KR0147040B1 - 방사광 가속기용 6극전자석 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사광 가속기에서 가속되는 각 전자의 운동량 차이에 따른 불안정성을 보정하는데 적합한 6극 전자석에 관한 것으로, 6극 전자석은 제한된 자극폭에 대해 균일하며, 충분한 자장 유효범위를 제공하도록, 코어의 자극을 이루는 돌출부와 말단부가 그의 중심에 소정의 반경을 갖는 중앙 원호부(72)와, 상기 말단부의 양측면에 상기 중앙 원호부(72)보다 작은 반경을 가진 제1및 제2원호부(71)및 (73)을 포함하며, 중앙을 통과하는 중심선(C₁)에 대해 수평한 제1평탄부(62)와, 상기 중심선 방향으로 소정 각도로 경사진 제1테이퍼부(63)를, 타측면이 상기 제평탄부(62)와는 평행하며, 상기 제1평탄부(62)보다 작은 길이를 가진 제2평탄부(64)와, 상기 제1테이퍼부(63)보다 더 큰 길이를 가진 제2테이퍼(65)부를 구비하고, 자석의 품질을 높이기 위해 코어를 이루는 철편의 화학적 성분이 제한된다.

Description

방사광 가속기용 6극 전자석

제1도는 본 발명에 따른 방사광 가속기용 6극 전자석.

제2도는 제1도의 방사광 가속기용 6극 전자석의 정면도.

제3도는 본 발명에 따른 6극 전자석의 제1철심의 정면도.

제4도는 제3도의 B부분 확대도.

제5도는 본 발명에 따른 6극 전자석의 히스테리시스 특성도.

제6도는 제2도의 A부분 확대 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10:코어 20:돌출부

30:제1코일 40:제2코일

71:제2원호부 72:제1원호부

73:제3원호부

본 발명은 6극 전자석에 관한 것으로, 특히, 방사광 가속기에서 가속되는 각 전자의 운동량 차이에 따른 불안정성을 보정하는데 적합한 6극 전자석에 관한 것이다.

전류에 의해 구동되어, 둘이상의 극상에 적절한 자장을 발생시키는 전자석은 자계를 이용하는 다양한 분야에서 폭넓게 이용되어 오고 있다. 이러한 전자석은 그 적용 분야에 따라 자석의 형상 및 세기가 결정되며, 전형적으로 여자 전류에 응답하여 균일한 자장을 제공하도록 설계되어 이용되고 있다.

또한, 전자석은 한정된 길이의 공간에서 하전 입자의 운동량을 전자기적인 힘을 이용하여 증폭하는 입자 가속기에서 입자를 제어하는 가장 기본적인 장치로 이용되고 있다. 특히, 전자를 가속하여 회전시킴으로써 발생하는 폭넓은 방사광을 이용하는 방사광 가속기에는 다양한 형태의 전자석이 이용되고 있다.

방사광 가속기는 가속된 전자를 원운동시킴으로써 고강도, 고밀도의 광을 발생시켜, 이러한 광을 기초과학, 응용 과학 및 첨단 과학을 위한 실험에 이용될 수 있게 하기 위한 것으로, 전자를 가속하도록 다수의 전자석이 배열되는 선형 가속기(linear accelerator), 저장링(storage ring)을 포함한다.

선형 가속기는 전자 발생 장치(electron gun)에서 전자를 생성하여 수백미터의 가속관에서 원하는 에너지까지 가속시키며, 가속된 전자를 둘레가 수백미터인 저장링에 보낸다. 저장링에서는 다수의 회전 대칭 소요(rotational symmetry element)를 포함하며, 하나의 대칭 요소를 셀(cell) 또는 래티스(lattice)라 한다.

