고주파 전자가속기의 고출력, 안정적 운전을 위한 RF 자동 주파수 제어 모듈 및 그 제어 방법

고주파 전자가속기의 고출력, 안정적 운전을 위한 RF 자동 주파수 제어 모듈 및 그 제어 방법{RF Automatic Frequency Control Module and the Control Method for a stable operation and high power of the radio frequency electron accelerator}

본 발명은 고주파 전자가속기의 고출력, 안정적 운전을 위한 RF(Radio Frequency) 자동 공진주파수 제어 모듈 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파 전자가속기에 공급되는 RF 파워의 공진주파수와 전자가속기 내의 공진주파수를 일치시키기 위해 구비되는 자동 주파수 제어 모듈 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 병원이나 공항 물품 검색대 등에서 흔히 사용되는 엑스레이(X-Ray)는 통상 어떤 물질을 파괴하기 않고 엑스레이라는 방사선을 이용하여 물질의 내부를 볼 수 있도록 하는 것이다. 이러한 엑스레이 발생에 사용되는 전자빔(Electron Beam)은 고주파 전자가속기를 통해 발생된다. 상기 고주파 전자가속기는 내부가 캐비티(Cavity)로 이루어져 있는데, 이 캐비티에 RF 파워를 충분히 공급해주면 캐비티 내부에 형성되는 전계(Electric Field)에 의해 전자가 가속되는 원리이다. 이 때, 전자가속기에 공급되는 RF 파워의 공진주파수와 전자가속기의 캐비티 내의 공진주파수가 일치해야만 전자가속기의 출력이 최대가 된다.

하지만 전자가속기는 일반적으로 Cu(순도 99.99%)로 제작되어 전자빔 인출, 주위 온도 및 압력에 따라 공진주파수가 변하게 된다. 그 결과 RF 발생기에서 전자가속기의 공진주파수에 맞추어 RF 파워를 출력함에도 불구하고 전자가속기의 공진주파수와 RF 파워의 공진주파수가 일치하지 않아 RF 파워가 전부 전자가속기로 전달되지 못하고 반사가 일어나게 되어 원하는 전자가속기의 출력을 얻지 못하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 자동 주파수 제어(Automatic Frequency Control, 이하 AFC라 함) 장치가 이용되고 있다. 상기 AFC 장치는 전자가속기의 운영 시 발생되는 공진주파수 변화에 따라 자동으로 RF 발생기에서 출력되는 RF 파워의 주파수를 제어하여 전자가속기에 RF 파워를 전달하는데 있어서 RF 파워의 반사를 최소화시키는 역할을 한다.

기존의 AFC 장치는 RF 파워가 전자가속기에 전달된(Forward) 신호와 반사된(Reflect) 신호를 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)를 통해 위상을 비교하고 위상 검출기를 통해 두 신호의 전압을 비교하여 RF 발생기의 출력 주파수를 가변하는 방식으로 구성된다. 이렇게 위상을 비교하여 주파수를 제어하는 AFC 장치에 관련된 내용이 한국특허공개 제 2003-0055784호("광대역 수신기의 ＡＦＣ 장치 및 방법", 2003.07.04)에 기재된 바 있다.

