유닛은, 상기 진공용기의 상부에 위치하여, 냉각조를 상하 방향으로 지지하는 제1서포트 유닛; 및 상기 진공용기의 일측에 위치하여 냉각조를 좌우 방향에서 고정하는 제2서포트 유닛;을 포함하는 특징으로 할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 제2서포트 유닛은 상기 진공용기의 일측에 한쌍으로 배치되고, 상기 진공용기의 일측에 한쌍으로 배치된 상기 제2서포트 유닛의 각각의 아라미드 섬유 벨트는 서로 교차하여 상기 냉각조 링크에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈은 서포트 모듈을 이용하여 사극자석이 수용된 냉각조를 지지하고, 서포트 모듈을 조작하여 진공용기 내에 위치하는 사극자석의 미세한 정렬을 조정할 수 있다. 특히, 서포트 모듈은 컨넥팅 로드와 냉각조 링크가 열전도도와 열팽창계수가 거의 0에 가까운 아라미드 섬유 벨트로 서로 연결된다. 즉, 아라미드 섬유 벨트를 이용함으로써 서포트 모듈을 통해 냉각조와 외부가 열전도하는 것을 방지하고, 열변형에 의해 내부의 부품들의 정밀도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 개략적 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 개략적 정면도로서, 정면의 덮개를 제거하여 내부가 보이도록 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 제1서포트 유닛의 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 제2서포트 유닛의 개략적 단면도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 개략적 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 개략적 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 개략적 정면도로서, 정면의 덮개를 제거하여 내부가 보이도록 도시한 것이다.
아래에서는 도 1 내지 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈(1)(이하, “사극자석 모듈”이라 한다)에 대해서 설명하도록 한다.
본 발명의 사극자석 모듈(1)은 진공용기(10), 냉각조(41), 사극자석(50)을 포함한다.
진공용기(10)은 받침 프레임(10a) 상에 위치한다. 진공용기(10)는 원통 형상일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 진공용기(10)는 사각형이나 육각형과 같은 다각형의 통일 수 있다. 진공용기(10)는 도 1에 도시한 바와 같이 원통이 눕혀진 형태로 설치될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 진공 펌프(30)가 진공용기(10)에 연결된다. 진공용기(10)는 내부가 고진공을 유지할 수 있도록 밀폐를 유지하도록 구성된다. 진공펌프는 터보펌프와 드라이 펌프로 구성된다. 고진공을 유지하기 위해 드라이 펌프는 일반 분자를 배출시키고, 터보펌프는 희귀분자를 배출시킨다.
진공용기(10)에는 적어도 하나 이상의 서포트 유닛(20)이 설치된다. 서포트 유닛(20)은, 사극자석(50)이 내부에 구비된 냉각조(41)를 공중에 띄운 상태로 지지하고 고정하는 역할과 진공용기(10) 내부의 진공도와 열차폐를 유지한 상태로 사극자석(50)의 미세한 정렬을 조정하는 역할을 수행한다. 특히, 본 발명의 사극자석 모듈(1)은 냉각조(41)가 서포트 유닛(20)에 의해 공중에 떠 있기 때문에 열전도가 발생할 수 있는 영역이 서포트 유닛(20) 밖에 없으며, 서포트 유닛(20)도 열전달이 거의 되지 않도록 구성함으로써 열차폐 능력이 현저히 높아지는 장점이 있다. 서포트 유닛(20)에 대해서는 뒤에서 구체적으로 다시 서술하도록 한다.
진공용기(10)의 내부에는 냉각조(41)가 설치된다. 냉각조(41)는 헬륨조 또는 액체질소조를 이용할 수 있다. 냉각조(41)에는 사극자석(50)이 설치되며, 사극자석(50)을 초저온 상태로 냉각하기 위한 구성을 더 포함한다. 사극자석(50)을 초저온 상태로 냉각하기 위한 구성은 공지된 것으로서, 그 자세한 설명은 생략한다. 냉각조(41)에는 냉각조 링크(41a, 41b)가 설치된다. 냉각조 링크(41a, 41b)는 냉각조(41)가 통 형상인 경우 상하면에 설치될 수 있다.
본 발명의 사극자석 모듈(1)에 있어서, 사극자석(50)은 3개의 사극자석이 병렬(직렬)로 연결될 수 있다. 나아가 사극자석의 아래에는 6극자석 및 8극 자석이 배치되고, 그 내측에 코퍼 빔 튜브(Copper beam tube)가 설치되어 자속이 산란되는 것을 방지하여 자속을 안정화시킨다. 다만 자속을 안정화시키기 위한 방법을 이에 제한하지 않는다.
