정밀정렬장치를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템 및 방법

정밀정렬장치를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템 및 방법{Measurement of deformation for parts in the hight vacuum chamber by micro alignment telescope system and method thereof}

본 발명은 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 정밀정렬장치를 구비하여 고진공 용기 내부에 설치되는 가속관의 위치 변형을 효과적으로 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

가속기는 전자, 양자 및 이온 등의 하전입자를 고 에너지 상태(예를 들면, 수백만 전자볼트에서 수조 전자볼트 정도의 고 에너지 상태)로 가속하는 장치로, 가속원리에 따라 여러 가지 분류로 나누어진다.

최근에는 경(輕) 입자인 양성자나 헬륨을 제외한 원자의 이온을 가속시키는 장치로서 중이온 가속기 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특별히 중이온 가속기의 핵심부품인 초전도 가속관을 제작하기 위해서는 전자기, 열해석, 기계해석 등 모든 현상을 분석하여 최적화된 설계기술과 더불어 오차율 50마이크로미터 이하의 형상제작 기술, 가공능력, 및 초정밀 용접기술이 필요하다.

이와 같이 정밀한 기술로 제작된 가속관은 입자가 가속되면서 지나가는 통로로서, 진공 환경에서 가속관이 정위치에 설치되어야 최고 성능을 발휘할 수 있다. 진공 용기의 내부를 고진공으로 유지하게 되면, 용기의 벽면은 안으로 수축하며 변형된다. 따라서 대기 환경에서 진공 용기에 정밀하게 설치된 가속관은 용기의 수축에 따라 정위치에서 벗어나게 되며, 가속관의 성능이 떨어진다. 이에 따라, 가속관의 성능이 향상되기 위해서는 진공 환경에서 가속관의 위치를 정밀하게 측정할 필요성이 있다.

현재까지 알려진 진공 용기 내부의 부품 변형을 측정하는 방법은 진공을 유지한 상태에서 진공 용기의 외부 변형량을 측정하여 내부의 변형을 유추하는 방법과, 각종 계측기를 진공 용기 내부에 설치하여 측정 대상물을 직접 측정하는 방법이 있다.

그러나 이러한 방식은 용기가 진공에 따라 변형되므로 측정값에 대한 신뢰도가 높을 수 없다. 또한, 진공 용기 내부가 고온이거나 유해물질들이 주입된 경우에는 각종 계측기들이 고장이 나거나 오염이 될 수 있어, 계측기들을 용기 내부에서 사용하는 데에는 한계가 있다.

따라서, 진공 용기의 변형에 따라 발생하는 가속관의 위치 오차를 정밀하게 측정하여 보정할 수 있으며, 진공 용기 내부의 환경에 한정되지 않으며 사용될 수 있는 측정 시스템 및 방법이 필요한 실정이다.

본 발명은 가속기의 진공 용기의 변형에 따라 발생하는 가속관의 위치 오차를 정밀하게 측정하여 보정할 수 있으며, 용기 내부가 고온이거나 유해물질로 충진된 경우에도 사용이가능하도록 구성된, 정밀정렬장치를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템 및 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정밀정렬장치를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템은 내부가 진공 상태로 형성가능한 진공 용기; 상기 진공 용기 내부에 위치되는 중공형의 가속관; 상기 가속관 표면상에 부착되어 돌출형성된 기준자; 상기 진공 용기 일측면에 소정의 거리로 이격되어 위치하는 정밀정렬장치; 상기 정밀정렬장치 및 상기 진공 용기 사이에 배치되는 제 1 렌즈장치; 및 상기 진공 용기 타측에 소정의 거리로 이격되어 위치하는 제 2 렌즈장치를 포함하고, 상기 진공 용기는 각 일측면 및 타측면 상에 서로 대응되게 위치하는 제 1 및 제 2 뷰포트를 구비하며, 상기 정밀정렬장치, 상기 제 1 렌즈장치, 상기 제 1 뷰포트, 상기 기준자, 상기 제 2 뷰포트 및 상기 제 2 렌즈장치는 일방향의 동일한 축선상에 정렬되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 정밀정렬장치를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 방법은 진공 용기, 정밀정렬장치, 제 1 렌즈장치, 제 1 뷰포트, 기준자, 제 2 뷰포트 및 제 2 렌즈장치를 포함한 정밀정렬장치를 이용한 가속관 변위 측정 시스템에 있어서, 상기 정밀정렬장치가 지면과 수평을 이루도록 조절되는 단계; 상기 제 2 렌즈장치에 구비된 광원에 의해 형성된 광축을 기준으로 상기 정밀정렬장치, 상기 제 1 렌즈장치, 제 1 뷰포트, 상기 기준자, 상기 제 2 뷰포트 및 상기 제 2 렌즈장치가 일렬로 정렬되는 단계; 상기 정밀정렬장치에 부착된 인디케이터가 상기 광축이 정렬된 상태에서의 좌표 초기값을 상하(