이것은 방사광 가속기는 위한 주기성 이론에 근거한 것으로, 각 래티스들은 각기 다수의 기본적 자석인 2극 및 4극 전자석이 주기적으로 배열된다. 저장링에서는 가속된 전자를 받아들여 전술하는 전자석에 의해 원운동을 시키게 되며, 이러한 원운동으로 인해 방사광이 발생된다. 한번 저장링에 투입된 전자는 수시간 회전하면서 방사광을 방출하게 된다.

방사광 가속기의 저장링에는 전술한 바와같이, 전자 비임이 저장링 내부에서 원운동을 하도록 전자 비임을 일정각도 휘게하는 다수의 2극 전자석과 각각의 2극 전자석으로부터 휘어진 전자 비임을 적절한 형태의 비임폭을 갖도록 집속(focussing)시켜 궤도상에서 이탈되지 않게 궤도 중심으로 유도하는 다수의 4극 전자석이 제공된다.

전술한 주기성의 원리에 의해, 방사광 가속기에 이용되는 개별 전자석의 크기를 보다 작게 만드는 것이 가능해졌다. 그러나, 전자석의 크기가 작아지므로써, 전자 비임을 원궤도상에 정밀하게 집속, 제어하기 위해서는 전술하는 2극 및 4극 전자석의 품질 및 가속기의 정렬(alignment)이 극히 정밀하게 요구된다. 그러나, 상당히 엄밀한 관리하에서도 전자석의 품질과 가속기의 정렬이 이상적으로 완벽하게 하기는 어렵다.

이 때문에 가속기에는 기본 전자석의 품질과 가속기의 정렬이 완전하지 않음으로 발생하는 오차들을 보정하기 위한 자기 ㅂ정 요소(Magnetic correction Element)가 필요하게 된다. 이러한 자기 보정 요소 또는 가속기의 유연성을 증가시키기 위해서도 이용되며, 가속 장치의 운전 및 실험 조건을 최적화 하는데 중요한 수단인 중요 자석들의 광학적인 해석에 대한 부담을 경감해 줄 수 있게 된다.

자기 보정 요소로는 일반적으로, 4극 전자석의 배열 오차, 2극 전자석의 수평면 오차 및 자장 적분의 편차를 보정하기 위해 2극 보정 자석과 다른 전자석이 있으며, 특히, 가속 장치의 동조(tune)을 변화시킬 경우, 4극 전자석의 랜덤 오차(4극 성분)를 보정하기 위해 4극 보정자석이 제공될 수 있으며, 가속되는 전자비임의 각 전자의 운동량 차이로 인한 불안정성에 의해 발생하는 색수차(chromaticity)의 자연치-230(△V/△P/P)를 거의 영으로 바꾸며, 계속 흐르는 전류의 영향을 보정하기 위해 6극 전자석이 제공될 수 있다. 또한, 수평-수직 커플링을 조절하기 위해 스큐(skew) 4극 전자석이 이용될 수 있다.

이러한 보정 요소로 이용된 종래의 전자석 특히, 6극 전자석들은 자석의 크기가 줆어듦에 따라 제한된 자극폭을 갖기 때문에 균일한 유효 자장범위가 협소하며, 특히, 예각을 갖는 자극의 양모서리 부분에서 작은 여자전류에 의해서도 자속이 집중되고, 포화되어 균일한 자장 범위는 극히 제한될 수 밖에 없었다. 또한, 에너지 손실 및 그에 따른 온도 상승등에 의해 균일한 자장의 분포 특성 및 자석 품질 변화등으로 인해 보정 자계가 정밀하게 제어될 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 제한된 자극폭에 대해 충분하고 균일한 유효 자장 분포를 제공할 수 있으며, 에너지의 효율이 매우 양호한 6극 전자석을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전자비임을 가속하여 원운동시킴으로써 방사광을 얻기위한 방사광 가속기의 저장링에 이용하기 위한 보정용 6극 전자석은, 본체부와, 본체부의 내측으로부터 동일중심을 향해 동출되는 6개의 돌출부를 포함하며, 각 돌출부의 말단부가 그의 중심에 소정의 반경을 갖는 중앙 원호부와, 말단부의 양측면에 상기 중앙 원호부보다 더 작은 반경을 가진 제1및 제2원호부를 포함하는 코어와;각 돌출부의 기단부로부터 상기 말단부를 향해 소정의 길이로 권취된 코일을 포함한다.

