KR20210014934A - 가속관용 고출력 입력커플러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 커플러 모듈, 제2 커플러 모듈 및 제3 커플러 모듈을 포함하여 구성되는 가속관용 고출력 입력커플러로서, 상기 제1 커플러 모듈은 몸체의 일단이 원통형상으로 가속관에 연결되는 가속관연결부와; 상기 가속관연결부의 중심에 위치하여 고에너지의 RF신호를 가속관으로 방출시키는 안테나부재와; 상기 안테나부재를 결합시키도록 상기 가속관연결부의 중심부에 형성되는 안테나팁부재와; 상기 가속관연결부와 상기 제2 커플러 모듈의 RF 윈도우부재사이에 원통형태로 형성되어 제1 커플러 모듈의 몸체를 형성하고 내부가 중공인 아우터튜브부재와; 상기 아우터튜브부재의 내부 중심에 내부가 중공인 봉형상으로 형성되고 몸체의 둘레를 따라 내부의 냉각기체를 배출시키는 다공성홀이 다수개 형성되는 인너튜브부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러를 제공한다.
상기와 같은 본 발명은 가속관용 입력커플러의 안테나 인너부재의 내외측에 천공구멍을 다수개 형성하여 가속된 고주파 빔에 의해 발생된 고열을 외부로 신속히 배출시키므로써, 장시간 고열의 빔에 의해 안테나 인너부재의 내벽이 부딪혀 손상되는 멀티팩팅을 최소화하므로 그에 따라 고출력 입력커플러의 내구성을 극대화시키는 효과가 있다.

Description

가속관용 고출력 입력커플러 {HIGH POWER INPUT COUPLER FOR ACCELERATING TUBE}

본 발명은 가속관용 고출력 입력커플러에 관한 것으로, 특히 가속관용 입력커플러의 안테나 인너부재의 내외측에 천공구멍을 다수개 형성하여 가속된 고주파 빔에 의해 발생된 고열을 외부로 신속히 배출시키는 가속관용 고출력 입력커플러에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 가속기 시스템에서는 하전 입자 빔이 가속 공동 내에 유도되어, 고주파의 전자파가 입력 커플러를 통해 도입된다. 그리고 상기 공동 내의 하전 입자는, 공동 내에 발생한 고주파 전계에 의해 가속된다. 또한 상기 입력 커플러는 고주파 발생기(예를 들어 클라이스트론)에서 발생하여 도파관에 의해 전반된 고주파를 공동 내에 도입한다. 다시 말해서, 상기와 같은 입력 커플러 즉, RF 파워 커플러는 매우 높은 출력의 고주파 파워를 하전 입자(charged particle) 가속을 위해 빔 진행 방향으로 복수로 배치된 캐비티(cavity) 중 일부 캐비티에 전달하기 위한 일종의 도파관이다. RF 파워 커플러는 매우 높은 주파수와 파워를 전달하기 때문에 RF 신호 경로의 부품이 매우 높은 온도로 상승할 수 있고, 높은 절연이 요구되며, 캐비티 측 진공도가 매우 높기 때문에 진공 차폐 성능도 뛰어나야 한다. 더 나아가, 상기 입력 커플러에는 동축형 커플러와 사각형 도파관형 커플러의 2종류가 있다.

그러면, 상기와 같은 종래 입력커플러의 일례를 도 1를 참고로 설명하면, 입력커플러는 대개의 경우 제1 커플러 모듈(70), 제2 커플러 모듈(71) 및 제3 커플러 모듈(72)을 포함한다. 이때, 상기 제1커플러 모듈(70)은 캐비티(73)와 RF연결되는 루프를 형성하는 루프 커플러(74) 및 일측에 안테나 부재루프 커플러(74)의 일단이 연결되고, 축 중심에 안테나 부재(74)의 타단이 놓이도록 형성되고, 내부가 중공인 축 대칭 형상인 제1외측 컨덕터(75)를 포함한다. 그리고 상기 제2 커플러 모듈(71)은 윈도우(76)를 포함한다. 또한 상기 제3 커플러 모듈(72)은 RF 파워 소스가 연결된다.

한편, 상기와 같은 종래 입력커플러의 작용을 개략적으로 살펴보면, 상기 제3 커플러 모듈(72)을 통해 고주파로 하전된 입자가 유입되어 제2 커플러 모듈(71)을 경유하여 제1 커플러 모듈(70)의 공동내로 입력되게 된다. 여기서, 상기 제1 커플러 모듈(70)의 공동 내부 RF 윈도우(76)를 경계로 하여 진공상태로 유지되며. 이때 상기 공동 내에서는 유입된 하전입자가 고진공 영역에서 매우 빠른 속도로 교번하는 전기장에 노출된 다음 안테나 부재(74)를 통해 가속관으로 방출된다.

