KR20170110190A

KR20170110190A - 입자 가속기의 빔 전하량 극대화 장치 및 이를 이용한 입자 가속기의 빔 전하량 극대화 방법

Info

Publication number: KR20170110190A
Application number: KR1020160033798A
Authority: KR
Inventors: 김유종; 차성수; 부아파드 피카드
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: KR101819972B1

Abstract

본 발명은, 입자 가속기를 제어하는 가속기 최적화 장치에 있어서, 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 제어하는 EPICS 프로그램 기반의 제어부; 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출하는 ICT부; 및 제어부에서 설정된 하드웨어의 설정 변수별로 ICT부에서 획득된 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출하는 MATLAB 프로그램 기반의 분석부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 제어 시스템 개발 툴인 EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)기반의 제어부가 가속기 하드웨어의 설정 변수를 조정하고, 데이터 연산 및 분석 프로그램인 MATLAB(matrix loboratory)을 이용하여 분석부가 최적의 빔 상태에 적합한 설정 변수를 도출함으로써 가속기 최적화 과정을 자동으로 구현할 수 있는 이점이 있다.

Description

입자 가속기의 최적화 장치 및 최적화 방법{OPTIMIZING DEVICE AND OPTIMIZING METHOD OF THE PARTICLE ACCELERATOR}

본 발명은 입자 가속기를 제어하여 최적화하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 입자 가속기의 빔 상태와 하드웨어의 설정 변수를 분석하여 최적화 과정을 수행하는 입자 가속기의 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.

입자 가속기는 전자기의 원리를 이용하여 하전 입자를 인공적으로 가속하는 장치이다. 입자 가속기는 가속된 입자를 서로 충돌시킴으로써 원자핵이나 소립자에 관한 물질의 심층 구조를 탐구하거나, 가속된 입자를 타겟 물질에 충돌시킴으로써 방사선을 발생시키는 등 그 응용분야가 다양하다.

일반적으로 입자 가속기에는 가속관 내의 전자빔을 집속 및 보정하기 위하여 전자석 또는 솔레노이드 코일이 구비된다. 입자 가속기의 가속관 내에 하전 입자들은 확산형으로 가속되어 서로 충돌하거나, 구불구불한 파선 형상의 진공 통로 상에 충돌되기 때문에 중앙으로 집속시키는 것이 효율적이다. 전자석이나 솔레노이드 코일은 가속관 내로 전자기장을 생성하여 하전 입자를 집속시키게 된다. 이에따라, 입자 가속기는 최대의 전자가 방출될 수 있도록 솔레노이드 코일 또는 전자석과 같은 가속기 하드웨어를 최적화하는 작업이 요구된다.

종래의 경우, 가속기 최적화는 가속기 제작 및 구동을 담당하는 엔지니어의 경험에 근거하여 수동으로 수행되었다. 엔지니어에 대한 의존성이 크고 가속기 설정 변수간의 연관성을 파악하기 힘들어 가속기의 구동 장소가 변경되거나, 모듈 대체에 따른 작업 수행에 어려움이 발생하였다.

