KR20180115958A - 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치 - Google Patents

초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치는 광원부; 광원부의 방향을 조절하기 위한 방향조절부; 및 코일 전류 충전기(Charging phase)에 걸쳐서 이루어지는 패러데이 보정을 위해 설치된 편광기 모듈;을 포함하여, 초전도 자석으로 운용되는 좀더 최신의 토카막 장치에서도 진공용기가 개방되지 않은 상태로 자기장을 인가하여 패러데이 효과에 따른 회전을 보정할 수 있는 효과가 있다.

Description

초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치{FARADAY EFFECT CORRECTION DEVICE FOR POLARIZATION DIAGNOSTICS OF SUPERCONDUCTING TOKAMAK}
본 발명은 초전도 토카막 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 기준 편광원의 편광기 모듈을 설치하여 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치에 관한 것이다.
자기 차폐 핵융합 실험 장치는 플라즈마 내부에서 발생하는 편광 신호를 이용하여 플라즈마 내부의 자기장 구조를 측정하는데 사용된다. 이를 위한 대표적인 진단 장치로는 운동슈타르크 효과(Motional Stake Effect: MSE)진단이 있다. 상기 MSE 진단에서는 핵융합 플라즈마와 이를 가열하기 위해 플라즈마에 주입되는 높은 에너지의 중성입자 빔과의 원자반응으로부터 발생하는 방출 신호의 선형 편광각을 높은 정밀도(<0.1°)로 측정해야한다. 편광신호는 플라즈마 중심부에서 최초로 발생하며, 통상적으로 토카막 진공용기의 진공창 외부에 설치된 수광부 광학계를 거쳐 광탄성변조기 등을 활용한 편광측정부를 거쳐 최종적인 편광신호를 획득하게 된다.
이 과정에서, 플라즈마를 차폐하기 위해 토카막에 인가된 자기장으로 인해, 편광신호는 진공창 및 광탄성변조기를 구성하는 광학창 매질을 투과해가면서 패러데이 효과를 경험하게 된다.
결과적으로 최종 측정되는 편광각 γm은 아래의 [수학식 1]에 의해 측정할 수 있으며, 해당 [수학식 1]에서 γreal은 측정하고자 하는 최종 편광각, △γf는 광학계 매질을 통과하며 인가되는 패러데이 회전량이다.
Figure pat00001
MSE 진단에서 패러데이 효과는 잘 알려져 있는 사실이며, MSE 진단과 같은 편광 계측 장치가 장착된 토카막에서 다양한 방법을 통해 보정 작업을 수행한다.
예를 들어, 미국 General Atomics에서 운용하는 상전도 토카막인 DⅢ-D 장치에서는 편광각이 알려져 있는 선형 편광원을 개방된 진공용기 내부에 설치하여 플라즈마 실험에서 쓰이게 될 자장을 인가하여 그 변화를 측정한다.
이 선형 편광원은 실제 플라즈마 실험을 위한 진공용기 밀폐 이전에 제거된다. 하지만, 초전도 자석으로 운용되는 좀 더 최신의 토카막 장치들의 경우는 진공용기가 개방된 상태에서 자기장을 인가하는 게 불가능하므로, 이러한 방법으로 패러데이 효과를 보정하는 것이 불가한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1421285호(2014. 07. 11)
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 내부에 기준 편광원의 편광기 모듈을 설치하여 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치는 광원부; 광원부의 방향을 조절하기 위한 방향조절부; 코일 전류 충전기(Charging phase)에 걸쳐서 이루어지는 패러데이 보정을 위해 설치된 편광기 모듈; 및 토카막(610)의 초전도 코일(620) 충전기 구간에서 기록되는 자장값 및 편광의 변화량 간의 상관관계를 유도하여 상기 패러데이 보정을 위한 산출식의 보정계수를 산출하기 위한 보정계수 산출모듈(600);을 포함하되, 상기 편광기 모듈은 중앙이 천공되어 상기 진공용기 내부에 형성되고, 가장자리부분에 상기 진공용기와 고정될 수 있는 복수의 고정홀이 형성된 진공창; 선격자(Wire-grid)로 이루어져, 상기 진공창의 천공된 부분의 내주면으로 삽입된 선격자 편광기; 