4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리

마지막 업데이트: 2022년 7월 20일 | 0개 댓글
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선형 입자 가속기

선형 입자 가속기 (종종 linac 로 줄임)는 선형 빔라인 을 따라 일련의 진동 전위 를 가하여 하전된 아원자 입자 또는 이온 을 고속으로 가속 하는 입자 가속기 유형입니다 . 이러한 기계의 원리는 1924년 Gustav Ising 에 의해 제안되었으며 [1] 작동한 최초의 기계 는 RWTH Aachen University 에서 1928년 [2] Rolf Widerøe 에 의해 제작되었습니다 . [3] [4] 리낙은 많은 응용 분야가 있습니다. 방사선 치료 에서 의약 목적으로 X선과 고에너지 전자를 생성하고 고 에너지 가속기용 입자 주입기 역할을 하며 빛 입자(전자 및 양전자)에 대해 가장 높은 운동 에너지를 달성하는 데 직접 사용됩니다. 입자 물리학 .

라이낙의 디자인은 가속되는 입자의 유형( 전자 , 양성자 또는 이온 )에 따라 다릅니다 . 리낙의 크기는 음극선관 (라이낙의 한 유형) 에서 캘리포니아 멘로 파크 에 있는 SLAC 국립 가속기 연구소 의 3.2km 길이(2.0마일) 라이 낙에 이르기까지 다양합니다 .

1924년 Gustav Ising은 일련의 가속 간격을 사용하여 선형 입자 가속기에 대한 첫 번째 설명을 발표했습니다. 입자는 일련의 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 튜브를 따라 진행됩니다. 일정한 주파수에서 가속 전압은 각 간격에 적용됩니다. 주파수가 일정하게 유지되는 동안 입자가 속도를 얻으면 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 입자가 각 간격에 도달할 때 적용된 전압을 볼 수 있도록 간격이 점점 더 멀어집니다. Ising은 이 디자인을 성공적으로 구현한 적이 없습니다. [5]

Rolf Wideroe 는 1927년에 Ising의 논문을 발견하고 박사 학위 논문의 일부로 장치의 88인치 길이, 2개 간격 버전을 만들었습니다. Ising이 전압원으로 스파크 갭을 제안한 반면, Wideroe는 25kV 진공관 발진기를 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 사용했습니다. 그는 자신이 나트륨과 칼륨 이온을 50keV까지 가속했다는 것을 성공적으로 보여주었습니다. 동일한 전압 소스를 사용하여 입자를 여러 번 성공적으로 가속함으로써 Wideroe는 무선 주파수 가속의 유용성을 입증했습니다. [6]

이러한 유형의 라이낙은 당시 사용 가능한 전압 소스에 의해 제한되었으며 Luis Alvarez 가 새로 개발된 고주파 발진기를 사용하여 최초의 공진 공동 드리프트 튜브 라이낙을 설계할 수 있었던 것은 2 차 세계대전 이후였습니다. Alvarez 선형은 RF 전력이 입자가 이동하는 전체 공진 챔버 에 적용되고 중앙 튜브는 발진기 위상의 감속 부분 동안 입자를 차폐하는 데만 사용 된다는 점에서 Wideroe 유형과 다릅니다 . 가속에 이 접근 방식을 사용한다는 것은 Alvarez의 첫 번째 선형이 1947년에 31.5 MeV의 양성자 에너지를 달성할 수 있다는 것을 의미했는데, 이는 당시에 도달한 것 중 최고였습니다. [7]

초기 Alvarez 유형 라이낙은 빔의 초점을 유지하는 강력한 메커니즘이 없었고 결과적으로 길이와 에너지가 제한되었습니다. 1950년대 초 강력한 포커싱 원리 의 개발로 드리프트 튜브 내부에 포커싱 4극자 자석 이 설치 되어 더 길고 강력한 라이낙이 가능해졌습니다. 강력한 집속 자석이 있는 Alvarez 선형의 초기 사례 중 두 가지는 CERN 과 Brookhaven 국립 연구소 에서 제작되었습니다 . [8]

