가속기 발진기

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▲ 수백조분의 1초 오차의 광섬유 클럭 발진기 개념도.

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

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

가속기 발진기

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    • 정종윤 기자
    • 승인 2015.11.15 12:14
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      ▲ 수백조분의 가속기 발진기 가속기 발진기 1초 오차의 광섬유 클럭 발진기 개념도.

      [굿모닝충청 정종윤 기자] 카이스트 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술로 수백조분의 1초 오차를 가지는 클럭 원천기술을 개발했다.

      클럭 발진기는 일정한 시간 간격의 주기적 신호를 발생시켜 전자시스템이 신호에 맞춰 정확하게 동작하도록 만드는 장치다.

      오늘날 각종 정보통신 시스템 뿐 아니라 입자가속기나 천체관측장치 같은 거대 과학시설, 초정밀 계측 장비, 레이더, GPS 및 위성항법 시스템 등 전 분야에 걸쳐 핵심적 역할을 하고 있다.

      하지만 기존 클럭 발진기는 발생하는 주기적 신호 시간 오차가 크고 수억 원 이상의 고가였기 때문에 실험실 밖에서 응용하는데 한계가 있었다.

      연구팀은 이번 연구에서 신뢰성이 높고 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 부품을 활용한 새로운 방식의 발진기를 개발했다.

      핵심 기술은 초고속 광섬유 레이저에서 발생하는 넓은 스펙트럼 내의 두 광주파수 차이를 이용했으며 테라헤르츠 주파수를 이용해 1000배 민감한 시간 차 측정이 가능하다.

      ▲ 김정원 교수.

      연구 성과는 국제전기통신연합(ITU)에서 정의한 클럭 신호원 성능을 나타내는 0.1초 동안의 시간오차인 타이밍 지터가 3펨토초(333조분의 1초)로 측정됐으며 환산하면 100만년 동안 1초의 오차를 갖는 성능에 해당한다.

      연구팀은 별도의 특수 제작된 고가 소자 가속기 발진기 없이도 세계적 수준의 발진기 성능을 얻을 수 있고 상용화 시 제작비용을 기존 최고 성능 발진기의 10분의 1 이하 수준으로 낮출 수 있다고 예상했다.

      김 교수는 “고성능 발진기 기술은 군용 레이터, 보안 분야와의 연관성 때문에 주요 장비들의 수출이 금지된 경우가 많아 순수 국내 기술로 자체 개발한 것은 그 의의가 크다”며 “향후 유리기판 위에 시스템을 구현해 칩 스케일의 고성능 클럭으로 발전시킬 계획이다”고 밝혔다.

      한편, 클럭 발진기의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천 기술로 인정받아 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 4일자 온라인 판에 게재됐다.

      정순신 박사, 915MHz 마그네트론 발진기 기술 국내 최초 개발

      [산업일보]
      미래부 산하 정부출연연구기관 한국전기연구원(KERI·원장 김호용 www.keri.re.kr) 창의원천연구본부 나노융합기술연구센터 정순신 박사가 최근 ‘이달의 KERI인상’ 수상자로 선정됐다.

      정순신 박사는 미국, 영국, 러시아 등의 일부 OECD 국가에서만 보유한 915MHz 마그네트론 발진기(Magnetron Ocillator) 기술을 국내 최초로 개발하고, 관련 설계 및 시험기술을 기술이전한 공로를 인정받았다.

      마그네트론 발진기는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장이 존재하는 고(高)진공 공간에서 발생하는 전자빔의 전기에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생장치다. 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리 및 해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용된다.

      정 박사팀이 개발한 915MHz 마그네트론 발진기는 고전압의 직류(DC) 전력을 고효율로 변환해 915MHz의 마이크로파(Microwave)를 발생시킬 수 있다. 특히 교체가 쉬운 음극부 가속기 발진기 가속기 발진기 결합 구조와 2차 고조파를 저감하는 음극부 초크 기술을 해당 시스템에 적용됐다. 마그네트론 발진기의 수명은 보통 음극부에 의해 결정된다. 용접이나 브레이징 등으로 접합하지 않고 고진공을 유지하며 탈부착이 용이한 음극부 결합 구조를 적용함으로써 마그네트론 음극부의 교체 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있게 됐다. 또한 수십 kW 이상의 마이크로파 출력을 발생하는 마그네트론 발진기의 음극부 급전선에 마이크로파 초크 구조를 구성해 2차 고조파 잡음을 1/10 수준으로 저감하고 외부 누설을 최소화한 것도 특징이다.

      이전 기업은 이 기술을 적용하여 에너지 저소비형 산업용 마이크로파 가열장치에 적용할 예정이다. 직접가열, 선택가열, 내부가열 등의 특성을 갖는 마이크로파 가열을 통해 에너지를 획기적으로 절감하는 기술 상용화와 신시장 창출을 도모하고 있다.

      이번 개발로 미국, 유럽 등에서 수입하는 산업용 마그네트론을 순수 국내 기술로 대체할 수 있게 됐다. 기술자립 및 수입대체와 기술자립 효과를 통해 국내 산업용 마이크로파 시스템 시장(가열, 건조, 플라즈마 등)의 확대에 기여할 것으로 기대된다.

      한편, ‘이달의 KER인상’은 한국전기연구원(이하 ‘KERI’)의 연구개발 및 시험인증 등 분야에서 탁월한 성과를 보인 연구자 등에게 주어지는 상이다.

      선형 입자 가속기

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

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

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

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

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

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

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

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

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

      가속기 발진기

      • 이용료 안내 :
      • 활용 예 :
        X-Band Magnetron은 9.3 GHz 주파수에서 1700 kW 출력을 내는 발진기로서 의료용 암 치료기에 사용되는 선형 가속기 (LINAC)에서 전자빔을 가속시키는 RF 에너지원으로 활용된다.
      • 이용방법 :
      • 장비설명 :
        1.7 MW X-Band 9.3 GHz Magnetron X-Band Magnetron은 9.3 GHz 주파수에서 1700 kW 출력을 내는 발진기 (Oscillator)임.
      • 구성 및 기능 :
        Frequency: 9.300 GHz +/- 25 MHz - Peak Pulse Power Output: 1700 kW - Average Power Output: 1360 W @ 0.0008 Duty - Peak Anode Voltage: 32-36 kV - Peak Anode Current: 88 A - Average Anode Current: 70 mA - Pulse Width: 4.0 ms - Duty Cycle: 0.001 (Typical Operation @ 0.0008) - Filament Voltage (Standby): 10 V - Filament Current (Standby): 15 A - Warm-up Time: 300 s - Cooling: Water Cooling - RF Launcher Type: WR-112 - Weight: 16 Kg

      주소 : 04790 서울특별시 성동구 성수일로 77 서울숲IT밸리 18층

      사업자등록번호 : 120-82-00601 Tel. 02-3490-7114 Fax. 02-445-1014 E-mail. [email protected]


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