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 발명의 기술 분야에 속하는 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술되어 있을 수 있음을 알아야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 비접촉식 광학방식을 이용한 정밀정렬장치(MAT)를 고진공환경에서 운용함으로써 기존 접촉식 측정방식의 단점을 해결할 수 있으며, 진공 용기 내부에 설치되는 가속관의 위치를 정밀하게 측정하여 보정함으로써 가속관의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 진공 용기 내부가 진공도에 따라 변형되는 중요 부품의 위치를 정밀하게 측정함으로써 중요 부품의 위치 보정이 가능하다.

또한, 진공 용기 내부가 고온인 경우에도 정밀 측정이 가능하며, 용기 내부에 유해 가스가 충진된 경우에도 정밀 측정이 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 정밀정렬장치를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가속관 변위 측정 시스템의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 가속관 변위 측정 시스템의 구성요소인 기준자의 일 실시예를 나타낸 확대도이다.
도 4는 본 발명에 의한 가속관 변위 측정 시스템의 구성요소인 정밀정렬장치의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.

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 "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 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 의한 정밀정렬장치(MAT, micro alignment telescope)를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템 및 방법의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 정밀정렬장치(MAT, micro alignment telescope)를 이용한 고진공 용기 내부의 가속관 변위 측정 시스템을 나타낸 사시도 및 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 의한 가속관 변위 측정 시스템은 내부가 진공 상태로 형성가능한 진공 용기(100), 진공 용기(100) 내부에 위치되는 중공형의 가속관(200), 진공 용기(100)에 구비된 제 1 뷰포트(110)(viewport) 및 제 2 뷰포트(120), 대상을 정렬할 시에 정밀 측정이 가능한 정밀정렬장치(300), 렌즈 및 이를 지지하는 구조를 가진 제 1 렌즈장치(410)와 제 2 렌즈 장치(420), 및 가속관(200)의 측면에 돌출되도록 부착된 기준자(210)(sighting target)를 포함한다.

여기서 정밀정렬장치(300)는 진공 용기(100) 일측면에 소정의 거리로 이격되어 위치하며, 정밀정렬장치(300)와 진공 용기(100) 사이에는 제 1 렌즈 장치(410)가 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 진공 용기(100)의 타측에는 소정의 거리로 이격되도록 제 2 렌즈장치(420)를 배치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 장치들이 배치됨으로써, 제 2 렌즈 장치(420)에 구비된 광원(421)이 하나의 광축을 형성하여 정밀정렬장치(300), 제 1 렌즈장치(410), 제 1 뷰포트(110), 기준자(210), 제 2 뷰포트(120) 및 제 2 렌즈장치(420)가 모두 광축을 기준으로 정렬될 수 있다. 따라서, 상기 장치들은 일방향의 동일한 축선상에 정렬되는 것이 바람직하다. 더 정밀하게 정렬되기 위해 제 1 렌즈장치(410)는 경사가 조절 가능한 경사조절기(411)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 및 제 2 뷰포트(110 및 120)는 유리로 된 것이 바람직하다.

