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표제지

요약

Abstract

목차

1. 연구 범위 17

1. 서론 19

1.1. 가속기 및 활용 개요 19

1.2. 비행 파쇄 분리 장치 (In-flight Fragment separator) 31

1.3. 가속기 전자석 35

1.4. 고온초전도 전자석 40

1.4.1. 고온초전도 (High Temperature Superconducting) 42

1.4.2. 임계 전류 (Critical current) 43

1.5. 전자석 기본 사양 46

2. 시제품 개발 연구 50

2.1. 광학 계산 50

2.2. 전자석 특성 분석 58

2.2.1. 시제품 설계 및 제작 58

2.2.2. 시제품 성능평가 실험 62

3. 본 제품 적용을 위한 연구 70

3.1. 자기장 70

3.1.1. 자장 기울기 (Field gradient) 70

3.1.2. 유효 길이 (Effective length) 70

3.1.3. 고조파 (Harmonics) 71

3.1.4. 고온초전도 전자석 설계 74

3.1.5. 자기장 해석 76

3.1.6. Fringing field 분석 83

3.2. 빔 광학 계산 89

3.2.1. IF Hot-cell 광학 계산 89

3.2.2. 빔 품질 계산 97

3.3. 방사선 분석 103

3.3.1. 방사선량 계산 (PHITS) 103

3.3.2. 고온초전도 선재 방사선 조사 실험 117

3.3.3. 고온초전도 선재 방사선 조사 118

3.3.4. 저온 특성 실험 120

4. 결론 134

참고문헌 137

표 1. 중이온가속기 주요 제원 26

표 2. HTS 4극자석 전자장 해석을 위한 각 변수 정의 47

표 3. HQ4 4극자석 설계요구 사항 49

표 4. RISP의 IF 고온초전도에 필요한 4극 자석 설계변수 49

표 5. IF 분리 장치 빔광학 계산 초기 조건 51

표 6. LAMPS 표적 위치에서 빔크기 53

표 7. GICOSY에서 계산한 위상 변화 53

표 8. IF 고방사선 구역 1st order 빔광학 계산결과[이미지참조] 53

표 9. 고온초전도 전자석 시제품 기본 설계 사양 58

표 10. 고온초전도 코일 변수 60

표 11. 설계된 고온초전도 4 극자석 시제품 주요 값 61

표 12. 각 코일과 주요 부분 최종 도달 온도 63

표 13. 반복 충방전 실험 결과 정리 64

표 14. IF 고온초전도 전자석 치수 및 필수 사항 73

표 15. Opera에 입력한 주요 설계 변수 76

표 16. Origin을 통해 계산한 Fringing field 89

표 17. Fringing field 값을 수정한 Hot-cell 1st order GICOSY 계산결과[이미지참조] 90

표 18. Fringing field 값을 수정한 Hot-cell 2nd order GICOSY 계산결과[이미지참조] 92

표 19. 1st order 차이[이미지참조] 94

표 20. 2nd order 차이[이미지참조] 96

표 21. LISE++ 입력값 및 Trasmission 99

표 22. PHITS에서 고온초전도 전자석 입력값 106

표 23. PHITS 해석정리 @ HTS (200 MeV/u). 114

표 24. PHITS 구성에서의 Heat (200 MeV/u) 115

표 25. PHITS 해석정리 @ HTS (400 MeV/u) 116

표 26. PHITS 구성에서의 Heat (400 MeV/u) 116

표 27. 1차 실험 결과 121

표 28. 2차 실험 빔조사결과 122

표 29. SuNam 선재의 임계전류 측정 결과 126

표 30. SuperPower 선재의 임계전류 측정 결과 126

그림 1. 중이온가속기 조감도. 19

그림 2. 희귀동위원소 생성원리. 21

그림 3. 희귀동위원소 정의. 21

그림 4. ISOL과 IF 방식 모식도0 22

그림 5. 희귀동위원소 활용. 24

그림 6. RISP 장치 개요. 25

그림 7. 가속/ 실험 장치의 시스템 주요 사항. 26

그림 8. 가속기 시스템. 27

그림 9. 라온 실험시설. 28

그림 10. IF 분리 장치와 건물의 형태. 31

그림 11. IF 분리 장치 구성. 33

그림 12. 4극 자석 단면 모양(좌측)과 필드 방향(우측). 35

그림 13. 3개의 4극전자석을 이용한 집속과 분산 예시. 36

그림 14. 극성에 따른 평면상 집속형태. 37

그림 15. 6극 자석 효과 모식도. 38

그림 16. Normal term과 Skew term 39

그림 17. Hot-cell 구간의 방사선 차폐와 전자석 구성. 40

그림 18. 고온초전도체 발전과 연구현황. 43

그림 19. 고온초전도 선재의 자장에 따른 성능변화 44

그림 20. 고온초전도 4극자석 단면도. 46

그림 21. GICOSY를 이용한 IF 분리 장치 빔 광학계산결과. 50

