KR20090121022A - 수평으로 편광된 ｘ선 이미지결정분광기 및 수직으로편광된 ｘ선 이미지결정분광기를 포함하는 핵융합 플라즈마진단용 ｘ선 분광 시스템 - Google Patents

수평으로 편광된 ｘ선 이미지결정분광기 및 수직으로편광된 ｘ선 이미지결정분광기를 포함하는 핵융합 플라즈마진단용 ｘ선 분광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핵융합 장치에서 발생하는 플라즈마의 이온 및 전자의 온도 분포뿐 아니라 플라즈마의 회전속도 분포까지도 동시에 측정할 수 있는 X선 분광 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 X선 분광 시스템에서는 수평으로 편광된 X선 이미지결정분광기(X-ray imaging crystal spectrometer)와 수직으로 편광된 X선 이미지결정분광기를 동시에 포함함으로써, 두 대의 X선 이미지결정분광기에 의하여 서로 다른 물리적인 측정을 동시에 구현할 수 있다.
플라즈마, 이온 및 전자온도, 회전속도 분포, X선, 브래그 반사

Description

수평으로 편광된 Ｘ선 이미지결정분광기 및 수직으로 편광된 Ｘ선 이미지결정분광기를 포함하는 핵융합 플라즈마 진단용 Ｘ선 분광 시스템{X-RAY SPECTROMETER SYSTEM FOR FUSION PLASMAS COMPRISING A HORIZONTALLY POLARIZED X-RAY SPECTROMETER AND A VERTICALLY POLARIZED X-RAY SPECTROMETER}
본 발명은 핵융합 장치에서 발생하는 플라즈마의 이온 및 전자의 온도 분포뿐 아니라 플라즈마의 회전속도 분포까지도 동시에 측정할 수 있는 X선 분광 시스템에 관한 것이다.
핵융합이란 복수의, 통상적으로는 2개의 비교적 가벼운 핵이 서로 충돌하여 핵 사이의 강한 반발력을 극복하고 무거운 핵을 형성하는 현상 또는 그 과정을 말한다. 핵융합을 진행하는 과정에 있어서, 양성자로 인하여 양의 전하를 띤 핵들 사이에는 쿨롱의 힘이라 불리는 정전기적 척력이 작용하는데, 핵들이 이러한 척력을 극복하고 중성자 등 소립자 간의 근거리력인 핵력이 작용할 수 있도록 충분히 근접하여야만 핵융합이 가능하다. 이러한 핵융합은 아주 높은 온도에서 전자와 핵(즉, 이온)이 분리된 채 고루 섞여 분포되어 있는 플라스마 상태에서 이루어지는 것이 일반적이다.
핵융합이 가능한 고온 플라스마 상태는 매우 높은 온도를 요구하므로 현실적으로 그러한 고온 상태를 구현하는 것은 많은 어려움이 있으며, 따라서 이러한 핵융합 실현을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 핵융합을 가능케 하는 방법 중에 하나로서 전자기력을 이용하는 방법이 있다. 상기 전자기력을 이용하는 방법에서는 대전 입자를 가두는 감금시간, 즉 플라스마 상태의 지속시간을 늘릴수록 핵융합 반응의 가능성이 커진다. 이때, 플라스마가 핵융합 반응을 일으키기 위한 시간보다 감금시간이 더 길어야 한다는 것이 요구되며, 이에 따라, 얼마나 큰 플라스마가 얼마나 오랫동안 핵융합 반응로 내에 있어야 하는 지가 중요한데, 현재 플라스마의 밀폐상태를 지속하기 위한 장치 및 방법으로서 토카막 핵융합로가 있다
플라스마의 밀폐시간을 연장하기 위해, 즉, 핵융합 반응의 확률을 높이기 위해, 현재 활발히 연구 중에 있는 것이 토카막 핵융합로이다.
토카막이란 핵융합 때 물질의 제4상태인 플라스마 상태로 변하는 핵융합 발전용 연료기체를 담아두는 용기(容器)를 말한다. 일반적으로 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 온도가 1억℃, 이온밀도 1cm3당 100조(兆) 개 정도의 초고온 플라스마를 약 1초 동안 일정한 용기 속에 밀폐해 둘 필요가 있다. 이때 용기에 플라스마가 닿으면 용기가 녹아버리므로, 플라스마를 강한 자기장에 의해 용기 중앙부의 공간에 띄우는 것을 생각하게 되었다. 이것이 플라스마 밀폐장치인데, 도너츠 모양을 한 진공용기 주위에 코일을 감고, 이 코일이 만드는 강한 자기장과 용기 중심부에 있는 플라스마에 전류를 발생시켜 플라스마를 안정적으로 밀폐하는 것이다.
이러한 토카막 내의 플라즈마 실험에서 측정해야 될 변수는 상당히 다양하다. 측정될 변수들 중 이온 및 전자 온도를 측정하는 것은 플라즈마 특성을 파악하는 데 대단히 중요하고, 또한 플라즈마의 회전분포 또는 회전속도 분포를 측정하는 것 역시 플라즈마 특성을 파악하는 데 매우 중요하다.