6극 전자석은 또한, 본체부가 적절한 결합 수단에 의해 6각 형상으로 결합되고, 2개의 돌출부를 가진 3개의 철심을 포함하며, 각 돌출부는 그의 일측이 상기 중심을 통과하며 각 돌출부의 중앙을 통과하는 중심선에 대해 수평한 제1평탄부와, 중심선 방향으로 소정각도로 경사진 제1테이퍼부를 가지며, 타측면이 상기 평탄부와는 평행하며, 평탄부보다 작은 길이를 가진 제2평탄부와, 제1테이퍼부보다 더 큰 길이를 가진 제2테이퍼부를 가지며, 각 돌출부가 서로 이웃하는 측면이 동일한 형상을 가진다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 6극 전자석의 사시도로서, 6극 전자석(100)은 6각 형상의 코어(10)와, 상기 코어(10)에 권취되는 제1및 제2코일(30) 및 (40)을 포함한다. 코어(10)는 코어(10) 내측의 동일 중점을 향해 돌출되는 6개의 돌출부(20)를 가지며, 제1및 제2코일(30, 40)은 돌출부(20)의 기단로부터 각기 소정의 길이로 권취된다. 이러한 6극 전자석은 제2코일에 여자 전류가 공급되는 겨우, 6극 자장성분은, 4극 자장과는 동일한 자장의 중심을 가지며, 자장의 세기가 중심으로부터 거리의 제곱에 비례하게 된다. 6극 전자석(100)은 또한, 지지대(50)에 의해 방사광 가속기에 고정될 수 있다.

제2도는 제1도의 6극 전자석의 평면도로서, 코어(10)는 각기 2개의 돌출부를 가진, 제1, 제2및 제3철심(11), (12)및 (13)을 포함하며, 이들은 각기 적절한 결합 수단, 예를 들면, 볼트, 너트등에 의해 결합된다. 제1, 제2및 제3철심(11), (12) 및 (13)의 결합에 의해 코어(10)는 일측이 개방된 6각 형상을 이룬다. 코어(10)내측의 동일중점을 향해 돌출되는 6개의 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)에는 먼저, 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)의 기단부로부터 소정의 길이로 권취되는 제1코일(31), (32), (33), (34), (35) 및 (36)이 권취되며, 제1코일(31), (32), (33), (34), (35) 및 (36)의 외측에 제1코일보다 더 작은 길이로 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)의 기단부로부터 제2코일(41), (42), (43), (44), (45)및 (46)이 권취된다. 각 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)과, 각기 돌출부(21…26)상에 권취된 제1및 제2코일(31…36, 41…46)은 6개의 자극을 형성하며, 각 자극은 코어(10)내측의 동일 중점을 향해 10시 방향, 12시 방향, 2시 방향, 4시 방향, 6시 방향 및 8시 방향으로 배열된다.