그러나, 상기와 같은 종래 입력 커플러는 입력 커플러의 주요 구성 요소 중 하나인 RF 윈도우가 진공 영역과 대기 영역을 차폐하여 RF 신호를 전달하는 피드스루(feedthrough)에 해당하며, 높은 주파수의 신호가 부도체를 관통하기 때문에 발열이 심하게 나타난다. 특히, 상기와 같은 종래 입력 커플러의 제1 커플러 모듈(70)의 진공 측의 노출면에서 반복되는 하전 입자의 방출 및 충돌에 의한 방전 파괴(discharge breakdown) 등에 의해 쉽게 손상될 수 있다. 이를 멀티팩팅(multipacting)이라고 표현되기도 하며, RF 신호의 파워가 매우 높으므로 멀티팩팅이 발생하면 눈사태효과(avalanche) 등에 의해 높은 에너지의 방전으로 내부표면이 파손되는 일이 빈번하다. 이로 인해 RF 신호가 정상적으로 전달되지 않거나, 내부 표면의 파손으로 빔 라인, 예컨대, 통상 10 torr 이하인 캐비티 내부 공간의 진공도 유지가 곤란해질 수 있는 문제점이 야기되었다.

또한, 입력 커플러는 일단측에서 도파관과 접속되며, 타단측에서 가속 공동과 접속된다. 가속 공동은 운전시 진공으로 유지됨과 함께, 예를 들어 약 4K까지 냉각되며, 가속 공동에 접속된 입력 커플러도 일부가 극저온으로 냉각된다.

가속 공동은, 상술한 바와 같이 운전시에 있어서 극저온으로 할 필요가 있다는 점에서, 입력 커플러로부터 가속 공동측으로 전달되는 열을 차단하기 위해, 입력 커플러에 대하여 열부하 대책을 실시할 필요가 있다.

RF 윈도우(76)가 설치되는 경우, 입력 커플러의 내도체 내부에 냉각수를 흐르게 하여, 제 1 커플러 모듈(70)의 제1 외측 컨덕터(75)에 둘러싸인 제1 내측 컨덕터에서 발생한 열을 수랭에 의해 냉각할 수 있다. 그러나, RF 윈도우(76)이 냉각수에 의해 약 80K로 극저온으로 유지된다는 점에서, 제1 내측 컨덕터 내부에 흐르게 하는 냉각수를 물로 하면, RF 윈도우(76)보다도 가속 공동측에 있어서 제1 내측 컨덕터 내부에서 물이 응고될 우려가 있다. 그 결과, 제1 내측 컨덕터에서 발생한 열이 냉각되지 않게 되고, RF 윈도우(76)를 통해 제1 외측 컨덕터(75)측으로 전달되어, 열 손실이 발생한다.

이로 인해, 내도체(55)를 냉각하는 열매체로서 통상 냉각 기체 등이 사용되나, 냉각 기체는 열 용량이 작고 냉각 성능이 낮다.

이를 감안하여 냉각 기체에 의한 효율적인 냉각 방식을 위한 다양한 구조가 시도되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기위해 발명된 것으로, 가속관용 입력커플러의 안테나 인너부재의 내외측에 천공구멍을 다수개 형성하여 가속된 고주파 빔에 의해 발생된 고열을 외부로 신속히 배출시키므로써, 장시간 고열의 빔에 의해 안테나 인너부재의 내벽이 부딪혀 손상되는 멀티팩팅을 최소화하는 가속관용 고출력 입력커플러를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 또 다른 목적은 안테나 인너부재의 다공성 천공구멍의 대응되는 위치에 해당하는 가속관용 입력커플러의 아우터튜브부재의 내측위치에 스파이럴형상으로 가공된 홈을 다수개 형성하므로써, 고출력 입력커플러의 냉각효율을 상당히 향상시키는 가속관용 고출력 입력커플러를 제공하는데 있다.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 제1 커플러 모듈, 제2 커플러 모듈 및 제3 커플러 모듈을 포함하여 구성되는 가속관용 고출력 입력커플러로서, 상기 제1 커플러 모듈은 몸체의 일단이 원통형상으로 가속관에 연결되는 가속관연결부와; 상기 가속관연결부의 중심에 위치하여 고에너지의 RF신호를 가속관으로 방출시키는 안테나부재와; 상기 안테나부재를 결합시키도록 상기 가속관연결부의 중심부에 형성되는 안테나팁부재와; 상기 가속관연결부와 상기 제2 커플러 모듈의 RF 윈도우부재사이에 원통형태로 형성되어 제1 커플러 모듈의 몸체를 형성하고 내부가 중공인 아우터튜브부재와; 상기 아우터튜브부재의 내부 중심에 내부가 중공인 봉형상으로 형성되고 몸체의 둘레를 따라 내부의 냉각기체를 배출시키는 다공성홀이 다수개 형성되는 인너튜브부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러를 제공한다.

