KR20120096453A

KR20120096453A - 개선된 입자 가속기 및 입자 가속기용 자기 코어 장치

Info

Publication number: KR20120096453A
Application number: KR1020127000807A
Authority: KR
Inventors: 월터 프레드릭 존 크로슨; 마크 에이취. 칼텐본
Original assignee: 스캔디노바 시스템즈 에이비
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2012-08-30
Also published as: US20100327785A1; JP5768046B2; TW201114334A; TWI440406B; CA2766114A1; WO2010151206A1; JP2012531707A; CN102461345A; CN102461345B; US8232747B2; EP2446719B1; EP2446719A1; RU2011153545A; BRPI1011645A2; RU2538164C2; EP2446719A4

Abstract

입자 가속기(100)는 전원 공급 장치(110), 복수의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120), 복수의 자기 코어 섹션(130) 및 스위치 제어 모듈(140)로 구성된다. 상기 드라이브 섹션(120)은 상기 전원 공급 장치(110)에 연결되어 그것으로부터 전력을 받으며, 각각의 드라이브 섹션은 드라이브 섹션의 출력에서 드라이브 펄스를 선택적으로 제공하기 위하여, 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)시 전자 제어 가능한 고체-상태 스위치로 구성된다. 상기 자기 코어 섹션(130)은 중심 빔 축을 따라 대칭적으로 배치되고, 상기 섹션의 자기 코어 각각은 상기 드라이브 섹션의 출력에 연결된 전기 권선을 통해 각각의 드라이브 섹션(120)에 결합된다. 상기 스위치 제어 모듈(140)은 상기 드라이브 섹션(120)에 연결되어, 상기 고체-상태 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 제어 신호를 제공하여, 자기 코어를 선택적으로 구동하도록 함으로써 전기장을 유도하여 하전된 입자들의 빔이 빔 축을 따라 가속되도록 한다.

Description

개선된 입자 가속기 및 입자 가속기용 자기 코어 장치{Improved particle accelerator and magnetic core arrangement for a particle accelerator}

본 발명은 일반적으로 입자 가속기 기술에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 입자 가속기 및 그러한 가속기를 위한 자기 코어 장치에 관한 것이다.

전자 빔 가속기와 같은 산업용 및 의료용 입자 가속기는 해마다 전세계적으로 대략 수백만 달러의 시장을 향유한다. 이들은 예를 들어 의료 기구 및 식품 용기와 같은 제품의 살균에서부터, 예를 들어 타이어 가황, 인쇄 잉크 경화, 플라스틱 가교 및 종이 제조와 같은 원료의 개질, 예를 들어 자동차 제조와 같은 중량물 플레이트(thick-section plates)의 전자빔 용접, 및 방사선 치료를 포함하는 의료 적용에 이르기까지의 응용 범위에서 이용된다. 그 밖의 다른 응용은 화학물질이 없는(chemical-free) 도시 용수의 살균, 및 폐가스로부터 황 및 질소 산화물을 제거하고 공정에서 비료를 얻기 위한 보일러 연소 가스 처리가 포함된다. 특히 선형 입자 가속기는 전용 실험 입자 물리학 실험실에서 고에너지 싱크로트론(synchrotron)으로의 인젝터로서 이용될 수도 있다.

입자 가속기는 일반적으로 세 가지 주요 유형이 있다:

ㆍ입자들이 두 개의 서로 다른 고정 전위 사이에서 전기장에 의해 가속되는 정전형 가속기. 예를 들어 반데르그라프(Van der Graff), 펠레트론(Pelletron) 및 탠뎀(Tandem) 가속기가 포함된다.

ㆍ라디오파의 전기장 성분이 무선 주파수(RF) 공진기로서 작용하는 부분적으로 폐쇄된 전도성 공동(conducting cavity) 내에서 입자를 가속시키는 무선 주파수 기반 가속기(RF based accelerator)

ㆍ맥동 전압(pulsed voltage)이 자기 코어 둘레로 적용되어 입자 빔을 가속하기 위한 전기장을 유도하도록 하는 유도-기반 가속기(induction-based accelerator)

고전적인 반데르그라프 가속기와 같은 정전형 가속기는 수년간 이용되어 왔으며, 예를 들어 실험 입자 및/또는 이온 빔 설비에서 여전히 이용된다.

현재의 RF-기반 가속기 기술은 보통, 압축 가스 탱크 안에 밀폐된 다양한 고전압 발전기를 이용한다. 상기 두 개의 지배적 디자인은 다이나미트론(Dynamitron) (Radiation Dynamics Inc., RDI) 및 절연 코어 변압기(insulated-core transformer) 또는 ICT(일본, Fujitsu)에 기초한다. 상기 다이나미트론은 진공관 발전기로부터의 초음파 무선 주파수 발진(oscillation)에 의해 작동된다. 상기 ICT는 종래의 전력선으로부터의 A.C.에 의해 작동된다. 또 다른 고출력 기계(high power machine), 로도트론(Rhodotron)이 또한 시장에서 상업적으로 이용가능하다. 그러나, 이들 기계들은 모두 고전압 발전기, 위험하고 무거운 고압 탱크 및 잠재적으로 유독하고 값비싼 가스를 사용하는 불이익을 하나 이상 갖는다.