제3도는 본발명에 따른 6극 전자석의 코일(10)을 이루는 제2철심(12)의 정면도로서, 제2철심(12)은 제1및 제3철심(11) 및 (13)과 동일한 형상을 가지며, 본체부 (61)와 돌출부(23) 및 (24)를 포함한다. 본체부(61)는 3개의 철심이 결합했을 때, 제2도에 도시된 바와 같은 그이 외측이 6각 형상을 이루도록 소정의 각을 갖는다. 돌출부(23) 및 (24)는 코어(10)의 동일 중심을 향해 배향될 수 있도록, 본체부(61) 내측으로 돌출되며, 돌출부(23)의 일측면은 코어의 동일 중점을 지니며 돌출부(23)를 통과하는 중심선(C₁)에 대해 평행한 제1평탄부(62)와 중심선(C₁)을 향해 소정의 각으로 경사진 제1테이퍼부(63)을 포함한다. 돌출부(23)의 타측면은 중심선(C₁)에 대해 평행하지만 제1평탄부(62)보다는 작은 길이를 가진 제2평탄부(64)와, 제1테이퍼부(63)보다 더 큰 길이를 가진 제2테이퍼부(65)를 가진다. 돌출부(24)는 돌출부(23)와 동일한 형상을 가지며, 각 돌출부(23), (24)의 이웃하는 측면은 동일한 형상을 갖도록 배열된다. 돌출부에 대한 이러한 배열은 나머지 돌출부(21), (22), (25) 및 (26)에 동일하게 적용된다.

돌출부의 측면이 이러한 형상을 갖는 것은 돌출부에 권취되는 제1및 제2코일에서 발생하는 자속을 코어내로 수렴하여 누설 자속을 최소화하기 위한 것으로 전술한 길이 및 경사 각은 실험치에 의해 바람직하게 결정될 수 있을 것이다.

제4도는 제3도의 B부분의 확대도로서, 돌출부(23)는 일측면에 제1평탄부(62)및 제1테이퍼부(63)가 제공되며, 타측면에는 제2평탄부(64)및 제2테이퍼부(65)가 제공된다. 또한, 돌출부(23)의 말단에는 중심선(C₁)상에 그의 중심을 갖는 소정의 반경을 가진 중앙 원호부(72)와, 중앙 원호부(72)와 양측면이 만나는 점에서 중안 원호부(72)의 소정의 반경보다 작은 동일 반경을 가진 제1및 제2원호부(71) 및 (73)가 제공된다. 중앙 원호부(72)와, 각 제1및 제2원호부(71) 및 (73)가 만나는 부위는 원호부의 돌출방향과는 반대로 라운드져 있다.

중앙 원호부(72)의 형상 및 크기는 본 기술분야에 잘 알려진 바와같이 각 자극에서 발생하는 자장이 균일하게 전술한 중심으로부터 거리의 제곱에 비례하도록, 로버트 제이.라리에 의한(1985년 9월 10일) Harmonic Analysis Error in Caculating Dipole, Quadrupole and Sextupole Magnets Using Poisson란 논문에 개시된 방법으로 결정될 수 있다.

일반적으로 각을 가진 자극에서는 그러한 각을 가진점에서 자속의 집중이 되고 각을 가진 부분의 자성체가 포화되어 자속의 분포가 여자 전류의 세기에 따라 크게 변하게 된다.

또한, 이러한 자속집중에 의해 고정된 여자 전류에 따른 자장의 유효범위가 상당히 좁아지게 된다. 제4도에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3원호부(71) 및 (73)은 전술한 바와같이, 중앙 원호부(72)와 양측면이 이루는 예각 부분의 자속집중을 막고, 제한된 범위의 자극폭에 대해 균일 자장의 유효범위를 넓히기 위한 것으로 소정의 반경, 예를 들면, 5㎜을 가질 수 있으며, 자속이 큰 경우, 예를 들면, 여자 전류가 큰 경우, 많은 수의 코일에 감긴 경우, 이 반경을 바람직하게는 보다 커질 수 있다.

다시, 제3도를 참조하면, 제2철심(12)은 전술하는 형상으 다수의 철편을 적층할 수 있다. 이러한 철편은 절연 필름으로 피복된 무방향성 실리콘 강판으로, 코일에서 발생한 자력선을 모아 원하는 자장 분포를 이루도록 높은 투자율과 히스테리시스 손실을 최소화할 수 있도록, 바람직하게는 0.25% 이하의 규소, 0.42% 이하의 망간, 0.008% 이하의 황, 0008% 이하의 탄소, 0.030% 이하의 인 및 0.005% 이하의 질소를 포함할 수 있다.

