KR20230071543A - 입자가속기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 입자가속기 시스템는 내부에 복수의 셀(310~340)을 포함하는 가속관(300)을 포함하며, 각각의 셀 내부에는 셀 내부의 온도를 변화시키는 열전소자(311~344)가 설치된다. 강화학습 모델에 기반하여 적어도 하나의 열전소자(311~344)의 구동을 제어하여 셀 내부의 RF 주파수를 튜닝하는 것을 특징으로 한다.

Description

입자가속기 시스템{PARTICLE ACCELERATOR SYSTEM}
본 발명은 입자가속기 시스템에 대한 것으로, 보다 상세히는 강화학습 모델에 기반하여 가속관 내부의 온도를 제어함으로써 가속관 내부의 RF 주파수를 원하는 레벨로 변경할 수 있다.
입자가속기는 일반적으로 원하는 입자빔을 얻기 위해 다양한 장비가 사용된다. 그 중 가속관은 입자빔의 에너지를 증가시키기 위한 장치이다. 가속관은 원하는 크기의 에너지를 얻기 위해 여러 개의 셀(cell)이 존재한다.
하나의 셀은 입자빔의 에너지에 맞춰 전체 크기가 정해지며 각각의 셀을 독립적으로 가공한 후 조립하여 전체 가속관을 구성한다. 구리 제품 가공에는 필연적으로 가공공차가 발생할 수 밖에 없고, 각각의 셀을 조립하게 되면 조립공차가 발생한다.
이러한 공차로 인해 실제 가속관 설계값과 상이한 가속관이 제작되어 실제 제품에 바로 사용할 수 없다. 실제 제품에 사용하기 위해서는 각각의 셀을 미리 설정된 설계값에 맞추는 튜닝과정과 각각의 셀을 브레이징 용접 후 조립한뒤, 전체 가속관 튜닝과정을 거쳐야 한다.
기존의 멀티셀(multi-cell) 입자가속기 시스템의 경우 각 셀(cell)의 고유주파수를 미리 설계된 RF 주파수에 맞추기 위해 구리로 만들어진 셀(cell)에 물리적인 변형을 주는 방법으로 튜닝 작업을 진행한다.
그러나, 이러한 셀의 물리적 변형에 의한 튜닝은 적확한 튜닝이 불가능하며, 각각의 셀을 전부 튜닝하였다 하더라도 조립하여 다시 RF 주파수를 측정하면 각각의 셀에서 발생한 오류가 누적되어 추가 튜닝을 진행해야 하므로 전문적인 인력이 필요하며 막대한 비용이 소모되고 튜닝 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다.
또한 기존의 물리적인 변형으로 튜닝된 시스템은 한번 제작되면 각 셀(cell)의 RF 주파수가 고정되어 버리므로 한 가지 입자, 한가지 에너지만 생성 가능하여 용도가 매우 제한적이었다.
대한민국 특허공개공보 10-2021-0011299 (2021.02.01 공개) 기계학습 모듈을 이용하는 입자가속기 제어 장치 및 방법
본 발명의 목적은 가속관 셀의 물리적 변형 없이 튜닝할 수 있는 입자가속기 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 가속관 셀의 물리적 변형 없이 원하는 대역의 주파수로의 변경이 가능한 입자가속기 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자가속기 시스템은 전자총(100)으로부터 전달된 하전입자를 가속시켜 소정 에너지를 갖는 하전입자빔이 되도록 하는 복수의 셀(310~340)을 포함하는 가속관(300), 상기 가속관(300)을 통과한 하전입자빔이 소정 에너지 레벨이 되도록 상기 복수의 셀(310~340) 내부의 RF 주파수를 미리 결정하는 주파수 설정부(400), 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수를 측정하는 주파수 측정부(700), 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도를 측정하는 온도 측정부(600), 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나에 설치되어, 상기 복수의 셀(310~340) 내부 중 적어도 하나의 셀의 온도를 제어하는 적어도 하나의 열전소자(311~344), 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수를 센싱하는 주파수 센싱부, 및
상기 온도 측정부(600)로부터 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보를 전달받고, 상기 주파수 측정부(700)로부터 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수 정보를 전달받아, 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수가 상기 주파수 설정부(400)에서 미리 결정된 RF 주파수가 되도록 상기 적어도 하나의 열전소자(311~344)를 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 적어도 하나의 열전소자(311~344)로 전달하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(500)는 강화학습 모델에 기반하여 상기 적어도 하나의 열전소자(311~344)의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 강화학습을 위한 신경망 구조는 하나의 입력 레이어, 복수의 히든 레이어, 하나의 출력 레이어를 포함할 수 있다.