한편 상기 플라즈마는 X선을 방출하는데, 상기 방출되는 X선에는 플라즈마 변수의 특성이 포함되어 있다. 따라서 플라즈마로부터 방출되는 X선의 특성을 측정함으로써 플라즈마 변수의 중요한 요소들 중 플라즈마 이온 및 전자 온도분포와 플라즈마의 회전분포 또는 회전속도 분포를 측정하는 연구가 진행되고 있다.
그런데, 종래 플라즈마로부터 방출되는 X선을 측정하는 방법에 따를 경우, 플라즈마의 이온과 전자온도 분포를 정확히 측정하고자 하면 플라즈마의 회전 속도 분포를 측정하는 범위가 제한적으로 좁아지게 되는 문제점이 있으며, 또한, 플라즈마의 회전 속도 분포를 정확하게 측정하고자 하면 플라즈마의 이온과 전자온도 분포를 측정하는 범위가 제한적으로 좁아지는 문제점이 있었다. 따라서, 플라즈마의 이온과 전자온도 분포 및 플라즈마의 회전 속도 분포를 정확하게 측정하기 위해서는 각각의 측정대상에 대해 별도의 X선 이미지 결정분광기 시스템이 각각 필요하게 된다.
한편, 현재까지 연구된 X선을 이용한 플라즈마 측정 기술에 의하면, X선의 공간적 분포를 분광시키기 위해서는 대규모 시스템이 필요한 등 그 구현이 상당히 어렵다. 현재의 연구 단계에서는 원통형 결정을 이용하려는 시도가 진행 중에 있기 는 하지만, 이러한 경우 경도 90도의 초점이 존재하지 않기 때문에 경도 90도 초점을 이용한 이미지 분광이 불가능하다. 따라서, 오직 경도 0도의 초점만을 이용하여 이미지 분광을 해야 하고, 이러한 이유로 결정 한 개에 분광기 한 대가 설치되어야 한다. 따라서, 플라즈마로부터 발생되는 X선의 공간적인 분포를 분광시키기 위해서는 많은 수의 분광기가 필요하다.
또한, 플라즈마 붕괴시 전체 토카막 장치는 20mm 이상 움직이는 엄청난 힘이 발생하는데 이러한 경우와, 분광 시스템의 주기적인 점검이나 부품을 교체한 경우, 분광 시스템은 오차가 발생하게 되어 보정(Calibration)이 필요하다. 그러나 현재 연구 중인 분광 시스템은 처음 설치할 때만 보정을 할 수 있을 뿐 주기적인 보정을 하기 위한 보정 기능을 구비하고 있지 못하고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 수평으로 편광된 X선 이미지결정분광기와 수직으로 편광된 X선 이미지결정분광기를 모두 포함하여 플라즈마의 이온 및 전자 온도 분포와 플라즈마의 회전속도 분포 모두를 넓은 측정범위에서 한 번에 측정할 수 있는 X선 분광 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 보정 수단을 구비하여 주기적인 시스템 점검 및 부품 교체후 X선 이미지결정 분광기의 눈금 맞추기 보정 기능을 쉽고 정확하게 하기 위하여 눈금 맞추기 보정 기능을 구비한 X선 분광 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수평으로 편광된 X선 이미지결정분광기와 수직으로 편광된 X선 이미지결정분광기를 한꺼번에 보정할 수 있는 보정 수단을 구비한 X선 분광 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 X선 분광 시스템은 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치의 플라즈마로부터 발생된 X선의 특성을 측정하기 위하여 수평으로 편광된 X선 이미지결정분광기와 수직으로 편광된 X선 이미지결정분광기를 모두 포함한다.
본 발명에 의할 경우, 상기 수평으로 편광된 제 1 X선 이미지결정분광기에 의하여 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치 내 플라즈마의 이온 및 전자 온도 분포를 측정할 수 있고, 또한 수직으로 편광된 제 2 X선 이미지결정분광기에 의하 여 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치 내 플라즈마의 회전속도 분포를 측정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 X선 분광 시스템은 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 플라즈마로부터 발생된 X선을 수평방향으로 반사시키기 위한 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 1 구면결정(20)에서 반사된 X선을 검출하기 위한 제 1 검출기(10)를 포함하는 제 1 X선 이미지 결정 분광기; 및 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 플라즈마로부터 발생된 X선을 수직방향으로 반사시키기 위한 제 2 구면결정(200) 및 상기 제 2 구면결정(200)에서 반사된 X선을 검출하기 위한 제 2 검출기(100)를 포함하는 제 2 X선 이미지 결정 분광기를 포함하며, 상기 제 1 구면결정(20)은 상기 제 1 구면결정에서 반사되는 X선의 경도 90도의 초점(sagittal focus)이 무한대가 되도록 배치되고, 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 1 검출기(10)는 제 1 론란원(R1) 상에 배치되며, 상기 제 2 구면결정은(200) 상기 제 2 구면결정에서 반사되는 X선의 경도 0도의 초점(sagittal focus)이 무한대가 되도록 배치되고, 상기 제 2 구면결정(200) 및 상기 제 2 검출기(100)는 제 2 론란원(R2) 상에 배치된다.