1960년대 초반에는 소위 선형 자기 유도(LMI; Linear Magnetic Induction) 가속기가 미국 정부의 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 니콜라스 크리스토필로스(Nicholas Christofilos)에 의해 고안되었다. 그 당시에 상기 연구소는 "로렌스 방사선 연구소(Lawrence Radiation Laboratory)" 또는 LRL로 명명되었다. 이러한 가속기 고안은 다수의 토로이드(toroidal) (도넛 형상의) 자기 코어를 이용하는 것에 기초하였는데, 각 코어는 (스파크-갭 스위치 및 펄스-형성 네트워크 또는 PFN을 이용하여) 수십 킬로볼트(kV)에서 고전압 펄스 발생기(pulse generator)에 의해 구동되어 수백 킬로볼트(kV) 내지 수 메가볼트(MV)의 가속 전위를 발생시켜 하전된 입자의 고전류 빔을 가속하도록 한다.

이러한 유형의 가속기의 주요 특징은, 그것이 모든 선형 가속기(LINAC)와 마찬가지로, 대지 전위에 있는 외부 표면을 갖는다는 것이다. 개별 코어들을 구동하는 전압은 모두 중심축 아래로 "직렬로" 더해지는 것처럼 보이지만 그 밖의 다른 곳에서는 그렇게 보이지 않는다. 이는 가속기가 전자기 에너지를 "외부 세상"에 방사하지 않고 그 주위로부터 절연될 필요가 없기 때문에 실험실에 설치하기가 쉽다는 것을 의미한다. 800 kV LMI 가속기, 아스트론(ASTRON) 선형 가속기는 1960년대 후반에 LLNL에서 만들어졌고[1], 융합 실험에서 전자-빔 가속을 위해 이용되었다. 더 대형의 LMI 기계(FXR, Flash X-Ray)는 1970년대에 만들어졌고, 엑스-선 전환 타겟 내로 전자 빔 펄스를 가속하기 위해 사용되었다. FXR 가속기는 폭발의 정지 화면(freeze-frame) 방사선 촬영에 이용되었다.

이러한 소위 선형 자기 유도(LMI) 가속기의 기본 아이디어는 도 1에 도식적으로 예시된다. 도 1의 LMI 가속기는 배치된 한 셋트의 토로이드 자기 코어 둘레로 만들어져서 그 중심 구멍이 직선, 소위 중심 빔 축(이것을 따라 입자 빔이 가속됨)을 둘러싼다. 각각의 자기 코어는 고전압 펄스 형성 네트워크 (PFN) 및 스파크 갭 스위치와 같은 고전압 스위치로 구성되는 고전압 드라이브 시스템을 갖는다. 편의상 도 1에는 단지 하나의 드라이브 섹션이 도시된다.

고전압 스위치는 전형적으로, 턴 온만 될 수 있을 뿐 턴 오프는 될 수 없는 수소 사이러트론(thyratron) 튜브와 같은 이온화된 가스 스위치 또는 플라스마이다. 대신, PFN은 펄스를 생성하고, 펄스 폭에 비해 상대적으로 빠른 오르내림 시간(rise and fall-time)으로 직사각 펄스의 형태로 파워를 전달할 것이 요구된다. PFN은 보통 진행파(traveling-wave) 방식으로 방전되며, 전기 펄스파는 스위치된 말단으로부터 "개방 회로" 말단까지 진행되고, 이러한 개방 회로로부터 반사되어 상기 스위치된 말단으로 복귀하고, 진행하면서 PFN 네트워크의 에너지 저장 커패시터로부터 에너지를 추출해내고, 상기 에너지를 코어 섹션으로 "공급"한다. 상기 진행파가 PFN 구조를 양 방향으로 가로지르고 모든 저장된 에너지가 상기 네트워크로부터 추출되면 펄스는 종료된다. 스위칭 전의 PFN 전압은 V이고, 펄스 변성기(pulse transformer)의 일차측(primary side)에 적용되는 전압은 V/2 또는 약간 더 낮다. PFN에서 일 성분이 실패하면, 상기 성분을 교체한 다음 최적의 펄스 형태를 위해 PFN을 재조율하는 것이 필요하다. 이는 힘들고 위험한 작업인데, 왜냐하면 PFN에 고전압이 적용되어야 하기 때문이다. 또한, 다른 펄스 폭이 요구되면, 전체 PFN 구조를 교체 및/또는 재조율할 필요가 있다. 고전압 PFN 및 스위치는 또한 신뢰성 및 안정성 면에서 약점을 갖는다.

몇몇 회사는 초기 ASTRON 디자인에 기초하여 가속기를 만들었다. 가속기를 구동하는데 사용되는 디자인은 다루기 힘든 고전압 PFN 네트워크와 결합하여 스파크 갭 또는 사이러트론 스위치에 기초하며, 따라서 다이나미트론 및 ICT와 같은 RF-기반 디자인과 가격 경쟁력이 없다.