상기 입력 레이어의 입력 상태(Input State)는 상기 복수의 셀(310~340) 내부 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보 및 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보에 대응한 상기 셀 내부의 주파수 정보를 포함할 수 있다.
상기 입력 레이어의 입력 상태는 상기 복수의 히든 레이어로 전달되며, 상기 복수의 히든 레이어는 입력 레이어의 입력 상태를 연산하고, 연산된 값을 상기 출력 레이어로 전달하며, 상기 출력 레이어의 출력 상태(Output State)는 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수와 상기 주파수 설정부(400)로부터 전달받은 미리 결정된 RF 주파수의 차이이며, 상기 출력 레이어는 상기 출력 상태가 0이 되도록 하는 액션을 출력하되, 상기 액션은 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수와 상기 주파수 설정부(400)로부터 전달받은 미리 결정된 RF 주파수의 차이가 0이 되는 셀 내부의 온도가 되도록 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 열전소자(311~344)를 구동할 수 있다.
본 발명은 셀 내부의 온도와 RF 주파수와의 대응관계를 분석함으로써, 셀 내부의 RF 주파수가 미리 결정된 RF 주파수가 되도록 셀 내부의 온도를 제어함으로써 셀의 물리적 변형 없이도 가속관이 튜닝이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 셀 내부의 RF 주파수의 변경이 있는 경우 셀 내부의 온도를 변경함으로써 다양한 레벨의 하전입자 빔을 생성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 강화학습 모델에 기반되어 가속관 튜닝을 진행하여 효율적인 가속관 튜닝이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자가속기 시스템의 블록도이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자가 설치된 가속관 내부 및 가속관과 전자총 및 RF 공급부와의 관계를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자가속기 시스템는 전자총(100), RF 공급부(200), 가속관(300), 주파수 설정부(400), 제어부(500), 온도 측정부(600), 주파수 측정부(700)를 포함한다.
상기 전자총(100)은 상기 전자총(100)은 입자빔을 생성하여 가속관(300) 쪽으로 전달한다.
상기 RF 공급부(200)는 소정 주파수의 RF를 생성하여 상기 가속관(300) 쪽으로 전달한다.
상기 주파수 설정부(400)는 가속관(300)을 통과한 하전입자 빔이 소정 레벨의 에너지가 되도록 상기 가속관(300) 내부의 RF 주파수를 미리 결정할 수 있다. 후술할 가속관(300)에 설치된 복수의 셀(310~340) 내부의 RF 주파수가 상기 주파수 설정부(400)에서 미리 결정된 RF 주파수가 되도록 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도를 제어함으로써 배경기술에서 설명한 물리적인 튜닝 없이도 원하는 에너지 대역의 범위를 갖도록 가속관(300)을 튜닝할 수 있다.
가속관(300)은 전자총(100)으로부터 전달된 하전입자를 가속하여 상기 주파수 설정부(400)에서 설정한 소정의 에너지를 갖는 하전빔을 생성한다. 가속관(300)은 고주파 가속공동에 RF 공급부(200)로부터 고주파 전력을 공급하여 고주파 가속공동에서 전달받은 하전입자을 가속시켜 원하는 수준의 에너지를 갖는 하전입자 빔을 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 가속관(300)은 고주파 가속 공동을 구성한다. 고주파 가속 공동을 구성하는 가속관(300)은 하우징 내부에 구리로 이루어지는 복수의 셀(310~340)을 구비한다. 상기 가속관(300)으로 전달된 하전입자는 복수의 셀(310~340) 내부에서 가속되면서 소정 에너지를 갖는 하전입자 빔이 되어 상기 가속관(300)에서 방출될 수 있다.
상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나에는 셀 내부의 온도제어를 위한 열전소자(311~344)가 설치된다. 바람직하게는 상기 열전소자(311~344)는 모든 셀 내부에 적어도 하나씩 설치될 수 있다.