다른 실시예에서, 상기 인너튜브부재에는 일정 직경을 갖는 다공성홀이 안테나부재측으로 근접될수록 단위면적당 더 집중 배치시킬 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 인너튜브부재의 다공성홀은 안테나부재측으로 근접될수록 다공성홀의 직경크기를 더 크게 형성시킬 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 아우터튜브부재는 몸체의 내부표면에 일정크기의 가이드홈이 다수개 형성될 수 있다.

이 경우에, 상기 아우터튜브부재의 가이드홈은 내측표면이 일정기울기를 갖도록 스파이럴형상으로 형성될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 인너튜브부재의 다공성홀의 대응되는 위치에 아우터튜브부재의 가이드홈이 형성될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 인너튜브부재의 다공성홀은 인너튜브부재의 원통형 몸체 둘레중 1/3, 1/2, 2/3 면 중 어느 하나에만 선택적으로 형성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 가속관용 입력커플러의 안테나 인너부재의 내외측에 천공구멍을 다수개 형성하여 가속된 고주파 빔에 의해 발생된 고열을 외부로 신속히 배출시키므로써, 장시간 고열의 빔에 의해 안테나 인너부재의 내벽이 부딪혀 손상되는 멀티팩팅을 최소화하므로 그에 따라 고출력 입력커플러의 내구성을 극대화시키는 효과가 있다.

또한 상기와 같은 본 발명은 안테나 인너부재의 다공성 천공구멍의 대응되는 위치에 해당하는 가속관용 입력커플러의 아우터튜브부재의 내측위치에 스파이럴형상으로 가공된 홈을 다수개 형성하므로써, 안테나 인너부재의 다공성 천공구멍으로부터 배출되는 고열을 스파이얼형상의 가공홈을 따라 몸체의 외부로 신속히 발산시키므로 그에 따라 고출력 입력커플러의 냉각효율을 상당히 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 종래 입력커플러의 일례를 설명하는 설명도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러의 일례에 대한 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러의 일부를 분해한 개략 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러를 개략적으로 설명하기위한 설명도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러의 일례에 대한 개략적인 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러의 일부를 분해한 개략 분해사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러의 개략적인 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 가속관용 고출력 입력커플러를 개략적으로 설명하기 위한 설명도이다.

본 발명에 따른 입력커플러(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 커플러 모듈(2), 제2 커플러 모듈(3) 및 제3 커플러 모듈(4)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1 커플러 모듈(2)은 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 몸체의 일단이 원통형상으로 가속관(가속 공동인 캐비티 부재; 도시안됨)에 연결되는 가속관연결부(5)와, 상기 가속관연결부(5)의 중심에 위치하여 고에너지의 RF신호를 가속관으로 방출시키는 안테나부재(6)와, 상기 안테나부재(6)를 결합시키도록 상기 가속관연결부(5)의 중심부에 형성되는 안테나팁부재(7)와; 상기 가속관연결부(5)와 RF 윈도우부재(8)사이에 원통형태로 형성되어 제1 커플러 모듈(2)의 몸체를 형성하고 그 내부표면에 일정크기의 가이드홈(9A-N)이 다수개 형성되며, 내부가 중공인 아우터튜브부재(10)와; 상기 아우터튜브부재(10)의 내부 중심에 내부가 중공인 봉형상으로 형성되고 몸체의 둘레를 따라 내부의 냉각기체를 배출시키는 다공성홀(11A-N)이 다수개 형성되는 인너튜브부재(12)를 포함하여 구성된다.

