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1 최종연구보고서 KAERI/RR-2576/2004 (PE RZ-P034) 양성자기반공학기술개발사업 Proton Engineering Frontier Project 중에너지가속장치개발 Development of the Medium Energy Linac Systems 연구기관 한국원자력연구소 과학기술부

2 제출문 과학기술부장관귀하 본보고서를 양성자기반공학기술개발사업 과제 ( 세부과제 중에너지가속장치개발에관한연구 ) 의최종보고서로제출합니다 연구기관명 : 한국원자력연구소 양성자기반공학기술개발사업단 연구책임자 : 장지호 연 구 원 : 권혁중, 김용환, 김한성, 박미영, 설경태, 송영기, 조용섭, 최현미, 한상효, 홍인석.

3 최종연구보고서초록 과제관리번호 A-6-1 해당단계연구기관 한국원자력연구소단계구분 1 단계 / 3 단계 연구사업명양성자기반공학기술개발사업 연구과제명 연구기관명 ( 연구책임자 ) 대과제명양성자기반공학기술개발사업 세부과제명 한국원자력연구소 ( 장지호 ) 위탁연구해당사항없음 중에너지가속장치개발 해당단계연구인력 내부 : 2.8 M Y 정부 : 2,258,000 천원 외부 : 3.0 M Y 연구비민간 : - 천원 계 : 5.8 M Y 계 : 2,258,000 천원 국제공동연구상대국명 : 해당사항없음상대국연구기관명 : 참여기업해당사항없음 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글 : 양성자, 선형가속기, 중에너지가속기, 빔정합, 빔인출 영어 : PEFP, proton, linac, DTL, MEBT, DT 요약 ( 연구결과를중심으로개조식 500 자이내 ) 면수 P 연구개발목표및내용목표 : 21세기를이끌어갈나노공학, 생명공학, 정보통신, 항공우주, 의료, 국방등첨단산업기술분야의원천 / 응용기술확보밑기초과학연구에필수적인장비인중에너지양성자가속장치를개발함. 내용 : MeV 가속장치설계 - DTL 가속공동제작 - MEBT(medium energy beam transport) 설계 2. 연구결과 - 20~60 MeV 가속장치로 DTL을선택하고설계 : 10개 DTL 탱크로구성 - 20~100 MeV 가속장치를 DTL로하는경우에대해설계 : 총 20개탱크로구성 - DTL 탱크일부에대한상세설계 ( 탱크직경, DT 및전자석, 냉각, 각종포트등 ) 후첫번째탱크를제작. - MEBT 설계 : 각각 3개의셀로이루어진소형 DTL 탱크 2개로구성됨. 빔인출계에서빔손실을최소화하고, 20 MeV 양성자빔이다음에오는 DTL에정합입력시키는것이목적임. 3. 기대효과및활용방안 - 중에너지가속장치에대한기본설계를완료함으로서 100 MeV 가속장치제작의토대를마련하고, 가속기터널설계에대한자료를제공함. - MEBT 설계를통해가속장의빔정합문제와빔인출시스템의빔을공급함으로서 20 MeV 양성자빔을사용자에게제공하기위한기초를마련함.

4 요약문 Ⅰ. 제목 : 중에너지가속장치개발 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 가. 연구개발의최종목표및단계별목표 양성자기반공학기술개발사업단의목표중하나는빔전류가 20mA이고에너지가 20 MeV와 100 MeV인양성자빔을사용자에게제공하는것이다. 중에너지가속장치개발 과제는 100 MeV 양성자가속장치를개발하는것을목표로 1단계 3 차년도에시작한과제다. 최종목표 : 100MeV 가속장치개발 최종목표를달성하기위한단계별목표는아래표와같다. 제 1 단계에서는 100 MeV 가속장치설계를목표로한다. 이를바탕으로 100 MeV 가속장치제작을시작하게된다. 가속장치의설계와제작은 1 단계에걸쳐수행한 저에너지가속장치 개발에서수행한 RFQ 및 DTL 설계, 제작경험을충분히활용하여효율적으로수행할수있다. 본과제의또다른세부목표는 20 MeV 양성자빔을사용자에게제공하는동시에다음에오는가속장치로의정합입력을목적으로하는 MEBT 을설계하는것이다. 단계별목표 1 단계 ('02~'05) 2 단계 ('05~'08) 3 단계 ('08~'12) 100MeV 가속장치설계 20MeV 가속장치이전설치준비완료 60MeV 까지가속장치본체제작완료및설치준비완료 MEBT 및빔인출계제작및설치준비완료 100MeV 가속장치제작 20mA 빔인출시험 100MeV 가속장치운영 - i -

5 나. 연구개발의중요성 - 기술적측면 21세기를이끌어갈나노공학, 생명공학, 정보통신, 항공우주, 의료등첨단산업기술분야의원천 / 응용기술확보및기초연구에있어서양성자가속기는필수적인장비다. 동시에양성자가속장치개발및운용에필요한초고진공기술, 고출력고주파기술, 초고정밀가공기술, 이온원개발등고부가가치원천기술을개발하는효과가갖고있다. 현재미국및일본에서추진중인대전류양성자가속장치를국내기술에의해자체개발함으로써, 상기된첨단산업기술을조기에자체기술로확보가가능함으로써국가경쟁력향상에기여할수있다. - 경제 산업적측면중에너지양성자빔을이용한다양한산업적응용및가속장치개발과연관된첨단기술의응용을통한고부가가치창출및과학자 / 공학자등의고급두뇌직업창출이가능해진다. 구체적인예로다음과같은것들이있다. 중에너지양성자조사시설을이용하여의료용및산업용의다양한방사성동위원소생산을통한고부가가치창출및수입대체효과를기대할수있다. 또한중에너지양성자가속장치를이용하여지구상에인공우주방사선환경을구현함으로써항공우주산업에쓰이는내방사선반도체소자개발, 인공위성등에쓰이는부품의우주방사선영향평가및생명체에미치는우주방사선효과등의평가에사용하는것이가능해진다. 그외에도중에너지양성자가속장치에필수적인고출력고주파기술을응용한군사용레이더 / 통신시설의국산화, 대전자전등의무기체계개발, 원거리통신시스템개발등에활용이가능해지는등의매우많은경제 산업적파급효과를기대하고있다. - 사회 문화적측면다양한과학기술의융합장치인양성자가속기의건설및운용에는다양한과학기술분야의전공자의협력이필수적이므로각과학기술분야의활발한교류의계기를마련하고, 그장비의교육적이용을통한고급과학기술인재양성기반확충하게된다. 또한미국, 일본등선진국에서현재개발중인대전류양성자가속기를비슷한시기에국내기술로건설함으로써, 해외의우수한과학기술자와대등한교류가가능해지게된다. 이러한대형연구시설인중에너 - ii -

6 지양성자가속장치를국내기술에의해개발 / 운영함으로써국내과학기술을 한단계향상시킴으로써자긍심고취시키는효과도기대할수있다. Ⅲ. 연구개발의내용및범위 중에너지가속장치 의 1 단계목표인 100 MeV 가속장치설계를달성하기위해다음표에있는바와같이네가지세부목표를세웠다. 중에너지가속장치설계는 100 MeV 가속장치의물리설계를수행함으로써 100 MeV까지양성자를가속시키위한효율적인장치의제작을위한기초를마련하는것이다. 가속공동제작은그중첫번째 DTL 탱크를제작하는것이다. 이를위한보다구체적인공학설계를수행한다. MEBT 설계의목표는빔인출과빔정합이라는두가지목적을효율적으로달성하기위한 MEBT의물리설계를수행하는것이다. 빔에너지측정시스템제작은 Time of flight방법에의해양성자빔의에너지를측정하는장치를설계, 제작하는것이목표다. 이방법은 gas scattering에의한에너지측정장치와상보적인관계에있다. 연구개발내용및범위 구 분 연구개발목표 연구개발내용및범위 제 1 차년도 - - 제 2 차년도 - - 제 3 차년도 ( ~ ) 100MeV 가속장치설계 - 중에너지가속장치설계 - 가속공동제작 - MEBT 설계 - 빔에너지측정시스템제작 다음은연구개발내용및범위를보다구체적으로기술한다. 1. 중에너지가속장치설계여기에는 100 MeV 가속장치의물리설계가포함된다. 전세계에서개발되었거나현재개발중인 100 MeV급양성자가속장치를조사하여, 최적의가속장치를선택하고이에대한물리설계를수행함으로써 100 MeV 양성자빔을제 - iii -

7 공하기위한기초를마련하게된다. 물리설계는빔동력학계산을기본으로하며, 효율적인가속장치제작을위한기초자료조사를바탕으로전체가속장치의틀을잡게된다. 이를통해전체길이, 필요한클라이스트론수등이결정된다. 이러한연구결과를두번째연구범위인가속공동제작을수행하게된다. 2. 가속공동제작가속장치의물리설계를바탕으로제작을위한공학설계에들어간다. 공학설계에서는 slug tuner, post coupler, stem 등이주파수에미치는영향을고려하여제작을위한가속장치의치수를결정한다. 이를바탕으로오차분석과열 / 구조해석을수행한다. 또한각구성요소의상세한설계를수행한후제작하게된다. 기초적인조사에의하며양성자빔의에너지가 60 MeV까지가속시키는데최적화된가속장치는 DTL이다. 이장치는 저에너지가속장치개발 과제에서국내기업체를통해제작한경험이있기때문에제작기술은이미확보되었다. 이과정에서외국의전문가의물리적 / 기술적인조언을얻는 TRM (Technical Review Meeting) 를통해설계를검증받았다. 3. MEBT 설계외국에서제작되는 MEBT은 RFQ와 DTL 사이에오며, 저장링에빔을입사시키기위해빔을 chopping하는동시에 RFQ와 DTL 사이의빔정합을수행한다. 사업단에서제작하려고하는 MEBT(Medium Energy Beam Transport) 는 20MeV DTL 이후에설치되며, 빔인출시스템과같이있다. 따라서 MEBT 은 20 MeV 양성자빔을인출하는동시에다음단계의가속장치로정합된빔을입사시키기는것이목적이다. 빔인출시스템을통과하는비의크기를조절하고, 연직방향으로빔을정합시키기위한사극전자석의사양과빔진행방향에서의빔정합을위한 buncher cavity의사양을결정하는것이목표다. 이를통해원하는빔을 20 MeV 이후의가속장치에입사시킬수있는지조사할것이다. 4. 빔에너지측정시스템제작에너지가 20 MeV인양성자빔의에너지를측정하는시스템을설계, 제작하는것이목표다. 여러가지면을고려할때 analyzing magnet을사용하는에너지측정시스템보다는 TOF(Time of Flight) 를이용한방법이타당한것으로보인다. 이때는빔진단장비로제작된 BPPM을신호를얻는장비로사용할수있다. 이러한 pickup 및측정을위한시스템을설계및제작을수행하게된다. - iv -

8 Ⅳ. 연구개발결과 1. 중에너지가속장치설계 중에너지가속장치설계는 100MeV 가속기를설계하는것이목적이다. 특히 60MeV DTL(Drift Tube Linac) 의경우, 이설계를바탕으로하여두번 째세부목표인가속공동제작에이용할예정이다. 여기서는 20MeV에서 100MeV까지의가속기를 DTL로하는경우에대해서요약하였다. 100MeV 가속기를 DTL로채택하는경우, 가속장치개발팀에서현재보유하고있는기술을활용할수있다는장점이있다. 현재빔동력학을바탕으로한물리설계가완성되었다. 이설계에사용된기본사항은다음과같다. 20MeV에서 100MeV까지총 20 개의 DTL 탱크를사용한다. 한대의클라이스트론으로 4대의 DTL 탱크를운용할것이다. 따라서총 5 개의 1MW 클라이스트론이필요하다. 또한제작상의문제를해결하기위해서각 DTL 탱크의길이는 5m를넘지않도록했다. 가속전기장은 1.3 V/m를사용하였다. 탱크직경, DT 직경, bore radius, DT face angle, DT flat length, corner radius, inner nose radius, outer nose radius등가속효율을결정하는여러변수에대한정량적인효과를조사하였다. 이를통해결정된 DTL parameter는다음표와같다. 단탱크직경과탱크에들어가는셀의보다제세한치수는 나 ) 가속공동제작 의공학설계를통해결정된다. 변수값변수값운전온도 40 도 corner radius 5 mm 공진주파수 350 MHz inner nose radius 2 mm synchronous phase -30 도 outer nose radius 2 mm 탱크지름 540 mm DT flat length 3 mm DT 지름 135 mm lattice FFDD bore radius 10 mm E MV/m Transverse DT face angle 40 도 0.23 pi mm-mrad emittance Longitudinal stem diameter 38 mm 0.12 deg-mev emittance - v -

9 100 MeV DTL 을구성하는 20 개의탱크중 8 개는 face angle 을 40 도, 다음에오 는 8 개는 50 도, 나머지 4 개는 60 도로한 100 MeV DTL 사양은다음과같다. 탱크출력빔에너지 total power 셀수길이 (m) 번호 (MeV) (kw) Klystron 수 합계 vi -

10 2. 가속공동제작 DTL-2의첫번째탱크의제작을목적으로한다. 가 ) 중에너지가속장치설계 에서나온 20개의 DTL 탱크중처음네게탱크에대한공학설계를수행하였다. 현재첫번째탱크가 ( 주 ) 비츠로테크 에서제작하였다. 다음과같은순서로설계를진행하였다. DT에들어갈전자석설계 : hollow conductor 사용 가속효율조사및 DTL 탱크의규격결정 빔동력학계산을통한세부사항결정 오차계산, 열및구조해석 DTL 탱크, drift tube, 각종 port, 지지구조물등의공학설계 DT에들어갈전자석설계 전자석의유효거리와자기장기울기의곱이 1.75T 가된다는것이제한조건이다. 전선은 hollow conductor로변경하였고, 이경우의조립가능성을시험품제작을통해확인하였다. 다음에고려될가속효율을모두고려하여, 전자석이들어갈 DT의규격을정했다. SUPERFISH계산을통해얻은전자석의유효거리는 7.5 cm이다. integrated field가 1.75 T가되기위해서는자기장기울기가각각 kg/cm 되어야하는데계산결과는약 3.2 kg/cm ( 전류 2250 A) 를얻었다. 다중극분포조사를통해중심에서 10mm 떨어진곳에서 12극성분이사중극성분의 % 미만임을확인하였다. 열구조해석수행하여다음결과를얻었다. 온도변화 0.4도, 최대변형 6 micron으로제한값인 20 micron보다작다. 최대응력이 12.3 MPa로 Cu의항복응력인 50MPa보다작았다. 공학설계 DTL에는 DT를지지해주는 stem, 가속공동에서여기되는전장의안정성을증가시키기위해사용되는 post coupler와 tuning을위해사용하는 sulg tuner등이들어간다. 이들은모두가속공동의주파수를높이는쪽으로영향을주므로이에대한보정을수행하였다. sulg tuner는탱크하나에 8개가들어가며, 공진주파수를 1MHz 정도높인 - vii -

11 다. post coupler와 stem은 각각 DT 수 만큼 들어간다. end wall에는 post coupler가절반만들어가는것으로설계하였다. 탱크직경의결정 각요소에의한공진주파수변화와이에따른탱크지름의변화 : 이때 slug tuner에의한효과는 1MHz 증가로공통이다. 또한공진주파수를보정 하는과정에서발생한에너지효율의차이에의해각탱크의출력빔에너지 가달라진다. 탱크번호 energy (MeV) stem 효과 (MHz) post-coupler (MHz) slug+stem+post (MHz) 탱크직경변화에따른공진주파수변화 : MHz/cm 평균공진주파수변화 (slug+stem+post): MHz 탱크직경 : cm 열 / 구조해석 24% 듀티운전시부분적으로최대 7.6도온도상승하고, 이부분은 26 micron 변형에해당한다. 이는공진주파수를 10 khz 정도바꾸며, 튜닝범위안에있다. 3. MEBT 설계 MEBT은빔인출장치가들어갈공간을통과한 20MeV 출력빔을다음에오는가속기에정합입력시키는것이목적이다. 빔의정합방식을조사하여, 세개의셀로이루어진두개의소형 DTL 탱크를이용한 MEBT 시스템이적절함을확인하였다. 20MeV DTL의출력빔과 60MeV DTL의정합입력빔의성질은다음과같다. - viii -

12 20MeV 출력빔 parameters x y z emittance (normalized rms) pi cm-mrad pi cm-mrad 0.12 deg-mev alpha beta cm/mrad 0.046cm/mrad deg/mev 60MeV DTL의정합입력빔 parameters x y z emittance (normalized rms) pi cm-mrad 0.023pi cm-mrad 0.12 deg-mev alpha beta cm/mrad cm/mrad deg/mev MEBT의구성하는각성분의값은다음과같다 (TRACE 3-D 계산 ). 20MeV DTL끝과 MEBT 첫번째 DTL 탱크사이의거리 : 140 mm MEBT 두번째 DTL 탱크끝과 DTL 2 사이의거리 : 140 mm MEBT을이루는두 DTL 탱크사이의거리 : 1 m 첫번째 DTL 탱크 : TRACE 3D 모델 구성성분사극전자석 (1) drift space RF gap drift space 사극전자석 (2) drift space RF gap drift space 사극전자석 (3) drift space RF gap drift space 사극전자석 (3) 값 kg/cm * 15 cm cm MV cm 2.24 kg/cm * 7.5 cm cm MV cm 2.24 kg/cm * 7.5 cm cm MV cm kg/cm * 15 cm - ix -

13 두번째 DTL 탱크 : TRACE 3D 모델 구성성분사극전자석 (5) drift space RF gap drift space 사극전자석 (6) drift space RF gap drift space 사극전자석 (7) drift space RF gap drift space 사극전자석 (8) 값 kg/cm * 15 cm cm MV cm kg/cm * 7.5 cm cm MV cm kg/cm * 7.5 cm cm MV cm kg/cm * 15 cm 4. 빔에너지측정시스템제작 TOF(time of flight) 방법에의해 20MeV 양성자빔의에너지를측정하는장치를설계 / 제작하는것이목적이다. 현재 time of flight방법에의한빔에너지측정장치설계및제작이완료되었다. 신호를받는장치는빔진단을위해제작된 Bergoz사의 LR BPPM을 pickup 으로사용한다. 두개의 BPPM사이의거리는 250mm로정한다. 이는두신호사이의구분을최적으로하는거리를선택한것이다. 두신호의위상차를측정하는방식을채택했다. 위상차는 BPPM과따라오는회로에의해주어진다. 동시에 Oscilloscope(Tektronix TDS7104) 를이용한빔신호를보조적으로측정한다. - x -

14 Ⅴ. 연구개발결과의활용계획 양성자기반공학기술개발사업단에서개발중인 중에너지가속장치 인 DTL은빔전류가 20 ma인양성자빔을 20 MeV에서 100 MeV까지가속시킬수있는장치다. 60 MeV까지는 DTL이가속효율등을고려할때최적화된장치다. 100 MeV까지도 DTL이우선적인선택이될것이다. 다만 100 MeV 이후까지가속장치를확장하는경우에는초전도가속공동과같이다른종류의가속공동을사용하는것이보다효율적일것이다. 본연구를통해 100 MeV까지 DTL을사용하는경우에는총 20 개의 DTL 탱크와 5 대의 1MW 클라이스트론이추가로필요함을보았다. 각탱크의공학설계기술은자체적으로확보한상태이고제작기술도국내기업체와의협력으로확보한상태다. 따라서 100 MeV 가속장치를제작하기위한초석이마련되었다는의의가있다. 특히첫번째 DTL의공학설계를수행하였다. 여기에는 slug tuner, post-coupler, stem 효과에의한주파수변화의보정, 오차해석, 열및구조해석, 두개의섹션으로나뉠위치의지정, 각종포트가들어갈위치지정, 냉각설계및계산, RF 포트등각종포트의설계, 사극전자석및 drift tube 설계, stem holder 등의설계, end-plate 설계등이포함된다. 현재첫번째탱크가제작되었다. 사용자에 20 MeV 양성자빔을제공하기위해서는빔인출을위한 bending magnet 이가속기사이에설치되어야한다. 따라서다음에오는가속장치로의정합입력시키는것이어려워진다. 20 MeV DTL 다음에오는 MEBT 시스템을 3개의셀로이루어진두개의 DTL 탱크를구성함으로써이런목적을만족시켜야한다. 특히 MEBT용 DTL 탱크의제작에는현재제작중인가속용 DTL 탱크와같은기술이사용되므로, 새로운기술적인문제가제기되지않는다. 이러한연구결과로 20 MeV 빔을제공하기위한장치의공학설계및제작을수행할수있게되었다. TOF에의한빔에너지측정시스템은빔진단용으로제작된 pick-up과같은두개의 pick-up을통해들어오는신호의위상차를측정하고, 이로부터양성자빔의에너지를결정하는방식을채택하였다. 양성자빔의에너지는빔전류및빔의위상공간상의모양과함께양성자빔의성질을결정하는중요한파라메터다. 이장치의사용하면현재개발된 gas scattering 방식의에너지측정시스템과보완적으로빔의에너지를측정할수있다. 이를통해사용자에게보다최적화된빔을제공하기위한기초자료를수집할수있게되었다. - xi -

15 S U M M A R Y Ⅰ. Project Title : Development of the Medium Energy Linac systems. Ⅱ. Goal of the Study Main purposes of the proton engineering frontier project(pefp) are developing an 100 MeV proton linac and supplying 20 MeV and 100 MeV proton beams to user groups. The project "development of the medium energy linac system" which is launched in July 2005 is aiming to develop the 100 MeV proton linac system. It consists of four targets in order to achieve the purpose at the stage of the PEFP project: - Designing an 100 MeV linac system - Constructing an accelerating cavity - Designing a MEBT system - Developing an energy measurement system Ⅲ. Scope of the Study - Design of and 100 MeV Linac System: Study on the optimized linear accelerator in the energy range between 20 MeV and 100 MeV Beam dynamics design of the accelerating structure - Construction of an accelerating cavity Error analysis Thermal and structure analysis Design of the drift tubes and quadrupole magnets Various port design - xii -

16 Design of the support structure End-plate design Construction of the cavity: by a local company - MEBT Design In order to supply 20 MeV proton beams to the user groups, the beam extraction system is an essential component after 20 MeV DTL. Since there are no focusing elements in the structure, the beam should be spread out in the region. The PEFP MEBT have two main roles as follows: Controlling the beam size in the beam extraction system Matching the beam into the following DTL tanks. - Design of the energy measurement system Development of the energy measuring system up to beam energy of 20 MeV Using the principle of "time of flight" Ⅳ. Result of the Study 1. Design of the 100 MeV Linac System: The accelerating structure is determined to be another conventional DTL. The main results of the design are as follows, The number of DTL tanks is 20 which is sufficient to accelerate proton beams from 20 MeV to 100 MeV. The RF power is supplied into four DTL tanks by one klystron. Hence the klystron number is 5 for the new accelerating systems. The length of each tank is restricted less than 5 m for easy construction. The average accelerating field is 1.3 MV/m. The DTL parameters such the tank diameter, the drift tube diameter, the bore radius, the face anlge, the flat length, the corner radius, and the inner nose and outer nose radius are determined by the condition that the accelerating efficiency is maximized and the beam loss is minimized. The - xiii -

17 following table summarizes the information of the tank. variables values variables values operating temperature 40 degrees corner radius 5 mm frequency 350 MHz inner nose radius 2 mm synchronous phase -30 degrees outer nose radius 2 mm tank diameter 540 mm DT flat length 3 mm DT diameter 135 mm lattice FFDD bore radius 10 mm E MV/m DT face angle 40 degrees Transverse emittance 0.23 pi mm-mrad stem diameter 38 mm Longitudinal emittance 0.12 deg-mev The face angles of the drift tubes in the initial 8 tanks are 40 degrees. However those of the following 8 tanks are 50 degrees and those of the final 4 tanks are 60 degrees in order to enhance the accelerating efficiency. The result of the 100 MeV DTL tanks is summarize in the table in the next page. 2. Construction of an accelerating cavity We have designed the initial four tanks in detail. It includes the following contents: the quadrupole magnets design, the effect of stems, post-couplers, and slug tuners, the error analysis, the thermal and structure analysis, and the other components design. - Megnet design The integrated magnetic field of 1.75 T is required in each quadrupole magnet. The hollow conductor is used for the coil. We have tested the assembling process by making a prototype magnet with the hollow conductor. We have calculated the physical properties of the quadrupole magnets by using the SUPERFISH codes. The effective length of each magnet is about 7.5 cm and the maximum field gradient is about 3.2 kg/cm under the current of 2250 A. This spec sufficient to produce the integrated field - xiv -

18 tank cell # length(m) output beam total power energy (MeV) (kw) Klystron # 합계 of 1.75 T. The 12th pole component of the magnet is less than % of the quadrupole mode at the position of 1 cm apart from the center. From the thermal and structure analysis, we get the maximum displacement of the DT surface is about 6 equivalent to the temperature change of 0.4 degrees. The limit value of the displacement is 20 microns. The maximum stress is 12.3 MPa which is less than its limit of 50 MPa. - xv -

19 - Engineering Design There are a lot of structures in DTL tanks in addition to the drift tubes. Stems connect the tubes to the wall of the tank. The 8 slug tuners in a tank are used to roughly control the resonant frequency. The field profile can be corrected by the post couplers. The additional structures become main sources of the frequency shift of the tanks which can be calculated by the perturbation theory. The effects are summarized in the following table where the slug tuners increase the frequency about 1 MHz: tank energy stem post-coupler slug+stem+post (MeV) (MHz) (MHz) (MHz) frequency shift / tank diameter : MHz/cm average frequency shift(slug+stem+post): MHz resulting tank diameter: cm The temperature increases about 7.6 degrees when the linac is operated under the beam duty of 24%. It corresponds to the frequency shift of 10 khz and it is less than the limit value of the allowed frequency error. 3. MEBT Design The PEFP MEBT consists of two DTL tanks with 3 cells. The first tank is to control the beam size in the beam extraction system and the second one os to match the beam into the following DTL tank. The tank propreties are given in the following tables: - xvi -

20 the first DTL tank: TRACE 3D result components Quadruple magnet(1) drift space RF gap drift space Quadruple magnet(2) drift space RF gap drift space Quadruple magnet(3) drift space RF gap drift space Quadruple magnet(3) values kg/cm * 15 cm cm MV cm 2.24 kg/cm * 7.5 cm cm MV cm 2.24 kg/cm * 7.5 cm cm MV cm kg/cm * 15 cm the second DTL tank: TRACE 3D result components Quadruple magnet(5) drift space RF gap drift space Quadruple magnet(6) drift space RF gap drift space Quadruple magnet(7) drift space RF gap drift space Quadruple magnet(8) values kg/cm * 15 cm cm MV cm kg/cm * 7.5 cm cm MV cm kg/cm * 7.5 cm cm MV cm kg/cm * 15 cm - xvii -

21 4. Design of the energy measurement system We have developed the beam energy measurement system which used the principle of "time of flight". The input signal is collected by two pick-ups whose distance is 250 mm. The system measures the phase difference between two signals. The system has been constructed and installed after the last tank of the 20 MeV DTL. - xviii -

22 CONTENTS Chapter 1. Introduction 1 Chapter 2. State of the Art on Domestic and Foreign Technique 5 Section 1. Foreign Accelerator Project 7 Section 2. State of the Art on the Linac Technology 16 Chapter 3. Contents and Results of the Study 32 Section 1. Design and Construction of the Linac Introduction DTL Parameters Lattice Structure 41 A. Matched Input Beam: TRACE 3D 42 B. Matched Input Beam: PARMILA 43 C. Output beam of the 20 MeV DTL: PARMILA Klystron and number of DTL tanks MeV DTL 60 A. Beam Dynamics Structure of the DTL Tanks 69 A. Frequency and Mesh size 69 B. Tank Diameter and Stem Effect 70 C. SFDATA and Stem Effect 71 D. PARMILA Result 73 E. Tank Diameter and Post Coupler, Slug Tuner Effects 76 F. Stem Diameter: 3.8 cm and 40 cm 79 (1) Frequency and Mesh size 79 (2) Tank Diameter and Stem Effect 79 (3) SFDATA and Stem Effect 80 (4) PARMILA Result 81 - xix -

