KR19990077533A - 하이브리드형위글러 - Google Patents

Abstract

전자가속기와 같은 삽입 장치 종류인 새로운 하이브리드 위글러를 제공한다. 종래 하이브리드 위글러와 다른 점은, 교대 배열로 형성되어 있는 두 개의 마주보는 배열들이 복수개의 영구자석블럭들과, 전자빔이 사행하게 되는 배열 사이의 갭 스페이스에서 사인커브의 주기 자장을 발생시키는 강자성재의 복수개 자극들로 이루어져 있다는 것이고, 갭 스페이스에서 발생된 주기 자장을 매우 강하게 하기 위해서, 각 자극들은 한쌍의 보조 영구자석블럭들과 함께 옆 표면에 끼워진다.

Description

하이브리드형 위글러{HYBRID WIGGLER}

본 발명은, 전자가속기나 전자축적링의 직선부에 삽입되어 휘도가 높은 싱크로트론 방사광(synchrotron radiation)을 발생하는 삽입장치, 특히 위글러에 관한 것이다.

삽입장치는, 갭 스페이스(gap space)를 갖고 있는 두개의 마주보는 페이싱 배열(facing array)로 이루어지고, 각 배열은 영구자석블록들 또는 영구자석블록과 강자성재(철이나 철과 코발트 합금)로 구성되어 있다. 도6(A)는 영구자석블록들만의 두 배열로 이루어진 삽입장치의 개략도를 나타내고 있고, 각 자석블럭의 옆 표면에 표시되어 있는 작은 화살표는 블록의 자화방향을 나타내고 있다. 삽입장치는, 전자가속기 또는 전자축적링의 직선부분에 진공 챔버(vacuum chamber)를 샌드위치 형상으로 끼워서 삽입되고, 도6(A)에 표시된 자석열들은 그 배열들 사이에 있는 진공 스페이스내에서 도6(B)에 표시된 사인커브형상의 주기자장을 발생한다(도6(A) 참조). 전자가속기 속을 회전하는 고속전자는 자석 배열들의 z방향에 따라서 흔들리거나 진동되어 자장으로 도입되고, 전자빔은 도6(A)의 화살표(e)로 표시된 방향으로 사행하고, 도6(C)에 개략적으로 표시된 각 사행점(meandering point)에서 싱크로트론 방사광을 발생한다.

상기한 바와 같이, 사인커브의 주기 자장을 발생하는 삽입장치는, 원자력 기기들과 방법(제58(3)권, 페이지 117~125), 과학기계들의 개관(제58(3)권, 1987년 3월)에 설명되어 있듯이, 영구자석 블럭들만으로 구성되는 할바치형과, 영구자석블럭들과 연질한 강자성재 블럭들의 조합으로 이루어지는 하이브리드형으로 분류된다. x축 방향에서 본 도7에 있어서, 할바치형 삽입 장치에서 영구자석 배열은, 영구자석블럭들(41,42)만으로 구성되어 있고, 그들 각각은 블럭(41,42)의 옆면에 있는 작은 화살표로 표시된 방향으로 자화되어 있다. 사인커브의 주기 자장은 4개의 영구자석블럭들로 형성되는 길이(P)에 따라서 다르다.

y축 방향에서 본 개략도인 도8(A)에 표시하듯이 하이브리드형 삽입장치에서, 각 자석 배열은 영구자석블럭(41)과, 자극(pole pieces)으로 이루어지는 자속집중용 강자성재와의 교대 배열로 구성되어 있다. 이 경우에서 사인커브의 주기자장의 주기(P)는, 두개의 영구자석들(41)과 두개의 자극들(43)로 형성된 길이이다. 대략 동등한 자장강도나 분포를 갖고 있는 할바치형과 하이브리드형 삽입장치들은, 할바치형과 비교하여 하이브리드형이 자석용량이 많으므로 경제적으로 유리한 점을 제외하고는 특별히 다른점은 없다.