아우터튜브부재(10)는 예를 들어 스테인리스제이며, 표면에는 구리 도금이 실시될 수 있다. 또한, 스테인리스에는 구리도금이 가능하고, 그 예로서는 SUS316L, SUS304를 들 수 있다. 인너튜브부재(12)는 무산소 구리로 형성될 수 있다. 상기 냉각 기체는 불활성 기체로서 질소 가스일 수 있으며, 상기 냉각 기체는 제3 커플러 모듈(4)의 내측 컨덕터(25)와 연결되는 냉매 삽입 포트(미도시)로부터 공급될 수 있으며, 냉각 기체는 내측 컨덕터(25)와 제2 커플러 모듈(3)의 내측 컨덕터를 통과하여 상기 인너튜브부재(12)의 내부로 공급될 수 있다. 또한, RF 소스는 제3 커플러 모듈(4)과 연결되는 전송선로 연결부(미도시)를 통해 고주파의 RF 신호가 입력 커플러에 인가될 수 있다.

여기서, 상기 인너튜브부재(12)에는 일정 직경을 갖는 다공성홀(11A-N)이 안테나부재(6)측으로 근접될수록 단위면적당 더 많이 집중배치되게 형성시키므로써, 안테나부재(6)의 주변의 고열을 외부로 신속히 배출시키게 되므로 인너튜브부재(12)의 내부에서 발생되는 고열이 RF 주파수가 안테나부재(6)를 통해 가속관으로 방출되는 기능에 영향을 미치는 것을 최대한 차단시킨다. 안테나부재(6)측으로 갈수록 냉각기체가 더 많이 유출되도록 하는 이유는 일반적인 상전도 가속관용 커플러와 달리 2-4K의 초전도에서 운용되는 가속관과 결합됨에 따라 상온과 전력으로 인한 열부하를 저감할 필요가 있다. 구체적으로 제1 커플러 모듈(2)과 접속되는 가속관인 캐비티 부재에 근접할수록 하전 입자의 방전 및 충돌이 높아져 제1 커플러 모듈(2) 내부 온도가 높아지므로, 다공성홀(11A-N)을 안테나부재(6)측으로 갈수록 보다 조밀하게 배치함으로써, 제1 커플러 모듈(2)의 내부 전체를 균일한 온도로 냉각할 수 있으며, 또한 냉각 효율을 극대화시킬 수 있다.

또한 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)은 안테나부재(6)측으로 근접될수록 단위면적당 다공성홀(11A-N)의 직경크기를 더 크게 하여 열이 더 신속히 배출되도록 형성할 수 있다. 다공성홀(11A-N)의 직경크기를 더 넓히는 구조를 채용하는 것은 상술한 이유와 마찬가지로, 제1 커플러 모듈(2)의 내부 전체를 균일한 온도로 냉각할 수 있으며, 또한 냉각 효율을 극대화하기 위함이다.

도 3 내지 도 5의 실시예에서는 다공성홀(11A-N)을 인너튜브부재(12)의 둘레를 따라 전부 형성한 구조를 예시하고 있으나, 상기 제1 커플러 모듈(2)에 있어서 냉각이 집중적으로 필요한 부분 및 설계 사항 등에 따라, 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)을 인너튜브부재(12)의 원통형 몸체 둘레중 1/3, 1/2, 2/3 면에만 형성시킬 수도 있다. 이와 같이 하더라도, 냉각 기체는 유동성이 우수하므로, 다공성홀(11A-N)의 가공 편이성을 충족함과 동시에 제1 커플러 모듈(2) 내부를 균일한 저온으로 냉각시킬 수 있다.

더 나아가, 상기 아우터튜브부재(10)의 가이드홈(9A-N)은 내측표면이 일정기울기를 갖도록 스파이럴형상으로 형성될 수 있다. 이에 따르면, 다공성홀(11A-N)로부터 유출된 냉각 기체가 난류를 형성하지 않고, 상기 아우터튜브부재(10)와 상기 이너튜브부재(12) 사이를 일정한 방향성을 가지고 흐를 수 있어, 상기 제 1 커플러 모듈(2) 내부 전체를 균일하게 냉각하는데 기여할 뿐만 아니라, 제2 커플러 모듈(3) 측으로 배출도 원활하게 실현될 수 있다.

더 나아가, 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)의 대응되는 위치에 상기 아우터튜브부재(10)의 가이드홈(9A-N)이 형성될 수 있다. 상세하게는, 상기 다공성홀(11A-N)의 유출 부분과 상기 가이드홈(9A-N)의 오목 부분이 대응되도록 배열될 수 있다. 이에 따라, 상기 다공성홀(11A-N)로부터 유출된 냉각 기체가 상기 가이드홈(9A-N)의 오목 부분에 분사되어 원활한 유체 흐름 방향을 가질 수 있어 냉각 효율 및 외부 배출을 달성할 수 있다.