23 (5) Tank Diameter and Post Coupler, Slug Tuner Effects 84 G. Beam Dynamics Error Analysis DTL Engineering Design 112 A. pool type Quadrupole Magnet 112 (1) DTL Tank Design 112 (2) Design of DT(Drift Tube) and Magnets 124 (A) Design of Magnets 124 (B) Design of Drift Tubes 130 (3) End plate Design 135 B. hollow conductor 138 (1) Design of DT(Drift Tube) and Magnets 138 (A) Design of Magnets 138 (B) Design of Drift Tubes 141 C. Design of the Measurement System for the Magnetic Field 142 D. Thermal and Structure Analysis of DTL and DT 144 (1) Thermal and Structure Analysis of DTL tanks 144 (2) Thermal and Structure Analysis of DT 146 Section 2. MEBT Design Matching Methods of the Beam 148 A. Output beam of DTL1(20MeV) and Matched Input Beam of DTL2 148 (1) Output beam of DTL1(20MeV) 148 (2) Matched Input Beam of DTL2 150 B. Fundamental Matching 151 (1) Transverse beam matching 151 (2) Longitudinal beam matching 152 C. Beam Matching under varying the DTL2 parameters 154 (1) Variation of DTL2 154 (2) Face Angle Variation of DTL xx -

24 (3) Synchronous Phase Variation of DTL2 157 D. Beam Matching and number of cavities 158 (1) Doubling the number of cavities 158 (2) Increasing the number of cavities PEFP MEBT 166 Section 3. Energy Measurement and Control Systems Beam Diagnostics of 60 MeV DTL: Introduction 171 A. Energy Measurement: Time of Flight Control System 175 A. Introduction 175 B. Control Systems for the Linac Components 176 (1) Higher Level Control System 176 (2) Control System for Vacuum 177 (3) Control System for RF 178 (4) Timing System (Event Control System) 179 (5) Control System for Power Supplying Components 180 (6) Control System for Cooling Components 181 (7) Control System for Diagnostics 182 C. Embeded Control System based on EPICS 182 (1) EPICS 183 (A) EPICS: Technology 183 (B) EPICS: Structure 184 (C) EPICS: Characteristics 186 (2) Embeded System 187 ( 가 ) Embeded System: Characteristics 188 D. Vacuum Control System for the Proton Accelerator 190 (1) Control System on PC (Linux Operating System) 190 (A) Vacuum Control System: Structure 190 (B) EPICS environment 196 (2) Embeded Control System xxi -

25 (A) Embeded Control System: Design 199 (B) BDM and Boot Loader 201 (C) Embeded Control System: VxWorks 203 (D) Environment Setting 208 E. Proton Linac Control System: Development and Experiment 210 (1) System Development 210 (2) Experiment 210 F. Conclusion 213 Chapter 4. Achievement of Objectives and External Contribution 215 Chapter 5. Plan for Applications of Results 216 Chapter 6. References xxii -

26 목차 제 1 장연구개발과제의개요 1 제 2 장국내 외기술개발현황 5 제 1 절외국의가속기프로젝트 7 제 2 절선형가속기기술현황 16 제 3 장연구개발수행내용및결과 32 제 1 절선형가속기설계및제작 서론 DTL 파레메터결정 집속구조 ( 또는 lattice) 의결정 41 가. 정합입력빔을사용하는경우 : TRACE 3D 계산 42 나. 정합입력빔을사용하는경우 : PARMILA 계산 43 다. 20 MeV DTL의출력빔을사용하는경우 : PARMILA 계산 클라이스트론과 DTL 탱크운용방식 MeV DTL 사양 60 가. 빔동력학 DTL 탱크의구조결정 69 가. mesh 크기에따른공진주파수변화 69 나. stem 효과를고려한탱크직경 70 다. stem 효과를고려한 SFDATA 작성 71 라. PARMILA 계산결과 73 마. post coupler와 slug tuner 효과를고려한탱크직경 76 바. stem 직경이 3.8 cm인경우와 4.0 cm인경우의비교 79 (1) mesh 크기에따른공진주파수변화 79 (2) stem 효과를고려한탱크직경 79 (3) stem 효과를고려한 SFDATA 작성 80 (4) PARMILA 계산결과 81 - xxiii -

27 (5) post coupler와 slug tuner 효과를고려한탱크직경 84 사. 빔동력학계산 오차분석 DTL 공학설계 112 가. pool type 사극전자석을사용하는경우의설계 112 (1) DTL 탱크설계 112 (2) DT(drift tube) 와사극자석의설계 124 ( 가 ) 사극자석의설계 124 ( 나 ) Drift tube의설계 130 (3) End plate의설계 135 나. hollow conductor를사용하는경우의설계 138 (1) DT(drift tube) 와사극자석의설계 138 ( 가 ) 사극자석의설계 138 ( 나 ) Drift tube의설계 141 다. 자장측정시스템의설계 142 라. DTL 탱크및 DT의열 / 구조해석 144 (1) DTL 탱크의열및구조해석 144 (2) DT 열및구조해석 146 제 2 절 MEBT 설계 빔정합방범 148 가. DTL1(20MeV) 출력빔과 DTL2의정합입력빔 148 (1) DTL1(20MeV) 의출력빔 148 (2) DTL2의정합입력빔 150 나. 기본적인 matching 151 (1) Transverse beam matching 151 (2) Longitudinal beam matching 152 다. DTL2를변화시키는경우의 beam matching 154 (1) DTL2의 를변화시키는경우 154 (2) DTL2의 face angle을변화시키는경우 156 (3) DTL2의 synchronous phase가변하는경우 xxiv -

28 라. buncher cavity의수를증가시키는경우의 beam matching 158 (1) 하나의 cavity를두개의 cavity로바꾸는경우 158 (2) Cavity 수를늘리는경우 PEFP MEBT 166 제 3 절에너지측정시스템및제어시스템 MeV DTL 빔진단장비 : 개요 171 가. Time of Flight 에너지측정장치 선형가속기제어기술개발 175 가. 개론 175 나. 각구성요소의제어시스템 176 (1) 상위제어 176 (2) 진공제어시스템 177 (3) 고주파제어시스템 178 (4) Timing 시스템 (Event 시스템 ) 179 (5) 전원장치제어시스템 180 (6) 냉각장치제어시스템 181 (7) 빔진단장치제어시스템 182 다. EPICS 기반임베디드제어시스템 182 (1) EPICS 183 ( 가 ) EPICS 기술 183 ( 나 ) EPICS 구조 184 ( 다 ) EPICS 특징 186 (2) 임베디드시스템 187 ( 가 ) 임베디드시스템특징 188 라. 양성자가속기진공제어시스템 190 (1) PC 기반제어시스템 (Linux 운영체제 ) 190 ( 가 ) 진공제어시스템구조 190 ( 나 ) 상위제어영역에서의 EPICS 환경 196 (2) 임베디드기반제어시스템 199 ( 가 ) 임베디드기반제어시스템설계및구현 xxv -

29 ( 나 ) 개발환경에서 BDM과 Boot Loader의역할 201 ( 다 ) 임베디드시스템구축및 VxWorks 포팅 203 ( 라 ) 환경설정 208 마. 양성자제어시스템설계및성능시험 210 (1) 시스템설계및제작 210 (2) 시스템성능시험 210 바. 결론 213 제 4 장연구개발목표달성도및관련분야에의기여도 215 제 5 장연구개발결과의활용계획 216 제 6 장참고문헌 xxvi -

30 제 1 장. 연구개발과제의개요 현재과학기술부의 21세기프론티어연구개발사업 의지원을받아수행중인양성자기반공학기술개발사업단 ( 이하사업단 )[1, 2] 에서개발하고있는양성자선형가속장치는첨두빔전류가 20 ma인양성자빔을 100 MeV까지가속시킬수있도록구성되었으며, 1단계과제를통해 20 MeV 가속장치의개발이완료되었다. 이장치는듀오플라드마트론을채용한이온원, LEBT (low energy beam transport), 3 MeV RFQ (radio frequency quadrupole), 20 MeV DTL (dirft tube linac) 과고주파를발생시키고공급하기위한장치로구성되어있다 ( 그림 1-1). 2단계에서는 60 MeV까지의가속장치를완성하고, 최종적인 100 MeV 가속장치는 3단계에서완성된다. 사업단의중요한목표중하나는 20 MeV 양성자빔과 100 MeV 양성자빔을사용자그룹에제공함으로써 NT, BT, IT, ST 등기초 / 응용과학분야및산업기술분야에폭넓게활용하는것이다. 20 MeV 양성자빔을사용자에게제공하기위해서는빔인출장치와이장치로인해발생하는빔정합문제를해결하기위한기능을갖는 MEBT (medium energy beam transport) 를제작해야한다. 따라서빔인출장치및분배장치까지의수송계, 그리고 MEBT의제작이 2단계기간중에중에너지가속장이개발과제에서달성해야할또다른중요한목표가된다. 그림 1-1. 사업단에서개발한 20 MeV 양성자선형가속장치구성도

31 양성자의질량은약 kg으로전자의질량에비해 1836배정도무겁다. 이렇게무겁다는사실이양성자가속기를복잡하게만든다. 즉, 전자가속기의경우전자총등에서발생한전자의속력이이미빛의속력의절반이넘기때문에에너지의증가에도불구하고속력은거의일정하게유지된다. 따라서가속장치가주기적인구조를이루기때문에상대적으로간단해진다. 그러나양성자의경우에는상황이달라진다. 사업단에서사용하고있는양성자발생장치는듀오플라즈마트론이다. 여기에서나오는양성자빔의에너지는 50 kev로서, 이는빛의속력의 1% 에해당한다. 양성자는운동에너지가 100 MeV에도달하는경우에도빛의속도의 43% 에불과하게된다. 따라서양성자빔의에너지가증가함에따라속력의차이가두드러지게되고, 각에너지구간에서효율적인가속장치의종류가변한다. 1970년대까지는이온원에서나온양성자를가속시키는장치로정전형가속기의일종인코크로프트-왈튼 (Cockroft-Walton) 가속기가많이사용되었다 ( 그림 1-2). 이장치는양성자에너지를보통 750 kev까지가속시키게된다. 그러나이가속장치는다음에오는 DTL (drift-tube linac) 가속장치에입사시키기위한번칭과정의효율성이떨어져서빔전류를높이는데한계가있다. 이를개선하는동시에가속효율을증대시키기위해개발된가속장치가 RFQ (radio-frequency quadrupole) 이다. RFQ의동작원리는 1960년대후반에모스크바에있는 ITEP (institute of theoretical and experimental physics) 에서 Kapchinsky가발명하였고, 1980년대초반에미국의로스알라모스국립연구소에서 POP (proof of principle) 란이름의 RFQ를처음으로제작, 운전하였다 [3-6]. 그림 1-2. 페르미국립연구소에있는 750 kv 코크로프트 - 왈튼형정전가속기 - 2 -

32 그림 1-3. 사업단에서개발한 3 MeV RFQ 를조립한모습. RFQ는양성자및중이온빔의가속, 빔의집속 (focusing), 번칭을동시에수행한다. 양성자의경우에너지를 2 3 MeV 까지가속시키는 RFQ가전세계적으로많이만들어지고있다. 사업단의경우에는양성자를 3 MeV까지가속시키는장치로 RFQ를채택하였고, 현재설계, 제작및시험이완료된상태다 ( 그림 1-3). RFQ 다음에오는가속장치는 DTL이다 [7-17]. 이장치는양성자빔의속력이빛의속도의 40% 정도까지가속시키는데효율적인가속장치다. 이는양성자빔의에너지로보면약 100 MeV에해당한다. 탱크와그안에들어가는 drift tubes로구성되어있다. 이 drift tube 안에사극전자석을넣어빔의집속에사용할수있다. 또한 drift tube로이루어진셀을구분하는구조가없기때문에일반적으로 (effective shunt impedance) 값이커지는장점이있다. 그러나에너지가높아지면 drift tube사이의거리가멀어지므로, (transit time factor) 와 값이모두작아지므로, 100 MeV 이상의양성자빔을얻기위해서는효율적인가속을위해서는다른가속장치를사용해야한다. 현재사업단에서는 20 MeV DTL을구성하는 4개의탱크에 drift tube를조립, 정렬한후고주파시험과빔인출시험을진행중이다 ( 그림 1-4)

33 그림 1-4. 조립후실험중인 PEFP 20 MeV DTL. 사업단은 20 MeV 양성자빔을사용자그룹에제공하는것을또하나의목표로삼고있다. 이점이지금까지건설된외국의가속기와는다르다. 즉 20 MeV 후단에빔인출장치가들어가며, 이장치는다음에오는 100 MeV 가속장치로빔을정합입사시키는역할도수행한다. 따라서사업단에서구상중인 MEBT (medium energy beam transport) 은보통의 MEBT이 RFQ와 DTL사이에오기때문에약 3 MeV 의빔을다루는것과달리 20 MeV의빔을다룬다는점과빔인출장치가온다는점을충분히고려해서설계되어야한다. 본과제는 1단계저에너지가속장치개발과제의성과를바탕으로 100 MeV 가속장치의설계를목적으로수행하였다. 이를바탕으로한상세설계를수행하여 60 MeV DTL 탱크하나가제작되었다. 또한위에서말한 MEBT에대한물리설계도수행하였다. 이와더불어 60 MeV 가속장치에필요한가속장치제어에대한분석을수행하였다. 이결과들은가속장치의제작뿐만아니라향후장치운영및양성자빔제공의기초가될것이다

34 제 2 장. 국 내외기술개발현황 현재사업단에서진행중인 100 MeV 선형가속장치개발은미국의 SNS (spallation neutron source)[18] 와일본의 J-PARC (Japan particle accelerator research complex)[19] 등에서개발중인가속장치의저에너지영역에해당하는기술과겹친다. 이기술의확보는향후기초 / 응용과학에쓰일수있는고에너지가속장치개발및중이온가속장치개발의토대를마련하는점에서뿐만이아니라제작된저 / 중에너지가속장치자체를과학및산업적으로활용할수있다는측면에서도중요한의의를갖는다. 현재전세계적으로대용량양성자및중이온가속장치를개발하기위한다양한프로젝트가진행중에있다. 대표적인프로젝트가미국의 SNS와일본의 J-PARC이다. 표 2-1에서는이러한프로젝트를목적과가속장치측면에서비교정리하였다. 계획중인프로젝트는표 2-2에정리하였다. 표 2-1. 현재진행중인대용량양성자가속장치개발프로젝트의비교. 국가연구기관프로젝트목적저 / 중에너지가속장치 한국 KAERI PEFP - BT, NT, ST, IT 등산업적이용 - 3MeV RFQ - 100MeV DTL 미국 Oak Ridge 국립연구소 SNS 일본 JAERI J-PARC - 핵파쇄중성자원 - 5개국립연구소 (ANL, BNL, LANL, LBNL, J-Lab) - 2.5MeV RFQ 의 - 87MeV DTL 공동개발 - 양성자, 중성자, 뉴트리노등을이용한 - 3MeV RFQ 기초및응용과학연구 - 50MeV DTL - KEK와공동개발 - 5 -

35 표 2-2. 현재세계각국에서추진중인양성자또는중이온선형가속기프로젝트. 국가연구기관프로젝트목적저 / 중에너지가속장치 Fermi Lab Proton Driver - Neutrino Factory 건설 - 87MeV [ RFQ + DTL ] Argonne - Radioactive Isotope Accelerator 미국 RIA - 200keV/u RFQ 국립연구소 - 수소에서우라늄까지의이온가속기 Brookhaven SNBF - Super Neutrino Beam Factory - 116MeV [ RFQ + DTL ] 국립연구소 - Superconducting Proton Linac - 3MeV RFQ CERN SPL - Neutrino Factory - 40MeV DTL 유럽 - 2.5MeV RFQ - ESS - Spallation Neutron Source - 20MeV DTL 미국, 유럽, 일본, - International Fusion Materials - 5MeV RFQ IFMIF 러시아등의공동개발 Irradiation Facility - 40MeV DTL - Injector of Proton for High Intensity Beam 프랑스 CEA IPHI - 3MeV RFQ - 중성자원, Neutrino 및 Muon 생산등 Proton - Neutrino Factory - 2.5MeV RFQ 영국 RAL Driver - ISIS Upgrade - 90MeV DTL 중국 IHEP CSNS - Spallation Neutron Source, ADS - 3.5MeV RFQ 인도 CAT Proton Driver - Spallation Neutron Source, ADS - 3MeV RFQ - 20MeV DTL - 6 -

36 제 1 절. 외국의가속기프로젝트 다음은현재진행중이거나계획중인외국의가속기프로젝트중일부를좀 더자세하게정리한것이다. 미국의 SNS (Spallation Neutron Source) [16, 20, 21] 미국의 SNS(Spallation Neutron Source, 그림 2-1-1) 프로젝트는선형가속기와저장링을이용하여양성자를 1GeV로가속시킨후얻어지는 1.4 MW의양성자빔을수은표적에때려발생하는중성자를생명과학, 재료과학및기초과학연구와산업에의응용연구등에이용하는것이목적이다. 현재미국의 Oak Ridge 국립연구소에 2006년완공을목표로건설중에있으며, ANL(Argonne National Laboratory), BNL(Brookhaven National Laboratory), JLab(Tomas Jefferson National Laboratory), LANL(Los Alamos National Laboratory), LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratoy), ORNL(Oak Ridge National Laboratory) 이공동제작하고있다. ( 표 2-1-1). 그림 미국 Oak Ridge 국립연구소에건설중인 SNS

37 표 SNS 참여기관및역할. 기관 LBNL LANL JLab BNL ORNL, ANL 역활 RFQ DTL, CCL SRF Linac 저장링 Target(ORNL) 및장치 (ANL, ORNL) 표 및그림 2-1-2에서보는바와같이 SNS의선형가속장치는 2.5 MeV RFQ, 87 MeV DTL ( 그림 2-1-3), 186 MeV CCL (coupled cavity linac), 1GeV 초전도가속공동으로이루어져있다. 초전도가속공동은 용과 의두종류로나뉘어져있다. DTL 까지의공진주파수는 MHz 이고그이후에는 2 배인 805 MHz를사용한다. 선형가속기에서는 이온을가속시킨다. 이는스트리핑포일을이용해전자를제거한후에얻어지는양성자를저장링에입사시키기위한기술적인이유때문이다. 양성자와 이온의질량은거의같기때문에가속장치의구조에는차이가없다. 사업단에서도사용하는 DTL 가속장치는 이온을 87 MeV까지가속시키고, 그후에는 CCL을이용하여 186 MeV까지가속시킨다. 표 SNS 선형가속기의규격. 종류에너지빔전류 RFQ DTL CCL SRF cavities (2종류) 2.5MeV 87MeV 186MeV 1GeV 18mA (peak) 그림 SNS 선형가속기의개념도

38 그림 SNS DTL. 일본의 J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) [17, 22, 23] J-PARC은양성자, 중성자및뉴트리노빔을만들어핵 / 입자물리학등의기초과학및첨단산업분야에서의응용을목적으로하는프로젝트로서일본원자력연구소 (JAERI) 와일본고에너지가속기연구소 (KEK) 가공동으로제작한다, 현재건설중인곳은일본원자력연구소도까이무라연구소로 2007년에완공예정이다. J-PARC에서개발중인가속장치는그림 에서보는바와같이 400MeV 선형가속기, 3GeV RCS(Rapid-Cycling Synchrotron), 50GeV MR(Main Ring) 으로구성된다. 특히사용되는선형가속기를표 및그림 에정리하였다. 그림 J-PARC 의가속기구성

39 표 J-PARC 선형가속기의규격. 종류에너지빔전류 RFQ DTL SDTL ACS 3MeV 50MeV 190MeV 400MeV 50 ma (peak) 그림 J-PARC 선형가속기의개념도. J-PARC에서는싱크로트론에양성자빔을입사시키는기술적인이유때문에선형가속기에서는 이온을가속시킨다. J-PARC DTL은 이온을 50 MeV까지가속시킨다. 다음에오는선형가속장치는 190 MeV까지는 SDTL(separated drift tube linac) 을사용하고 400 MeV 까지는 ACS (annular coupled structure) 를사용한다. 후에초전도가속공동을 ACS에연결하여 600 MeV까지에너지를높이는확장계획을가지고있다. 프랑스 IPHI (Injector of Proton for High Intensity beam) Project [24, 25] 대용량양성자가속기중저에너지가속장치는이온온, RFQ, DTL 등으로구성되는것이일반적인기초기술로서다음에오는가속장치에따라다양한응용가능성을갖는장치로확장할수있다. 예를들면중성자원으로의활용, 뉴트리노및뮤온의생산및실험, Exotic Ion의생산및응용, IFMIF(International Fusion Material Irradiation Facility) 등다양한분야에이용될수있다. IPHI는프랑스의 CEA에서추진하는프로젝트로목표는첫째가양성자의경우 100mA, Deuteron의경우 145mA의빔전류를내는 CW 이온원개발이고, 두번째가 3MeV RFQ 개발이다. 특히낮은에너지영역까지초전도가속공동을확장하여적용하기위한연구, 개발에중점을두고있다 ( 그림 2-1-6)

40 그림 IPHI 가속기의 3 차원그림. 미국 RIA(Radioactive Isotope Accelerator) Project [26] 미국의 Argonne 국립연구소에서추진하는프로젝트로서, 수소에서우라늄사이의 모든원소에대해서다양한전하상태의이온을만든후, 1.4GeV 이온가속기를이용 해 400kW 빔을만드는것이일차적인목적이다. 선형가속장치는우선 ECR 이온원 등에서만들어진이온을 RFQ 를통해에너지를 12 kev/u 까지가속시킨다. 다음에 오는가속장치는초전도가속공동이된다. 저에너지초전도가속공동에서에너지를 200 kev/u 까지, 중에너지초전도가속공동에서 89 MeV/u 까지, 고에너지초전도가 속공동에서 400 MeV/u 까지가속시킨다. 동에대한 R&D 및기본설계가진행중이다 ( 그림 참조 ). ECR RFQ Low β SRF St. 1 현재 RFQ 와다음에오는초전도가속공 q=28,29 12 kev/u 200 kev/u Medium β SRF St MeV/u q=72,73,74,75, MeV/u Beam 89.0 MeV/u q=86,87,88,89,90 High β SRF β=0.81 β=0.61 β=0.49 그림 RIA 가속기의개념도

41 독일 GSI 가속기 Upgrade Project [27] GSI는독일의대표적인가속기연구소중하나다. GSI에있는가속기는선형중이온가속기인 Unilac, 중이온싱크로트론인 SIS, 저장링인 ESR로이루어져있다. Unilac(UNIversal Linear ACcelerator) 은 MEVA(MEtal Vacuum Vapor Arc ion source) 이온원과 RFQ와 DTL로이루어진입사기부분과알바레츠 (Alvarez) 형의 DTL 및하나의갭으로이루어진가속공동으로이루어진다. SIS는핵자당에너지가 50~2000MeV가되도록이온을가속시킨다. 이렇게가속된이온은 ESR 저장링으로보내지거나실험장치로보내진다. ESR 저장링의경우전자를이용한 Cooling을거친후에이온빔을저장한다. SIS에서가속된이온빔중일부는표적과의충돌을통해방사성핵 (Radioactive Nuclei) 을만들기위해사용된다. 생성된방사성핵은자석을이용한분리장치인 FRS을거친후에 ESR 저장링이나실험장치로보내진다. 현재독일정부의승인하에가속기업그레이드계획인 FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) 프로젝트가진행중이다 ( 그림 참조 ). present GSI SI S 100/ 300 UNI LAC Proton Linac SI S12 FRS projected FAI R ESR SFRS HESR CR / RESR NESR e-a collider 그림 GSI 가속기업그레이드

42 z 미국 Fermi Lab의 Proton Driver Project [28] 가속기를 이용한 기초연구 분야 중 하나가 입자물리학 분야로서 충돌형 가속기를 사 용한다. 미국의 대표적인 가속기 연구소 중 하나인 Fermi 국립연구소에서는 에너지가 수 GeV 정도 되는 수 MW급 양성자 빔을 만들고, 이를 이용해 뉴트리노 빔을 대량 으로 만드는 뉴트리노 슈퍼빔 (또는 뉴트리노 팩토리) 프로젝트를 계획하고 있다. 이 런 목적의 가속장치도 처음 도입부에는 RFQ와 DTL이 가속장치로 들어가게 된다. (그림 2-1-9) 그림 Fermi Lab. 의 super-neutrino 프로젝트를 위한 proton driver 계획도. z 유럽 CERN의 SPL(Superconducting Proton Linac) Project [29] 유럽의 대포적인 가속기 연구소인 CERN도 위에서 설명한 neutrino factoty 건설을 위한 프로젝트를 계획하고 있다. CDR-1 (conceptual design report)에서는 LEP에 나 온 가속공동과 클라이스트론을 사용하는 것으로 계획했으나, 곧 발간될 CDR-2에서는 초전도 가속공동을 사용하는 계획으로 수정되었다. 빔 에너지는 2.2 GeV이고, 4 MW 급의 양성자 빔(CDR1 기준, 그림 )을 만들어낸다

43 그림 SPL Layout. 미국 BNL 의 SNBF Project [30] 미국의또다른가속기연구소인 BNL (Brookhaven national laboratory) 에서도 super neutrino beam factory 프로젝트를추진하고있다. 에너지를 1.2 GeV까지가속시키는새로운 SCL (super-conducting linac) 의건설과기존의 AGS 업그레이드를통해 1MW급양성자빔을만드는것을목표로한다. 저에너지선형가속기로는 RFQ와 200 MeV DTL이있다 ( 그림 ). 그림 BNL 의 super neutrino beam factory

44 영국 RAL 의 ISIS Upgrade Project [31] 영국의대포적인연구소인 RAL (Rutherford Appelton laboratory) 에서는 ISIS upgrade project를진행하고있다. 여기에는 linear collider 기초연구와 neutrino factory 건설이포함된다. upgrade 계획은 180 MeV 급의새로운선형가속기를만드는것이핵심이다 ( 그림 ). 그림 ISIS 업그레이드계획 (phase I). 인도의 Proton Driver Project [32] 인도에서도 100 kw 급핵파쇄중성자원으로사용될가속기프로젝트가진행중이다. 현재 RFQ 를디자인하는단계이고, 그림 에서보는바와같이사업단의 RFQ 설계를참조하고있다. 그림 인도 CAT 가속기팀의 RFQ 설계

45 제 2 절. 선형가속기기술현황 DTL은 1950년대 Alvarez 등에의해제안된가속장치로서 영역에서양성자나중이온을가속시키기에적합한장치다 [7-15]. 모드에의해양성자빔을가속시킬수있는원통형가속공동을생각해보자. 이때가속공동의길이 보다길어지게되면양성자는가속위상뿐만아니라감속위상도느끼게되므로효율적인가속장치가될수없다. 이를해결하기위해서 drift tube라불리는구조물을가속공동안에삽입한다 ( 그림 2-2-1). drift tube에는빔이지나갈수있는구멍이나있으며, 이구멍에서는 cutoff 주파수보다낮은주파수를가진파가도파관을지날때와같이 RF 전기장이줄어들어없어지게된다. 따라서이구멍안에있는양성자는가속공동의전자기장을느끼지못한다. 따라서감속위상일때양성자가이구멍안에있도록하면가속과감속을동시에겪는문제를해결할수있게된다. 이런 drift tube는원통형가속공동을길이가 인셀로나누는경계역할을하게된다. 양성자의속력이증가하면셀의길이도증가한다. 모든셀에있는전자기장의위상은같게되며, 이런모드를 zero mode라부른다. 이러한가속장치가 DTL (drift tube linac) 이다. 그림 DTL 의개념도 : 원통형가속공동안에 drift tube 가들어간구조임. DTL 에있는하나의셀에 Faraday 법칙을적용해보자. 이때빔이지나는축과셀 의경계를이루는벽으로구성된사각형모양의경로를생각하면전기장은다음과같 이구해진다., 여기서 는자기장플럭스를나타낸다. 셀의길이가 이므로, 만약가속공동의모든 셀에서단위길이당자기장플럭스가같게되도록튜닝되었다면, 는가속공동내에 서상수가된다. 자기장은 bead perturbation 방법을사용하면측정할수있다. 만약가

