KR20020022870A - Magnetic probe with screening tube for eddy current reduction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 보호관(screening tube)의 맴돌이 전류(eddy current)를 최소화시키는 자장탐침(magnetic probe)에 관한 것으로, 특히, 플라즈마 진단 장비의 일종인 자장탐침을 고온 상태의 플라즈마로부터 보호함과 동시에 이로 인하여 보호관에 발생하는 맴돌이 전류를 감쇠시키기 위한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic probe that minimizes the eddy current of a screening tube. In particular, the present invention protects a magnetic field probe, which is a type of plasma diagnostic equipment, from a plasma at high temperature, This is to attenuate the eddy current generated in the protective tube.
무선주파수(RF, radio frequency) 영역의 플라즈마를 이용한 과학기술 및 산업기술 연구에 있어서 자장탐침은 매우 기초적인 진단 장비로 널리 이용되며, 특히 플라즈마가 고온인 경우에는 탐침의 보호가 필수적이다.Magnetic field probes are widely used as a very basic diagnostic equipment in scientific and industrial research using plasma in the radio frequency (RF) region. Especially, the protection of the probe is essential when the plasma is hot.
그러나, 탐침을 보호하는 소재의 선택에 있어서, 부도체를 사용하는 경우에는 자장 탐침이 측정하고자 하는 인덕턴스(inductance) 성분 이외에 커패시턴스(capacitance) 성분도 측정되므로 측정값 해석시 오차를 발생시킨다.However, in the selection of the material for protecting the probe, in the case of using an insulator, a capacitance component is measured in addition to the inductance component to be measured by the magnetic field probe, thereby causing an error in the measurement value analysis.
반면에, 탐침을 보호하는 소재로서 도체를 사용할 경우 커패시턴스 성분은 거의 제거되나 도체 표면에 발생하는 맴돌이 전류로 인하여 이 또한 측정값에 오차가 발생한다.On the other hand, when the conductor is used as a material for protecting the probe, the capacitance component is almost eliminated, but the eddy current generated on the surface of the conductor causes errors in the measured value.
따라서, 탐침과 측정데이타를 함께 보호할 수 있는 방법과 보호관(screening tube)의 개발이 필수적이다.Therefore, the development of a method and screening tube to protect the probe and measurement data together is essential.
본 발명은 상대적으로 오차 발생 효과가 적은 도체를 보호 소재로 선택하였을 경우 도체(screening tube) 표면에서 발생되는 맴돌이 전류를 최소화시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of minimizing eddy currents generated on the surface of a screening tube when a conductor having a relatively low error effect is selected as a protective material.
자장탐침을 이용한 기존의 국내외 실험에서는 탐침을 보호하는데 있어서 보호 소재를 유리와 같은 부도체를 활용하거나, SUS와 같은 도체를 사용하였을 경우 단순히 도체관의 표면에 얇은 슬롯(slot)을 내어 맴돌이 전류의 발생을 최소화 하려는 시도는 있었으나, 임의의 폐회로를 따라 형성되는 맴돌이 전류를 근본적으로 감쇠시키기 위한 방법으로는 적절하지 못했다.In the existing domestic and international experiments using magnetic field probes, when using a non-conductor such as glass as the protective material to protect the probe or using a conductor such as SUS, a simple slot is generated on the surface of the conductor tube to generate a eddy current. Attempts have been made to minimize, but this is not adequate as a way to fundamentally attenuate eddy currents formed along any closed loop.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 자장탐침의 보호관의 표면에 임의의 폐회로를 구성하는 맴돌이 전류의 경로를 차단함으로서 효과적으로 맴돌이 전류를 감소시켜, 자장탐침을 적절히 보호하고 측정치의 민감도를 향상시키는데 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the conventional problems as described above, by effectively reducing the eddy current by blocking the path of the eddy current constituting any closed circuit on the surface of the protective tube of the magnetic field probe, to properly protect the magnetic field probe The purpose is to improve the sensitivity of the measurements.
