최종연구보고서 KAERI/RR-2576/2004 (PE-30000-RZ-P034)

양성자기반공학기술개발사업 Proton Engineering Frontier Project

중 에너지 가속장치 개발 Development of the Medium Energy Linac Systems

연구기관 한국원자력연구소

과 학 기 술 부 제 출 문

과 학 기 술 부 장 관 귀하

본 보고서를 “ 양성자기반공학기술개발사업” 과제 (세부과제 “중 에너지 가속장치 개발에 관 한 연구”)의 최종보고서로 제출합니다.

2005. 7. .

연 구 기 관 명 : 한국원자력연구소 양성자기반공학기술개발사업단

연 구 책 임 자:장 지 호

연 구 원:권 혁 중, 김 용 환, 김 한 성, 박 미 영, 설 경 태, 송 영 기, 조 용 섭, 최 현 미, 한 상 효, 홍 인 석. 최종연구보고서 초록 󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲󰠲

과제관리 해당단계 A-6-1 한국원자력연구소 단계구분 1단계 / 3단계 번호 연구기관

연구사업명 양성자기반공학기술개발사업

대과제명 양성자기반공학기술개발사업 연구과제명 세부과제명 중 에너지 가속장치 개발 내부 : 2.8 M․Y 정부 : 2,258,000 천원 연구기관명 한국원자력 해당단계 연구소 외부 : 3.0 M․Y 연구비 민간 : -천원 (연구책임자) (장 지 호) 연구인력 계 : 5.8 M․Y 계 : 2,258,000 천원 위탁연구 해당사항 없음 국제공동연구 상대국명: 해당사항 없음 상대국연구기관명: 참여기업 해당사항 없음 색 인 어 한글 : 양성자, 선형가속기, 중에너지 가속기, 빔 정합, 빔 인출 (각5개이상) 영어 : PEFP, proton, linac, DTL, MEBT, DT 요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 면수 P. 224 1. 연구개발목표 및 내용 목표: 21세기를 이끌어갈 나노공학, 생명공학, 정보통신, 항공우주, 의료, 국방 등 첨단산업기술 분야 의 원천/응용 기술 확보 밑 기초 과학 연구에 필수적인 장비인 중 에너지 양성자 가속장치를 개발함. 내용: - 100 MeV 가속장치 설계 - DTL 가속공동 제작 - MEBT(medium energy beam transport) 설계

2. 연구결과 - 20~60 MeV 가속장치로 DTL을 선택하고 설계: 10개 DTL 탱크로 구성 - 20~100 MeV 가속장치를 DTL로 하는 경우에 대해 설계: 총 20개 탱크로 구성 - DTL 탱크 일부에 대한 상세설계(탱크 직경, DT 및 전자석, 냉각, 각종 포트 등) 후 첫 번째 탱크 를 제작. - MEBT 설계: 각각 3개의 셀로 이루어진 소형 DTL 탱크 2개로 구성됨. 빔 인출계에서 빔 손실을 최소화 하고, 20 MeV 양성자 빔이 다음에 오는 DTL에 정합 입력시키는 것이 목적임. 3. 기대효과 및 활용방안 - 중에너지 가속장치에 대한 기본설계를 완료함으로서 100 MeV 가속장치 제작의 토대를 마련하고, 가속기 터널 설계에 대한 자료를 제공함. - MEBT 설계를 통해 가속장의 빔 정합 문제와 빔 인출시스템의 빔을 공급함으로서 20 MeV 양성자 빔을 사용자에게 제공하기 위한 기초를 마련함. 요 약 문

Ⅰ. 제 목 : 중 에너지 가속장치 개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

가. 연구개발의 최종목표 및 단계별 목표

양성자기반공학기술개발사업단의 목표 중 하나는 빔 전류가 20mA이고 에너지 가 20 MeV와 100 MeV인 양성자 빔을 사용자에게 제공하는 것이다. “중 에너지 가속장치 개발”과제는 100 MeV 양성자 가속장치를 개발하는 것을 목표로 1단계 3 차년도에 시작한 과제다.

y 최종목표: 100MeV 가속장치 개발

최종 목표를 달성하기 위한 단계별 목표는 아래 표와 같다. 제 1 단계에서는 100 MeV 가속장치 설계를 목표로 한다. 이를 바탕으로 100 MeV 가속장치 제작을 시작하게 된다. 가속장치의 설계와 제작은 1 단계에 걸쳐 수행한 “저 에너지 가속 장치” 개발에서 수행한 RFQ 및 DTL 설계, 제작 경험을 충분히 활용하여 효율적으 로 수행할 수 있다. 본 과제의 또 다른 세부목표는 20 MeV 양성자 빔을 사용자에 게 제공하는 동시에 다음에 오는 가속장치로의 정합입력을 목적으로 하는 MEBT 을 설계하는 것이다. 단계별 목표

1 단 계 ('02～'05) 2 단 계 ('05～'08) 3 단 계 ('08～'12)

∙20MeV 가속장치 이전 설치준비 완료 ∙100MeV 가속장치 설계 ∙60MeV까지 가속장치 ∙100MeV 가속장치 제작 본체 제작 완료 및 ∙20mA 빔 인출 시험 설치준비 완료 ∙100MeV 가속 장치 운영 ∙MEBT 및 빔 인출계 제작 및 설치준비 완료

- i - 나. 연구개발의 중요성

- 기술적 측면 21세기를 이끌어갈 나노공학, 생명공학, 정보통신, 항공우주, 의료 등 첨단 산업기술 분야의 원천/응용 기술 확보 및 기초연구에 있어서 양성자 가속기는 필수적인 장비다. 동시에 양성자 가속장치 개발 및 운용에 필요한 초고진공기 술, 고출력고주파기술, 초고정밀가공기술, 이온원개발 등 고부가가치 원천기술 을 개발하는 효과가 갖고 있다. 현재 미국 및 일본에서 추진 중인 대전류 양 성자 가속장치를 국내기술에 의해 자체 개발함으로써, 상기된 첨단산업기술을 조기에 자체기술로 확보가 가능함으로써 국가경쟁력 향상에 기여할 수 있다.

- 경제·산업적 측면 중에너지 양성자 빔을 이용한 다양한 산업적 응용 및 가속장치 개발과 연 관된 첨단기술의 응용을 통한 고부가가치 창출 및 과학자/공학자 등의 고급두 뇌 직업 창출이 가능해진다. 구체적인 예로 다음과 같은 것들이 있다. 중에너지 양성자 조사시설을 이용하여 의료용 및 산업용의 다양한 방사성 동위원소 생산을 통한 고부가가치 창출 및 수입대체 효과를 기대할 수 있다. 또한 중에너지 양성자 가속장치를 이용하여 지구상에 인공 우주방사선 환경을 구현함으로써 항공우주산업에 쓰이는 내방사선 반도체 소자 개발, 인공위성 등에 쓰이는 부품의 우주방사선 영향 평가 및 생명체에 미치는 우주방사선 효 과 등의 평가에 사용하는 것이 가능해 진다. 그 외에도 중에너지 양성자 가속 장치에 필수적인 고출력 고주파 기술을 응용한 군사용 레이더/통신시설의 국 산화, 대전자전 등의 무기체계 개발, 원거리 통신시스템 개발 등에 활용이 가 능해지는 등의 매우 많은 경제·산업적 파급효과를 기대하고 있다.