46 속공동의지름을일정하게유지하고각셀에서 가원통방향으로같은분포를갖는다면, 단위길이당자기장플럭스와 를일정하게만들수있다. 이경우에각셀에서의전압은 로주어지므로, 셀의길이인 의변화만큼달라진다. DTL에들어가는 drift tube는 stem에의해가속공동의외벽에달리게된다. 가속공동의외벽과 drift tube에흐르는전류의흐름은항상동기되어있기때문에, stem을흐르는 net current는항상없다. 그러나 stem의표면에서자기장의시간변화에의해유도되는 eddy current 효과에의한 RF 손실은발생한다. 비록각셀에서의 값은일정하지만, gap에서의전기장이나 drift tube 상의 peak electric filed는 gap의길이와 drift tube의구조에따라달라지게된다. drift tube가들어간 DTL을 coaxial resonator로생각할수도있다. 특히 gap의길이가작은경우에이런관점이잘적용된다. 이때 drift tube에서는 conduction current 가흐르고, gap에서는 displacement current가흐르는것으로생각할수있다. 이런관점에서보면, drift tube 밖에서는거리에따라자기장의크기가작아지는것을이해할수있다. DTL의각셀을하나의가속공동으로생각하고, 각셀이연결된구조로도생각할수있다. 각 drift tube의 electric center에서는대칭성때문에전기장이 longitudinal 방향만갖게된다. 따라서이위치에도체벽을삽입한다고가정해도전자기장의분포나공진주파수가변하지않게된다. 도체벽이있으면, 전자파손실이발생하므로바람직하지않지만, DTL을각셀이하나의가속공동으로구성되고그것이연결된구조라는개념으로이해하는데는도움이된다. 이때는각각의가속공동에서 drift tube 사이를 capacitor로, drift tube와도체벽, DTL 외벽을경로로하는 inductance를갖는 lumped circuit으로생각할수있다. 이때평행판축전지로근사하여 capacitance를 로 inductance를 로쓸수있다. 여기서 D는 DTL 탱크지름, d는 drift tube 지름, g는 gap 길이, 셀길이는 가된다. 이때공진주파수는 가된다. Transverse 방향으로빔을집속시키기위해서 drift tube 안에사극자석을넣게된다. 양성자의에너지가작은경우에는전자석을넣기위한공간이작아지므로빔의집속이어려워진다. 에너지가낮은경우에집속의필요성이증대하는경우에는 DTL 을사용한다. 이때는셀의길이를두배로길게하거나, 당하나의가속 gap을넣어서사극자석이들어갈공간을확보한다. 그러나셀의길이가늘어나면 inductance가커지므로공진주파수를맞추기위해서는 capacitance가작아져야한다. 따라서 gap 간격이커지므로 transit time factor와 effective shunt impedance가작아진다. 즉가속효율이나빠진다. 예를들어 인 DTL 가속공동의공진주파수가 350 MHz인경우에 band

47 width는 7 khz가된다. 주파수를 band width안에서맞추기위해서는 tuning과정이필요하다. 일반적으로 tuning은 2단계과정을거친다. 첫번째는공진주파수를약 100 khz 안에서맞추는과정이다. 이때는 DTL 탱크외벽에설치된 slug tuner를이용하며, 이과정에서기울어진전자기장도수정하게된다. 두번째는보다정밀한 tuning과정으로냉가수의온도제어를통해구현된다. 전형적인비례상수는냉가수온도가 F 변하는데따라공진주파수가수 khz 변하는것이다. 이과정를통해공진주파수를 band width 안에서맞춘다. DTL 가속공동안에서전자기장의안정성을확보하기위해서 post coupler를설치한다 ( 그림 2-2-2). 이때 post는 DTL 탱크외벽에서 drift tube 바깥쪽벽근처까지도달한다. 따라서 post의끝과 drift tube 사이의공간을통해, 가속모드인 모드와전기적으로결합한다 (capacitively coupled). 비록보통의 coupled cavity와는달리이웃한두셀은이미강하게결합되어있지만, 이러한공진결합 (resonant coupling) 에의한전자기장의안정성이확보된다. 이를통해가공및조립시발생하는오차에따른전자기장분포의변화가적어지고파워에의존하는위상변화도상쇄되는효과가있다. 그림 DTL 탱크 : drift tube, drift tube 를 DTL 탱크에연결하는 stem, 전자기장의 안정성을증대시키는역할을하는 post coupler 로구성되어있다. DTL은상술한바와같이 구간에서양성자나중이온을효과적으로가속시키는장치로서셀사이에벽이존재하지않기때문에 ZTT (effective shunt impedance) 값이커진다는장점과빔의집속을위한사극자석을 drift tube 안에넣을수있다는장점을갖는다. 현재사업단의양성자가속기에사용되는 DTL 뿐만이아니라, 전세계적으로볼때매우많은수의 DTL이제작운영되고있다. 이장치들의설계값을비교해보는것은그자체로여러가지정보를제공해준다. 표 에수집한

48 표 외국의 DTL 가속장치의 parameter 정리. parameters (Unit) PEFP SNS J-PARC LANSCE (LAMPF) FNAL BNL ANL KEK energy (MeV) 3~ ~86.8 3~ ~ 100 ~ ~ ~ 50 ~ 40 Current(peak) (ma) Duty 1.5~24 % 6 % 1.4 % - RF frequency (MHz) tank diameter (cm) ,90,88,88-94 ~ DT diameter (cm) (1), ~ Bore radius (cm) ~ ~ 1.5 (1.5 ~ 3.0) 1.25 ~ ~ ~ DT face angle (degree) lattice - FFDD FFODDO - - FODO FODO - FODO magnet type - EM PM EM (eqipart.) integrated quad (T) gradient (GL) (3.5cm) (average) (3.92cm) 2.2 ~ tank # synchronous phase (degree) -30 (1:-45~ -28) (6:-28~ -49)

49 표 계속 parameters (Unit) CERN INR ( 러시아 ) ISIS/RAL DESY GSI ISAC energy (MeV) 0.75 ~ ~ ~ ~ /u ~1.5/u Current (ma) Duty RF frequency (MHz) tank diameter (cm) ~ DT diameter (cm) ~ Bore radius (cm) ~1.5-1 ~ 1.6 DT face angle (degree) lattice Quad. triplet (FDF-DFD-...) magnet type integrated quad gradient (GL) (T) tank # IH 5 (IH tanks) synchronous phase (degree)

50 정보를정리하였다. 다음은각연구기관의가속장치에대해간략하게정리하였다. 특히미국의 SNS와일본의 J-PRAC의경우에는저에너지영역에서의선형가속기구성과사양이사업단에서개발중인가속장치와매우유사하기때문에좀더자세히기술한다. 페르미국립연구소 [33, 34, 35] 페르미연구소의 DTL은 1960년대에디자인된양성자가속기로서처음에는 9개의가속공동으로구성되었다 ( 그림 2-2-3). 이 DTL를사용하면양성자빔을 201 MeV 까지가속시킬수있고, peak current는 100 ma 다. 그후 multi-turn charge exchange 방법으로양성자를 booster에입사시키기위해서 이온원으로교체하였다. 처음에는 peak current가 25 ma로시작하였고, 서서히증가시켜 55 ma까지도달하였다. 1993년에에너지를 400 MeV까지증가시키기위해 DTL중마지막 4개의가속공동을 805 MHz에서동작하는 side coupled cavity로교체하였으며, 남은 DTL 은 MeV까지가속시키게된다. magnetron에서빔전류가 ma 의 빔이나온뒤, Cockroft-Walton 가속기에의해 750 kev까지가속된다. 이빔은 4m와 10m 길이의빔수송계를지나 buncher cavity를통과하면서 bunching이일어난다. 이빔이 DTL에들어간다. 그림 페르미국립연구소의 DTL

51 LANSCE (Los Alamos Neutron Science Center) [36, 37] 1993년부터 1995년사이에 Los Alamos에있는빔전류 1 ma, 에너지 800 MeV 인양성자선형가속기의용도가중에너지핵물리및입자물리에서핵물리로변경되었다. 이를위한가속기및표적의개선작업과함께프로젝트이름도 LAMPF (Los Alamos meson physics facility) 에서 LANSCE로바뀌었다 ( 그림 2-2-4). LANSCE에있는선형가속기는두개의 750 kev Cockroft-Walton injector로구성되어있다. 하나는양성자용이고다른하나는 이온용이다. 양성자및 빔은각각의 LEBT (low energy beam transport) 를거친후공통의 LEBT를지난후 DTL에들어간다 ( 그림 2-2-5). 각빔에설치된 LEBT에는사극전자석이설치되어있어서양성자또는 빔을 transverse 방향으로정합하여 DTL에들어가게해준다. 또한각 LEBT와공통 LEBT에는 buncher가설치되어빔을 bunching시켜주고 longitudinal 방향으로정합입사를도와준다. DTL에서는양성자또는 이온빔을 750 kev에서 100 MeV까지가속시키며, MHz 에서동작한다. 100 MeV 빔은 transition region을거친후에 SCL (side coupled linac) 로들어간다. 이가속장에의해빔의에너지는 100 MeV에서 800 MeV까지증가한다. peak current는 ma다. 그림 LANSCE 가속기및시설의 layout

52 그림 LANSCE 에있는 DTL: 4 개의 MHz DTL 을 이용하여 750 kev 에서 100 MeV 까지가속시킨다. BNL (Brookhaven National Laboratory) [38, 39] BNL에있는 200 MeV 선형가속기는 35 kev magnetron 표면프라즈마이온원, 201 MHz RFQ, MEBT (medium energy beam transport) 와 200 MeV DTL로구성되어있다 ( 그림 2-2-6). RFQ에서는에너지를 750 kev까지올린다. 이러한선형가속기는 AGS (alternating gradient synchrotron) Booster의 injector 역할을하거나 Brookhaven Isotope Resource Center에빔을공급한다. 그림 BNL MEBT 와 750 kev transport line

53 ANL (Argonne National Laboratory) [40, 41, 42] ANL의 50 MeV 선형가속기는 ZGS (Zero Gradient Synchrotron) 의 injector로설계되었으나 1981년부터는 IPNS (Intense Pulsed Neutron Source) 의 450 MeV RCS(rapid cycling synchrotron) 의 injector로사용되고있다 ( 그림 ( 좌 )). 선형가속기는 magnetron 형의 이온원, 750 kev Cockcroft-Walton형정전가속기 (preinjector로도부른다 ), 50 MeV DTL로구성되어있다. DTL은 MHz에서동작하며, 길이는 33.5 m 다. 50 MeV 빔을 RCS로전달하는빔라인은 8개의 sector dipole, 16개의 quadrupole, 여러개의 VSM (vertical steering dipole) 로구성되어있다 ( 그림 ( 우 )). 그림 IPNS 의가속기구성 ( 좌 ) 과 50 MeV 빔수송계의 layout( 우 ). KEK [43, 44] KEK는일본을대표하는가속기연구소로서현재 JAERI와공동으로 J-PARC 프로젝트를수행하고있다. KEK에있는 40 MeV 양성자선형가속기는 prebuncher, 20 MeV DTL, 40 MeV DTL, debuncher로구성되어있다 ( 그림 2-2-8). 이선형가속기는 500 MeV Booster Synchrotron의입사기역할을수행한다

54 그림 KEK 40 MeV 양성자선형가속기와빔라인의 layout. CERN [45, 46, 47] CERN은유럽의대표적인가속기연구소로서, 다양한종류의가속기를갖추고있다 ( 그림 2-2-9). 그중현재가동중인 hadron 선형가속기는 50 MEV DTL (LINAC 2) 와 4.2 MeV/u 중이온가속기 (LINAC 3) 가있다. LINAC 2 는빔전류가 300 ma인 duoplasmatron 이온원과 750 kev RFQ, DTL로구성되어있다 ( 그림 ). RFQ는 4-vane 형으로서 Cockcroft-Walton형 preinjector를대체하기위해설치되었다. 선형가속기는 1.4 GeV PSB (proton synchrotron booster) 의입사기역할을한다. 그림 CERN 의가속기구성

55 그림 CERN LINAC 2 의 DTL. LINAC 3는 1994년부터가동되기시작하였고, 현재는 빔을제공하고있다 ( 그림 ). 14 GHz ECR 이온원에서는 2.5 kev/u 의에너지를갖는 이온이만들어지고, RFQ와세개의 IH형탱크를거쳐, 에너지가 4.2 MeV/u가된다. 이이온빔은 carbon foil을통과한뒤 53+ 전하상태근처의이온들로변화하며, 자기장 filter를이용하여 53+ 이온만선택해 PS Booster나다른원형가속기로보낸다. 그림 CERN LINAC 3 전경

56 INR (Institute for Nuclear Research) [48, 49] INR은러시아의대표적인원자력관련연구소로서 600 MeV 선형가속기를갖추고있다. 가속기는 400 kev 입사기, 750 kev RFQ, 5개의탱크로이루어진 100 MeV DTL, 27 개의 600 MeV 선형가속기 (Disk-Washer type) 로구성되어있다. 특히 160 MeV에빔을인출하기위한시스템을갖춘것이사업단의 MEBT과비슷한점이다 ( 그림 ). 그림 INR 의 160 MeV 빔인출계의개략도및진단장비의구성. RAL (Rutherford Appleton Laboratory) [50, 51] RAL의 ISIS는물리, 화학, 재료, 생물, 공학등다양한분야의이용자에게중성자와 muon을제공해주는역할을수행한다. ISIS 선형가속기는 Penning 이온원과 665 kev Cockcroft-Walton 가속기로구성된입사기와 70 MeV DTL로구성되어있다 ( 그림 ). 이온빔의 peak current는 22 ma, 펄스폭은 200 다. 이빔은다음에오는 800 MeV proton synchrotron에들어간다

57 그림 ISIS DTL. DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) [52, 53, 54] DESY는독일의대표적인가속기연구소로서, 양성자와전자의충돌실험을실시한다. 양성자선형가속기인 LINAC-III의구성은다음과같다. magnetron 형태의이온원에서 20 kev의 이온이만들어지고, RFQ를통해 750 kev 까지가속된다 ( 그림 ). 다음에오는것은 50 MeV DTL 이다. 50 MeV 빔은 8 GeV synchrotron (DESY II) 에들어간다. 그림 DESY LINAC III 의입사기구성

58 GSI [55, 56, 57] DESY와함께독일의대표적인가속기연구소인 GSI 의선형가속인 Unilac (UNIversal Linear ACcelerator) 은 MEVVA (MEtal Vacuum Vapor Arc ion source) 이온원, RFQ, IH-DTL로이루어진입사기부분과알바레츠 (Alvarez) 형의 DTL 및하나의갭으로이루어진가속공동으로이루어진다 ( 그림 , 16, 17). 보통 DTL이라부르는것은알바레츠형이며, GSI에서는 Widero 형의 DTL을알바레츠형으로바꾼것이다. 이들이온은남아있는전자를제거한후에중이온 synchrotron인 SIS에들어간다. 우라늄의경우선형가속장치에서 28+ 가이온에서 SIS에들어갈때에는 73+ 가이온으로변화한다. 그림 GSI 의 RFQ 와 IH-DTL(IH1 과 IH2). 그림 GSI 의알바레즈형 DTL

59 그림 GSI 의 single gap resonators. ISAC at TRIUMP [58, 59, 60] ISAC 선형가속기는 RFQ와 DTL로이루어져있다. RFQ는 인이온을 2 kev/u에서 150 kev/u 로가속시키는역할을수행한다. DTL은 인이온의에너지를 150 kev/u에서 1.5 MeV/u로높이는역할을한다. ISAC DTL은그림 에서보는바와같이다섯개의 IH형 (interdigital H-type) 탱크 (A 로포시 ) 와 3개의 buncher (B 로표시 ), 4개의 quadrupole triplet (C 로표시 ) 로구성된다. IH형탱크 ( 그림 ) 의동기위상은 로서빔을가속시키는역할을한다. 동기위상이 인 buncher cavity ( 그림 ) 를사용하며 longitudinal 방향으로빔을집속하며, transverse 방향의집속은 quadrupole triplet이담당한다. 이러한구조의 DTL은 shunt impedance가높다는장점이있다. 그림 ISAC 의 DTL 구조 :(A) IH 형탱크, (B) buncher, (C) quadrupole triplet

60 그림 ISAC DTL 을이루는 IH 탱크. 그림 ISAC DTL 을이루는 buncher cavity

61 제 3 장. 연구개발수행내용및결과 제 1 절. 선형가속기설계및제작 1. 서론 사업단에서 1단계사업기간동안 3 MeV RFQ (radio frequency quadrupole)[61, 62, 63], 20 MeV DTL (drift tube linac)[64-69] 을설계, 제작하였으며, 60 MeV DTL 탱크중탱크하나를제작하였다. 사업단에서는 20 MeV 양성자빔을사용자에게공급하려는계획을가지고있으므로, 20 MeV 다음에는빔인출장비가와야한다. 이장치가차지하는공간으로인해다음에오는 60 MeV DTL 탱크에빔을정합시키는문제가발생한다. 이문제는 MEBT (medium energy beam transport) 를사용하여해결할수있다 [70]. 외국의경우 MEBT은 RFQ와 DTL 사이에오지만 [71, 72, 73], 사업단의경우에는 20 MeV 빔인출의특성상 20 MeV DTL 다음에반드시 MEBT가와야하며, 여기에빔인출장치가들어간다. MEBT의도입은 60 MeV DTL의설계를이전의 DTL 탱크와는독립적으로할수있다는장점을제공한다. 즉빔의 matching은 MEBT을통해달성하고, 60 MeV DTL은가속효율을좋게만들도록새로설계할수있게된다. 이러한설계는 100 MeV DTL 까지확장할수있다. 다만, 에너지가높은영역에서는 drift tube 사이의 gap이커짐에따라 ZTT (effectivce shunt impedance) 가낮아진다. ZTT는가속효율을나타내는양이므로설계의변경을통해 ZTT를높게유지해야한다. 표 은사업단의저에너지가속장치개발에적용된가속기파라메터를보여준다. 이러한기본파라메터는 20 MeV 이후의가속장치설계에도적용된다. 여기서는 100 MeV 가속장치를 DTL로하는경우에대한가속장치설계와 20 MeV 이후의첫번째가속공동제작에대해설명한다. 표 사업단의가속기기본파라메터. 가속입자공진주파수운전방식펄스폭반복률빔 duty 양성자 350 MHz 펄스 2 msec 이하 120 Hz 이하 24% 이하

62 2. DTL 파라메터의결정 DTL은기본적으로 로동작하는원통형탱크에그림 에서보는바와같이 drift tube가설치되는구조를갖고있다. drift tube는탱크안에서가속되는양성자가감속위상을경험하지않도록하는것이목적이다. 각 drift tube의중간에서다음 drift tube 중간까지를하나의셀이라고한다. 셀의길이는 로주어진다. 이러한 drift tube의기본구조는그림 에보여준다. 다음에오는계산은 POISSON/SUPERFISH[74] 코드를사용하였다. 그림 DTL 탱크안에 drift tube 가조립된모습. 그림 drift-tube 의구조 : 맨아래선이빔이지나는축

63 결정해야하는파라메터로는탱크의지름, drift tube의지름, face angle, bore radius, corner radius, flat length, inner and outer corner radius, stem diameter 등이다. stem은 drift tube를탱크외벽에고정시켜주는지지대역할을수행하며, 냉각수의통로, 사극전자석에쓰이는전선의통로가된다. 이를고려하여 stem diameter는 38 mm로결정하였다. 이러한파라메터를결정하는기본적인방식은가속효율을증가시키도록하는것이다. 가속효율은 ZTT (effective shunt impedance) 로나타내는데다음과같은식으로주어진다. 여기서 는가속전압, 는파워, 는 transit time factor를나타낸다. 에너지가 20 MeV 60 MeV 영역의 DTL에서는 ZTT가주로 transit time factor에의해결정된다. 이값은 drift tube 사이의거리가멀어지면작아지므로, 에너지가높아지면작아지는것이일반적인경향이다. 그러나각각의파라메터를실제로결정할때에는다른요소들이개입하는경우가있으며, 이런경우에는가속효율과새로운요소사이의타협에의해파라메터가결정된다. 다음은각각의파라메터를결정을보여준다. 탱크지름 : 가장먼저결정해야하는것은탱크의지름이다. 이값은공진주파수가 350 MHz 라 는사실에서기본적인크기가결정된다. 즉내부에 drift 가없는원통형가속공동이라 면, 공진주파수 (f) 와가속공동지름 (D) 사이에는다음과같은관계가있다. 공진주파수가 350 MHz인경우에는지름이 66cm가된다. DTL은안에복잡한구조물이있으므로지름이이값에서약간벗어날것을예상할수있다. 그림 은탱크의지름에따라 DTL의 ZTT에어떻게변하는지보여준다. 이를통해탱크지름을 540 mm로결정했다. 그림에서에너지가증가함에따라 ZTT가감소하는경향을확인할수있다. 최종지름은 slug tuner, post-coupler, stem 에의한주파수보정을한후결정된다

64 drift tube 지름 : drift tube 지름이줄어들면 capacitance가작아지므로이를보상해주기위해 gap이줄어들어야한다. 따라서 ZTT가커진다 ( 그림 ). 그러나전자석이들어갈공간을확보하기위해서는지름이커져야한다. 전자석을고려하여지름을 135 mm로결정하였다. face angle: face angle이커지면 capacitance가작아지므로 drift tube의경우와같은이유로 ZTT가커진다 ( 그림 ). 60 MeV DTL의처음에들어오는양성자의에너지는 20 MeV 이므로셀길이는약 17 cm 정도로크기때문에, 전자석이들어갈공간을고려하더라고 face angle을충분히크게만들수있다. 이설계에서는 face angle을 40도로결정하였다. bore 반경 : bore는빔이지나가는통로다. bore 반경이커지면상대적으로 bore에 RF가많이들어가므로 transit time factor 또는 ZTT가작아진다. ( 그림 ). 따라서반경이작은쪽이가소효율이좋다. 그러나너무작은값을선택하면빔손실의위험이커진다. 이설계에서는 10 mm를선택하였다. 이값은나중에나올빔동력학계산에서정합입력빔의반경의약 3배에해당하는값이다. corner radius, flat length, inner and outer corner radius: 그림 에서 까지에서보는바와같이이변수들은 ZTT에거의영향을주지않으므로 20 MeV DTL에서사용한값을그대로사용하였다. 이상을정리한것이표 다. 집속구조는 20 MeV DTL과같은 FFDD를선택했다. 이파라메터값에의한 ZTT는그림 에주어진다

65 표 DTL의기하학적파라메터. 변수 값 탱크지름 540 mm drift tube 지름 135 mm bore radius 10 mm face angle 40 도 stem diameter 38 mm corner radius 5 mm inner nose radius 2 mm outer nose radius 2 mm flat length 3 mm lattice FFDD integrated magnetic field 1.75 T 그림 탱크지름에따른 ZTT 변화

66 그림 drift tube 지름에따른 ZTT 변화. 그림 face angle 에따른 ZTT 변화

67 그림 bore 반경에따른 ZTT 변화. 그림 corner radius 에따른 ZTT 변화

68 그림 flat length 에따른 ZTT 변화. 그림 inner nose radius 에따른 ZTT 변화

69 그림 outer nose radius 에따른 ZTT 변화. 결과적인 ZTT (effective shunt impedance) 는그림 에주어진다. 그림 , effective shunt impedance

70 3. 집속구조 ( 또는 lattice) 의결정 현재 20MeV DTL에사용된집속구조는 FFDD를사용한다. 60MeV DTL은 MEBT 다음에오므로 20MeV DTL과는독립적인집속구조가가능하다. 또한외국에있는많은 DTL의경우, FODO lattice구조를사용하므로새로설계되는 DTL의집속구조로어떤구조가최적인지를조사하는것은의미있는일이다. PEFP 60MeV DTL의 lattice 구조를 20MeV DTL의 FFDD로하는경우와보통의 FODO로하는경우에, 빔동력학계산을통한비교를수행하였다. 이때 DTL과 DT의기하학적인구조는 20MeV DTL과동일한구조를사용한다. 단 face angle만 30도로변화시켰다. 또한 2개의클라이스트론에의해구동될 8개의탱크만사용하였다. 이계산에사용된파라메터값은표 에있다. 이값들은실제 DTL 최정파라메터값과는약간차이가있지만, 여기서얻은정성적인결과에는변화가없을것이다. 표 집속구조결정을위해사용된 DTL 파라메터. 변수 값 단위 공진주파수 350 MHz 입력에너지 20 MeV 사극전자석 Synchronous phase -30 도 가속전장 1.3 MV/m 입력빔 transverse emittance 0.23 mm-mrad longitudinal emittancce 0.15 deg-mev 운전온도 40 도 탱크지름 54 cm DT 지름 13 cm Bore 반경 1.2 cm DT face angle 30 도 DT flat length 0.3 cm DT corner radius 0.5 cm DT inner nose radius 0.2 cm DT outer nose radius 0.2 cm

71 가. 정합입력빔을사용하는경우 : TRACE 3D 계산 [75] TRACE 3D 코드를사용하여새로운 DTL 구조에정합입력되는빔을구하여사용한다. 이때는 MEBT을사용하지않는다. 이러한정합입력빔이 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과하는결과가그림 과그림 에주어진다. FODO 의경우 FFDD의경우보다 beam의최대크기와최소크기사이의진동폭이작아진다. 그림 FFDD 집속구조에서의정합입력빔 : TRACE 3D 계산. 그림 FODO 집속구조에서의정합입력빔 : TRACE 3D 계산

72 나. 정합입력빔을사용하는경우 : PARMILA 계산 [76] TRACE 3D의경우, 위상공간에서 twiss 파라메터를사용하여정합입력빔을표현한다. PARMILA 코드를사용하는경우에는여기에입자분포를더할수있다. 이계산에서는 6차원 waterbag 모델을사용하였다. 이모델은 6차원위상공간에서입자가균일하게분포한다. FFDD 집속구조와 FODO 집속구조에대응하는정합입력빔이그림 과 에주어진다. 연직방향의 trace space 에서기울기에약간의차이가있을뿐이다. 그림 FFDD 집속구조에서의정합입력빔. 그림 FODO 집속구조에서의정합입력빔

73 그림 와그림 은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과할때빔의최대크기와 rms 크기를보여준다. 이결과도 PARMILA 코드를사용해서얻었다. 이그림을통해각집속구조를통과하는빔의변동폭의변화를좀더잘이해할수있다. 그림 FFDD 집속구조에서의빔의최대크기와 rms 크기변화. 그림 FODO 집속구조에서의빔의최대크기와 rms 크기변화

74 그림 와그림 은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과할때수평 (x-축) 과수직 (y-축) 으로구성된연직방향과빔의진행방향에서의에미턴스변화를보여준다. 연직방향의에미턴스는 mm-mrad, 빔진행방향의에미턴스는 deg-mev 단위로보여준다. 정합입력빔을사용했기때문에두집속구조사이에에미턴스변화의차이가거의없다. 그림 FFDD 집속구조에서의빔의에미턴스변화. 그림 FODO 집속구조에서의빔의에미턴스변화

75 그림 와그림 은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과할때빔의 configuration plot을보여준다. 각그림에서위쪽은수평방향 (x-축), 중간은수직방향 (y-축) 에서의빔의크기를보여주며, 아래그림은빔의진행방향에서의빔의크기를위상의크기로보여준다. 두집속구조사이에큰차이가없다. 그림 FFDD 집속구조에서의 빔의 configuration plot. 그림 FODO 집속구조에서의 빔의 configuration plot

