중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치

중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치{SSR1 cryomodule of heavy ion accelerator}

본 발명은 중이온 가속기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치에 관한 것이다.

가속기는 대전 입자를 가속시키는 장치의 일종이다. 즉 가속기는 전자, 양자 및 이온 등의 하전입자를 고에너지 상태(예를 들면, 수백만 전자볼트에서 수조 전자볼트 정도의 고에너지 상태)로 가속하는 장치로, 가속원리에 따라 고주파 가속기와 양자용 유도 가속 싱크로트론으로 크게 구별할 수 있다.

고주파 가속기는 다시 가속방법에 따라 선형가속기, 사이클로트론, 고주파 싱크로트론 등으로 구분할 수 있다. 또한, 고주파 가속기의 크기도 용도에 따라 다양한 바, 큰 에너지를 얻는 고주파 가속기로서 원자핵·소립자 물리학 연구용의 대형가속기로부터 최근에는 비교적 저에너지 레벨의 이온빔을 공급하는 암치료 전용의 소형 고주파 싱크로트론까지 있다.

이와 같은 고주파 가속기에서는 하전입자의 가속을 위하여 고주파 가속 공동을 사용해 왔다. 이 고주파 가속 공동은 하전입자의 주행에 동기하여 수 MHz∼수십MHz의 고주파 전장을 고주파 공동의 공명진동에 의한 여진으로 발생시킨다.

한편, 이와 같은 가속기와 관련하여 경(輕) 입자인 양성자나 헬륨을 제외한 원자의 이온을 가속시키는 장치로서 중이온 가속기가 있다. 중이온 가속기의 형식은 경입자나 전자의 경우와 같지만, 이온은 질량이 크기 때문에 강력한 전자기장이 필요하다.

중이온 가속기를 구성하는 저온유지장치(cryomodule)는 다양한 가속관 (QWR, HWR1, HWR2, SSR1, SSR2)으로 이루어져 있으며, 이들 가속관들은 본격적으로 사용하기에 앞서 성능시험이 필요하다.

그런데, 종래 성능시험 방식은 수직형 개별 저온유지장치를 이용하여 수동으로 실시되었으며, 이에 따라 성능시험을 위한 모듈들을 조립하는데 많은 시간이 소요되고, 대량으로 시험을 수행하기 어려운 문제가 있다. 또한, 시험 시 수동으로 수행하기 때문에 인건비가 많이 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 극저온을 유지하여 가속관의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치는, 내부를 진공 상태로 형성하도록 일측에 진공포트가 구비된 진공베셀; 상기 진공베셀의 상측에 구비되는 파이프 하우징; 상기 진공베셀 내부에 지지프레임에 의해 복수가 이격 설치되고, 각각은 진공 상태를 유지하는 내부관과 저온의 성능 테스트용 유체가 주입되는 외부관을 포함하는 중이온 가속관; 상기 각각의 중이온 가속관에 진공라인을 통해 연결되는 진공펌프; 상기 각각의 중이온 가속관에 성능 테스트용 유체를 제공하도록 상기 파이프 하우징 내부에 설치되는 파이프 모듈; 및 상기 중이온 가속관 및 파이프 모듈을 지지하도록 상기 파이프 하우징에 연결되는 서포트 모듈;을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 파이프 모듈은 상기 중이온 가속관으로 성능 테스트용 유체를 공급하거나 기화된 성능 테스트용 유체를 배출하는 파이프 라인, 상기 파이프 라인에 설치되어 성능 테스트용 유체의 투입 또는 배출을 보충해 주는 리저버(reservoir)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 리저버는 공정 진행시 요구되는 설정 온도의 헬륨을 저장하는 메인 리저버와 설정 온도에서 벗어난 헬륨을 저장하는 서브 리저버를 포함하며, 상기 메인 리저버와 서브 리저버 사이에는 헬륨의 온도를 설정 온도에 맞게 열교환시켜 주는 열교환기가 더 설치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 메인 리저버와 서브 리저버에는 각각 적어도 하나 이상의 히터가 장착될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 서포트 모듈은 중이온 가속관을 감싸는 서포트 프레임, 상기 서포트 프레임과 파이프 하우징을 연결해 주는 서포트 바를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 성능 테스트용 유체는 액체 헬륨이 적용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 중이온 가속관 및 라인모듈을 감싸도록 설치되어 전자파를 차폐하는 마그네틱 쉴드를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 진공베셀의 내부에 설치되며, 진공베셀 내부에 냉매를 순환시켜 진공베셀 내부의 저온 상태를 활성화하기 위한 써멀 쉴드를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 써멀 쉴드에는 냉매가 흐를 수 있는 냉매 파이프가 상기 써멀 쉴드와 동일한 재질의 브래킷을 매개로 지그재그 형태로 결합될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 중이온 가속관의 하측에는 슬라이딩 프레임이 설치되고, 상기 진공베셀의 내부에는 슬라이딩 프레임을 안내하는 슬라이딩 레일이 설치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 진공베셀을 이동 및 지지하도록 진공베셀의 하측에 설치되는 이동 모듈을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 이동 모듈은 상기 진공베셀을 지지하는 이동프레임, 상기 이동프레임의 하측에 회전 가능하게 결합되는 복수의 캐스터, 상기 이동프레임에 상하 이동 가능하도록 결합되어 이동프레임을 설정 위치에 고정시켜 주는 복수의 고정판을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 이동 모듈은 이동프레임의 하측에 결합되어 이동프레임에 가해지는 하중을 분산시켜 주는 하중분산판을 더 포함할 수 있다.