여기서, 제 1 구면결정(20)에서는 X선을 반사할 때 X선을 수평으로 편광시키며 제 2 구면결정(200)에서는 X선을 반사할 때 X선을 수평으로 편광시킨다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 제 1 검출기(10)의 위치를 보정하기 위한 X선을 상기 제 1 구면결정(20)에 조사시키는 제 1 X선 발생기(30) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하기 위한 X선을 상기 제 2 구면결 정(200)에 조사시키는 제 2 X선 발생기(300)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 X선 발생기(30)는 상기 제 1 론란원(R1) 상에 배치되고, 상기 제 2 X선 발생기(300)는 상기 제 2 론란원(R2) 상에 배치된다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 하나의 X선 발생기(32)에 의하여 상기 제1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 일례에 따른 X선 분광 시스템은, 상기 제1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하기 위한 각각의 X선을 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)에 각각 조사시킬 수 있는 X선 발생기(32)를 더 포함한다. 이때, 상기 X선 발생기(32)는 상기 제 1 론란원과 상기 제 2 론란원이 교차되는 지점에 배치된다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)에 연결되어 상기 플라즈마로부터 발생된 X선을 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)으로 안내하기 위한 X선 안내덕트(50)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 X선 안내덕트(50)는 그 내부가 진공으로 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 제 1 구면결정(20)에서 반사된 X선이 상기 제 1 검출기(10)로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 1 검출기용 진공덕트(40) 및 상기 제 2 구면결정(200)에서 반사된 X선이 상기 제 2 검출기(100)로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 2 검출기용 진공덕트(400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 제 1 X선 발생기(30)로부터 발생된 X선이 상기 제 1 구면결정(20)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 1 X선 발생기용 진공덕트(60) 및 상기 제 2 X선 발생기(300)로부터 발생된 X선이 상기 제 2 구면결정(200)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 2 X선 발생기용 진공덕트(600)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 X선 발생기(32)로부터 발생된 X선이 상기 제 1 구면결정(20) 및 제 2 구면결정(200)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 X선 발생기용 진공덕트(66)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 플라즈마로부터 방출되는 X선이 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)에 각각 45도 각도로 입사되도록 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)이 배치되도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템에 있어서 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)은 각각 고정장치에 의하여 회전 가능하게 고정될 수 있다. 이때, 상기 고정장치는 상기 제 1 구면결정(20)와 상기 제 2 구면결정(200)의 각각의 테두리 부위를 수납하는 하우징(21)과 상기 하우징과 연결된 회전부재(22)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 제 1 X선 발생기(30), 상기 제 2 X선 발생기(300) 및 상기 X선 발생기(32)에서 발생되는 X선은 Fe-55 X선으로 할 수 있 다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 제 1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)는 2차원 다중선 비례계수기와 픽셀검출기 중 어느 하나로 구성되는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 구면결정의 기하학적인 구조에 의해 발생되는 비점수차를 이용하여 X선의 공간적 분포를 한 번에 분광할 수 있고, 분광된 X선을 분석함으로써 플라즈마 변수 중 이온 및 전자 온도 분포뿐만 아니라 플라즈마의 회전속도 분포까지도 동시에 측정할 수 있다.
또한, X선 발생기를 이용하여 구면결정에 X선을 조사하고 구면결정에 의해 반사된 X선을 검출기를 이용하여 검출하며 검출기에 의해 검출된 결과에 따라 검출기 또는 구면결정의 위치를 조절함으로써 부품 교환이나 시스템 점검 후 또는 플라즈마 붕괴 후 정밀하고 용이하게 분광 시스템의 보정을 할 수 있다.
한편, 검출기와 구면결정을 진공상태로 유지하고, 검출기용 진공덕트와 X선 안내덕트 및 X선 발생기용 진공덕트에 의해 X선이 진행하는 경로를 진공상태로 유지함으로써, 미약한 강도의 X선 뿐만 아니라 높은 강도의 X선의 정밀하게 검출할 수 있다. 이에 의해, 플라즈마 이온 및 전자의 온도를 보다 정밀하게 검출할 수 있게 된다. 또한, 복수의 덕트를 이용함으로써 시스템의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 시스템 제작을 저렴하고 용이하게 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 분광 시스템에 대하여 상세히 설명하다.
도 1은 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치에 하나의 X선 이미지 결정 분광기가 구비된 X선 분광 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
상기 도 1에 개시된 X선 분광 시스템은 본 발명에 의한 X선 분광 시스템과는 달리 하나의 X선 이미지 결정 분광기만이 구비된 것이기는 하지만, 상기 도 1에 의한 X선 분광시스템은 본 발명을 이해하는 데 도움이 되며, 그 구성 요소의 명칭에도 동일성이 있다. 따라서 특별히 지시부호를 붙여 구별하지 않은 동일 구성요소는 도 1과 본 발명의 실시예에서 그 구성 및 작용이 동일하다고 할 수 있을 것이다.
