KR20130008366A - 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터 - Google Patents

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Abstract

영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터를 개시한다. 상기 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터는 박스형 프레임과 버스 형태의 강자성체 등전위 버스, 상기 박스형 프레임 중심 축에 Y-자형으로 형성된 강자성체 자극들, 상기 강자성체 자극들 사이에 각각 위치하며, 리본 모양으로 형성되어 상기 박스형 프레임 중심 축에 일렬로 나열되는 영구자석들 및 상기 등전위 버스 양쪽 면에 설치되는 직선형의 전자석 코일을 포함한다.

Description

영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터{Permanent Magnet Assisted Electromagnetic Helical Undulator}
본 발명은 언듈레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나선형 언듈레이터에서 전자석형의 장점인 자기장세기 조절의 용이성을 유지하면서 자기장의 세기를 영구자석형과 비교하여 비슷하거나 더 높일 수 있는 영구자석을 이용한 새로운 전자석 나선형 언듈레이터에 관한 것이다.
영구자석은 단위 부피당 자기장 에너지밀도가 높아서 작은 공간에서 강력한 자기장을 발생시킬 수 있다. 높은 자기장 세기가 요구되는 언듈레이터에서는 영구자석을 주로 사용한다.
전자석 언듈레이터에서 높은 자기장 세기를 얻기 위해서는 강자성체 구조를 사용해야 하는데, 코일의 부피 때문에 영구자석형과 비교하여 상대적으로 자기장 회로의 길이가 길어지게 된다.
그래서 전류를 증가시키더라도 높은 자속밀도(magnetic induction)에 의한 자극에서의 자기포화와 긴 길이로 인해서 언듈레이터 갭(gap) 공간에 효과적으로 높은 자기장을 공급할 수 없다.
영구자석 언듈레이터는 자기장세기를 조절하기 위해서 언듈레이터 갭 공간의 크기를 변화시키는 방법을 사용한다. 전자석 언듈레이터는 간단히 전류값을 조절하여 자기장 세기를 변화시킬 수 있다.
평면형(planar) 언듈레이터는 갭 공간의 기계적인 변화가 가능하지만 나선형(helical) 언듈레이터에서는 매우 어렵다. 언듈레이터 갭을 1차원으로 조절하는 평면형에서도 정밀한 자기장 변화를 위해서는 매우 크고 복잡한 기계적인 구조물이 필요하다. 언듈레이터 갭을 2차원으로 조절해야하는 나선형에서는 더 복잡하고 큰 구조물이 필요하지만, 현실적인 공간의 제약으로 실제 실현은 거의 불가능하다.
그래서 영구자석 언듈레이터는 평면형 구조에서 주로 사용되고, 나선형 구조에서는 전자석 언듈레이터가 주로 사용되고 있다.
가장 일반적인 전자석 나선형 언듈레이터는 전류가 반대방향으로 흐르는 두 가닥의 전선을 나선형으로 비자성체 원통에 감는 바이필라(bifilar) 구조이다. 강자성체를 사용하지 않는 구조이므로 자기장 효율이 아주 낮다.
영구자석형에 필적하는 자기장 세기를 실현하기 위해서는 원통의 직경을 아주 작게 하고 인가하는 전류를 아주 높여야 한다. 이 경우는 전선의 단면적이 아주 작아지게 되므로, 액체 헬륨을 사용하는 저온 초전도체를 사용해야 높은 전류를 공급할 수 있다.
일반적으로 액체 헬륨 환경을 실현하고 유지하는 것은 매우 어렵고 복잡한 문제를 야기한다. 액체 질소 환경이 가능하면 상당히 많은 문제가 완화되지만, 액체질소를 사용하는 고온 초전도체는 구부리는 반경의 제한으로 작은 직경의 바이필라(bifilar) 나선형 언듈레이터에서는 사용이 불가능하다.
최근, 테라헤르츠영역의 자유전자레이저를 소형화하기 위한 노력이 큰 의미가 되면서 소형이면서 강력한 자기장을 발생시키는 나선형 언듈레이터의 개발이 요구되고 있다.
이 장치는 실시간으로 언듈레이터의 자기장 세기를 조절하여 발생 레이저빔의 파장을 조절해야함으로 기존의 한계를 극복하는 새로운 구조가 요구된다. 본 특허에서 제안하는 영구자석과 전자석을 결합한 나선형 언듈레이터는 위에서 살펴본 두 가지 구조의 장점을 결합하여 높은 자기장 세기와 자기장 세기 제어를 실현할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 언듈레이터의 크기를 대폭 줄이면서도 높은 자기장의 세기와 자기장 미세 조정이 가능한, 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터는 순철과 같은 금속성 물질로 형성된 박스형 프레임인 강자성체 등전위 버스, 상기 박스형 프레임 중심 축에 Y-자형으로 형성된 강자성체 자극들, 상기 강자성체 자극들 사이에 각각 위치하며, 리본 모양으로 형성되어 상기 박스형 프레임 중심 축에 일렬로 나열되는 영구자석들 및 상기 Y-자형 강자성체 자극의 윗부분에 주기적인 구조의 자기장을 공급하는 직선의 전자석 코일을 포함한다.