하지만, 상기와 같은 방법은 좁은 주파수 영역(Pd)(-π/2 < Pd < π/2)로 작동되어 제어 가능 주파수 대역은 공진주파수 중심으로 ± 1MHz로 제한되는 문제점이 있다. 즉, 전자가속기의 공진주파수가 기존의 주파수에서 1MHz 이상 벗어나게 되면 AFC 장치가 작동되지 않아 RF 발생기의 RF 파워와 전자가속기의 공진주파수의 싱크가 맞지 않게 되므로 전자가속기의 출력 저하로 이어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고주파 전자가속기의 운전에 있어서 외부 환경에 의해 공진주파수가 변하게 되는데 이렇게 변화하는 공진주파수에 맞추어 RF 발생기의 출력 RF 파워 주파수를 제어함으로써, 전자가속기에 전달되는 RF 파워의 반사를 최소화하는 자동 주파수 제어 모듈 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 고주파 전자가속기의 고출력, 안정적 운전을 위한 RF 자동 주파수 제어 모듈에 관한 것으로, RF 발생기에서 전자가속기로 공급되는 RF 파워인 순방향 신호를 입력받아 특정 주파수 대역만을 통과시키는 제 1대역통과필터; 상기 전자가속기로부터 반사되는 역방향 신호를 입력받아 특정 주파수 대역만을 통과시키는 제 2대역통과필터; 상기 제 1대역통과필터를 통과한 신호의 위상차를 보상하기 위한 위상 천이부; 상기 위상 천이부 및 제 2대역통과필터를 통과한 각 신호의 위상을 측정하는 위상 검출부; 상기 위상 천이부 및 제 2대역통과필터를 통과한 두 신호의 주파수 차이를 측정하는 주파수 검출부; 및 상기 제 1위상 검출부, 제 2위상 검출부 및 주파수 검출부로부터 측정된 값을 알고리즘을 통해 이진화하여 공진주파수의 Up/Down을 선택하게 되고, 이를 바탕으로 상기 RF 발생기에서 출력되는 RF 파워의 공진주파수를 보정하는 제어부;를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 자동 주파수 제어 방법은 RF 발생기에서 전자가속기로 공급되는 RF 파워인 순방향 신호 및 상기 전자가속기로부터 반사되는 역방향 신호를 입력받는 신호 입력 단계; 상기 입력단계에서 입력된 순방향 신호 및 역방향 신호에서 특정 주파수 대역만을 걸러내는 주파수 대역 추출 단계; 상기 특정 주파수 대역만을 걸러낸 순방향 신호의 위상차를 보상하기 위해 위상을 천이시키는 위상 천이 단계; 상기 주파수 대역 추출 단계를 통과한 역방향 신호 및 상기 위상 천이 단계를 통과한 순방향 신호의 위상 및 주파수 차이를 측정하는 위상 및 주파수 측정 단계; 및 상기 위상 및 주파수 측정 단계에서 측정된 값을 알고리즘을 통해 이진화하여 공진주파수의 Up/Down을 선택하게 되고, 이를 바탕으로 공진주파수를 보정하기 위한 보정값을 출력하는 보정값 출력 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명은 전자가속기의 캐비티 내의 공진주파수와 상기 전자가속기에 전달되는 RF 파워의 공진주파수를 동기화하기 위한 AFC 모듈에 관한 것으로, RF 파워의 반사를 최소화하여 100%에 가까운 RF 파워를 전자가속기에 전달할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 종래의 AFC 장치는 제어 가능 주파수 영역이 1MHz로 제한되었는데 반해, 본 발명은 AFC 모듈을 구성하는 주파수 검출기를 통해 전자가속기의 공진주파수가 수 ~ 수십 MHz 이상 벗어나더라도 공진주파수를 동기화시킬 수 있다. 따라서 기존 보다 훨씬 넓은 영역의 주파수를 제어할 수 있으므로, 전자가속기의 안정적인 출력 증대를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 AFC 모듈의 일실시예를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 자동 주파수 제어 방법의 일실시예를 나타낸 흐름도
도 3은 본 발명에 따른 AFC 모듈의 시뮬레이션 결과

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 전자가속기의 고출력, 안정적 운전을 위한 RF 자동 주파수 제어 모듈 및 그 제어 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

전술한 바와 같이 고주파 전자가속기의 고출력 및 안정적인 운전을 위해서는 RF 발생기의 출력 RF 파워의 공진주파수와 전자가속기의 공진주파수를 일치시키는 것이 핵심이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 자동 주파수 제어(AFC) 모듈은 제 1대역통과필터(10a), 제 2대역통과필터(10b), 위상 천이부(30), 위상 검출부(50), 주파수 검출부(60), 제어부(70)를 포함하여 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 AFC 모듈의 일실시예를 나타낸 구성도로, 이하 도 1을 참고하여 AFC 모듈의 구성을 설명하도록 하겠다.

상기 AFC 모듈은 RF 발생기에서 전자가속기로 공급되는 RF 파워인 순방향 신호 및 전자가속기로부터 반사되는 역방향 신호를 입력 신호로 한다. 상기 순방향 신호 및 역방향 신호는 각각 상기 제 1대역통과필터(10a) 및 제 2대역통과필터(10b)를 거쳐 원하는 주파수 대역만을 걸러낸다.