또한, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 정밀정렬장치(300)는 정밀정렬장치(300a 및 300b) 한 쌍으로 배치되고, 제 1 렌즈장치(410)는 제 1 렌즈장치(410a 및 410b) 한 쌍으로, 그리고 제 1 뷰포트(110a, 110b), 기준자(210a, 210b), 제 2 뷰포트(120a, 120b), 및 제 2 렌즈장치(420a, 420b)도 모두 쌍으로 배치될 수 있다.

정밀정렬장치(300a), 제 1 렌즈장치(410a), 제 1 뷰포트(110a), 기준자(210a), 제 2 뷰포트(120a), 및 제 2 렌즈장치(420a)는 광축(A)에 정렬되고, 정밀정렬장치(300b), 제 1 렌즈장치(410b), 제 1 뷰포트(110b), 기준자(210b), 제 2 뷰포트(120b), 및 제 2 렌즈장치(420b)는 광축(B)에 정렬되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이때 광축(A)와 광축(B)는 서로 평행하도록 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 한 쌍의 기준자(210a, 210b)는 가속관(200)의 양측에 돌출형성된 것을 특징으로 하여, 광축(A) 및 광축(B)가 정렬된 후 가속관(200) 또는 진공 용기(100)의 변형이 일어날 경우에 변형된 정도를 나타내는 기준으로 사용된다.

기준자(210a, 210b)는 광이 투과가능한 재질로 형성될 수도 있으나, 기준자(210a, 210b)의 재질이나 모양은 어느 한 종류로 한정되지 않는다. 또한, 기준자(210a, 210b)는 가속관(200)의 외표면과 수직을 이루며 돌출되도록 볼트로 부착되는 것이 바람직하다. 특히, 중이온 가속기를 작동할 시에 이온빔이 형성되는데, 기준자(210a, 210b)가 가속관(200) 상에 돌출된 방향과 이온빔의 방향이 수직으로 형성되어 직각을 이루는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 의한 기준자(210)의 일 실시예를 나타낸 확대도이다. 도 3을 참고하면, 기준자(210) 상에는 표시부(211)가 형성되어 있으며, 이와 같이 표시부(211)는 좌표의 기준으로 사용가능하도록 다수 개의 다른 크기와 같은 중심을 갖는 원형들로 형성된 것이 바람직하나 특정한 모양이나 패턴으로 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명에 의한 가속관 변위 측정 시스템의 구성요소인 정밀정렬장치(300)의 일 실시예를 나타낸 사시도이다. 도 4를 참고하면, 정밀정렬장치(300)는 일 단부에 접안 렌즈부(310), 초점 및 정렬을 위한 미세한 조절이 가능한 조절부(320), 및 다른 단부에는 조사부(330)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따르는 시스템에 사용될 수 있는 정밀정렬장치(300)는 어느 한 종류로 한정되지 않는다.

이하에서는, 본 발명에 의한 정밀정렬장치를 이용한 가속관 변위 측정 방법을 설명한다.

(a) 단계에서 정밀정렬장치(300)가 지면과 수평을 이루도록 조절된 후, (b) 단계에서 제 2 렌즈장치(420)에 구비된 광원(421)에 의해 형성된 광축을 기준으로 정밀정렬장치(300), 제 1 렌즈장치(410), 제 1 뷰포트(110), 기준자(210), 제 2 뷰포트(120) 및 제 2 렌즈장치(420)가 일렬로 정렬된다.

(a) 단계 및 (b) 단계는 두 개의 광축(A 및 B) 각각을 기준으로 하여 한 쌍을 이루는 장치들을 대상으로 동일하게 적용되는 것이 바람직하다.