도 1에 따른 X선 분광 시스템은, 토카막 플라즈마 발생장치(1) 내부에 존재하는 플라즈마로부터 방출된 X선을 분석하여 플라즈마 이온 및 전자의 온도를 검출할 수 있는 X선 분광 시스템으로서, 검출기(10)와, 구면결정(20)과, X선 발생기(30)와, 검출기용 진공덕트(40)와, X선 안내덕트(50)와, X선 발생기용 진공덕트(60)를 포함한다.
하기 설명은 도 3 및 도 5에 도시된 X선 분광 시스템에도 적용된다. 다만, 도 1에 의한 X선 분광 시스템과 달리 도 3 및 도 5에 도시된 X선 분광 시스템에는 수직으로 편광된 제 2 X선 이미지 결정분광기가 더 포함되어 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치 내 플라즈마의 회전속도 분포를 측정할 수 있다.
도 1의 검출기(10) 및 도 3과 도 5에서의 제 1 검출기(10)는 입사된 X선으로 부터 플라즈마 이온 및 전자의 온도를 검출하기 위한 것이다. 이하 편의상 검출기(10)라 한다. 도 1을 설명하는 데 있어서 다른 구성요소도 동일하다.
상기 검출기(10)로서는 이차원 다중선 비례계수기나 픽셀검출기 등이 이용될 수 있다. 상기 이차원 다중선 비례계수기와 상기 픽셀검출기는 이미 공지된 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 검출기(10)에는 상기 구면결정(20)으로부터 반사되어 X선이 입사된다.
상기 검출기(10)는 상기 구면결정(20)의 곡률반지름을 지름으로 하는 론란원(Rowland Circle) 상에 위치하도록 배치된다.
상기 론란원이란 오목면의 곡률 반지름을 지름으로 하는 원을 말한다. 론란원은 오목회절발의 결상조건에 대해 중요한 뜻을 지니는데, 오목회절발의 고안자 H. 론란드(H. Rowland)의 이름을 딴 것이다. 론란원 상의 한 점에 오목회절발을 외접시키고, 입사 슬릿을 상기 론란원 위의 임의의 점에 놓고 빛을 입사시키면, 오목회절발에서 분산 또는 결상된 스펙트럼은 모두 같은 원주 위에 놓이게 된다.
상기 구면결정(20)은 상기 플라즈마로부터 발생된 X선을 상기 검출기(10)로 반사시킨다. 보다 구체적으로, 상기 구면결정(20)은 하기된 수학식 1과 같은 브래그 법칙에 의해 다차수 반사를 일으킨다.
n=2d x sinθ/λ
여기서, n은 브래그 반사의 차수, 2d는 결정의 격자간 거리, θ는 브래그 각, λ는 결정에서 반사되어 나오는 X선 파장이다.
상기 구면결정(20)은 수학식 1을 만족시키는 다양한 차수의 파장을 가지는 X선을 상기 검출기(10)로 집속시킨다. 보다 구체적으로 플라즈마로부터 발생되는 X선은 상기 구면결정(20)으로 입사되며, 상기 구면결정(20)에 입사된 X선은 상기 검출기(10)에 집속된다. 이는 상기 검출기(10) 및 상기 구면결정(20)이 론란원상에 배치되기 때문이다. 특히, 플라즈마로부터 발생되는 X선 중 서로 평행한 X선도 상기 구면결정(20)에 의해 상기 검출기(10)에 집속된다.
즉, 플라즈마로부터 발생되는 X선 중 경도 90도 초점이 무한대인 상호 나란한 X선이 검출기(10)에 집속되기 때문에 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 반경방향에 따른 플라즈마 이온 및 전자의 온도 분포에 대한 정보를 가지고 있는 X선의 공간 분포를 하나의 검출기(10)에 의해 검출될 수 있다.
상기 검출기(10)를 광원으로 가정하면, 검출기(10)로부터 출사되는 X선은 상기 구면결정(20)으로부터 반사되어 도 2에 도시된 바와 같은 비점수차가 발생한다.
상기 비점수차를 보다 구체적으로 설명하면, 구면으로 벤딩된 결정의 기하학적 특성으로 인해 구면결정(20)의 곡률반경에 해당하는 경도 0도의 초점(Meridional focus)과 경도 90도의 초점(sagittal focus)이 서로 어긋나는 현상을 말한다. 하기된 경도 0도의 초점과 경도 90도의 초점은 각각 수학식 2 및 수학식 3에 의해 구해질 수 있다.
Fm = 2R x sinθ
Fs = - Fm/cos(2θ)
여기서, Fm은 경도 0도의 초점(Meridional focus)을 나타내고, Fs는 경도 90도의 초점(Saggital focus)을 나타낸다.
한편, 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 브래그 각(θ)이 45도이면 경도 90도 초점은 무한대가 되고, 경도 0도 초점은 론란원 상에 위치하게 된다.
이와 같이, 구면결정의 기하학적인 비점수차 원리를 이용하면 브래그 각, 구면결정의 곡률반경, 결정의 크기와 모양, 결정에서 떨어진 거리에 따라서 원하는 플라즈마 이미지를 분광할 수 있게 된다.