- 사회·문화적 측면 다양한 과학기술의 융합 장치인 양성자 가속기의 건설 및 운용에는 다양한 과학기술분야의 전공자의 협력이 필수적이므로 각 과학기술 분야의 활발한 교 류의 계기를 마련하고, 그 장비의 교육적 이용을 통한 고급 과학기술인재 양 성기반 확충하게 된다. 또한 미국, 일본등 선진국에서 현재 개발 중인 대전류 양성자 가속기를 비슷한 시기에 국내 기술로 건설함으로써, 해외의 우수한 과 학기술자와 대등한 교류가 가능해지게 된다. 이러한 대형 연구시설인 중 에너

- ii - 지 양성자 가속장치를 국내 기술에 의해 개발/운영함으로써 국내 과학기술을 한 단계 향상시킴으로써 자긍심 고취시키는 효과도 기대할 수 있다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

“중 에너지 가속장치”의 1 단계 목표인 100 MeV 가속장치 설계를 달성하기 위 해 다음 표에 있는 바와 같이 네 가지 세부목표를 세웠다. 중에너지 가속장치 설계 는 100 MeV 가속장치의 물리설계를 수행함으로써 100 MeV까지 양성자를 가속시 키 위한 효율적인 장치의 제작을 위한 기초를 마련하는 것이다. 가속공동 제작은 그 중 첫 번째 DTL 탱크를 제작하는 것이다. 이를 위한 보다 구체적인 공학설계를 수행한다. MEBT 설계의 목표는 빔 인출과 빔 정합이라는 두가지 목적을 효율적으 로 달성하기 위한 MEBT의 물리설계를 수행하는 것이다. 빔 에너지 측정시스템 제 작은 Time of flight방법에 의해 양성자 빔의 에너지를 측정하는 장치를 설계, 제작 하는 것이 목표다. 이 방법은 gas scattering에 의한 에너지 측정장치와 상보적인 관계에 있다.

연구개발 내용 및 범위

구 분 연구개발목표 연구개발 내용 및 범위

제 1 차년도 - -

제 2 차년도 - -

- 중에너지 가속장치 설계 제 3차년도 - 가속공동 제작 100MeV 가속장치 설계 (‘04.7.2～’05.7.1) - MEBT 설계 - 빔 에너지 측정 시스템 제작

다음은 연구개발 내용 및 범위를 보다 구체적으로 기술한다.

①. 중에너지 가속장치 설계 여기에는 100 MeV 가속장치의 물리설계가 포함된다. 전 세계에서 개발되었 거나 현재 개발 중인 100 MeV급 양성자 가속장치를 조사하여, 최적의 가속장 치를 선택하고 이에 대한 물리설계를 수행함으로써 100 MeV 양성자 빔을 제

- iii - 공하기 위한 기초를 마련하게 된다. 물리설계는 빔동력학 계산을 기본으로 하 며, 효율적인 가속장치 제작을 위한 기초자료 조사를 바탕으로 전체 가속장치 의 틀을 잡게 된다. 이를 통해 전체 길이, 필요한 클라이스트론 수 등이 결정된 다. 이러한 연구결과를 두 번째 연구범위인 가속공동 제작을 수행하게 된다.

②. 가속공동제작 가속장치의 물리설계를 바탕으로 제작을 위한 공학설계에 들어간다. 공학 설계에서는 slug tuner, post coupler, stem 등이 주파수에 미치는 영향을 고려 하여 제작을 위한 가속장치의 치수를 결정한다. 이를 바탕으로 오차분석과 열/ 구조 해석을 수행한다. 또한 각 구성요소의 상세한 설계를 수행한 후 제작하게 된다. 기초적인 조사에 의하며 양성자 빔의 에너지가 60 MeV까지 가속시키는 데 최적화된 가속장치는 DTL이다. 이 장치는 “저에너지 가속장치 개발”과제에 서 국내 기업체를 통해 제작한 경험이 있기 때문에 제작 기술은 이미 확보되었 다. 이 과정에서 외국의 전문가의 물리적/기술적인 조언을 얻는 TRM (Technical Review Meeting)를 통해 설계를 검증받았다.

③. MEBT 설계 외국에서 제작되는 MEBT은 RFQ와 DTL 사이에 오며, 저장링에 빔을 입 사시키기 위해 빔을 chopping하는 동시에 RFQ와 DTL 사이의 빔 정합을 수행 한다. 사업단에서 제작하려고 하는 MEBT(Medium Energy Beam Transport) 는 20MeV DTL 이후에 설치되며, 빔 인출 시스템과 같이 있다. 따라서 MEBT 은 20 MeV 양성자 빔을 인출하는 동시에 다음 단계의 가속장치로 정합된 빔 을 입사시키기는 것이 목적이다. 빔 인출 시스템을 통과하는 비의 크기를 조절 하고, 연직방향으로 빔을 정합시키기 위한 사극전자석의 사양과 빔 진행 방향 에서의 빔 정합을 위한 buncher cavity의 사양을 결정하는 것이 목표다. 이를 통해 원하는 빔을 20 MeV 이후의 가속장치에 입사시킬 수 있는지 조사할 것 이다.

④. 빔에너지 측정시스템 제작 에너지가 20 MeV인 양성자 빔의 에너지를 측정하는 시스템을 설계, 제작하 는 것이 목표다. 여러 가지 면을 고려할 때 analyzing magnet을 사용하는 에너 지 측정시스템보다는 TOF(Time of Flight)를 이용한 방법이 타당한 것으로 보 인다. 이때는 빔 진단 장비로 제작된 BPPM을 신호를 얻는 장비로 사용할 수 있다. 이러한 pickup 및 측정을 위한 시스템을 설계 및 제작을 수행하게 된다.

- iv - Ⅳ. 연구개발결과

1. 중에너지 가속장치 설계

z 중에너지 가속장치 설계는 100MeV 가속기를 설계하는 것이 목적이다. { 특히 60MeV DTL(Drift Tube Linac)의 경우, 이 설계를 바탕으로 하여 두 번 째 세부 목표인 가속공동제작에 이용할 예정이다.

z 여기서는 20MeV에서 100MeV까지의 가속기를 DTL로 하는 경우에 대해서 요약 하였다. 100MeV 가속기를 DTL로 채택하는 경우, 가속장치개발팀에서 현재 보유 하고 있는 기술을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 현재 빔동력학을 바탕으로 한 물리설계가 완성되었다. 이 설계에 사용된 기본사항은 다음과 같다.

{ 20MeV에서 100MeV까지 총 20 개의 DTL 탱크를 사용한다. { 한대의 클라이스트론으로 4대의 DTL 탱크를 운용할 것이다. 따라서 총 5 개 의 1MW 클라이스트론이 필요하다. 또한 제작상의 문제를 해결하기 위해서 각 DTL 탱크의 길이는 5m를 넘지 않도록 했다. { 가속전기장은 1.3 V/m를 사용하였다. { 탱크 직경, DT 직경, bore radius, DT face angle, DT flat length, corner radius, inner nose radius, outer nose radius등 가속효율을 결정하는 여러 변 수에 대한 정량적인 효과를 조사하였다. 이를 통해 결정된 DTL parameter는 다음 표와 같다. 단 탱크 직경과 탱크에 들어가는 셀의 보다 제세한 치수는 “나) 가속공동 제작”의 공학설계를 통해 결정된다.

변수 값 변수 값 운전온도 40 도 corner radius 5 mm 공진주파수 350 MHz inner nose radius 2 mm synchronous phase -30 도 outer nose radius 2 mm 탱크 지름 540 mm DT flat length 3 mm DT 지름 135 mm lattice FFDD

bore radius 10 mm E0 1.3 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 - z 100 MeV DTL을 구성하는 20개의 탱크 중 8개는 face angle을 40도, 다음에 오 는 8개는 50도, 나머지 4개는 60도로 한 100 MeV DTL 사양은 다음과 같다.

