WO2016137122A1 - 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치 - Google Patents

초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치 Download PDF

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WO2016137122A1
WO2016137122A1 PCT/KR2016/000677 KR2016000677W WO2016137122A1 WO 2016137122 A1 WO2016137122 A1 WO 2016137122A1 KR 2016000677 W KR2016000677 W KR 2016000677W WO 2016137122 A1 WO2016137122 A1 WO 2016137122A1
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WO
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pair
hinge
male
pushers
female
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PCT/KR2016/000677
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French (fr)
Inventor
현명욱
정회천
김영권
김형진
전동오
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기초과학연구원
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14—Vacuum chambers
    • H05H7/18—Cavities; Resonators
    • H05H7/20—Cavities; Resonators with superconductive walls

Definitions

  • the present invention relates to a frequency tuning device for a cryogenic holding vessel for a superconducting acceleration tube.
  • a frequency tuning device for a cryogenic holding vessel for a superconducting accelerator tube that can prevent elastic deformation.
  • the superconducting accelerator tube is made of metal in superconducting state to obtain high acceleration voltage, so the common Q-factor is very large, above 1.0E9.
  • the large quality factor is a gain in terms of RF power to be supplied, but the operating frequency width of the accelerator tube is narrowed, making it very sensitive to frequency fluctuations.
  • the design criteria for frequency sensitivity are to consider the loaded Q-factor, consumption cost, and technical limitations considering energy loss due to ion beam acceleration, heat loss due to surface current of accelerator tube, and energy leakage through coupler.
  • cryomodules such as quarter wave resonators (QWRs), single spoke resonators (SSRs), and half wave resonators (HWRs).
  • Conventional pressure vessels have a thickness, length, inner vessel and outer vessel radius to withstand specific pressures in accordance with specific specifications (e.g., KS B 6750) to prevent structural failure due to deformation and stress under internal and external pressure conditions. It is designed and manufactured to guarantee structural safety under any circumstances by specifying welding conditions and molding conditions.
  • the pressure vessel is made of a single continuum (that is, an integrated structure) because the safety of the structure is the highest priority, and the superconducting accelerator tube, which is a kind of pressure vessel, is made of a superconducting metal to obtain a high acceleration voltage.
  • the operating frequency is narrow, it is very sensitive to frequency fluctuations.
  • An object of the present invention when there is a risk of elastic deformation due to external pressure, such as pressure change or mechanical vibration, in a superconducting acceleration tube sensitive to frequency fluctuations, the external pressure is evenly distributed by using an applied external pressure by applying the applied external pressure. It is to provide a frequency tuning device for a cryogenic holding vessel for a superconducting accelerator tube that can be corrected.
  • a frequency tuning device for a cryogenic holding vessel for a superconducting accelerator tube the pair of pushers being positioned on two semi-tubular side members of the superconducting accelerator tube and receiving external pressure;
  • a pair of male and female sliding hinges coupled to one end of each of the pair of pushers to distribute the external pressure evenly to both sides of the pair of pushers while slidingly receiving the applied external pressure;
  • a hinge joint coupled to the other ends of the pair of pushers to adjust the external pressure to be evenly distributed to both sides, wherein the pair of pushers act as push levers using the hinge joint as a moving axis.
  • the error range of the accelerator tube operation can be maintained by tuning through frequency compensation. It is possible to prevent structural deformation due to elastic deformation or stress due to external pressure.
  • FIG. 1 is a perspective view of a frequency tuning device for a cryogenic holding vessel 110 for a superconducting accelerator tube according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the pusher 120 in the frequency tuning device shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of the male sliding hinge 130 in the frequency tuning device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view of the arm sliding hinge 140 in the frequency tuning device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the frequency tuning device shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a result of measuring boundary conditions, strain and stress at the central portion 6B for finite element analysis of the pusher 120 in the frequency tuning device shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a boundary condition for analyzing the male sliding hinge 130 in the frequency tuning device shown in FIG. 1 and a result of measuring strain and stress in the male hinge screw hole 133.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a result of measuring boundary conditions for analyzing the arm sliding hinge 140 in the frequency tuning device shown in FIG. 1, and strain and stress in the arm hinge screw hole 143.
  • FIG. 1 is a perspective view of a frequency tuning device of a cryogenic holding vessel 110 for a superconducting accelerator tube according to the present invention, a pair of pushers 120, a pair of male and female sliding hinges (130, 140), power screw 150 and The hinge joint 160 is provided.
  • FIG. 2 is a perspective view of the pusher 120 in the frequency tuning device shown in FIG. 1 and includes a circular ring member 121 and a pair of pusher fastening members 122.
  • FIG. 3 is a perspective view of the male sliding hinge 130 in the frequency tuning device shown in FIG. 1, and includes a male hinge first fastening member 131 and a male hinge second fastening member 132.
  • FIG. 4 is a perspective view of the arm sliding hinge 140 in the frequency tuning apparatus shown in FIG. 1, and includes a female hinge first fastening member 141 and a female hinge second fastening member 142.