한편, 상기 아우터튜브부재(10)의 전단에는 초전도 가속관 연결플랜지(13)가 구비되는 한편 그 반대편에는 외벽 연결플랜지(14)가 구비된다.

그리고 상기 아우터튜브부재(10)에는 루프를 쇄교하는 자속(magnetic flux)이 통과하는 루프의 조리개(iris) 영역을 조정함으로써 캐비티에 전달되는 RF신호와 캐비티 내의 RF 전자기장의 매칭 정도를 조정할 수 있도록 연결기구가 구비될 수도 있다.

그리고 상기 제2 커플러 모듈(3)에는 RF 윈도우부재(8)가 구비되어 RF 윈도우부재(8)의 중심축 및 외주면을 냉각하도록 형성된다. 또한 상기 제2 커플러 모듈(3)은 전기절연체로 이루어지고, 제2 커플러 모듈(3)의 외주면과 동축인 RF 윈도우부재(8)는 환형으로 형성된다. 또한 상기 제3 커플러 모듈(4)은 반원 형상의 두 개의 전기절연체가 조립되어 형성되고 외주면과 동축인 제2 관통구멍(16)을 포함하는 환형인 지지디스크(15) 및 RF 파워 소스가 구비된다. 여기서 상기 제3 커플러 모듈(4)에는 지지디스크(15)를 고정하도록 형성된 전송선로 연결 플랜지(17)를 포함하고, RF파워 소스가 연결되는 RF입력 플랜지(18)를 포함한다. 또한 상기 RF 윈도우부재(8)는 세라믹 소재로 이루어진다.

한편 상기 제2커플러 모듈(20)의 내측 컨덕터와 외측 컨덕터는 고주파(예컨대 352 MHz), 고전압(예컨대 250 kW)인 RF신호가 전달되는 피드 스루에 해당되며, 전기절연체 소재로 일정 간격이 되도록 띄워진 상태로 지지된다. 내측 컨덕터는 상기 인너튜브부재(12)와 결합될 수 있으며, 외측 컨덕터는 외벽 연결플랜지(14)와 나사 결합 등의 체결 방식을 통해, 상기 아우터튜브부재(10)와 연결될 수 있다. 특히, 상기 RF 윈도우부재(8)는 일측면이 10 torr 이하인 고진공 상태이며, 고진공 영역에서 매우 빠른 속도로 교번하는 전기장에 노출되기 때문에 방전 파괴가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 멀티팩팅으로 설명하기도 하며, RF신호가 불안정해지거나, 발생 부위의 국부적인 발열 상승이 초래되기도 한다. 이때 상기와 같은 멀티팩팅을 방지하기 위한 대표적인 해결 방법으로 질화티타늄(TiN)을 수 나노미터 이하의 두께로 얇게 코팅하거나, 알루미나 파우더의 순도를 99% 이상으로 확보하고, 고주파에 의한 반응을 감소시키기 위해 마그네슘(Mg) 성분을 최대한 배제하는 소결 방법 및 소결 후 등방성 가열 압축(HIP: Hot Isotropic Pressing) 처리를 추가로 실시하여 세라믹 내부 기공(void)을 최대한 제거하는 방법 등이 있다.

그리고 상기 질화티타늄 코팅은 표면의 이차전자 방출특성(SEY: Secondary Emission Yield)을 크게 낮춰 멀티팩팅의 확률을 낮추지만, 상기 RF 윈도우부재(8)를 관통하여 전달되는 RF신호의 반사를 최소화하기 위해 그 두께는 얇을수록 바람직하다. 또한 상기 제1 커플러 모듈(2), 제2 커플러 모듈(3) 및 제3 커플러 모듈(4)은 용접 또는 나사 결합 등의 방법으로 연결시킬 수도 있다. 이때 상기 제2 커플러 모듈(3)의 RF 윈도우부재(8)를 통해 전달되는 RF신호의 전송 효율, RF신호 품질을 확보하기 위해서는 RF 윈도우부재(8)의 발열을 적극적으로 억제하는 것이 바람직하다.

이때, 등방성 가열 압축 처리에 의해 RF 윈도우부재(8)의 온도가 과도하게 상승하면 열팽창에 의해 내부 기공이 실질적으로 드러나 RF신호에 노출될 수 있다. 특히, 하전 입자 가속을 통해 높은 빔 에너지를 갖도록 높은 파워의 RF신호가 전달되는 경우 이러한 발열을 억제하지 않으면 충분히 큰 RF에너지를 가속 공동인 캐비티 부재에 전달할 수 없게 된다.