1947년, Alvarez가 양자에 대한 선형 개념을 개발하고 있을 때와 거의 동시에 William Hansen 은 Stanford 대학에서 최초의 진행파 전자 가속기를 만들었습니다. [9] 전자는 양성자보다 충분히 가벼워 가속 과정 초기에 광속에 가까운 속도를 달성합니다. 결과적으로 "가속" 전자는 에너지가 증가하지만 가속기 설계 관점에서 일정한 속도를 갖는 것으로 취급할 수 있습니다. 이를 통해 Hansen 은 일련의 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 디스크에 의해 로드된 수평 도파관 으로 구성된 가속 구조를 사용할 수 있었습니다 . 1947년 가속기의 에너지는 6 MeV였습니다. 시간이 지남에 따라 SLAC 국립 가속기 연구소 의 전자 가속도 2마일(3.2km)의 크기와 50GeV의 출력 에너지로 확장됩니다. [10]

선형 가속기가 더 높은 빔 전류로 개발됨에 따라 자기장을 사용하여 양성자와 중이온 빔을 집중시키는 것은 가속기의 초기 단계에 어려움이 있었습니다. 자력 은 입자 속도에 의존 하기 때문에 중저 에너지 강입자를 동시에 가속하고 집중시킬 수 있는 일종의 가속기를 만드는 것이 바람직 했습니다 . [11] 1970년에 소련 물리학자 IM Kapchinsky와 Vladimir Teplyakov 는 RFQ(radio-frequency quadrupole)를 제안했습니다. 가속 구조의 유형. RFQ는 복잡한 전기장을 생성하기 위해 공진 공동에서 정밀하게 설계된 모양의 베인 또는 막대를 사용합니다. 이러한 필드는 주입된 입자 빔에 대한 동시 가속 및 초점을 제공합니다. [12]

1960년대부터 스탠포드와 다른 곳의 과학자들은 입자 가속을 위해 초전도 무선 주파수 공동의 사용을 탐구하기 시작했습니다. [13] 니오븀 합금 으로 만들어진 초전도 공동은 훨씬 더 효율적인 가속을 허용했는데, 이는 입력 전력의 훨씬 더 많은 부분이 열로 손실되지 않고 빔에 적용될 수 있기 때문입니다. 초기 초전도 선형 가속기 중 일부는 Stanford [14] 의 초전도 선형 가속기(전자용)와 Argonne 국립 연구소 의 Argonne Tandem 선형 가속기 시스템 (양성자 및 중이온용)을 포함 합니다. [15]

4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최문기)는 11일부터 13일까지 「제 17회 국제 가속기 및 빔이용 콘퍼런스(ICAB)」가 대전(ICC호텔)에서 개최된다고 밝혔다.

국내 4대 대형가속기 기관 공동 개최로 열리는 이번 행사에는 하트무트 아이코프 (독일, 독일 헬름홀츠중이온연구센터/GSI), 김광제 (미국, 미국 아르곤국립연구소/ANL) 등 초청인사를 비롯해 국내외 가속기 전문가 300여명이 참여한다.

올해 콘퍼런스는 물성연구(독일 강입자 치료시설, 미국 레이저 발진기 등) 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 등 기초과학 발전에 가속기가 미치는 영향을 다루는 오프닝 세션 등 총 4개 분야, 9개 세션으로 구성되며, 대형가속기 관련 국제적 이슈 및 국내외 기술동향 전반을 논의하게 된다.

또한, 가속기 분야 선진국(미국, 독일, 스위스, 일본, 러시아)에서 참여한 전문가들이 총 181편의 논문을 발표하고, 동 논문은 엄격한 심사 절차를 거쳐 한국물리학회지(JKPS) 특별호에 게재될 예정이다.

12개 산업체가 참가하는 가속기 홍보관, 산업체 대상 브리핑 세션도 마련될 예정이어서 가속기 제작부터 활용까지의 연구 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 성과를 한자리에서 접할 수 있다.

한편, 가속기와 기초과학에 대한 국민들의 친밀감을 높이기 위한 다양한 문화ㆍ융합 프로그램이 함께 개최된다.

‘기초과학과 예술의 융합’을 주제로 한 콘서트 형식의 인문학 강좌「술술 톡(Talk on Art & Science)」이 11월 11일 저녁 ‘이응노 미술관’에서 개최되고, ‘국제 가속기 사진 공모전 입상작’ 초대전도 행사장 내에 전시될 예정이다.