  • the pair of pushers 120 are positioned on the pair of semi-tubular side members 111 and 112 coupled to the side ports of the superconducting accelerator tube to receive external pressure such as pressure change or mechanical vibration from the outside.
  • Each of the pair of pushers 120 is positioned above the side members 111 and 112 of the superconducting acceleration tube and has a pair of lower surfaces connected to both sides of the circular ring member 121 and the circular ring member 121 to which external pressure is applied.
  • a pusher engagement member 122 is provided.
  • the pair of male and female sliding hinges 130 and 140 include a male sliding hinge 130 and a female sliding hinge 140, and are coupled to one end of the pair of pushers 120 to receive and apply an applied external pressure to slide therein.
  • the lever principle allows the force to be evenly distributed to both sides of the pusher 120.
  • the male sliding hinge 130 has an upper end of the male hinge first fastening member 131 and the male hinge first fastening member 131 which are fastened to one of the pair of pusher fastening members 122, and thus the lower portion of the male sliding hinge 130 is extended. And a male hinge second fastening member 132 that is bent into an L 'shape to form the male hinge screw hole 133.
  • the female sliding hinge 140 has a female hinge first fastening member 141 and the female hinge first fastening member 141, the lower portion of which is coupled to the upper portion of the other of the pair of pusher fastening member 122 is extended
  • the upper portion includes a female hinge second fastening member 142 that is bent into a ' ⁇ ' shape to form the female hinge screw hole 143.
  • the male hinge screw hole 133 and the female hinge screw hole 143 are formed in the opposite direction to the thread.
  • the male sliding hinge 130 is slidably moved in the first direction according to the external pressure applied to the pair of pushers 120, and the female sliding hinge 140 having the sliding hole 144 is disposed on the sliding hole 144.
  • the male sliding hinge 130 is inserted to slide in the direction opposite to the first direction.
  • the power screw 150 penetrates through the pair of male and female sliding hinges 130 and 140 to increase the force applied to the pair of pushers 120 center portion 6B by a pitch angle.
  • the pair of male and female sliding hinges 130 and 140 may be penetrated through the male hinge screw hole 133 provided in the male sliding hinge 130 and the female hinge screw hole 143 provided in the female sliding hinge 140. Tighten the screws.
  • the hinge joint 160 is combined with one end of each of the pair of pushers 120 to serve as a moving center axis so that the pair of pushers 120 act as push levers so that the force is evenly distributed to both sides. .
  • the cryogenic holding container 110 includes two side members 111 and 112, a main body 113, an upper member 114, and a lower member 115.
  • the two side members 111 and 112 are coupled to the side ports 100a of the superconducting accelerator tube 100, respectively, to restrain the displacement of the container (the cryogenic holding container of the present invention) and support most of the load of the container.
  • the side members 111 and 112 as described above are composed of two semi-tubular members cut in half in the longitudinal direction (in the longitudinal direction of the tube) of the tubular member having a predetermined diameter on the diameter line of the tube.
  • Each semi-tubular member is provided with coupling ports 111p and 112p for welding coupling with the side ports 100a of the superconducting accelerator tube 100, respectively.
  • the main body 113 has a cylindrical shape with both ends open, and is coupled to the upper ends of the side members 111 and 112, and a bellows-shaped corrugated shape 113w for correcting the relative displacement during heat shrinkage at cryogenic temperature is constant at the upper half of the body. Is provided at the site.
  • the upper member 114 is coupled to the upper end of the main body 113, coupled with the upper port (100b) of the superconducting acceleration tube 100 to restrain the displacement of the container and to support the upper load of the corrugated portion 113w of the main body do.
  • the upper member 114 has a disk-shaped body, the skirt portion 114s of a predetermined height is formed along the circumference of the body, the upper portion of the superconducting acceleration tube 100 in the flat portion of the disk-shaped upper port (100b)
  • the lower member 115 is coupled to the lower end of the side member (111, 112), coupled with the lower port (100c) of the superconducting acceleration tube 100 to restrain the displacement of the container and the most load of the container with the side member (111,112) Support.
  • the lower member 115 has a curved body having a predetermined curvature, and a plurality of coupling ports 115p are formed on the body for welding coupling with the lower port 100c of the superconducting accelerator tube 100.
  • a port 115h is provided for the introduction of cryogenic fluid (eg liquid helium).
  • the lower member 115 is composed of a curved body, in which the liquid helium (-271 ° C., 2K) is filled in the cryogenic holding container of the present invention. To withstand external pressure.
  • the side members 111 and 112, the main body 113, the upper member 114, the lower member 115 constituting the cryogenic holding container 110 for the superconducting acceleration tube of the present invention as described above withstands cryogenic and high pressure. It is made of the same metal material, which is preferably made of stainless steel (for example, STS316L).
  • Cryogenic cryostat container 110 for a superconducting accelerator tube according to the present invention having the configuration as described above is coupled to the superconducting accelerator tube 100 in such a way that the superconducting accelerator tube 100 is embedded therein. Thus, the superconducting accelerator tube 100 is maintained in a cryogenic state.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the frequency tuning device shown in FIG. 1.