또한 AC 라인 파워를 DC 파워 펄스로 전환시키는 고체-상태 모듈레이터 시스템에 기초하는 모뎀 디자인도 있는데, 이는 결국 요구되는 에너지 레벨까지 입자들을 "걷어차는(kick)" 무선 주파수(RF) 펄스로 변형된다[2].

RF-기반 시스템을 구동하기 위해 사용될 수 있는 고체-상태 모듈레이터의 다른 예들은 [3-5]에 개시되어 있다.

LLNL은 또한 컴팩트한 유전성 벽면 가속기(dielectric wall accelerator; DWA) 및 펄스-형성 라인을 제시하였는데, 이는 절연벽 아래로 가속 펄스를 공급하기 위해 높은 구배로 작동하고, 하전된 입자 발생기(charged particle generator)는 상기 가속기에 일체화되어 컴팩트한 단일 작동을 가능케 한다[6]. DWA 및/또는 블럼라인(Blumlein) 가속기 기술에 기초한 다른 예들은 [7-8]에 개시되어 있다.

비용 효율성, 신뢰성, 온라인 이용가능성, 크기, 에너지 소비량 및 안정성에 대한 주제들 중 하나 이상과 관련하여 입자 가속기 디자인에 있어서 전반적으로 개선될 필요가 있다.

[3] 미국 특허 제5,905,646호 [4] 미국 특허 제6,741,484호 [5] 미국 2003/0128554 A1 [6] WO 2008/051358 A1 [7] WO 2007/120211 A2 [8] WO 2008/033149 A2

[1] 아스트론 선형 가속기(The ASTRON Linear Accelerator), Beal, Christofilos 및 Hester, 1969 [2] 고체-상태 기술이 충돌형 가속기 도전을 충족하다(Solid-State Technology Meets Collider Challenge), S & TR, 2004년 9월, pp. 22-24

본 발명은 상기 선행 기술 장치들의 상기 단점 및 기타의 단점들을 극복한다.

본 발명의 일반적 목적은 개선된 유도-기반 입자 가속기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 입자 가속기용의 개선된 자기 코어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 기타의 목적들은 첨부하는 특허청구범위에 의해 규정되는 바에 의해 달성된다.

본 발명의 첫 번째 측면에서, 기본 아이디어는 하전된 입자의 빔을 중심 빔 축을 따라 가속하기 위한 유도-기반 가속기를 만드는 것이다. 상기 입자 가속기는 기본적으로 전원 공급 장치, 복수의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션, 복수의 자기 코어 섹션 및 상기 드라이브 섹션의 고체-상태 스위치를 제어하기 위한 스위치 제어 모듈로 구성된다. 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션은 상기 전원 공급 장치에 연결되어 그것으로부터 전력을 받으며, 각각의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션의 출력에서 드라이브 펄스를 선택적으로 제공하기 위하여, 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)시 전자적으로 제어 가능한 고체-상태 스위치로 구성된다. 상기 자기 코어 섹션은 중심 빔 축을 따라 대칭적으로 배치되고, 상기 자기 코어 섹션의 자기 코어 각각은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션의 출력에 연결된 전기 권선을 통해 각각의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션에 결합된다. 상기 스위치 제어 모듈은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션에 연결되어, 상기 고체-상태 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 제어 신호를 제공하여, 상기 자기 코어 섹션의 코어를 선택적으로 구동하도록 함으로써, 하전된 입자들의 빔을 상기 중심 빔 축을 따라 가속하기 위하여 전기장이 유도되도록 한다.

이러한 방식으로, 고도의 신뢰성, 온라인 이용가능성 및 안전성(저전압 드라이브)을 갖는 저비용의 유도-기반 가속기가 얻어질 수 있다. 사이러트론 또는 스파크 갭 스위치를 갖는 유도-기반 가속기의 전형적인 고전압 드라이브 시스템은 완전히 제거될 수 있다. 예를 들어, 100 kV의 가속 구조를 얻기 위하여, 100개의 자기 코어가 사용될 수 있는데, 이 때 각 코어는 1 kV의 고체-상태 스위치된 드라이브 펄스에 의해 구동된다. 새로운 개념의 가속기 디자인은 또한, 위험하면서 무거운 어떠한 고압 탱크도 필요치 않고 어떠한 잠재적으로 유해하고 값비싼 가스도 요하지 아니함을 의미한다.

두 번째 측면에서, 기본적 아이디어는 입자 가속기용 자기 코어 장치를 제공하는 것이다. 상기 자기 코어 장치는 기본적으로 중심축을 따라 배치된 복수의 자기 코어 섹션으로 구성된다. 다수의 자기 코어 섹션 각각은 두 개 이상의 자기 코어로 구성되며, 상기 자기 코어 중 제 1 자기 코어는 외부 자기 코어로서도 불리며, 내부 자기 코어로 불리는 제 2 자기 코어에 대하여 중심축으로부터 방사상 바깥쪽으로 배치된다. 이러한 개념은 물론 가속 섹션 당 수 개(several)의 코어로 확장될 수 있다.

상기 중심으로부터 방사상 바깥쪽으로 추가 코어를 "네스팅(nesting)" 함으로써 가속 E 장(accelerating E field)(볼트/미터(기계길이))은 종래의 싱글-코어 디자인 보다 현저하게 상승된다. 이는 기계 길이에 대하여 기계 직경을 교환하는 자유를 부여한다. 이는 결국, 기계 길이가 현존하는 디자인에 비하여 상당히 단축될 수 있기 때문에 훨씬 더 컴팩트한 기계가 가능하도록 한다.