삽입장치는 주기 길이와 자장 강도의 크기로 결정되는 K값에 의해서, 파동기(undulator) 또는 위글러로 분류된다. 즉, 삽입장치는, K값이 1전후 또는 그 이하인 경우 파동기로 되고, K값이 1보다 많이 큰 경우에는 위글러로 된다.

본 발명은 하이브리드형 삽입장치에 관련된 것으로서, 특히 위글러에 관련된 것이다. 종래의 하이브리드형 위글러의 구조는 도8(A), 도8(B)에 표시하듯이 자극(43)을 배열방향 또는 중심축(C)을 따라서 서로 반대방향의 자화를 가지는 가장 가까운 두개의 영구자석블럭(41)사이에 샌드위치형상으로 끼우고, 자극(43)에 자속이 집중되어, 영구자석들(41)과 자극들(43)의 두 배열 사이에서 거리(d)를 갖고 있는 갭 스페이스에서 강한 자장을 발생시킨다. 도8(A)에 표시하듯이, 전자가 통과하는 중심축(C)에서 자속 변환을 용이하게 하기 위해서, 자극들(43)의 x방향 사이즈는 영구자석블럭들(41)보다 작게 되어 있다.

위글러는 특히 높은 에너지의 방사광 또는 하드 X선(hard X-rays)을 발생시키기 위해서 사용되고, 그 때문에 자석블럭 배열들 사이의 갭 스페이스에서 발생되는 자장 강도는 높아야만 한다. 자장강도는 자석블럭 배열 사이의 거리(d)를 감소시는 것에 의해서 증가될 수 있고, 실질적으로 갭 스페이스의 거리(d)는 진공 챔버의 스페이스를 확보하기 위해서 10㎜ 이하로 감소된다. 하이브리드형 위글러에서 영구자석블럭들의 체적을 크게 함으로써 어느 정도까지 자장이 증가될 수 있지만, 영구자석블럭들(41)의 체적이 증가함에 따라서 자극들(43)의 자기포화에 의해서 자장이 제한되고, 할바치형 위글러에서 자장에 대한 기여는 단지 중심축(C)에 근접해 있는 영구자석블럭들의 체적부분에 의해서 나타나므로, 중심축(C)으로부터 떨어진 체적부분은 별로 기여하지 못한다.

중형의 싱크로트론 방사광 시설에서, 하드 X선을 이용하기 위해서는 주기 자장의 피크값에서 2T를 넘는 강한 자장을 발생하는 위글러가 필요하다. 말할 필요도 없이, 위글러에서 발생되는 자장강도가 높아짐에 따라서 싱크로트론 방사광 시설은이용가치가 높아지고, 넓은 에너지 범위의 싱크로트론 방사광을 제공할 수 있다.

본 발명은 종래보다도 높은 주기 자장을 발생시킬 수 있는 하이브리드형 위글러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 본 발명은, 영구자석블럭들의 복수개로 형성된 배열과, 철 또는 철-코발트 합금과 같은 강자성재의 블럭들로 형성된 배열 사이에 갭 스페이스를 갖고 있는 한 쌍의 마주보는 페이싱 배열로 구성되어 있고, 하나의 배열에 있는 각 메인 영구자석블럭은 다른 배열에 있는 메인 영구자석 중 하나를 향해 있고, 하나의 배열에 있는 자극은 다른 배열에 있는 자극들 중 하나를 향해 있고, 자극들 각각은 한쌍의 보조 영구자석블럭들과 함께 옆면에 끼워져 있다.

도 1(A)는 본 발명의 하이브리드형 위글러의 xz평면에 따른 xz단면도이다.

도 1(B)는 도1(A)의 IB-IB면의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 하이브리드형 위글러에 사용하는 자장조정기구의 일례를 표시한 단면모식도이다.

도 3(A)는 본 발명의 실시예의 하이브리드형 위글러의 길이방향 단면도이다.

도 3(B)는 도3(A)의 ⅢB-ⅢB면의 단면도이다.