탱크 출력빔 에너지 total power 셀 수 길이(m) Klystron 수 번호 (MeV) (kW) 1 26 4.77 24.4 223 2 24 4.82 29.2 224 1 3 22 4.76 33.6 220 4 21 4.83 38.1 222 5 20 4.86 42.4 222 6 19 4.84 46.7 220 1 7 18 4.79 50.9 216 8 18 4.97 55.1 223 9 17 4.86 59.4 217 10 16 4.73 63.5 210 1 11 16 4.87 67.6 215 12 15 4.69 71.5 206 13 15 4.81 75.5 211 14 15 4.92 79.5 215 1 15 14 4.69 83.3 204 16 14 4.79 87.1 208 17 14 4.88 91.1 209 18 14 4.98 95.1 212 1 19 13 4.71 98.9 200 20 13 4.78 102.7 203 합계 96.35 5

- vi - 2. 가속공동 제작

z DTL-2의 첫 번째 탱크의 제작을 목적으로 한다. { “가)중에너지 가속장치 설계”에서 나온 20개의 DTL 탱크 중 처음 네게 탱크 에 대한 공학 설계를 수행하였다. { 현재 첫 번째 탱크가 “(주)비츠로테크”에서 제작하였다. { 다음과 같은 순서로 설계를 진행하였다. y DT에 들어갈 전자석 설계: hollow conductor 사용 y 가속 효율 조사 및 DTL 탱크의 규격 결정 y 빔동력학 계산을 통한 세부 사항 결정 y 오차계산, 열 및 구조 해석 y DTL 탱크, drift tube, 각종 port, 지지 구조물 등의 공학 설계

z DT에 들어갈 전자석 설계 { 전자석의 유효거리와 자기장 기울기의 곱이 1.75T 가 된다는 것이 제한 조건 이다. 전선은 hollow conductor로 변경하였고, 이 경우의 조립 가능성을 시험 품 제작을 통해 확인하였다. { 다음에 고려될 가속효율을 모두 고려하여, 전자석이 들어갈 DT의 규격을 정했 다. y SUPERFISH계산을 통해 얻은 전자석의 유효거리는 7.5 cm이다. integrated field가 1.75 T가 되기 위해서는 자기장기울기가 각각 2.333 kG/cm 되어야 하는데 계산 결과는 약 3.2 kG/cm (전류 2250 A)를 얻었다. Š 다중극 분포 조사를 통해 중심에서 10mm 떨어진 곳에서 12극 성분이 사 중극 성분의 0.0015% 미만임을 확인하였다. y 열구조해석 수행하여 다음 결과를 얻었다. Š 온도 변화 0.4도, 최대변형 6 micron으로 제한값인 20 micron보다 작다. Š 최대 응력이 12.3 MPa로 Cu의 항복 응력인 50MPa보다 작았다.

z 공학 설계 { DTL에는 DT를 지지해주는 stem, 가속공동에서 여기되는 전장의 안정성을 증 가시키기 위해 사용되는 post coupler와 tuning을 위해 사용하는 sulg tuner등 이 들어간다. 이들은 모두 가속공동의 주파수를 높이는 쪽으로 영향을 주므로 이에 대한 보정을 수행하였다. y sulg tuner는 탱크 하나에 8개가 들어가며, 공진주파수를 1MHz 정도 높인

- vii - 다. y post coupler와 stem은 각각 DT 수 만큼 들어간다. end wall에는 post coupler가 절반만 들어가는 것으로 설계하였다. { 탱크 직경의 결정 y 각 요소에 의한 공진주파수 변화와 이에 따른 탱크 지름의 변화 : 이때 slug tuner에 의한 효과는 1MHz 증가로 공통이다. 또한 공진주파수를 보정 하는 과정에서 발생한 에너지 효율의 차이에 의해 각 탱크의 출력빔 에너지 가 달라진다.

탱크 energy stem 효과 post-coupler slug+stem+post 번호 (MeV) (MHz) (MHz) (MHz) 1 24.7 +1.518 +1.196 +3.714 2 29.5 +1.516 +1.172 +3.688 3 34.0 +1.491 +1.150 +2.641 4 38.6 +1.470 +1.133 +2.586

y 탱크 직경 변화에 따른 공진 주파수 변화: -4.678025 MHz/cm y 평균 공진 주파수 변화(slug+stem+post): +2.162878 MHz y 탱크 직경: 54.7727 cm

{ 열/구조해석 y 24% 듀티 운전 시 부분적으로 최대 7.6도 온도 상승하고, 이 부분은 26 micron 변형에 해당한다. 이는 공진주파수를 10 kHz 정도 바꾸며, 튜닝 범 위 안에 있다.

3. MEBT 설계

z MEBT은 빔 인출장치가 들어갈 공간을 통과한 20MeV 출력빔을 다음에 오는 가 속기에 정합입력시키는 것이 목적이다. z 빔의 정합방식을 조사하여, 세 개의 셀로 이루어진 두 개의 소형 DTL 탱크를 이 용한 MEBT 시스템이 적절함을 확인하였다. { 20MeV DTL의 출력빔과 60MeV DTL의 정합입력빔의 성질은 다음과 같다.

- viii - y 20MeV 출력빔

parameters x y z emittance 0.023 pi cm-mrad 0.023 pi cm-mrad 0.12 deg-MeV (normalized rms) alpha 2.92 -1.47 0.31 beta 0.111 cm/mrad 0.046cm/mrad 135.55 deg/MeV

y 60MeV DTL의 정합 입력빔

parameters x y z emittance 0.023 pi cm-mrad 0.023pi cm-mrad 0.12 deg-MeV (normalized rms) alpha 1.78 -2.59 -0.046 beta 0.056 cm/mrad 0.097 cm/mrad 119.98 deg/MeV

{ MEBT의 구성하는 각 성분의 값은 다음과 같다(TRACE 3-D 계산). y 20MeV DTL끝과 MEBT 첫 번째 DTL 탱크 사이의 거리: 140 mm y MEBT 두 번째 DTL 탱크 끝과 DTL 2 사이의 거리: 140 mm y MEBT을 이루는 두 DTL 탱크 사이의 거리: 1 m y 첫 번째 DTL 탱크: TRACE 3D 모델

구성성분 값 사극전자석(1) -2.10 kG/cm * 15 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.26549 MV drift space 4.95423 cm 사극전자석(2) 2.24 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.26549 MV drift space 4.95423 cm 사극전자석(3) 2.24 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.26549 MV drift space 4.95423 cm 사극전자석(3) -1.43 kG/cm * 15 cm

- ix - y 두 번째 DTL 탱크: TRACE 3D 모델

구성성분 값 사극전자석(5) -1.7267 kG/cm * 15 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.20312 MV drift space 4.95423 cm 사극전자석(6) -2.1692 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.20312 MV drift space 4.95423 cm 사극전자석(7) -2.3016 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.20312 MV drift space 4.95423 cm 사극전자석(8) 0.9483 kG/cm * 15 cm

4. 빔에너지 측정시스템 제작

z TOF(time of flight) 방법에 의해 20MeV 양성자 빔의 에너지를 측정하는 장치를 설계/제작하는 것이 목적이다. z 현재 time of flight방법에 의한 빔 에너지 측정 장치 설계 및 제작이 완료되었다. { 신호를 받는 장치는 빔 진단을 위해 제작된 Bergoz사의 LR BPPM을 pickup 으로 사용한다. 두 개의 BPPM사이의 거리는 250mm로 정한다. 이는 두 신호 사이의 구분을 최적으로 하는 거리를 선택한 것이다. { 두 신호의 위상차를 측정하는 방식을 채택했다. 위상차는 BPPM과 따라오는 회로에 의해 주어진다. 동시에 Oscilloscope(Tektronix TDS7104)를 이용한 빔 신호를 보조적으로 측정한다.

