중이온 가속기의 QWR 저온유지장치

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

본 발명은 중이온 가속기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중이온 가속기의 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.

(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 특개2010-251275(2010.11.04 공개)

(특허문헌 2) 한국 공개특허공보 제10-2008-0012900호(2008.02.12 공개)

일 실시예에 따른 중이온 가속기의 저온유지장치는, 진공 상태를 유지하는 내부관, 저온의 성능 테스트용 유체가 주입되는 외부관을 포함하는 중이온 가속관; 상기 중이온 가속관을 수납하여 보호하고, 내부를 진공 상태로 형성하는 진공 모듈; 상기 중이온 가속관에 성능 테스트용 유체를 제공하는 파이프 모듈; 상기 중이온 가속관을 지지하도록 상기 진공 모듈 내부에 설치되는 서포트 모듈;을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 진공 모듈은 일측에 진공 포트가 형성된 진공 챔버, 상기 진공 포트에 연결되어 진공 챔버 내부를 진공 상태로 형성해 주는 진공 펌프를 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 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 리저버는 리저버 몸체, 리저버 몸체에 형성되어 성능 테스트용 유체를 공급받는 인렛포트, 상기 인렛포트와 이격되도록 리저버 몸체에 형성되어 기화된 헬륨을 배출하는 아웃렛포트, 상기 리저버 몸체의 내부에서 인렛포트와 아웃렛포트의 경계 부분에 설치되는 배플을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 서포트 모듈은 중이온 가속관을 감싸는 서포트 몸체, 상기 서포트 몸체와 진공 모듈을 연결해 주는 서포트 바를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 서포트 모듈은 서포트 바에 결합되어 서포트 바의 길이를 조절하는 길이조절부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 서포트 바의 재질은 G10인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 성능 테스트용 유체는 액체 헬륨인 것을 특징으로 한다.

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

일 실시예에 따르면, 상기 마그네틱 쉴드의 재질은 뮤 메탈인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 진공 챔버의 내부에 설치되며, 진공 챔버 내부에 냉매를 순환시켜 진공 챔버 내부의 저온 상태를 활성화하기 위한 써멀 쉴드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 써멀 쉴드의 재질은 구리인 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 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, 중이온 가속관의 안정적인 고정을 통해 공정 진행의 효율성을 높일 수 있고, 각 모듈들의 장착 및 분해가 용이하여 중이온 가속관의 성능시험을 위한 셋업 시간을 단축할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 중이온 가속기의 저온유지장치의 외관을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 중이온 가속기의 저온유지장치의 내부를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 적용되는 진공 모듈을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명에 적용되는 마그네틱 쉴드를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명에 적용되는 써멀 쉴드를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명에 적용되는 파이프 모듈을 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명에 적용되는 파이프 모듈의 리저버를 나타낸 일부 절개도.
도 8은 본 발명에 적용되는 써포트 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 "??quot;, "??quot;, "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 저온유지장치의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 의한 중이온 가속기의 저온유지장치는 중이온 가속관(100), 진공 모듈(200), 파이프 모듈(300), 서포트 모듈(support module)(400)을 포함한다.

즉, 저온유지장치는 중이온 가속관(100)을 포함하며, 그 중이온 가속관(100)에 액체 헬륨(He)을 공급받아 중이온 가속관(100)의 성능을 테스트하기 위한 것이다.

도 2를 참고하면, 중이온 가속관(100)은 대략 원통형으로 이루어지며, 파이프 모듈(300)로부터 액체 헬륨을 공급받아 중이온 가속관(100)으로서의 성능 테스트를 한다.

중이온 가속관(100)은 도시하지 않았으나 내부관과 외부관의 2중관으로 이루어지며, 진공 챔버(210) 내에 수직 상태로 배치된다. 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(112)이 각각 기계적으로 연결되어 헬륨을 공급받거나 배출하게 된다.

중이온 가속관(100)의 내부에는 중이온 빔의 가속을 위한 통로 역할을 하도록 빔 파이프(110)가 관통 설치될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 진공 모듈(200)은 빔 가속을 위해 진공 상태를 형성해 주는 것으로, 진공 챔버(210), 진공 펌프(220)를 포함한다.

진공 챔버(210)는 중이온 가속관(100) 및 그 중이온 가속관(100)에 연결된 파이프 모듈(300)을 내부에 안치하여 외부의 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 진공 챔버(210)의 일측면(본 실시예에서는 바닥면)에는 진공 펌프(220)와 연결되도록 진공 포트가 적어도 하나 이상 형성된다. 진공 챔버(210)는 강도 및 내부식성이 우수한 스테인리스 스틸(예를 들면, STS316L)로 제작될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 진공 챔버(210)는 대략 육면체로 형성되어 있으나, 이는 중이온 가속관(100)의 수납 용이성과 기타 모듈과의 연계를 위해 설계를 위한 것일 뿐 그 형태에 한정될 필요는 없다. 진공 챔버(210)의 일측면에는 액체 헬륨을 제공받는 헬륨 포트(211) 및 가속된 빔을 조사하는 빔 포트(212)가 구비되어 있다.