도 3(C)는 도3(A)의 ⅢC-ⅢC면의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예의 중심축에 따른 자장분포를 표시한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예의 주기 자장의 피크 값을 갭 거리(d)로 표시한 그래프이다.

도 6(A)는 삽입장치의 모식도이다.

도 6(B)는 도6(A)에서 설명한 삽입장치의 갭 스페이스에서 사인커브의 주기 자장을 표시한 것이다.

도 6(C)는 도6(A)에서 설명한 삽입장치의 갭 스페이스를 통과하는 사행 전자궤도이다.

도 7은 길이방향에 따른 할바치(Halbach)형 위글러의 yz단면 모식도이다.

도 8(A)는 종래 하이브리드형 위글러의 xz면의 단면도이다.

도 8(B)는 종래 하이브리드형 위글러의 yz면의 단면도이다.

본 발명의 하이브리드형 위글러의 가장 특징적인 것은, 배열안의 두개의 영구자석블럭들 사이에 배치되어 있는 각각의 자극들이 한쌍의 보조 영구자석블럭들과 함께 옆 표면에 샌드위치 형상으로 끼워져 있고, 두 배열 사이에 있는 갭 스페이스내에서 예상하지 못한 높은 자장이 발생되는 것이다.

이하에서, 본 발명의 하이브리드형 위글러를 도면에 기초하여 설명한다.

도1은 본 발명의 하이브리드형 위글러의 모식도로서, 도1(A)는 xz면의 단면도, 도1(B)는 도1(A)의 화살표 IB-IB로 표시된 라인에 따라서 자른 yz면의 단면도이다. 이들 도면에서, 하이브리드형 위글러는 한 쌍의 마주보는 페이싱 자석블럭 배열로 구성되어 있으며, 그 배열들 사이에 거리(d)의 갭 스페이스(G)를 갖고 있다. 각 배열은 도8(A), 도8(B)에 표시되어 있는 종래 하이브리드형 위글러와 같이, 복수개의 영구자석블럭들(1,1)(이하, 메인 자석들이라고 함)과, 강자성재의 복수개의 블럭들(3,3)(이하, 자극들이라고 함)로 형성되어 있고, 배열의 세로방향으로 교대로 배열되어 있다. 메인 자석들(1,1)의 자화방향은 z축방향을 따라서, 예를 들면 자석블럭배열의 세로방향으로 되어 있고, 메인 자석들은 각각의 단면(1,1)에 표시된 작은 화살표로 지시된 방향으로 교대로 자화된다. 메인 자석들(1,1)과 자극들(3,3)은 주로 갭 스페이스(G)에서 주기 자장을 발생시킨다.

종래의 하이브리드형 위글러에 있는 자석블럭 배열들과 다른 점은, 각각의 자극들(3,3)이 한쌍의 보조 영구자석블럭(2,2)(이하, 보조자석들이라고 함)과 함께 옆 표면에 샌드위치형상으로 끼워 넣어진다는 것이다. 즉, 각각의 자극들(3,3)은 4개의 영구자석블럭들에 의해서 둘러싸여져 있고, 그 들 중 2개는 배열의 세로방향으로 자극(3)을 사이에 끼우는 메인 자석들(1,1,)이고, 나머지 두개는 옆 표면에 자극(3)을 끼우는 보조 자석들(2,2)이다. 보조자석들의 자화방향은, z축에 수직하고 xz평면내에 있으며, 보조자석(2)의 자화방향은 자극(3)을 끼우고 있는 반대편의 보조자석(2)과 반대방향이고, 보조자석들(2,2)에 가장 가까운 보조 자석쌍과 반대방향이다. 이들 보조자석들(2,2)로 인하여 갭 스페이스(G)에 있는 사인커브의 주기 자장은 매우 강해질 수 있다.