또한, 본 발명은 맴돌이 전류를 최소화하도록 구성된 보호관을 구비한 자장탐침을 제공하는데 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a magnetic field probe having a protective tube configured to minimize eddy currents.
도 1은 도체판에 자장이 통과할 때 맴돌이 전류의 폐경로 및 슬롯을 형성하여 맴돌이 전류 차단하는 방법을 나타내는 개념도.1 is a conceptual diagram illustrating a method of blocking eddy currents by forming a closed path and a slot of eddy currents when a magnetic field passes through the conductor plate.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따라 보호관에 슬롯을 내어 맴돌이 전류의 폐경로를 차단한 보호관의 구성도.Figure 2a and 2b is a block diagram of the protective tube blocking the closed path of the eddy current by making a slot in the protective tube according to the present invention.
도 3은 맴돌이 전류가 있는 종래의 보호관 및 본 발명에 따라 맴돌이 전류를 차단한 보호관의 비교도.Figure 3 is a comparison of the conventional protective tube with a eddy current and the protective tube blocking the eddy current in accordance with the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 맴돌이 전류를 최소화한 보호관을 구비한 이동식 자장탐침의 일실시예.Figure 4 is an embodiment of a mobile magnetic field probe having a protective tube minimized eddy current in accordance with the present invention.
도 5는 자장탐침의 측정시스템.5 is a measurement system of the magnetic field probe.
도 6은 보호관이 없는 탐침, 종래의 보호관을 구비한 탐침 및 본 발명에 따른 보호관을 구비한 탐침의 민감도 비교실험의 결과를 나타낸 그래프.6 is a graph showing the results of a sensitivity comparison experiment of a probe without a protective tube, a probe with a conventional protective tube and a probe with a protective tube according to the present invention.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 탐침봉, 상기 탐침봉 말단에 형성된 픽업코일 및 상기 픽업코일을 덮어 플라즈마로부터 탐침을 보호하는 보호관(3)을 포함하는 자장탐침에 있어서, 상기 보호관은 도체로 구성되며 축방향으로 표면으로부터 말단면에 연속적으로 다수개의 슬롯을 형성하여 맴돌이 전류를 최소화하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a magnetic field probe comprising a probe rod, a pickup coil formed at the tip of the probe rod, and a protection tube 3 covering the pickup coil to protect the probe from plasma, wherein the protection tube is composed of a conductor and a shaft. It is characterized in that the eddy current is minimized by forming a plurality of slots continuously from the surface to the end surface in the direction.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention with reference to the accompanying drawings in detail as follows.
도 1은 도체에 자장이 통과할 때 발생하는 맴돌이 전류를 감소시키기 위해 도체판에 슬롯을 내는 것을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating slotting in a conductor plate to reduce eddy currents generated when a magnetic field passes through the conductor.