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, 복수의 중이온 가속관을 통해서 가벼운 이온인 양성자뿐만 아니라 중이온인 우라늄의 가속을 안정적으로 할 수 있고, 진공 및 극저온을 유지할 수 있도록 중이온 빔을 효과적으로 가속시킬 수 있도록 하여 빔 성능의 효율성을 높일 수 있고, 극저온을 유지하여 가속관의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치의 외관을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치를 정면에서 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치를 측면에서 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 적용되는 파이프 모듈 및 서포트 모듈을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명에 적용되는 써멀 쉴드를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명에 적용되는 이동 모듈을 나타낸 사시도.

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 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 일 실시예에 의한 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치는 중이온 가속관(100)에 액체 헬륨(He)을 공급받아 중이온 가속관(100)의 성능을 테스트하기 위한 것이다.

즉, 중이온 가속기의 SSR1 저온유지장치는 진공 모듈(100), 중이온 가속관(200), 파이프 모듈(300), 서포트 모듈(support module)(400)을 포함한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 진공 모듈(100)은 빔 가속을 위해 진공 상태를 형성해 주는 것으로, 진공베셀(110), 진공펌프(120) 및 파이프 하우징(130)을 포함한다.

진공베셀(110)은 내부에 중이온 가속관(200)을 안치하여 외부의 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 진공베셀(210)의 일측면(본 실시예에서는 바닥면)에는 진공펌프(120)와 연결되도록 진공 포트가 적어도 하나 이상 형성된다. 진공베셀(110)은 강도 및 내부식성이 우수한 스테인리스 스틸(예를 들면, STS316L)로 제작될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 진공베셀(110)은 대략 눕혀진 원통형으로 형성되어 있으나, 이는 중이온 가속관(100)의 수납 용이성과 기타 모듈과의 연계를 위한 설계일 뿐 그 형태에 한정될 필요는 없다.

진공베셀(210)의 일측면에는 액체 헬륨을 제공받는 헬륨 포트(211) 및 가속된 빔을 조사하는 빔 포트(212)가 구비되어 있다.

진공펌프(220)는 진공베셀(210)의 일측에 배치되어 진공라인을 통해 진공 포트와 연결되며, 중이온 가속관(100)에서의 중이온 빔의 가속을 촉진하기 위해 중이온 가속관(100)의 내부 및 진공베셀(210)의 내부를 진공 상태로 형성시켜 준다. 예컨대, 진공펌프(220)는 진공베셀(210)과 복수의 중이온 가속관(200)에 각각 연결되도록 복수 구비될 수 있다.