한국공개특허 제2010-0085909호

본 발명은 가속기의 하드웨어로부터 측정된 설정 변수를 수치 해석 프로그램과 연동하여 최적의 빔 상태 및 전류량을 조절할 수 있는 가속기 최적화 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입자 가속기를 제어하는 가속기 최적화 장치에 있어서, 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 제어하는 EPICS 프로그램 기반의 제어부; 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출하는 ICT부; 및 제어부에서 설정된 하드웨어의 설정 변수별로 ICT부에서 획득된 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출하는 MATLAB 프로그램 기반의 분석부를 포함한 것을 일 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 입자 가속기를 제어하는 가속기 최적화 방법에 있어서, EPICS 프로그램 기반의 제어부에서 상기 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 측정하는 (a)단계; 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출하는 (b)단계; (a)단계에서 측정된 하드웨어의 설정 변수와 (b)단계에서 산출된 전류값을 프로그래밍 언어로 변환하는 (c)단계; 및 MATLAB 프로그램 기반에서 (c)단계에서 변환된 설정 변수와 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출하는 (d)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 제어 시스템 개발 툴인 EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)기반의 제어부가 가속기 하드웨어의 설정 변수를 조정하고, 데이터 연산 및 분석 프로그램인 MATLAB(matrix loboratory)을 이용하여 분석부가 최적의 빔 상태에 적합한 설정 변수를 도출함으로써 가속기 최적화 과정을 자동으로 구현할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라 입자 가속기의 운용 편의성이 증가될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가속기 최적화 장치의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가속기 최적화 방법의 순서도를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자 가속기와 이를 제어하는 가속기 최적화 장치의 구성도를 나타낸다. 입자 가속기는 전자석의 위치를 가변하여 입자 가속기의 구동 중에도 시스템의 얼라인먼트가 가능한 형태로 제공될 수 있다. 도 1을 참조하면, 입자 가속기는 전자석부(10), 베이스 플레이트(40), 구동부(41), 가속관(30), 및 제어부(85)를 포함할 수 있다.

전자석부(10)는 가속관(30)에 전자기장을 생성하여 하전 입자를 집속시킬 수 있다. 전자석부(10)는 가속관(30)이 통과되도록 중공이 형성된 챔버(100), 및 챔버(100)에 마련되어 중공을 통과하는 가속관(30)에 전자기장을 생성하는 전자석(101)을 구비할 수 있다. 본 실시예로, 챔버(100) 내에는 전자석 외에 솔레노이드 코일, 또는 스티어링이 구비될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(100)는 하나 이상으로 제공될 수 있다. 이 경우, 복수의 챔버(100) 내에는 마찬가지로 자기장 생성을 위한 전자석, 솔레노이드 코일, 스티어링이 구비될 수 있으며, 베이스 플레이트(40)에 서로 상대적으로 이동 가능하도록 마련된다.

챔버(100)는 내부에 중공형의 홀이 형성된 원통 형상으로 제공될 수 있다. 챔버(100)는 가속관(30) 내에 전자기장을 형성하여 하전 입자를 집속시키는 전자석(101)을 내부에 구비할 수 있다.

베이스 플레이트(40)는 길이 방향으로 가이드 레일(401)이 형성되며 전자석부(10)를 지지한다. 베이스 플레이트(40)는 가이드 레일(401)을 따라 길이 방향으로 슬롯 홀(401)이 형성될 수 있다. 슬롯 홀(401)은 전자석부(10)를 회동 시킬 수 있는 회동유닛(60)이 연결되는 홀을 의미한다.

구동부(41)는 베이스 플레이트(40)에 마련되어 가이드 레일(401)을 따라 전자석부(10)를 이동시킬 수 있다.

종래의 고정된 전자석부(10)는 전자 빔을 최적화하기 위하여 전자석의 자기장 세기만을 가변하였다. 이에 따라 자기장의 분포 및 형태의 변화가 제한적이게 된다. 후술하게 될 가속기 최적화 장치는 입자 가속기의 전류량을 실시간으로 전달 받아 구동 중 전자석부(10)의 위치를 조절하여 빔의 집속 및 위치 보정을 가능하게 한다.

구동부(41)는 볼 스크루(411) 및 모터(413)를 포함할 수 있다. 볼 스크루(411)는 가이드 레일(401)을 따라 베이스 플레이트(40)에 배치될 수 있다. 모터(413)는 볼 스크루(411)의 단부에 연결되어 볼 스크루(411)를 회동시킬 수 있다.

후술하게 될 제어부(2)는 분석부(7)로부터 최적화된 설정 변수를 전달 받아 구동부(41)를 제어할 수 있다. 구동부(41)의 제어로 전자석부(10)는 가이드 레일(401) 상에서 위치가 가변된다. 전자석부(10)의 위치가 가변되면 가속관(30) 내에 형성되는 전자기장의 위치가 가변된다.