- x - Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

양성자 기반공학기술개발사업단에서 개발 중인 “중 에너지 가속장치”인 DTL은 빔 전류가 20 mA인 양성자 빔을 20 MeV에서 100 MeV까지 가속시킬 수 있는 장치다. 60 MeV까지는 DTL이 가속 효율 등을 고려할 때 최적화된 장치다. 100 MeV까지도 DTL이 우선적인 선택이 될 것이다. 다만 100 MeV 이후까지 가속장치를 확장하는 경 우에는 초전도 가속공동과 같이 다른 종류의 가속공동을 사용하는 것이 보다 효율적일 것이다. 본 연구를 통해 100 MeV까지 DTL을 사용하는 경우에는 총 20 개의 DTL 탱 크와 5 대의 1MW 클라이스트론이 추가로 필요함을 보았다. 각 탱크의 공학설계기술 은 자체적으로 확보한 상태이고 제작기술도 국내 기업체와의 협력으로 확보한 상태다. 따라서 100 MeV 가속장치를 제작하기 위한 초석이 마련되었다는 의의가 있다. 특히 첫 번째 DTL의 공학설계를 수행하였다. 여기에는 slug tuner, post-coupler, stem 효과에 의한 주파수 변화의 보정, 오차해석, 열 및 구조 해석, 두 개의 섹션으로 나뉠 위치의 지정, 각종 포트가 들어갈 위치 지정, 냉각 설계 및 계산, RF 포트 등 각 종 포트의 설계, 사극전자석 및 drift tube 설계, stem holder 등의 설계, end-plate 설 계 등이 포함된다. 현재 첫 번째 탱크가 제작되었다. 사용자에 20 MeV 양성자 빔을 제공하기 위해서는 빔인출을 위한 bending magnet 이 가속기 사이에 설치되어야 한다. 따라서 다음에 오는 가속장치로의 정합 입력시키 는 것이 어려워진다. 20 MeV DTL 다음에 오는 MEBT 시스템을 3개의 셀로 이루어 진 두 개의 DTL 탱크를 구성함으로써 이런 목적을 만족시켜야 한다. 특히 MEBT용 DTL 탱크의 제작에는 현재 제작 중인 가속용 DTL 탱크와 같은 기술이 사용되므로, 새로운 기술적인 문제가 제기되지 않는다. 이러한 연구 결과로 20 MeV 빔을 제공하기 위한 장치의 공학설계 및 제작을 수행할 수 있게 되었다. TOF에 의한 빔 에너지 측정시스템은 빔 진단용으로 제작된 pick-up과 같은 두 개 의 pick-up을 통해 들어오는 신호의 위상차를 측정하고, 이로부터 양성자 빔의 에너지 를 결정하는 방식을 채택하였다. 양성자 빔의 에너지는 빔 전류 및 빔의 위상공간 상 의 모양과 함께 양성자 빔의 성질을 결정하는 중요한 파라메터다. 이 장치의 사용하면 현재 개발된 gas scattering 방식의 에너지 측정 시스템과 보완적으로 빔의 에너지를 측정할 수 있다. 이를 통해 사용자에게 보다 최적화된 빔을 제공하기 위한 기초 자료 를 수집할 수 있게 되었다.

- xi - 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: y Study on the optimized linear accelerator in the energy range between 20 MeV and 100 MeV y Beam dynamics design of the accelerating structure

- Construction of an accelerating cavity y Error analysis y Thermal and structure analysis y Design of the drift tubes and quadrupole magnets y Various port design

- xii - y Design of the support structure y End-plate design y 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: y Controlling the beam size in the beam extraction system y Matching the beam into the following DTL tanks.

- Design of the energy measurement system y Development of the energy measuring system up to beam energy of 20 MeV y 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,

y The number of DTL tanks is 20 which is sufficient to accelerate proton beams from 20 MeV to 100 MeV. y 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. y The average accelerating field is 1.3 MV/m. y 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 - 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 E0 1.3 MV/m Transverse DT face angle 40 degrees 0.23 pi mm-mrad emittance Longitudinal stem diameter 38 mm 0.12 deg-MeV emittance

z 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 y The integrated magnetic field of 1.75 T is required in each quadrupole magnet. y The hollow conductor is used for the coil. We have tested the assembling process by making a prototype magnet with the hollow conductor. y 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 - output beam total power tank cell # length(m) Klystron # energy (MeV) (kW) 1 26 4.77 24.4 223 2 24 4.82 29.2 224 1 3 22 4.76 33.6 220 4 21 4.83 38.1 222 5 20 4.86 42.4 222 6 19 4.84 46.7 220 1 7 18 4.79 50.9 216 8 18 4.97 55.1 223 9 17 4.86 59.4 217 10 16 4.73 63.5 210 1 11 16 4.87 67.6 215 12 15 4.69 71.5 206 13 15 4.81 75.5 211 14 15 4.92 79.5 215 1 15 14 4.69 83.3 204 16 14 4.79 87.1 208 17 14 4.88 91.1 209 18 14 4.98 95.1 212 1 19 13 4.71 98.9 200 20 13 4.78 102.7 203 합계 96.35 5

of 1.75 T. The 12th pole component of the magnet is less than 0.0015 % of the quadrupole mode at the position of 1 cm apart from the center. y 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 - - Engineering Design y 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:

energy stem post-coupler slug+stem+post tank (MeV) (MHz) (MHz) (MHz) 1 24.7 +1.518 +1.196 +3.714 2 29.5 +1.516 +1.172 +3.688 3 34.0 +1.491 +1.150 +2.641 4 38.6 +1.470 +1.133 +2.586

∘ frequency shift / tank diameter : -4.678025 MHz/cm ∘ average frequency shift(slug+stem+post): +2.162878 MHz ∘ resulting tank diameter: 54.7727 cm

y 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

y 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 - ∘ the first DTL tank: TRACE 3D result

components values Quadruple magnet(1) -2.10 kG/cm * 15 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.26549 MV drift space 4.95423 cm Quadruple magnet(2) 2.24 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.26549 MV drift space 4.95423 cm Quadruple magnet(3) 2.24 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.26549 MV drift space 4.95423 cm Quadruple magnet(3) -1.43 kG/cm * 15 cm

∘ the second DTL tank: TRACE 3D result

components values Quadruple magnet(5) -1.7267 kG/cm * 15 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.20312 MV drift space 4.95423 cm Quadruple magnet(6) -2.1692 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.20312 MV drift space 4.95423 cm Quadruple magnet(7) -2.3016 kG/cm * 7.5 cm drift space 4.95423 cm RF gap 0.20312 MV drift space 4.95423 cm Quadruple magnet(8) 0.9483 kG/cm * 15 cm

- xvii - 4. Design of the energy measurement system

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

- xviii - CONTENTS

Chapter 1. Introduction ···························································································· 1

Chapter 2. State of the Art on Domestic and Foreign Tec hni qu e ··············· 5 Section 1. Foreign Accelerator P r o je c t ····························································· 7 Section 2. State of the Art on the Linac T e chn ol ogy ······························· 16

Chapter 3. Contents and Results of the S tud y ················································ 32 Section 1. Design and Construction of the L i n a c ········································ 3 2 1. Introduction ···································································································· 3 2 2. DTL P a r a m e t e r s ··························································································· 3 3 3. Lattice S t r u c t u r e ··························································································· 4 1 A. Matched Input Beam: TRACE 3 D ····················································· 4 2 B. Matched Input Beam: P A R M I L A ························································ 43 C. Output beam of the 20 MeV DTL: PARMI LA ······························ 48 4. Klystron and number of DTL t a nk s ······················································ 5 5 5. 100 MeV D T L ······························································································· 6 0 A. Beam D y na m i c s ······················································································· 6 1 6. Structure of the DTL Ta n k s ···································································· 6 9 A. Frequency and Mesh s i z e ····································································· 6 9 B. Tank Diameter and Stem E f f e c t ························································· 70 C. SFDATA and Stem E ff e c t ··································································· 7 1 D. PARMILA R e s u lt ···················································································· 7 3 E. Tank Diameter and Post Coupler, Slug Tuner Effects ················ 76 F. Stem Diameter: 3.8 cm and 40 cm ···················································· 79 (1) Frequency and Mesh s i z e ································································ 7 9 (2) Tank Diameter and Stem Ef fe ct ··················································· 7 9 (3) SFDATA and Stem E f f e c t ······························································ 8 0 (4) PARMILA Re s u l t ··············································································· 8 1