파이프 하우징(130)은 진공베셀(110)의 상측에 대략 육면체의 형태로 설치되며, 중이온 가속관(100)에 연결된 파이프 모듈(300)을 내부에 수용하여 외부의 환경으로부터 보호하는 역할을 한다.

파이프 하우징(130)은 진공베셀(110)과 연통되도록 형성되며, 따라서 파이프 하우징(130) 역시 진공 상태를 유지하게 된다.

도 2 및 도 4를 참고하면, 일 실시예의 저온유지장치는 진공베셀(110) 내에 3개의 중이온 가속관(200)이 수평으로 나란히 배치되어 있다.

각각의 중이온 가속관(100)은 대략 원통형으로 이루어지며, 파이프 모듈(300)로부터 액체 헬륨을 공급받아 중이온 가속관(100)으로서의 성능 테스트를 한다.

각각의 중이온 가속관은 지지프레임에 의해 소정 간격을 두고 서로 이격된 상태로 배치되며, 각각의 중이온 가속관에는 진공포트(220)가 구비된다.

중이온 가속관(100)은 도시하지 않았으나 내부관과 외부관의 2중관으로 이루어진다. 내부관 내에는 중이온 가속관(100)의 효율적인 빔 가속을 위해 진공 상태를 유지하고, 외부관과 내부관 사이에는 중이온 가속관(100)의 저온 유지를 위한 액체 헬륨이 주입된다. 따라서, 내부관에는 후술하는 진공펌프의 진공라인(도시 생략)이 연결되고, 외부관과 내부관 사이의 상단부 및 하단부에는 파이프 모듈의 파이프 라인(310)이 각각 기계적으로 연결되어 헬륨을 공급받거나 배출하게 된다.

각 중이온 가속관(100)의 대략 중앙에는 중이온 빔의 가속을 위한 통로 역할을 하도록 빔 파이프(210)가 관통 설치될 수 있다.

도 2 및 도 4를 참고하면, 파이프 모듈(112)은 중이온 가속관(100)에 성능 테스트용 유체, 예컨대 액체 헬륨(He)을 공급하는 것으로, 파이프 라인(310), 리저버(320)(330)를 포함할 수 있다.

파이프 라인(310)은 헬륨 탱크(도시 생략)와 중이온 가속관을 연결해 주며, 헬륨 탱크로부터 액체 헬륨을 중이온 가속관으로 공급해 주거나, 공정 진행시 발생하는 열에 의해 중이온 가속관 내에 기화된 헬륨을 헬륨 탱크 측으로 회귀하는 역할을 한다.

리저버(320)(330)는 파이프 라인(310)의 일단에 장착되어 보조 헬륨 탱크의 역할을 한다. 예컨대, 중이온 가속관으로 공급되거나 또는 중이온 가속관으로부터 배출되는 헬륨이 설정치에 미치지 못할 경우 소정량의 헬륨을 저장하고 있는 리저버에서 그만큼의 헬륨을 보충하여 공급하거나 배출하는 역할을 한다.

이때, 리저버는 메인 리저버(320)와 서브 리저버(330)로 구분될 수 있다. 각각의 리저버(320)(330)는 양단이 폐쇄된 대략 원통형의 몸체를 가지며, 각 리저버에는 헬륨 탱크로부터 헬륨 액체를 공급받는 인렛포트 및 기화된 헬륨을 헬륨 탱크 측으로 배출하는 아웃렛포트가 서로 소정의 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.

메인 리저버(320)는 공정 진행시 요구되는 설정 온도의 헬륨을 저장하게 되고, 서브 리저버(330)는 설정 온도에서 벗어나는 헬륨을 저장하게 된다. 따라서, 메인 리저버(320)와 서브 리저버(330) 사이에는 헬륨의 온도를 설정 온도에 맞게 열교환시켜 줄 수 있는 열교환기(340)가 개재될 필요가 있다.