한편, 진공용기(10)과 냉각조(41) 사이에는 열 덮개(42, thermal shroud)가 설치되어, 냉각조(41)의 초저온이 유지되는 것을 도울 수 있다. 예컨대, 원통형상의 진공용기(10) 내에 원통 형상의 열 덮개(42)가 설치되고, 열 덮개(42) 내에 원통형상의 냉각조(41)가 설치되고, 냉각조(41) 내에 사극자석(50)이 설치된다. 이때, 열 덮개(42)는 진공용기(10) 내벽에서 일정거리 이격되어 고정되도록 설치된다. 반면에 냉각조(41)도 진공용기(10)의 내벽에서 일정거리 이격되지만(열 덮개(42)를 구비한 경우 열 덮개(42)의 내벽에서도 일정거리 이격되도록 설치됨), 진공용기(10) 내에서 그 위치가 고정되지는 않는다. 즉, 서포트 유닛(20)에 의해 진공용기(10)의 내에 지지되면서, 동시에 그 위치가 조정될 수 있다.
열 덮개(42)는 차폐열재를 포함하며, 진공상태에서 저온을 유지하는 알루미늄, 구리, 스텐레스스틸 등으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 열 덮개(42) 외면에는 10~30 레이어(Layer)로 엠엘아이(MLI, Multi layer Superinsulation)를 도포하여 형성할 수 있다.
열 덮개(42) 내측에는 쿨링 튜브가 배치된다. 쿨링 튜브로는 액체 질소가 흘러가며 사극자석(50)을 1차적으로 냉각하는 역할을 한다. 쿨링 튜브는 구리, 알루미늄, 스텐레스스틸 등일 수 있다.
본 발명의 사극자석 모듈(1)은 서포트 유닛(20)을 이용함으로써, 사극자석(50)의 미세한 정렬을 외부에서 가능하도록 하면서, 동시에 진공용기(10) 내의 고진공 초전도 상태를 유지하여 열전도를 차단한다. 또한 냉각조(41)의 냉기가 진공용기(10) 밖으로 유출되는 것을 방지하며 서포트 유닛(20) 부품의 열 변형에 의해 정렬이 틀어지는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 제1서포트 유닛의 개략적 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 초전도 사극자석 모듈의 제2서포트 유닛의 개략적 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 서포트 유닛(20)의 구체적인 구성에 대해 살펴보도록 한다. 도 4는 제1서포트 유닛(20a)에 관한 것이며, 도 5는 제2서포트 유닛(20b)에 관한 것인다. 제1서포트 유닛(20a)은 진공용기(10)의 상부에 위치하여, 냉각조(41)를 상하 방향으로 지지하는 역할을 한다. 제2서포트 유닛(20b)은 진공용기(10)의 일측에 위치하여 냉각조(41)를 좌우 방향에서 고정한다. 다만, 제2서포트 유닛(20b)이 냉각조(41)를 좌우 방향에서 고정한다는 것의 의미는 사극자석(50)의 정렬을 조정한 후에 그 위치가 변하지 않도록 고정한다는 것이며, 사극자석(50)의 정렬이 필요할 경우에는 제2서포트 유닛(20b)을 이용하여 냉각조(41)를 이동시킬 수 있다.
제1서포트 유닛(20a)은 진공용기(10)의 길이 방향으로 적어도 2개 이상 설치될 수 있다. 예컨대, 도 2의 20a_1과 20a_2와 같이 진공용기(10)의 앞뒤로 설치되어, 마치 그네처럼 냉각조(41)를 들어올리는 역할을 한다. 또한, 제1서포트 유닛(20a)을 이용하여 냉각조(41)의 높이를 정밀하게 조정할 수 있다.