전자석부(10)는 슬라이드 유닛(105) 및 회동 유닛(60)을 더 구비할 수 있다. 슬라이드 유닛(105)은 챔버(10)의 하부에 결합 고정된다. 회동 유닛(60)은 회동축 및 고정핀을 구비할 수 있다. 슬라이드 유닛(105)의 하부에는 슬롯 홀(403)을 통과하는 회동축이 결합 고정될 수 있다. 회동축은 베이스 플레이트(40)의 하부에서 고정핀에 의해 고정될 수 있다.

회동 유닛(60)은 전자석부(10)를 일정 각도로 회동시킬 수 있다. 이에 따라 전자석부(10)는 방위각이 조절될 수 있으며, 방위각 및 위치 변위에 따라 전자빔의 정밀한 제어가 가능하다.

슬라이드 유닛(105)은 볼 스크루(411)를 따라 직선 왕복 운동한다. 본 실시예로 슬라이드 유닛(105)의 내측면은 볼 스크루(411)의 수 나사산과 대응되는 암 나사산이 형성될 수 있다. 슬라이드 유닛(105)은 볼 스크루(411)의 회전으로 피치이동할 수 있다.

본 실시예로 모터(413)는 외부로부터 인가된 주파수로 발생되는 압전소자의 비틀림으로 회전하는 초음파 모터일 수 있다. 초음파 모터는 압전소자의 비틀림에 따른 마찰력으로 회전하기 때문에 자기장의 변화에 영향을 받지도 영향을 미치지도 않는다. 따라서 초음파 모터는 가속되는 전자 빔에 영향을 미치지 않아 가속기의 안정적인 구동이 가능하다.

본 실시예에 따른 입자 가속기는 전자석부(10)가 가속관(30)의 길이 방향으로 이동함으로써 가속관(30) 내에 형성되는 자기장의 위치 변수 및 방위각 변수가 추가되어 가속되는 하전 입자의 집속도를 정밀하게 최적화시킬 수 있다. 자기장의 위치변화에 따른 빔 최적화는 누설 자기장 등에 의한 영향을 최소화 할 수 있으며, 정밀한 빔 제어가 요구되는 의료용 가속기 및 가속기 구동환경의 변화가 큰 차량 이동형 컨테이너 검색기에 효과적으로 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면 전술한 입자 가속기를 제어하는 가속기 최적화 장치는, 제어부(2), ICT부(8), 채널부(5), 및 분석부(7)를 포함할 수 있다.

제어부(2)는 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 제어하는 EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) 프로그램 기반으로 제공될 수 있다. 입자 가속기를 구성하는 하드웨어는 전술한 챔버(10), 가속관(30), 구동부(41), 전자석(101), 솔레노이드 코일, 스티어링 등이 될 수 있다. EPICS 프로그램은 시스템에 작동 중인 대형의 장비를 제어하여 실행시키는 소프트웨어 환경이다. 하드웨어의 설정 변수란, 상기의 하드웨어의 입력 변수를 의미한다.

전자석이나 솔레노이드 코일, 스티어링과 같은 하드웨어는 입력 변수가 가속관(30) 내에 형성하는 전기장을 조절할 수 있다. 구동부(41)와 같은 하드웨어는 입력 변수가 전자석(101)의 위치를 조절할 수 있다. 이는 결국, 전자석(101)의 위치를 조절하여 가속관(30) 내에 형성하는 전기장의 위치를 조절하는 것으로 이해될 수 있다. 이와 같은 입력 변수들은 가속관(30) 내에 하전 입자를 집속시키는데 영향을 미치는 설정 인자가 될 수 있다.

제어부(2)는 EPICS 프로그램 기반으로 수행되며, 입자 가속기의 하드웨어인 전자석(101), 솔레노이드 코일, 스티어링 마그넷, 구동부(41) 등과 연결되어 각 하드웨어의 수행 데이터를 실시간으로 전송받는다. 또한, 제어부(2)는 사용자로부터 설정 변수를 입력 받아 상기 하드웨어를 제어한다. 종래에는 EPICS 프로그램으로부터 하드웨어의 설정 변수의 입력 및 이에 따른 출력만 확인하였다. 이에 따라, 작업자의 경험으로 빔 출력량을 최대로 하는 하드웨어의 설정 변수를 최적화하였다. 따라서, 본 실시예는 제어부(2)와 연계되어 하드웨어의 최적화를 자동으로 수행하는 구성을 설명한다.