즉, 브래그 각이 45도이고, 광원(검출기(10))으로부터 출사되어 구면결정(20)에 의해 분광된 X선은 론란원상에 선 집속된다. 그리고, 경도 90도 초점은 무한대가 된다. 이를 거꾸로 플라즈마로부터 발생되는 경도 90도 초점이 무한대인 X선과 론란원 상에 경도 0도의 초점이 위치하는 X선은 검출기(10)에 집속된다. 구면결정(20)에 의해 론란원 상에 경도 0도의 초점이 위치하는 X선 뿐만 아니라 경도 90도 초점이 무한대인 X선도 검출기(20)에 집속되기 때문에 하나의 구면결정(20)에 의해 플라즈마로부터 발생되는 X선의 공간적 분포를 한 번의 분광에 의해 검출할 수 있다. 그리고 검출기(10)는 분광된 이미지로부터 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 반경방향에 따른 플라즈마 이온 및 전자 온도의 분포를 산출할 수 있다.
상기 X선 발생기(30)는 주기적인 시스템 점검 및 부품교체 후 또는 플라즈마 붕괴 후 분광기 시스템을 보정(in situ calibration)하기 위한 것으로서, 상기 X선 발생기(30)는 X선을 구면결정(20)로 방출시킨다. 물론, 상기 구면결정(20)은 구면결정(20)이 상기 X선 발생기(30)와 마주하도록 회전된 상태이어야 한다. 구면결정(20)에 입사된 X선은 검출기(10)로 반사되어 검출기(10)에 입사된다.
그리고 검출기(10)에 입사된 X선으로부터 검출기(10)와 구면결정(20) 등 각 부품의 위치를 보정하게 된다. 특히, 검출기(10)가 론란원 상에 위치하기 때문에 상기 X선 발생기(30)로부터 출사되어 상기 구면결정(20)에 의해 반사된 X선의 경도 0도의 초점이 상기 검출기(10)에 형성되어야 한다. 이와 같은 원리에 의해 상기 검출기(10)의 위치를 검출하게 된다.
상기 검출기(10)의 위치를 더욱 정밀하게 보정하기 위해 상기 구면결정(20) 이 플라즈마와 마주한 상태에서 180도 회전시키면 상기 구면결정(20)이 상기 X선 발생기(30)를 마주하게 되는 위치에 상기 X선 발생기(30)와 상기 구면결정(20)을 배치하는 것이 바람직하다.
상기 구면결정(20)은 하우징(21) 및 회전부재(22)를 포함하는 고정장치에 의하여 회전가능하게 고정된다.
보다 구체적으로, 상기 구면결정(20)은 180도 회전시 플라즈마와 X선 발생기(30)를 선택적으로 바라볼 수 있는 회전축을 중심으로 회전가능하게 상기 하우징(21)에 설치된다. 상기 구면결정(20)을 회전가능하게 하우징(21)에 설치되는 구조는 이미 광학기기 중 단계별로 회전하는 로테이션널 스테이지(rotational stage) 광학기기가 공지되어 사용되고 있으므로 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 자명하게 설계 및 구현할 수 있는 사항이므로 상세한 설명 및 도면은 생략하기로 한다.
이러한 X선 발생기(30)는 구면결정(20)과 검출기(10)와 함께 론란원 상에 배치되어 X선 발생기(30)로부터 출사되어 구면결정(20)에 의해 반사된 X선이 검출기(10)에 집속되게 되고, 이에 의해 더욱 정밀하게 인-시튜 보정을 할 수 있게 된다. 이러한 과정은 도 2에 검출기(10)를 X선 발생기(30)로 가정하면, 경도 0도 초점이 검출기(10)가 배치되어야 하는 위치이다.
상기 X선 발생기(30)는 통상적으로 전자의 공급원과 2개의 금속 전극을 포함한다. 두 개의 전극 사이에 수만 볼트의 높은 전압이 걸려있으면 이것에 의해 전원의 음극쪽에서 전자가 방출되어 전원의 양극쪽에 있는 금속 타겟(metal target)에 고속으로 충돌되면서 X선이 방사된다.
상기 X선의 방출 스펙트럼에는 연속 스펙트럼과 선스펙트럼이 있다. 즉, X선에는 연속 스펙트럼을 나타내는 연속 X선(continuous X-ray 또는 white X-ray)과 선 스펙트럼을 나타내는 특성 X선(characteristic X-ray) 2종류가 있다. 연속 X선은 전자가 타겟에 충돌하면서, 전자가 가지고 있던 운동에너지 일부가 X선(X-rays) 광양자로 변화되면서 생기는 제동방사(Bremsstrahlung)에 의한 것으로서, "백색 복사선" 또는 "Bremsstrahlung"이라고도 불린다.
한편, 플라즈마 밀도와 온도가 상대적으로 낮아서 약한 강도 및 긴 파장의 X선이 발생하는 경우 X선의 경로는 진공상태로 유지되어야 한다. 이를 위해서, 검출기용 진공덕트(40)와, X선 안내덕트(50) 및 X선 발생기용 진공덕트(60)가 마련된 다.