76 그림 와그림 는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과한후얻어지는출력빔을보여준다. 위쪽의두그림은 x-x' 및 y-y' 공간에서의빔을모습을보여준다. 아래왼쪽은 x-y공간에서의빔의모습이며, 오른쪽은 공간에의빔의모습이다. 연직방향의 trace space 에서는기울기에약간의차이가있을뿐이다. 두집속구조모두빔진행방향의 trace space 상에서는빔에약간의꼬리가생기는것을확인할수있다. 그림 FFDD 집속구조에서의출력빔. 그림 FODO 집속구조에서의출력빔

77 다. 20 MeV DTL 의출력빔을사용하는경우 : PARMILA 계산 앞에서분석한정합입력빔의경우에는입력빔을각집속구소에최적화시켰기때문에 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조사이에특별한차이를발견할수없었다. 여기에서는빔동력학계산의입력빔으로정합입력빔대신에 20MeV DTL의출력빔을사용하였다. 이때는간단한구조의 MEBT을사용한빔정합과정이들어간다. 이과정을거치지않게되면 60 MeV DTL에손실없이빔을입사시킬수없다. 그림 와그림 는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조에필요한정합입력빔을얻는과정을보여준다. 이계산에서는 TRACE 3D 코드를사용하였다. 이과정에사용된 MEBT은 8개의전자석 (effective length= 15cm) 과 2개의 buncher cavity로구성된다. 앞에있는 4개의전자석을사용하여, bending magnet이들어갈공간에서빔이퍼지지않도록한다. 뒤에있는 4개의전자석은 matching에사용한다. 그림 MEBT 을통한 matching: FFDD. 그림 MEBT 을통한 matching: FODO

78 이러한빔정합과정의타당성을보기위해서 MEBT과그다음에오는 DTL 가속구조에서의빔의진행을 TRACE 3D 코드를이용해계산하였다. FFDD 집속구조는그림 에, FODO 집속구조는그림 에보여준다. 두경우모두빔정합이잘이루어졌음을알수있다. 각경우에사용된 MEBT 파라메터는표 에주어진다. 그림 MEBT 과 DTL: FFDD. 그림 MEBT 과 DTL: FODO. 표 빔정합에사용된 MEBT 파라메터. PARAMETER FFDD FODO 단위 Q Q Q Q Q kg/cm Q Q Q BC BC MV

79 그림 은 PARMILA 코드에의해얻어진 20 MeV 출력빔을보여준다. 그림 과그림 는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조의 DTL 에빔을정합 시키기위한각 MEBT 후단에서의출력빔을보여준다. 그림 MeV 출력빔. 그림 FFDD 를위한 MEBT 출력빔. 그림 FODO 를위한 MEBT 출력빔

80 그림 과그림 은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조의 DTL을통과할때수평방향에서의빔의최대크기와 rms 크기를보여준다. FFDD 집속구조를사용하는경우에는빔의정합이보다잘이루어지는것을볼수있다. FODO 구조를통과하는빔의정합이잘이루어지지않는이유는그림 와그림 에서보는바와같이 MEBT 출력빔이정합입력빔과차이가난다. TRACE 3D를사용하여 MEBT 빔정합을하기위해서는 FFDD 집속구조가좋음을알수있다. 그림 MEBT 과 FFDD 집속구조의 DTL 에서의빔의최대크기와 rms 크기. 그림 MEBT 과 FODO 집속구조의 DTL 에서의빔의최대크기와 rms 크기

81 그림 와그림 은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과할때수평 (x-축) 과수직 (y-축) 으로구성된연직방향과빔의진행방향에서의에미턴스변화를보여준다. FODO 집속구조에서연직방향의에미턴스가상대적으로진동이심함을다시확인할수있다. 빔방향의에미턴스는집속구조와관계없이진동함을알수있다. 이는 20 MeV DTL에서빔방향의빔정합이완전하지않게된것이기인한다. 그림 MEBT 과 FFDD 집속구조의 DTL 에서의 빔의에미턴스. 그림 MEBT 과 FODO 집속구조의 DTL 에서의 빔의에미턴스

82 그림 와그림 은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를통과할때빔의 configuration plot을보여준다. 각그림에서위쪽은수평방향 (x-축), 중간은수직방향 (y-축) 에서의빔의크기를보여주며, 아래그림은빔의진행방향에서의빔의크기를위상의크기로보여준다. 이결과로는두구조의차이를보기가힘들다. 그림 MEBT 과 FFDD 집속구조의 DTL 에서의 빔의 configuration plot. 그림 MEBT 과 FODO 집속구조의 DTL 에서의 빔의 configuration plot

83 그림 와그림 는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조의 DTL을통과한후얻어지는출력빔을보여준다. 위쪽의두그림은 x-x' 및 y-y' 공간에서의빔을모습을보여준다. 아래왼쪽은 x-y공간에서의빔의모습이며, 오른쪽은 공간에의빔의모습이다. 두경우모두빔코어에서떨어져나온입자를볼수있다. 그림 FFDD 집속구조에서의출력빔. 그림 FODO 집속구조에서의출력빔

84 이상의분석을통해 20 MeV 이후에오는 DTL 가속공동의집속구조를수행하였다. 분석된집속구조는 FFDD와 FODO 구조다. 빔의정합을고려할때에는 FFDD가보다유리한구조가된다. 이계산에사용된 buncher cavity의 effective voltage가약 750 kv로매우높은값을갖는다. 그러나이 MEBT은단순히 20 MeV 출력빔을다음에오는 DTL에정합입력시키기위해인위적으로고려한것이다. 실제디자인된 MEBT에서는이문제를해결하였다. 4. 클라이스트론과 DTL 탱크운용방식 클라이스트론 1개당연결되는 DTL 탱크수가변하는경우와 DTL 탱크의길이가변하는경우에대하여 60MeV 빔을얻기위한조건을조사하였다. 이를통해 DTL과탱크의연결방식및탱크하나의길이를결정하고자한다. 클라이스트론은기존의사양인 1 MW 를사용하였다. 다음과같은다섯가지경우에대해조사하였다. 클라이스트론 1개당 4개의탱크연결 (20MeV DTL과같은방식 ) 클라이스트론 1개당 2개의탱크연결 1개의탱크가 3개섹션으로구성된경우 1개의탱크가 4개섹션으로구성된경우 클라이스트론 1개당 1개의탱크연결 1개의탱크가 3개섹션으로구성된경우 1개의탱크가 4개섹션으로구성된경우 여기서섹션의길이는약 2.5 m로일정하다. 따라서섹션이많아진다는것은길이가길어진다는것을의미한다. 모드계산은 PARMILA 코드를사용하였으며, 입력에사용되는 SFDATA는 SUPERFISH 코드를이용해계산하였다. 이때빠른계산을위해서 mesh는 0.05로설정하였다. 여기서의모든계산은 face angle이 30도인경우에대해수행하였다. 계산에사용된 DTL의주요제원 bore radius는 12mm, DT diameter는 150mm 이다. 그림 은 20 MeV 70 MeV 구간에서의 transit time factor를보여준다. 이그림에서보는바와같이 transit time factor는에너지가높아짐에따라떨어진다. 따라서실제 design에서는이값을높이기위해서 face angle을변화시켜야한다

85 그림 계산에사용된 transit time factor. 표 는클라이스트론 1 개당 4 개의탱크연결를연결한경우에대한 60 MeV DTL 의제원을정리한것이다. 이때는 1 MW 클라이스트론이총 2.5 개필요하게된다. 표 클라이스트론 1 개당 4 개의 DTL 을동작하는경우의 60 MeV DTL. 탱크셀수길이 (cm) 에너지 (MeV) power 빔 /cu/total (kw) (MV/m) / 136 / / 136 / / 134 / 클라이스트론 수 / 136 / / 136 / / 136 / / 134 / / 140 / / 145 / / 141 /

86 다음은클라이스트론 1개로 DTL 탱크 2개를운전하는경우에대해조사하였다. 이때는탱크하나당필요한전체 power가약 450 kw가넘지않도록조절하였다. 표 는하나의 DTL 탱크가 3개의섹션으로이루어진경우다. 이때는각탱크의길이가약 7.5 m 정도된다. 또한탱크에서소모되는총 power( 빔 power + cu power) 가 450 kw보다작아야된다는조건으로부터가속전장이값을 1.5 MV/m로얻을수있다. 이때는총 3개의클라이스트론이필요하게된다. 표 은하나의 DTL 탱크가 4개의섹션으로이루어진경우다. 이때는각탱크의길이가약 10 m 정도된다. 이때가속전장은조금작은값이 1.3 MV/m가되며, 필요한클라이스트론수는 2.5개가된다. 이러한방식은탱크의길이가길어져서튜닝이어려워질뿐아니라, 탱크의무게가무거워져서조립의편리성도떨어진다. 표 클라이스트론 1 개로 3 개의섹션으로이루어진 DTL 탱크 2 개운전. 탱크셀수길이 (cm) 에너지 (MeV) power 빔 /cu/total (kw) (MV/m) / 278 / / 284 / / 291 / / 295 / / 295 / / 289 / 클라이스트론수 표 클라이스트론 1 개로 4 개의섹션으로이루어진 DTL 탱크 2 개운전. 탱크셀수길이 (cm) 에너지 (MeV) power 빔 /cu/total (kw) (MV/m) / 266 / / 269 / / 279 / / 282 / 클라이스트론수 / 278 /

87 다음은클라이스트론 1개로 DTL 탱크 1개를운전하는경우에대해조사하였다. 이때는탱크하나당필요한전체 power가약 900 kw가넘지않도록조절하였다. 표 는하나의 DTL 탱크가 3개의섹션으로이루어진경우다. 이때는각탱크의길이가약 7.5 m 정도된다. 또한탱크에서소모되는총 power( 빔 power + cu power) 가 900 kw보다작아야된다는조건으로부터가속전장이값을 2.3 MV/m로얻을수있다. 이때는총 4개의클라이스트론이필요하게된다. 표 는하나의 DTL 탱크가 4개의섹션으로이루어진경우다. 이때는각탱크의길이가약 10 m 정도된다. 이때가속전장은조금작은값이 1.9 MV/m가되며, 필요한클라이스트론수는 4개가된다. 이경우도튜닝과조립의편리성에문제가있다. 표 클라이스트론 1 개로 3 개의섹션으로이루어진 DTL 탱크 1 개운전. 탱크셀수길이 (cm) 에너지 (MeV) power 빔 /cu/total (kw) (MV/m) 클라이스트론수 / 645 / / 660 / / 666 / / 674 / 표 클라이스트론 1 개로 3 개의섹션으로이루어진 DTL 탱크 1 개운전. 탱크셀수길이 (cm) 에너지 (MeV) power 빔 /cu/total (kw) (MV/m) 클라이스트론수 / 617 / / 632 / / 646 / / 654 /

88 지금까지의결과를표 에정리하였다. 클라이스트론수만을본다면 20 MeV DTL에서사용한바와같이하나의클라이스트론으로 4개의 DTL 탱크 ( 각탱크는 2개의섹션으로구성 ) 를운전하는방식과 2개의 DTL 탱크 ( 각탱크는 4개의섹션으로구성 ) 를운전하는방식이가장유리하다. 그러나후자는탱크의길이가길어짐에따라튜닝이어려워지고, 무겁기때문에조립, 운반등에문제가있다. 클라이스트론수는많아지지만전체탱크의길이가작아지는방식인하나의클라이스트론으로 1개의 DTL 탱크 (3개의섹션으로구성 ) 되는방식이또하나의고려대상이다. 그러나이경우에는단위길이당소모되는파워가상대적으로크게된다. 즉듀티를높여서운전할때냉각에문제가발생할수있다. 이상의모든사항을종합적으로고려할때, 기존의방식인 1 MW 클라이스트론하나로 DTL 탱크 4개를운전하는방식을채택하였다. 표 클라이스트론 DTL 탱크연결방식. 클라이스트론당탱크수 탱크당섹션수 탱크수 셀수최대값 섹션수 클라이스트론수

89 MeV DTL 사양 100 MeV까지를 DTL로하는경우에 DTL의사양을결정하였다. 이는다음에보여주는빔동력학계산과도밀접한관련이있다. 또한 60 MeV 이상인경우에는 ZTT 값이떨어지므로 face angle을증가시켜야한다. 그러나클라이스트론 1개에탱크 4개를연결하므로, face angle의변화를 4개단위로하는것이유리하다. 따라서표 에보여주는사양은 8개, 8개, 4개의탱크의 face angle을 40도, 50도 60도로한경우에얻어지는결과다. 탱크번호 셀수 표 MeV DTL 사양. 길이 (m) 출력빔에너지 (MeV) total power (kw) Klystron 수 합계

90 가. 빔동력학 빔동력학계산은 PARMILA 코드를사용하였다. 양성자빔의시뮬레이션을위해 100,000개의입자를사용하였고위상공간상의입자분표는 6D waterbag 모델을따른다고가정하였다. 이모델에서는입자가위상공간의 6차원타원체에균일하게분포한다. 계산에사용한정합입력빔은 TRACE-3D 코드를사용하여얻었다. 다음은결과를정리한것이다. 각 drift tube에들어간전자석의 integrated field는 1.75 T를사용하였다. 사극전자석의유효자기장거리는 8cm로가정하였다. 그림 : 빔이 x, y, 공간에서차지한는크기를셀번호의함수로보여준다. 그림 : 빔의에미턴스변화를보여준다. 에미턴스의 normalized rms 단위를사용한다. 연직방향및빔방향모두에에미턴스이변화는무시할수있다. 그림 : 연직방향에서의빔의최대크기와 rms 크기를셀의함수로보여준다. x, y 공간에서빔의반경은 bore 반경의약 1/4 다. 그림 : 정합입력빔을보여준다. 위-왼쪽이 ( ) 공간, 위-오른쪽이 ( 공간, 아래-왼쪽이 ( ) 공간, 아래-오른쪽이 ( ) 공간에서의빔의분포를보여준다. 그림 그림 : 각탱크후단에서의빔의분포를보여준다. lattice 구조가 FFDD 이므로탱크의마지막전자석이첫번째 F ( 또는두번째 D) 로끝나거나, 두번째 F ( 또는첫번째 D) 로끝나는가에따라연직방향의위상공간에서의빔의모양이변함을볼수있다

91 그림 빔의 configuration plot. 그림 연직방향과빔방향의에미턴스변화

92 그림 연직방향의최대빔크기와 rms 빔크기. 그림 위상공간에서의정합입력빔

93 그림 첫번째탱크후단의빔. 그림 두번째탱크후단의빔

94 그림 세번째탱크후단의빔. 그림 네번째탱크후단의빔

95 그림 다섯번째탱크후단의빔. 그림 여섯번째탱크후단의빔

96 그림 일곱번째탱크후단의빔. 그림 여덟번째탱크후단의빔

97 그림 아홉번째탱크후단의빔. 그림 열번째탱크후단의빔

98 6. DTL 탱크의구조결정 기본적으로 DTL 탱크의직경은가속효율을고려하여 54 cm로정하였다. 그러나실제로 DTL 탱크를제작하기위해서는각세트의탱크마다직경을결정해줘야한다. 이는 DTL 탱크에들어가는 slug tuner, post coupler, DT를지지해주는 stem이공진주파수에미치는영향을미리고려하기위해서다. 에너지가높아짐에따라탱크의셀수가작아지므로, 여기서는하나의클라이스트론으로동작하는 4개의탱크를단위로해서구조를결정하였다. 이러한효과를결정하는방법은기본적으로 20 MeV DTL 탱크에적용한방법을사용하였다. 계산에사용한 code는 SUPERFISH에포함된 DTLFISH와 MDTFISH다. 다음은 DTL2의처음네개의탱크의크기를결정하는과정을구체적으로설명한것이다. 가. mesh 크기에따른공진주파수변화 mesh 크기를변화시키며공진주파수의변화를살펴보았다. 에해당하는전형적인 DTL 셀을만들고 mesh의효과를조사하였다. 이는양성자의에너지가각각 20, 40, 60 MeV에해당된다. 조사된 mesh 크기는 로서, mesh가 0.05 일때 350 MHz가되도록한후 mesh 크기를 간격으로변화시키며공진주파수변화를조사하였다. 또한결과를이차함수로 fitting하여 mesh가 0인경우의공진주파수를추정하였다. 결과는그림 1-2-마-1에서보여준다. 에너지가작은영역에서는셀길이가작기때문에 mesh 크기에의한변화가크게나타나지만, 에너지가높아지면상대적으로 mesh에따른공진주파수변화가적어지며, 에너지변화에따른차이도줄어드는것을볼수있다. 에너지가 60 MeV인경우에는셀의길이가길어지기때문에 mesh 크기가 0.01에서결과를얻을수없었다. 따라서 mesh 크기를 0.02로결정하였다. 이때발생하는오차는각각 13, 12, 10 khz에해당한다. 따라서앞으로하는계산에는약 13 khz의부정확성이포함되어있다

99 그림 mesh 크기에따른공진주파수변화. 나. stem 효과를고려한탱크직경 ZTT를고려하여결정된탱크직경은 54cm이다. 이때는탱크안에서 drift tube를지지해주는 stem의효과를고려하지않았다. stem의직경은 38mm로일정하기때문에셀의길이가작은쪽, 즉에너지가낮은쪽에서 stem에의한공진주파수증가량이커진다 ( 그림 참조 ). 그림 에너지에따른 stem 효과를포함한 공진주파수변화

100 에너지가가장큰쪽셀의공진주파수가 stem 효과를포함할때 350 MHz ± 5 khz 가되도록탱크직경을결정한다. 결정된값은다음과같다. 탱크직경 : cm stem 효과를포함하지않은공진주파수 : MHz stem 효과를포함한공진주파수 : MHz 다. stem 효과를포함한 SFDATA 작성 우선에너지에따른전형적인셀에대한공진주파수를 gap 길이를조절하며튜닝하였다. 이때탱크의직경을앞에서결정한값인 cm를사용하였다. 튜닝은 stem 을포함하지않은공진주파수가 350 MHz ± 5 khz 가되도록 gap 길이를조절하는방식을채택하였다. 이때 stem 효과를포함한공진주파수변화는그림 에주어진것과같다. 이결과를바탕으로각셀의 gap 길이를조절하여 stem을포함한공진주파수가 350 MHz ± 5 khz 가되도록튜닝하였다. 이때얻어지는 PMI 파일을사용하여 SFDATA를얻게된다. 이때다음과같은추가보정을해준다. gap 길이를셀의길이로나눈결과인 g/bl 값에서 g는계산된결과를쓰지만, bl은주파수가 350 MHz인경우로바꾸어주어야한다. 이는 gap 길이가 stem 을포함한공진주파수가 350 MHz가되도록결정되었기때문에, PMI 파일 ( 이파일은 stem 효과가포함되지않은결과를바탕으로작성됨 ) 에들어간 bl은 350 MHz보다작아지기때문이다. 단위길이당 shunt impedance를나타내는 Z 값도직경이 54cm에서얻은값을사용한다. 이값도셀길이와연관되어있기때문이다

101 Z 값의 80% 를사용한 SFDATA 는다음과같다. ; Beta T TP S SP g/bl Z E/E0 Tave dzctr

102 라. PARMILA 계산결과 새로계산된 SFDATA를사용하여 4개의 DTL 탱크에대한셀구조를결정하였다 ( 표 참조 ). 탱크 셀수 표 새로운 SFDATA 를사용한 DTL 탱크. 에너지 (MeV ) 길이 (cm) power(kw) Cu beam total PARMILA 에서얻은각탱크의셀구조는다음과같다. tank 1 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial

103 tank 2 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial tank 3 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial

104 tank 4 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial

105 마. post coupler 와 slug tuner 효과를고려한탱크직경 PARMILA에서얻은셀구조를이용하여 MDTFISH 파일을작성하였다. MDTFISH 계산결과는그림 에서보여준다. 이계산에서 stem의효과를고려한공진주파수가 350 MHz 이기때문에 stem을고려하지않는공진주파수는이보다낮은값을갖게될것이다. 또한 stem의효과가각셀에서다르게나타나므로 field 값이기우는것도예상할수있다. 결과는표 에정리하였다. 탱크벽에서의자기장은그림 에서보여준다. post coupler와 stem의조건은다음과같다. post coupler 는각셀마다하나씩설치한다. stem 은 DT 를지지해주므로각셀의양끝에반개씩있다. 각탱크의저에너지 및고에너지끝쪽에도절반의 stem 이있는것으로생각한다. 그림 네개탱크의 DTLFISH 계산결과

106 그림 각탱크벽에서의자기장변화. 표 MDTFISH 계산결과. Tank1 Tank2 Tank3 Tank4 공진주파수 (stem 제외, MHz) 공진주파수 (stem 포함, MHz) ( ) ( ) ( ) ( ) 탱크외벽에서의 H (A/m, E0=1.0 MV/m) 평균 (+1.3% -1.2%) 평균 (+1.1% -0.9%) 평균 (+1.1% -0.8%) 평균 (+0.9% -0.5%) 탱크에저장된에너지 (J, E0=1.0 MV/m) Q Power loss (kw) with E0=1.3MV/m tank 66.3 (53.2%) 69.4 (55.4%) 67.8 (54.9%) 69.4 (55.4%) DT 28.9 (23.2%) 27.9 (22.3%) 29.3 (23.8%) 30.2 (24.1%) stem 15.3 (12.2%) 14.5 (11.6%) 13.7 (11.1%) 13.4 (10.7%) post 14.2 (11.4%) 13.4 (10.7%) 12.6 (10.2%) 12.3 (9.8%)

107 이상의계산을정리하여탱크의직경을결정한다. 우선 drift tube 를지탱해주는 stem 만을고려한공진주파수는다음과같다. - 기존의탱크직경 : cm 여기에서탱크직경변화에따른공진주파수변화를계산해야한다. 이는각탱크뿐만아니라각셀마다변화량이달라진다. 여기서는첫번째탱크의첫번째셀과 4 번째탱크의마지막셀에서탱크직경변화에따를공진주파수변화를계산한후그값의평균값을계산에사용하였다. 그결과는다음과같다. - 탱크직경변화에따른공진주파수변화 : MHz/cm 첫번째셀 : MHz/cm 마지막셀 : MHz/cm 다음은 post-coupler에의한공진주파수변화를계산하였다. 각탱크에서계산한후에이값의평균을사용하였다. - post coupler에의한공진주파수변화 : 평균 MHz tank1: MHz tank2: MHz tank3: MHz tank4: MHz slug tuner에의한공진주파수변화는 +1 MHz 가된다. 따라서전체공진주파수변화와이를보정해주기위한탱크직경의변화는다음과같다. - slug tuner, post-coupler를고려한공진주파수변화 : MHz - post coupler와 slug tuner를고려한탱크직경 : cm

108 바. stem 직경이 3.8 cm 인경우와 4.0 cm 인경우의비교 stem에는 drit tube를냉각시킬냉각채널과전자석에전원을공급하기위한케이블이들어간다. 3.8 cm가충분한가에대한의문이제기되어이를 4.0 cm로늘렸을때탱크의직경변화를 3.8 cm인경우와비교하였다. 최종적으로는 3.8 cm면충분하다는것이시제품제작을통해검증하였다. 다음그비교계산결과를정리한것이다. (1) mesh 크기에따른공진주파수변화 mesh 크기에따른공진주파수변화는 stem 이고려되지않은경우이므로 stem 직경 이 3.8cm 에서얻은결과와차이가없다. mesh 크기는 0.02 로한다. (2) stem 효과를고려한탱크직경 ZTT를고려하여결정된탱크직경은 54cm이다. 에너지가가장큰쪽셀의공진 주파수가 stem 효과를포함할때 350 MHz ± 5 khz 가되도록탱크직경을결정한 다. stem의직경이 3.8cm와 4.0cm일때탱크직경과공진주파수변화는표 에 주어진다. 표 stem 효과에의한공진주파수비교. stem 직경 3.8 cm 4.0 cm 탱크직경 cm cm stem 효과를포함하지않은공진주파수 MHz MHz stem 효과를포함한공진주파수 MHz MHz

109 (3) stem 효과를포함한 SFDATA 작성 stem 의직경이 4.0cm 이고 Z (shunt impedance per unit length) 값을 80% 로하는 경우의 SFDATA 파일은다음과같다. ( 계산은 stem 직경이 3.8cm 인경우와같게한 다.) ; Beta T TP S SP g/bl Z E/E0 Tave dzctr

110 (4) PARMILA 계산결과 stem 직경이 4.0cm 인경우에대하여새로계산된 SFDATA를사용하여 4개의 DTL 탱크에대한셀구조를결정하였다. 표 는 stem 직경이 3.8 cm인경우와 4.0cm 인경우의결과다. 탱크의길이가수십 늘어난것이외에는변화가거의없다. 표 stem 효과를고려한 DTL 탱크의제원비교. 탱크 셀수 에너지 (MeV) 길이 (cm) power(kw) Cu beam total 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm stem직경이 4.0 cm인경우에, PARMILA에서얻은각탱크의셀구조는다음과같다. tank 1 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial

111 tank 2 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial

112 tank 3 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial tank 4 cell kinetic beta at cell sl1 gap_length sl2 Delgn 2DQn G Ezero phis Position number energy end of length n gn n+1 n (MeV) cell (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (kg/cm) (MV/m) (deg) (cm) initial

113 (5) post coupler 와 slug tuner 효과를고려한탱크직경 표 와 에서는 stem 및 slug tuner 의직경이 3.8 cm 와 4.0 cm 인경우의 MDTFISH 계산결과를보여준다. mesh 크기는 0.05 로한다. 표 MDTFISH 계산결과 (stem 직경 3.8 cm). Tank1 Tank2 Tank3 Tank4 공진주파수 (stem 제외, MHz) 공진주파수 (stem 포함, MHz) ( ) ( ) ( ) ( ) 탱크외벽에서의 H 평균 평균 평균 평균 (A/m, E0= MV/m) (+1.3% -1.2%) (+1.1% -0.9%) (+1.1% -0.8%) (+0.9% -0.5%) 탱크에저장된에너지 (J, E0=1.0 MV/m) Q Power loss (kw) with E0=1.3MV/m tank 66.3 (53.2%) 69.4 (55.4%) 67.8 (54.9%) 69.4 (55.4%) DT 28.9 (23.2%) 27.9 (22.3%) 29.3 (23.8%) 30.2 (24.1%) stem 15.3 (12.2%) 14.5 (11.6%) 13.7 (11.1%) 13.4 (10.7%) post 14.2 (11.4%) 13.4 (10.7%) 12.6 (10.2%) 12.3 (9.8%)

114 표 MDTFISH 계산결과 (stem 직경 4.0 cm). Tank1 Tank2 Tank3 Tank4 공진주파수 (stem 제외, MHz) 공진주파수 (stem 포함, MHz) ( ) ( ) ( ) ( ) 탱크외벽에서의 H 평균 평균 평균 평균 (A/m, E0= MV/m) (+1.5% -1.3%) (+1.3% -1.0%) (+1.1% -0.9%) (+1.2% -0.5%) 탱크에저장된에너지 (J, E0=1.0 MV/m) Q Power loss (kw) with E0=1.3MV/m tank 66.3 (52.6%) 67.9 (53.5%) 67.8 (54.3%) 69.4 (54.9%) DT 28.9 (22.9%) 29.4 (23.2%) 29.3 (23.5%) 30.1 (23.8%) stem 16.1 (12.7%) 15.3 (12.1%) 14.4 (11.5%) 14.1 (11.1%) post 15.0 (11.8%) 14.2 (11.2%) 13.3 (10.7%) 13.0 (10.2%) post coupler와 slug tuner를고려한탱크직경은표 에주어진 다. 표 stem 직경과 DTL 탱크직경비교결과 stem 직경 3.8 cm 4.0 cm stem을고려한탱크직경 cm cm 탱크직경변화에따른주파수변화첫번째셀 MHz/cm MHz/cm 마지막셀 MHz/cm MHz/cm 평균 MHz/cm MHz/cm post coupler에의한주파수변화 tank MHz MHz tank MHz MHz tank MHz MHz tank MHz MHz 평균 MHz MHz slug tuner에의한공진주파수변화 +1MHz +1MHz 최종탱크직경 cm cm