도체에 자장이 통과하면 자장의 방향과 직각 방향으로 맴돌이 전류가 발생한다. 즉, 자장은 도체에 임의의 폐회로를 구성하는 맴돌이 전류를 발생시킨다. 도체판에 슬롯을 형성하면 폐회로를 구성하는 맴돌이 전류를 차단시켜 맴돌이 전류를 감소시킨다.When a magnetic field passes through a conductor, a eddy current is generated in a direction perpendicular to the direction of the magnetic field. In other words, the magnetic field generates eddy currents that constitute an arbitrary closed circuit in the conductor. Forming a slot in the conductor plate reduces the eddy current by blocking the eddy current constituting the closed circuit.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따라 보호관에 슬롯을 형성하여 폐경로를 차단한 탐침의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 보호관(3)의 축방향과 나란히 표면으로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 다수개의 슬롯(4)이 형성된다. 보호관의 슬롯이 형성된 내부에는 여러 개의 픽업코일(pick up coil)(2)이 배열된다. 탐침봉에 변화하는 자장이 지날 때, 보호관(3) 표면에는 맴돌이 전류가 발생되게 되는데(도 2b), 보호관(3)에 도 2a와 같이 슬롯을 형성하면 이를 감소시킬 수 있다. 즉, 임의의 폐회로에 발생하는 맴돌이 전류의 발생 경로를 차단하는 것이다. 슬롯은 맴돌이 전류가 발생하는 임의의 폐회로를 차단하며, 슬롯간의 간격은 탐침의 크기보다 작아야 한다.Figure 2a and 2b is a block diagram of a probe forming a slot in the protective tube according to the invention blocking the menopause. As shown in FIG. 2, a plurality of slots 4 are formed continuously from the surface to the distal end side by side in the axial direction of the protective tube 3. A plurality of pick up coils 2 are arranged inside the slot of the protective tube. When the magnetic field changes to the probe rod, a eddy current is generated on the surface of the protective tube 3 (FIG. 2B). If the slot is formed in the protective tube 3 as shown in FIG. 2A, this can be reduced. That is, it cuts off the generation path of the eddy current which arises in arbitrary closed circuits. The slots block any closed circuit where eddy currents are generated, and the spacing between slots should be smaller than the size of the probe.
도 3은 종래의 맴돌이 전류가 있는 보호관과 본 발명에 따라 맴돌이 전류를 차단하도록 슬롯을 형성한 보호관을 각각 비교하여 도시한 것이다.Figure 3 shows a comparison between the conventional protective tube with a eddy current and the protective tube formed with a slot to block the eddy current in accordance with the present invention.
종래의 보호관은 표면에 축방향으로 다수개의 슬롯이 형성되고, 이와 별도로 말단면에 하나의 슬롯이 형성되어 있다. 반면에 본 발명에 따른 보호관은 축방향으로 표면으로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 다수개의 슬롯이 형성되어 있어 종래의 발명과 다르게 구성되어 있다.Conventional protective tubes are formed with a plurality of slots in the axial direction on the surface, one slot is formed separately from the end surface. On the other hand, the protective tube according to the present invention has a plurality of slots formed continuously from the surface to the end surface in the axial direction is configured differently from the conventional invention.
도 4는 본 발명에 따른 이동식 자장탐침의 일실시예를 도시한 것이다.Figure 4 illustrates an embodiment of a mobile magnetic field probe according to the present invention.
본 실시예에서 이동식 자장탐침(10)은 두개의 작은 픽업코일(Bz, Bθ)(2), 직경 10mm의 SUS 304 재질의 보호관(3) 및 탐침봉(1)으로 구성된다. 코일(2)은 직경 0.254mm의 에나멜 와이어(enamel wire)로 제조되고, 직경 3.2mm의 세라믹 관 위에 5회 감긴다. 상기 관(3)은 플라즈마로부터 코일의 정전차폐를 위해 사용된다. 또한, 상기 관(3)은 튜브 위에 유도되는 맴돌이 전류 때문에 탐침의 주파수 응답을 감소시킨다. 관(3)의 표면저항이 높다면 그 영향은 작다. 여러 개의 슬롯(4)을 관의 축에 나란히 형성하여 표면이 더 높은 저항을 갖도록 한다. 도 4에 종래의 보호관 및 본 발명에 따른 보호관이 도시되어 있다. 슬롯이 형성된 보호관은 보호관 내부에 있는 픽업코일 근처에 위치된다.In the present embodiment, the movable magnetic field probe 10 is composed of two small pickup coils B z and B θ 2, a protective tube 3 made of SUS 304 and a probe rod 1 having a diameter of 10 mm. The coil 2 is made of enamel wire having a diameter of 0.254 mm and wound five times on a ceramic tube having a diameter of 3.2 mm. The tube 3 is used for electrostatic shielding of the coil from the plasma. The tube 3 also reduces the frequency response of the probe due to the eddy currents induced over the tube. If the surface resistance of the pipe 3 is high, the influence is small. Several slots 4 are formed side by side on the axis of the tube so that the surface has higher resistance. 4 shows a conventional sheath and a sheath according to the invention. The slotted sheath is located near the pickup coil inside the sheath.