메인 자석들(1), 보조 자석들(2), 자극들(3)의 엔드 표면(11,21,31)과, 갭 스페이스(G)는 각각 동일한 평면상에 있고, 반면 메인 자석들(1)의 바깥쪽 페이싱 엔드 표면(16,26)과, 보조 자석들(2)은 도1(B)에 표시된 우묵한 부분인 자극들(3,3)의 바깥쪽 표면(36)과 동일한 평면에 있지 않다. 각 블럭들(1,2,3)의 배열은 자속이 위글러 시스템 바깥쪽으로 누출되는 것을 방지할 수 있고, 역으로 자속을 갭 스페이스(G)쪽으로 집중시키기 위해서 중요하다.

삽입장치에서는, 자장분포의 변화를 최소로 하기 위한 요구가 일반적으로 많으므로, 자석블럭 배열들을 조립한 후에 자장조정을 행할 필요가 있다. 자장조정 방법에는 갭 스페이스(G)를 향하고 있는 영구자석블럭들 각각의 엔드 표면에 자성재의 얇은 판을 부착하는 방법이나, 영구자석블럭 열의 바깥쪽에 자장 조정의 효과를 갖고 있는 자성재로 이루어진 부재를 배치하는 방법 등이 있다. 전자의 방법은 상기한 영구자석블럭들의 엔드 표면에 상기한 자성재의 얇은 판을 부착할 수 있는 장소가 없기 때문에 본 발명의 하이브리드형 위글러에 적절하지 않고, 후자의 방법은 자석블럭 배열들을 유지하기 위한 프레임대의 구조를 복잡하게 하기 때문에 실용적이지 않다.

도2는 xy평면에서의 단면도에 의한 프레임 타입을 설명하고 있고, 영구자석블럭들(2,2)를 유지하는 홀더(4)와, 스러스트 나사(5)를 회전시키는 것에 의해서 마주보는 보조자석들(2,2) 사이에서 미끄러질 수 있는 모양으로 자극들(3)을 유지하는 홀더(8)를 포함하고 있고, 이러한 수단에 의해서 자극들(3)은 메인 영구자석블럭들(1,1)과 보조 영구자석블럭들(2,2)을 수직방향으로 바꿀 수 있다. 자극(3)의 위치는 갭 스페이스(G)내에 있는 자장강도에 크게 영향을 주기 때문에, 스러스트 나사(5)의 아주 작은 회전 조정으로도 자장 조정의 큰 효과를 얻을 수 있다.

자극들(3)을 형성하는 강자성재는 예를 들면, 철과 철에 기초한 합금계 재료로 할 수 있고, 높은 포화 자화을 보유하는 철코발트 합금이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

도3(A)~(C)에서 하이브리드형 위글러를 설명한다. 이 도형 차원은 밀리미터단위이다. 도3(A)는 중심축(C)을 포함하는 yz평면으로 자른 자석블럭배열 조립의 수직 단면도이다. 도3(B)는 도3(A)의 ⅢB-ⅢB 화살표로 표시된 라인을 따라서 자른 단면도, 도3(C)는 도3(A)의 ⅢC-ⅢC 화살표로 표시된 라인을 따라서 자른 단면도이다.

메인 자석들(1,1)과 보조 자석들(2,2)을 위해서 사용되는 영구자석 재료는 나머지 자화 Br=12.9kG, 강제 힘 iHc=12.9kOe 를 갖고 있는 Nd-Fe-B 소결자석(신에쯔 화학공업주식회사 제품명 N42H)을 사용하고, 자극들(3,3)은 포화 자화가 23.1kG인 Fe-Co계 합금(세멘듈, 토킨사 제품)을 사용한다. 세개의 자극들(3,3)은 각 자석블럭배열들이 100mm 이상이 되도록 조립되어 있다. 자석블럭배열들 사이의 갭 거리(d)는 3~30mm 로 한다.

비자기 홀더(4,8)로 조립되어 있는 한쌍의 보조 자석들(2,2)과 함께 옆 표면에 끼워 넣어지는 4개의 메인 자석들(1,1)과 3개의 자극들(3,3)로 이루어져 있는 자석블럭배열들은, 보호 가드(9)로 보호되고, 나사 볼트(11)를 갖고 있는 자석 프레서들(6)에 의한 자극들(3)의 바람직한 위치조정을 위해서, 스러스트 나사(5)를 삽입하기 위한 개구(10)를 갖고 있는 베이스 플레이트(7)에 부착되어 고정된다.