115 사. 빔동력학계산 stem, post-coupler, slug tuner에의한공진주파수변화를고려하면가속효율이변하게되고따라서 DTL 탱크의내부구조가모두변하게된다. 이러한변화가반영된 DTL 탱크설계가 DTL 탱크제작에사용된다. 이러한구조변화는이미앞절에서계산되었다. 여기서는이러한변화에의한빔동력학계산을정리한다. 표 은정합입력빔의에미턴스와 twiss 파라메터를보여준다. 그림 : 연직방향과빔진행방향에서의빔의에미턴스 그림 : 빔의최대크기와 rms 크기 그림 : 새로운 DTL의정합입력빔 그림 : DTL 탱크에서의빔의 configuration plot 그림 : 탱크 1의출력빔 그림 : 탱크 2의출력빔 그림 : 탱크 3의출력빔 그림 : 탱크 4의출력빔 표 정합입력빔 emittance 연직방향 빔진행 방향 x- 축 cm/mrad cm-mrad y- 축 cm/mrad cm-mrad deg/mev deg-mev

116 그림 연직방향과빔진행방향의에미턴스. 그림 빔의최대크기와 rms 크기

117 그림 trace space 에서의정합입력빔. 그림 정합입력빔의진행모습

118 그림 첫번째탱크후단에서의출력빔. 그림 두번째탱크후단에서의출력빔

119 그림 세번째탱크후단에서의출력빔. 그림 네번째탱크후단에서의출력빔

120 7. 오차분석 PARMILA 코드를사용하여설계된 DTL 탱크의오차분석을수행하였다. 이를통해 여러가지오차발생요인의제한값이어느정도인지계산하고, 이를바탕으로제작및 정렬과정의공차를결정하였다. 오차요인은다음과같이세가지로분류된다. DTL 탱크 : 탱크내에발생하는장의 amplitude 와위상등 사극전자석 : 전자석의위치가이동하거나회전한경우등 빔 : 입사하는빔의에너지, 위치, 방향등이디자인값과다른경우등 이오차분석에서는 PARMILA 코드에의해만들어진 6-d waterbag 모형의입자분포를사용하였다. 이분포는 6차원위상공간에입자들이균일하게분포한다. 입자수는한번의계산에서 10,000 개를사용하였다. DTL 탱크와사극전자석의경우에는오차의최대값을입력값으로사용한다. 따라서한번의계산으로는오차의효과를예측하기힘들다. 여기서는각경우에대한 10회의계산을수행하여, 평균값과표준편차를구하였다. 오차값을직접넣을수없고, 최대값만을넣을수있으므로표준편차가중요해진다. 오차값은각탱크마다새로운값을랜덤하게발생시켰다. 여기서는 60 MeV DTL 탱크중처음네개탱크에대한분석을보여준다. 이는첫번째탱크의제작에직접사용하기위해서다. 각오차요인에대하여, 오차의최대값의함수로연직방향으로의빔에미턴스변화 ( 실선은 x-방향, 점선은 y-방향 ), 빔진행방향으로의빔에미턴스변화, 연직방향의빔의최대크기와 rms 크기를살펴보았다. 또한각계산의표준편차도구하였다. 다음은결과를요약한것이다. 표 은조사된오차값의최대값을보여준다. 빔손실이발생하는경우에는빔손실이기록된오차의최대값을사용하였다. 탱크오차 RF 진폭오차 : 그림 (a), (b) RF 진폭이디자인값에서최대 10% 변하는경우에대해조사하였다. 빔의성질의변화가거의없고빔손실도없었다. RF 위상오차 : 그림 (a), (b) RF 위상이디자인값에서최대 10도까지벗어나는경우에대해조사하였다. 빔방향으로의에미턴스가서서히증가하다가 10도차이가나는경우에는증가폭과표준편차가늘어난다. 그러나빔손실은발생하지않았다. RF field 기울어진오차 : 그림 (a), (b)

121 RF field가탱크의앞과뒤에서 ± 기울어진경우에대해조사하였다. 10% 기울어진경우에빔방향으로에미턴스가매우크게증가하였고, 이때의표준편차도매우커진다. 빔손실은발생하지않았으나, 이때의빔중에너지가디자인값에서 1 MeV 이상벗어나는입자가 100% 인경우가발생하기도한다. 사극전자석사극전자석중심이동에의한오차 : x-방향 : 그림 (a), (b) 사극전자석의중심이 x-방향으로최대 까지이동한경우에대해조사하였다. 오차가커짐에따라 x-방향으로의빔의최대크기와표준편차가점차증가한다. y-방향 : 그림 (a), (b) 사극전자석의중심이 y-방향으로최대 까지이동한경우에대해조사하였다. 오차가커짐에따라 y-방향으로의빔의최대크기와표준편차가점차증가한다. 사극전자석의회전에의한오차 : x-축에대한회전 (pitch error): 그림 (a), (b) 사극전자석이 x-축에대해최대 10도회전하는경우에대해조사하였다. 오차가커짐에따라 y-방향의빔의최대크기가급격하게커진다. 빔손실은없었다. y-축에대한회전 (yaw error): 그림 (a), (b) 사극전자석이 y-축에대해최대 10도회전하는경우에대해조사하였다. 오차가커짐에따라 x-방향의빔의최대크기가급격하게커진다. 최대오차가 10도일때빔손실이발생한다. z-축에대한회전 (roll error): 그림 (a), (b) 사극전자석이 x-축에대해최대 10도회전하는경우에대해조사하였다. 이때는연직방향으로의빔에미턴스및빔크기가매우급격하게증가한다. 특히오차가 5도이상나면, 빔손실이발생한다. 그림 (a), (b) 에서오차를 1도까지좀더자세히조사하였다. 연직방향의빔에미턴스가증가하는것을확인할수있다. 사극전자석 GL값이벗어난경우 : 그림 (a), (b) 사극전자석의 GL값이최대 10% 벗어난경우에대해조사하였다. 이때는최대오차값이증가함에따라연직방향의빔에미턴스가증가한다. 표준편차도전체적으로큰편이다. 최대 10% 벗어난경우에빔손실이발생한다

122 빔오차빔이공간적으로이동한경우 x-축방향으로 : 그림 (a), (b) 입사빔이 x-축방향으로최대 이동한경우에대해조사하였다. x-방향의에미턴스가약간증가한다. x-방향의빔의최대크기는오차에따라선형적으로증가한다. 빔손실은없었다. y-축방향으로 : 그림 (a), (b) 입사빔이 y-축방향으로최대 이동한경우에대해조사하였다. y-방향의에미턴스가약간증가한다. y-방향의빔의최대크기는오차에따라선형적으로증가한다. 빔손실은없었다. x, y-축방향으로동시에 : 그림 (a), (b) 이경우는위의두경우를합친것에대응하는결과를얻게된다. 빔손실을없었다. 빔의기울기가디자인값에서벗어난경우 : x'-축 : 그림 (a), (b) 입사빔의기울기가 x-축방향으로최대 10 mrad까지벗어난경우에대해조사하였다. x-방향의에미턴스가매우커지고, x-방향의최대빔크기도오차에비례해서커진다. 10 mrad 벗어난경우에는빔손실이생긴다. y'-축 : 그림 (a), (b) 입사빔의기울기가 y-축방향으로최대 7 mrad까지벗어난경우에대해조사하였다. y-방향의에미턴스가커지고, y-방향의최대빔크기도오차에비례해서커진다. 10 mrad 벗어난경우에는빔손실이생긴다. x'-축과 y'-축동시에 : 그림 (a), (b) 이경우는위의두경우를합친것에대응하는결과를얻게된다. 최대오차가 7 mrad인경우빔손실이생긴다. 빔위상이디자인값에서벗어난경우 : 그림 (a), (b) 입사빔의위상이최대 ± 도벗어난경우에대해조사하였다. 최대위상오차가 ±10 도이상인경우빔방향의에미턴스가매우커진다. 입사빔에너지가디자인값에서벗어난경우 : 그림 (a), (b) 입사빔의에너지가최대 ± kev 벗어나는경우에대해조사하였다. 빔의성질에서의미있는변화가생기지않는다

123 그림 (a) RF 진폭의오차. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

124 그림 (a) RF 위상의오차. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

125 그림 (a) RF field 가기울어진오차. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

126 그림 (a) 사극전자석의중심이 x- 방향으로 이동한경우의오차. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

127 그림 (a) 사극전자석의중심이 y- 방향으로 이동한경우의오차. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

128 그림 (a) 사극전자석이 x- 축에대해회전한경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

129 그림 (a) 사극전자석이 y- 축에대해회전한경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

130 그림 (a) 사극전자석이 z- 축에대해회전한경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

131 그림 (a) 사극전자석이 z- 축에대해회전한 경우 ( 오차를 1 도까지자세히조사한경우 ). 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

132 그림 (a) 사극전자석의 GL 값이벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

133 그림 (a) 입력빔이 x- 방향으로벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

134 그림 (a) 입력빔이 y- 방향으로벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

135 그림 (a) 입력빔이 x- 방향과 y- 방향으로동시에 벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

136 그림 (a) 입력빔의기울기가 x- 방향으로 벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

137 그림 (a) 입력빔의기울기가 y- 방향으로 벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

138 그림 (a) 입력빔의기울기가 x- 방향과 y- 방향으로동시에벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

139 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

140 그림 (a) 입력빔의에너지가벗어난경우. 그림 (b). 그림 (a) 계산의표준편차

141 8 DTL 공학설계 60 MeV DTL 탱크에들어가는전자석을초기에는 20 MeV DTL과같은 pool type의전자석으로설계하였다. 그러나 20 MeV이후에는전자석이들어갈공간이충분히확보되므로, 외국의가속기에서많이사용하고있는 hollow conductor를사용할수있다는것을시험제작을통해확인하였다. 이경우구체적인디자인이바뀌게된다. 이보고서에서는 pool type을사용하는경우와 hollow conductor를사용하는경우의 DTL 탱크설계를모두포함시켰다. 또한탱크와 DT의열및구조해석도수행하였다. 가. pool type 의사극전자석을사용하는경우의설계 (1) DTL 탱크설계 DTL 탱크는두개의섹션이결합되어하나의탱크를이루는구조로설계되었다. 각섹션은접합면에 RF seal과 vacuum seal을포함하여볼트로채결된다. 각섹션은 seemless pipe 저탄소강소재를기저물질로하고내부표면에고순도구리를도금하여제작한다. 저탄소강소재의화학적특성은표 과같다. 표 탱크기저소재의화학적특성. 항목 Ni Mn Mo Cr C 함유량 (%) MeV DTL의첫번째탱크의길이는탱크온도 40도일때 mm로서 RF coupler의위치를고려하고두개섹션의길이차이를최소화한다는원칙으로첫번째섹션의길이를 mm, 두번째섹션의길이를 mm로결정하고 RF coupler는첫번째섹션에위치시키는것으로설계하였다 ( 표 ). 표 : 탱크섹션의길이결정. 섹션 1-1 섹션 도에서의탱크섹션의길이 mm mm

142 그림 DTL 탱크의구조. 첫번째탱크의두개섹션이결합된형태는그림 과같으며다음탱크의구 조역시동일하다. 냉각채널냉각채널은탱크내벽으로부터 20mm 떨어진곳에위치시켰으며각섹션에는탱크의축방향으로냉각수가흐르는총 18개의냉각채널과탱크의축방향에대하여수직으로냉각수가흐르는총 4개의냉각채널이있다. 축방향으로냉각수가흐르는 18개의채널은여러포트들과간섭하지않는한계내에서최대한포트가까이근접시켜냉각효과를높였다. 축방향에대하여수직으로냉각수가흐르는 4개의채널은탱크아래쪽 270도면에위치하여슬러그튜너포트와진공포트사이에서부가적인냉각을하는것으로설계하였다. 냉각채널은밀링가공후덮개를덮기전에내부를크롬도금하여이후부식이발생하는것을방지한다. 냉각채널의덮개는일반 SS304 스테인레스스틸을사용하며 TIG 용접을이용하여접합시킨다. 이때채널덮개는여러개의파트를용접을이용하여이어붙여사용할수있다. 용접이끝난후에는채널내부에최고 6기압의공기압을인가한후버블테스트를실시하여검사를완료하는것으로한다

143 스템포트 스템포트는그림 에나타난것과같이직경 35 mm 의홀로서탱크의상부 90 도위치에가공한다. 그림 스템포트의도면. 첫번째탱크의경우총 25개의포트가첫번째섹션에 13개소, 두번째섹션의경우 12개소로나뉘어있다. 그림 에나타난바와같이 RF seal과 O-ring vacuum seal이스템포트의내부에위치하게되며스템마운트를탱크에 8mm 볼트 4개를채결하여 RF seal과 O-ring vacuum seal을눌러고정하는방식으로설계하였다. 이때 RF seal 에는 virtual leak이생기는것을방지하기위하여 φ1mm hole 8개를가공한다. Stem Viton Spacer C-seal Tank Vacuum Side 그림 스템포트의 RF seal 및 vacuum seal 구조도. 스템포트의위치는탱크의다른여러포트들과비교할때상대적으로고정밀성이 요구되므로포트가공시탱크의온도를최대한 40 도에근접하도록유지하되탱크의 온도를직접측정하면서스템포트의위치좌표를보정하면서가공하도록한다

144 포스트커플러포트포스트커플러포트의구조는기본적으로스템포트의구조와동일하다. 커플러포트역시직경 35mm의홀로서위치는우측 0도위치와좌측 180도위치에서 DT 2개당 1 개의개수로좌우에번갈아가공한다. 따라서포스트커플러포트의 Z 방향좌표는스템포트중 1개의 Z 방향좌표와동일하다. 그러나, 포스트커플러포트의위치및가공정밀도는스템포트만큼의가공정밀도가요구되지는않는다. 픽업포트 RF 픽업포트는탱크 1개에총 5개의포트를설치하는것으로설계하였으며우측 0 도의위치중포스트커플러가위치하지않는위치에등간격을유지하며위치시킨다. 그결과탱크 1의경우섹션 1에 3개소, 섹션 2에 2개소가위치한다. RF 픽업포트의구조는역시직경 35mm의홀로서스템포트및포스트커플러포트와동일하다. 슬러그튜너포트 슬러그튜너포트는그림 에나타난바와같이 φ152mm 의홀이며탱크아래 면 270 도위치에위치한다. 그림 슬러그튜너표트의도면. 슬러그튜너는탱크 1개당 8개의튜너를등간격으로위치시켜결합하는것으로설계하였으며따라서섹션 1개당 4개의튜너가결합된다. 슬러그튜너는볼트를이용하여탱크와결합되는것으로설계하였으며탱크쪽튜너포트의가공면은평면으로하여 RF seal 및 vacuum seal은반대쪽인튜너의프렌지면에위치시키는것으로설계하였다. 따라서튜너포트의가공면에서 RF seal의직경인직경 165mm 이상구리가도금되어야한다

145 진공포트진공포트는각섹션에 2개의포트를가공하는것으로설계하였다. 진공포트는슬러그튜너포트와동일한구조를가지고있으며탱크아래쪽 270도면에서첫번째와두번째슬러그튜너포트사이와세번째와네번째슬러그튜너포트사이에위치한다. 도금조건역시슬러그튜너포트와동일하다. RF 커플러포트 RF 커플러포트는 1개소가탱크의우측 45도면에위치된다. RF 커플러포트또한그림 에나타난바와같이탱크쪽포트의가공면을평면으로하여 vacuum seal 은반대쪽인프렌지면에위치시키는것으로설계하였다. 그림 RF 커플러포트의도면. 도금 DTL tank의구리도금면은경면인동시에진공중낮은기체발생률을만족시켜야하므로, 일반적인도금공정상의광택제는사용하지않고치밀하고향상된광택면을얻을수있는 PR(periodic reverse) plating법으로도금을한다. 한편이방법은 steel 면과밀착이좋지않기때문에하지도금으로저농도 (strike) 니켈도금을한후시안화구리도금처리를한다. 도금이되는영역은탱크의내면및 RF seal이되는가공면까지이다. 도금을하기전 steel pipe는반드시탈지공정을거쳐야하며, 용접등필요한부분에국부적으로산처리를한다. 도금공정중에는도금품의내부를청정하게유지하여, 유기물, 침전물등이도금품표면에생성되지않도록주의하여야하며도금시봉형태의양극을탄소강파이프가운데설치하여전체에걸쳐고른도금이되도록하고, 양극주변에침전물이생기지않도록양극봉에부직포를씌우는것으로하였다

146 도금중교반공정과는별도로파이프내부에도금액의 flow를유지하여침전물생성의방지및고른도금상태를얻을수있도록하고, flow는주기적으로반대방향으로유지하여도금의치밀도를향상시키는것으로하였다. 구리도금공정후에는기계연마를통하여설계치수대로맞춤가공을하고표면조도를설계요구치인 Ra 0.3 미만으로가공하도록하였다. 연마후부분적으로부분은도금을추가한다. 탱크부식방지를위한니켈도금공정을정리하면다음과같다. 공정 내용 1. 아세톤탈지 2. Fixutre 설치 3. 알칼리탈지 4. 수세 5. 산세 6. 수세 7. 탕세 8. 무전해 Ni 도금 9. 수세 10. GN2 건조 12. 크롬산처리 13. 수세 14. GN2 건조 15. Fixture 해제 10분접촉부밀착공정 50~55 에서 5분상온에서 2회상온에서 5분, HCl 10wt% 상온 2회 90 이상, 순수증류수 : 80% Armor-A : 5% Armor-R : 15% 90~93, 80~90분 -> 도금두께 12~15micron 상온 2회순수, 90 이상수분제거상온 2회수분제거

147 동도금공정을정리하면다음과같다. 공정 내용 1. 아세톤탈지 2. Fixutre 설치 3. 전해알칼리탈지 4. 수세 5. 니켈활성화처리 6. 수세 7. 니켈스트라이크 8. 수세 9. 동도금 10. 수세 12. GN2 건조 13. Fixture 해제 10분접촉부밀착공정 50~55, 2-5A 1분상온에서 2회상온에서 20분상온 2회염화니켈 100g/L 염산 200CC/L 1500A, 1분상온 2회 550A, 10시간,PR method 상온 2회수분제거 부분은도금공정을정리하면다음과같다. 공정 내용 1. 부분사상 2. 아세톤탈지 3. 마스킹 4. Fixture 설치 5. 은도금 6. 수세 7. GN2 건조 8. Fixture 해제 접촉부밀착 3-4 1V, 1.2A 0.3, 상온 5분도금두께 35micron 이상상온 2회수분제거

148 지지구조물 DTL 탱크의설치구조물은탱크를 x,y,z 방향으로움직일수있도록 y방향 3개, x 방향 2개, z 방향 1개등총 6개의 supporter를포함하여야한다. 냉각수파이프및 DT 전자석의전류인입용전선트레이와이의지지구조등이모두탱크설치구조물과결합되도록설계하였다. 단이때냉각수파이프및전선트레이는탈부착이가능하도록하였다. 또한탱크설치후결합되게될포스트커플러및슬러그튜너, 진공펌브등의결합을방해하지않도록설계되었다 ( 그림 ). 그림 탱크지지대의기본적인구조

149 스템마운트 Drift tube는 tank 중심에서 x,y,z 방향으로 50micron 이내로정렬되어야하며정렬이완료된이후에는외부충격및진동등에의해서도움직이지않아야한다. 따라서스템마운트는세방향으로미세하게조정이가능하여야한다. 또한 20MeV DTL과비교할때 drift tube 길이가더길어져무게가더욱무거워졌으므로이러한무게에도미끄러짐이없어야하며스템의외경도 26mm에서 34mm로커져서냉각수압력에의한힘이더욱커졌기때문에그러한압력증가에도냉각수파트가스템에서분리되지않도록하는기능도요구된다. 위와같은사항들을고려하여두가지타입의스템마운트를설계하였다. 첫번째는그림 과그림 에나타난바와같이사각형의형상을가진모델로서저에너지가속장치에서사용된스템마운트로부터크기만을확장한모델이다. 이형태는좁은공간을최대한활용할수있는장점이있으며 drift tube 정렬의기능이검증되었다는장점이있다. 그러나위모델은가공상의모든공정이밀링가공을통하여이루어져야하므로제작시간의소모가크고비용이상승하는단점이있다. 그림 사각형모양의스템마운트조립도및분해도

150 그림 사각형스템마운트각부품의도면

151 두번째는그림 와그림 에나타난바와같이원형의형상을가진모델이다. 이형태는공간의활용도는사각형의모델에비하여떨어지지만선반가공을통하여제작이가능하므로제작기간이짧고비용이절약되는장점이있다. 또한원형의형태를가지고있으므로회전방향정렬이여유공간이많이 drift tube 설치를더욱쉽게할수있는장점또한가지고있다. 그러나, 정렬및고정용볼트와접촉면이수직을이루지못하는부분이존재하여사각형모양의스템마운트와비교할때볼트의미끄러짐이발생할확률이상대적으로큰단점이있다. 두시험품의비교결과원형마운트의표면에골형태의가공을추가하여미끄러짐을방지하여사용하는것으로설계를완료하였다. 그림 원형의스템마운트조립도및분해도

152 그림 원형스템마운트각부품의도면

153 (2) DT(drift tube) 와사극자석의설계 ( 가 ) 사극자석의설계 DT의설계시에는내부에설치되는사극자석의 integrated field가빔동역학에서요구하는값을만족할수있는지의여부및냉각수압력에의한변형이 DTL탱크의튜닝가능범위내에있는지를고려해야한다. 우선적으로빔동역학설계로부터주어진 DT의 bore radius는 12mm를고려하여사극자석의코어를설계하였다. 코어재료는저탄소강 SM20C를사용하는것으로가정하였다. SM20C의화학적특성및자장특성은표 과표 에정리하였다. 표 SM20C 의화학적특성. 성분 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 함유량 (%) 표 SM20C 의자장특성. 항목최대투자율, μ_max [dimensionless] 보자력, Hc [A/m(Oe)] 잔류자속밀도, Br [T(kG)] 최대인가자기장, Hmax [ka/m(oe)] 값 *10 2 (2.26) 7.7*10-1 (7.7*10 3 ) 7.02 (88.2) DT의내부파이프의두께는진공누설방지를고려할때최소 3mm 이상의두께를가져야하므로사극자석의 bore radius는 15mm로설정하였다. 이값에대하여자극의형상을그림 과같이변형시키면서 field gradient는최대값으로하고, harmonic field의 strength는최소값으로하는자극의형상을정하였다

154 그림 사극자석자극형태설계를위한 2-D 모델링

155 그결과그림 에나타난바와같이 r=17.5mm일때가장최적의값으로전체전류 2250A에서 2500Gauss/cm의 field gradient를가지며 harmonic field strength의경우 r=10mm에서의 12극자장값이 4극자장값의 0.019% 로서최소값을가지는것을알수있었다. 그림 자장해석결과. 위해석결과에따라자극의형상을결정한후자석의권선을고려하여 yoke의내경을정하였다. 즉, φ2.8mm 규격의일반변압기용의에나멜전선을이용하여최소 9 turn을권선한다고가정하였으며따라서그림 에나타난 L" 값이최소 20mm가되도록사극자석코어의내경을정한결과 yoke의내경은 84mm 가되었다. 그림 사극자석코어의기본형상

156 사극자석코어의내경값을정한후외경값을정하였다. 외경값은 saturation이발생하지않는범위내에서최소한의값으로정한다. 외경을그림 에나타난바와같이 100mm에서 2mm씩증가시키며해석한결과모든경우전체전류 3000A에서의 B field 값이 2000A 에서의선형증가에따른예상값의 99% 이상의값을보였다. 전류값이 3500A 이상인경우에는외경이 104mm 이상이되어야 B field 값이 2000A 에서의선형증가에따른예상값의 99% 이상의값을보였다. 이를고려하여코어외경은 52mm로결정을하였다. 그러나실제자석의코어는냉각수통로가공및외부챔퍼가공등에따른단면적감소가존재하여이를보상하여아래식에따라코어외경을결정하면 r_outer+(r_outer-r_inner)* {0.255/( ) } = mm 사극자석코어의외경은 111mm 가된다. 그림 사극자석코어의여러외경값에대한자기포화

157 다음단계로서자석에서요구되는 Effective length를계산하여사극자석코어의두께를정하였다. 사극자석코어의두께는 integrated field를만족시키는가운데가능한한작은값을가질수록자석의권선및 DT와자석의조립성을높일수있으나, 큰값을가지면가질수록빔집속의조절범위가향상되고또한같은빔집속력하에서는자석에흐르는전류값을낮추어소비전력을낮출수있으므로냉각요구사항을낮춤과동시에자석전원의요구사항을낮추어비용절감측면에서큰이득이있다고할수있다. 따라서, 자석의조립이가능한범위내에서최대한큰값을가지도록설계하는것으로하였다. 빔동역학으로부터요구되는 integrated field는 20000gauss/cm cm 이며앞의 2D 계산으로부터얻어진 field gradient는 2500gauss이므로요구되는최소한의 effective length는 80mm이다. 그림 와같이 T=72mm인 3-D model을만들고빔반경인 r=4mm에서의 axial field를계산하여 effective length를계산한결과 83mm로서요구되는 80mm보다큰값을가지는것을기본적으로확인할수있었다 ( 그림 ). 그림 effective length 계산을위한 3-D 자장모델링 B field [gauss] Axial Position [mm] 그림 r=4mm 에서의 axial field strength - calculated effective length : 83mm

158 최종적으로설계완료된사극자석코어의형태는다음과같다 ( 그림 , 18). 그림 설계완료된사극자석코어의형상. 그림 사극자석코어의도면

159 사극자석코어의권선은전선단면적최소 6mm2 이상의에나멜전선을이용하여최소한 9turn 이상을권선하는것으로하였다. 사용하는에나멜전선의피복은내열성이강한 Poly-amide-imide 재료의두께 0.12mm 이상인내절연전압최소 1.5kV 이상인전선을사용한다. 권선시는그림 에나타난바와같이전류흐름이원을이루지않도록권선한다. 그림 사극자석권선시험품. ( 나 ) Drift Tube 의설계 물리설계로부터 drift tube의 bore diameter가 24mm가되고 face angle이 40도로설계되면서 drift tube의내부공간을활용하는데있어서효율성을향상시켜야할필요성이더욱커졌다. 특히 bore diameter 증가에따른사극자석의 field gradient의감소와그결과사극자석의두께가두꺼워지면서사극자석의조립성을확보하면서 Drift tube내의원하는위치에고정하는점이중요한설계요건이되었다. 또한진공의안정성을위하여각부분의두께는최소 3mm가되도록하여야한다. drift tube는그림 에나타난바와같이사극자석을포함하여총 6개의부

160 분으로구성되어있으며각각 Drift tube 몸체가되는외부실린더, 내부실린더, 캡, 스템, 내부냉각파이프및사극자석이다. 그림 Drift tube 구성. 이중외부실린더, 캡, 내부실린더및스템은무산소동으로제작하며내부냉각파이 프는 SS304 스테인레스스틸파이프로제작한다. 표 에무산소동재료의화학 적특성을나타낸다. 표 Drift tube 무산소동재료의화학성분. 성분 Cu O Pb Bi Fe P 함유량 99.99% 2 ppm <1 ppm <1 ppm 1 ppm 2 ppm 성분 S Ag Ni Zn Se Sn 함유량 8 ppm 9 ppm <1 ppm 0.1 ppm <1 ppm <1 ppm

161 수직정렬이확보되어야하는외부실린더와스템, 내부실린더와캡사이의접합은사극자석조립이전에브레이징하여접합하는것으로하였으며수직정렬이요구되지않는내부냉각파이프와사극자석철심의접합은외부실린더에사극자석을조립한이후나사산을이용하여조립하는것으로하였다. 사극자석과외부실린더의고정을위하여외부실린더에 2개의 M3 탭을가공하여볼트고정하는것으로하였다. 회전방향의정렬을위하여 2개의정렬핀을이용하여정렬오차내의값으로정렬하게되도록하였다. 최종적으로외부실린더와캡이단차가공을이용하여맞춤정렬하게되며두부분은사극자석전선의열손상을방지하면서전자빔용접을이용하여접합하게된다. 그림 과그림 에조립된 drift tube의형상을나타내었으며각단품들의도면을나타내었다. 그림 Drift tube 조립형상