상기 선격자 편광기를 플라즈마 실험에서 발생하는 각종 먼지 및 열속으로부터 보호하기 위한 보호창; 링형상으로 이루어져 있으며, 상기 진공창에 형성된 고정홈과 결합할 수 있는 나사구멍이 외주면에 형성된 복수의 고정링; 및 상기 고정링과 상기 보호창 사이에 배치되어, 상기 고정링과 상기 선격자 편광기 및 보호창 사이의 완충 및 고정 역할을 하는 완충링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치는 초전도 자석으로 운용되는 좀더 최신의 토카막 장치에서도 진공용기가 개방되지 않은 상태로 자기장을 인가하여 패러데이 효과에 따른 회전을 보정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 초전도 토카막의 차폐용 자기장 운용방식을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치의 편광기 모듈 설치도면,
도 3은 본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치의 광원부 상세 구조도면,
도 4는 본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치의 편광기 모듈 분해 사시도,
도 5는 초전도 토카막의 코일 전류 충전기(charging phase)를 이용한 패러데이 회전 보정 데이터를 도시한 그래프 도면, 및
도 6은 패러데이 보정계수 산출모듈의 블록도 및 토카막과 초전도 코일의 관계를 간략히 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가 장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 초전도 토카막의 차폐용 자기장 운용방식을 도시하고 있다.
토카막 실험, 즉 토카막을 활용한 플라즈마 발생 시험에서 요구되는 자기장 발생을 위해 도 1의 주황색 사각형으로 표시한 바와 같이 해당일 아침에 초전도 자석코일에 전류를 인가한다.
달성된 자기장 값은 해당 실험 시간에 걸쳐 계속 유지되며 실험 종료 후, 코일에 인가된 전류가 방전된다. 도 1에서 주황색 사각형으로 표시되어 있는 바와 같이, 패러데이 보정은 오전(혹은 오후)의 코일 전류 충전기(Charging phase)에 걸쳐서 이루어진다.
이를 위해 진공 용기 내부에 항시 설치되어 있는 일종의 '기준 편광원'이 작동한다. 자장 코일 전류가 `0`에서 시작하여 충전됨에 따라, 기준 편광원을 대상으로 측정하는 토카막 편광 진단계(예를 들어, MSE진단)가 측정하는 편광각 또는 그 변화를 포함하게 되면 이를 이용하여 최종 편광각'△γf'을 획득한다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치는 광원부(100), 방향조절부(200), 및 진공용기(400) 내부에 설치되는 편광기 모듈(300)을 포함한다.
상기 광원부(100)는 복수의 LED 광원(110), 집속렌즈(120)로 구성되어, 안전문제 등으로 진공용기 내부에 설치가 부적절하므로 상기 진공용기(400)의 바깥쪽에 설치된다.
보다 구체적으로, 상기 광원부(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 빛이 입사되는 포트의 높이와 대응되는 위치에 맞추기 위해 상기 진공용기(400)의 바깥쪽에 형성된 거치대(500)위에 설치된다.
한편, 상기 LED 광원(110)은 보정 대상이 되는 진단장치가 측정하고자 하는 신호의 파장과 가장 가까운 파장의 LED가 사용되고, 상기 집속렌즈(120)는 상기 LED 광원(110) 전면 각각에 형성되어 해당 LED 광원(110)에서 나오는 빛을 모아 집속시킨다.
상기 진공용기(400)는 초전도 핵융합 장치의 경우, 자장코일의 냉각을 위해 냉동기(Cryostat)로 둘러싸여 있으므로, 상기 편광기 모듈(300)이 장착되는 진공창 바로 바깥쪽 부분은 사실상 사람의 손이 바로 닿지 않는 깊이의 진공 포트 안쪽에 위치되어 있다.
따라서, 상기 광원부(100)의 방향을 조정이 불가능하여 상기 방향조절부(200)가 필요하다.
상기 방향조절부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 광원부(100)의 후방에 형성되고, 좌우조종 광학판(210), 상하조종 광학판(220), 좌우조종 막대(230), 및 상하조종 막대(240)를 포함한다.