따라서, RF 윈도우부재(8)의 외주면에 인접한 양측면의 영역을 메탈라이징(metalizing)하여 금속과의 결합성을 향상시키고, 해당 영역에 조립될 수 있도록 형성된, 링 형상이며 코바(KOVAR) 소재인, 외측 링(19)을 양측에 브레이징(brazing)으로 결합시킨다.

여기서, 상기 RF 윈도우부재(8)는 진공 측으로 배치되는 한 측면이 질화티타늄(TiN)으로 코팅된다. 질화티타늄이 코딩된 적어도 한 측면은 코바 소재의 외측 링(19)에 의해서 제2 외측 컨덕터(20)와 전기적으로 연결된다.

상기 코바 소재는 열팽창계수가 크게 차이나는 세라믹 소재와 금속 소재 사이의 열팽창을 흡수하는 대표적인 소재로서 열팽창계수의 비선형성으로 인해 이들 이종 재질 간의 결합에 사용되어 밀봉 특성을 확보할 수 있다.

한편, RF 윈도우부재(8)와 외벽 연결플랜지(14) 사이에는 제1 커플러 모듈(2)와 RF 윈도우부재(8) 사이의 진공도를 계측하기 위한 진공계측장치 연결 포트(24), 제1 커플러 모듈(2)에서 RF 신호로 여기되는 전자 관련 특성을 계측하는 전자 계측장치 연결 포트 및 아크방전 계측장치 연결 포트 등이 추가로 설치될 수 있다.

다음에는 상기와 같은 구조로 된 본 발명의 장치의 작용효과를 상세히 설명한다.

본 발명의 입력커플러(1)를 결합시키기 위해서는, 먼저 제1 커플러 모듈(2)의 외벽 연결플랜지(14)에 제2 커플러 모듈(3)의 제2 전단 연결플랜지(21)를 결합시킨 후 나사체결 혹은 용접등의 방식으로 결합시킨다. 그리고 상기와 같이 결합된 제2 커플러 모듈(3)의 제2 후단 연결플랜지(22)에 제3 커플러 모듈(4)의 제3 전단 연결플랜지(23)를 결합시킨후 나사체결 혹은 용접등의 방식으로 결합시킨다. 그리고 상기 제2 커플러 모듈(3)의 일단에 구비된 진공 계측장비 연결포트(24)에 진공계측장비(도시안됨)를 결합시킨다. 또한 상기 제3 커플러 모듈(4)의 전송선로 연결플랜지(17)에 전송선로를 연결시킨다.

한편 상기 본 발명의 가속관용 고출력 입력커플러(1)는 입자가속기에 결합되는 장치이다. 여기서, 상기 입자가속기 특히 선형가속기에 대해서 간략하게 설명해보면, 선형가속기는 그 시작점에서 전자총에 의해서 전자를 발생시키고 가속관을 통하여 고출력 고주파 발생장치를 이용하여 전자를 빛의 속도로 가속하는 장치인데, 이러한 선형가속기 끝단에서 빛의 속도에 도달한 전자는 전송관(BTL: beam transfer line: 도시안됨)과 입사장치(injection system: 도시안됨)을 통해서 저장링(도시안됨)에 입사된다. 이때, 상기 저장링에 입사된 전자를 저장링의 진공파이프(본원발명의 입력커플러 대응) 내에서 연속으로 회전시켜 위에서 설명한 메커니즘에 의해서 방사광을 만든다. 여기서, 상기 저장링은 전자의 궤도를 원형으로 만들어주고 (횡방향의 가속을 담당) 궤도를 조절하는 전자석들과 초고진공의 환경을 제공하는 진공장치, 방사광의 방사로 잃은 에너지를 보충해주는 고주파 공명장치(RF cavity) 등과 각종 제어장치들로 구성되어 있다. 예컨대, 본원발명의 입력커플러(1)와 같은 고주파 가속공동장치는 저장링내의 선형부분(straight section)에 설치되어 전자빔이 지나갈 때 방사광과 각종 손실로 잃어버린 에너지만큼을 보충해 주어, 전자빔이 장시간동안 저장링을 회전하게하면서 방사광을 발생하게 한다. 그리고 상기와 같은 입력커플러(1)의 동축선로(25)를 통해 전송되는 고주파 전력은 진공상태를 유지하기 위한 세라믹의 RF 윈도우부재(8)를 통하여 내부가 둥글게 비어 있는 제1 커플러 모듈(2)로 입사된다. 이때, 상기 입사된 고주파는 가속공동 양단의 전극 사이에 수 백 킬로볼트의 전압을 여기되는데, 정확한 위상을 가지고 이 전극 사이를 동과하는 전자들은 가속되게 된다. 예컨대, 상기 가속과정에서 500 MHz의 주파수를 가지고 사인파형으로 변화하는 전장에서 받는 에너지는 전극사이를 통과하는 전자빔의 위상에 따라 달라지는데, 제1 커플러 모듈(2)의 내부를 통과한 후의 전자의 에너지가 저장링의 광학계에 의해 폐궤도를 이루며 회전할 수 있는 전자의 에너지 범위에만 들어있으면 회전운동 중에 잃어버리지 않고 다시 가속공동에 도달할 수 있게 된다. 이 에너지범위를 가속공동에 들어올 때의 전자빔의 에너지와 그 때 공동에 인가되는 고주파 위상과의 관계로 나타내면 폐곡선을 이루는데 이것을 "고주파 버켓"(RF bucket)이라고 부른다. 그리고 상기 버켓에서 정의되는 에너지와 위상을 가지는 전자는 저장되어 계속 회전운동을 하지만 어떤 이유로 (충돌이나 불안정성 등) 이 범위를 벗어나면 그 에너지를 잃어버리게 되어 저장전류가 점차 감소하게 된다. 따라서, 상기와 같은 입력커플러(1)에서 전자빔을 입사할 경우에도 입사점에 원하는 버켓이 통과할 때 버켓이 정의하는 에너지를 가지고 전자빔이 도달할 수 있도록 전자총의 발사시간이나 입사장치 작동시간 등을 조정한다.