162 그림 DT 각단품의도면

163 전자빔용접시에는요구되는용접깊이만큼용접이이루어져야하지만온도상승에의하여사극자석전선의피복에열손상이가해져서는안된다. 시험품용접을통하여용접조건을정한결과용접조건은표 과같았다. 그림 는용접시험품의용접단면적사진이다. 최대온도상승은 50도미만으로전선의피복에열손상을끼치지않으면서원하는용접깊이를얻을수있음을알수있다. 표 전자빔용접의조건과결과. 바깥쪽용접부위 안쪽용접부위 전자빔전압 60kV 60kV 전자빔전류 75mA 65mA 용접깊이 4mm 이상 2.5mm 이상 온도상승값 50도미만 12도미만 그림 전자빔용접시험품의절단면

164 (3) End plate 의설계 End plate는열및압력차이에의한변형이 DT 변형허용범위인 20micron 이내로유지되어야한다. End plate의가공에는 1) 1개의 Cu bulk material을사용하는방법과 2) 탄소강으로이루어진외부프렌지부분및무산소동으로만들어진 1/2 Drift tube의두분분으로제작하는방법의두가지를고려하였다. 첫번째방법인전체를하나의구리판으로가공할경우변형방지를위하여프렌지부분의두께가 40mm이상이되어야하므로무게가무거워져다루기가힘들고재료의손실이커져제작비용이증가하는단점이있다. 두번째방법인두부분으로나누어제작하는방법의경우열전도율은좀떨어지지만첫번째방법의단점을극복할수있을뿐만아니라이후유지보수시부분교체를통하여유지보수비용을절감할수있는장점이있으나도금공정을거쳐야하므로제작공정이다소복잡해지는단점이있다. 두번째방법의무산소동으로이루어진사극자석을포함하는 1/2 Drift tube 부분과 T25mm의바깥쪽프렌지부분으로구성하는것으로결정하고열및구조해석을통하여냉각채널의설계및세부설계를완료하였다. 열전도율이구리보다낮은탄소강소재를사용하여도냉각채널을아래그림에서나타난바와같이설계, 제작할경우외곽부분에서최고온도상승을 3.5도미만으로유지할수있으며전체적으로는 1.5도미만으로유지할수있음을알수있다 ( 그림 ). 또한기계적변형에있어서도최대 15micron 이내로서설계허용값이내에있음을확인할수있었다 ( 그림 ). 그림 온도증가에대한열해석결과

165 (a) (b) 그림 열및압력차이에의한 end plate 의변형 (a) r 방향변형, (b) z 방향변형

166 그림 에 End plate 구성을위한각부품을나타내었다. 1/2 Drift tube 부분은 RF 전류가흐르는부분에는무산소동소재를사용하고전류가흐르지않는후면부와내부실린더부분에는 SS316 스테인레스스틸소재를사용하여제작하는것으로설계하였다. 먼저무산소동과스테인레스스틸이접합되는부위에브레이징을사용하여접합하였다. 사극자석을조립한후무산소동접합부위인외부실린더와캡부분에사극자석코일의피복손상을방지하기위하여 Drift tube의접합과같은조건으로전자빔용접을하였으며최종적으로스테인레스스틸이접합되는부분에 TIG 용접을통하여공정을마무리하였다. 사극자석조립후전자빔용접을이용하여접합한다. 이때전자빔용접조건은 Drift tube의전자빔용접조건과같다. 두부분은볼트조립을이용하여탈부착이가능하도록하였으며접합부에는 RF seal 및 vacuum seal을포함하였다. 프렌지부분의내부는동도금을하되이때도금조건은 DTL 고주파가속공동내부의도금조건과같다. 그림 End plate 의구성도

167 나. hollow conductor 를사용하는경우의설계 hollow conductor 를사용하는경우에는 drift tube 안에들어가는전자석에대한설 계를다시해야한다. (1) DTL DT(drift tube) 와사극자석의설계 ( 가 ) 사극자석의설계 DT의설계시에는내부에설치되는사극자석의 integrated field가빔동역학에서요구하는값을만족할수있는지의여부및냉각수압력에의한변형이 DTL탱크의튜닝가능범위내에있는지를고려해야한다. 우선적으로빔동역학설계로부터주어진 DT의 bore radius는 10mm를고려하여사극자석의코어를설계하였다. 코어재료는저탄소강사용하는것으로가정하였다. 표 에는고려된저탄소강의화학적특성및자장특성이정리되어있다. 저탄소강의자장특성은그림 에주어진다. 표 저탄소강의화학성분. component wt % C ~ Mn ~ Si ~ P ~ S ~ Mo 0 Ni 0.01~0.02 Cr 0.02~0.03 DT의내부파이프의두께는진공누설방지를고려할때최소 3mm 이상의두께를가져야하므로사극자석의 bore radius는 13mm로설정하였다. 이값에대하여자극의형상을아래그림과같이변형시키면서 field gradient는최대값으로하고, harmonic field의 strength는최소값으로하는자극의형상을정하였다 ( 그림 )

168 그림 저탄소강의자장특성. 그림 사극자석자극형태설계를위한 2-D 모델링

169 그결과 r=15mm 일때가장최적의값으로전체전류 2250A 에서 3260Gauss/cm 의 field gradient 를가지며 harmonic field strength 의경우 r=10mm 에서의 12 극자장값이 4 극자장값의 % 로서최소값을가지는것을알수있었다 ( 표 ). 표 자장계산결과. r Grad [gauss/cm] Harmonic [%] 위설계값을바탕으로정사각형형태의 hollow conductor를이용하여그림 에나타난바와같이사극자석시제품을제작하였다. 이를통해 hollow conductor의권선이가능함을확인할수있었다. 시제품의속성은아래표 와같다. 그림 사극자석시제품

170 Prototype winding 표 사극자석시제품의사양. - continuous winding - core outer diameter : 104mm - core inner diameter : 88mm - core length : 61.4mm - pole width : 18mm - coil turn number : 6.5 turns - total coil length : 6m with 4.62*4.62 conductor - resistance : 6m - flow rate : 1SLM at 4 atm of pressure difference - temperature increase at design current 2250 A-turn : 10C ( 나 ) Drift Tube 의설계 물리설계로부터 drift tube의 bore diameter가 20mm가되고 face angle이 40도로설계되면서 drift tube의내부공간을활용하는데있어서효율성을향상시켜야할필요성이더욱커졌다. 특히 bore diameter 증가에따른사극자석의 field gradient의감소와그결과사극자석의두께가두꺼워지면서사극자석의조립성을확보하면서 Drift tube내의원하는위치에고정하는점이중요한설계요건이되었다. 또한진공의안정성을위하여각부분의두께는최소 3mm가되도록하여야한다. drift tube는그림 에나타난바와같이사극자석을포함하여총 8개의부분으로구성되어있으며각각 Drift tube 몸체가되는외부실린더, 내부실린더, 캡, 외부스템, 내부스템, 중간스템, 스템고정용부품및사극자석이다

171 그림 Drift tube 구성. 다. 자장측정시스템의설계 가속기설계시의이용되는자석의자장값은이상적인형태로가정이된다. 예를들면사극자석의경우 field gradient의비선형성이나고차원다극자장에의한섭동효과등은존재하지않는것으로가정된다. 뿐만아니라실제자석의제작시에는자극의가공오차에의해발생되는자장의오차값이존재하기도하며높은자장값을사용하는자석의경우에는자기포화효과에의하여자장의섭동이발생하기도한다. 이런여러가지효과에의한자장의섭동은빔동역학에큰영향을미치게되고그결과자석조립에있어서의허용한계등에영향이미치게된다. 특히 DTL의경우사극자석의정렬이빔거동에미치는영향이크므로 drift tube의설치이전에자석의중심점을정확히측정하고 field gradient값을정밀하게측정하며고차원다극자장값의크기를측정하여그결과를자석정렬에반영하는일이매우중요하다. 자장을측정하는방법에는여러가지가있는데이중어떤방법을선택할것인가하는데에는자장의크기, 공간적균일성, 시간변화에따른자장의변화, 요구되는자장측정의정밀성등여러가지요소들이모두고려되어야한다. 일반적으로알려진자장측정의방법에는 magnetic resonance를이용하는방법, harmonic induction coil을이용하여 flux를측정

172 하는방법, hall generator, 빔거동을측정하여자장을측정하는방법, magneto-resistivity를이용하는방법, 철가루를이용하여가시적으로측정하는방법등이있다. 본연구에서는 harmonic induction coil을이용하는방법과 hall generator를사용하는방법의두가지방법을복합적으로이용하여자장을측정하는것으로하였다. 그림 에 hamonic coil을이용하여자장의센터및고차자장크기를측정하는시스템의구조를나타내었다. 절연체로이루어진샤프트에코일을감고 drift tube내의사극자석에의한자장속에서 AC motot를이용하여고속으로회전시키면서자장변화에따른유도기전력을측정한다. 모터는강자성체로만들어진박스속에두어자장에의한노이즈를차폐하며코일의전선은샤프트의같은방향으로나오도록하여 drift tube의교체가쉬워지도록하고외부노이즈가최소한이되도록만든다. 베어링의위치및 drift tube 마운트의중심정이일직선을이루도록하고 drift tube 마운트를샤프트를따라이동시키면서사극자장성분및고차자장성분의자장크기와 effective length를측정한다. 그림 Harmonic Coil 을이용한자장측정시스템구조

173 라. DTL 탱크및 DT 의열 / 구조해석 (1) DTL 탱크열및구조해석 고주파부하에따른 DTL tank의열변형이 DTL tank의공진주파수변형에미치는영향을고찰하였다. DTL tank는긴실린더로가정하였으며그림과같은 2-D model을통하여해석하였다 ( 그림 ). Tank의내벽에고주파에의한 Heat flux가존재한다고가정하였으며냉각채널은냉각수온도인 40도로일정한값을유지하는것으로가정하였다. 그림 탱크열해석을위한 2-D modeling. 해석결과고주파 24% duty인경우아래그림에나타난바와같이냉각채널간의간격이상대적으로넓은탱크의아랫면에서최대 7.6도의온도상승이나타났으며그에따른열변형은지름방향으로약 24micron이었다 ( 그림 , 34). 따라서, 온도변화에따른공진주파수변화량은대략 10kHz 정도로서튜닝범위내에들어있음을알수있다

174 그림 열해석결과 - 고주파에의한온도변화. 그림 열해석결과 - 온도변화에따른변위

175 (2) DT 열및구조해석 공학설계된 DT의구조가열및구조적으로안정한지수치해석을통하여검증하였다. 즉, 고주파에의해주어지는열부하및냉각수압력에따른변형이주파수튜닝범위내에있는지, 그리고재료의구조안정범위내에있는지그림 와같은 2-D axi-symmetric model을통하여검증하였다. DT의내부는냉각수에의해냉각수온도인 40도로유지되는것으로하였으며냉각수압력차이는 6 atm으로두었다. 그림 DT 열 - 구조해석을위한 2-D modeling. 해석결과고주파의 duty 100% 인경우에도온도상승은그림 과그림 에나타난바와같이최대 0.4 도미만이었으며최대변위의경우 6micron 미 만으로역시튜닝범위내에있음을알수있었다. 그림 열해석결과 - DT 의온도상승

176 그림 열 - 구조해석결과 : 열및냉각수압력에의한변위. 최대응력은국부적으로 12.3MPa 로 Brazing 공정을거친후의 Cu 의항복응력인 50MPa 보다적어구조적으로도안정한것을알수있었다 ( 그림 ). 그림 열 - 구조해석결과 : Stress Equivalent

177 제 2 절. MEBT 설계 MEBT(medium energy beam transport) 는두종류의가속장치사이에서빔을정합시키는역할을수행한다. 보통의양성자선형가속기는 MEBT이 RFQ와 DTL사이에존재하며, 빔정합뿐만아니라빔을원하는형태로 chopping해주는역할도수행한다 [77-80]. 양성자사업단에서제작하는 100 MeV 선형가속기에서는 MEBT이 20 MeV DTL 과다음에오는 DTL 사이에들어간다. 같은종류의장치를사용함에도 MEBT을넣는이유는빔인출시스템이 20 MeV DTL 뒤에오기때문이다. 빔인출시스템은약 1 m 길이의 bending magnet을이루어지면, 이곳에서연직방향의빔의집속이불가능하다. 따라서 MEBT은빔정합이외에빔인출시스템을통과하는빔의크기를조절해주는역할을수행해야한다. 본과제에서는이러한역할을수행하기위한 MEBT시스템에대해조사하고, 빔동력학설계를수행하였다. 1. 빔정합방법 우선 MEBT의공학설계의기초자료를얻기위해다양한방법을통해 longitudinal beam의정합방법에대해조사하였다. 이때다음과같은방법으로연구를수행하였다. 모든 beam matching은 rms beam matching을사용한다. 사용된 code는 PARMILA와 TRACE3D 이다. 가. DTL1(20MeV) 출력빔과 DTL2 의정합입력빔 우선계산에사용될 20 MeV 출력빔과 DTL2 에들어갈정합입빔을구하였다. (1) DTL1(20MeV) 의출력빔 PARMILA 계산결과에의해얻어진 DTL1의출력빔을사용하였다. 이때다음과같은사항을고려하였다. 이때 RFQ와 DTL1 사이에 longitudinal matching을위한 buncher cavity가하나있는경우를고려하였다

178 PRAMTEQM 에얻어진 RFQ 출력빔을 DTL1 의입력빔으로사용한결과다. 출력빔의 Twiss parameter(normalized rms unit) 는표에주어진것과같다. 이결 과는 RFQ 와 DTL 사이에들어가는빔정합방법에따라달라진다. 표 MeV 출력빔. emittance x mm/mrad 0.23 mm-mrad y mm/mrad 0.23 mm-mrad longitudinal deg/mev 0.12 deg-mev PARMILA 에서계산된출력빔의모양은그림 과같이주어진다. 그림 MeV 출력빔 : PARMILA 결과

179 (2) DTL2 의정합입력빔 PARMILA 에의해주어진 DTL2 의정합입력빔의 twiss 파라메터는표 에주 어진다. 이때사용된가속전장은 =1.3 MV/m 이다. 정합입력빔은 DTL 설계값에따 라달라진다. 그림 는정합입력빔을 twiss 공간상에서보여준다. 표 DTL2 정합입력빔. emittance x mm/mrad 0.23 mm-mrad y mm/mrad 0.23 mm-mrad longitudinal deg/mev 0.12 deg-mev 그림 DTL2 정합입력빔 : PARMILA 결과

180 나. 기본적인 matching MEBT 은기본적으로 8 개의사극전자석과두개의 buncher cavity 로구성된다. 그림 은이러한 MEBT 의개념도를보여준다. 각구성성분의역할은다음과같 다. bending magnet전에있는 4개의전자석은빔인출시스템에서 transverse beam size를조절하는역할을한다. bending magnet후에있는 4개의전자석은 transverse beam matching에사용한다. 두개의 buncher cavity는 longitudinal beam matching에사용한다. 그림 PEFP MEBT 의기본구조. (1) Transverse beam matching 이러한기본적인 MEBT 구조에서빔정합을위한각성분을구하였다. 이때 TRACE 3D 코드를사용한다. bending magnet이들어갈공간에서 beam의크기를조절하기위해 Q1 Q4를조절하고 transverse beam matching을위해 Q5 Q8을조정하였다. 이때각전자석의 effective length는 150 mm로한다. 결과는표 에정리하였다

181 표 빔을조절하기위한사극전자석사양. 전자석 G (kg/cm) Q Q Q Q Q Q Q Q (2) Longitudinal beam matching longitudinal matching을위해서두개의 buncher cavity의 effective voltage ( ) 를조절하였다. 결과는표 에주어진다. 표 logitudinal beam matching을위한 cavity 사양. cavity (MV) C C 그림 는 TRACE 3D 를사용한계산을보여준다. 그림 빔정합을위한 TRACE 3D 계산

182 여기서구한 effective voltage 중큰값은 650 kv로매우큰값이된다. effective voltage 값이커지는가장중요한원인은에너지가 20MeV로높은값을갖기때문이다. 그림 는한개의 buncher cavity의 effective voltage가 0.15MV 일때 1m 떨어진지점에서 가얼마나변하는지를빔의에너지에따라보여준다. 에너지가작으면 longitudinal trace space상의빔 ( ) 을보다넓은범위에서변화시킬수있다는것을알수있다. 그림 가일정할때, 빔에너지와 cavity 에의한위상변화

183 다. DTL2 를변화시키는경우의 beam matching DTL2 의여러가지성질을변화시키는경우빔정합에어떤영향을미치는지조사 하였다. (1) DTL2 의 를변화시키는경우 우선 DTL2 의가속전장을바꾸어가면서 matching 에미치는영향을조사하였다. 그림 은 TRACE3D unit 으로그린 DTL2 의정합입력빔이다. 그림 DTL2 의 에따른정합입력빔의변화. 각경우에대해 RF bucket 은그림 같이주어진다. 이때가속은고려하지 않는다. 그림 DTL2 의 에따른 RF bucket 의변화

184 예를들어 = 1.0 MV/m 인경우 RF bucket 과 matched 빔사이에는그림 과같은관계가있다. 바깥쪽선이 RF bucket 이고안쪽타원이 matched input beam 이다. 이계산에서의 matched input beam 은 rms 빔이다. 그림 RF bucket 과 rms 정합입력빔. 가변하는각경우에대해서 longitudinal matching 을위한 buncher cavity 의 effective voltage 를구하면표 와같이주어진다. 표 빔정합을위한 effective voltage. (MV) C1 effective voltage (MV) C

185 (2) DTL2 의 face angle 을변화시키는경우 DTL2 에들어가는 drift tube 의 face angle 을 10 도에서 40 도까지변화시키는경우에 는 matched input beam 이크게변하지않는다 ( 그림 ). 그림 face angle 과빔정합. 이때 beam matching 을위한 buncher cavity 의변화는다음과같다. 이계산을위해 PARMILA 의 SFDATA 를다시작성하였다. 이것은 face angle 이 달라지는경우에는가속효율이달라지기때문이다. face angle 이변해도 effective voltage 값은크게변하지않는다 ( 표 ). 표 빔정합을위한 effective voltage. Face angle (degree) C1 effective voltage (MV) C

186 (3) DTL2 의 synchronous phase 가변하는경우 이는가속전장의 ramping을통해 matching 시키기위한 effective voltage를작게할가능성에대해조사한것이다. 결론은다음과같다. synchronous phase가 0에접근할수록 buncher cavity의 effective voltage 값은줄어든다 ( 그림 ). 두번째 cavity의 voltage는 350kV보다크다 ( 그림 ). phase 절대값이줄어들면 bucket의크기도줄어들기때문에 phase ramping을통한방법은적당한해결책이아니다. 그림 synchronous phase 와 effective voltage

187 라. buncher cavity 의수를증가시키는경우의 beam matching longitudinal matching 을위해사용되는 buncher cavity 의수를증가시키며, matching 을위해필요한 effective voltage 의변화를살펴보았다. (1) 두개의 cavity 를이용해하나의 cavity 를대체하는경우 기본적이 MEBT 에나오는 2 개의 cavity 를각각쌍으로확장하는경우에각쌍의 cavity 가어떤성질을만족시키는지조사하였다. 그림 에는보는바와같이 cavity 에 C1, C2, C3, C4 의번호를붙이고, cavity 사이의거리는각각 L1, L2 로한다. 그림 cavity 를쌍으로확장하는경우. 첫번째 cavity 쌍의거리인 L1 을변화시키며기본적인 MEBT 의첫번째 cavity (0.65MV) 와같은효과를주는 C1, C2 를구한결과를그림 에보여준다. 그림 첫번째 cavity 쌍의 effective voltage

188 두번째 cavity 쌍의거리인 L2 를변화시키며기본적인 MEBT 의두번째 cavity (0.45MV) 와같은효과를주는 C3, C4 를구한결과를그림 에보여준다. 그림 두번째 cavity 쌍의 effective voltage. 이상의결과를정리하면다음과같다. 위에서보는바와같이 cavity 사이의거리가 20cm정도인경우에는한쌍의 cavity의 effective voltage 중하나는원래값보다매우작아지고, 나머지하나도어느정도작은결과를준다. 따라서 cavity 숫자를늘리면 effective voltage가작아질것을기대할수있다

189 (2) Cavity 수를늘리는경우 cavity의개수를늘리는방식으로다음의네가지경우를고려하였다. 각경우의 MEBT구성과빔인출시스템양쪽에가장가까이있는 2개의 buncher cavity의 effective voltage를변화시켜서정합입력빔을얻었다. 이때나머지 cavity는모두일정한값으로놓았다. 4-cavity scheme cavity를 Q1-Q2, Q3-Q4, Q5-Q6, Q7-Q8 사이에하나씩넣어서 4개의 cavity를이용하는경우다. 이방식의개념도는그림 에보여준다. 결과는그림 에있다. 이그림에서 x-축은나머지 cavity의 effective voltage를나타내고, data는빔정합을위해필요한 (matching을위해사용하는 ) 두 cavity의 effective voltage를나타낸다. 이경우에는기본적인 MEBT 방식인 2-cavity scheme과큰차이가없다. 그림 cavity scheme. 그림 cavity scheme 에서의 matching 을위한 effective voltage

190 6-cavity scheme cavity를 Q1-Q2, Q2-Q3, Q3-Q4, Q5-Q6, Q6-Q7, Q7-Q8에하나쪽 6개를사용하는경우다. 이경우에첫번째 3개와두번째 3개의 cavity의 effective voltage를각각같게하면, 3개의셀로이루어진소형 DTL 탱크에해당한다. DTL 탱크로구현할때에는전자석의 effective length에 drift tube의크기에서오는제한이있다. 이방식의개념도는그림 에보여준다. 결과는그림 에있다. 이때는모든 cavity 가 0.3~0.35 MV 일때 matching 조건을찾을수있다. effective voltage가상대적으로많이내려감을알수있다. 따라서소형 DTL 탱크 2개를사용한 MEBT이현실적인대안일될것이다. 그림 cavity scheme. 그림 cavity scheme 에서의 matching 을위한 effective voltage

191 D4-cavity scheme 이방식은 4-cavity scheme" 에서각 cavity를쌍으로확장한경우에해당한다. 이방식의개념도는그림 에보여준다. 결과는그림 에있다. 다른 cavity의 effective voltage가 0.22 MV에서 0.24 MV에있는경우에 (matching을위해사용되는 ) cavity의 effective voltage도상대적으로작은값을갖게된다. 예를들어다른 cavity를 0.24MV로고정하면 C4, C5가 0.3~0.32 MV에서정합입력빔을얻을수있다. 그림 D4-cavity scheme. 그림 D4-cavity scheme 에서의 matching 을위한 effective voltage

192 D6-cavity scheme 이방식은 6-cavity scheme" 에서각 cavity를쌍으로확장한경우에해당한다. 이방식의개념도는그림 에보여준다. 결과는그림 에있다. 다른 cavity의 effective voltage가 0.13 MV이상인경우에는 voltage가증가함에따라 matching을위해사용되는 cavity의 effective voltage가거의선형적으로작아진다. 특히이경우에는모든 cavity의 effective voltage를 0.15 MV이하로제한할수있다. 그림 D6-cavity scheme. 그림 D6-cavity scheme 에서의 matching 을위한 effective voltage

193 D6-1-cavity scheme 이경우는 "D6-cavity scheme" 에서첫번째 cavity와마지막 cavity를제거한경우에해당한다. 이방식의개념도는그림 에보여준다. 결과는그림 에있다. 모든 cavity의 effective voltage가 0.20MV이하에서정합입력빔을얻을수있다. 그림 D6-1-cavity scheme. 그림 D6-1-cavity scheme 에서의 matching 을위한 effective voltage. D6-2-cavity scheme 이경우는 "D6-cavity scheme" 에서첫번째, 세번째 cavity와아홉번째와열한번째 cavity를제거한경우에해당한다. 이경우에는모든 cavity의 effective voltage가 0.25MV 이하에서정합입력빔을얻을수있다. 이방식의개념도는그림 에보여준다. 결과는그림 에있다

194 그림 D6-2-cavity scheme. 그림 D6-2-cavity scheme 에서의 matching 을위한 effective voltage. 이와같은계산을바탕으로다음과같은결론을얻을수있다. buncher cavity를두개만사용하는경우에는 effective voltage가 0.65MV와 0.45MV로매우큰값을갖는다. DTL2의첫번째탱크에 ramping을넣는것은좀더조사해야겠지만큰잇점은없을것으로보인다. buncher cavity의개수를늘리면 effective voltage를줄일수있다. 특히 6-cavity scheme" 은두개의 DTL 탱크로구현할수있다는장점이있다

195 2. PEFP MEBT 사업단의중요한목표중하나는 20 MeV 양성자빔을사용자에게제공하는것이다. 이를위해서빔인출장치가 20 MeV DTL 후단에들어간다. 이장치는 20 MeV 빔을다음에오는 60 MeV DTL에정합입사에문제를야기한다. 따라서 MEBT은다음과같은두가지목적을달성시켜야한다. 20 MeV 빔인출시스템을갖추어야한다. 20 MeV 양성자빔을다음에오는 DTL 에정합입력시켜야한다. 가장간단한형태의조합이두개의 buncher cavity와 8개의 quadrupole magnet을갖는시스템이다. cavity는 logitudinal matching을위해사용하고, 앞에오는네개의사극전자석은빔인출장치안에서의빔크기를조절하는데쓰인다. 이전자석은빔인출시빔의성질을조절하기위해쓰일수도있다. 뒤에오는네개의전자석은 transverse matching을위해쓰인다. 그림 은 TRACE 3D를사용한빔정합결과를보여주며그림 는이 MEBT과다음에오는 60 MeV DTL에서의빔의모습을보여준다. 표 은빔정합을위한사극전자석과 cavity의유효전압을보여준다. 그림 간단한 MEBT 구조에서의빔정합 (TRACE 3D 계산 )

196 그림 간단한 MEBT 과 60 MeV DTL 에서의빔의진행. 표 빔정합을위한사극전자석과공동의유효전압. 변수 값 Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm 사극전자석 Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm 가속공동 ( 유효가속전압 ) C1 628 kv C2 428 kv

197 이러한 buncher cavity를구현하는방법중하나가 3개의셀로이루어진 DTL 을사용하는것이다. TRACE 3D에서는이 DTL이네개의전자석과 3개의 RF gap으로표시된다. 따라서 DTL 탱크 2개는 8개의전자석과 6개의 RF gap으로이루어진다. 이조합이 DTL이되기위해서는세개씩의 RF gap의유효전압이각각같은값을가져야한다는사실과 longitudinal matching을위해서는두개의 RF gap을임의로변화시켜야한다는사실사이에동시에부합하는해를얻어야한다. 그림 에서이러한해가가능하다는것을보았다. DTL 탱크내에들어가는전자석의 effective length는 7.5 cm이고, wall 에있는전자석의 effective length는 transverse matching을위해 15 cm로크게했다. 빔인출시스템이들어갈공간은 1 m로잡았다. 전자석사이의거리는에너지가 20 MeV에해당하는양성자빔에맞는 DTL 구조를고려하여결정하였다. 그림 는이때에두개의소형 DTL로이루어진 MEBT과 60 MeV DTL에서의빔의진행을보여준다. 표 는이렇게만들어진 DTL의사양을보여준다. 나머지구조는 60 MeV DTL과같다. 표 은이조건을만족시키는전자석의 field gradient와 RF gap의유효전압을보여준다. 특히 effective voltage는각각 265 kv와 230 kv로서, 앞서고려된두개의 buncher cavity로구성된경우보다작아진다. 그림 하나의 DTL( 세개의셀로구성 ) 이세개의 RF gap 과네개의사극전자석으로 구성되었을때의빔정합

198 그림 MEBT 과 DTL2 에서의빔의진행 : TRACE 3D 계산. 표 MEBT 을이루는소형 DTL 탱크사양. 파라메터 값 셀길이 cm gap 길이 cm 탱크길이 cm synchronous phase -90 도 tank1의 power 25 kw tank2의 power 15 kw