ICT부(Integrating Current Transformer)(8)는 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출할 수 있다. ICT부(8)는 가속관(30)으로부터 방출되는 하전 입자를 검출하여 전류량을 측정할 수 있다. 하전 입자의 집속도가 높은 경우, ICT부(8)에서는 높은 전류가 검출된다. 하전 입자의 집속도를 확인하기 위해서 ICT부(8) 및 CCD 카메라(미도시)가 이용될 수 있다.

ICT부(8)에서 산출된 전류값은 제어부(2)로 전송된다. 이에 따라 제어부(2)는 하드웨어의 설정 변수 별로 가속관(30)의 출력 전하량에 관한 데이터를 갖고 있다. 이 경우, EPICS 프로그램은 하드웨어와 연동되기 때문에 하드웨어에 적합한 입력 값의 형태로 데이터를 저장 및 연산한다. 따라서, 해당 데이터는 프로그래밍 언어로 되어있지 않기 때문에 알고리즘에 따른 추가적인 연산 및 분석이 불가능하다. 결국, EPICS 기반의 제어부(2)는 설정 변수와 출력 전하량에 관한 데이터의 연산 및 최적값을 찾아내기 위한 별도의 연산 프로그램과 연동되어야 한다.

채널부(5)는 제어부(2)에서 측정된 하드웨어의 설정 변수와 ICT부(8)에서 산출한 전류값을 프로그래밍 언어로 변환하여 분석부(7)로 전달할 수 있다. 후술하게 될 분석부(7)는 알고리즘의 입력이 가능한 MATLAB(matrix laboratory) 프로그램 기반으로 동작한다. MATLAB 프로그램은 MathWorks 사에서 개발한 수치 해석 및 프로그래밍 환경을 제공하는 공학용 소프트웨어이다. 행렬을 기반으로 한 계산 기능을 지원하며, 함수나 데이터를 그림으로 그리는 기능 및 프로그래밍을 통한 알고리즘 구현이 가능하다. 이에 따라, MATLAB 환경 하에서 제어부(2)의 설정 변수와, 출력된 빔의 전하량을 매칭하여 빔의 전하량이 최대 지점인 설정 변수를 알고리즘으로 검출할 수 있다.

이 경우, 제어부(2)에 저장된 설정 변수와, 전류값은 MATLAB 프로그램에서 변수로 인식되어야 한다. EPICS와 MATLAB은 프로그램 환경이 상이하기 때문에 EPICS의 변수값은 C언어로 변환되어야 한다. 채널부(5)는 MCA(MATLAB Channel Access) 프로그램 기반으로 제공되어 제어부(2)와 분석부(7)의 데이터를 연동시킬 수 있다.

분석부(7)는 MATLAB 프로그램 기반으로 제공될 수 있다. 분석부(7)는 제어부(2)에서 설정된 하드웨어의 설정 변수별로 ICT부(8)에서 획득된 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출할 수 있다. 즉, 분석부(7)는 x축은 하드웨어의 설정 변수, y축은 출력 전류값으로 하여 데이터 분포를 분석한다. 이후, 분석부(7)는 y축의 출력 전류값이 최대가 되는 지점의 x축 값을 최적화된 설정 변수로 도출하여 채널부(5)로 전송한다. 채널부(5)는 분석부(7)로부터 최적화된 설정 변수(C언어)를 Channel Access 네트워크 프로토콜을 이용하여 EPICS 프로그램에 적합한 변수로 변환한다. 제어부(2)는 이에 따라 최적화된 설정 변수로 하드웨어를 다시 구동시킨다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가속기 최적화 방법의 순서도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 가속기 최적화 방법은 하드웨어의 설정 변수를 측정하는 (a)단계(S10), 설정 변수에 따른 가속기의 전류값을 산출하는 (b)단계(S30), 프로그램 연동을 위해 데이터를 변환하는 (c)단계(S50), 최적화된 변수를 도출하는 (d)단계(S70) 및 최적화된 변수로 하드웨어를 제어하는 (e)단계(S90)를 포함할 수 있다.