먼저, 상기 좌우조종 광학판(210)은 좌우방향으로 소정 각도만큼 회동가능하도록, 바닥면이 상기 거치대(500)에 결합되고, 전방면이 상기 광원부(100)의 후면에 결합되며, 후방면이 상기 좌우조종 막대(230)의 일단과 결합된다.
일단이 상기 좌우조종 광학판(210)에 결합된 상기 좌우조종 막대(230)는 그 타단이 사람의 손이 닿을 수 있도록 진공 포트의 바깥쪽까지 연결되어, 상기 광원부(100)에서 발생되는 기준 편광원의 집속위치와 방향 등을 최종적으로 미세하게 조절할 수 있는 구성이다.
또한, 상기 좌우조종 광학판(210)이 세로방향으로 세워져 위치가 변경된, 상기 상하조종 광학판(220)은 상하방향으로 소정 각도만큼 회동가능하도록, 바닥면이 상기 좌우조종 광학판(210)의 상단면에 결합되고, 전방면이 상기 광원부(100)의 후면에 결합되며, 후방면이 상기 상하조종 막대(240)의 일단과 결합된다.
일단이 상기 상하조종 광학판(220)에 결합된 상기 상하조종 막대(240)는 상기 좌우조종 막대(230)와 마찬가지로, 그 타단이 사람의 손이 닿을 수 있도록 진공 포트의 바깥쪽까지 연결되어, 상기 광원부(100)에서 발생되는 기준 편광원의 집속위치와 방향 등을 최종적으로 미세하게 조절할 수 있는 구성이다.
즉, 사용자는 상기 좌우조종 막대(230) 및 상기 상하조종 막대(240)의 조작을 통해 상기 광원부(100)에서 발생되는 기준 편광원의 집속위치와 방향 등을 최종적으로 미세하게 조절할 수 있다.
한편, 상기 편광기 모듈(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 진공창(310), 편광기(320), 보호창(330), 완충링(340), 및 고정링(350)을 포함한다.
상기 진공창(310)은 상기 진공용기(400) 내부에 형성되고, 중앙이 천공되어 있으며, 가장자리부분에 상기 진공용기(400)와 고정될 수 있는 복수의 고정홀(311)이 형성되어 있고, 상기 고정홀(310)보다 내측으로 상기 고정링(350)이 삽입되어 고정될 수 있는 복수의 고정홈(312)이 형성되어 있다.
상기 편광기(320)는 상기 진공용기(400) 내부의 고온 환경에 적합한 선격자(Wire-grid)로 이루어져, 상기 진공창(310)의 천공된 구멍의 내주면으로 삽입된다.
상기 보호창(330)은 투명한 재질로 이루어지며, 선격자 편광기(320)를 플라즈마 실험에서 발생하는 각종 먼지 및 열속 등으로부터 보호하기 위해 해당 선격자 편광기(320)의 상부에 덮혀진다.
이때, 상기 보호창(330)도 토카막의 자장으로 인해 패러데이 회전이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 Verdet 상수 (패러데이 회전량에 비례하는 물질 상수;°/m/T)가 0에 가까운 S-TIH6 재질의 창으로 제작된다.
상기 고정링(350)은 중앙이 천공된 링형상으로 이루어져 있으며, 해당 링형상의 외주면으로 나사구멍(351)이 형성되어있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 상기 고정링(350)은 상기 편광기(320) 및 상기 편광기 보호창(330)을 고정하기 위해 외주면이 상기 진공창(310)의 내주면으로 삽입됨에 따라, 상기 진공창(310)에 형성된 고정홈(312)에 대응되게 상기 나사구멍(351)이 위치된 후, 나사결합 등으로 상기 진공창(310)에 고정된다.
상기 완충링(340)은 테플론 재질로 이루어져, 상기 고정링(350)과 상기 보호창(330) 사이에 배치되어, 상기 고정링(350)과 상기 선격자 편광기(320) 및 보호창(340) 사이의 완충 및 고정 역할을 한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치에서 초전도 코일 전류 충전기(charging phase)를 이용한 패러데이 회전 보정에 대해 설명한다.