상기 검출기용 진공덕트(40)는 구면결정(20)으로부터 반사된 X선의 경로를 진공으로 유지하기 위한 것으로서, 일단이 구면결정(20)을 진공으로 유지하기 위한 하우징(21)에 연결되고 타단은 상기 검출기(10)에 연결된다. 상기 검출기(10) 또한 진공상태로 유지될 수 있도록 밀봉된 하우징(11) 내부에 위치할 수 있다.
상기 X선 안내덕트(50)는 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)로부터 발생된 X선을 구면결정(20)으로 안내하기 위한 것으로서, 그 내부는 진공으로 유지된다. 상기 X선 안내덕트(50)의 일단은 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)에 연결되고 타단은 상기 구면결정(20)을 진공으로 유지하기 위한 하우징(21)에 연결된다.
상기 X선 발생기용 진공덕트(60)는 X선 발생기(30)와 구면결정(20) 사이의 X선 경로를 진공상태로 유지하기 위한 것으로서, 일단은 상기 X선 발생기(30)를 진공상태로 유지하기 위한 하우징(31)에 연결되고 타단은 상기 구면결정(20)을 진공상태로 유지하기 위한 하우징(21)에 연결된다.
상술한 검출기용 진공덕트(40)와 X선 안내덕트(50) 및 X선 발생기용 진공덕트(60)는 그 내부를 진공으로 만들기 위한 진공펌프가 연결되는 포트를 각각 구비할 수 있다. 이와 같이 검출기용 진공덕트(40)와 X선 안내덕트(50) 및 X선 발생기용 진공덕트(60)에 의해 X선이 진행하는 경로가 진공상태로 유지될 수 있어서 미약한 강도의 X선 뿐만 아니라 높은 강도의 X선의 정밀하게 검출할 수 있다. 즉, 플라즈마 이온 및 전자의 온도를 보다 정밀하게 산출할 수 있게 된다.
또한, 전체 시스템을 진공 상태에 유지될 수 있도록 진공용기를 만들 경우 시스템의 크기가 과도하게 커지는 문제점이 있으나, 본 실시예에서와 같이 복수의 하우징(11)(21)으로 검출기(10)와 구면결정(20)을 진공상태로 유지하고 각 하우징(11)(21)을 진공상태의 복수의 덕트(40)(50)(60)를 이용하여 연결함으로써, 시스템의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 시스템 제작을 저렴하고 용이하게 할 수 있다.
이하, 이상의 구성을 가지는 X선 분광 시스템의 분광 과정에 대하여 설명한다.
핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1) 내에 존재하는 플라즈마로부터 발생된 X선은 진공상태의 X선 안내덕트(50)에 의해 안내되어 구면결정(20)에 입사된다. 구면결정(20)에 입사된 X선은 분광되어 검출기용 진공덕트(40)에 의해 론란원상에 위치한 검출기(10)로 집속된다.
이때, 상기 구면결정(20)에 입사된 X선의 입사각도가 45도인 경우, 상기 플라즈마로부터 발생하는 경도 90도의 초점이 무한대인 X선과 경도 0도의 초점이 론란원 상에 위치하는 X선이 상기 검출기(10)에 집속된다. 그러나, 상기 검출기(10)와 상기 구면결정(20)의 거리 또는 구면결정(20)의 크기와 모양, 브래그 각, 구면결정의 곡률반경을 조절하여 원하는 플라즈마 이미지를 분광할 수 있다. 이러한 플라즈마 이미지로부터 플라즈마 이온 및 전자의 온도 분포를 알 수 있게 된다.
도 2에는 검출기(10)에 3개의 집속 포인트를 예시하였으나, 보다 많은 집속 포인트가 발생할 수 있다. 또한 도 2의 집속 포인트간 거리는 발명의 이해를 돕기 위해 확대하여 도시하였다.
한편, 시스템 점검 후나 부품 교체하면 시스템 보정이 필요하다. 이때, 플라즈마와 마주하고 있는 구면결정(20)을 X선 발생기(30)와 마주하게 회전시킨다. 그리고 상기 X선 발생기(30)를 구동시켜 X선을 상기 구면결정(20)에 입사시킨다. 그러면 상기 구면결정(20)으로부터 반사되는 X선의 경도 0도 초점은 검출기(10)가 위치해야 하는 장소가 된다. 이와 같이 경도 0도 초점에 검출기(10)가 위치하였는지 여부는 검출기(10)로부터 검출된 신호의 세기로부터 알 수 있게 된다. 검출기(10)의 위치에 오차가 있는 경우, 상기 검출기(10)의 위치를 보정한다. 또는 구면결정(20)의 위치를 보정할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 분광 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 의한 X선 분광 시스템은 수평으로 편광된 제 1 X선 이미지결정분광기와 수직으로 편광된 제 2 X선 이미지결정분광기를 포함한다.