  • FIGS. 1 to 5 the operation of an embodiment of a frequency tuning device for a cryogenic holding container for a superconducting accelerator tube according to the present invention will be described.
  • the pair of male and female sliding hinges 130 and 140 adjusts to distribute the force evenly to both sides of the pusher 120 using the following lever principle.
  • the pressure of “2F” is applied to the central portion 6B of the pair of pushers 120 positioned on the pair of semi-tubular side members 111 and 112 outside the superconducting accelerator tube.
  • the pair of pushers 120 act as push levers with the hinge joint 160 as the moving center axis.
  • the female sliding hinge 140 is moved downward by the length of "2S"
  • the male sliding hinge 130 is moved up by the length of "2S”.
  • Equation 1 the torque T applied to the pair of pushers 120 central portion 6B and the male and female sliding hinges 130 and 140 is expressed by Equation 1 below.
  • 2L is the distance from the hinge joint 160 to the male and female sliding hinges 130 and 140, and L is the distance from the hinge joint 160 to the pair of pushers 120 center portion 6B.
  • the torque applied to the center portion 6B of the pair of pushers 120 increases twice as much as the torque applied to the male and female sliding hinges 130 and 140.
  • the hinge joint 160 performs a function of adjusting so that the force is evenly distributed to both sides.
  • the power screw 150 is located through the pair of male and female sliding hinges 130 and 140, the force is increased by its pitch angle.
  • the frequency is corrected for the pressure change or mechanical vibration from the outside applied to the pair of pushers 120 central portion 6B.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a result of measuring boundary conditions, strain and stress at the central portion 6B for finite element analysis of the pusher 120 in the frequency tuning device shown in FIG. 1.
  • a boundary condition is set as follows to analyze a pair of pushers 120 by finite element method (FEM) analysis.
  • FEM finite element method
  • the area 6A engaged with the hinge joint 160 is a rotary joint, and there is no rotation, the center part 6B moves upward by 1 mm displacement, and the area 6C engaged with the male sliding hinge 130. ) Pressurizes 13 kN.
  • the finite element method divides a structure that is a continuum into finite elements such as one-dimensional rods, two-dimensional triangles or squares, and three-dimensional centroids (tetrahedrons, hexahedrons), based on energy principles for each region. It is a numerical calculation method that calculates based on an approximate solution.
  • the von Mises strain refers to the ratio of the elongation per unit length as the length of the object relative to the initial length
  • the von Mises stress is a force per unit area and is mainly used to calculate the yield stress under complex load action.
  • the safety factor has a nominal value of 0.69, which is less than the general value of 1.3.
  • the safety factor means the ratio of stress generated in use to stress that the material can tolerate.
  • the pair of pushers 120 need to increase the safety factor at the pressing point by increasing the acting support or the lever length.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a boundary condition for analyzing the male sliding hinge 130 in the frequency tuning device shown in FIG. 1 and a result of measuring strain and stress in the male hinge screw hole 133.
  • the boundary conditions are set as follows to analyze the male sliding hinge 130 by finite element method (FEM) analysis.
  • FEM finite element method
  • the upper region 7A coupled with the pusher fastening member 122 is fixed, and the male hinge screw hole region 7B through which the power screw 150 penetrates has no shaft as a cylindrical support, and the power screw 150 ), The lower bent region 7C, which is engaged with), exerts a pressure of 13 kN downward.
  • the safety factor has a nominal value of 2.22, which is greater than the general value of 1.3.
  • the male sliding hinge 130 meets the safety factor requirement.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the boundary conditions for analyzing the arm sliding hinge 140 in the frequency tuning device shown in FIG. 1 and the results of measuring strain and stress in the arm hinge screw hole 143.
  • the boundary conditions are set as follows to analyze the arm sliding hinge 140 by Finite Elements Method (FEM) analysis.
  • FEM Finite Elements Method
  • the lower region 8A engaged with the pusher fastening member 122 is fixed, and the arm hinge screw hole region 8B through which the power screw 150 penetrates has no axis as a cylindrical support, and has no power screw 150. ),
  • the upper bent region 8C, which is engaged with) exerts a pressure of 13 kN upwards.
  • the safety factor has a nominal value of 2.095, which is greater than the general value of 1.3.
  • the arm sliding hinge 140 meets the safety factor requirement.
  • the present invention receives the applied external pressure and distributes the external pressure evenly using the lever principle.
  • a frequency tuning device for a cryogenic holding vessel for a superconducting accelerator tube capable of frequency correction.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치를 공개한다. 이 장치는 초전도 가속관의 2개의 반관형 측면부재 상부에 위치하여 외압을 인가받는 한 쌍의 푸셔; 상기 한 쌍의 푸셔 일단에 각각 결합되어 상기 인가된 외압을 전달받아 슬라이딩 이동하면서 상기 한 쌍의 푸셔의 양측으로 상기 외압을 균등하게 분배하는 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지; 상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지를 관통하여 체결하고, 피치 각에 의해 상기 한 쌍의 푸셔 중앙부에 가해지는 힘을 증가시키는 파워 나사; 및 상기 한 쌍의 푸셔의 타단과 결합되어 양측으로 상기 외압이 균등하게 분배되도록 조절하는 힌지 조인트;를 포함하고, 상기 한 쌍의 푸셔는 상기 힌지 조인트를 이동 중심축으로 하여 누름 지렛대로 작용하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치
본 발명은 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치에 관한 것으로서, 특히 초전도 상태의 금속으로 이루어져 주파수 변동에 매우 민감한 초전도 가속관에서, 주파수 보정을 통해 튜닝함으로써 압력 변화나 기계적인 진동 등 외압으로 인한 탄성 변형을 방지할 수 있는 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치에 관한 것이다.