- xix - (5) Tank Diameter and Post Coupler, Slug Tuner E f f e c t s ··········· 8 4 G. Beam D y na m i c s ······················································································· 8 6 7. Error Analysis ······························································································· 9 1 8. DTL Engineering D e s i g n ········································································· 1 1 2 A. pool type Quadrupole M a g ne t ···························································112 (1) DTL Tank D e s i gn ··········································································· 1 1 2 (2) Design of DT(Drift Tube) and M a g n e t s ··································· 1 2 4 (A) Design of M a gn e t s ····································································· 1 2 4 (B) Design of Drift T u b e s ······························································· 1 3 0 (3) End plate D e s i g n ·············································································· 1 3 5 B. hollow c o n d u c t o r ···················································································· 1 3 8 (1) Design of DT(Drift Tube) and M a g n e t s ··································· 1 3 8 (A) Design of M a gn e t s ····································································· 1 3 8 (B) Design of Drift T u b e s ······························································· 1 4 1 C. Design of the Measurement System for the Magnetic Field ··· 142 D. Thermal and Structure Analysis of DTL and D T ······················ 1 4 4 (1) Thermal and Structure Analysis of DTL tanks ····················· 144 (2) Thermal and Structure Analysis of D T ···································· 1 4 6 Section 2. MEBT D e s i g n ·················································································· 1 4 8 1. Matching Methods of the B ea m ····························································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 D TL 2 ····················································· 1 5 0 B. Fundamental M a t c h i n g ········································································· 1 5 1 (1) Transverse beam m a t c h i n g ··························································· 1 5 1 (2) Longitudinal beam m a t c h i n g ·························································152 C. Beam Matching under varying the DTL2 parameters ··············· 154

(1)  Variation of D T L 2 ····································································· 1 5 4 (2) Face Angle Variation of D TL 2 ···················································· 1 5 6

- xx - (3) Synchronous Phase Variation of D TL 2 ····································· 1 5 7 D. Beam Matching and number of c a vitie s ········································ 158 (1) Doubling the number of c a vi tie s ················································· 1 5 8 (2) Increasing the number of c a v i t i e s ··············································· 1 6 0 2. PEFP M E B T ······························································································· 1 6 6 Section 3. Energy Measurement and Control S ys tem s ···························· 1 7 1 1. Beam Diagnostics of 60 MeV DTL: I nt r o d u c t i o n ····························· 1 7 1 A. Energy Measurement: Time of F li ght ············································ 172 2. Control Sy s t e m ··························································································· 1 7 5 A. I nt r o d u c t i o n ····························································································· 1 7 5 B. Control Systems for the Linac C o m po ne n t s ·································· 1 7 6 (1) Higher Level Control Sy s t e m ······················································· 1 7 6 (2) Control System for V a c u u m ························································· 177 (3) Control System for R F ··································································· 1 7 8 (4) Timing System (Event Control S ys t e m ) ··································· 1 7 9 (5) Control System for Power Supplying Components ················ 180 (6) Control System for Cooling Comp on e nts ·································· 181 (7) Control System for D i a g no s t i c s ··················································· 1 82 C. Embeded Control System based on EPI CS ··································· 182 (1) EPICS ································································································ 1 8 3 (A) EPICS: T e c h n o l o g y ····································································· 1 8 3 (B) EPICS: St r u c t u r e ········································································· 1 8 4 (C) EPICS: C h a r a c t e r is t ic s ······························································· 1 8 6 (2) Embeded S y s t e m ·············································································· 1 8 7 (가) Embeded System: C h a r a c t e r i s t i c s ·········································· 1 8 8 D. Vacuum Control System for the Proton Acce ler ator ·················· 190 (1) Control System on PC (Linux Operating S ys t e m ) ················· 1 9 0 (A) Vacuum Control System: St r u c t u r e ······································· 1 9 0 (B) EPICS e n v i r o n m e nt ····································································· 1 9 6 (2) Embeded Control S y s t e m ······························································· 1 9 9

- xxi - (A) Embeded Control System: D e s i g n ·········································· 1 9 9 (B) BDM and Boot L o a de r ······························································ 2 0 1 (C) Embeded Control System: VxWor ks ····································· 203 (D) Environment S e t t i ng ··································································· 2 0 8 E. Proton Linac Control System: Development and Experiment ···210 (1) System D e v e lo pm e n t ······································································· 2 1 0 (2) E x p e r i m e n t ························································································· 2 1 0 F. C o nc lu s i o n ································································································ 2 1 3

Chapter 4. Achievement of Objectives and External Contribution ··········· 215

Chapter 5. Plan for Applications of R e s u l t s ···················································· 2 1 6

Chapter 6. R e f e r e n c e s ···························································································· 2 1 9

- xxii - 목 차

제 1 장 연구개발과제의 개 요 ················································································· 1

제 2 장 국내․외 기술개발 현 황 ············································································· 5 제 1 절 외국의 가속기 프로젝트 ········································································· 7 제 2 절 선형가속기 기술현황 ············································································· 1 6

제 3 장 연구개발수행 내용 및 결 과 ····································································· 3 2 제 1 절 선형가속기 설계 및 제작 ····································································· 3 2 1. 서 론 ·················································································································· 3 2 2. DTL 파레메터 결 정 ······················································································ 3 3 3. 집속구조 (또는 lattice)의 결 정 ·································································· 4 1 가. 정합입력빔을 사용하는 경우: TRACE 3D 계 산 ······························ 4 2 나. 정합입력빔을 사용하는 경우: PARMILA 계 산 ································ 4 3 다. 20 MeV DTL의 출력빔을 사용하는 경우: PARMILA 계산 ········ 48 4. 클라이스트론과 DTL 탱크 운용 방 식 ······················································ 5 5 5. 100 MeV DTL 사 양 ····················································································· 6 0 가. 빔 동 력 학 ·································································································· 6 1 6. DTL 탱크의 구조 결 정 ················································································ 6 9 가. mesh 크기에 따른 공진 주파수 변 화 ················································· 6 9 나. stem 효과를 고려한 탱크 직 경 ··························································· 7 0 다. stem 효과를 고려한 SFDATA 작 성 ·················································· 7 1 라. PARMILA 계산 결 과 ············································································· 7 3 마. post coupler와 slug tuner 효과를 고려한 탱크 직경 ···················· 76 바. stem 직경이 3.8 cm인 경우와 4.0 cm인 경우의 비 교 ··················· 7 9 (1) mesh 크기에 따른 공진주파수 변 화 ··············································· 7 9 (2) stem 효과를 고려한 탱크 직 경 ······················································· 7 9 (3) stem 효과를 고려한 SFDATA 작 성 ·············································· 8 0 (4) PARMILA 계산 결 과 ········································································· 8 1

- xxiii - (5) post coupler와 slug tuner 효과를 고려한 탱크 직경 ················ 84 사. 빔 동력학 계 산 ························································································ 8 6 7. 오차 분 석 ········································································································ 9 1 8. DTL 공학 설 계 ···························································································· 1 1 2 가. pool type 사극전자석을 사용하는 경우의 설계 ····························· 112 (1) DTL 탱크 설 계 ················································································· 1 1 2 (2) DT(drift tube)와 사극 자석의 설계 ············································· 124 (가) 사극 자석의 설 계 ········································································ 1 2 4 (나) Drift tube의 설 계 ········································································ 1 3 0 (3) End plate의 설 계 ·············································································· 1 3 5 나. hollow conductor를 사용하는 경우의 설 계 ····································· 1 3 8 (1) DT(drift tube)와 사극 자석의 설계 ············································· 138 (가) 사극 자석의 설 계 ········································································ 1 3 8 (나) Drift tube의 설 계 ········································································ 1 4 1 다. 자장 측정 시스템의 설 계 ···································································· 1 4 2 라. DTL 탱크 및 DT의 열/구조 해 석 ···················································· 1 4 4 (1) DTL 탱크의 열 및 구조 해 석 ······················································· 1 4 4 (2) DT 열 및 구조 해 석 ········································································ 1 4 6 제 2 절 MEBT 설 계 ··························································································· 1 4 8 1. 빔 정합 방 범 ································································································ 1 4 8 가. DTL1(20MeV) 출력빔과 DTL2의 정합입력빔 ·······························148 (1) DTL1(20MeV)의 출력 빔 ································································· 1 4 8 (2) DTL2의 정합입력빔 ········································································· 1 5 0 나. 기본적인 ma t c h i ng ··············································································· 1 5 1 (1) Transverse beam m a t c h i n g ··························································· 1 5 1 (2) Longitudinal beam m a t c h i n g ·························································152 다. DTL2를 변화시키는 경우의 beam ma tc hin g ································· 154