(a)단계(S10)는, EPICS 프로그램 기반의 제어부(2)에서 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 측정할 수 있다. (a)단계(S10)는 전술한 제어부(2)에서 수행되는 단계를 의미한다. (a)단계(S10)는 초기 가속기 세팅을 위하여 임의의 설정 변수로 가속기를 구동한다. 이에 따라 제어부(2)는 변수 및 출력 전하량을 모니터링한다.

(b)단계(S30)는, 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출할 수 있다. (b)단계(S30)는 ICT부(8)에서 수행되는 단계를 의미한다. 초기 (a)단계(S10)에서 세팅된 설정 변수로 전하가 출력되면 (b)단계(S30)는 이에 따라 출력되는 전류값을 산출한다. 산출된 전류는 전술한 바와 같이 제어부(2)로 전송된다.

(c)단계(S50)는, (a)단계(S10)에서 측정된 하드웨어의 설정 변수와 (b)단계(S30)에서 산출된 전류값을 프로그래밍 언어로 변환할 수 있다. (c)단계(S50)는 EPCIS와 MATLAB을 연계하기 위하여 필수적으로 요구되는 단계이다. (c)단계(S50)는 채널부(5)에서 수행되는 단계를 의미하며 자세한 원용은 생략한다.

(d)단계(S80)는, MATLAB 프로그램 기반에서 (c)단계(S50)에서 변환된 설정 변수와 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출할 수 있다. (d)단계(S80)는 분석부(7)에서 수행되는 단계를 의미하며 자세한 원용은 생략한다.

(e)단계(S90)는, (d)단계(S80)에서 도출된 최적화된 변수로 하드웨어를 재 구동시키는 단계를 의미한다. (e)단계(S90)는 최적화된 설정 변수를 전달 받은 이후 제어부(2)가 수행하는 단계를 의미한다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

10: 전자석부
105: 슬라이드 유닛
60: 회동 유닛
40: 베이스 플레이트
401: 가이드 레일
41: 구동부
411: 볼 스크루
413: 모터
100: 챔버
101: 솔레노이드 코일
30: 가속관
83: 타겟
2: 제어부
5: 채널부
7: 분석부
8: ICT부

Claims

입자 가속기를 제어하는 가속기 최적화 장치에 있어서,
상기 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 제어하는 EPICS 프로그램 기반의 제어부;
상기 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출하는 ICT부; 및
상기 제어부에서 설정된 하드웨어의 설정 변수별로 상기 ICT부에서 획득된 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출하는 MATLAB 프로그램 기반의 분석부를 포함한 것을 특징으로 하는 가속기 최적화 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부에서 측정된 하드웨어의 설정 변수와 상기 ICT부에서 산출한 전류값을 프로그래밍 언어로 변환하여 상기 분석부로 전달하는 채널부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 가속기 최적화 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 채널부는,
MCA(MATLAB Channel Access) 프로그램 기반으로 상기 제어부와 상기 분석부의 데이터를 연동시키는 것을 특징으로 하는 가속기 최적화 장치.
입자 가속기를 제어하는 가속기 최적화 방법에 있어서,
(a) EPICS 프로그램 기반의 제어부에서 상기 입자 가속기를 구성하는 하드웨어의 설정 변수를 측정하는 단계;
(b) 상기 입자 가속기로부터 출력되는 빔의 전하량을 통합하여 전류값을 산출하는 단계;
(c) 상기 (a)단계에서 측정된 하드웨어의 설정 변수와 상기 (b)단계에서 산출된 전류값을 프로그래밍 언어로 변환하는 단계; 및
(d) MATLAB 프로그램 기반에서 상기 (c)단계에서 변환된 설정 변수와 전류값을 모니터링하여 빔의 전하량이 최대인 지점의 설정 변수를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속기 최적화 방법.