제2서포트 유닛(20b)은 진공용기(10)의 적어도 일측에 2개 이상 설치될 수 있으며, 길이 방향으로도 적어도 2개 이상 설치될 수 있다. 즉, 진공용기(10)의 양측에 한쌍으로 제2서포트 유닛(20b)이 설치될수도 있다. 예컨대, 도 3의 20b_1 및 20b_2와 같이 우측에 한쌍, 20b_3 및 20b_4와 같이 좌측에 한쌍으로 제2서포트 유닛이 설치될 수 있다. 물론, 앞뒤로도 제2서포트 유닛이 설치될 수 있다. 한편, 제2서포트 유닛(20b)은 앞뒤 방향에서 중앙을 향해 기울어지도록 설치될 수 있다. 즉, 앞뒤의 제2서포트 유닛(20b)은 진공용기(10)에 평면도 상에서 수직으로 설치되는 것이 아니라, 내측이 가운데를 향하도록 배치된다. 이로써 앞쪽의 제2서포트 유닛(20b)은 앞쪽으로 냉각조(41)를 당기게 되고, 뒤쪽의 제2서포트 유닛(20b)은 뒤쪽으로 냉각조(41)를 당기게 됨으로써, 냉각조(41)의 앞뒤 움직임이 고정된다.
즉 제1서포트 유닛(20a)과 제2서포트 유닛(20b)은 진공용기(10) 내부에서 냉각조(41)가 지지 및 고정되어 부양되는 구조이고, 사극자석(50)의 미세한 정렬을 정밀하게 조정할 수 있도록 한다.
아래에서는 제1서포트 유닛(20a)과 제2서포트 유닛(20b)의 공통되는 부분부터 설명하고, 차이점을 마지막에 설명하도록 한다.
진공용기(10)에는 내부로 관통되는 구멍이 형성되는데, 그 구멍이 형성된 곳에는 페로씰(24)이 설치된다. 페로씰(24)은 공지의 것을 이용할 수 있다. 페로씰(24)은 진공용기(10)의 외면에 설치되며, 연결 플레이트(26)를 통해 진공용기(10)에 설치될 수 있다.
페로씰(24)에는 컨넥팅 로드(23)가 관통하여 삽입된다. 컨넥팅 로드(23)의 일단은 진공용기(10) 외측에 위치하고, 타단은 페로씰(24)을 통해 진공용기(10)의 내부에 위치한다. 이때, 컨넥팅 로드(23)가 진공용기(10)을 관통하더라도 페로씰(24)에 의해 진공용기(10) 내의 밀폐성이 유지된다.
컨넥팅 로드(23)의 일단에는 헤드(21)가 설치되며, 헤드(21)가 일방향으로 회전하면 컨넥팅 로드(23)가 진공용기(10) 외측으로 빠져나오며, 반대 방향으로 회전하면 컨넥팅 로드(23)가 진공용기(10) 내측으로 삽입된다. 헤드(21)는 켄넥팅 로드(23)의 일단이 단면이 각이지고, 편평하게 형성되어 외부에서 커넥팅 로드(23)의 회전을 수월하게 도와준다. 컨넥팅 로드(23)의 이러한 움직임에도 불구하고 페로씰(24)에 의해 진공용기(10)의 진공이 유지된다.
페로씰(24)은 케이스(25)의 내부에 설치될 수 있다. 케이스(25)는 컨넥팅 로드(23)를 지지하는 역할을 한다. 케이스(25)의 상부에는 너트(22)가 고정되어 있으며, 컨넥팅 로드(23)가 너트(22)에 나사 결합도록 체결된다. 너트(22)의 위치가 고정되어 있으므로, 헤드(21)를 일방향 또는 반대방향으로 회전시키면 너트(22)에 나사결합된 컨넥팅 로드(23)가 상하로 움직이는 것이다.
컨넥팅 로드(23)의 타단, 즉 진공용기(10) 내측의 단부에는 연결 링크(27a)가 설치되며, 핀(27a_1)과 고정부재(27b_2)에 의해 연결 링크(27a)와 컨넥팅 로드(23)가 연결된다. 고정부재(27b_2)는 핀(27a_1)이 연결 링크(27a)에서 빠지지 않도록 하는 역할을 한다.
연결 링크(27a)의 반대쪽에는 아라미드 섬유 벨트(61a, 62)가 연결된다. 아라미드 섬유 벨트(61a, 62)는 열전도도가 거의 없으며, 또한 열팽창 계수도 거의 없다. 본 발명에서 아라미드 섬유 벨트로는 폴리아마이드계 아라미드 섬유 벨트가 사용될 수 있으며, 그 예로는 케블라(kevlar) 또는 벡트란(vectran)일 수 있다.
제1서포트 유닛(20a)과 같이, 냉각조(41)까지의 거리가 멀 경우에는 추가적인 연결 링크(27b)를 이용하여 고정 및 지지를 도와줄 수 있다. 연결 링크(27b)의 일측에는 제1서포트 유닛(20a) 쪽으로 아라미드 섬유 벨트(61a)가 연결되고, 타측에는 냉각조(41) 쪽으로 아라미드 섬유 벨트(61b)가 연결된다. 제2연결링크(27b)도 핀(27b_1)과 고정부재(27b_2)로 구성된다.