상기 수평으로 편광된 제 1 X선 이미지결정분광기에 의하여 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치 내 플라즈마의 이온 및 전자 온도 분포를 측정할 수 있고, 또한 수직으로 편광된 제 2 X선 이미지결정분광기에 의하여 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치 내 플라즈마의 회전속도 분포를 측정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 X선 분광 시스템은 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 플라즈마로부터 발생된 X선을 수평방향으로 반사시키기 위한 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 1 구면결정(20)에서 반사된 X선을 검출하기 위한 제 1 검출기(10)를 포함하는 제 1 X선 이미지 결정 분광기; 및 핵융합 토카막 플라즈마 발생 장치(1)의 플라즈마로부터 발생된 X선을 수직방향으로 반사시키기 위한 제 2 구면결정(200) 및 상기 제 2 구면결정(200)에서 반사된 X선을 검출하기 위한 제 2 검출기(100)를 포함하는 제 2 X선 이미지 결정 분광기를 포함한다.
상기 제 1 구면결정(20)은 상기 제 1 구면결정에서 반사되는 X선의 경도 90도의 초점(sagittal focus)이 무한대가 되도록 배치되고, 상기 제 2 구면결정은(200) 상기 제 2 구면결정에서 반사되는 X선의 경도 0도의 초점(sagittal focus)이 무한대가 되도록 배치된다. 이에 따라, 상기 제 1 구면결정(20)에서는 X선을 반사할 때 X선을 수평으로 편광시키며, 제 2 구면결정(200)에서는 X선을 반사할 때 X선을 수평으로 편광시키게 된다.
도 3에 의한 X선 분광 시스템은 또한, 상기 제 1 검출기(10)의 위치를 보정하기 위한 X선을 상기 제 1 구면결정(20)에 조사시키는 제 1 X선 발생기(30) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하기 위한 X선을 상기 제 2 구면결정(200)에 조사시키는 제 2 X선 발생기(300)를 포함한다.
상기 제 1 구면결정(20), 상기 제 1 검출기(10) 및 제 1 X선 발생기(30)는 제 1 론란원(R1) 상에 배치된다.
또한, 상기 제 2 구면결정(200), 상기 제 2 검출기(100) 및 상기 제 2 X선 발생기(300)는 제 2 론란원(R2) 상에 배치된다.
한편, 상기 X선 분광 시스템은 상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)에 연결되어 상기 플라즈마로부터 발생된 X선을 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)으로 안내하기 위한 X선 안내덕트(50)를 포함한다. 여기서 상기 X선 안내덕트(50)는 그 내부가 진공으로 유지된다.
아울러, 상기 X선 분광 시스템은 상기 제 1 구면결정(20)에서 반사된 X선이 상기 제 1 검출기(10)로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 1 검출기용 진공덕트(40) 및 상기 제 2 구면결정(200)에서 반사된 X선이 상기 제 2 검출기(100)로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 2 검출기용 진공덕트(400)를 포함한다. 또한 상기 X선 분광 시스템은 상기 제 1 X선 발생기(30)로부터 발생된 X선이 상기 제 1 구면결정(20)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 1 X선 발생기용 진공덕트(60) 및 상기 제 2 X선 발생기(300)로부터 발생된 X선이 상기 제 2 구면결정(200)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 2 X선 발생기용 진공덕트(600)를 포함한다.
도 4에서는 상기 도 3에 개시된 X선 분광 시스템 있어서, 제 1 X선 이미지 결정 분광기 및 제 2 X선 이미지 결정 분광기에서 각각 구성부분들이 공간적으로 배치된 모습을 도시하였다.
도 5에 도시된 X선 분광 시스템에서는 하나의 X선 발생기(32)에 의하여 상기 제1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하도록 구성되어 있다.
즉, 도 5에 개시된 X선 분광 시스템은, 상기 제1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하기 위한 각각의 X선을 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)에 각각 조사시킬 수 있는 X선 발생기(32)를 하나만 포함한다. 이때, 상기 X선 발생기(32)는 상기 제 1 론란원과 상기 제 2 론란원이 교차되는 지점에 배치된다.
도 5에 의한 X선 분광 시스템에서도 상기 X선 발생기(32)로부터 발생된 X선이 상기 제 1 구면결정(20) 및 제 2 구면결정(200)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 X선 발생기용 진공덕트(66)를 포함한다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 플라즈마로부터 방출되는 X선이 상기 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)에 각각 45도 각도로 입사되도록 상기 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)이 배치되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 구면결정과 그 고정장치를 도시한 것이다. 상기 고정장치는 하우징(21)과 회전부재(22)를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 X선 분광 시스템에 있어서, 상기 도 6에 개시된 것과 같은 구면결정 구조를 적용할 경우, 제 1 구면결정(20) 및 제 2 구면결정(200)은 각각 고정장치에 의하여 회전 가능하게 고정될 수 있다. 이때, 상기 고정장치는 상기 1 구면결정(20)와 상기 제 2 구면결정(200)의 각각의 테두리 부위를 수납하는 하우징(21)과 상기 하우징과 연결된 회전부재(22)를 포함하도록 한다.
본 발명에 적용할 수 있는 X선 발생기의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 편의상 또는 통상적으로 상기 제 1 X선 발생기(30), 상기 제 2 X선 발생기(300) 및 상기 X선 발생기(32)에서 발생되는 X선으로서 Fe-55 X선을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 X선 분광 시스템은 상기 제1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)는 2차원 다중선 비례계수기와 픽셀검출기 중 어느 하나로 구성되는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 X선 분광 시스템은 핵융합 장치에서 발생하는 플라즈마 이온 및 전자 온도 분포를 측정하는 데 사용될 수 있다.