또한, 상기 제 1대역통과필터를 통과한 순방향 신호의 위상차를 보상하기 위한 위상 천이부(30)가 구비된다. 전자가속기에 전달되는 RF 파워가 전자가속기 내부까지 전달되고 만약 싱크가 맞지 않으면 반사되게 되는데, 이런 과정에 의해 반사되는 역방향 신호의 위상이 바뀌게 된다. 즉, 위상 천이부(30)는 본 발명에 따른 AFC 모듈의 두 입력 신호의 위상을 정확히 비교하기 위해 순방향 신호와 역방향 신호의 오프셋을 맞춰주는 역할을 하는 것이다. 신호의 위상만을 변화시키는 위상 천이부(30)는 일반적으로 사용되는 위상 천이기(Phase Shifter)를 이용해 구성될 수 있다.

상기 위상 천이부(30) 및 제 2대역통과필터(10b)를 통과한 신호는 2분배기(2-way divider)(90)를 통해 분배되어 위상 검출부(50) 및 주파수 검출부(60)로 각각 입력된다. 위상 검출부는(50) 하이브리드 커플러(51), 두 개의 펄스 전력 검출기(52)로 이루어질 수 있다.

위상 검출부(50)로 입력되는 위상 천이부(30) 및 제 2대역통과필터(10b)를 통과한 순방향 신호 및 역방향 신호는 하이브리드 커플러(51)를 통해 위상차를 비교한 다음 두 개의 펄스 전력 검출기(52)로 순방향 신호 및 역방향 신호 각각의 위상에 해당하는 전압값을 출력한다. 이렇게 출력된 전압값은 후술될 제어부(70)의 입력으로 사용된다.

또한, 주파수 검출부(60)는 흔히 사용되는 위상-주파수 검출기(Phase - Frequency Detector, PFD) 등이 사용되어질 수 있으며, 주파수 검출부(60)로 입력되는 위상 천이부(30) 및 제 2대역통과필터(10b)를 통과한 두 신호의 주파수 차이에 해당하는 전압값을 출력하도록 한다. 상기 위상 검출부(50)와 마찬가지로 출력 전압값은 후술될 제어부(70)의 입력으로 사용된다.

상기 제어부(70)는 CPU(71)로 구성되어 상기 위상 검출부(50) 및 주파수 검출부(60)에서 출력된 전압값을 바탕으로 RF 발생기에서 출력되는 RF 파워의 공진주파수를 보정하는 역할을 한다. 즉, 제어부(70)는 본 발명에 따른 AFC 모듈로 입력되는 RF 발생기에서 전자가속기로 공급되는 RF 파워인 순방향 신호와 상기 전자가속기로부터 반사되는 역방향 신호의 주파수 차이 및 위상 차이를 입력받아 알고리즘을 통해 이진화하여 공진주파수의 Up/Down을 선택하게 되고, 전자가속기의 공진주파수를 찾아 그에 맞추어 RF 파워의 주파수를 보정하기 위한 보정 전압값을 출력한다. 조금 더 정확하게는, 주파수 검출부(60)를 통해 검출된 순방향 신호 및 역방향 신호의 주파수 차이가 수 MHz 이상일 경우 위상 검출부(50) 만으로 공진주파수를 찾을 수가 없다. 이 경우 주파수 검출부(50)가 필요하게 되는데, 주파수 검출부(60)를 통해 검출된 값을 이용하여 위상 검출부(50)에 의해 공진주파수를 찾아갈 수 있도록 하는 것이다. 알고리즘을 통해 이진화된 값들은 공진주파수의 Up/Down을 선택하게 되고, 이를 바탕으로 RF 파워의 주파수를 보정하기 위한 보정 전압값을 출력하는데, 이 때 출력된 값은 디지털 값이므로 DAC(Digital to Analog Converter)(72)로 아날로그 값으로 변환한 후 OPAMP(73)로 증폭시켜 최종적으로 원하는 전압값(본 발명에 따른 실시예에서는 ± 10V)을 출력하도록 할 수 있다. 이렇게 출력된 전압값을 RF 발생기에 적용시킴으로써 RF 발생기와 전자가속기의 공진주파수를 동기화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 제 1대역통과필터(10a) 제 2대역통과필터(10b)를 통과한 각각의 신호의 크기를 감쇄시키는 제 1감쇄부(20a) 및 제 2감쇄부(20b)가 더 포함될 수 있다. 상기 제 1감쇄부(20a) 및 제 2감쇄부(20b)는 내부적으로 사용이 용이하도록 신호를 감쇄시키는 역할을 하는 것으로, 순방향 신호에 적용되는 감쇄값을 기준으로 역방향 신호에도 적용하는 것이 바람직하다.