상기 기준 편광원의 편광각은 도 1의 주황색 영역에 해당되는 초전도 토카막의 전류 충전기(charging phase) 동안 적당한 시간 간격으로 측정되는데, 도 5a에 도시된 바와 같이 시간에 따른 자장의 변화 및 측정되는 편광각(γm)의 변화로 나타난다.
참고로, 도 5a는 기준 편광원이 켜진 후의 시간에 따른 자기장의 변화(오른쪽 축) 및 이에 따른 측정 편광각의 변화(왼쪽 축)를 도시한 것이다.
약 60분에서 85분 사이에서 이루어지는 코일 전류 충전기(charging phase) 동안 편광 측정치의 변화가 뚜렷이 관측되며 이 부분의 데이터만을 추려 자장 대비 편광의 변화량(△γf)과의 상관 관계를 도 5b의 오른쪽 축에 도시된 바와 같이 획득한다.
참고로, 도 5b는 약 60~85분 사이의 데이터를 이용해서 획득한 자장 대비 편광 측정치의 변화량과의 선형상관 관계(오른쪽 축)를 도시한 것이다.
도 5b에서 알 수 있는 바와 같이 두 변수 사이에는 아래의 [수학식 2]와 같이 선형의 상관관계를 갖는다.
Figure pat00002
상기 [수학식 2]는 상기 [수학식 1]과 결합되어, 아래의 [수학식 3]과 같이 인가되는 자장 값을 입력치로 하는 최종 보정식을 획득하게 된다.
Figure pat00003
도 5에 도시된 실시예의 경우, c0=0.007°, c1=-0.828˚/Tesla가 획득되고, δpol≡-△γf이고 c0는 0°이 되며, 자장이 없는 경우, γm=γreal이 된다.
상술한 [수학식 3]에서 c0 및, c1 와 같은 패러데이 보정계수들의 산출에 대하여 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 패러데이 보정계수 산출모듈의 블록도 및 토카막과 초전도 코일의 관계를 간략히 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 보정계수 산출모듈(600)은 토카막(610), 초전도 코일(620), 편광측정부(630), 자장기록부(640) 및 상관관계 계산부(650)를 포함한다.
상기 자장기록부(640)은 초전도 코일의 충전(또는 방전) 과정의 토카막(610)으로부터 인가되는 초전도 코일(620)의 자장값(Bt)을 측정하고 기록한다.
상기 편광측정부(630)는 상술한 상기 편광기 모듈(300)에서 생성되는 편광의 변화량(△γf)을 측정하고 그 측정결과를 저장한다.
상기 상관관계 계산부(650)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 편광측정부(630)과 상기 자장기록부(640)에서 각각 측정된 코일의 자장값(Bt)과 편광의 변화량(△γf) 간의 상관관계를 유도하여 패러데이 보정계수들(c0 및, c1)을 산출한다.
참고로, 초전도 코일 충전(또는 방전)과정의 토카막(610)은 토로이달(토러스의 장축 방향)형태의 플라즈마 칼럼 및 이를 폴로이달 방향(토러스의 단축 방향)으로 둘러싸는 초전도 코일(620)을 도 6에 개념적으로 간략히 도시한 것이다.
실제로, 상기 초전도 코일(620)는 토로이달 방향에 걸쳐 다수 배치되어 있으며, 상기 진공용기(400)또한 상기 토카막(610)의 일부에 해당된다.