미래부는 “이번 콘퍼런스를 통해 대형가속기 구축·활용 비전 이해 및 공유, 국내외 가속기 전문가간 연구․협력 네트워크 구축 및 이용자 저변 확대에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 논문에서는 고전압 스위치와 팻 다이폴 안테나로 구성되는 광대역 LC 오실레이터를 설계 및 제작하고 방사 특성에 관해 분석하였다. 제안된 광대역 LC 오실레이터는 Marx generator를 고전압 펄스 전원 장치로 사용하며 지향성을 높이기 위해 90° 코너 리플렉터를 사용한다. 시뮬레이션 및 측정 파형을 분석한 결과, 팻 다이폴을 연결하지 않은 고전압 스위치는 수신 전력을 기준으로 약 9 %(λ1=0.7 m)의 3 dB 대역폭을 가지며, 고전압 스위치와 팻 다이폴 안테나로 구성되는 LC 오실레이터는 약 30 %(λ2=1 m)의 대역폭을 가진다. 결과적으로 팻 다이폴 안테나가 방사 전력뿐만 아니라 동작 주파수 및 대역폭에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 연구 내용은 고전압 스위치와 팻 다이폴 안테나로 구성되는 광대역 LC 오실레이터 설계 시 동작 주파수와 방사 전력을 결정하는데 있어서 매우 유용할 것으로 판단된다.

In this paper, a wideband LC oscillator which is composed of a high voltage switch and a fat dipole antenna was designed and radiation characteristics are analyzed. A Marx generator was used as a high voltage pulse generator of the proposed wideband LC oscillator and 90° corner reflector was used to obtain high directivity. According to simulated and measured results, 3 dB bandwidth of high voltage switch without fat dipole based on the received power is about 9 %(λ1=0.7 m) and bandwidth is about 30 %(λ2=1 m) by using the LC oscillator containing high voltage switch and fat dipole. Consequently, fat dipole affects not only radiating power but also operating frequency and bandwidth of the LC oscillator. This study will be useful to determine operating frequency and radiating power when we design LC oscillator which uses a high voltage switch and a fat dipole.

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LLRF (Low Level Radio Frequency) 제어시스템은 가속기가 하전입자빔를 가속하는 동안, RF cavity 내 RF field의 상태를 모니터링하고 제어하는 장치로써, 하전입자빔이 효과적으로 가속될 수 4대(방사광·중이온·중입자·양성자) 가속기 분야 전문가 한자리 있도록 RF field와 하전입자빔간의 위상차와 RF field의 크기 변화를 제어하는 역할을 수행한다.

본 논문에서는 LLRF 제어시스템에 대한 기본 이론을 바탕으로, PLS(Pohang Light Source : 포항방사광가속기) 저장링(storagering) 내 RF 시스템을 제어하기 위한 LLRF 시스템을 설계하였고, 이에 관한 시뮬레이션을 수행하였다.

PLS (Pohang Light Source : 포항방사광가속기)는, 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 방사광(synchrotron radiation)을 발생시키는 싱크로트론 가속기로써 크게 선형가속기(Linac)와 저장링(storagering)으로 구성되어 있다. 현재, 기존의 빔보다 낮은 에미턴스(emittance)와 높은 에너지를 갖는 빔을 생산하기 위한 성능향상 과정중에 있고, 이를 위해 초전도 RF cavity를 사용하여 RF시스템을 구성하였다. 초전도 RF cavity의 경우, 기존의 cavity에 비해 높은 선택도(Q : quality factor)를 가지고 있기 때문에 매우 정확한 제어과정이 요구된다.

따라서 본 논문에서는 IQ방식과 피드백제어를 기반으로 하여 제어시스템을 설계하였고, 디지털 필터와 PI제어 같은 디지털 신호처리 기술을 통해 cavity 내부에서의 RF field변화를 최소화하도록 하였다. 또한 FPGA와 고속의 ADC/DAC를 사용하여 RF field로 부터 신호를 수신하고 디지털 제어하는 모든 과정이 신속히 이루어지도록 하였다. 끝으로, PLS-Ⅱ에서 사용하게 될 초전도 RF cavity를 등가회로 모델링 함으로써 cavity의 특성을 분석하였고, 시뮬레이션을 통해 설계된 LLRF 제어시스템의 안정성과 정확성을 분석해보았다.

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