본 발명에 의하여 제공되는 기타의 잇점들은 아래의 본 발명 실시예에 대한 기재를 통해 인식될 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, 고도의 신뢰성, 온라인 이용가능성 및 안전성(저전압 드라이브)을 갖는 저비용의 유도-기반 가속기가 얻어질 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기계 길이가 현존하는 디자인에 비하여 현저히 단축될 수 있기 때문에 훨씬 더 컴팩트한 기계를 가능케 하는 입자 가속기용 자기 코어 장치를 제공할 수 있다.

본 발명은, 그것의 추가 목적 및 잇점과 더불어, 첨부 도면과 함께 기재된 아래의 상세한 설명을 통해 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래의 선형 자기 유도(LMI) 가속기의 기본 개념을 도식적으로 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신규의 유도-기반 입자 가속기의 기본 개념을 도식적으로 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 가속기 실행의 구체적 예를 도식적으로 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 가속기 실행의 또 다른 구체적 예를 도식적으로 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도-기반 입자 가속기의 구성 및 작동 원리를 도식적으로 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 가속기용 신규 자기 코어 장치의 기본 개념을 도식적으로 예시한 도면이다.
도 7은 도 6의 자기 코어 장치를 구비한 신규의 유도-기반 입자 가속기를 도식적으로 예시한 도면이다.

도면 전체를 통해 상응하거나 유사한 요소에 대하여 동일한 도면 부호가 사용될 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신규의 유도-기반 입자 가속기의 기본 개념을 도식적으로 예시한 도면이다.

편의상, 입자 가속기는 여기서 선형 가속기(LINAC)로 예시된다. LINAC는 바람직한 가속기의 일 유형이지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.

가속기(100)는 하나 이상의 전원 공급 유닛(112)을 갖는 전원 공급 장치(110), 복수의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120), 복수의 자기 코어 섹션(130), 전자 스위치 제어 모듈(140) 및 입자 소스(150)로 기본적으로 구성된다.

상기 전원 공급 장치(110)는 하나의 전원 공급 유닛(112)을 하나 이상의, 가능하면 모든, 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)에 연결하기 위해 연결 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 이는, 상기 전원 공급 장치(110)가 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션들(120) 중 각각의 하나에 연결되도록 단일의 전원 공급 유닛(112)을 가질 수 있음을 의미한다. 대안으로서, 각 드라이브 섹션(120)이 그 고유의 전용 전원 공급 유닛(112)을 갖는 장치를 포함하는 것도 가능하다.

어쨌든, 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)은 상기 전원 공급 장치(110)에 연결되어 그것으로부터 전력을 받는다. 각각의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)은 바람직하게, 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)의 출력에서 드라이브 펄스를 선택적으로 제공하기 위하여, 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)시 전자적으로 제어할 수 있는 고체-상태 스위치로 구성된다.

각각이 하나 이상의 토로이드 자기 코어를 갖는, 상기 자기 코어 섹션(130)은 상기 중심 빔 축을 따라 대칭적으로 배치되고, 자기 코어 각각은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션의 출력에 연결된 전기 권선을 통해 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)의 각각의 하나에 결합된다.

상기 스위치 제어 모듈(140)은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)에 연결되어, 상기 드라이브 섹션(120)의 고체-상태 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 제어 신호(ON/OFF)를 제공하여, 상기 자기 코어 섹션(130)을 선택적으로 구동하도록 함으로써, 전기장이 유도되어 상기 입자 소스(150)에서 기원하는 하전된 입자들의 빔을 상기 자기 코어 섹션(130)의 전체 가속 구조의 상기 중심 빔 축을 따라 가속되도록 할 수 있다.

이러한 방식으로, 고도의 신뢰성, 온라인 이용가능성 및 안전성(저전압 드라이브)을 갖는 저비용의 유도-기반 가속기가 얻어질 수 있다. 사이러트론 또는 스파크 갭 스위치를 갖는 유도-기반 가속기의 전형적인 고전압 드라이브 시스템은 완전히 제거될 수 있다.

예를 들어, 100 kV의 가속 구조를 얻기 위하여, 예를 들어 100개의 자기 코어가 사용될 수 있는데, 이 때 각 코어는 1 kV의 고체-상태 스위치된 드라이브 펄스에 의해 구동된다. 새로운 개념의 가속기 디자인은 또한, 위험하면서 무거운 어떠한 고압 탱크도 필요치 않고 어떠한 잠재적으로 유해하고 값비싼 가스도 요하지 아니함을 의미한다. 마찬가지로, 1 MV 가속기를 실현하기 위하여, 총 1000개의 코어가 이용될 수 있으며, 각각은 1kV에서 구동되고, 또는 2000개 코어가 500 볼트에서 구동된다.

본 발명은 10 kV 보다 높은 전압의 가속 구조에 대하여 특히 바람직하며, 100 kV 이상, 또는 메가볼트 가속기에 대하여 훨씬 더 바람직하다.