(1) DTL2의  를 변화시키는 경 우 ····················································· 1 5 4 (2) DTL2의 face angle을 변화시키는 경우 ······································ 156 (3) DTL2의 synchronous phase가 변하는 경우 ······························ 157

- xxiv - 라. buncher cavity의 수를 증가시키는 경우의 beam matching ······ 158 (1) 하나의 cavity를 두 개의 cavity로 바꾸는 경 우 ························ 1 5 8 (2) Cavity 수를 늘리는 경 우 ································································160 2. PEFP M E B T ······························································································· 1 6 6 제 3 절 에너지 측정 시스템 및 제어 시 스 템 ··············································· 1 7 1 1. 60 MeV DTL 빔 진단장비: 개 요 ···························································· 1 71 가. Time of Flight 에너지 측정장치 ······················································ 1 7 2 2. 선형가속기 제어 기술 개 발 ······································································ 1 7 5 가. 개 론 ·········································································································· 1 7 5 나. 각 구성요소의 제어 시 스 템 ································································ 1 7 6 (1) 상위 제어 ···························································································· 1 7 6 (2) 진공제어 시 스 템 ················································································ 1 7 7 (3) 고주파제어 시 스 템 ············································································ 1 7 8 (4) Timing 시스템 (Event 시스템) ·····················································179 (5) 전원장치 제어시스템 ········································································ 1 8 0 (6) 냉각장치 제어시스템 ········································································ 1 8 1 (7) 빔 진단장치 제어시스템 ·································································· 1 8 2 다. EPICS 기반 임베디드 제어시스템 ···················································· 1 8 2 (1) EPICS ································································································ 1 8 3 (가) EPICS 기 술 ·················································································· 1 8 3 (나) EPICS 구 조 ·················································································· 1 8 4 (다) EPICS 특 징 ·················································································· 1 8 6 (2) 임베디드 시 스 템 ················································································ 1 8 7 (가) 임베디드 시스템 특 징 ································································188 라. 양성자 가속기 진공 제어시스템 ························································190 (1) PC 기반 제어시스템 (Linux 운영체제) ······································· 1 9 0 (가) 진공제어시스템 구 조 ·································································· 1 9 0 (나) 상위제어 영역에서의 EPICS 환 경 ·········································· 1 9 6 (2) 임베디드 기반 제어시스템 ······························································ 1 9 9 (가) 임베디드 기반 제어시스템 설계 및 구현 ······························ 199

- xxv - (나) 개발 환경에서 BDM과 Boot Loader의 역 할 ························ 2 0 1 (다) 임베디드 시스템 구축 및 VxWorks 포 팅 ····························· 2 0 3 (라) 환경 설 정 ······················································································ 2 0 8 마. 양성자 제어시스템 설계 및 성능시험 ·············································· 2 1 0 (1) 시스템 설계 및 제작 ········································································ 2 1 0 (2) 시스템 성능시험 ················································································ 2 1 0 바. 결 론 ·········································································································· 2 1 3

제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ····························· 215

제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ······································································· 2 1 6

제 6 장 참 고 문헌 ····································································································· 2 1 9

- xxvi - 제 1 장. 연구개발과제의 개요

현재 과학기술부의 “21세기 프론티어연구개발사업”의 지원을 받아 수행 중인 양 성자기반공학기술개발사업단(이하 사업단)[1, 2]에서 개발하고 있는 양성자 선형가 속장치는 첨두 빔 전류가 20 mA인 양성자 빔을 100 MeV까지 가속시킬 수 있도록 구성되었으며, 1단계 과제를 통해 20 MeV 가속장치의 개발이 완료되었다. 이 장치 는 듀오플라드마트론을 채용한 이온원, LEBT (low energy beam transport), 3 MeV RFQ (radio frequency quadrupole), 20 MeV DTL (dirft tube linac)과 고주 파를 발생시키고 공급하기 위한 장치로 구성되어 있다(그림 1-1). 2단계에서는 60 MeV까지의 가속장치를 완성하고, 최종적인 100 MeV 가속장치는 3단계에서 완성 된다. 사업단의 중요한 목표 중 하나는 20 MeV 양성자 빔과 100 MeV 양성자 빔 을 사용자 그룹에 제공함으로써 NT, BT, IT, ST 등 기초/응용과학 분야 및 산업 기술 분야에 폭 넓게 활용하는 것이다. 20 MeV 양성자 빔을 사용자에게 제공하기 위해서는 빔인출 장치와 이 장치로 인해 발생하는 빔 정합 문제를 해결하기 위한 기능을 갖는 MEBT (medium energy beam transport)를 제작해야 한다. 따라서 빔 인출장치 및 분배장치까지의 수송계, 그리고 MEBT의 제작이 2단계 기간중에 중에 너지 가속장이 개발 과제에서 달성해야 할 또 다른 중요한 목표가 된다.

그림 1-1 . 사업단에서 개발한 20 MeV 양성자 선형 가속장치 구성도.

- 1 - 양성자의 질량은 약  × kg으로 전자의 질량에 비해 1836배정도 무겁다. 이렇게 무겁다는 사실이 양성자 가속기를 복잡하게 만든다. 즉, 전자가속기의 경우 전자총 등에서 발생한 전자의 속력이 이미 빛의 속력의 절반이 넘기 때문에 에너 지의 증가에도 불구하고 속력은 거의 일정하게 유지된다. 따라서 가속장치가 주기 적인 구조를 이루기 때문에 상대적으로 간단해진다. 그러나 양성자의 경우에는 상 황이 달라진다. 사업단에서 사용하고 있는 양성자 발생장치는 듀오플라즈마트론이 다. 여기에서 나오는 양성자 빔의 에너지는 50 keV로서, 이는 빛의 속력의 1%에 해당한다. 양성자는 운동에너지가 100 MeV에 도달하는 경우에도 빛의 속도의 43% 에 불과하게 된다. 따라서 양성자 빔의 에너지가 증가함에 따라 속력의 차이가 두 드러지게 되고, 각 에너지 구간에서 효율적인 가속장치의 종류가 변한다. 1970년대까지는 이온원에서 나온 양성자를 가속시키는 장치로 정전형 가속기의 일종인 코크로프트-왈튼 (Cockroft-Walton) 가속기가 많이 사용되었다 (그림 1-2). 이 장치는 양성자 에너지를 보통 750 keV까지 가속시키게 된다. 그러나 이 가속장 치는 다음에 오는 DTL (drift-tube linac) 가속장치에 입사시키기 위한 번칭과정의 효율성이 떨어져서 빔 전류를 높이는데 한계가 있다. 이를 개선하는 동시에 가속효 율을 증대시키기 위해 개발된 가속장치가 RFQ (radio-frequency quadrupole)이다. RFQ의 동작원리는 1960년대 후반에 모스크바에 있는 ITEP (institute of theoretical and experimental physics)에서 Kapchinsky가 발명하였고, 1980년대 초 반에 미국의 로스알라모스 국립연구소에서 POP (proof of principle) 란 이름의 RFQ를 처음으로 제작, 운전하였다[3-6].

그림 1-2. 페르미 국립연구소에 있는 750 kV 코크로프트-왈튼형 정전 가속기

- 2 - 그림 1-3. 사업단에서 개발한 3 MeV RFQ를 조립한 모습.