종래의 보호관은 표면에 8개의 슬롯과 말단면에 하나의 슬롯이 형성되어 있다. 보호관의 두께는 1mm이며, 탐침 어레이 내에서 사용된다.Conventional protective tube is formed with eight slots on the surface and one slot on the end surface. The sheath thickness is 1 mm and is used in the probe array.
반면에, 본 발명에 따른 보호관은 맴돌이 전류를 감소시키기 위하여, 보호관의 표면(31)과 말단면(32)에 연속적으로 형성된 6개의 슬롯(4)을 갖는다. 여기에서 보호관의 두께는 0.3mm이다. 본 발명에 따른 보호관은 이동식 자장탐침의 커버로서 사용된다.On the other hand, the protective tube according to the present invention has six slots 4 formed in succession on the surface 31 and the end face 32 of the protective tube in order to reduce the eddy current. The thickness of the protective tube here is 0.3 mm. The protective tube according to the invention is used as a cover of a mobile magnetic field probe.
자장탐침의 민감도는 1~10㎒의 주파수 영역에서 헬름홀쯔 코일(Helmholtz coil)을 사용하여 측정된다. 도 5는 자장탐침의 측정시스템을 보여준다. 네트워크 분석기(network analyzer)를 사용하여 탐침의 민감도는 2-포트(2-port) 방식을 사용한 S 파라미터로부터 하기식에 의해 얻을 수 있다.The sensitivity of the magnetic field probe is measured using a Helmholtz coil in the frequency range 1-10 MHz. 5 shows a measuring system of a magnetic field probe. The sensitivity of the probe using a network analyzer can be obtained by the following equation from the S parameter using a 2-port method.
여기에서 S21, S22, S11는 네트워크 분석기에 의해 측정되는 파라미터이고, IHC는 헬름홀쯔 코일에 흐르는 전류, k는 상수, Z는 입력 임피던스이다. 특히, 진공 가변 커패시터(VVC, vacuum variable capacitor)가 낮은 자기유도 및 높은 정밀도의 커패시턴스를 갖기 때문에 사용된다.Where S 21 , S 22 , and S 11 are parameters measured by the network analyzer, I HC is the current flowing through the Helmholtz coil, k is a constant, and Z is the input impedance. In particular, vacuum variable capacitors (VVCs) are used because they have low magnetic induction and high precision capacitance.
도 6는 종래에 사용되던 보호관과 본 발명에 따른 보호관의 주파수대 민감도의 비교 실험의 결과 그래프이다.Figure 6 is a graph of the results of a comparison experiment of the frequency band sensitivity of the protective tube used in the prior art and the protective tube according to the present invention.
도 6의 그래프는 동일한 조건과 장소에서 보호관만을 달리하여 반복된 실험치를 평균적으로 나타낸 그래프이며, 사용된 주파수 영역은 2MHz부터 10MHz이다.The graph of FIG. 6 is a graph showing the average of repeated experiments with different protection tubes only under the same conditions and places, and the frequency range used is 2 MHz to 10 MHz.
그래프에서 직선은 열역학적 이론치를 나타낸다. 열역학적 이론치는 하기식에 의해 계산된다.The straight line in the graph represents the thermodynamic theory. The thermodynamic theoretical value is calculated by the following formula.