즉, 상기와 같은 본 발명의 입력커플러(1)의 동작을 개략적으로 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저, 제3 커플러 모듈(4)의 후단으로 고주파의 하전입자가 공급되면 이 고주파의 하전입자는 상기 입자가속기처럼 전계와 자계의해 운동을 하면서 가속되고 그 가속된 하전입자는 상기 제2 커플러 모듈(3)의 RF 윈도우부재(8)를 경유하여 초진공상태에 있는 제1 커플러 모듈(2)의 인너튜브부재(12)의 내부로 인가된다. 그리고 상기와 같이 제1 커플러 모듈(2)의 인너튜브부재(12)는 하전입자를 더욱더 가속하여 가속관연결부(5)의 중심부에 형성되는 안테나팁부재(7)를 경유하여 안테나부재(6)로 전달한다. 그러면, 상기 가속관연결부(5)의 중심에 위치한 안테나부재(6)는 안테나팁부재(7)를 경유하여 입력된 고에너지의 RF신호를 가속관으로 방출시킨다.

이때, 상기와 같이 제1 커플러 모듈(2)의 내부에는 전자빔을 가속시키기 위해 초고진공상태를 유지하게 되고 상기 제1 커플러 모듈(2)의 내부 진공상태를 안정시키기위해 요구되는 저온이 항상 일정하게 유지되도록 냉각기체를 충진하게 된다.

이 과정에서 고열로 대전된 하전 입자가 멀티팩팅(multipacting)에 의해 제1 커플러 모듈(2)의 내부 진공 노출면에 반복적으로 충돌 및 방출되기 때문에 고열이 발생하게 되고 이러한 고열의 방전에 의해 내부표면이 파손될 우려가 발생된다. 따라서, 상기 본발명에 의한 입력커플러(1)는 상기와 같은 고열을 냉각하기위해 먼저, 제1 커플러 모듈(2)의 아우터튜브부재(10)의 내부 중심에 위치한 인너튜브부재(12)가 1차로 내부에 발생된 고열의 냉각기체를 외부로 배출시키게한다. 즉, 상기 인너튜브부재(12)는 몸체의 내외측 둘레를 따라 다공성홀(11A-N)이 다수개 형성되어 있기 때문에 인너튜브부재(12)는 상기 다공성홀(11A-N)을 통해 고열의 냉각기체를 외부로 신속히 배출시킨다.

이때, 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)은 다른 실시예로, 안테나부재(6)측으로 근접될수록 단위면적당 다공성홀(11A-N)의 직경크기를 더 크게 형성하므로, 열이 더 신속히 배출시킬 수도 있다. 또한 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)을 내부 조건에 따라 인너튜브부재(12)의 원통형 몸체 둘레중 1/3, 1/2, 2/3 면에만 형성시키므로 상기 다공성홀(11A-N)을 통해 고열의 냉각기체를 외부로 신속히 배출시킨다.