(c) 단계에서는 정밀정렬장치(300a)에 부착된 인디케이터(미도시)가 광축(A)가 정렬된 상태에서의 좌표 초기값을 상하(

(d) 단계에서는 기준자(210a)가 부착된 가속관(200)이 진공 용기(100) 내부에 위치한 상태에서 진공 용기(100)를 고진공 상태로 유지되고, 목표한 고진공 상태에 도달되면 기준자(210a) 상에서 정밀정렬장치(300a)에 구비된 인디케이터가 좌표 변형값을 마이크로미터 단위로 수직이동(

(d) 단계에 포함될 수 있는 (d1) 단계에서는 (d) 단계와 동일한 과정으로 기준자(210b) 상에서 정밀정렬장치(300b)에 구비된 인디케이터가 좌표 변형값을 마이크로미터 단위로 수직이동(

(e) 단계에서는 (c) 단계 및 (d) 단계 각각에서 얻은 좌표 초기값 상하(

(e) 단계에 포함될 수 있는 (e1) 단계에서는 (e) 단계와 동일한 방식으로 정밀정렬장치(300b)를 통해 얻은 좌표 초기값 상하(

제 1 보정값 및 제 2 보정값은 각각의 정밀정렬장치(300a, 300b)를 통해 얻은 좌표 초기값 및 상기 좌표 변형값의 차이인 것이 바람직하다. 즉, 제 1 보정값값은 (

제 1 보정값 및 제 2 보정값이 산출되면 이를 사용하여 진공 용기(100)와 가속관(200)을 다시 정렬시킴으로써 가속관(200)을 정위치로 배치시킬 수 있다. 이와 같은 간단한 과정을 통해 산출된 보정값으로, 기존의 측정방법들과 달리 중공 용기(100) 내부에서 직접적으로 가속관(200)과 접촉하지 않는 비접촉식으로 가속관(200)의 변위가 정밀하게 측정 가능하다.

더 나아가, 추가적으로 진공 상태에서 진공 용기(100) 내부로 냉매 또는 열원 공급, 또는 진공 상태에서 다른 열적, 화학적 변화를 적용시킴으로써 가속관(200)이 정위치에서 벗어나는 경우에도 본 발명에 의한 일 실시예를 통해 변위의 정밀한 측정이 가능하다.

진공 용기(100)에 냉매 또는 열원 공급이 될 경우에는, (f) 단계에서 정밀정렬장치(300a, 300b), 제 1 렌즈장치(410a, 410b), 제 1 뷰포트(110a, 110b), 기준자(210a, 210b), 제 2 뷰포트(120a, 120b) 및 제 2 렌즈장치(420a, 420b)가 제 2 렌즈장치(420a, 420b) 각각에 구비된 광원(421)이 형성하는 한 쌍의 광축(A, B)를 기준으로 두 줄로 나란히 정렬된다.

(g) 단계에서는 정밀정렬장치(300a, 300b) 각각에 부착된 인디케이터가 한 쌍의 광축(A, B)의 좌표값을 읽는다. 광축(A)를 기준으로 발생한 수직이동 및 수평이동은 각각 (

(h) 단계에서는 (g) 단계에서 얻은 좌표값(

(i) 단계에서는 (h)단계에서 산출된 보정값이 사용되어 진공 용기(100)와 가속관(200)이 정렬되어, 다시 가속관(200)은 정위치로 배치된다.

이때, (h) 단계에서 산출된 보정값은 (g) 단계에서 얻은 좌표값 및 (c) 단계에서 얻은 초기값의 차이로 산출된 것이 바람직하다. 즉, 냉매 또는 열원이 진공 용기(100)에 공급된 경우에 산출된 보정값은 (

이상과 같이 한정된 실시예와 도면에 의해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술 분야에 속하는 통상의 기술자라면 이상의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 이상의 기재에 포함된 실시예에 국한되는 것은 아니고, 후술하는 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하며, 특허청구범위와 균등하거나 등가적인 변형은 모두 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 진공 용기
110, 110a, 110b: 제 1 뷰포트
120, 120a, 120b: 제 2 뷰포트
200: 가속관
210, 210a, 210b: 기준자
211: 표시부
300, 300a, 300b: 정밀정렬장치
310: 접안 렌즈부
320: 조절부
330: 조사부
410, 410a, 410b: 제 1 렌즈장치
411: 경사조절부
420, 420a, 420b: 제 2 렌즈장치
421: 광원