상기 강자성체 자극들 각각은 순차적으로 180°위상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 영구자석들 각각은 순차적으로 180°위상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 강자성체 자극들 각각은 순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 영구자석들 각각은 희토류계 영구자석인 것을 특징으로 한다.
상기 영구자석들 각각은 Nd-Fe-B 또는 사마륨 코발트 계열의 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 영구자석들 각각은 자화방향이 전자빔 진행방향 또는 그 반대방향으로 주기적으로 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자석 코일은 상전도 전선 또는 고온초전도체 전선인 것을 특징으로 한다.
상기 전자석 코일은 상기 강자성체 전극에 연결된 등전위 버스 양 옆 부분에 직선형으로 왕복 회로가 구성되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 강자성체 등전위 버스는 순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 강자성체 등전위 버스는 자기포화가 발생하지 않는 강자성체 자기회로의 역할을 수행하며, 상기 강자성체 자극 모서리 부분을 둘러싸는 프레임 형태로 기계적으로 언듈레이터 외곽 틀로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 기존 장치에 비해서 더 강력하면서도 자기장 세기의 미세 조정이 가능한 자기장을 발생시킬 수 있어서 발생시키는 방사광의 출력을 높이거나 자유전자레이저의 발진이득을 증가 시키는 효과가 있다.
직선 구조의 코일로도 주기적인 자기장을 발생시킬 수 있으므로, 고온 초전도체 코일 사용이 가능하여 전체적으로 장치의 크기를 대폭 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
최근 큰 관심을 모으고 있는 테라헤르츠 대역 자유전자레이저의 소형화에도 적용될 수 있는 기술이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터의 입체도를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 전자석 나선형 언듈레이터의 길이 방향으로 회전(90°)에 따른 각 단면도를 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 강자성체 자극과 영구자석의 구성을 보다 구체적으로 나타낸 입체도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것이며, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수도 있다. 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
먼저, 본 발명을 설명하기 앞서 언듈레이터에 관한 기본적인 내용을 설명하고자 한다.
언듈레이터(undulator)는 주기적인 자기장 또는 전기장 구조물로서 자유전자레이저나 방사광가속기에서 상대론적 속도의 전자빔으로부터 빛을 발생시키는 장치이다. 언듈레이터는 크게 영구자석을 사용하는 구조와 전자석을 사용하는 구조로 나뉜다. 영구자석을 사용하는 언듈레이터는 강력한 자기장 세기를 얻을 수 있다. 전자석을 사용하는 언듈레이터는 자기장 세기가 균일하고 전류값을 조절하여 자기장세기를 쉽게 변화시킬 수 있는 장치이다. 선편광(linearly polarized) 빛을 발생시키는 평면형 언듈레이터(planar undulator)에서는 영구자석형이 주로 사용된다.
자유전자레이저나 방사광가속기에서 원편광(circularly polarized)의 빛을 발생시키기 위해서는 나선형 언듈레이터(helical undulator)를 사용한다. 영구자석 평면형 언듈레이터는 아래, 위 두 자극의 갭 간격을 조절하여 자기장 세기를 변화시킨다.
나선형 언듈레이터에서는 갭의 변화가 기계적으로 용이치 않다. 그래서, 나선형 구조에서는 영구자석형이 자기장 세기의 변화가 어려워서 잘 사용되지 않는다. 가장 기본적인 나선형 언듈레이터는 전류방향이 서로 반대인 두 가닥의 전선을 비자성 금속에 나선형으로 감은 바이필러(bifilar) 구조의 전자석 언듈레이터이다. 전자석 언듈레이터는 자기장 세기는 낮으나 전류값을 변화시켜서 간단하게 자기장 세기를 조절할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 영구자석형의 장점인 높은 자기장 세기와 전자석형의 장점인 자기장세기 조절의 용이성을 모두 갖춘 새로운 개념의 나선형 언듈레이터 구조에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터의 입체도를 나타내며, 도 2는 도 1에 도시된 강자성체 자극과 영구자석의 구성을 보다 구체적으로 나타낸 입체도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터(100)는 등전위 버스(40, 45), 강자성체 자극(10)들, 영구자석(20)들 및 전자석 코일(30)을 포함한다.