아스트론 가속기[1] 및 모든 기타의 "선형-유도" 가속기는, 그들이 수많은 맥동 자기 코어로 빔 축을 둘러쌈으로써 빔을 가속한다는 점에서 디자인의 용도 부분을 오늘날까지 구축하였다. 그러나 거기서 유사함은 종료된다. 모든 기타의 선형-유도 가속기는 사이러트론 또는 스파크 갭 스위치를 갖는 고전압 드라이브 시스템을 이용한다.

여기서 제안된 신규의 가속기 디자인은 제조 및 소유의 양면에서(최소의 관리 유지가 요구됨) 신뢰성, 안정성 및 저비용의 새로운 세상으로 문을 연다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 가속기 실행의 구체적 예를 도식적으로 예시한 도면이다. 이러한 특정의 예에서, 각 드라이브 섹션(120)은 절연-게이트 양극성 트랜지스터(Insulated-Gate Bipolar Transistor; IGBT) 형태의 고체-상태 스위치(124) 및 에너지 저장 커패시터(122)에 기초한다. 이러한 예에서, 하나의 동일한 DC 전원 공급 유닛(112)은 상기 드라이브 섹션(120)의 각각의 하나에 연결되어 선택적으로 상기 에너지 저장 커패시터(122)를 충전하도록 한다. 상기 스위치 제어 모듈(140)로부터의 적절한 ON-OFF 제어에 의해, 각 IGBT 스위치(124)는 턴-온(turn-on)되어 상기 커패시터(122)로부터 커패시터 에너지를 전달함으로써 출력 드라이브 펄스를 개시하도록 작동될 수 있으며, 턴-오프(turn-off)되어 상기 출력 드라이브 펄스를 종료하도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 상기 스위치는 전압 제어 펄스와 같은 적당한 신호를 게이트(g) 전극에 공급함으로써 턴 온되며, 상기 스위치는 전압 제어 펄스가 종료될 때 턴 오프된다.

적절한 고체-상태 스위치의 다른 예들은 턴-온 및 턴-오프에서 모두 제어가 가능한 MosFets 또는 IGTC(절연 게이트-제어 사이리스터; Insulated Gate-Controlled Thyristors)를 포함한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 가속기 실행의 또 다른 구체적 예를 도식적으로 예시한 도면이다. 이러한 예에서도, 각 드라이브 섹션(120)은 절연-게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 형태의 고체-상태 스위치(124) 및 에너지 저장 커패시터(122)에 기초한다. 선택적이긴 하지만 이로운 보충물로서, 각 드라이브 섹션(120)은 또한 바람직하게 전압 강하 보상(VDC; voltage-droop compensating) 장치(126) 및 전압 스파이크에 대하여 보호하기 위한, 디-스파이킹(de-spiking) 또는 클리퍼 다이오드로 불리는, 선택적 다이오드(128)를 포함한다.

상기 전압 강하 보상(VDC) 장치(126)는 상기 에너지 저장 커패시터(122)가 방전되는 동안 전압 강하(voltage droop) 또는 감소(drop)를 보상하도록 구성되어,출력 펄스의 형상을 제어하여, 원하는 정도의 편평도(flatness)를 갖는 펄스가 얻어지도록 한다. 바람직하게, VDC 장치(126)는 수동 전압 강하 보상 회로(이를 통해 커패시터 에너지가 전달됨), 예를 들어 평행 저항기-인덕터(RL) 네트워크 회로의 형태로 제공된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도-기반 입자 가속기의 구성 및 작동 원리를 도식적으로 예시한 도면이다.

보다 나은 이해를 위해, 선형 유도-기반 가속기의 작동 원리 중 일부는 도 5의 간소화된 도식을 참고하여 이제 설명될 것인데, 이는 빔 축을 포함하는 평면에 예시적 기계의 단면을 도시한다.

도 5에 도시된 다중-코어 가속기 구조의 행동을 논의하기 위하여 몇몇 "게임의 법칙"이 필요하다. 먼저, "오른손 법칙"이 필요하다. 이러한 (임의의) 법칙에 의하면, 오른손으로 전도체를 잡는다고 가정하면 엄지 손가락은 양의 전류 흐름의 방향을 향하고, 손가락들은 상기 전도체를 둘러싸는 자속선(magnetic flux lines)의 방향으로 상기 전도체 둘레를 감을 것이다. 도 5에 상기 규칙을 적용하면, 토로이드 자기 코어에 유도된 자속은 도시된 대로 순환할 것이다. "도트(dot)"는 보는 사람을 향하는 플럭스 벡터를 나타내기 위해 사용되고(화살의 머리를 나타냄), X는 보는 사람으로부터 멀어져 향하는 플럭스 벡터를 나타내기 위해 사용된다(이는 화살의 뒤 말단에 있는 "깃털"을 나타냄).