도 1은 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치에 하나의 X선 이미지 결정 분광기가 구비된 X선 분광 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 토카막 플라즈마 발생장치의 플라즈마로부터 발생한 X선이 구면결정에 의해 분광되어 검출기에 집속되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 분광 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 제 1 X선 이미지 결정 분광기 및 제 2 X선 이미지 결정 분광기에서 각각 구성부분이 공간적으로 배치된 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 X선 분광 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 구면결정과 그 고정장치(하우징(21)과 회전부재(22))의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1; 토카막 플라즈마 발생장치 10, 100; 제1 및 제2 검출기
20, 200; 제1 및 제2 구면결정
21: 하우징 22: 회전부재
30, 300; 제1 및 제 2 X선 발생기 32: X선 발생기
40, 400; 제1 및 제 2 검출기용 진공덕트
50; X선 안내덕트
60, 600; 제1 및 제 2 X선 발생기용 진공덕트
66: X선 발생기용 진공덕트

Claims (12)

  1. 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 플라즈마로부터 발생된 X선을 수평방향으로 반사시키기 위한 제 1 구면결정(20); 및 상기 제 1 구면결정(20)에서 반사된 X선을 검출하기 위한 제 1 검출기(10);를 포함하는 제 1 X선 이미지 결정 분광기; 및
    핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)의 플라즈마로부터 발생된 X선을 수직방향으로 반사시키기 위한 제 2 구면결정(200); 및 상기 제 2 구면결정(200)에서 반사된 X선을 검출하기 위한 제 2 검출기(100);를 포함하는 제 2 X선 이미지 결정 분광기;를 포함하며,
    상기 제 1 구면결정(20)은 상기 제 1 구면결정에서 반사되는 X선의 경도 90도의 초점(sagittal focus)이 무한대가 되도록 배치되고, 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 1 검출기(10)는 제 1 론란원(R1) 상에 배치되며,
    상기 제 2 구면결정은(200) 상기 제 2 구면결정에서 반사되는 X선의 경도 0도의 초점(sagittal focus)이 무한대가 되도록 배치되고, 상기 제 2 구면결정(200) 및 상기 제 2 검출기(100)는 제 2 론란원(R2) 상에 배치되는 것
    을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 검출기(10)의 위치를 보정하기 위한 X선을 상기 제 1 구면결 정(20)에 조사시키는 제 1 X선 발생기(30); 및
    상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하기 위한 X선을 상기 제 2 구면결정(200)에 조사시키는 제 2 X선 발생기(300);를 더 포함하며,
    상기 제 1 X선 발생기(30)는 상기 제 1 론란원(R1) 상에 배치되고, 상기 제 2 X선 발생기(300)는 상기 제 2 론란원(R2) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)의 위치를 보정하기 위한 각각의 X선을 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)에 각각 조사시킬 수 있는 X선 발생기(32)를 더 포함하며,
    상기 X선 발생기(32)는 상기 제 1 론란원과 상기 제 2 론란원이 교차되는 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핵융합 토카막 플라즈마 발생장치(1)에 연결되어 상기 플라즈마로부터 발생된 X선을 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)으로 안내하기 위한 X선 안내덕트(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  5. 제 5항에 있어서,
    상기 X선 안내덕트(50)는 그 내부가 진공으로 유지되는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 구면결정(20)에서 반사된 X선이 상기 제 1 검출기(10)로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 1 검출기용 진공덕트(40) 및
    상기 제 2 구면결정(200)에서 반사된 X선이 상기 제 2 검출기(100)로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 2 검출기용 진공덕트(400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 분광시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 X선 발생기(30)로부터 발생된 X선이 상기 제 1 구면결정(20)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 1 X선 발생기용 진공덕트(60); 및
    상기 제 2 X선 발생기(300)로부터 발생된 X선이 상기 제 2 구면결정(200)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 제 2 X선 발생기용 진공덕트(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 X선 발생기(32)로부터 발생된 X선이 상기 제 1 구면결정(20) 및 제 2 구면결정(200)으로 안내될 수 있도록 내부가 진공으로 유지되는 X선 발생기용 진공 덕트(66)를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마로부터 방출되는 X선이 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)에 각각 45도 각도로 입사되도록 상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)이 배치되는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 구면결정(20) 및 상기 제 2 구면결정(200)은 각각 고정장치에 의하여 회전가능하게 고정되는데,
    상기 고정장치는 상기 제 1 구면결정(20)와 상기 제 2 구면결정(200)의 각각의 테두리 부위를 수납하는 하우징(21)과 상기 하우징과 연결된 회전부재(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 X선 발생기(30), 상기 제 2 X선 발생기(300) 및 상기 X선 발생기(32)에서 발생되는 X선은 Fe-55 X선인 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 검출기(10) 및 상기 제 2 검출기(100)는 2차원 다중선 비례계수기 와 픽셀검출기 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 분광 시스템.
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