또 본 발명은 위상 천이부(30) 및 제 2대역통과필터(10b)를 통과한 각 신호의 크기를 측정하는 제 1진폭 검출부(40a) 및 제 2진폭 검출부(40b)가 더 구비될 수도 있다. 상기 제 1진폭 검출부(40a) 및 제 2진폭 검출부(40b)는 커플러(41)와 펄스 전력 검출기(42)가 사용되는데, 구체적으로 커플러(41)를 통해 각 입력 신호의 크기(진폭)를 검출하고 펄스 전력 검출기(42)를 통해 상기 커플러에서 검출된 전력레벨에 해당되는 전압값을 출력한다. 이 전압값은 상기 제어부(70)로 입력으로 사용된다. 이를 바탕으로 순방향 신호 대비 역방향 신호가 얼마나 되는지를 나타내는 반사 손실(Return loss)를 알 수 있으며, 또한, 이 때 제어부(70)는 측정된 신호의 크기를 통해 내부적으로 사용이 용이하도록 신호를 얼마나 줄여야 하는지를 나타내는 감쇄값을 계산하여 상기 제 1감쇄부(20a) 및 제 2감쇄부(20b)에 적용할 수도 있다.

한편, 전자가속기에 전달되는 RF 파워에 맞추어 본 발명에 따른 AFC 모듈을 구성하는 검출부들(위상 검출부(50), 주파수 검출부(60), 제 1진폭 검출부(40a), 제 2진폭 검출부(40a))의 검출 시점을 동기화시키는 것이 바람직하다. 따라서, 측정 시점을 동기화시키기 위해 각 검출부를 트리거링하는 트리거부(80)가 더 구비되도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 자동 주파수 제어 방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다. 도 2를 참고하여 자동 주파수 제어 방법을 설명하면, RF 발생기에서 전자가속기로 공급되는 RF 파워인 순방향 신호 및 상기 전자가속기로부터 반사되는 역방향 신호를 입력받는 신호 입력 단계(S100); 대역 통과 필터를 통과시켜 상기 입력단계에서 입력된 순방향 신호 및 역방향 신호의 특정 주파수 대역만을 걸러내는 주파수 대역 추출 단계(S200); 상기 특정 주파수 대역만을 걸러낸 순방향 신호의 위상차를 보상하기 위해 위상을 천이시키는 위상 천이 단계(S400); 상기 주파수 대역 추출 단계를 통과한 역방향 신호 및 상기 위상 천이 단계를 통과한 순방향 신호의 위상 및 주파수 차이를 측정하는 위상 및 주파수 측정 단계(S600); 및 상기 위상 및 주파수 측정 단계에서 측정된 값을 바탕으로 공진주파수를 보정하기 위한 보정값을 출력하는 보정값 출력 단계(S700);를 포함한다.

또한, 상기 주파수 대역 추출 단계(S200)와 위상 천이 단계(S400) 사이에, 특정 주파수 대역만을 걸러낸 순방향 신호 및 역방향 신호의 크기를 내부적으로 사용하기 용이하도록 감쇄시키는 감쇄 단계(S300);를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또, 상기 위상 천이 단계(S400)와 위상 및 주파수 측정 단계 사이(S600)에, 상기 주파수 대역 추출 단계(또는 감쇄 단계)를 통과한 역방향 신호 및 상기 위상 천이 단계를 통과한 순방향 신호의 크기를 측정하는 진폭 측정 단계(S500);를 더 포함하는 것이 좋다.

이하, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명에 의한 자동 주파수 제어 모듈의 동작 순서를 간단히 설명하겠다.

1. 트리거부(80)를 통해 내부적으로 사용이 편리하도록 각 검출부들을 트리거링한다.