초전도 가속관은 높은 가속 전압을 얻기 위해 초전도 상태의 금속으로 이루어져 있으며, 이에 공동의 품질 인자(Q-factor)가 1.0E9 이상으로 매우 크다.
품질 인자가 크다는 것은 공급하는 RF 전력 측면에서는 이득이나, 가속관의 동작 주파수 폭이 좁아져서, 주파수 변동에 매우 민감하게 된다.
따라서, 초전도 가속관의 경우는 가속관의 주파수 민감도를 분석하고, 이를 적용하여 민감도를 둔화시키는 최적화 설계가 필요하다.
주파수 민감도의 설계 기준은 이온빔 가속에 의한 에너지 손실과 가속관 표면 전류에 의한 열 손실, 커플러를 통한 에너지 유출 등을 고려한 부하 품질인자 (loaded Q-factor)와 소모비용 및 기술적인 한계 등을 검토하여 정한다.
전자기적 형상 최적화를 통해 설계된 초전도 가속관에는 극저온 유지 모듈(cryomodule)로서 QWR(quarter wave resonator), SSR(single spoke resonators), HWR(half wave resonator)과 같은 형태가 있다.
한편, 통상적인 압력용기는 내압 및 외압 조건에서 변형과 응력에 의한 구조적인 파괴를 막기 위해 특정 규격(예컨대, KS B 6750)에 준하여 특정한 압력을 견디기 위해 두께, 길이, 내부 용기 및 외부 용기의 반경, 용접조건, 성형조건 등을 특정하여 어떠한 상황에서도 구조적인 안전성을 보장할 수 있도록 설계 및 제작되고 있다.
이상과 같이, 압력용기는 구조의 안전성을 최우선으로 하기 때문에 하나의 연속체(즉, 일체화된 구조체)로 제작하고 있으며, 압력용기의 일종인 초전도 가속관은 높은 가속 전압을 얻기 위해 초전도 상태의 금속으로 이루어져 동작 주파수 폭이 좁아 주파수 변동에 매우 민감하다.
이에 따라 초전도 가속관에 압력 변화나 기계적인 진동 등 외압으로 인한 탄성 변형이 발생할 때, 이를 자체적으로 보정할 수 있는 마땅한 수단이 없다.
따라서, 이러한 외압으로 인한 탄성 변형을 방지하기 위해 주파수 보정을 통해 초전도 가속관을 튜닝할 수 있는 수단이 절실하게 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 주파수 변동에 민감한 초전도 가속관에 압력 변화나 기계적인 진동 등 외압으로 인한 탄성 변형이 발생할 우려가 있을 경우, 인가된 외압을 전달받아 지렛대 원리를 이용하여 외압을 균등하게 분배함으로써 주파수 보정을 할 수 있는 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치는 초전도 가속관의 2개의 반관형 측면부재 상부에 위치하여 외압을 인가받는 한 쌍의 푸셔; 상기 한 쌍의 푸셔 일단에 각각 결합되어 상기 인가된 외압을 전달받아 슬라이딩 이동하면서 상기 한 쌍의 푸셔의 양측으로 상기 외압을 균등하게 분배하는 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지; 상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지를 관통하여 체결하고, 피치 각에 의해 상기 한 쌍의 푸셔 중앙부에 가해지는 힘을 증가시키는 파워 나사; 및 상기 한 쌍의 푸셔의 타단과 결합되어 양측으로 상기 외압이 균등하게 분배되도록 조절하는 힌지 조인트;를 포함하고, 상기 한 쌍의 푸셔는 상기 힌지 조인트를 이동 중심축으로 하여 누름 지렛대로 작용하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 의할 경우, 높은 가속 전압을 얻기 위해 초전도 상태의 금속으로 이루어져 동작 주파수 폭이 좁아 주파수 변동에 매우 민감한 초전도 가속관에서, 주파수 보정을 통해 튜닝함으로써 가속관 동작의 오차 범위를 유지할 수 있어 외압으로 인한 탄성 변형이나 응력에 의한 구조적인 파괴를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기(110)의 주파수 튜닝 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 푸셔(120)의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 수 슬라이딩 힌지(130)의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 암 슬라이딩 힌지(140)의 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치의 작동원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 6은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 푸셔(120)를 유한 요소법 해석하기 위한 경계 조건, 중앙부(6B)에서의 변형률 및 응력을 측정한 결과를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 수 슬라이딩 힌지(130)를 유한 요소법 해석하기 위한 경계 조건, 수 힌지 나사 홀(133)에서의 변형률 및 응력을 측정한 결과를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 암 슬라이딩 힌지(140)를 유한 요소법 해석하기 위한 경계 조건, 암 힌지 나사 홀(143)에서의 변형률 및 응력을 측정한 결과를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치를 설명하면 다음과 같다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "구비" 또는 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부재", "부", "기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기(110)의 주파수 튜닝 장치의 사시도로서, 한 쌍의 푸셔(120), 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지(130, 140), 파워 나사(150) 및 힌지 조인트(160)를 구비한다.