199 표 빔정합을위한사극전자석과공동의유효전압. 변수 값 Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm 사극전자석 Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm Q kg/cm 가속공동 ( 유효가속전압 ) C1 C3 265 kv C4 C6 230 kv MEBT 설계에는빔인출시스템 (1단계 빔수송계개발 과제에서수행 ) 과의관계를더고려되어야한다. 현재디자인된사양으로이를만족시키는지에대한검토가 2단계과제에서해야할중요한일중하나다. 그러나이러한검토는설계에근본적인변화를주는것이아니라관계된파라메터의값이약간씩변하는결과를줄것이다. 따라서 1단계과제수행을바탕으로양성자기반공학기술개발상사업단에서필요한 MEBT은두개의 DTL 탱크로만들게될것이다

200 제 3 절. 에너지측정시스템및제어시스템 가속기의운용에는장치의설계, 제작뿐만아니라다양한부대시설이포함된다. 고출력고주파시스템, 저출력고주파시스템, 진공시스템, 빔진단, 가속장치제어등이여기에포함된다. 여기서는 time of flight 방식에의한에너지측정시스템과제어시스템에대한연구결과를정리하였다. 특히제어시스템의경우장치의안정적인운영을위해필수적인부분이되므로, 이에대한포괄적인이해가필요하다. 구체적인과제는포항가속기연구소를통해수행되었기때문에필요한하드웨어등의정보는그를통해습득할수있으나, 이를전체적으로통합한다는관점에서개괄적으로연구된결과를정리하였다 MeV DTL 빔진단장비 : 개요 PEFP 가속기와같은대용량양성자가속기 (High-Power Proton Accelerators, HPPA) 장치는그구조가대단히복잡하고진단장치에허용되는설치공간이매우협소하다. 따라서 PEFP 진단장치는일반적으로계측에요구되는고정확도, 고해상도, 고안정성, 넓은동작범위등의일반사양외에그구조가매우얇고컴팩트해야한다. PEFP 60MeV DTL의빔계측시스템은기본적으로 BCM (Beam Current Monitor, 빔전류측정장치 ) 과 BPPM (Beam Position & Phase Monitor, 빔위치및위상측정장치 ) 시스템으로구성되어있으며 BLM(Beam Loss Monitor, 빔손실측정장치 ) 가 DTL 탱크사이에위치해있다 ( 그림 ). 특히 BPPM과 BCM은가속기의정상운전및빔커미셔닝 (beam commissioning) 에매우중요한역할을담당하기때문에가속기설계초기단계에서부터 PAL(Pohang Accelerator Laboratory) 과공동연구를수행하여 PEFP 가속장치에적합하도록설계및제작하였다. 진단장비에대한보다자세한내용은 저에너지가속장치개발 과제의단계보고서에있으며, 여기서는 Time of flight 방식에의한에너지측정시스템에대한연구결과를정리하였다. 그림 PEFP DTL 의진단장치구성도

201 가. Time of Flight 에너지측정장치 DTL가속장치의 commissiong 시에이용될양성자빔의에너지측정방법은 Time of Flight와기체산란형 (Gas scattering) energy montor이다. 전자의 TOF방식은고전류양성자가속장치에적용하기용이하며빔위치 / 위상측정장치에이용된 BPPM pick-up 을사용한다. TOF는구성이비교적단순하지만측정정확도가 1% 정도로정도가떨어지는편이고계측장치와 pick-up 간 cable 길이에따른위상교정시에오차가발생할소지가많기때문에주의를기울여야한다. 한편기체산란형에너지측정장치는정확도가우수하고에너지분산정도를측정할수있는장점이있는반면에관측이가능한빔의전류와에너지에제한이있다. DTL의양성자빔에너지를측정하기위하여 BPPM pick-up을이용한 Time of Flight (TOF) 에너지측정시스템을제작하였다. 그림 는 TOF 방식에의한에너지측정장치의설계도이고, 그림 은 DTL#4 후단에설치된 TOF의모습을나타낸다. 그림 TOF 에너지측정장치의구조도

202 그림 TOF 에너지측정장치의설치. 그림 Time of Flight 에너지측정장치구성도. 두 BPPM pick-up 사이의거리 (L) 은 250 mm로하였으며양쪽 pick-up신호는오실로스코프와 BPPM-EL전자회로에입력되어위상차에해당하는전압신호를읽어오면빔에너지를환산할수있다 ( 그림 ). 양성자빔번치의비행시간 ( t) 는아래식과같이위상차로주어지며, T는주기이며 f는빔의주파수를나타낸다

203 위상차를측정하여비행시간을구한후에아래식에의해빔에너지를구할수있다. 위식에서 m o c 2 는양성자정지질량에너지 (938.2 MeV) 이고 이다. TOF 에너지측정장치의정확도 (accuracy) 는아래식으로주어지며 dt 는 정확도를나타낸다 ( 표 ). 비행시간측정 표 Time of Flight 에너지측정장치의사양. Requirements Value Frequency 350 MHz Accuracy < 1% Resolution < 0.1 % Beam energy 3 ~ 100 MeV

204 2. 선형가속장치제어기술개발 가. 개론 현재국내의 EPICS 제어기술은 Unix, Linux 및 Windows 기반에서개발이진행중이며포항가속기연구소에서 EPICS 기반의제어시스템을개발하여이제실제적용이시작된단계에있다. EPICS 기반의제어기술은인터넷을통한공개 S/W를사용하여개발하였으며외국과의연구교류를통해다소생소한제어시스템어려움을극복할수있었다. EPICS 제어기술의 Extension 부분과 IOC 부분및 Device driver 부분을현재의국내기술수준과미국의경우에대하여이해하는부분의범위를기준으로계량적으로비교하여보면아래와같다고할수있다. - Windows 기반 EPICS 기술 : 70% - Unix 기반 EPICS 기술 : 60% - Device driver : 50% - 포항가속기연구소국내에서는포항가속기연구소에서지난수년간연구를진행하여왔으나본격적인연구는 2001년에시작되었다. 현재는전자석전원장치와고출력펄스전원장치의제어에 EPICS 기술을적용하여운영중이며포항가속기전체제어장치를 EPICS 기술로성능개선이진행중이다. - 기초과학연구원의 KSTAR 프로젝트기초과학연구원의 KSTAR 프로젝트에서토카막및실험시설의제어를위하여 EPICS 기술을연구하고있는중이다. 아직본격적인응용은이루어지지않고있다. 그리고삼성종합기술원에서소규모 (Stand Alone) 의 EPICS 제어기술을운영중인것으로파악되었다. - 양성자기반공학기술개발사업단 (PEFP) 양성자사업단의양성자가속장치제어시스템은전자가속기운영경험이풍부한포항가속기연구소제어팀에의해제안및개발되었으며먼저저에너지 (20MeV) 선형가속장치제어시스템개발이이루어졌다. 개발된저에너지가속장치제어시스템은가속기제어분야기술추세에부합하는 EPICS기반양성자가속기제어시스템으로연구개발 1차년도 (2001) 에는 20MeV 가속장치개념설계및상세설계를통해구체적인상위제어

205 및세부제어시스템의사양을결정하였다. 그해진공제어시스템을개발완료하였고 2,3 차년도에걸쳐 Timing(event) System, 고주파, 전원냉각등의나머지세부제어장 치시스템을개발하였다. 나. 각구성요소의제어시스템 다음은가속장치의구성성분에대한제어시스템을개괄적으로살펴본다. (1) 상위제어 양성자가속기상위제어는각세부가속장치제어시스템을통합하여운전실에서일관성있게관리도록위해 SUN sparc server에통합환경을구축하였다. 구축된상위제어시스템은 EDM (Editor Display Module) 모듈을이용하여설계및개발되었으며운전담당자가네트웍을통해쉽게접근가능하도록하였다. 제어그간 EPICS 개발환경에서사용하여왔던소프트웨어모듈은전세계 EPICS Commnuty에서공동개발의덕분으로꾸준히향상되어온개발모듈중에하나로운전패널을쉽게설계및제작할수있는우수한성능의 EPICS 기반그래픽개발도구이다. EPICS Data Base인 Record의 Programming에는 APS에서개발된 VDCT (Visual Database Configuration Tool) 을활용하였다. 그림 에서상위제어를위한개략도와그림 에서실제양성자사업단의상위제어 Host server에구축된통합제어창을볼수있다. 그림 PEFP 상위제어개념도

206 그림 PEFP 상위제어창. (2) 진공제어시스템 양성자진공제어장치는 EPICS 소프트웨어를사용하여 Cryopump와 Turbopump, press gauge, Gate valve 그리고 Compressor를제어하기위한목적이다. 모든장치들은 IOC(Input Output Controller) 와 serial 로통신을하고있다. 그리고 gate valve와 Turbo pump는별도의 embedded 제어장치를개발하여 IOC와serial 통신을한다. IOC 하드웨어는산업용 PC를사용하여구성되었으며운영체제는 Windows2K를기반으로하여개발되었다. 제어모델은 EPICS의기본모델인 Client/Server 모델을지향하며 Extension software는 Network이연결되어있다면어느운영체제에서나모니터링과제어가가능하다. Vacuum 장비는저속 Serial 통신을하는장비들로구성되었기때문에실시간제어 ( Real time Control) 보다는 Slow control이적합하므로운용상의편리함과소프트웨어의개발편의성을위하여산업용컴퓨터를사용하여 Windows2K 환경에서개발되었다. 구축된진공제어시스템의세부모듈및 IOC의블록다이어그램과장치사진은아래그림 에서볼수있다

207 그림 진공제어시스템개념도와장치사진. (3) 고주파제어시스템 양성자가속기의고주파장치에는 RFQ, DTL, High Power RF Circuit, Cooling System, RFQ Klystron 등이있다. 이들고주파장치의다양한사양과하드웨어디바이스레벨의독립적인자체실험및로컬제어를위해임베디드기술을적용한 LLRF Controller 가설치되며이와전체양성자제어시스템의기본이되는 VMEbus EPICS IOC 간의통신에는표준필드네트워크로널리사용되는 TCP Modbus를사용하기로결정하였다. 고주파 LLRF 시스템를제어하기위하여 Real Time OS인 VxWorks에 Motorola PowerPC인 Single Board Computer를 IOC CPU로사용하며, 모드버스통신의효율성을높이기위해디지털 In/Output, Analog In/Output 신호처리및 Ethernet 통신이가능한 VMEbus 기반의 Data Acquisition Server Board를개발적용시켰다. RF 모든장치들은 LLRF IOC(Input Output controller) 와임베디드 LLRF와 Ethernet를통한 TCP Modbus통신을하고있다. 그리고 Klystron 시스템제어용 PLC(Program Logic Controller) 를통한제어가또한별도의 Ethernet를이용하여 IOC 의전달된다. 물론 BPM데이터또한 VMEbus를통하여 IOC에서처리하도록되어있다. IOC 하드웨어는 VMEbus 기반의 SBS( Single Board Computer ) 를사용하여구성되었으며, 운용체제는 RTOS인 VxWorks를사용하였다. EPICS IOC를개발하기위한개발환경은 SUN W/S의유닉스운영체제에 VxWorks 개발환경인 Tornado와 PowerPC인 PPC604 EPICS IOC base가인스톨되어 IOC 제어응용프로그램이개발되도록하였다. 또한이 SUN W/S에향후제어운영및실험을위한상위 OPI(Operation Programmable Interface) 인 EPICS Extensions가또한설치되어져있

208 다. 아래그림 에서 LLRF IOC 의세부모듈구성도와 VME 기반제어시스템 의장치사진을볼수있다. 그림 LLRF 제어시스템개념도및장치사진. (4) Timing 시스템 (Event 시스템 ) 가속기에서필요한 Event 신호와 Timing 신호를만들어내기위하여 Event system 개발을추진하였다. APS와 SLS에서사용중인것을모델로하여 VMEBus를이용하고자하였다. 이시스템은소프트웨어 Event code를발생시켜 record trigger용으로사용된다. Event system은하드웨어적으로 Event Generator 와 Event Receive board로구성되어있다. Event system은광케이블을통해서로가연결돠어 100MHz 의 Clock과데이터를 Generator 에서 Event Slave로전달한다. 또 Time stamp기능을지원하기때문에 NTP (Network Time Protocol) 와자체하드웨어카운터를사용하여각 IOC간아주정밀한시간동기를이룰수있는특징이있다. Event System에서제공되는않는기능들은별도의하드웨어를사용하여 Timing 신호로사용할수있다. 아래그림 는본사업단 event system 펄스형태와구성된장치사진이다

209 그림 PEFP event system 펄스형태개념도및장치사진. (5) 전원장치제어시스템 전원장치에는 DAC, ADC, Digital I/O 신호를처리해주는접속카드가있으며접속카드는 Intelligent 기능을가지는 Embedded Controller에의해자체적으로제어, 모니터링그리고간단한진단을한다. 가속기주위로넓게분산되어있는 Embedded Controller들은상위제어시스템과의효과적데이터통신을위한 Field Bus와연결되기위해 Network 기능에필요한하드웨어및소프트웨어을내장하고있다. Field Bus 는현재국제표준화기구인 IEC, ISO에서규격화시키고있으며현장특성에따라여러개의 Field Bus가통용되고있는실정이다. 최근유럽의 BessyII, DESY, GEMINI에서 CAN (Controller Area Network) Field Bus를채택하여안정적으로전원장치제어시스템을운전하고있다. 특히 EPICS 제어시스템과의연동이용이하도록하드웨어뿐만아니라계층적구조를가지는소프트웨어모듈을개발하여상위 EPICS의 DataBase인 Record와연결을시킨다. EPICS를사용하는양성자전원장치제어에도이와같은최근기술동향을분석하고적용시키는제어시스템의개념을추진하였다. 다음그림 은통신프로토콜을 CAN Bus를사용하여구성된하드웨어의대략도이다

210 그림 CANbus 기반의전원제어시스템개념도. (6) 냉각장치제어시스템 냉각장치제어시스템의목적은냉각수온도의조절이며운전자및장치담당자에게규칙적으로데이터를제공함은물론필요한 Interlock 장치가내장되도록해야한다. 냉각장치 Data의응답시간은타장치에비하여늦고빔운전에적극적으로사용되지않는수동적제어장치가대부분이다. 여기에사용될수있는제어플랫폼으로는사용하기쉽고다양한소프트웨어툴이제공된산업용 PC/Windows 시스템이나열악한현장환경에서신뢰성있는 PLC 시스템이적합하다. 이렇게디바이스담당자가독립적으로운영되어도상위의 EPICS 제어시스템에 Data을주기적으로제공하기위해서는 Field Bus, 즉 RS485, Ether_ModBus 등이을이용될수있으나제어대상의수량이많은냉각장치의비용절감을위해냉각수온도, 유량, 압력제어는다채널 DI 및 AI LAN converter를이용하여냉각 IOCdp 신호를전송하는방식을채택하였다. 또한냉각수온도제어를위한 PID 제어기의신호는 Serial to LAN conveter를사용하였다. 냉각제어시스템은비교적전송속도느린제어시스템이므로 PC기반 IOC사용하였다

211 (7) 빔진단장치제어시스템 빔위치, 위상및빔전류를측정하는제어시스템으로각각의필요한신호사양을정리하고이를기반으로시그널리스트를완성하였다. 빔위치측정에필요한신호사양과위상및전류측정에필요한신호사양이상충하기때문에두가지의 ADC 보드를선택하였다. 이시스템역시 VMEBus 기반이며이들 ADC 보드들에대한드라이버들의개발이수행되었다. 이시스템은아래그림 과같은하드웨어구성을가진다. 그림 PEFP 빔진단제어시스템하드웨어개념도. 기술한바와같이직접적인세부제어시스템의기본은 VMEBus를이용하고일부 PC/Windows나 PC/Linux를사용하고자하였다. VME의콘트롤러로는 PowerPC 계열의 MVME5110를사용하였다. 고주파제어계의 Modbus 통신을위하여 Modbus/TCP 전용 VMEbus Multi Function Local server(mfls32a), MFLS32A용 Signal Condition Units & Wiring Panel Module 가선택되었으며빔진단제어의 ADC 모듈로는상이한사양을만족시키기위하여 VTR812/10와 AVME9325-5을선택하였다. Event 시스템의 Generator와 Receiver로는 Micro Research 사의 EVG-110와 EVR-10 를사용하며전원장치제어에는새로운버스방식인 CAN Fieldbus를적용하였다. EPICS에서의세부제어장치핵심부분인 BASE Package는 OSI (Open System Interface) 라는 Layer에의해 Open 시스템으로개발되어세부제어장치장치입출력제어기는실시간운영VxWorks 뿐아니라 Windows, Linux등다양한플랫폼에설치가능하도록하었다. 또한각종 Device를 EPICS 제어시스템에유기적으로연결시켜주는 EPICS Device Support Module들도세부가속장치특성에맞게선택하여제어시스템통합화가용이하도록하였다

212 다. EPICS 기반임베디드제어시스템 (1) EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)[81, 82] 양성자가속장치로부터생성되는시그널은무수히많이발생하며발생된많은시그널을처리해야할소프트웨어구축에도상당한비용과유지관리측면도많은어려움이발생할것이다. EPICS는이러한비용문제와개발과정그리고유지관리에따른문제점들을보안하기위한측면에서개발된소프트웨어이며현재가속기를개발하는나라에서는 EPICS를사용하여제어시스템을구성하고있으며 EPICS의연구도함께계속진행되고있다. 제어시스템에사용되는소프트웨어 EPICS는사용자측면에서보았을때구현이쉽고편리하며그리고유지보수가간편하고확정성과이식성이매우뛰어난소프트웨어라는큰장점을가지고있다. 다양한플렛폼으로 Linux, Windows, RTMES, VxWorks, Solaris등다른상용 OS에서도사용이가능하다. 사용자인터페이스개발도기존프로그램에비해시간과비용을충분히절약할수있는소프트웨어이다. 임베디드장비의 MPC860 CPU에서 EPICS가수행될수있도록컴파일러를구축하고크로스컴파일을거쳐서실험장비의 MPC860 프로세서보드에서실행할수있도록환경설정이필요하다. 그리고외부장치와통신을할수있도록 Record, Device, Driver 등설계하는과정을거쳐야한다. ( 가 ) EPICS 기술 EPICS는미국의에너지성 (DOE) 에서후원하여 Los Alamos 연구소를주축으로개발된제어기술이며그본질은대형가속장치나천문대와같은분산된제어시스템을효과적으로구성할수있게하는소프트웨어도구들이다. 현재미국을중심으로전세계의많은가속기연구소가 EPICS를선택하고있으며국내의연구기관을주축으로협력체제로연구개발하고있다. Channel 수즉시그널수가적은시스템에서부터대형물리실험장치, 산업체응용시스템에이르기까지적용될수있는구조로유연성과확장성이뛰어나다. 소프트웨어의 Code의묶음과 Document는개발에참여하고있는연구소, 업체가내놓은소프트웨어 Package 그리고이를잘설명한 Document를얻을수있다. 현재 APS Control Group에서여러곳에서개발한것을통합하고있으며마지막으로공식적인소프트웨어를배포하고있다. EPICS는거의 Full Source Code로제공되며어느 Lab에서나최대한사용할수있다. 그리고현재개발에참여하고있는가속기연구소

213 와산업체로부터협력을얻을수있다. EPICS 개발에참여하고있는연구소와업체에서개발된소프트웨어를지속적으로받을수있을뿐아니라 EPICS의주요컴포넌트개발에참여할수있거나아직미진한응용분야의개발에참여하여 EPICS 개발의일원이될수도있다. Hardware Platform의제어시스템은상당히안정적구조와제어능력으로잘운영되지만늘어나는제어시그널의증가에대한제어시스템의확장에요구가증대되고자체로만들어진데이터베이스의관리한계로인해서가속기데이터의활용을위한 Physics의응용프로그램의다양한개발에한계를드러내기시작한다. 우선시스템의구조적인측면에서현재의시스템은물리적으로 3단계를거쳐서데이터가전달된다. 이로인해서데이터응답시간도길어질뿐더러데이터의끊김현상도많아지게된다. EPICS 시스템에서는이러한구조를하나로통합관리하여모든구성체는하나의데이터베이스에서자원을분해한다. 따라서응답시간및자원관리가매우체계적이다. 또한데이터베이스관리에서는기존시스템은 Data Process 단계와 Operator Interface 단계모두에서데이터를관리하여데이터의중복관리가되었다. 또한데이터베이스의조회, 저장이자유롭지못하고복잡한과정을거쳐서처리하게되므로시간및자원의낭비가심했다. 그러나 EPICS는통합데이터베이스관리로인한자원관리의효율성이매우높다. 또한사용자들의응용프로그램의개발에제한적이였으나, EPICS는다양한응용프로그램을만들수있고, 또한이미약간의수정만하면실제응용프로그램에서이용할수있는것도많다. 그리고 Network 측면에서기존시스템은 2개의네트워크계층을가지는데가속기설비장치를제어또는모니터링하는데있어서 2계층의네트워크를통과해야하기때문에데이터를잃어버릴확률이그만큼높다고하겠다. ( 나 ) EPICS 구조 구조적으로보면 EPICS는분산제어시스템의표준모델을제시해준다. EPICS의가장기본적인것은완전히소프트웨어, Hardware Entity가어느층이든간에분산되어있다. EPICS의구조는그림 에서보는바와같이하드웨어계층 (Hardware Layers), 소프트웨어계층 (Software Layers), 채널액세스 (Channel Access), Channel Access Server 데이터베이스 (Database), Devices 계층으로이뤄졌다

214 그림 EPICS H/W & S/W Layers. 1 하드웨어계층 (Hardware Layers) EPICS는 3개의물리적인계층과 5개의소프트웨어계층을가진다. IOC라고불리는물리적인 Front_end 계층이있으며이것은전형적으로 VME/VXI Creates, CPU Boards, 그리고 I/O Board들로구성된다. 아직은 CompactPCI, PC Platform에서는많이제공되지않고있다. IEEE-488(GPIB), BitBus, CANbus, RS232/RS485과같은 FiledBus들과 Ethernet, 몇몇 PLC Vendor Protocol이지원되고있다. 물리적으로 Back-end 계층은 Popular SUN, HP사의 UNIX 워크스테이션이로구성되어있다. 그리고 Linux, Windows가수행되는 PC Platform도가능하다. 그리고물리적으로 Front-end층과 Back-end층은 Network층으로연결되어있으며 Ethernet, FDDI, ATM 그리고 Repeater, Bridge Media로연결될수있다. 여기서사용되는 Protocol은 TCP/IP, Broadcast 와 Multicast 등으로지원된다. 2 소프트웨어계층 (Software Layers) 소프트웨어계층은 Client-Server라는패러다임 (Paradigm) 을가지고출발하였다. 클라이언트 (Client) 계층은 Workstation/PC 계층에서수행되며최상위의소프트웨어계층을나타낸다. 전형적인클라이언트는오퍼레이터컨트롤스크린들, 경보패널들그리고데이터저장 / 복원툴들이여기에속한다. 이러한툴들은단순한텍스트파일들혹은포인트엔드클릭그림툴로서작성된다. 또한 Display Manager, Alarm Handler, Strip Chart, Mathmatica, PVWave Visualizer, TCL/Tk Graphical Script Language 등과같은툴들도 EPICS의클라이언트들이다

215 3채널액세스 (Channel Access) 모든서버에모든클라이언트를연결시키는두번째소프트웨어계층이있는데채널액세스라고불리어진다. EPICS의백본인채널액세스는클라이언트들과서버들사이의 TCP/IP 네트워크상에일어나는상세한것들을감춘다. 또한채널액세스는서로다른프로세서들과심지어 EPICS 다른버전들까지수행하는클라이언트, 서버들사이에굳건한방화벽역할을수행한다. EPICS는완전분산되어있고정확한구조로되어있기때문에모든클라이언트와서버는네트워크트래픽의지연이거의없다. 된다. 4 Channel Access Server 세번째소프트웨어계층은서버이다. 모든 IOC 에내장된 Target CPU 에서수행 5 데이터베이스 (Database) 네번째데이터베이스계층은실제로 EPICS의중요한부분이다. 호스트의툴을사용하여데이터베이스는레코드라는 Function-block Object라는항목으로표시된다. 현재약 50 여개존재하며확장될수도있다. 종류들을보면 Analog Input/Output, Binary Input/Output, Building Histograms, Storing Waveforms, Moving Motors, Performing Calculations, Implementing PID Loops, Emulating Driving Timing Hardware, 그외 Task등이있다. EPICS 데이터베이스의기본적인엔티티 (Entity) 는채널 (Channel) 이다. 채널은데이터베이스안에있는레코드의하나혹은여러개의속성에대한기호이다. 레코드는이름이외에값, 최대 / 최저한개의속성가진다. 레코드의이름과속성만으로 IOC의서버에접근할수있다. 6 Devices 다섯번째, Bottom 계층은디바이스드라이버계층 (Device Driver Layer) 이다. 대개빠르게변하고성장하는 Driver List는 VME / VMI Interface, Serial, Industry Packs 등이제공되고있으며 Driver는 C언어로구현되어있으며 EPICS Collaborating Lab 은 Driver를수집하여모든 EPICS 파트너에게나누어주고있다. ( 다 ) EPICS 특징 EPICS 의주요한특징은표준화에있다고볼수있다. 모든계층 (Layer) 에표준화에 기반을두고있다. 이구조는 Hardware Vendor 들로부터독립, No Assembly Code, 특 수한명령어들로부터독립, 새로운실험장치들, Vendor Hardware 가지속적으로

216 Upgrade 할수있는능력을갖추며 Seamless Performance 향상을꾀할수있다. 그리고소프트웨어의 Penalty를물지않고가격대성능비를유리하게가져갈수있는것이다. 꼭필요한운영체제 (Operating System) 소프트웨어, Windows, UNIX, VxWorks 등은구입하면서 EPICS 같은 Public-Domain 소프트웨어사용이강조되고있으며이것은유지보수비를상당히줄이는효과를가져올것이예상된다. EPICS는제어시스템개발자가가속기머신에맞는제어시스템을생성할수있도록만들어주는소프트웨어컴포넌트의집합체이다. 또한여러개의데이터획득버스표준 (Data Acquisition Bus Standard) 에서도 Seamless Integration 할수있다. Local Controller와 Workstation 소프트웨어개발환경은동일하게구축될수있다. EPICS 의이러한특징은가속기와같은대형장치에서각가속장치들을최종적으로제어하기위해각각의제어시스템의통합까지 EPICS는소프트웨어는내부적인큰틀이될것이며국내외의보다많은교류와연구가수행되어안정적이며효율적인양성자가속기제어시스템을구축할것이다. (2) 임베디드시스템 [83] 본연구에서제안한임베디드제어시스템은 MPC860 개발보드로가속기장치의일부분인진공장치에서비교적적은시그널을처리하는데사용되며다른 VMEbus 시스템이나 UNIX 시스템에비하여가격이저렴하고소규모의장비로시리얼통신만을사용하는목적으로장비로다른시스템과비교하여진공제어에적합하여개발보드로선택하였다. 임베디드시스템이란컴퓨터의하드웨어와소프트웨어, 기타추가적인기계장치등으로구성되어특정한기능을수행하도록설계된시스템이다. PC의경우는어떤특정한용도로설계되지않는다. 이를테면사용자가이를네트웍서버로사용할지, 게임전용으로사용할지, 그냥워드프로세서용으로사용할지는알수없다. 그러나임베디드시스템의경우는어떠한특정한목적으로일을수행하기위해설계되어나온다. 이것이임베디드시스템의가장큰장점이다. 이러한임베디드시스템의장점으로외부장치와결합하여특정한일을반복적으로수행할수있도록설계한독립장비로구현하여안정적인제어시스템구현이가능하다. 다음은임베디드시스템의특징에대해서설명한다