도 2를 참조하면 상기 가속관(300)은 제1셀(310) 내지 제4셀(310~340)을 포함한다. 또한, 각 단위의 셀에는 4개의 열전소자(311~344)가 설치된다. 즉, 제1셀(310) 내부에는 4개의 열전소자(311, 312, 313, 314)가 설치된다. 제2셀(320) 내부에는 4개의 열전소자(321, 322, 323, 324)가 설치된다. 제3셀(330) 내부에는 4개의 열전소자(331, 332, 333, 334)가 설치된다. 제2셀(320) 내부에는 4개의 열전소자(341, 342, 324, 344)가 설치된다. 이러한 열전소자(311~344)는 열전소자에 입력되는 전류의 방향과 세기만으로 셀 내부의 온도를 빠르게 올리거나 내릴 수 있다.
후술할 열전소자 제어신호에 기반하여 상기 16개의 열전소자(311~344) 중 적어도 하나의 구동이 제어되고, 이렇게 제어된 열전소자(311~344)의 온도에 기반하여 상기 가속관(300) 내부의 RF 주파수가 튜닝될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 주파수 설정부(400)에서 미리 결정된 주파수의 온도가 바뀌는 경우에 상기 복수의 셀(310~340) 내부의 RF 주파수가 상기 주파수 설정부(400)에서 바뀐 RF 주파수가 되도록 상기 16개의 열전소자(311~344) 중 적어도 하나의 구동을 제어할 수 있다. 본 발명은 이와같이 가속관(300)의 셀(310~340) 내부의 온도를 제어함으로써 셀(310~340)의 물리적인 변형 없이도 원하는 가속관(300) 내부의 RF 주파수를 원하는 대역으로 변경할 수 있다.
상기 주파수 측정부(700)는 가속관(300) 내부의 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수를 측정할 수 있다. 바람직하게는 상기 주파수 측정부(700)는 상기 모든 셀 내부의 RF 주파수를 측정할 수 있다. 상기 주파수 측정부(700)에서 측정된 셀 내부의 RF 주파수 정보는 제어부(500)로 전달된다. 상기 주파수 측정부(700)는 가속관(300) 내부에 설치되거나 가속관(300) 외부에 설치될 수 있다. 주파수 측정부(700)의 설치위치는 설치상황에 따라 적절히 변경가능하다.
상기 온도 측정부(600)는 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도를 측정할 수 있다. 바람직하게는 상기 주파수 측정부(700)는 상기 모든 셀(310~340) 내부의 온도를 측정할 수 있다. 상기 온도 측정부(600)에서 측정된 셀(310~340) 내부의 온도 정보는 제어부(500)로 전달된다. 상기 온도 측정부(600) 역시 가속관(300) 내부에 설치되거나 가속관(300) 외부에 설치될 수 있다. 온도 측정부(600)의 설치위치는 설치 상황에 따라 적절히 변경가능하다.
본 발명의 제어부(500)는 상기 온도 측정부(600)와 상기 RF 주파수 측정부(700)로부터 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도와 RF 주파수 정보를 전달받을 수 있다. 바람직하게는 상기 제어부(500)는 상기 온도 측정부(600)와 상기 RF 주파수 측정부(700)로부터 모든 셀(310~340) 내부의 온도와 RF 주파수 정보를 전달받을 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 가속관(300)은 제1 내지 제4 셀(310~340)로 구성되어 있다. 이 경우, 제어부(500)는 온도 측정부(600)로와 RF 주파수 측정부(700)로부터 제1셀(310) 내부의 온도 정보 및 RF 주파수 정보, 제2셀(320) 내부의 온도정보 및 RF 주파수 정보, 제3셀(330) 내부의 온도정보 및 주파수 정보를 전달받을 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 셀 내부의 온도정보와 주파수 정보와의 대응관계를 분석하여, 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수가 상기 주파수 설정부(400)에서 미리 결정된 RF 주파수가 되도록 적어도 하나의 열전소자(311~344)를 제어하는 제어신호를 생성하여 적어도 하나의 열전소자(311~344)로 전달할 수 있다. 바람직하게는 상기 제어부(500)는 모든 셀 내부의 RF 주파수가 상기 주파수 설정부(400)에서 미리 결정된 RF 주파수가 되도록, 셀 내부의 온도가 상기 미리 결정된 RF 주파수의 온도에 대응되는 온도가 되도록 단위 셀 내부에 설치된 열전소자(311~344)를 제어할 수 있다.