그림 22. IF 분리 장치와 LAMPS BDS의 빔 궤적. 52

그림 23. IF 고방사선 구역 1st order 빔광학 계산(X-Z 평면).[이미지참조] 54

그림 24. IF 고방사선 구역 1st order 빔광학 계산(X/Y-Z 평면).[이미지참조] 55

그림 25. IF 고방사선 구역 2nd order 빔광학 계산(X/Y-Z 평면).[이미지참조] 55

그림 26. 고방사선 구역 1st order (X,Y) 빔 position.[이미지참조] 56

그림 27. 고방사선 구역 2nd order (X,Y) 빔 position.[이미지참조] 56

그림 28. 고온초전도 코일 형상 설계변수. 59

그림 29. 시험 준비 완료된 고온초전도 4 극자석. 62

그림 30. 시제품 실험을 통해 작성된 논문의 실험결과. 66

그림 31. 1차 통전시 전류와 자기장. 67

그림 32. 1차 통전시 전류와 코일 전압. 67

그림 33. 2차 통전시 전류와 자기장. 68

그림 34. 2차 통전시 전류와 자기장 68

그림 35. 3차 통전시 전류와 자기장. 69

그림 36. 3차 통전시 전류와 자기장. 69

그림 37. 축방향 위치(z)에 따른 Br2 계산.[이미지참조] 71

그림 38. Opera-3D 를 통해 작성한 HQ1 전자석 형상. 72

그림 39. HQ1 전자석 Modeling 결과와 빔 튜브에서 자장의 세기. 74

그림 40. 해석된 HTS 전자석 Magnetic field. 77

그림 41. HQ1 자기장 구배. 78

그림 42. HQ1, 3~6 전류 밀도별 유효 길이. 79

그림 43. HQ1 전류 밀도별 유효 길이. 79

그림 44. HSx 전류 밀도별 유효 길이. 80

그림 45. 각 전자석 전류 밀도별 유효 길이 차이. 80

그림 46. B6/B2 전류 밀도에 따른 비율. 81

그림 47. B10/B2 전류 밀도에 따른 비율 81

그림 48. HQ1 전자석의 고조파 비율. 82

그림 49. Fringing field의 표준화 및 값 정렬. 84

그림 50. 정렬 기능 사용 초기 모습. 85

그림 51. Origin의 Fitting function builder 입력방법. 86

그림 52. 정렬된 HQ1(좌), HQ2(우) Fringing field. 87

그림 53. 정렬된 HQ3(좌), HQ4(우) Fringing field. 87

그림 54. 정렬된 HQ5(좌), HQ6(우) Fringing field. 88

그림 55. 정렬된 HSx Fringing field. 88

그림 56. Fringing field 값을 수정한 Hot-cell 1st order GICOSY 계산결과(X/Y-Z).[이미지참조] 90

그림 57. Fringing field 값을 수정한 Hot-cell 2nd order GICOSY 계산결과(X/Y-Z).[이미지참조] 91

그림 58. Fringing field 변경 전 Hot-cell 구간 1st order.[이미지참조] 92

그림 59. Fringing field 변경 후 Hot-cell 구간 1st order.[이미지참조] 93

그림 60. Fringing field 변경 전 Hot-cell 구간 2nd order. 94

그림 61. Fringing field 변경 후 Hot-cell 구간 2nd order. 95

그림 62. Hot cell ¹³²Sn beam Envelop-X 1st.[이미지참조] 97

그림 63. Hot cell ¹³²Sn beam Envelop-X 2nd[이미지참조] 98

그림 64. Hot cell ¹³²Sn beam X-Y(120 ㎜) 1st (좌) 2nd (우) @ HQ1.[이미지참조] 100

그림 65. Hot cell ¹³²Sn beam X-Y(150 ㎜) 1st (좌) 2nd (우) @ HQ2.[이미지참조] 100

그림 66. Hot cell ¹³²Sn beam X-Y(150 ㎜) 1st (좌) 2nd (우) @ HQ3.[이미지참조] 101

그림 67. Hot cell ¹³²Sn beam X-Y(150 ㎜) 1st (좌) 2nd (우) @ HQ4.[이미지참조] 101

그림 68. Hot cell ¹³²Sn beam X-Y(150 ㎜) 1st (좌) 2nd (우) @ HQ5.[이미지참조] 102

그림 69. Hot cell ¹³²Sn beam X-Y(170 ㎜) 1st (좌) 2nd (우) @ HQ6.[이미지참조] 102

그림 70. Collimator와 Beam dump 모식도. 103

그림 71. Beam dump의 위치와 간격. 104

그림 72. PHITS에서의 Hot-cell 구조. 105

그림 73. 이전 방사선 해석 구조와 현재 비교. 106

그림 74. PHITS에서 4극자석의 구조와 구성 107

그림 75. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 (Total). 108