제5도는 전술한 함량을 가진 철편을 적층하여 형성한 코어(10) 및 제1및 제2코일(30), (40)을 포함하는 전자석이 갖는 히스테리시스 곡선을 나타낸 것으로, 도면에서 알 수 있는 바와같이 높은 자속포화도를 가지며, 높은 응답도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 에너지의 손실을 유발하는 철손(히스테리시스 손실)을 크게 감소시킬 수 있게 된다.

제2도를 다시 참조하면, 전술한 바와같이, 코어(10)는 제1, 제2및 제3 철심(11), (12), (13)을 적절한 결합 수단에 의해 결합하여 형성할 수 있으며, 코어(10)의 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)에는 제1코어 및 제2코어(31,41), (32,42), (33,43), (34,44),(35,45) 및 (36,46)이 권취되어 6개의 자극을 이룬다. 제6도는 제2도의 A부분의 확대 단면도로서, 제1및 제2코일(31…36) 및 (41…46)의 권취 형상을 도시한다.

제1코일(30)은 절연물을 포함하여 2.2m 정사각 고형 구리 도전체(78)를 다수회, 예를 들면, 234회 권취시켜 형성한 것으로, 먼저, 소정의 권선수, 예를 들면, 158회를 갖는 제1회로와, 제1회로 다음에 권취되는 78회의 제2회로를 포함한다.

제1회로와 제2회로는 각기 여자 전류가 공급될 수 있다.

돌출부(21), (23), (24) 및 (26)에 권취된 제1코일(31), (33), (34), (36)의 제1회로에는 약 12.6(A)의 여자 전류를 제공하여, 0.0667(T)의 자장을 발생시켜 전자비임의 수직 보정을 위해 이용할 수 있다. 돌출부(22), (25)에 권취된 제1코일(32),(35)의 제1회로 및 돌출부(21), (23), (24), (26)에 조립되는 제1코일(31), (33), (34), (36)의 제2회로에 약 15.2(A)의 여자 전류를 제공하여 0.0667(Ⅰ)의 자장을 발생시켜 전자 비임의 수평 보정을 수행할 수 있다. 또한 돌출부(22),(25)에 조립되는 코일(32),(35)의 제2회로에는 약 16.7(A)의 전류를 제공하여 1(T/m2)의 자장을 발생시켜 스큐(skew) 4극 전자석의 역할을 수행할 수 있다.

제1코일에는 필요한 각각의 자장을 만들기 위하여 소비되는 전류에 의해 온도의 상승이 발생하며, 이것으로 인해 코일의 전기 및 기계적인 성질이 변하여 자속의 균일도를 저하시키는 것을 방지하기 위해, 한변이 소정 길이, 예를 들면, 6.5(mm)를 가진 정방형 단면을 가지며, 단면 중심에 소정 직경, 예를 들면 3.5(mm)의 냉각수 유로(77)를 가진 구리도체(76)가 제공된다.

제1코일을 조립하는 경우, 0.001(Torr)를 유지하는 진공 탱크에서 에폭시(79)를 주입하여 경화시킨다. 이 때문에 양호한 절연과, 코일의 기하학적 원형이 보존될 수 있다.

제2코일(45)은 제1코일(35)의 외측에 권취되는데, 각기 한변이 소정 길이, 예를들면, 6.5mm인 정방형 단면을 가지며, 단면 중심에 소정 직경, 예를 들면, 3.5mm의 냉각수 유로(74)를 가진 구리 도체(73)를 다수회, 예를 들면, 두겹, 13회를 감아서 형성시킨다. 이 경우, 사용하는 구리 도체(71)에는 다글라스(DAGLAS) 절연처리를 한다., 또한, 제2코일(35)의 성형시에 진공도0.001(TORR)를 유지하는 진공 탱크에서 에폭시(75)를 주입하여 성형시켰으며, 전술한 바와같이, 양호한 절연과, 기하학적 보존의 효과를 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 형성한 제2코일(41), (42), (43), (44), (45)및 (46)은 정상동작시 약 198(A)의 전류를 흐르게하여 최고 320(T/m2)의 제2미분형 자계를 발생시킬 수 있다.