다시말해서, 상기 인너튜브부재(12)에는 일정 직경을 갖는 다공성홀(11A-N)이 안테나부재(6)측으로 근접될수록 단위면적당 더 많이 집중배치되게 형성시키므로써, 안테나부재(6)의 주변의 고열을 외부로 신속히 배출시키게 되므로 인너튜브부재(12)의 내부에서 발생되는 고열이 RF 주파수가 안테나부재(6)를 통해 가속관으로 방출되는 기능에 영향을 미치는 것을 최대한 차단시킨다.

한편, 상기와 같이 인너튜브부재(12)가 몸체에 형성된 다공성홀(11A-N)을 통해 고열을 배출할 경우 상기 인너튜브부재(12)를 내장하고 있는 아우터튜브부재(10) 역시 몸체에 형성된 가이드홈(9A-N)을 통해 상기 인너튜브부재(12)를 통해 배출된 고열의 냉각기체를 외부로 신속히 배출시킨다. 즉, 상기 아우터튜브부재(10)는 그 내부표면에 일정기울기를 갖도록 스파이럴형상으로 일정크기의 가이드홈(9A-N)이 다수개 형성되어 있는데, 이때, 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)에서 배출되는 고열의 냉각기체를 상기 스파이럴형상의 가이드홈(9A-N)의 형상을 따라 외부로 완전히 배출시키므로 제1 입력커플러(1)의 진공상태를 안정화시킨다. 이과정에서 상기 아우터튜브부재(10)의 가이드홈(9A-N)이 상기 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)의 대응되는 위치에 형성되어 있기 때문에 인너튜브부재(12)의 다공성홀(11A-N)에서 배출되는 고열의 냉각기체가 즉시 상기 가이드홈(9A-N)을 따라 이동하게되므로 고열을 더 신속히 배출시킬 수 있다.

1 : 입력커플러 2 : 제1 커플러 모듈
3 : 제2 커플러 모듈 4 : 제3 커플러 모듈
5 : 가속관연결부 6 : 안테나부재
7 : 안테나팁부재 8 : RF 윈도우부재
9A-B: 가이드홈 10: 아우터튜브부재
11: 다공성홀 12: 인너튜브부재
13: 초전도 가속관 연결플랜지 14: 저온유지모듈 외벽 연결플랜지
15: 지지디스크 16: 제2 관통구멍
17: 전송선로 연결 플랜지 18: RF입력 플랜지
19: 외측 링 20: 제2 외측 컨덕터
21: 제2 전단 연결플랜지 22: 제2 후단 연결플랜지
23: 제3 전단 연결플랜지 24: 진공 계측장비 연결포트
25: 동축선로

Claims (7)

1. 제1 커플러 모듈, 제2 커플러 모듈 및 제3 커플러 모듈을 포함하여 구성되는 가속관용 고출력 입력커플러로서,
   상기 제1 커플러 모듈은 몸체의 일단이 원통형상으로 가속관에 연결되는 가속관연결부와; 상기 가속관연결부의 중심에 위치하여 고에너지의 RF신호를 가속관으로 방출시키는 안테나부재와; 상기 안테나부재를 결합시키도록 상기 가속관연결부의 중심부에 형성되는 안테나팁부재와; 상기 가속관연결부와 상기 제2 커플러 모듈의 RF 윈도우부재사이에 원통형태로 형성되어 제1 커플러 모듈의 몸체를 형성하고 내부가 중공인 아우터튜브부재와; 상기 아우터튜브부재의 내부 중심에 내부가 중공인 봉형상으로 형성되고 몸체의 둘레를 따라 내부의 냉각기체를 배출시키는 다공성홀이 다수개 형성되는 인너튜브부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 인너튜브부재에는 일정 직경을 갖는 다공성홀이 안테나부재 측으로 근접될수록 단위면적당 더 집중 배치하는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 인너튜브부재의 다공성홀은 안테나부재측으로 근접될수록 다공성홀의 직경크기를 더 크게 형성시키는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 아우터튜브부재는 몸체의 내부표면에 일정크기의 가이드홈이 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 아우터튜브부재의 가이드홈은 내측표면이 일정기울기를 갖도록 스파이럴형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 인너튜브부재의 다공성홀의 대응되는 위치에 아우터튜브부재의 가이드홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 인너튜브부재의 다공성홀은 인너튜브부재의 원통형 몸체 둘레중 1/3, 1/2, 2/3 면 중 어느 하나에만 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가속관용 고출력 입력커플러.

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