RFQ는 양성자 및 중이온 빔의 가속, 빔의 집속 (focusing), 번칭을 동시에 수행한 다. 양성자의 경우 에너지를 2∼3 MeV 까지 가속시키는 RFQ가 전 세계적으로 많 이 만들어지고 있다. 사업단의 경우에는 양성자를 3 MeV까지 가속시키는 장치로 RFQ를 채택하였고, 현재 설계, 제작 및 시험이 완료된 상태다(그림 1-3). RFQ 다음에 오는 가속장치는 DTL이다[7-17]. 이 장치는 양성자 빔의 속력이 빛의 속도의 40% 정도까지 가속시키는데 효율적인 가속장치다. 이는 양성자 빔의 에너지로 보면 약 100 MeV에 해당한다. 탱크와 그 안에 들어가는 drift tubes로 구 성되어 있다. 이 drift tube 안에 사극 전자석을 넣어 빔의 집속에 사용할 수 있다. 또한 drift tube로 이루어진 셀을 구분하는 구조가 없기 때문에 일반적으로   (effective shunt impedance) 값이 커지는 장점이 있다. 그러나 에너지가 높아지면 drift tube사이의 거리가 멀어지므로,  (transit time factor)와   값이 모두 작아 지므로, 100 MeV 이상의 양성자 빔을 얻기 위해서는 효율적인 가속을 위해서는 다 른 가속장치를 사용해야 한다. 현재 사업단에서는 20 MeV DTL을 구성하는 4개의 탱크에 drift tube를 조립, 정렬한 후 고주파 시험과 빔 인출 시험을 진행 중이다 (그림 1-4).

- 3 - 그림 1-4. 조립 후 실험 중인 PEFP 20 MeV DTL.

사업단은 20 MeV 양성자 빔을 사용자 그룹에 제공하는 것을 또 하나의 목표로 삼고 있다. 이점이 지금까지 건설된 외국의 가속기와는 다르다. 즉 20 MeV 후단에 빔 인출 장치가 들어가며, 이 장치는 다음에 오는 100 MeV 가속장치로 빔을 정합 입사시키는 역할도 수행한다. 따라서 사업단에서 구상 중인 MEBT (medium energy beam transport)은 보통의 MEBT이 RFQ와 DTL사이에 오기 때문에 약 3 MeV 의 빔을 다루는 것과 달리 20 MeV의 빔을 다룬다는 점과 빔 인출장치가 온 다는 점을 충분히 고려해서 설계되어야 한다. 본 과제는 1단계 저에너지 가속장치개발 과제의 성과를 바탕으로 100 MeV 가 속장치의 설계를 목적으로 수행하였다. 이를 바탕으로 한 상세설계를 수행하여 60 MeV DTL 탱크 하나가 제작되었다. 또한 위에서 말한 MEBT에 대한 물리설계도 수행하였다. 이와 더불어 60 MeV 가속장치에 필요한 가속장치 제어에 대한 분석을 수행하였다. 이 결과들은 가속장치의 제작 뿐만 아니라 향후 장치운영 및 양성자 빔 제공의 기초가 될 것이다.

- 4 - 제 2 장. 국․내외 기술 개발 현황

현재 사업단에서 진행 중인 100 MeV 선형 가속장치 개발은 미국의 SNS (spallation neutron source)[18] 와 일본의 J-PARC (Japan particle accelerator research complex)[19] 등에서 개발 중인 가속장치의 저에너지 영역에 해당하는 기술과 겹 친다. 이 기술의 확보는 향후 기초/응용 과학에 쓰일 수 있는 고에너지 가속장치 개발 및 중이온 가속장치 개발의 토대를 마련 하는 점에서 뿐만이 아니라 제작된 저/중에너지 가속장치 자체를 과학 및 산업적으로 활용할 수 있다는 측면에서도 중요한 의 의를 갖는다. 현재 전세계적으로 대용량 양성자 및 중이온 가속장치를 개발하기 위한 다양한 프로젝트가 진행 중에 있다. 대표 적인 프로젝트가 미국의 SNS와 일본의 J-PARC이다. 표 2-1에서는 이러한 프로젝트를 목적과 가속장치 측면에서 비교 정리하 였다. 계획 중인 프로젝트는 표 2-2에 정리하였다.

표 2-1. 현재 진행 중인 대용량 양성자 가속장치 개발 프로젝트의 비교.

국가 연구 기관 프로젝트 목적 저/중에너지 가속장치

- 3MeV RFQ 한국 KAERI PEFP - BT, NT, ST, IT등 산업적 이용 - 100MeV DTL

- 핵 파쇄 중성자원 Oak Ridge - 5개 국립연구소 (ANL, BNL, LANL, LBNL, J-Lab) - 2.5MeV RFQ 미국 SNS 국립연구소 의 - 87MeV DTL 공동 개발 - 양성자, 중성자, 뉴트리노 등을 이용한 - 3MeV RFQ 일본 JAERI J-PARC 기초 및 응용과학 연구 - 50MeV DTL - KEK와 공동 개발

- 5 - 표 2-2. 현재 세계 각국에서 추진 중인 양성자 또는 중이온 선형가속기 프로젝트.

국가 연구 기관 프로젝트 목적 저/중에너지 가속장치

Fermi Lab Proton Driver - Neutrino Factory 건설 - 87MeV [ RFQ + DTL ] Argonne - Radioactive Isotope Accelerator 미국 RIA - 200keV/u RFQ 국립연구소 - 수소에서 우라늄까지의 이온 가속기 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 러시아 등의 공동개발 Irradiation Facility - 40MeV DTL - Injector of Proton for High Intensity Beam 프랑스 CEA IPHI - 3MeV RFQ - 중성자원, Neutrino 및 Muon 생산 등 Proton - Neutrino Factory - 2.5MeV RFQ 영국 RAL Driver - ISIS Upgrade - 90MeV DTL

중국 IHEP CSNS - Spallation Neutron Source, ADS - 3.5MeV RFQ

Proton - 3MeV RFQ 인도 CAT - Spallation Neutron Source, ADS Driver - 20MeV DTL

- 6 - 제 1 절. 외국의 가속기 프로젝트

다음은 현재 진행 중이거나 계획 중인 외국의 가속기 프로젝트 중 일부를 좀 더 자세하게 정리한 것이다.

z 미국의 SNS (Spallation Neutron Source) [16, 20, 21]

미국의 SNS(Spallation Neutron Source, 그림 2-1-1) 프로젝트는 선형 가속기 와 저장링을 이용하여 양성자를 1GeV로 가속시킨 후 얻어지는 1.4 MW의 양성자 빔을 수은표적에 때려 발생하는 중성자를 생명과학, 재료과학 및 기초과학 연구와 산업에 의 응용 연구 등에 이용하는 것이 목적이다. 현재 미국의 Oak Ridge 국립연구소에 2006년 완공을 목표로 건설 중에 있으며, 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)이 공동 제작하고 있다. (표 2-1-1).

그림 2-1-1. 미국 Oak Ridge 국립연구소에 건설 중인 SNS.

- 7 - 표 2-1-1. SNS 참여기관 및 역할.

기관 역활

LBNL RFQ

LANL DTL, CCL

JLab SRF Linac

BNL 저장링

ORNL, ANL Target(ORNL) 및 장치(ANL, ORNL)

표 2-1-2 및 그림 2-1-2에서 보는 바와 같이 SNS의 선형가속장치는 2.5 MeV RFQ, 87 MeV DTL (그림 2-1-3), 186 MeV CCL (coupled cavity linac), 1GeV 초 전도 가속 공동으로 이루어져 있다. 초전도 가속공동은    용과   의 두 종류로 나뉘어져 있다. DTL 까지의 공진 주파수는 402.5 MHz 이고 그 이후에는 2 배인 805 MHz를 사용한다. 선형가속기에서는  이온을 가속시킨다. 이는 스트리 핑 포일을 이용해 전자를 제거한 후에 얻어지는 양성자를 저장링에 입사시키기 위 한 기술적인 이유 때문이다. 양성자와  이온의 질량은 거의 같기 때문에 가속장 치의 구조에는 차이가 없다. 사업단에서도 사용하는 DTL 가속장치는  이온을 87 MeV까지 가속시키고, 그 후에는 CCL을 이용하여 186 MeV까지 가속시킨다.

표 2-1-2. SNS 선형가속기의 규격.

종 류 에너지 빔전류

RFQ 2.5MeV DTL 87MeV 18mA CCL 186MeV (peak) SRF cavities (2종류) 1GeV

그림 2-1-2. SNS 선형가속기의 개념도.