한편, 상기 편광 광측정부(630)는 편광신호 해석을 위한 시스템일 수 있고, 상기 자장기록부(640)는 코일 전류 기록 장치일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 광원부
110 : LED 광원
120 : 집속렌즈
200 : 방향조절부
210 : 좌우조종 광학판
220 : 상하조종 광학판
230 : 좌우조종 막대
240 : 상하조종 막대
300 : 편광기 모듈
310 : 진공창
320 : 편광기
330 : 보호창
340 : 완충링
350 : 고정링
400 : 진공용기
500 : 거치대
600 : 보정계수 산출모듈
610 : 토카막
620 : 초전도 코일
630 : 편광측정부
640 : 자장기록부
650 : 상관관계 계산부

Claims (7)

  1. 광원부(100);
    광원부(100)의 방향을 조절하기 위한 방향조절부(200);
    코일 전류 충전기(Charging phase)에 걸쳐서 이루어지는 패러데이 보정을 위해 설치된 편광기 모듈(300); 및
    토카막(610)의 초전도 코일(620) 충전기 구간에서 기록되는 자장값 및 편광의 변화량 간의 상관관계를 유도하여 상기 패러데이 보정을 위한 산출식의 보정계수를 산출하기 위한 보정계수 산출모듈(600);을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부(100)는
    빛이 입사되는 포트의 높이와 대응되도록 진공용기(400)의 외부에 위치한 거치대(500)에 형성되는 복수의 LED 광원(110); 및
    상기 복수의 LED 광원(110) 전면 각각에 형성되어 해당 LED 광원(110)에서 나오는 빛을 모아 집속시키는 집속렌즈(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방향조절부(200)는
    바닥면이 상기 거치대(500)에 결합되고, 전방면이 상기 광원부(100)의 후면에 결합되어 좌우방향으로 소정 각도만큼 회동가능한 좌우조종 광학판(210);
    일단이 상기 좌우조종 광학판(210)에 결합되어 상기 좌우조종 광학판(210)을 좌우방향으로 조종하여 기준 편광원의 집속위치와 방향을 조절하는 좌우조종 막대(230);
    바닥면이 상기 좌우조종 광학판(210)의 상단면에 결합되고, 전방면이 상기 광원부(100)의 후면에 결합되어 상하방향으로 소정 각도만큼 회동가능한 상하조종 광학판(220); 및
    일단이 상기 상하조종 광학판(220)에 결합되어 상기 상하조종 광학판(220)을 상하방향으로 조종하여 기준 편광원의 집속위치와 방향을 조절하는 상하조종 막대(240);를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 편광기 모듈(300)은
    중앙이 천공되어 상기 진공용기(400) 내부에 형성되고, 가장자리부분에 상기 진공용기(400)와 고정될 수 있는 복수의 고정홀(311)이 형성된 진공창(310);
    선격자(Wire-grid)로 이루어져, 상기 진공창(310)의 천공된 부분의 내주면으로 삽입된 선격자 편광기(320);
    상기 선격자 편광기(320)를 플라즈마 실험에서 발생하는 각종 먼지 및 열속으로부터 보호하기 위한 보호창(330);
    링형상으로 이루어져 있으며, 상기 진공창(310)에 형성된 고정홈(312)과 결합할 수 있는 나사구멍(351)이 외주면에 형성된 복수의 고정링(350); 및
    상기 고정링(350)과 상기 보호창(330) 사이에 배치되어, 상기 고정링(350)과 상기 선격자 편광기(320) 및 보호창(340) 사이의 완충 및 고정 역할을 하는 완충링(340);을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 보호창(330)은
    토카막의 자장으로 인해 발생할 수 있는 패러데이 회전을 방지하기 위해 Verdet 상수(패러데이 회전량에 비례하는 물질 상수;°/m/T)가 0에 가까운 S-TIH6 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 LED 광원(110)은
    보정 대상이 되는 측정하고자 하는 신호의 파장과 가까운 파장의 LED가 사용되는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 보정계수 산출모듈(600)은
    초전도 코일(620)의 충전(또는 방전)과정의 토카막(610)으로부터 인가되는 초전도 코일(620)의 자장값(Bt)을 측정하고 기록하는 자장기록부(640);
    상기 편광기 모듈(300)에서 생성되는 편광의 변화량(△γf)을 측정하고 그 측정결과를 저장하는 편광측정부(630); 및
    상기 편광측정부(630)과 상기 자장기록부(640)에서 각각 측정된 코일의 자장값(Bt)과 편광의 변화량(△γf) 간의 상관관계를 유도하여 패러데이 보정계수들(c0 및, c1)을 계산하는 상관관계 계산부(650);를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 토카막의 편광진단을 위한 패러데이 효과 보정장치.
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