도 2는 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 푸셔(120)의 사시도로서, 원형 링 부재(121) 및 한 쌍의 푸셔 체결 부재(122)를 구비한다.
도 3은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 수 슬라이딩 힌지(130)의 사시도로서, 수 힌지 제1 체결 부재(131) 및 수 힌지 제2 체결 부재(132)를 구비한다.
도 4는 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 암 슬라이딩 힌지(140)의 사시도로서, 암 힌지 제1 체결 부재(141) 및 암 힌지 제2 체결 부재(142)를 구비한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기(110)의 주파수 튜닝 장치의 각 구성요소의 구조 및 기능을 설명하면 다음과 같다.
한 쌍의 푸셔(120)는 초전도 가속관의 측면 포트에 결합되는 한 쌍의 반관형 측면부재(111,112) 상부에 위치하여 외부로부터의 압력 변화 또는 기계적인 진동 등의 외압을 인가받는다.
한 쌍의 푸셔(120) 각각은 초전도 가속관의 측면부재(111,112) 상부에 위치하여 외압을 인가받는 원형 링 부재(121)와 원형 링 부재(121)의 양측에 하부면이 연결되는 한 쌍의 푸셔 체결 부재(122)를 포함한다.
한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)는 수 슬라이딩 힌지(130) 및 암 슬라이딩 힌지(140)를 포함하고, 한 쌍의 푸셔(120) 일단에 각각 결합되어 인가된 외압을 전달받아 슬라이딩 이동하면서 지렛대 원리로 푸셔(120)의 양쪽으로 힘이 균등하게 분배되도록 한다.
수 슬라이딩 힌지(130)는 상부가 한 쌍의 푸셔 체결 부재(122) 중 하나의 상부와 체결되는 수 힌지 제1 체결 부재(131) 및 수 힌지 제1 체결 부재(131)가 연장되어 하부가 ‘L’ 형상으로 꺾여 수 힌지 나사 홀(133)을 형성하는 수 힌지 제2 체결 부재(132)를 포함한다.
또한, 암 슬라이딩 힌지(140)는 하부가 한 쌍의 푸셔 체결 부재(122) 중 다른 하나의 상부와 체결되는 암 힌지 제1 체결 부재(141) 및 암 힌지 제1 체결 부재(141)가 연장되어 상부가 ‘Γ’ 형상으로 꺾여 암 힌지 나사 홀(143)을 형성하는 암 힌지 제2 체결 부재(142)를 포함한다.
여기에서, 수 힌지 나사 홀(133)과 암 힌지 나사 홀(143)은 나사산이 서로 반대 방향으로 형성된다.
수 슬라이딩 힌지(130)는 한 쌍의 푸셔(120)에 인가되는 외압에 따라 제1 방향으로 슬라이딩 이동하고, 슬라이딩 홀(144)을 구비한 암 슬라이딩 힌지(140)는 슬라이딩 홀(144)에 상기 수 슬라이딩 힌지(130)가 삽입되어 제1 방향과 반대 방향으로 슬라이딩 이동한다.
파워 나사(150)는 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)를 관통하여 피치 각(Pitch Angle)에 의해서 한 쌍의 푸셔(120) 중앙부(6B)에 가해지는 힘을 증가시킨다.
즉, 수 슬라이딩 힌지(130)에 구비된 수 힌지 나사 홀(133)과 암 슬라이딩 힌지(140)에 구비된 암 힌지 나사 홀(143)을 관통하여 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)를 나사 체결한다.
이때, 수 힌지 나사 홀(133)과 암 힌지 나사 홀(143)의 나사산이 서로 반대 방향으로 형성되어 있으므로 파워 나사(150)의 회전 방향에 따라 체결된 수 슬라이딩 힌지(130)와 암 슬라이딩 힌지(140)의 거리가 조절된다.
힌지 조인트(160)는 한 쌍의 푸셔(120) 각각의 일단과 결합되어 한 쌍의 푸셔(120)가 누름 지렛대로 작용하도록 이동 중심축으로서 역할을 수행하여 양쪽으로 힘이 균등하게 분배되도록 조절한다.
한편, 극저온 유지용기(110)는 2개의 측면부재(111,112), 본체(113), 상부부재(114), 하부부재(115)를 포함하여 구성된다.
상기 2개의 측면부재(111,112)는 초전도 가속관(100)의 측면 포트(100a)에 각각 결합되며, 용기(본 발명의 극저온 유지용기)의 변위를 구속하고 용기의 대부분의 하중을 지지한다.