상기 등전위 버스는 강자성체 물질로 이루어진, 박스형태의 프레임(40)과 강자성체자극에 연결되는 버스(45)를 가진 구조이다.
상기 강자성체 자극들 각각은(10) 상기 등전위 버스(45)에 고정되어서 구조의 중심 축에 Y-자형으로 형성되어 배열된다.
상기 영구자석들 각각은(20) 상기 강자성체 자극(10)들 사이에 각각 위치하며, 상기 강자성체 자극에서 전자석에 의해서 형성되는 자기장과 반대방향의 자기장을 강자성체 자극에 공급하도록 배치된다.
상기 전자석 코일(30)은 상기 등전위 버스(45) 외부 표면 둘레에 구비되며, 상기 Y-자형 강자성체 자극(10)에 주기적인 자기장을 형성하도록 전류의 방향이 결정된다.
보다 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 아래와 위, 또는 좌, 우에 있는 서로 마주보는 상기 강자성체 자극들 각각은(10) 중심 축 단면의 수평 및 수직축에 대해서 선대칭이 되게끔 배열된다. 서로 마주보는 한 쌍의 상기 강자성체 자극(10)들은 이들이 연결된 상기 등전위 버스(45) 양쪽 옆을 지나는 상기 전자석 코일(30)의 전류 방향도 선대칭적이다. 그래서 서로 마주보는 자극에 의해서 언듈레이터 중심축에서는 자극면의 수직방향으로 자기장이 형성된다. 전체적으로 주기적인 자기장을 형성시키므로, 자기장 주기의 길이를 L이라고 하면, 언듈레이터 길이 방향으로 L/4 씩 진행하면서 같은 구조의 자극 쌍이 90°회전하면서 배치된다.
그러므로 자기장도 언듈레이터 길이 방향으로 진행하면서 자극에 의해서 L/4 길이마다 90°회전하는 자기장이 형성되어서 전체적으로 나선형 자기장이 만들어진다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 전자석 나선형 언듈레이터의 길이 방향으로 회전(90°)에 따른 각 단면도를 나타낸 예시도이다.
예를 들어, 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 자극과 코일에 의해서 언듈레이터 단면 3a에서는 중심축의 아래쪽으로 자기장이 형성되며, 길이 방향으로 L/4 만큼 진행한 단면 3b에서는 오른쪽에서 왼쪽으로 진행하는 자기장이 형성된다.
3b단면에서 L/4만큼 더 진행한 3c단면에서는, 초기 3a 단면에 비해서 수직축에 대해서 대칭된 구조를 가지며 위쪽 방향의 자기장을 형성한다.
단면 3c에서 L/4만큼 더 진행한 단면 3d는 단면 3b와 수평축 대칭 구조이며, 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하는 자기장으로 형성한다. 단면 3d에서 L/4만큼 더 진행하면 다시 3a와 같은 구조의 단면이 된다.
3a와 3c 단면의 자극 사이에는 두 자극의 면을 모두 덮는 모양의 영구자석이 배치된다. 영구자석도 자극과 동일한 방법으로 단면을 길이 방향으로 L/4 만큼 진행하면서 90도씩 회전하여 배치된다. 영구자석의 역할은 자극에 형성되는 전자석에 의한 자기장 방향과 반대 방향의 자기장을 형성시켜서 자극에서의 자기 포화를 방지하는 것이다. 이 경우 전자석의 자기장이 언듈레이터 중심축에 효과적으로 전달될 수 있다.
여기서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 부재번호인 A는 전류가 지면 안쪽으로 흐르는 전자석 코일(30)을 나타내며, 부재번호인 B는 전류가 지면 바깥쪽으로 흐르는 전자석 코일(30)을 나타내며, 부재번호인 C는 위 단면의 자극 뒤쪽에 설치된, 자화 방향이 지면 바깥쪽인 영구자석(20)을 나타내며, 부재번호인 D는 위 단면의 자극 뒤쪽에 설치된, 자화 방향이 지면 안쪽인 영구자석(20)을 나타낸다.
설명을 위해서 시계방향으로 돌아가는 구조의 예를 들었으며, 반시계 방향의 구조도 동일한 원리로 가능하다.
상기 강자성체 자극들 각각은(10) 순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성될 수 있다.
상기 영구자석들 각각은(20) 희토류계 영구자석일 수 있으며, Nd-Fe-B 또는 사마륨 코발트 계열의 물질로 구성될 수 있다.
상기 전자석 코일(30)은 상전도 전선 또는 고온 및 저온 초전도체 전선으로 구성되어 구비된다.
상기 강자성체 등전위 버스(40, 45)는 순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성될 수 있다.
