KR20170101736A - 회전가능한 rf 파워 커플러 - Google Patents

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KR20170101736A
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Abstract

본 발명은 RF 제너레이터에서 생성된 고주파 파워를 가속관으로 전달하는 RF 파워 커플러를 포함하는 고주파 파워 딜리버리 시스템에 관한 것으로, 가속관에 연결되는 RF 파워 커플러가 가속관 상부에서 회전하여, RF 파워 커플러의 결합계수를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

회전가능한 RF 파워 커플러{Rotatable RF power coupler}
본 발명은 선형전자가속기에 관한 것으로, 특히 선형전자가속기에 포함된 RF 파워 커플러에 관한 것이다.
전자총을 통해 생성된 전자들은 가속관 내부에서 목표로 하는 에너지까지 가속된 후 목적에 맞게 사용된다. 예컨대, 의료용 전자가속기의 경우에는 텅스텐과 같은 물질의 표적을 설치하여 X-선을 발생하여 활용한다. 고주파 제너레이터는 고주파 선형가속기의 목적 및 사양에 따라 다양한 출력의 장비가 사용될 수 있다.
고주파 제너레이터에서 발생한 고주파 파워는 도파관과 RF 파워 커플러를 거쳐 가속관으로 전달된다. RF 파워 커플러는 RF 윈도우, 기둥부를 포함할 수 있다.
RF 윈도우는 RF 제너레이터 쪽의 도파관과 연결되는 방향에 배치된다. 기둥부는 중앙이 빈 사각의 중공 형상으로 RF 윈도우로부터 입력받은 고주파 파워를 가속관 쪽으로 전달할 수 있다.
기둥부의 하단에는 슬롯이 형성되는데, 이 슬롯의 단면적에 따라 RF 파워 커플러의 결합계수(coupling coefficient)가 달라지며, 이 결합계수에 따라 가속관에서 RF 파워 커플로 쪽으로 반사되어 되돌아 오는 고주파 파워가 결정된다.
가속관에서 반사되는 고주파 파워가 클수록 전자를 가속시키는 데 필요한 전력이 많이 필요한 문제가 있다.
기존의 RF 파워 커플러는 슬롯의 면적이 이미 결정되어 있는바, RF 피워 커플러의 교체 없이는 결합계수를 변동하기 어려운 단점이 있었다.
즉, 기존의 RF 파워 커플러는 가공 오차 등으로 인하여 설계된 대로 제작되지 않은 경우에는 기존의 RF 파워 커플러를 교체해야 했다.
또한, RF 파워의 결합계수는 빔 파워와 연관되어 있는데, 기존의 RF 파워 커플러는 이미 슬롯의 면적이 결정되어 있어, 다양한 빔 파워에 적응적으로 대응할 수 없는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허: 10-0813937 (2008년 03월 10일 등록)
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 가속관에서 반사되는 고주파 파워가 최소가 되도록 RF 파워 커플러의 결합계수를 조절하는 방법 및 결합계수 조절이 가능한 RF 파워 커플러를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 파워 딜리버리 시스템은 RF 제너레이터에서 생성된 고주파 파워를 가속관으로 전달하는 RF 파워 커플러를 포함한다.
또한, 상기 RF 파워 커플러는 상기 가속관 상부에서 상기 가속관이 연결되며, 상기 RF 파워 커플러는 상기 가속관 상부에서 회전하여, 상기 RF 파워 커플러의 결합계수를 조절할 수 있다.
또한, 상기 RF 파워 커플러는 RF 윈도우, 기둥부, 상부 슬롯으로 구성되며, 상기 RF 윈도우는 상기 RF 제너레이터에서 생성된 고주파 파워를 입력받아, 상기 기둥부로 전달하고, 상기 기둥부는 중공이 중앙에 형성되고, 상기 중공을 통해 상기 RF 윈도우로부터 상기 고주파 파워를 전달받고, 이를 상부 슬롯으로 전달하며, 상기 상부 슬롯은 상기 기둥부 하단에 배치되고, 상기 기둥부의 하부의 중공 단면과 동일한 형상일 수 있다.