이 법칙을 상기 구조의 축을 따라 오른쪽을 향해 흐르는 입자 빔에 적용하면, 이 빔에 의해 발생되는 자속이 일차 전류(primary current)에 의해 유도되는 플럭스와 반대 방향으로 순환함을 발견하게 되는데, 이는 옳다. 이를 상상의 "변압기(transformer)"로 생각하고 빔을 2차 권선을 가로지르는 "단락(short circuit)"으로 생각하면, 이러한 2차의 전류는 1차에 의해 유도되는 플럭스를 취소하는 방향으로 흐를 것이므로, 자기 코어에 유도되는 네트 플럭스(net flux)는 없게 되고, 따라서 1차 전원에 "단락"을 제시하게 된다. 코어 내에 플럭스 변화가 없다는 것은 1차 권선에 전압이 없음을 의미하고, 이는 정의상 단락이 된다. 따라서 양으로 하전된 입자(양자)들의 빔은 상기 구조에 의해 오른쪽을 향해 가속될 것이며, 음으로 하전된 입자(전자)들의 빔은 왼쪽을 향해 가속될 것이다.

이제 전자기장 이론의 또 다른 "법칙", 즉 자속을 둘러싸는 전도체에 유도된 전압은 그 자속의 변화 속도와 동일하다는 법칙(페러데이의 법칙)을 적용하도록 한다. 모두 다섯개 코어의 플럭스를 둘러싸는 경로를 생각해보자. 이러한 경로를 따르는 상상의 "와이어"에 유도되는 전압은 다섯 개 코어 모두에서의 플럭스의 변화 속도와 동등할 것이다. 그러나, 각 코어는 1차 전압 V에 의해 구동되므로, 각 코어는 V와 동일한 플럭스의 변화 속도를 가진다. 따라서, 모든 코어 둘레로 상기 경로를 따라 유도되는 전압은 5V일 것이다.

일반적으로 선형 유도 가속기의 전형적 작동을 좀 더 상세히 이해하기 위하여, 기본 아스트론(ASTRON) 가속기에 대해 언급한다[1].

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 가속기용 신규 자기 코어 장치의 일 예를 도식적으로 예시한 도면이다. 자기 코어 장치(160)는 중심축을 따라 배치된 복수의 자기 코어 섹션(130)으로 기본적으로 구성된다. 다수의 자기 코어 섹션(130) N≥1 각각은 두 개 이상의 자기 코어로 구성되는데, 상기 자기 코어들 중 제 1 자기 코어는 외부 자기 코어로서도 불리며, 내부 자기 코어로 불리는 상기 자기 코어들 중 제 2 자기 코어에 대하여 중심축으로부터 방사상 바깥쪽으로 배치된다. 이러한 개념은 물론 도 6에 도시된 바와 같이, 가속 섹션 당 수 개의 코어로 확장될 수 있다.

상기 중심으로부터 방사상 바깥쪽으로 (싱글-코어 섹션과 비교하여) 하나 이상의 추가 코어를 "네스팅(nesting)" 함으로써, 가속 E 장(accelerating E field) (볼트/미터(기계길이))은 종래의 싱글-코어 디자인 보다 현저하게 상승된다. 이는 기계 길이에 대하여 기계 직경을 교환하는 자유를 부여한다. 이는 결국, 기계 길이가 현존하는 디자인에 비하여 상당히 단축될 수 있기 때문에 훨씬 더 컴팩트한 기계가 가능하도록 한다.

100 kV의 가속 구조를 갖는 예에서, 예를 들어 100개의 자기 코어가 사용될 수 있는데, 이 때 각 코어는 1 kV의 고체-상태 스위치된 드라이브 펄스에 의해 구동된다. 그러나, 각 자기 코어 섹션이 예를 들어 5개 코어를 각각 포함하도록 자기 코어를 방사상으로 네스팅함으로써, 단지 20개의 코어 섹션만이 요구되어, 매우 컴팩트한 디자인이 가능해진다.

신규의 자기 코어 장치는 도 2 내지 도 5와 관련하여 앞서 개시된 실시예들 중 임의의 것과 결합될 수 있지만, 작동상 유도-기반 가속 원리를 갖거나 갖지 않는 선형 입자 가속기를 포함하여, 임의의 적당한 유형의 입자 가속기에서 임의의 적당한 전기 구동 장치와 함께 선택적으로 사용될 수 있다. 그러나 아래에서는, 신규의 자기 코어 장치가 특정 예의 선형 유도-기반 입자 가속기와 관련하여 기술될 것이다.

도 7은 도 6의 자기 코어 장치를 구비한 신규의 유도-기반 입자 가속기를 도식적으로 예시한 도면이다. 가속기(100)는 하나 이상의 전원 공급 유닛(112)을 갖는 전원 공급 장치(110), 복수의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120), 복수의 자기 코어 섹션(130), 전자 스위치 제어 모듈(140) 및 입자 소스(150)로 기본적으로 구성된다. 상기 자기 코어 섹션(130)은 신규의 자기 코어 장치(160)와 결합된다.

상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)은 상기 전원 공급 장치(110)에 연결되어 그로부터 전력을 받는다. 각각의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)은 바람직하게, 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)의 출력에서 드라이브 펄스를 선택적으로 제공하기 위하여, 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)시 전자적으로 제어 가능한 고체-상태 스위치로 구성된다.