상기 수학식 2는 자장탐침용 등가회로를 나타낸다. 상기 수학식 2에서 저항(Rp=0.6~1.1Ω) 및 인덕턴스(Lp=0.28~0.3㎌)의 탐침 측정치가 사용된다. 측정치와 이론치의 불일치는 RF 주파수의 증가에 따라 증가한다. 주파수가 높아질수록 불일치가 커지는 것은 탐침의 신호 유도를 배제하고 민감도를 계산하기 때문이다.그래프에서 사각형으로 이루어진 선이 보호관 없이 사용된 것으로, 본 발명에 따른 보호관은 보호관이 없는 탐침의 민감도보다 더 작은 불일치를 갖는다. 보호관을 사용하였을 때, 이 선과 차이가 적을수록 좋은 결과를 나타낸다.Equation 2 shows an equivalent circuit for the magnetic field probe. In Equation 2, a probe measurement value of resistance (R p = 0.6 to 1.1 mA) and inductance (L p = 0.28 to 0.3 mA) is used. The discrepancy between measured and theoretical values increases with increasing RF frequency. The higher the frequency, the greater the discrepancy, because it excludes the probe's signal induction and calculates the sensitivity. A square line in the graph is used without the sheath, and the sheath according to the invention is smaller than the sensitivity of the probe without the sheath. Have a mismatch. When sheaths are used, the smaller the difference from this line, the better the results.
또한, 종래에 사용되던 보호관을 적용시킨 원으로 이루어진 선보다 본 발명에 따라 맴돌이 전류를 차단시킨 보호관의 결과인 삼각형으로 이루어진 선이 훨씬 좋은 결과를 보여주고 있음을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 보호관을 가진 탐침의 측정 민감도는 종래의 탐침보다 높다.In addition, it can be seen that the line consisting of a triangle that is a result of the protective tube blocking the eddy current according to the present invention shows a much better result than the line consisting of a circle to which the protective tube used in the prior art. That is, the measurement sensitivity of the probe with the protective tube according to the present invention is higher than the conventional probe.
본 발명에 따른 보호관을 갖는 탐침의 민감도는 1~10㎒의 주파수에서, 0.05~0.55 V/Gauss을 얻는다.The sensitivity of the probe with a protective tube according to the invention is obtained at 0.05 to 0.55 V / Gauss at a frequency of 1 to 10 MHz.
따라서, 본 발명에 따른 자장탐침은 맴돌이 전류를 최소화시킨 보화관을 사용하여 RF 영역의 측정의 민감도를 개선한다.Therefore, the magnetic field probe according to the present invention improves the sensitivity of the measurement of the RF region by using a retaining tube which minimizes the eddy current.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자장탐침은 맴돌이 전류를 최소화시킨 보호관을 사용함으로써, RF 플라즈마 영역의 기술연구에 있어서 발생할 수 있는 탐침의 보호 문제와 전자기적 반작용을 동시에 해결할 수 있는 방법을 제공하는 효과가 있다.As described above, the magnetic field probe according to the present invention uses a protective tube with a minimum eddy current, thereby providing a method for simultaneously solving the probe protection problem and the electromagnetic reaction which may occur in the technical study of the RF plasma region. It works.
또한, 맴돌이 전류로부터 안전하게 도체를 사용할 수 있는 방법을 찾는 다른 분야에서 이러한 방법이 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.In addition, this method may be effectively applied in other areas where the conductor can be used safely from eddy currents.
이와 같이 본 발명은 자장탐침의 보호관에 슬롯을 형성하여 맴돌이 전류를 차단하는 방법에 관한 것으로, 본 발명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 것에만 한정되지 않는다.As such, the present invention relates to a method of blocking a eddy current by forming a slot in a protective tube of a magnetic field probe, and may be sufficiently changed, converted, substituted, and replaced in consideration of the present invention, and is not limited to the above.
Claims (1)
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Cited By (1)
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KR100854069B1 (en) * | 2007-01-23 | 2008-08-25 | 한국기초과학지원연구원 | Magnetic probe for the measurement of the high frequency magnetic fluctuation under the high temperature, ultra-vacuum and high magnetic field environments |
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KR100854069B1 (en) * | 2007-01-23 | 2008-08-25 | 한국기초과학지원연구원 | Magnetic probe for the measurement of the high frequency magnetic fluctuation under the high temperature, ultra-vacuum and high magnetic field environments |
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