또한, 상기 가속관은 상부에 하부 슬롯이 형성되고, 상기 하부 슬롯은 상기 상부 슬롯으로부터 상기 고주파 파워를 입력받을 수 있다.
또한, 상기 기둥부의 중공은 단면이 사각형일 수 있다.
또한, 상기 상부 슬롯과 상기 하부 슬롯의 단면은 사각형일 수 있다.
또한, 상기 RF 파워 커플러의 회전에 의해 상기 상부 슬롯과 상기 하부 슬롯이 교차되는 면적이 변할 수 있다.
또한, 상기 상부 슬롯과 상기 하부 슬롯이 나란하게 배치된 경우에, 상기 교차되는 면적이 최대가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 커플러 제어 시스템은 가속관에서 반사된 고주파 파워를 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부와 연결되고, 상기 센싱된 고주파 파워가 소정 범위 이내 인가 여부를 판단하고, 상기 센싱된 고주파 파워가 소정 범위 이상인 경우에 제1 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되고, 상기 제어부에서 생성된 제1 신호를 입력받아, 상기 제1 신호에 따라 RF 파워 커플러를 회전시키는 모터부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 신호는 RF 파워 커플러의 회전 여부, 상기 RF 파워 커플러의 회전 각도, 상기 RF 파워 커플러의 회전 속도 중 적어도 하나를 포함할 수 잇다.
또한, 상기 모터부는 상기 RF 파워 커플러의 회전이 종료된 경우에, 상기 RF 파워 커플러의 회전이 종료되었음을 알리는 제2 신호를 생성하여 상기 제어부로 전달할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제2 신호를 전달받은 경우에, 상기 가속관에서 반사되는 고주파 파워를 센싱하도록 하는 제3 신호를 생성하여 상기 센싱부로 전달할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 RF 파워 커플러에 포함된 상부 슬롯과 상기 가속관에 포함된 하부 슬롯 간의 교차 면적과 상기 반사된 고주파 파워와의 관계를 미리 연산하고, 연산된 관계에 기초하여 상기 제1 신호 및 상기 제3 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법은 가속관에서 반사되는 제1 고주파 파워를 센싱하는 단계; 상기 센싱된 제1 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 판단하는 단계; 및 상기 센싱된 제1 고주파 파워가 미리 설정한 범위를 벗어난 경우에, RF 파워 커플러를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법은 RF 파워 커플러를 회전시키는 단계 이후에, 상기 가속관에서 반사된 제2 고주파 파워를 센싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 고주파 파워를 센싱하는 단계 이후에, 상기 제2 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 판단하고, 상기 제2 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인 경우에, 상기 RF 파워 커플러의 회전을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 RF 파워 커플러가 설계 조건을 만족하지 않는 경우에 별도의 재가공 없이도 RF 파워 커플러를 회전하여 설계 조건을 만족시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 RF 파워 커플러는 다양한 빔 파워에 대응하여 이용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 RF 파워 커플러의 교차 면적을 조절하여 가속관으로 반사되어 돌아오는 고주파 파워의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 가속관과 RF 파워 커플러가 결합된 일면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 상부 슬롯과 하부 슬롯이 나란히 결합된 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 상부 슬롯과 하부 슬롯이 수직으로 결합된 상태를 도시한 것이다
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 가속관과 RF 파워 커플러가 분리된 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 커플러 제어 시스템을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속관(200)과 RF 파워 커플러(100)의 결합 상태를 도시한 것이다, 이하, 하단 또는 하부라 함은 가속관(200) 쪽의 면을 지칭하며, 상단 또는 상부라 함은 RF 제너레이터 쪽의 면을 지칭하기로 한다.
(1) 고주파 파워 딜리버리 (delivery) 시스템
도 1을 참조하면, RF 파워 커플러(100)는 RF 윈도우(110), 기둥부(120), 상부 슬롯(130)을 포함할 수 있다. RF 윈도우(110)는 RF 제너레이터 쪽의 도파관과 연결되며, RF 제너레이터로부터 생성된 RF 파워를 도파관으로부터 입력받고, 이를 기둥부(120)로 전달한다. 기둥부(120)는 단면이 사각형인 중공이 중앙에 형성되어 RF 윈도우(110)로부터 입력된 고주파 파워를 전달받고, 이를 후술할 상부 슬롯(130)으로 전달한다. 상부 슬롯(130)은 기둥부(120)의 하부에 배치되고, 그 모양과 면적은 기둥부(120) 하부의 중공 단면과 동일하다. 상부 슬롯(130)은 기둥부(120)에 형성된 중공으로부터 고주파 파워를 전달받고, 이를 가속관(200)으로 전달한다.