자기 코어 섹션(130)은 상기 중심 빔 축을 따라 대칭적으로 배치된다. 상기 다수의 자기 코어 섹션(130) N≥1 각각은 두 개 이상의 자기 코어로 구성되는데, 상기 자기 코어들 중 제 1 자기 코어는 외부 자기 코어로서도 불리며, 내부 자기 코어로 불리는 상기 자기 코어들 중 제 2 자기 코어에 대하여 중심축으로부터 방사상 바깥쪽으로 배치된다. 이러한 개념은 물론 가속 섹션 당 수 개의 코어로 확장될 수 있다. 자기 코어 각각은 바람직하게, 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션의 출력에 연결된 전기 권선을 통해 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)의 각각의 하나에 결합된다.

상기 스위치 제어 모듈(140)은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)에 연결되어, 상기 드라이브 섹션(120)의 고체-상태 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 제어 신호(ON/OFF)를 제공하여, 상기 자기 코어 섹션(130)의 자기 코어를 선택적으로 구동하도록 함으로써, 전기장이 유도되어 입자 소스(도 7에는 도시되지 않음)에서 기원하는 하전된 입자들의 빔이 전체 가속 구조의 상기 중심 빔 축을 따라 가속되도록 할 수 있다.

이러한 방식으로, 고도의 신뢰성, 온라인 이용가능성 및 안전성(저전압 드라이브)을 갖는 매우 컴팩트한 저비용의 유도-기반 가속기가 얻어질 수 있다.

종래의 기계와 비교하여, 예시적 잇점들 중 일부를 아래에 요약하도록 하겠다:

ㆍ종래의 기계는 코어를 구동하기 위하여 고전압(10 kV 내지 100 kV) 펄스 소스를 이용함으로써, 스파크 갭 또는 사이러트론 스위치, 또는 포화-코어(saturating-core) 자기 스위치로 제한되도록 하였다.

ㆍ종래의 기계는 코어 당 하나의 전원을 이용하여, 상기에서 지적된 바와 같이 불필요하게 제한되었다. 사실, 단일의 전원 공급원이 원한다면 구조 내의 모든 코어를 구동할 수 있는데, 상당히 간소화되고 비용 절감되는 특징이 현존하는 기계의 디자이너에 의해 인식되지 못하였다.

ㆍ종래의 기계는 고전압 드라이브 시스템을 사용하기 때문에, 코어-구동 펄서(pulser)를 위해 오일 또는 고압 가스 절연을 요하는데, 이는 회피될 수 있는 불필요한 복잡성이다.

ㆍ종래의 기계는 모두 각 가속기 섹션에서 싱글 코어를 이용한다. 이는 필요하지도 않으며, 예시적 실시예에서 중심으로부터 방사상 바깥쪽으로 추가 코어를 "네스팅(nesting)"하여, 가속 E 장(볼트/미터(기계길이))을 싱글-코어 디자인 보다 상승시킴으로써, 가속 섹션 당 수 개의 코어에 이르기까지 상기 개념을 확장하였다. 이는 기계 길이에 대하여 기계 직경을 교환하는 자유를 부여한다. 이는 결국, 기계 길이가 현존하는 디자인에 비하여 상당히 단축될 수 있기 때문에 더 컴팩트한 기계가 가능케 한다. 예를 들어 아스트론(1969년 버전에서)은 4.2 MeV 기계였고, 대략 100 피트(30.5 미터) 길이였다. 중심으로부터 방사상 바깥쪽으로 하나 이상의 추가 코어를 네스팅함으로써, 약 5 미터의 길이로 4.2 MV 가속 전압을 얻는 것이 확실히 실현 가능할 것이다.

ㆍ새로운 가속기는 토로이드의 갭이 없는(non-gapped) 메트글라스(Metglas) 테입이 감긴 코어를 이용할 수 있는데, 이 코어는 저가에 이용가능하고 임의의 원하는 크기로 만들어질 수 있다. 어떠한 복잡한 코어-클램핑이나 장착 구조가 필요하지 않다(펄스 변성기에서 사용된 세그먼트된 C-코어와는 다름).

ㆍ코어 냉각이 강제 공냉(forced-air)에 의해 실행될 수 있다. 코어의 작은 단면적은 부피에 대한 표면적의 높은 비율을 얻게 하며, 이는 효과적 공냉(air cooling)을 위해 필요하다. 어떠한 액체 또는 열교환기도 필요하지 않다.

ㆍ전체 가속 구조는 "수동"일 수 있다(다이나미트론(Dynamitron)이나 ICT와는 달리, 어떠한 다이오드나 기타의 반도체 성분이 가속 구조에 요구되지 않는다). 이는 가속기 내 어떠한 부품도 "마모(wear-out)" 또는 아크 손상이나 방사선 손상에 놓이지 않음을 의미한다. 유일한 비영구(limited-life) 부품은 전자 소스(핫 필라멘트) 및 빔 출구(금속 호일) 윈도우이다. 이들 두 부품은 바람직하게 가속기 외부의 연장 파이프에 장착되므로, 이들 부품을 제공하기 위해 가속기의 어떠한 해체도 요구되지 않는다.