또한, 메인 리저버(320) 및 서브 리저버(330)에는 헬륨의 온도를 설정 온도에 맞게 열교환시켜 줄 수 있도록 각각 적어도 하나 이상의 히터(321)(331)가 장착될 수 있다.

도 2 및 도 4를 참고하면, 서포트 모듈(400)은 중이온 가속관(100) 및 파이프 모듈(300)의 배치 및 고정상태를 안정화시켜 주는 것으로, 중이온 가속관을 지지하는 서포트 프레임(410), 서포트 프레임(410) 및 파이프 모듈(300)을 지지하는 서포트 바(420)를 포함할 수 있다.

서포트 프레임(410)은 중이온 가속관을 둘러싸도록 대략 사각 틀체 형상으로 이루어진다. 또한, 서포트 프레임(410)은 복수의 중이온 가속관이 각각 삽입되도록 중이온 가속관의 숫자와 대응되는 숫자로 구획된다.

서포트 바(420)는 복수 구비되며, 각각의 일단은 서포트 프레임(410) 및 파이프 모듈(300)의 여러 개소에 연결되고 타단은 파이프 하우징(130)의 상단에 여러 개소 연결 고정됨으로써, 서포트 프레임(410) 내에 놓인 중이온 가속관 및 파이프 모듈(300)을 안정적으로 고정시켜 준다.

진공베셀(210) 내는 극저온을 형성하기 때문에 진공베셀(210) 내에서 서포트 바에 응축이 발생할 경우 중이온 가속관의 정렬 상태가 설정 위치에서 벗어날 수 있고 이로 인해 빔 포트의 위치가 어긋날 수 있으므로, 서포트 바(420)는 저온에서 응축이 최소화되는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대 서포트 바는 G10 또는 인바의 재질로 형성될 수 있다.

서포트 바(420)는 진공 베셀(210) 외부의 상온에서 기본적으로 길이 조정이 된 상태로 진공 베셀(210) 내로 유입되는데, 진공 베셀(210) 내부는 극저온을 유지하므로 소정의 응축이 발생할 수 있다. 따라서, 진공 베셀(210) 내에 배치된 상태에서도 서포트 바(420)의 길이 조절이 가능하도록 각 서포트 바의 일단에는 길이조절부재(도시 생략)가 장착될 수 있다.

이러한 서포트 모듈(400)에 의해 중이온 가속관(100)은 각각 개별적으로 분해 조립이 용이하며, 따라서 성능 시험이 안정적, 효율적으로 진행될 수 있다.

도 1 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 저온유지장치는, 진공베셀(210)의 내부에 진공베셀(210) 외부로부터 진공베셀(210) 내부의 중이온 가속관(100)에 가해지는 외부 전자파를 차단하기 위한 마그네틱 쉴드(magnetic shield)(500)를 더 포함할 수 있다.

외부 전자파가 중이온 가속관에 전해지면 설정된 극저온 상태가 불안정할 수 있으므로, 마그네틱 쉴드(500)는 이러한 방해 요소를 제거하는 것이다. 마그네틱 쉴드(500)는 예컨대, Ni 75%, Fe 20%, Cu 5%의 합금의 뮤 메탈(Mu-matal)로 형성될 수 있다.

마그네틱 쉴드(500)는 진공베셀(210)의 내벽에 장착되므로, 진공베셀(210)의 내부 형태와 유사하게 형성된다. 마그네틱 쉴드(500)의 일측면 상단에는 진공베셀(210)의 헬륨 포트(211)에 대응되도록 제1 헬륨 포트 관통공(510)이 형성되고, 정면 하단에는 진공베셀(210)의 빔 포트(212)에 대응되도록 제1 빔 포트 관통공(520)이 형성된다.

도 1 내지 도 3 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 저온유지장치는, 진공베셀(210)의 내부, 바람직하게는 마그네틱 쉴드(500)의 내부에 설치되어, 냉매를 순환시켜 진공베셀(210) 내부의 저온 상태를 활성화하기 위한 써멀 쉴드(600)를 더 포함할 수 있다.