가속관(200)은 RF 파워 커플러(100)로부터 고주파 파워를 입력받도록 RF 파워 커플러(100) 쪽에 하부 슬롯(210)이 형성되어 있다. 하부 슬롯(210)은 사각형상의 단면을 가지며, 상부 슬롯(130)으로부터 고주파 파워를 전달받는다.
상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210)의 배치 방향에 따라 상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210)이 교차되는 면적(이하, 교차 면적이라 함)이 달라지고, 이 교차 면적에 따라 RF 파워 커플러(100)의 결합계수가 달라진다. 일반적으로 이 교차 면적이 넓을수록 결합계수가 커지는 경향이 있다.
도 2과 같이 상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210)이 나란하게 배치되면, 교차 면적이 넓어지고, 도 1RHK 같이 상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210)이 수직으로 배치되면 교차 면적이 좁아진다. 이와 같은 교차 면적 차이에 따라 RF 파워 커플러(100)의 결합계수가 달라진다.
이를 응용하면 다음과 같다. RF 파워 커플러(100)가 설계 조건을 만족하지 못하여, 가속관(200)으로부터 반사되어 되돌아오는 고주파 파워가 큰 경우에, 반사되는 고주파 파워가 낮아지도록 RF 파워 커플러(100)를 회전시킨다. 이 경우, RF 파워 커플러(100)를 교체하는 작업 없이도, RF 파워 커플러(100)를 회전하는 것만으로도 가속관(200)에서 반사되는 고주파 파워를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또는, 빔의 종류에 따라 RF 파워 커플러(100)의 결합계수가 다른데, 제1 빔을 이용하여 전자를 가속시킨 후, 제2 빔을 이용하고자 하는 경우에, RF 파워 커플러(100)의 교체 없이도, RF 파워 커플러(100)를 회전하여 제2 빔에 적절한 RF 파워 커플러(100) 결합계수를 갖도록 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 커플러(100)의 기둥부(120)는 외부 단면은 원형이나, 내부에 사각형의 중공부를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, RF 파워 커플러(100) 쪽의 가속관(200)에는 외부 단면이 원형이 기둥부(120)가 삽입될 수 있는 원형의 돌출부(230)가 형성된다. RF 파워 커플러(100)는 이 원형 돌출부(230)에 끼워지고, 외부로부터 회전 구동력을 받아 회전될 수 있다. 이러한 RF 파워 커플러(100)는 소정의 모터와 연결되고, 모터로부터 구동력을 전달받아 회전될 수 있다.
가속관(200)의 원형 돌출부(230)에 원형의 외부 단면을 갖는 기둥부(120)가 이 돌출부(230)에 끼워져 회전되고, 이 회전에 따라 RF 파워 커플러(100)의 상부 슬롯(130)과 가속관(200)의 하부 슬롯(210) 간의 교차 면적이 바뀌고, 이에 따라 RF 파워 커플러(100)의 결합계수가 달라져, 조건에 맞는 RF 파워 커플러(100)의 결합계수를 선택할 수 있다.
(RF 파워 커플러 제어 시스템)
본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 커플러 제어 시스템은 RF 파워 커플러를 회전시켜 상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210) 간의 교차 면적을 조절하기 한 시스템이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 RF 파워 커플러 제어 시스템은 제어부(500), 모터부(300), 센싱부(400)를 포함할 수 있다. 여기서, RF 파워 커플러(100)는 위에서 서술한 RF 파워 커플러(100)와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 제어부(500)는 선형전자가속기 전체를 제어하는 메인 가속기일 수 있고, 메인 가속기와는 별도로 RF 파워 커플러(100)만을 제어하는 제어부(500)일 수 있다.