여기서, 이상과 같은 측면부재(111,112)는 도시된 바와 같이, 소정 지름을 갖는 관형 부재를 관의 지름 선상에서 종 방향으로(관의 길이방향으로) 반으로 절단한 2개의 반관형 부재로 구성되며, 각 반관형 부재에는 상기 초전도 가속관(100)의 측면 포트(100a)와의 용접 결합을 위한 결합 포트(111p,112p)가 각각 형성된다.
본체(113)는 양단이 개방된 원통형으로서, 측면부재(111,112)의 상단에 결합되며, 극저온에서의 열 수축 시 상대변위를 보정하기 위한 벨로우즈관 형태의 주름 형상부(113w)가 몸체의 상반부 일정 부위에 마련된다.
상부부재(114)는 본체(113)의 상단에 결합되며, 초전도 가속관(100)의 상부 포트(100b)와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 본체의 주름 형상부(113w)의 상부 하중을 지지한다.
여기서, 상부부재(114)는 원판형의 몸체를 가지며, 몸체의 원주를 따라 소정 높이의 스커트부(114s)가 형성되고, 원판형 몸체의 평면부에는 초전도 가속관(100)의 상부 포트(100b)와의 용접 결합을 위한 복수(예컨대, 2개)의 결합 포트(114p)가 형성되며, 극저온 유체(예컨대, 액체 헬륨)의 유입을 위한 포트(114h)가 마련된다.
하부부재(115)는 측면부재(111,112)의 하단에 결합되며, 초전도 가속관(100)의 하부 포트(100c)와 결합되어 용기의 변위를 구속하고 측면부재(111,112)와 함께 용기의 대부분의 하중을 지지한다.
하부부재(115)는 소정 곡률의 곡면 몸체를 가지며, 그 몸체에는 초전도 가속관(100)의 하부 포트(100c)와의 용접 결합을 위한 복수(예컨대, 2개)의 결합 포트(115p)가 형성되며, 극저온 유체(예컨대, 액체 헬륨)의 유입을 위한 포트(115h)가 마련된다.
이와 같이 하부부재(115)가 곡면 몸체로 구성되는 것은 본 발명의 극저온 유지용기의 내부에 액체 헬륨(-271℃, 2K)이 채워지는바, 이를 채우기 위해 용기 내부를 진공 상태로 만드는데, 이때 용기가 외부의 압력을 견딜 수 있도록 하기 위한 것이다.
여기서, 또한 이상과 같은 본 발명의 초전도 가속관용 극저온 유지용기(110)를 구성하는 측면부재(111,112), 본체(113), 상부부재(114), 하부부재(115)는 극저온 및 높은 압력에 견딜 수 있는 동일한 금속재질로 제작되며, 바람직하게는 스테인레스 스틸(예를 들면, STS316L)로 제작된다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기 (110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 초전도 가속관(100)을 그 내부에 내장하는 방식으로 초전도 가속관(100)과 결합되어 초전도 가속관(100)을 극저온 상태로 유지하게 된다.
도 5는 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치의 작동원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치의 일 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 보는 바와 같이, 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)는 다음과 같은 지렛대 원리를 사용하여 푸셔(120)의 양쪽으로 힘이 균등하게 분배되도록 조절한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 초전도 가속관 외곽의 한 쌍의 반관형 측면부재(111,112) 상부에 위치하는 한 쌍의 푸셔(120) 중앙부(6B)에 “2F”의 압력이 가해져 “S”의 길이만큼 초전도 가속관 방향으로 이동하면, 힌지 조인트(160)를 이동 중심축으로 하여 한 쌍의 푸셔(120)는 누름 지렛대로 작용한다.
이에 따라, 암 슬라이딩 힌지(140)는 “2S”의 길이만큼 하향 이동되고, 수 슬라이딩 힌지(130)는 “2S”의 길이만큼 상향 이동된다.
이때, 한 쌍의 푸셔(120) 중앙부(6B)와 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)에 가해지는 회전력(torque) T는 다음의 수학식 1과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2016000677-appb-M000001
여기에서, 2L은 힌지 조인트(160)로부터 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)까지의 거리이고, L은 힌지 조인트(160)로부터 한 쌍의 푸셔(120) 중앙부(6B)까지의 거리이다.
즉, 한 쌍의 푸셔(120) 중앙부(6B)에 가해지는 회전력(torque)은 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)에 가해지는 회전력(torque)보다 2배로 증가한다.
이때, 힌지 조인트(160)는 양쪽으로 힘이 균등하게 분배되도록 조절하는 기능을 수행한다.
한편, 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지(130, 140)를 관통하여 위치하는 파워 나사(150)는 자체의 피치 각에 의해서 힘이 증가된다.
이를 통하여 한 쌍의 푸셔(120) 중앙부(6B)에 가해지는 외부로부터의 압력 변화 또는 기계적인 진동에 대하여 주파수를 보정하게 된다.
도 6은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 푸셔(120)를 유한 요소법 해석하기 위한 경계 조건, 중앙부(6B)에서의 변형률 및 응력을 측정한 결과를 나타내는 사시도이다.