써멀 쉴드(600)는 마그네틱 쉴드(500)와 마찬가지로 진공베셀(210)의 내벽에 장착되므로 진공베셀(210)의 내부 형태와 대응되도록 형성될 수 있다.

써멀 쉴드(600)는 열전도율이 높은 구리(Cu)로 제작될 수 있고, 냉매로는 기체 상태의 질소(N)가 사용될 수 있다.

써멀 쉴드(600)의 내벽에는 냉매가 흐를 수 있도록 수회 지그재그 형태로 수회 절곡된 냉매 파이프(610)가 배치되며, 냉매 파이프(610)는 브래킷(620)과 리벳에 의해 써멀 쉴드(600)에 고정될 수 있다. 이때, 써멀 쉴드(600)의 역할에 방해되지 않도록 브래킷(620)의 재질은 써멀 쉴드(600)와 동일하게 열전도율이 높은 구리로 제작될 수 있다.

도 1 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 저온유지장치는, 중이온 가속관(200)을 장착하거나 또는 분리할 수 있도록 진공베셀(110) 내에 중이온 가속관(200)을 슬라이딩 이동하도록 설치되는 슬라이딩 모듈(700)을 더 포함할 수 있다.

슬라이딩 모듈(700)은 써멀 쉴드(600)의 하측에 결합되는 슬라이딩 프레임(710), 진공베셀의 내부 바닥에 소정 간격을 두고 나란히 설치되어 슬라이딩 프레임(710)을 안내하는 슬라이딩 레일(720)을 포함한다.

즉, 중이온 가속관(200)은 써멀 쉴드(600)로 감싸인 상태로 슬라이딩 테이블(도시 생략)에 안착된 상태에서, 슬라이딩 테이블이 진공베셀(110)의 일측에 대응되도록 위치되면, 슬라이딩 프레임(710)을 가압하여 진공베셀(110) 내의 슬라이딩 레일(720)을 통해 진공베셀(110) 내로 이동 및 안착하게 된다.

또한, 중이온 가속관(200)을 진공베셀(110)로부터 분리할 경우에는 상술한 과정을 역순으로 진행하면 된다.

도 1 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 저온유지장치는, 필요에 따라 진공모듈(100)의 위치를 이동시키는 이동 모듈(800)을 더 포함할 수 있다.

이동 모듈(800)은 진공베셀(110)의 하측에 위치되어 진공베셀(110)을 지지하는 이동프레임(810), 이동프레임(810)의 하측에 회전 가능하게 결합되는 복수의 캐스터(820), 이동프레임(810)에 상하 이동 가능하도록 결합되어 이동프레임(810)을 설정 위치에 고정시켜 주는 복수의 고정판(830)을 포함한다.

이동프레임(810)은 평면상 대략 4각형으로 이루어지며, 캐스터(820)는 이동프레임(810)의 각 모서리 하측에 4개소 결합된다. 그리고 고정판(830)은 각 캐스터(820)와 간섭되지 않도록 이동프레임(810)의 하측 4개소에 결합될 수 있다.

또한, 이동 모듈(800)은 이동프레임(810)의 하측 대략 중앙에 결합되어 이동프레임(810)에 가해지는 하중을 분산시켜 주는 적어도 하나 이상의 하중분산판(840)을 더 포함할 수 있다.

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.

10; 저온유지장치
100; 진공 모듈 110; 진공베셀
120; 진공펌프 130; 파이프 하우징
200; 중이온 가속관 210; 빔 파이프
300; 파이프 모듈 310; 파이프라인
320,330; 리저버 340; 열교환기
400; 서포트 모듈 410; 서포트 프레임
420; 서포트 바
500; 마그네틱 쉴드
600; 써멀 쉴드 610; 냉매 파이프
620; 브래킷
700; 슬라이딩 모듈 710; 슬라이딩 프레임
720; 슬라이딩 레일
800; 이동 모듈 810; 이동프레임
820; 캐스터 830; 고정판
840; 하중분산판