결론적으로 컨넥팅 로드(23)와 냉각조 링크(41a)가 아라미드 섬유 벨트(61b, 62)에 의해 연결된다.
한편, 열 덮개(42)를 구비한 경우에는 열 덮개(42)에는 아라미드 섬유 벨트가 통과할 구멍이 형성된다.
제2서포트 유닛(20b)은 진공용기(10)의 적어도 일측에 한쌍으로 배치되고, 진공용기(10)의 일측에 한쌍으로 배치된 제2서포트 유닛(20b)의 각각의 아라미드 섬유 벨트(62)는 서로 교차하여 냉각조 링크(41b)에 연결된다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 우측의 한쌍의 아라미드 섬유 벨트(62_1, 62_2)가 서로 교차하도록 냉각조 링크(41b_1, 41b_2)에 연결된다. 우측 위쪽의 제2서포트 유닛(20b_1)의 아라미드 섬유 벨트(62_1)는 우측 아래쪽의 냉각조 링크(41b_2)에 연결되고, 우측 아래쪽의 제2서포트 유닛(20b_2)의 아라미드 섬유 벨트(62_2)는 우측 위쪽의 냉각조 링크(41b_1)에 연결된다. 또한, 좌측 위쪽의 제2서포트 유닛(20b_3)의 아라미드 섬유 벨트(62_3)는 좌측 아래쪽의 냉각조 링크(41b_4)에 연결되고, 좌측 아래쪽의 제2서포트 유닛(20b_4)의 아라미드 섬유 벨트(62_4)는 좌측 위쪽의 냉각조 링크(41b_3)에 연결된다.
이처럼 진공용기(10)의 일측에 한쌍으로 배치된 제2서포트 유닛(20b)의 각각의 아라미드 섬유 벨트(62)는 서로 교차하여 냉각조 링크(41b)에 연결되게 함으로써 냉각조(41)를 보다 견고하게 고정하고, 보다 정밀하고 다양한 방향으로 정렬을 조정할 수 있다.
한편, 본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한번 첨언한다.

Claims (3)

  1. 사극자석; 상기 사극자석이 내부에 수용되며, 극저온 상태로 사극자석을 냉각하고, 외부에 냉각조 링크가 설치된 냉각조; 상기 냉각조를 내부에 수용하며, 내부를 밀폐하는 진공용기; 및 상기 진공용기에 설치되며, 상기 사극자석의 고정 및 미세한 정렬을 수행하는 서포트 유닛;을 포함하고,
    상기 서포트 유닛은 상기 진공용기의 외면에 설치되는 페로씰; 및 상기 페로씰을 통하여, 상기 진공용기를 관통하여 삽입되는 컨넥팅 로드;를 포함하고,
    상기 컨넥팅 로드의 단부와 상기 냉각조 링크는 아라미드 섬유 벨트에 의해 연결되고,
    상기 서포트 유닛은,
    상기 진공용기의 상부에 위치하여, 상기 냉각조를 상하 방향으로 지지하는 제1서포트 유닛; 및
    상기 진공용기의 일측에 위치하여 상기 냉각조를 좌우 방향에서 고정하는 제2서포트 유닛;을 포함하고,
    상기 제2서포트 유닛은 상기 진공용기의 적어도 일측에 한쌍으로 배치되고,
    상기 진공용기의 일측에 한쌍으로 배치된 상기 제2서포트 유닛의 각각의 아라미드 섬유 벨트는 서로 교차하여 상기 냉각조 링크에 연결되고,
    상기 진공용기의 일측에 한쌍으로 배치되어 서로 교차하는 상기 제2서포트 유닛의 각각의 아라미드 섬유 벨트 중 하나는 상기 냉각조를 아래 방향으로 당기도록 배치되고,
    상기 제2서포트 유닛은 상기 진공용기에 평면도 상에서 내측이 가운데를 향하도록 기울어져 배치됨으로써, 앞쪽의 상기 제2서포트 유닛은 앞쪽으로 냉각조를 당기게 되고, 뒤쪽의 상기 제2서포트 유닛은 뒤쪽으로 냉각조를 당기게 되는 것을 특징으로 하는 극저온 초전도 사극자석 모듈.
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