본 발명의 센싱부(400)는 RF 파워 커플러(100)의 전단에 배치되고, 가속관(200)에서 반사되어 되돌아온 고주파 파워를 센싱할 수 있다. 이 고주파 파워는 가속관(200)에서 반사되어 상부 슬롯(130)을 통해 방출된 것으로, 센싱부(400)는 상부 슬롯(130)을 통해 방출된 고주파 파워를 감지할 수 있다. 이때, 센싱부(400)는 제일 처음 센싱된 고주파 파워를 제1 센싱 값으로 하고, 이 제1 센싱 값을 제어부(500)로 전달할 수 있다.
본 발명의 센싱부(400)는 고주파 파워를 센싱할 수 있는 모든 공지의 디바이스를 포함한다.
본 발명의 제어부(500)는 센싱부(400)와 연결되어 있고, 센싱부(400)에서 센싱된 고주파 파워 값을 전달받을 수 있다. 상기 제어부(500)는 센싱부(400)로부터 전달받은 고주파 파워에 따라 상부 슬롯(130)의 회전 여부, 회전 각도, 회전 속도를 결정한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210)의 배치에 따라 교차 면적이 달라지고, 이 교차 면적에 따라 RF 파워 커플러(100)의 결합계수가 달라진다.
제어부(500)는 제1 센싱 값이 미리 설정한 범위를 벗어난 경우에, RF 파워 커플러(100)가 회전하도록 하는 제1 신호를 생성하여 모터부(300)로 전달한다. 이 제1 신호는 RF 파워 커플러(100)의 회전 여부, 회전 각도, 회전 속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
모터부(300)는 제어부(500)와 연결되어 있고, 제어부(500)로부터 전달받은 제1 신호에 따라 RF 파워 커플러(100)를 회전하도록 구동된다. 예컨대, 제1 신호가 RF 파워 커플러(100)를 회전시킴, 30도 회전, 10ra/sec 속도라면, 모터는 이 제1 신호에 따라 RF 파워 커플러(100)를 10rad/sec의 속도로 30도 회전시킨다. 여기서, 제1 신호는 이진화되어 모터부(300)로 전달될 수 있다.
모터부(300)는 RF 파워 커플러(100)를 회전시킨 후 RF 파워 커플러(100)의 회전이 종료되었음을 알리는 제2 신호를 생성하여 제어부(500)로 전달할 수 있다. 제어부(500)는 이 제2 신호를 전달받은 경우에, 가속관(200)에서 반사되어 돌아오는 고주파 파워를 센싱하도록 하는 제3 신호를 생성하여 센싱부(400)로 전달한다.
제3 신호를 전달받은 센싱부(400)는 가속관(200)에서 반사되어 돌아온 고주파 파워를 센싱하고, 센싱된 고주파 파워를 제 2 센싱 값으로 하여, 제어부(500)로 전송할 수 있다.
제2 센싱 값을 전달받은 제어부(500)는 가속관(200)에서 제2 센싱 값이 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 다시 판단하고, 만일, 제2 센싱 값이 미리 설정한 범위 밖이라면, 다시 RF 파워 커플러(100)가 회전되도록 하는 신호를 발생시키고, 이 신호를 다시 모터부(300)로 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(500)는 가속관(200)으로부터 반사된 고주파 파워와 상부 슬롯(130)과 하부 슬롯(210)의 교차 면적간의 관계를 미리 연산하고, 이를 테이블화하여 저장하거나, 최적화 알고리즘을 통해 저장할 수 있다. 제어부(500)는 이렇게 저장된 교차 면적과 가속관(200)으로부터 반사된 고주파 파워 간의 관계에 기초하여 제1 신호 및 제3 신호를 생성하여 각각 모터부(300)와 센싱부(400)로 전달할 수 있다.