이와같이 셀(310~340) 내부의 RF 주파수와 온도와의 관계를 분석하고 이렇게 분석된 결과에 따라서 셀(310~340) 내부의 온도를 제어하는 기술은 많은 시행착오를 겪어야 하는 것으로 연구노트를 작성하면서 수작업으로 진행하는 것은 매우 비효율적이다.
본 발명은 이러한 비효율적인 제어의 문제를 해결하기 위해, 상기 제어부(500)는 강화학습 모델이 기반하여 적어도 하나의 열전소자(311~344)의 구동을 제어할 수 있다. 예컨대, 도 2를 참조하면 강화학습 모델에 기반하여 16개의 열전소자(311~344) 중 적어도 하나의 구동을 제어할 수 있다.
상기 강화학습을 위한 신경망 구조는 하나의 입력 레이어, 복수의 히든 레이어, 하나의 출력 레이어를 포함할 수 있다. 상기 입력 레이어의 입력 상태(Input State)는 상기 복수의 셀(310~340) 내부 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보 및 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보에 대응한 상기 셀 내부의 주파수 정보를 포함할 수 있다.
상기 입력 레이어의 입력 상태는 상기 복수의 히든 레이어로 전달되며, 상기 복수의 히든 레이어는 입력 레이어의 입력 상태를 연산하고, 연산된 값을 상기 출력 레이어로 전달할 수 있다.
상기 출력 레이어의 출력 상태(Output State)는 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수와 상기 주파수 설정부(400)로부터 전달받은 미리 결정된 RF 주파수의 차이일 수 있다.
상기 출력 레이어는 상기 출력 상태가 0이 되도록 하는 액션을 출력하되, 상기 액션은 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수와 상기 주파수 설정부(400)로부터 전달받은 미리 결정된 RF 주파수의 차이가 0이 되는 셀 내부의 온도가 되도록 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 열전소자(311~344)를 구동하는 것일 수 있다.

Claims (2)

  1. 전자총(100)으로부터 전달된 하전입자를 가속시켜 소정 에너지를 갖는 하전입자빔이 되도록 하는 복수의 셀(310~340)을 포함하는 가속관(300);
    상기 가속관(300)을 통과한 하전입자빔이 소정 에너지 레벨이 되도록 상기 복수의 셀(310~340) 내부의 RF 주파수를 미리 결정하는 주파수 설정부(400);
    상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수를 측정하는 주파수 측정부(700);
    상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도를 측정하는 온도 측정부(600);
    상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나에 설치되어, 상기 복수의 셀(310~340) 내부 중 적어도 하나의 셀의 온도를 제어하는 적어도 하나의 열전소자(311~344);
    상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수를 센싱하는 주파수 센싱부; 및
    상기 온도 측정부(600)로부터 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보를 전달받고, 상기 주파수 측정부(700)로부터 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수 정보를 전달받아, 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수가 상기 주파수 설정부(400)에서 미리 결정된 RF 주파수가 되도록 상기 적어도 하나의 열전소자(311~344)를 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 적어도 하나의 열전소자(311~344)로 전달하는 제어부(500)를 포함하되,
    상기 제어부(500)는 강화학습 모델에 기반하여 상기 적어도 하나의 열전소자(311~344)의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 입자가속기 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강화학습을 위한 신경망 구조는
    하나의 입력 레이어, 복수의 히든 레이어, 하나의 출력 레이어를 포함하고,
    상기 입력 레이어의 입력 상태(Input State)는 상기 복수의 셀(310~340) 내부 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보 및 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 온도정보에 대응한 상기 셀 내부의 주파수 정보를 포함하고,
    상기 입력 레이어의 입력 상태는 상기 복수의 히든 레이어로 전달되며, 상기 복수의 히든 레이어는 입력 레이어의 입력 상태를 연산하고, 연산된 값을 상기 출력 레이어로 전달하며,
    상기 출력 레이어의 출력 상태(Output State)는 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수와 상기 주파수 설정부(400)로부터 전달받은 미리 결정된 RF 주파수의 차이이며,
    상기 출력 레이어는 상기 출력 상태가 0이 되도록 하는 액션을 출력하되,
    상기 액션은 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 RF 주파수와 상기 주파수 설정부(400)로부터 전달받은 미리 결정된 RF 주파수의 차이가 0이 되는 셀 내부의 온도가 되도록 상기 복수의 셀(310~340) 중 적어도 하나의 셀 내부의 열전소자(311~344)를 구동하는 것을 특징으로 하는 입자가속기 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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