상기 강자성체 등전위 버스(40, 45)는 상기 강자성체 자극 모서리 부분을 둘러싸는 박스형태의 프레임(40)과 강자성체 자극에 연결되는 버스(45) 형태를 가진 구조이다.
따라서, 본 발명은 영구자석형의 장점인 높은 자기장 세기와 전자석형의 장점인 자기장세기 조절의 용이성을 모두 갖추어 새로운 개념의 나선형 언듈레이터를 제시할 수 있다.
따라서, 기존 장치에 비해서 더 강력하면서도 미세 조정이 가능한 자기장을 발생시킬 수 있어서 발생시키는 방사광의 출력을 높이거나 자유전자레이저의 발진이득을 증가시키는 효과가 있으며, 고온 초전도체 코일 사용이 가능하여 전체적으로 장치의 크기를 대폭 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 최근 큰 관심을 모으고 있는 테라헤르츠 대역 자유전자레이저의 소형화에도 적용될 수 있는 기술이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 고안의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 강자성체 자극 20 : 영구자석
30 : 전자석 코일 40, 45 : 강자성체 등전위 버스
100 : 전자석 나선형 언듈레이터

Claims (18)

  1. 박스형 프레임과 버스 형태의 강자성체 등전위 버스;
    상기 박스형 프레임 중심 축에 Y-자형으로 형성된 강자성체 자극들;
    상기 강자성체 자극들 사이에 각각 위치하며, 리본 모양으로 형성되어 상기 박스형 프레임 중심 축에 일렬로 나열되는 영구자석들; 및
    상기 등전위 버스 양쪽 면에 설치되는 직선형의 전자석 코일을 포함하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강자성체 자극들 각각은,
    순차적으로 180°위상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석들 각각은,
    순차적으로 180°위상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강자성체 자극들 각각은,
    순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석들 각각은,
    희토류계 영구자석인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석들 각각은,
    Nd-Fe-B 또는 사마륨 코발트 계열의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석들 각각은,
    자화방향이 전자빔 진행방향 또는 그 반대방향으로 주기적으로 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자석 코일은,
    상전도 전선 또는 고온 및 저온 초전도체 전선인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자석 코일은,
    상기 강자성체 등전위 버스 양쪽 면에 직선형의 왕복 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 강자성체 등전위 버스는,
    순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 강자성체 등전위 버스는,
    상기 강자성체 자극 모서리 부분을 둘러싸는 프레임 형태이며, 기계적으로 언듈레이터 외곽 틀로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  12. 박스형 프레임과 버스 형태의 강자성체 등전위 버스;
    상기 강자성체 등전위 버스 중심 축을 따라 Y-자형으로 형성된 강자성체 자극들;
    상기 강자성체 자극들 사이에 각각 위치하며, 리본 모양으로 형성되어 상기 박스형 프레임 중심 축 방향으로 일렬로 나열되는 영구자석들; 및
    상기 Y-자형 자극들이 연결되는 강자성체 등전위 버스 양쪽 표면에 접촉되도록 형성되는 전자석 코일을 포함하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터를 포함하며,
    상기 강자성체 자극들 및 상기 영구자석들 각각은 격자 패턴으로 형성되어, 순차적으로 90°위상 반전되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  13. 박스형 프레임과 버스 형태의 강자성체 등전위 버스;
    상기 박스형 프레임 중심 축에 Y-자형으로 형성되며, 순차적으로 90°위상 반전이 되도록 형성되는 강자성체 자극들;
    상기 강자성체 자극들 사이에 각각 위치하며, 리본 모양으로 형성되며, 순차적으로 90°위상 반전이 되도록 상기 박스형 프레임 중심 축에 일렬로 나열되는 영구자석들; 및
    상기 Y-자형 자극들이 연결되는 강자성체 등전위 버스 양쪽 표면에 접촉되어, 직선형으로 왕복 회로 구성되도록 형성되는 전자석 코일을 포함하며,
    상기 영구자석들 각각은 자화방향이 전자빔 진행방향 또는 그 반대방향으로 주기적으로 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  14. 제12항 또는 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 강자성체 자극들 각각은,
    순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  15. 제12항 또는 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 영구자석들 각각은,
    희토류계 영구자석인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  16. 제12항 또는 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 영구자석들 각각은,
    Nd-Fe-B 또는 사마륨 코발트 계열의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  17. 제11항 또는 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전자석 코일은,
    상전도 전선 또는 고온 및 저온 초전도체 전선인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
  18. 제12항 또는 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 강자성체 등전위 버스는,
    순철(pure steel 또는 low-carbon steel) 또는 바나듐 퍼멘듀어(vanadium permenduer) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 전자석 나선형 언듈레이터.
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