2. 입력 신호인 순방향 신호 및 역방향 신호를 입력받는다. (S100)

3. 제 1 대역통과필터(10a) 및 제 2대역통과필터(10b)를 거쳐 원하는 주파수 대역만 추출한다. (S200)

4. 제 1감쇄부(20a) 및 제 2감쇄부(20b)를 통해 순방향 신호를 기준으로 두 신호의 크기를 감쇄시킨다. (S300)

5. 위상 천이부(30)를 통해 순방향 신호의 위상을 천이시켜, 두 신호의 오프셋을 맞춰준다. (S400)

6. 제 1진폭 검출부(40a) 및 제 2진폭 검출부(40b)를 통해 두 신호의 크기를 검출하여 제어부(70)로 보낸다. 이 때 제어부(70)에서는 검출된 크기를 가지고 상기 제 1감쇄부(20a) 및 제 2감쇄부(20b)에 적용할 감쇄값을 설정하며 반사 손실(Return Loss)도 계산한다. (S500)

7. 2분배기(90)로 두 신호가 분배된 뒤 각각 위상 검출부(50) 및 주파수 검출부(60)로 입력된다.

8. 위상 검출부(50)를 통해 두 신호의 위상을 비교하여 검출된 값을 제어부(70)로 보낸다. (S600)

9. 주파수 검출부(60)를 통해 두 신호의 주파수 차이를 검출하여 제어부(70)로 보낸다. (S600)

10. 제어부(70)에서 상기 검출된 값들을 알고리즘을 통해 이진화하여 공진주파수의 Up/Down을 선택하게 되고, 이를 바탕으로 전자가속기의 공진주파수를 찾아 RF 발생기의 주파수를 보정하도록 하는 AFC 보정 전압값을 출력한다. 주파수 검출부(60)를 통해 검출된 값은 두 신호의 주파수가 수 MHz 이상 벗어났을 경우에 위상 검출부(50)를 통해 검출된 값으로 공진주파수를 찾아갈 수 있도록 하는데 사용된다. (S700)

상기와 같은 과정을 통해, 제어 가능 주파수 영역이 ±5 MHz로 제어가 되는데, 본 발명은 주파수 검출부(60)를 추가 포함함으로써, 전자가속기의 공진주파수가 수십 MHz 이상 벗어나더라도 공진주파수를 동기화시킬 수 있다. 따라서 훨씬 넓은 영역의 주파수를 제어할 수 있으므로, 전자가속기의 안정적인 출력 증대를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 3은 본 발명에 따른 AFC 모듈의 시뮬레이션 결과로 전자가속기에서 반사되는 역방향 신호에 대한 AFC 모듈의 출력 전압값을 나타낸다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것처럼 AFC 모듈의 출력 전압값이 3에 해당한다면 RF 발생기에서는 출력 RF 파워의 주파수를 조정하여 역방향 신호의 크기가 0이 되도록 수렴하도록 공진주파수를 동기화시킬 것이다. 도 3의 중앙 부분을 보면 역방향 신호의 크기가 0인 부분이 존재하는데, 이상적으로 역방향 신호의 크기가 0이면 RF 파워가 100% 전달되어 전자가속기의 출력이 최대가 된다.

또한, 도 3의 위상 검출로 공진주파수를 찾아갈 수 있는 영역은 공진주파수 가변범위가 5MHz (중심주파수 ± 5MHz)가 된다. 1번과 2번 전압값이 같고, 3번과 4번의 전압값이 같은 것을 볼 수 있는데, 만약 종래와 같이 주파수 검출부(60) 없이 위상 검출부(50)만 구비된다면 1번이나 4번와 같이 공진주파수가 ± 5MHz 이상 벗어난다면 공진주파수를 못 찾아갈 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 AFC 모듈은 두 입력 신호의 주파수 차이를 검출하는 주파수 검출부(60)를 구비함으로써 위상 검출부(50)로 찾아갈 수 있는 영역(1번은 2번으로, 3번은 4번으로)으로 보내주도록 하는 것이다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10a : 제 1대역통과필터 10b : 제 2대역통과필터
20a : 제 1감쇄부 20b : 제 2감쇄부
30 : 위상 천이부
40a : 제 1진폭 검출부 40b : 제 2진폭 검출부
50 : 위상 검출부 60 : 주파수 검출부
70 : 제어부 80 : 트리거링부
90 : 2분배기