그림 76. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 (Photon). 108

그림 77. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 (Neutron). 109

그림 78. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 (Nucleus). 109

그림 79. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 (Proton). 110

그림 80. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 (238U).[이미지참조] 110

그림 81. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 @ 표적-HSX. 112

그림 82. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 @ Dump-HQ6. 113

그림 83. PHITS 해석을 통한 Heat 분포 @ HQ1 inner coil 1 (Total). 113

그림 84. PHITS 해석정리 @ HTS (200 MeV/u). 114

그림 85. PHITS 해석정리 @ HTS (400 MeV/u) 116

그림 86. 양성자 빔 조사 실험. 117

그림 87. 실험 챔버 구조. 119

그림 88. 선재 시료(SuNam 4개, SuperPower 4개). 119

그림 89. 선재 제조사별 임계전류 감소 특성. (좌: AMSC 및 SuperPower 선재, 우: SuNam 선재) 120

그림 90. 고온초전도 선재 설치 모습. 123

그림 91. 측정 장비와 선재 시료 설치 모습. 125

그림 92. 서남선재 임계전류 측정 결과 (50 K). 127

그림 93. 서남선재 임계전류 측정 결과 (40 K). 128

그림 94. SuperPower 선재의 임계전류 측정 결과 (50K). 129

그림 95. SuperPower 선재 임계전류 측정 결과 (40K). 130

그림 96. SuNam 선재 임계전류 측정결과 정리 @ 2T. 131

그림 97. Super Power 선재 임계전류 측정결과 정리. 132

초록보기

 중이온가속기구축사업은 한국에서 추진하고 있는 대형 기초과학연구시설인 중이온 가속기 구축을 목표로 하는 사업이다. '라온 (RAON: Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments)'으로 명명된 중이온 가속기는 수소이온(양성자) 혹은 그보다 무거운 중(重)이온들을 초전도 가속기를 이용해 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속하고, 가속된 입자를 표적 물질에 충돌시켜 아직까지 발견되지 않은 새로운 희귀동위원소들을 만들어 그 성질을 연구/규명하기 위한 시설이다. 라온은 독창적으로 ISOL(Isotope Separation On-Line: 온라인 동위원소 분리 방식)과 IF(In-flight Fragmentation: 비행파쇄방식)의 두 가지 희귀동위원소 생성 방식을 결합했다. 그 중 IF 방식은 얇은 표적에 무거운 이온을 충돌시켜 다양한 종류의 희귀동위원소를 생성하는 방식이다. IF 분리 장치는 필요한 희귀동위원소를 이송하고 분리 시키기 위해 강한 자장을 형성하는 초전도 전자석을 이용한다. IF 분리 장치에서 표적과 빔 덤프가 위치하는 IF 전단(前端)은 고방사선에 영향을 받는다. 고방사선 구역에 위치한 초전도 전자석에는 방사선에 의한 열 부하와 전자석 성능저하가 발생한다. 따라서 고방사선 구역에서 방사선에 의한 열 부하와 성능저하를 견딜 수 있는 전자석의 연구가 필요하다. 방사선에 의한 내부 발열 및 극저온 냉각 효율을 고려해 40 K에서 운전하는 고온초전도 전자석을 고려했다. 일반적으로 Epoxy를 포함한 고분자 화합물은 방사선에 취약하기 때문에 일반적인 Epoxy함침 대신 금속 절연 방식을 적용했다.

이 연구에서는 IF 고방사선 구역에 설치될 6개의 4극 자석과 1개의 6극 자석 제작에 활용할 수 있는 2세대 고온초전도 선재를 적용한 전자석을 설계하고, PHITS코드를 통해 방사선에 의한 열 부하 및 분포를 계산 했다. 고온초전도 코일 (Coil)의 형상, 철심 (Iron yoke)의 형상, 냉각 방식, 구조 등이 종합적으로 반영된 기본 설계 방법을 제시하고 시제품을 제작해 실험한 결과를 정리했다. 또한 빔의 궤적과 품질, 고온초전도 선재에 미치는 방사선 영향을 분석해 향후 2세대 고온초전도 선재를 이용한 전자석 연구에 도움이 되도록 한다.

2세대 고온초전도 선재를 이용한 초전도 전자석은 중이온가속기구축사업을 성공적으로 완수하기 위해 필요한 연구이고, 이전의 가속기 시설에서 2세대 고온초전도 전자석을 도입한 예가 없기 때문에 연구/실증적 가치가 높다.

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