도 6(a)에서 보는 바와 같이, 유한 요소법(Finite Elements Method, FEM) 분석에 의해 한 쌍의 푸셔(120)를 해석하기 위하여 경계 조건(Boundary Condition)을 다음과 같이 설정한다.
힌지 조인트(160)와 결합되는 영역(6A)은 회전 조인트(cylindrical joint)로서 회전이 없고, 중앙부(6B)는 1 mm 의 변위만큼 상향이동하며, 수 슬라이딩 힌지(130)와 결합되는 영역(6C)은 13 kN 의 압력을 가한다.
여기에서, 유한요소법은 연속체인 구조물을 1차원인 막대, 2차원인 삼각형이나 사각형, 3차원인 중심체(사면체, 6면체) 등의 유한 개의 요소로 분할하여 각각의 영역에 관하여 에너지 원리를 기초로 하는 근사해법에 기하여 계산을 해나가는 수치계산 방법이다.
한 쌍의 푸셔(120)를 유한요소법 해석한 결과, 도 6(b)에서 보는 바와 같이, 중앙부(6B)에서의 폰 미제스 변형률(Von Mises Stress)은 최대 3.46 % 였고, 도 6(c)에서 보는 바와 같이, 중앙부(6B)에서의 폰 미제스 응력(Von Mises Stress)은 최대 543.5 MPa 이었다.
여기에서, 폰 미제스 변형률은 단위 길이당 신장으로서 물체의 초기 길이 대비 늘어난 길이의 비율을 의미하고, 폰 미제스 응력은 단위면적당 힘으로서 주로 복잡한 하중 작용시 항복 응력을 계산하는데 이용된다.
안전율(Safety factor)은 정격(nominal) 값이 0.69로서, 일반값(general value)인 1.3 보다 작다.
여기에서, 안전율이라 함은 재료가 허용할 수 있는 응력 대비 사용시 발생하는 응력의 비율을 의미한다.
따라서, 상기 해석 결과에 따라, 한 쌍의 푸셔(120)는 작용 지지력(acting support) 또는 지렛대 길이를 증가시킴으로써 가압 지점에서 안전율을 증가시킬 필요가 있다.
도 7은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 수 슬라이딩 힌지(130)를 유한 요소법 해석하기 위한 경계 조건, 수 힌지 나사 홀(133)에서의 변형률 및 응력을 측정한 결과를 나타내는 사시도이다.
도 7(a)에서 보는 바와 같이, 유한 요소법(Finite Elements Method, FEM) 분석에 의해 수 슬라이딩 힌지(130)를 해석하기 위하여 경계 조건을 다음과 같이 설정한다.
푸셔 체결 부재(122)와 결합되는 상부 영역(7A)은 고정되고, 파워 나사(150)가 관통하는 수 힌지 나사 홀 영역(7B)은 회전 지지대(cylindrical support)로서 축이 없으며, 파워 나사(150)와 체결되는 하부의 꺾인 영역(7C)은 하향으로 13 kN 의 압력을 가한다.
수 슬라이딩 힌지(130)를 유한요소법 해석한 결과, 도 7(b)에서 보는 바와 같이, 수 힌지 나사 홀 영역(7B)에서의 폰 미제스 변형률(Von Mises Stress)은 최대 0.075 % 였고, 도 7(c)에서 보는 바와 같이, 수 힌지 나사 홀 영역(7B)에서의 폰 미제스 응력(Von Mises Stress)은 최대 155 MPa 이었다.
안전율(Safety factor)은 정격(nominal) 값이 2.22 로서, 일반값(general value)인 1.3 보다 크다.
따라서, 상기 해석 결과에 따라, 수 슬라이딩 힌지(130)는 안전율 요건을 충족시킨다.
도 8은 도 1에 도시된 주파수 튜닝 장치 내 암 슬라이딩 힌지(140)를 유한 요소법 해석하기 위한 경계 조건, 및 암 힌지 나사 홀(143)에서의 변형률 및 응력을 측정한 결과를 나타내는 사시도이다.
도 8(a)에서 보는 바와 같이, 유한 요소법(Finite Elements Method, FEM) 분석에 의해 암 슬라이딩 힌지(140)를 해석하기 위하여 경계 조건을 다음과 같이 설정한다.
푸셔 체결 부재(122)와 결합되는 하부 영역(8A)은 고정되고, 파워 나사(150)가 관통하는 암 힌지 나사 홀 영역(8B)은 회전 지지대(cylindrical support)로서 축이 없으며, 파워 나사(150)와 체결되는 상부의 꺾인 영역(8C)은 상향으로 13 kN 의 압력을 가한다.
암 슬라이딩 힌지(140)를 유한요소법 해석한 결과, 도 8(b)에서 보는 바와 같이, 암 힌지 나사 홀 영역(8B)에서의 폰 미제스 변형률(Von Mises Stress)은 최대 0.14 % 였고, 도 8(c)에서 보는 바와 같이, 암 힌지 나사 홀 영역(8B)에서의 폰 미제스 응력(Von Mises Stress)은 최대 151.4 MPa 이었다.
안전율(Safety factor)은 정격(nominal) 값이 2.095 로서, 일반값(general value)인 1.3 보다 크다.