진공 펌프(220)는 진공 챔버(210)의 일측에 배치되어 진공라인을 통해 진공 포트와 연결되며, 중이온 가속관(100)에서의 중이온 빔의 가속을 촉진하기 위해 중이온 가속관(100)의 내부 및 진공 챔버(210)의 내부를 진공 상태로 형성시켜 준다. 예컨대, 진공 펌프(220)는 복수 구비되어 진공 챔버(210)와 중이온 가속관(100)에 각각 연결될 수 있다.

도 2 및 도 6을 참고하면, 파이프 모듈(112)은 중이온 가속관(100)에 성능 테스트용 유체, 예컨대 액체 헬륨(He)을 공급하는 것으로, 파이프 라인(310), 리저버(320)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)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.

도 7을 참고하면, 리저버(320)는 양단이 폐쇄된 대략 원통형으로 이루어진 리저버 몸체(321)를 포함하며, 리저버 몸체(321)에는 헬륨 탱크로부터 헬륨 액체를 공급받는 인렛포트(322) 및 기화된 헬륨을 헬륨 탱크 측으로 배출하는 아웃렛포트(323)가 서로 소정의 간격으로 이격되어 형성된다.

또한 리저버 몸체(321) 내에는 쿨링 다운(cooling down)시 기화된 헬륨을 배출하고 유입된 액체헬륨을 일정한 양으로 유지하도록 하기 위한 목적으로 인렛포트와 아웃렛포트의 경계 부분에 배플(baffle)(324)이 형성될 수 있다. 배플(324)의 일측에는 헬륨의 양을 검지하기 위한 레벨 게이지가 설치될 수 있다. 배플(324)은 리저버 몸체 내를 완전히 폐쇄하도록 형성되지 않고 일부분이 연통되도록 리저버 몸체 내의 직경보다 조금 작은 직경을 갖도록 형성된다.

도 2 및 도 8을 참고하면, 서포트 모듈(400)은 중이온 가속관(100)에 접촉되도록 설치되며, 중이온 가속관(100)의 배치 및 고정상태를 안정화시켜 주는 것으로, 중이온 가속관을 지지하는 서포트 몸체(410), 서포트 몸체(410)를 지지하는 서포트 바(420)를 포함할 수 있다.

서포트 몸체(410)는 중이온 가속관을 둘러싸도록 대략 사각 틀체 형상으로 이루어진다.

서포트 바(420)는 복수 구비되며, 각각의 일단은 서포트 몸체의 여러 개소에 연결되고 타단은 진공 챔버(210)의 여러 개소에 연결되어 서포트 몸체(410)를 고정시켜 줌으로써, 서포트 몸체(410) 내에 놓인 중이온 가속관을 안정적으로 고정시켜 준다.

진공 챔버(210) 내는 극저온을 형성하기 때문에 진공 챔버(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 챔버(210) 외부의 상온에서 기본적으로 길이 조정이 된 상태로 진공 챔버(210) 내로 유입되는데, 진공 챔버(210) 내부는 극저온을 유지하므로 소정의 응축이 발생할 수 있다. 따라서, 진공 챔버(210) 내에 배치된 상태에서도 서포트 바(420)의 길이 조절이 가능하도록 각 서포트 바의 일단에는 길이조절부재(430)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 2 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 저온유지장치는, 진공 챔버(210)의 내부에 진공 챔버(210) 외부로부터 진공 챔버(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 진공 챔버(210)의 내벽에 장착되므로, 진공 챔버(210)의 내부 형태와 유사하게 형성된다. 마그네틱 쉴드(500)의 일측면 상단에는 진공 챔버(210)의 헬륨 포트(211)에 대응되도록 제1 헬륨 포트 관통공(510)이 형성되고, 정면 하단에는 진공 챔버(210)의 빔 포트(212)에 대응되도록 제1 빔 포트 관통공(520)이 형성된다.

도 2 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 저온유지장치는, 진공 챔버(210)의 내부, 바람직하게는 마그네틱 쉴드(500)의 내부에 설치되어, 냉매를 순환시켜 진공 챔버(210) 내부의 저온 상태를 활성화하기 위한 써멀 쉴드(600)를 더 포함할 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) 역시 마그네틱 쉴드(500)와 마찬가지로 진공 챔버(210)의 내벽에 장착되므로 진공 챔버(210)의 내부 형태와 유사하게 형성된다. 따라서, 써멀 쉴드(600)의 일측면 상단에는 진공 챔버(210)의 헬륨 포트(211)에 대응되도록 제2 헬륨 포트 관통공(610)이 형성되고, 정면 하단에는 진공 챔버(210)의 빔 포트(212)에 대응되도록 제2 빔 포트 관통공(620)이 형성된다.

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; 중이온 가속관 110; 빔 파이프
200; 진공 모듈 210; 진공챔버
220; 진공펌프
300; 파이프 모듈 310; 파이프라인
320; 리저버
400; 서포트 모듈 410; 서포트 몸체
420; 서포트 바 430; 길이조절부재
500; 마그네틱 쉴드
600; 써멀 쉴드