(3) RF 파워 커플러 결합계수 제어방법
본 발명의 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법은 가속관(200)에서 반사되는 제1 고주파 파워를 센싱하는 단계, 상기 센싱된 제1 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 판단하는 단계, 상기 센싱된 제1 고주파 파워가 미리 설정한 범위를 벗어난 경우에, RF 파워 커플러(100)를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어방법은 RF 파워 커플러(100)를 회전시키는 단계 이후에, 가속관(200)에서 반사된 제2 고주파 파워를 센싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 고주파 파워를 센싱하는 단계 이후에, 상기 제2 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 판단하고, 상기 제2 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인 경우에, 상기 RF 파워 커플러(100)의 회전을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Claims (15)

  1. RF 제너레이터에서 생성된 고주파 파워를 가속관으로 전달하는 RF 파워 커플러를 포함하는 고주파 파워 딜리버리 시스템에 있어서,
    상기 RF 파워 커플러는 상기 가속관 상부에서 상기 가속관이 연결되며, 상기 RF 파워 커플러는 상기 가속관 상부에서 회전하여, 상기 RF 파워 커플러의 결합계수를 조절하는 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 RF 파워 커플러는 RF 윈도우, 기둥부, 상부 슬롯으로 구성되며,
    상기 RF 윈도우는 상기 RF 제너레이터에서 생성된 고주파 파워를 입력받아, 상기 기둥부로 전달하고,
    상기 기둥부는 중공이 중앙에 형성되고, 상기 중공을 통해 상기 RF 윈도우로부터 상기 고주파 파워를 전달받고, 이를 상부 슬롯으로 전달하며,
    상기 상부 슬롯은 상기 기둥부 하단에 배치되고, 상기 기둥부의 하부의 중공 단면과 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가속관은 상부에 하부 슬롯이 형성되고,
    상기 하부 슬롯은 상기 상부 슬롯으로부터 상기 고주파 파워를 입력받는 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기둥부의 중공은 단면이 사각형인 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 상부 슬롯과 상기 하부 슬롯의 단면은 사각형인 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 RF 파워 커플러의 회전에 의해 상기 상부 슬롯과 상기 하부 슬롯이 교차되는 면적이 변하는 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템
  7. 제6항에 있어서, 상기 상부 슬롯과 상기 하부 슬롯이 나란하게 배치된 경우에, 상기 교차되는 면적이 최대가 되는 것을 특징으로 하는 고주파 파워 딜리버리 시스템.
  8. 가속관에서 반사된 고주파 파워를 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부와 연결되고, 상기 센싱된 고주파 파워가 소정 범위 이내 인가 여부를 판단하고, 상기 센싱된 고주파 파워가 소정 범위 이상인 경우에 제1 신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부와 연결되고, 상기 제어부에서 생성된 제1 신호를 입력받아, 상기 제1 신호에 따라 RF 파워 커플러를 회전시키는 모터부를 포함하는 RF 파워 커플러 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 신호는 RF 파워 커플러의 회전 여부, 상기 RF 파워 커플러의 회전 각도, 상기 RF 파워 커플러의 회전 속도 중 적어도 하나를 포함하는 RF 파워 커플러 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 모터부는 상기 RF 파워 커플러의 회전이 종료된 경우에, 상기 RF 파워 커플러의 회전이 종료되었음을 알리는 제2 신호를 생성하여 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 RF 파워 커플러 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2 신호를 전달받은 경우에, 상기 가속관에서 반사되는 고주파 파워를 센싱하도록 하는 제3 신호를 생성하여 상기 센싱부로 전달하는 것을 특징으로 하는 RF 파워 커플러 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는 상기 RF 파워 커플러에 포함된 상부 슬롯과 상기 가속관에 포함된 하부 슬롯 간의 교차 면적과 상기 반사된 고주파 파워와의 관계를 미리 연산하고, 연산된 관계에 기초하여 상기 제1 신호 및 상기 제3 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 RF 파워 커플러 제어 시스템.
  13. 가속관에서 반사되는 제1 고주파 파워를 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 제1 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 판단하는 단계;
    상기 센싱된 제1 고주파 파워가 미리 설정한 범위를 벗어난 경우에, RF 파워 커플러를 회전시키는 단계를 포함하는 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법
  14. 제13항에 있어서, 상기 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법은 RF 파워 커플러를 회전시키는 단계 이후에,
    상기 가속관에서 반사된 제2 고주파 파워를 센싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 고주파 파워를 센싱하는 단계 이후에,
    상기 제2 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인가 여부를 판단하고, 상기 제2 고주파 파워가 미리 설정한 범위 이내인 경우에, 상기 RF 파워 커플러의 회전을 종료하는 단계를 더 포함하는 RF 파워 커플러 결합계수 제어방법.
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