ㆍ가속기는 바람직하게 고체-상태 드라이브 모듈에 의해 구동되므로, 다시 어떠한 비영구적 부속품도 사용되지 않는다. 이러한 모듈은 가속기 자체로부터 떨어져 임의의 편리한 지점에 위치할 수 있으므로, 반도체에 대한 방사선 손상은 문제가 안된다. 절연-게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 드라이브 모듈은 많은 가능한 드라이브 모듈 중 하나이다.

상기 기술된 실시예들은 단지 예시로서 주어진 것이며, 본 발명이 이에 의해 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 여기에 개시되고 특허청구범위에 기재된 기본적 중요 원리를 보유하는 추가의 변경, 변화 및 개선은 본 발명의 범위에 속한다.

100: 가속기
110: 전원 공급 장치
112: 전원 공급 유닛
120: 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션
122: 에너지 저장 커패시터
124: 고체-상태 스위치
126: 전압 강하 보상(VDC) 장치
128: 다이오드
130: 자기 코어 섹션
140: 스위치 제어 모듈
150: 입자 소스
160: 자기 코어 장치

Claims

중심 빔 축을 따라 하전된 입자의 빔을 가속하기 위한 유도-기반 입자 가속기(100)로서,
전원 공급 장치(110);
상기 전원 공급 장치(110)에 연결되어 상기 전원 공급 장치로부터 전력을 받는 복수의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)으로서, 각각의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션의 출력에서 드라이브 펄스를 선택적으로 제공하기 위하여, 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)시 전자적으로 제어가능한 고체-상태 스위치로 구성되는, 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120);
상기 중심 빔 축을 따라 대칭적으로 배치된 복수의 자기 코어 섹션(130)으로서, 상기 자기 코어 섹션(130)의 자기 코어 각각은 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션의 상기 출력에 연결된 전기 권선을 통해 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)의 각각의 하나에 결합되는, 자기 코어 섹션(130);
상기 복수의 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)에 연결되어, 상기 고체-상태 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 제어 신호를 제공하여, 상기 자기 코어 섹션(130)을 선택적으로 구동하도록 함으로써 전기장이 유도되어 상기 하전된 입자들의 빔을 상기 중심 빔 축을 따라 가속되도록 하는 스위치 제어 모듈(140)로 구성되는 유도-기반 입자 가속기(100).
청구항 1에 있어서, 각각의 자기 코어 섹션(130)은 하나 이상의 토로이드 자기 코어로 구성되는 유도-기반 입자 가속기.
청구항 1에 있어서, 상기 자기 코어 섹션(130) 중 하나 이상은 두 개 이상의 자기 코어로 구성되며, 상기 두 개 이상의 자기 코어 중 제 1 자기 코어는 외부 자기 코어로서도 불리며, 내부 자기 코어로서 불리는 상기 두 개 이상의 자기 코어 중 제 2 자기 코어에 대하여 상기 중심축으로부터 방사상 바깥쪽으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도-기반 입자 가속기.
청구항 3에 있어서, 상기 자기 코어 섹션(130)의 각 하나는 두 개 이상의 자기 코어로 구성되며, 상기 두 개 이상의 자기 코어 중 제 1 자기 코어는 외부 자기 코어로서도 불리며, 내부 자기 코어로서 불리는 상기 두 개 이상의 자기 코어 중 제 2 자기 코어에 대하여 상기 중심축으로부터 방사상 바깥쪽으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도-기반 입자 가속기.
청구항 2에 있어서, 상기 하나 이상의 토로이드 자기 코어는 갭이 없는(non-gapped) 메트글라스(Metglas) 테입이 감긴 자기 코어인 것을 특징으로 하는 유도-기반 입자 가속기.
청구항 1에 있어서, 상기 전원 공급 장치(110)는 하나의 전원 공급 유닛(112)을 하나 이상의 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)에 연결할 수 있도록 연결 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도-기반 입자 가속기.
청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 고체-상태 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 스위치인 것을 특징으로 하는 유도-기반 입자 가속기.
청구항 1에 있어서, 상기 고체-상태 스위치된 드라이브 섹션(120)은 고체-상태 스위치된 펄스 발생기 섹션인 것을 특징으로 하는 유도-기반 입자 가속기.
청구항 1에 있어서, 상기 입자 가속기(100)는 선형 입자 가속기인 것을 특징으로 하는 유도-기반 입자 가속기.
입자 가속기용 자기 코어 장치(160)로서, 중심축을 따라 배치된 복수의 자기 코어 섹션(130)으로 구성되며, 다수의 상기 자기 코어 섹션(130) 각각은 두 개 이상의 자기 코어로 구성되고, 상기 두 개 이상의 자기 코어 중 제 1 자기 코어는 외부 자기 코어로서도 불리며, 내부 자기 코어로서 불리는 상기 두 개 이상의 자기 코어 중 제 2 자기 코어에 대하여 상기 중심축으로부터 방사상 바깥쪽으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 자기 코어 장치(160).
청구항 10의 자기 코어 장치로 구성되는 입자 가속기(100).
청구항 11에 있어서, 상기 입자 가속기(100)는 선형 입자 가속기인 것을 특징으로 하는 입자 가속기.
청구항 11 또는 12에 있어서, 상기 입자 가속기(100)는 유도-기반 입자 가속기인 것을 특징으로 하는 입자 가속기.