상기한 준비된 하이브리드 위글러는 실제 하이브리드 위글러의 1/2 감소된 크기인 테스트 모형이다. 예를 들면, 테스트 모형에서 갭 스페이스 거리(d) 5mm 는 실제 모형에서 갭 스페이스 거리 10mm에 해당한다.

횡좌표 z축을 따라서 거리(z)를 갖고 있고, 갭 거리가 3.5mm(실선), 5mm(점선)에서의 상기한 준비된 테스트 위글러에서, 중심축(C)을 따라서 y축 방향에서 주기 자장 B_y의 측정 결과를 도4에 표시한다. 여기에서, 상위측 피크 값(2)은 하위측 피크 값(1)보다 약간 작다. 이것은 상위측 피크가 역방향 피크 자장에 끼워지기 때문이다. 주기수가 많은 실제 기기의 위글러에서의 피크 자장은 중앙 피크인 피크(2)에 가까운 값으로 된다.

도5는 갭 스페이스 거리(d)가 30mm까지 변할 때, 피크(1)(커브1), 피크(2)(커브2)를 위한 자장의 피크값들(절대값들)을 표시하는 그래프이다. 갭 스페이스 거리(d)가 5.0mm 또는 3.5mm일 때, 실제 위글러에서 갭 스페이스 거리(d)는 각각 10mm, 7mm에 해당하고, 이 때 피크(2)의 피크 값은 2.8T, 3.0T 로 된다.

본 발명에 의하면, 높은 피크 자장을 발생시킬 수 있고, 이와 같은 높은 자장강도에 의해서 넓은 에너지 범위의 방사광을 제공할 수 있다.

Claims (7)

1. 자극들이 배열의 세로방향으로 배열되어 있고, 복수개의 메인 영구자석블럭들과 복수개의 강자성재블럭으로 형성되는 각 배열들 사이에 갭 스페이스를 갖고 있는 한 쌍의 마주보는 페이싱 배열들로 구성되어 있고, 하나의 배열에 있는 각 메인 영구자석블럭은 다른 배열에 있는 메인 영구자석 중 하나를 향해 있고, 하나의 배열에 있는 자극은 다른 배열에 있는 자극들 중 하나를 향해 있고, 자극들 각각은 한쌍의 보조 영구자석블럭들과 함께 옆면에 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
2. 제1항에 있어서, 각각의 자극들은, 자극이 한쌍의 메인 영구자석블럭들과 한쌍의 보조 영구자석블럭들로 둘러싸여진 공간내에서 배열의 세로방향에 수직인 방향으로 미끄러질 수 있게 하는 기계적인 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
3. 제1항에 있어서, 자극을 형성하는 강자성재는 철과 코발트의 합금인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
4. 제1항에 있어서, 메인 영구자석블럭의 자화방향은 배열의 세로방향에 평행하고, 자극 사이에 있는 가장 가까운 메인 영구자석블럭의 자화방향과 반대방향인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
5. 제1항에 있어서, 보조 영구자석블럭의 자화방향은 배열의 세로방향에 수직이고, 자극을 사이에 끼우고 있는 두개의 보조 영구자석블럭들은 다른 보조 영구자석블럭들과 역방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
6. 제1항에 있어서, 배열안에서 갭 스페이스를 향하고 있는 메인 영구자석블럭들과, 자극들과, 보조 영구자석블럭들의 엔드 표면들은 동일한 평면내에 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.
7. 제1항에 있어서, 갭 스페이스로부터 떨어져 있는 자극의 엔드 표면은, 갭 스페이스로부터 떨어져 있는 메인 영구자석블럭들과 보조 영구자석블럭들의 엔드 표면에 대하여 오목하게 들어간 것을 특징으로 하는 하이브리드형 위글러.