217 ( 가 ) 임베디드시스템특징 마이크로프로세서는임베디스시스템을구성하는가장중요한하드웨어구성요소이다. 메모리는마이크로프로세스다음으로중요한하드웨어구성요소이다. 메모리에는 RAM, ROM, Flash Memory 등이있는데, 이들이소프트웨어를내장하고있거나소프트웨어를실행하는공간을마련해준다. 수십킬로바이트부터수메가바이트에이르기까지임베디스시스템에탑재한메모리크기는정말다양하다. 본실험에서는 16Mbyte의 SDRAM과 4Mbyte의 Flash Memory로하드웨어를구성하였다. 주변장치로는임베디스시스템에서입 / 출력을담당하는장치는 PC에서일반적으로볼수있는키보드와마우스가아니다. 입력장치는센서나버튼과다이얼등이될수있다. 그리고출력장치는 LCD, 사람목소리나음악, 통신신호등이될수있다. 임베디스시스템에들어가는소프트웨어는개별적으로동작하지않는다. 일반 PC에서동작하는소프트웨어는여기저기옮겨도특별한상황이아닌이상잘동작한다. 하지만임베디스시스템을위한소프트웨어는하드웨어와밀접한연관이있기때문에, CPU가동일하더라도환경이조금만달라지면동작하지않는다. 이는비용을줄이기위해임베디스시스템의하드웨어가항상최적화한부품만포함하고있기때문이다. 1가격제어를위해임베디드시스템을선택한이유는다른시스템에비해서가격이저렴하다는특징을포함하고있다. PC는현재나온최신기술을모두적용하는동시에확장성까지고려해야하므로구매당시에는사용하지않는많은기능을넣으려고한다. 반면, 임베디드시스템은시장에대량으로공급해야하는경우가있으므로가격에상당히민감하다. 그렇기때문에꼭필요한기능이외에것은모두빼고성능을떨어뜨리거나기능을일부러단순하게만들기도한다. 2크기제어시스템의 MPC860은 32비트 CPU를탑재하고있으므로상당히큰소프트웨어를운영할수있다. 임베디드소프트웨어는일반적으로크기가아주작다. 메모리크기는임베디드시스템에탑재한마이크로프로세서와도연관이있다. 8비트 CPU로제어할수있는메모리공간에는한계가있기마련이다. 3 안정성 임베디드시스템은예기치않은환경에서도동작에이상이없어야한다. 양성자가 속기의가장중요한부분으로안정성을기반으로제어시스템을구축하는것을목표로

218 한다. 임베디드시스템은이러한안정성을최대한보장하고있는시스템으로설계되었 다. 4 실시간성안정성과더불어임베디드시스템이실시간성을요구하는경우도있다. 양성자가속장치의제어시스템은실시간으로데이터를전송하고어떠한상황이발생할경우장치를제어할수있는시스템으로구축되어야한다. 작은오차가누적되면큰오차를낳기때문에실시간으로자료를처리해야한다. 5 호환성각기다른하드웨어를지원해야하므로, 인터럽트, DMA, I/O를처리하는최적화코드를사용하며, 속도와크기를위해최적화한어셈블리어를사용해이식작업도쉽지않다. 6 특수성임베디드소프트웨어를범용으로만든경우는찾아보기어렵다. 물론상황에따라몇가지작업을수행하게작성할수는있지만, PC와같이다용도로두루사용할수있는소프트웨어를만들지는않는다. 특히사람을상대로하는시스템이아닌하드웨어를제어할목적으로만든임베디드시스템에서는특수작업을위해소프트웨어를사용하는경향이두드러진다. 7성능임베디드시스템은주어진하드웨어성능을최고로이끌러내야하므로, 높은성능을발휘하게작성해야한다. 여기서주의할점한가지는성능이좋다고해서소프트웨어자체가무작정빨라야할필요는없다는사실이다

219 라. 양성자가속기진공제어시스템 여기서는진공시스템제어를중심으로양성자선형가속기제어에대해보다 구체적인연구하였다. (1) PC 기반제어시스템 (Linux 운영체제 ) 양성자가속기에서빔을가속시키는가속장치는진공상태를유지해야하고진공상태의압력을통해서안정적으로빔의가속이가능한지판단할수있어야한다. 진공상태를모니터링하고제어를하기위해서 Linux운영체제인 PC 기반제어시스템을구축하였다. ( 가 ) 진공제어시스템구조 양성자가속기의진공장치에는 RFQ의 Cryopump, Turbo Pump, Press Gauge, Gate Valve, Compressor와 DTL Multi-Gauge, Turbo Pump등이있다. 진공장치제어를위한하드웨어는그림 에서보는바와같이직접시리얼통신과원거리동신을위해 Ethernet 통신을병행하여제어시스템을구성하였다. 그림 제어시스템개략도

220 진공제어시스템은산업용 PC와응용프로그램으로위에서설명한 EPICS 소프트웨어를이용하여개발하였다. Cryopump는 RS232 Port를지원하기때문에 IOC와먼거리까지연결되기위해서 Signal Convertor를사용하여신호를 RS422방식으로바꾸어통신하였다. 통신프로토콜은 RS232C (4800 bps, 1 start, 8 data, 1 stop) 를이용하였다. 아래의표 ,2,3에서는기능별명령어와그설명을보여주고있다. 표 Commands for setting up operating modes 명령어 ROF RES 설명 Release RS232 Mode Software Reset 표 Terminating the remote mode through the serial interface 명령어 STB PUM FAR TOR OFF 설명 Stanby Pumping Fast regeneration Total regeneration Funktion OFF 표 Request for Status Information 명령어 MOD WAR ERR STA 설명 Operating Mode Warnings Errors Status

221 Gate Valve와 Turbo Pump는별도개발된임베디드제어장치가있어 IOC와 Serial 통신을한다. 통신은 RS Kbps 이며, Turbo Pump Control and Monitoring 은 4 Port, Gate Valve Control and Monitoring은 12 Port, External Interlock Port 16 Channel을사용하고있다. 시그널컨버터는진공장비가지원하는 RS232 신호를 RS422 신호로변환하여 IOC로신호를전달하는장치이다. 필요에따라장비는 IOC와멀리떨어져설치가될수있다. 그러나 RS232 신호를 15m 이상보내는것은보장이되지않기때문에 RS422로신호를변환하는등의방법으로설계하였다. RS422은외부노이즈에방어능력이나신호전달능력이 RS232에비해매우뛰어나기때문에산업용이나가속기현장에서는거의대부분 RS422를적용하고있다. 모든장치들은 IOC(Input Output Controller) 와 Serial로통신을하고있다. Gauge Controller에사용되는모델은 COMBIVAC IT23/2T이며아래그림 에서볼수있듯이하나의 Gauge에 2개의 Sensor를사용한다. IOC 하드웨어는산업용 PC( 표 ) 를사용하여구성되었으며운영체제는 LINUX(Redhat9.0) 를기반으로하였다. 제어모델은 EPICS의기본모델인 Client/Server 모델로하여 Network가연결되어있다면 Extension Software를이용하여어느운영체제에서나모니터링과제어가가능하다. GV_RFQ1 V1:High-vacuum gate valve CP_RFQ1 CoolVac-First V2:Forevacuum Backing pump 그림 COOLVAC-FIRST 의설치및동작

222 표 IOC Server PC 사양. Component 사양 CPU Intel Pentium4 2GHz Memory 133MHz SDRAM 512Mbyte Lan Card PCI 100Mbps(2개 ) PCI Slot 5 Hard Disk IBM 36G SCSI-II 1K RPM Serial Port RS422 24port EPICS에의해제어될진공장치는 RFQ의 Cryopump 2개, Gate Valve 3개, Turbo Pump 2개, 그리고 Gauge 2개와 DTL의 Gauge 8개, Turbo Pump 8개이다. 자세한통신사양은표 에기술되어있다. 그림 은 DTL 진공제어시스템을구성한사진이다. 진공제어장치의개발을위해서사용된 IOC와 Extension의시스템은산업용 PC를사용하였다 ( 그림 ). Multi-Drop 모드가사용되는시스템으로하나의마스터에여러개의슬레이브가연결되어마스터가어떤슬레이브와통신을할것인지를결정하고 (Polling) 해당슬레이브를호출하면호출된슬레이브가응답하는체제로구성되어있다. PC에는내장형멀티포트 Multi -8(RS422) 을장착하였으며 Nport 와 TCP/IP를이용하여통신하도록구성하였다. 표 에통신을위해채택된 Nport 장비사양이자세히기술되어있다 진공제어시스템

223 표 진공장치제어를위한통신장비. No 장비명 port Device 통신방법 통신사양 비고 1 Cryo Pump-CoolVac First 3 RS ,1stop, no parity RFQ 2 Clyo Pump-SC 4 RS ,1stop, no parity RFQ 3 Turbo pump/gate valve ,1stop, 5 RS232 Controller no parity RFQ 4 Gauge 1(IT23) 6 RS ,1stop, no parity RFQ 5 Gauge 2(IT23) 7 RS232 " RFQ 6 CoolPak-Compressor1 8 RS232 " RFQ 7 CoolPak-Compresser 2 9 RS232 " RFQ 8 TURBO PUMP RS ,1stop, no parity RFQ 9 TURBO PUMP RS232 " RFQ 10 Multi-Gauge 1-8 RS422 Ethernet to serial DTL 10 Turbo pump 15/16 RS422 Ethernet to serial DTL 그림 PC 기반진공제어 IOC

224 표 Serial to ethernet 내장형 Nport 사양. LAN Ethernet: 10/100 Mbps, RJ45 Protection: Built-in 1.5 KV magnetic isolation NPort 5630 Serial Interface RS-422 Signals: Tx+, Tx-, Rx+, Rx-, GND RS-485 (2-wire): Data+, Data-, GND RS-485 (4-wire): Tx+, Tx-, Rx+, Rx-, GND RS-485 Data Direction Control: Patented Automatic Data Direction Control Serial line protection: 15 KV ESD for all signals Power Line protection: 1 KV Burst (EFT), EN KV Surge, EN Built-in HMI LCM display with four push buttons Built-in Buzzer Built-in Real Time Clock Built-in Watch Dog Timer Serial Communication Parameters Parity: None, Even, Odd, Space, Mark Data bits: 5, 6, 7, 8 Stop bits: 1, 1.5, 2 Flow control: RTS/CTS, DTR/DSR (NPort 5610 only), XON/XOFF Speed: 50 bps to Kbps Software Features Protocols: ICMP, IP, TCP, UDP, DHCP, BootP, Telnet, DNS, SNMP, HTTP, SMTP, SNTP Utilities: NPort Administrator for Windows 95/98/ME/NT/2000/XP/2003, Real COM/TTY drivers, Linux real TTY driver Configuration: Web browser, Telnet console, or Windows utility Regulatory Approvals EMC: FCC Class A, CE Class A Safety: UL, CUL, TUV

225 ( 나 ) 상위제어영역에서의 EPICS 환경 1 Solaris 환경에서의 EPICS EPICS BASE R3.13.x 에서는 vxworks 실시간운영체제에서만 IOC (Input Output Controller) 가실행되었지만, EPICS BASE R 부터는다중운영체제를지원하는구조로바뀌었다. 양성자가속기제어시스템에서는제어시스템의안정성을고려하여 EPICS를 Sun Solaris Workstation에설치하여개발하였다. 2 Solaris 운영체제에서의 EPICS 설정 EPICS가처음개발된것은 Unix 환경에서부터였다. 그러므로 <base>/config/config 파일에서 EPICS_BASE를실제 <base> 디렉토리로등록해준다음원하는생성디렉터리로가서 <base>/bin/makebaseapp.pl -t example example 을실행하면원하는파일들이만들어진다. 이를 make 실행하면 IOC Application을만들수있다. 3 Solaris 운영체제에서의 Extension 설정 EPICS EXTENSIONS 설치하려면, Extensions build config files (R3.13), Extensions build configure files (R3.14) 를먼저 compile 해주어야한다. 이때에는 config와 configure 디렉터리아래에 RELEASE 파일에서사용하고있는 BASE 경로를설정해주어야한다. 예를들면 BASE 경로가 /usr/local/epics/base 라고한다면 EPICS_BASE=/usr/local/epics/base 라고설정을한후 compile을한다. 4 양성자가속기제어시스템에서사용되는 Extensions 양성자가속기제어시스템에서사용중인 Extensions tool에는 MEDM, EDM을설치하였다. Extensions 아래디렉토리에설치하면된다.[84, 85] 간단히이 tool에대해소개를하면, User interface용 Graphic 프로그램을작성할때사용하는 tool이다. 그림 은 EDM, MEDM 화면을보여준다

226 그림 EDM, MEDM 화면. EDM은 EPICS Display Manager의예로써, 쌍방향그래피컬디스플레이툴을실행하기위한것이다. Display Manager는활동하는화면들을수집하여관리하는도구이다. 이것은새로운화면을생성하며, 화면을수정하고 ( 그래픽, 텍스트, 미터, 슬라이드, 버튼, 플롯등 ) alive 데이터중에서화면에실행하기위한몇가지기능을사용한다. ( 예, EPICS channel access) MEDM은 Mofif Ediotr and Display Manager를의미한다. 이것은제어화면설계와구현을위한 GUI이며, EPICS 처리변수값들의변화그리고이들변수들을화면에나타내는그래피컬객체의수집을구성하는디스플레이라고부른다. 지원되는객체들은버튼, 미터, 슬라이드, test displays/entires 그리고그래프등이있다. 오퍼레이션의두모드는 EDIT와 EXECUTE모드이다. 디스플레이는 EDIT 모드에서만들고편집하며, EXECUTE 모드에서는실행한다. 이것외에도 EPICS Extensions에는 ADT(Array Display Tool), AR(Data Archiver), Probe, HistTool,VDCT(Visual Database Configuration Tool) 등이있다. 이두디스플레이 tool은비슷한기능을가지지만, 보다운영자가이해하기좋고보기좋은장점이있는 EDM tool을사용하여제어시스템 interface를만들었다. 그림 와그림 는 EDM 및 MEDM으로구성된진공모니터링및 RFQ 및 DTL Turbo pump 제어창으로가속장치에설치되어운영되고있다

227 그림 진공모니터링제어창. 그림 진공제어창 (Turbo pump)

228 (2) 임베디드기반제어시스템 ( 가 ) 임베디드기반제어시스템설계및구현 임베디드기반제어시스템을구현하기위한과정으로 MPC860 프로세서보드를선택하였고하드웨어를초기화하기위한 BSP(Board Support Package) 를생성하였다. 운영체제로 VxWorks을사용하고운영체제의 Kernel 이미지와 EPICS IOC 크로스컴파일을위한도구로 Tarnado2.0/2.2를기본툴로구성하였다. [86, 87] 그림 , 17은 PC기반의진공제어시스템의환경을임베디드시스템장비의 MPC860 프로세서보드에 IOC를설치한후진공장치에서시그널을받는과정을보여준다 은소형임베디드 MPC860 프로세서보드사진이다. [88] 임베디드제어시스템을위한보드에 RTOS(vxWorks) 를포팅하는과정을거쳐 RS232의통신방식으로구축된진공장치의 Gauge로부터시그널을받아들이기위해 IOC를구축하고 Device Driver를설치하였다. PC기반 IOC 시스템은 CombivacIT23 Gauge에서 RS232로출력되는데이터는컨버터를통해서 RS422로변환하였으나임베디드시스템을사용하는과정에서는진공 Gauge인측정장비의 Combivac IT23으로부터출력되는 RS232 시리얼포트를직접임베디드보드의 RS232(SMC2) Port에연결하여 Gauge와 IOC 간통신이이루어지도록설치하였다. 그림 임베디드시스템모니터링환경

229 그림 임베디드시스템테스트환경. EPICS의 Extension중 MEDM을이용하여사용자인터페이스를구현하였다. 호스트컴퓨터에서 IOC의데이터를확인하기위해 MEDM을실행하여진공장치의시그널값으로 PV(Process Variable) NAME을입력하여간편하게확인이가능하다. LAN상에서어느곳에서나확인이가능하도록임베디드시스템은 Ethernet을이용하여데이터를전송하도록하였다. 그림 IOC Target Processor

230 ( 나 ) 개발환경에서 BDM 과 Boot Loader 의역할 BDM(Background Debug Mode) 은대부분의임베디드환경에서는직접디버그를할수있는환경을제공하지않는다. 그래서 BDM Port를제공해서밖에서검사할수있는표준적인방법을제공합니다. BDM 툴은 PC 프린터포트와타겟보드의 BDM 포트와연결되며, 추가적인전원을사용하지않고, 타겟보드 BDM 포트전원사용, 타겟보드사양에따라서쉽게변경할수있도록디바이스파일사용, 플래시메모리지우기 ( 부트섹터 / 삭제 ) 기능, 플래시메모리쓰기기능, 메모리레지스터출력 / 수정기능, 메모리 (SDRAM) 테스트 (Simple / Full) 기능, 메모리출력 / 변경기능, 타겟보드리셋기능등을가지고있다. BDM은 MPC860이탑재된타겟보드와 10pin BDM Connector 로연결되고, Host와는 Parallel Port로연결된다. 타겟보드와 Host는 RS-232 케이블로연결되어문자입출력을하게되고, BDM 은 Host에설치되는 BDM용소프트웨어를통해서타겟보드의 MPC860 레지스터초기화, 소스레벨디버깅및 Flash Memory Fusing 기능등을지원한다. 그림 는 MPC860이탑재된타겟보드의내부구조를보여준다. 부트로더는커널이올바르게수행되도록미리초기화작업을해주는프로그램으로서이에대해다음과같이크게세가지로나누어볼수있다. 그림 에서 Target Board의부팅과정을볼수있으며실험의테스트보드의 Boot Loader는테스트보드의환경에따라매뉴얼을보며 config.h, makefile, rominit.s의프로그램에서 Base Address등수정이필요했다. CS0 FLASH (4MByte) BootLoader MPC860 50Mhz CS1 SDRAM (16MByte) vxworks Kernel SMC1 SCC1 MAX232 MAX232 Application Program Serial Ethernet 그림 Target Board

231 그림 Target Board 부팅과정 1 하드웨어초기화부트로더의역할중에하나는 OS 커널이타겟의하드웨어사양에구해받지않도록미리타켓의하드웨어를초기화해주는역할이다. 즉, OS 커널코드로진입하여 OS가부팅하기전에미리하드웨어를초기화하는작업을부트로더에게맡김으로써 OS 커널입장에서는하드웨어초기화에대한부담을덜수있다. 2커널적재및부팅부트로더는 VxWorks 커널을타겟보드로다운로드하여적재한뒤에부팅시키는역할을한다. 우선커널적재는호스트에서생성된커널이미지를호스트로부터타겟보드로가져오는것을의미한다. 즉, 시리얼통신이나 USB, Network을통해호스트에위치한커널이미지를타겟보드로다운로드하여램이나플래시메모리와같은저장장치에적재하는과정을말한다. 커널부팅은적재된커널이미지를부팅시켜서비로소운영체제가동작하도록만드는일련의과정이다. 3 명령처리기능부트로더는몇가지예약된명령을받아그명령을처리하는기능이있다. 즉, 부트로더의프로그램은마치 DOS 처럼사용자명령을받아들일수있는프롬프트를열어주고사용자가명령을입력하여원하는작업을처리해주는기능을제공한다

232 ( 다 ) 임베디드시스템구축및 VxWorks 포팅 그림 에서보는바와같이양성자가속기진공제어를위한채택된임베디 드테스트용메인보드는 PPC860 CPU 를내장하고있다. 보드에대한자세한사양은 표 과같다. 그림 Embedded Processor Board 1 & Architecture

233 표 Main MPC860 Processor Board 특징. CPU MPC860 CPU Flash Memory 2MBytes 16-bit Flash Memory SDRAM 16Mbytes 32-bit SDRAM EEPROM 8Kbytes Serial EEPROM Serial Monitor RS-232 Serial Port Ethernet Port 10 Base-T Ethernet Port DEBUG Port BDM Debug Port Operation Voltage 3.3V Operation Reset H/W Reset Button LED Power, Run, Ethernet Status Monitoring 1 임베디드 (MPC860) main target board 에 VxWorks Kernel 포팅 Target Board에 bsp(board support package) 를포팅하고부트로더까지모두포팅시킨후그위에 tornado2.0을이용해만들어진 VxWorks Kernel Image를올리는과정으로실시하였다. Kernel 생성단계에서응용프로그램 (IOC) 의실행환경에따라커널을생성하는데주의를기울어야했다. BSP는 board를초기화하며, Serial(RS232) 과 Ethernet을생성하여 Ethernet을통해서 OS를다운로드받아부팅시키는과정으로진행이된다. OS를다운로드하는과정은 Host에 ftp 서버를실행후사용자와패스워드그리고 Default Directory를셋팅하여 Target Board의 Boot Parameter에 Host의 IP와 Download하려는파일의 Directory의경로와파일명을기록하고 Software Reset 또는 Hardware Reset시 OS의 Kernel 이미지도동시에다운로드하도록구현하였다. Kernel Image 생성에서 IOC의실행환경에알맞도록가장최적화된이미지를생성하는데많은시간동안습득해야했다. 위와같은방법으로커널이미지를생성하고다운로드하는과정을수행하였다. 2EPICS IOC 실행 base3.13.1~base3.13.8까지의 Version을컴파일후 IOC Example를생성한후환경설정에서 PPC860 Architecture로설정하였고, 그리고실행 Script 파일인 st.cmd를 Kernel 이미지다운로드과정과같은과정으로다운로드하고 Startup Script에 IOC 실행파일경로를설정하여 Reset과동시에실행하도록하였다

234 3EPICS IOC(base3.14.* 이상 ) 의크로스컴파일 IOC(base3.14.* 이상 ) 은 Tornado2.2 컴파일러의 gcc 버전이낮아서컴파일이불가능하다고추측하고있지만확실한이유는찾을수가없었다. IOC같은경우는다른컴파일러를사용해도가능하다. 대신커널보다낮은것을사용하는것은주의해야할것이다. 커널이핵심이고커널안에서돌아가는프로그램이다보니커널보다높은버전으로컴파일하면에러가발생하는경우를경험했다. VxWorks도 Tornado뿐만아니라다른컴파일러가있는것으로알려지고있다. Tornado2.0/2.2는컴파일러뿐만아니라 VxWorks 커널이미지도가지고있어사용자들이쉽게이용할수있도록만들어둔툴이다. 양성자가속기진공제어를위한임베디드테스트용확장보드장비로보드와같은 CPU를내장하고시리얼과이더넷포트가각각추가되었다 ( 그림 ). 보드에대한자세한사양은표 과같다. 표 MPC860 Processor Board( 확장 ) 특징. CPU MPC860 CPU Flash Memory 4MBytes 16-bit Flash Memory SDRAM Memory 16Mbytes 32-bit SDRAM EEPROM 8Kbytes Serial EEPROM Serial Monitor RS-232 Serial Port 2 SMC1, SMC2 Ethernet Port 10 Base-T Ethernet Port 2 SCC1, SCC2 DEBUG Port BDM Debug Port Operation Voltage 3.3V Operation Reset H/W Reset Button LED Power, Run, Ethernet Status Monitoring Crystal 5MHz X-TAL Operation

235 4 Embedded(MPC860) Target Board 2 에 VxWorks Kernel Porting 5EPICS IOC(base3.13.1~base3.13.8) 실행 그림 Embedded Processor Board 2 & Architecture

236 임베디드장비의 SMC1 Serial 포트는 DEBUG용 (RS-232로사용 ) 으로사용되며외부의장치와 RS232통신을하기위해서는 SMC2 Serial 통신포트 (RS-232) 를확장한 MPC860 Board 2를이용하였다. Tornado2.0/2.2의커널이미지생성과 IOC 컴파일이서로다른환경에서이뤄지는이유는 VxWorks Kernel Image를생성하는 Tornado2.0 의 gcc 컴파일러가 IOC 3.14.* 의 gcc 컴파일러의버전보다더낮은버전으로컴파일과정에서에러가발생하였다. 최신버전 gcc를다운로드하여컴파일러링크하는과정을통해서 IOC의크로스컴파일을가능하게하였다. 아래의그림 은임베디드장비의 CPU의 Type에알맞은 IOC 서버를생성하는과정과그림 는타겟보드의 Boot Parameters의설정을나타내고있다. 그림 Example IOC App 생성. 그림 Boot Parameters

237 ( 라 ) 환결설정 컴파일러를이용하여 IOC를 Cross-Compile하기위한과정으로 Base의환경설정파일을수정하는과정을설명한다. 아래의그림 와그림 은 base 의수정과정으로 IOC 컴파일을위한컴파일러지정과컴파일러위치를지정하는환경설정과정을나타낸다. 그림 CONFIG-SITE 환경설정. 그림 CONFIG-Vx-ppc860 환경설정

238 타겟보드가 Reset되면 Boot Parameters의 Startup Script는아래의 IOC Script 파일을다운로드하여 IOC를실행한다. 그림 과그림 은 IOC를크로스컴파일하여타겟보드에서호스트에 TFTP로접속하여다운로드할 IOC 실행파일을수정한부분이다. 두개의파일 cdcommands, st.cmd은 Host의 Ftp서버에설정한디렉터리에위치시킨다. 그림 IOC 실행파일링크. 그림 IOC 스크립트

239 마. 임베디드제어시스템설계및성능시험 본논문에서제안한임베디드제어시스템은 MPC860 개발보드이며다른가속장치에비해비교적시그널이적고단순한장치인진공시스템을구현을위해가격에서저렴하고소규모의장비로구성되어다루기에편리하며시리얼통신을기본으로통신을하기때문에다른 VMEbus 시스템이나 UNIX 시스템과비교하여진공장치에사용하기에많은장점을가지고있어진공제어시스템의개발보드로선택하였다. (1) 시스템설계및제작 사용된실험장비의 CPU는 Motorola사의 MPC860SR-50Mhz 1개를사용하고있어시그널을리얼타임으로처리하기에적합하며, Main Memory로 VxWorks와 EPICS IOC를실행할수있는적합한용량으로 16MByte SDRAM을사용하여설계되었다. ROM으로서는동작속도 90ns을제공하는 2M용량 2개를사용하여4Mbyte Flash 용량을제공하여 BSP와 Application Program을저장하여사용할수있다. MPC860은 10Mbps Ethernet기능과 57600bps Serial Interface 기능을제공하여외부와통신을지원한다. MPC860 CPU와외부 Device간의동기신호를맞추기위한 Clock Signal은 Clock Buffer를사용하여전체보드의동기를맞추고있으며전원은 5V를사용하도록설계되었으며단 CPU의전원은 3.3V가필요하기때문에 3.3V Regulator를사용하도록되어있다. 임베디드시스템 (MPC860) 기반진공제어시스템의 Host는 Windows2k와 Linux RedHat9.0에 EPICS Extension이설치하였다. 진공장치 Combivac IT23 Gauge는 Target Board(MPC860) 과 Serial(RS2332) 로연결하였으며 SCC1(ethernet port) 은랜과연결된다. 임베디드시스템에는 IP를셋팅하여랜통신을기본으로하였으며 Host의컴퓨터에서 Extension MEDM을이용하여결과를확인하도록설치하였다. 임베디드시스템 (MPC860) 은 Reset과동시에 Host의 Tornado를이용해서생성된 Kernel Image를다운로드하며 IOC Script 파일도함께다운로드하여 IOC를실행되도록설계하였다. (2) 시스템성능시험 최종적으로 PC 기반진공제어시스템의환경을임베디드기반제어시스템의환경으 로구현하였다. 그리고 PPC860 CPU Type 에 EPICS IOC 를크로스컴파일하는과정을 실험하였으며시그널리스트를결정하고시그널에알맞은레코드와필드를만들어가

240 속장치의시그널을전달받아결과를확인하는과정을실험하였다. 실험을위하여임베디드시스템은가속장치의 Gauge와시리얼통신을기본으로구현하였다. 임베디드시스템에 EPICS IOC서버가구축되어있으며외부시그널은 IOC 의드라이버부분에서데이터레코드로전달된다. 그림 는 Gauge의 S1 시그널을그림 에서는 Gauge의 S1을 PC기반으로 Gauge의 S2는임베디드기반시스템에서각각데이터를받아들여 Strip Tool 을이용하여실시간으로데이터를나타내고있다. 그림 임베디드기반 GAUGE:aiMES 테스트. 그림 PC 와임베디드기반 PVs 테스트결과