또한, 온도 상승으로 인하여 코일의 전기 및 기계적 성질이 변화되고 자속의 균일도가 저하되지 않도록 하기 위해 냉각 유로를 통해 60(PSi)의 압력으로 냉각수를 제공할 수 있으며, 이 경우, 약 7.5(℃)의 온도 상승을 갖게된다.

따라서, 본 발명의 6극 전자석은, 먼저, 제한된 자극폭에 대해 충분히 균일한 자장 유효 범위를 제공하고, 코어에서 발생하는 자속의 누설 및 에너지 손실을 극소화할 수 있어 보정 전자석으로 안정되고 유연성을 갖는 자장을 제공할 수 있으며, 다음 안정된 수평, 수직 보정, 스큐(skew) 4극 성분 및 6극 보정 성분을 동시에 갖기때문에 방사광 가속기 제작에 폭넓은 유연성을 제공할 수 있는 등의 커다란 효과가 있다.

본 발명의 비록 일실시예로서 설명되고 도시되었으나, 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이도 다양한 변경 및 부가가 있을 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 다수의 철편으로 형성되는 코어(10)가 본체부(10)와, 상기 본체부(10)의 내측으로부터 동일중심을 향해 돌출되는 6개의 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)를 구비하는 방사광 가속기의 6극 전자석으로서, 상기 코어(10)는 각 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)의 말단부가 그의 중심에 소정의 반경을 갖는 중앙 원호부(72)와, 상기 말단부의 양측면에 상기 중앙 원호부(72)보다 더 작은 반경을 가진 제1및 제2원호부(71) 및 (73)를 갖도록 형성되며;상기 각 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)는 기단부로부터 상기 말단부를 향해 소정의 길이의 코일(31,41,32,42,33,43,34,44,35,45,36,46)이 권취된 방사광 가속기용 6극 전자석.
2. 제1항에 있어서, 상기 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)는, 일측면이 상기 중심을 통과하며, 상기 각 돌출부(21), (22), (23), (24), (25) 및 (26)의 중앙을 통과하는 중심선(C₁)에 대해 수평한 제1평탄부(62)와, 상기 중심선 방향으로 소정 각도로 경사진 제1테이퍼부(63)를 가지며;타측면이 상기 제1평탄부(62)와는 평행하며, 상기 제1평탄부(62)보다 작은 길이를 가진 제2평탄부(64)와, 상기 제1테이퍼부(63)보다 더 큰 길이를 가진 제2테이퍼(65)부를 구비하는 방사광 가속기용 6극 전자석.
3. 제2항에 있어서, 상기 코일(31,41,32,42,33,43,34,44,35,45,36,46)은, 상기 돌출부(21,22,23,24,25,26)의 기단부로부터 말단부로 소정의 길이로 권취되는 제1코일(31,32,33,34,35,36)과, 상기 제1코일(31,32,33,34,35,36)과는 주첩되고 상기 소정의 길이보다 작은 길이로 권취되는 제2코일(41,42,43,44,45,46)을 포함하는 방사광 가속기용 6극 전자석.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1코일(31,32,33,34,35,36)이 서로 다른 권선수를 가진 적어도 2개의 권선부를 가진 방사광 가속기용 6극 전자석.
5. 제2항, 제3항 또는 제4항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 철편은 0.25%, 이하의 규소, 0.42% 이하의 망간, 0.008% 이하의 황, 0.008% 이하의 탄소, 0.030% 이하의 인 및 0.005% 이하의 질소를 함유하는 방사광 가속기용 6극 전자석.