따라서, 상기 해석 결과에 따라, 암 슬라이딩 힌지(140)는 안전율 요건을 충족시킨다.
이와 같이, 본 발명은 주파수 변동에 민감한 초전도 가속관에 압력 변화나 기계적인 진동 등 외압으로 인한 탄성 변형이 발생할 우려가 있을 경우, 인가된 외압을 전달받아 지렛대 원리를 이용하여 외압을 균등하게 분배함으로써 주파수 보정을 할 수 있는 초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치를 제공한다.
이를 통하여, 높은 가속 전압을 얻기 위해 초전도 상태의 금속으로 이루어져 동작 주파수 폭이 좁아 주파수 변동에 매우 민감한 초전도 가속관에서, 주파수 보정을 통해 튜닝함으로써 가속관 동작의 오차 범위를 유지할 수 있어 외압으로 인한 탄성 변형이나 응력에 의한 구조적인 파괴를 방지할 수 있게 된다.
이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 초전도 가속관의 2개의 반관형 측면부재 상부에 위치하여 외압을 인가받는 한 쌍의 푸셔;
    상기 한 쌍의 푸셔 일단에 각각 결합되어 상기 인가된 외압을 전달받아 슬라이딩 이동하면서 상기 한 쌍의 푸셔의 양측으로 상기 외압을 균등하게 분배하는 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지;
    상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지를 관통하여 체결하고, 피치 각에 의해 상기 한 쌍의 푸셔 중앙부에 가해지는 힘을 증가시키는 파워 나사; 및
    상기 한 쌍의 푸셔의 타단과 결합되어 양측으로 상기 외압이 균등하게 분배되도록 조절하는 힌지 조인트;를 포함하고,
    상기 한 쌍의 푸셔는 상기 힌지 조인트를 이동 중심축으로 하여 누름 지렛대로 작용하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외압은
    외부로부터의 압력 변화 또는 상기 초전도 가속관의 기계적인 진동인 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지는
    상기 외압에 따라 제1 방향으로 슬라이딩 이동하는 수 슬라이딩 힌지; 및
    슬라이딩 홀을 구비하고 상기 슬라이딩 홀에 상기 수 슬라이딩 힌지가 삽입되어 상기 제1 방향과 반대 방향으로 슬라이딩 이동하는 암 슬라이딩 힌지;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 푸셔 각각은
    상기 초전도 가속관의 측면부재 상부에 위치하여 상기 외압을 인가받는 원형 링 부재;
    상기 원형 링 부재의 양측에 하부면이 연결되는 한 쌍의 푸셔 체결 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수 슬라이딩 힌지는
    상부가 상기 한 쌍의 푸셔 체결 부재 중 하나의 상부와 체결되는 수 힌지 제1 체결 부재; 및
    상기 수 힌지 제1 체결 부재가 연장되어 하부가 ‘L’ 형상으로 꺾여 수 힌지 나사 홀을 형성하는 수 힌지 제2 체결 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 암 슬라이딩 힌지는
    하부가 상기 한 쌍의 푸셔 체결 부재 중 다른 하나의 상부와 체결되는 암 힌지 제1 체결 부재; 및
    상기 암 힌지 제1 체결 부재가 연장되어 상부가 ‘Γ’ 형상으로 꺾여 암 힌지 나사 홀을 형성하는 암 힌지 제2 체결 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 파워 나사는
    상기 수 힌지 나사 홀 및 상기 암 힌지 나사 홀을 관통하여 상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지를 나사 체결하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 수 힌지 나사 홀 및 상기 암 힌지 나사 홀은
    나사산이 서로 반대 방향으로 형성되어 상기 파워 나사의 회전 방향에 따라 체결된 상기 수 슬라이딩 힌지와 상기 암 슬라이딩 힌지의 거리가 조절되는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 푸셔는
    중앙부에 상기 외압이 인가되면 제1 길이만큼 상기 초전도 가속관 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지는
    상기 누름 지렛대의 작용에 의해 상기 암 슬라이딩 힌지가 상기 제1 길이의 2배만큼 제1 방향으로 이동하고, 상기 수 슬라이딩 힌지가 상기 제1 길이의 2배만큼 상기 제1 방향과 반대 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 중앙부에 가해지는 회전력은
    상기 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지에 가해지는 회전력보다 2배로 증가하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
  12. 초전도 가속관의 2개의 반관형 측면부재 상부에 위치하여 외압을 인가받는 한 쌍의 푸셔;
    상기 한 쌍의 푸셔 일단에 각각 결합되어 슬라이딩 이동하면서 상기 한 쌍의 푸셔의 양측으로 상기 외압을 균등하게 분배하는 한 쌍의 암수 슬라이딩 힌지; 및
    상기 한 쌍의 푸셔의 타단과 결합되어 양측으로 상기 외압이 균등하게 분배되도록 조절하는 힌지 조인트를 포함하고,
    상기 한 쌍의 푸셔는 상기 힌지 조인트를 이동 중심축으로 하여 누름 지렛대로 작용하는 것을 특징으로 하는,
    초전도 가속관용 극저온 유지용기의 주파수 튜닝 장치.
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