- 8 - 그림 2-1-3. SNS DTL.

z 일본의 J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) [17, 22, 23]

J-PARC은 양성자, 중성자 및 뉴트리노 빔을 만들어 핵/입자물리학 등의 기초과학 및 첨단산업분야에서의 응용을 목적으로 하는 프로젝트로서 일본원자력연구소(JAERI) 와 일본고에너지가속기연구소(KEK)가 공동으로 제작한다, 현재 건설 중인 곳은 일본 원자력연구소 도까이무라연구소로 2007년에 완공 예정이다. J-PARC에서 개발 중인 가속장치는 그림 2-1-4 에서 보는 바와 같이 400MeV 선 형가속기, 3GeV RCS(Rapid-Cycling Synchrotron), 50GeV MR(Main Ring)으로 구성 된다. 특히 사용되는 선형가속기를 표 2-1-3 및 그림 2-1-5 에 정리하였다.

그림 2-1-4. J-PARC의 가속기 구성.

- 9 - 표 2-1-3. J-PARC 선형가속기의 규격.

종 류 에너지 빔전류

RFQ 3MeV DTL 50MeV 50 mA SDTL 190MeV (peak) ACS 400MeV

그림 2-1-5. J-PARC 선형가속기의 개념도.

J-PARC에서는 싱크로트론에 양성자 빔을 입사시키는 기술적인 이유 때문에 선 형가속기에서는  이온을 가속시킨다. J-PARC DTL은  이온을 50 MeV까지 가속시킨다. 다음에 오는 선형 가속장치는 190 MeV까지는 SDTL(separated drift tube linac)을 사용하고 400 MeV 까지는 ACS (annular coupled structure)를 사용 한다. 후에 초전도 가속공동을 ACS에 연결하여 600 MeV까지 에너지를 높이는 확 장계획을 가지고 있다. z 프랑스 IPHI (Injector of Proton for High Intensity beam) Project [24, 25]

대용량 양성자가속기 중 저에너지 가속장치는 이온온, RFQ, DTL 등으로 구성되 는 것이 일반적인 기초기술로서 다음에 오는 가속장치에 따라 다양한 응용가능성을 갖는 장치로 확장할 수 있다. 예를들면 중성자원으로의 활용, 뉴트리노 및 뮤온의 생 산 및 실험, Exotic Ion의 생산 및 응용, IFMIF(International Fusion Material Irradiation Facility)등 다양한 분야에 이용될 수 있다. IPHI는 프랑스의 CEA에서 추 진하는 프로젝트로 목표는 첫째가 양성자의 경우 100mA, Deuteron의 경우 145mA의 빔전류를 내는 CW 이온원 개발이고, 두 번째가 3MeV RFQ 개발이다. 특히 낮은 에 너지영역까지 초전도 가속공동을 확장하여 적용하기 위한 연구, 개발에 중점을 두고 있다 (그림 2-1-6).

- 10 - 그림 2-1-6. IPHI 가속기의 3차원 그림. z 미국 RIA(Radioactive Isotope Accelerator) Project [26]

미국의 Argonne국립연구소에서 추진하는 프로젝트로서, 수소에서 우라늄사이의 모든 원소에 대해서 다양한 전하상태의 이온을 만든 후, 1.4GeV 이온 가속기를 이용 해 400kW 빔을 만드는 것이 일차적인 목적이다. 선형가속장치는 우선 ECR 이온원 등에서 만들어진 이온을 RFQ를 통해 에너지를 12 keV/u 까지 가속시킨다. 다음에 오는 가속장치는 초전도 가속공동이 된다. 저에너지 초전도 가속공동에서 에너지를 200 keV/u 까지, 중에너지 초전도 가속공동에서 89 MeV/u 까지, 고에너지 초전도 가 속공동에서 400 MeV/u 까지 가속시킨다. 현재 RFQ와 다음에 오는 초전도 가속공 동에 대한 R&D 및 기본설계가 진행 중이다 (그림 2-1-7 참조). ECR RFQ Low β SRF St. 1

q=28,29 Medium β SRF St. 2 12 keV/u 200 keV/u 12 MeV/u q=72,73,74,75,76

89.0 MeV/u 400 MeV/u Beam

q=86,87,88,89,90

High β SRF

β=0.81 β=0.61 β=0.49

그림 2-1-7. RIA 가속기의 개념도.

- 11 - z 독일 GSI 가속기 Upgrade Project [27]

GSI는 독일의 대표적인 가속기연구소 중 하나다. GSI에 있는 가속기는 선형 중이 온가속기인 Unilac, 중이온 싱크로트론인 SIS, 저장링인 ESR로 이루어져 있다. Unilac(UNIversal Linear ACcelerator)은 MEVA(MEtal Vacuum Vapor Arc ion source) 이온원과 RFQ와 DTL로 이루어진 입사기 부분과 알바레츠(Alvarez)형의 DTL 및 하나의 갭으로 이루어진 가속공동으로 이루어진다. SIS는 핵자당 에너지가 50~2000MeV가 되도록 이온을 가속시킨다. 이렇게 가속된 이온은 ESR 저장링으로 보내지거나 실험장치로 보내진다. ESR 저장링의 경우 전자를 이용한 Cooling을 거친 후에 이온빔을 저장한다. SIS에서 가속된 이온빔 중 일부는 표적과의 충돌을 통해 방 사성 핵(Radioactive Nuclei)을 만들기 위해 사용된다. 생성된 방사성 핵은 자석을 이 용한 분리장치인 FRS을 거친 후에 ESR 저장링이나 실험장치로 보내진다. 현재 독일 정부의 승인 하에 가속기 업그레이드 계획인 FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) 프로젝트가 진행 중이다(그림 2-1-8 참조).

present GSI SI S 100/ 300

Prot on Li nac SI S12 UNI LAC proj ect ed FRS FAI R

ESR SFRS

HESR

CR / RESR

NESR

e-A collider

그림 2-1-8. GSI 가속기 업그레이드.

- 12 - 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 2-1-9. 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 2-1-10)을 만들어낸다.

- 13 - 그림 2-1-10. SPL Layout. z 미국 BNL의 SNBF Project [30]

미국의 또 다른 가속기 연구소인 BNL (Brookhaven national laboratory)에서도 super neutrino beam factory 프로젝트를 추진하고 있다. 에너지를 1.2 GeV까지 가속시키는 새로운 SCL (super-conducting linac)의 건설과 기존의 AGS 업그레이드를 통해 1MW급 양성자 빔을 만드는 것을 목표로 한다. 저에너지 선형가속기로는 RFQ와 200 MeV DTL이 있다 (그림 2-1-11).

그림 2-1-11. BNL의 super neutrino beam factory.

- 14 - z 영국 RAL의 ISIS Upgrade Project [31]

영국의 대포적인 연구소인 RAL (Rutherford Appelton laboratory)에서는 ISIS upgrade project를 진행하고 있다. 여기에는 linear collider 기초연구와 neutrino factory 건설이 포함된다. upgrade 계획은 180 MeV 급의 새로운 선형가속기를 만드 는 것이 핵심이다 (그림 2-1-12).

그림 2-1-12. ISIS 업그레이드 계획 (phase I). z 인도의 Proton Driver Project [32]

인도에서도 100 kW급 핵파쇄 중성자원으로 사용될 가속기 프로젝트가 진행 중이다. 현재 RFQ를 디자인하는 단계이고, 그림 2-1-13에서 보는 바와 같이 사업단의 RFQ 설계를 참조하고 있다.

그림 2-1-13. 인도 CAT 가속기 팀의 RFQ 설계.

- 15 - 제 2 절. 선형가속기 기술현황

DTL은 1950년대 Alvarez 등에 의해 제안된 가속장치로서      영역에서

양성자나 중이온을 가속시키기에 적합한 장치다[7-15].  모드에 의해 양성자 빔을 가속시킬 수 있는 원통형 가속공동을 생각해 보자. 이때 가속공동의 길이  보다 길어지게 되면 양성자는 가속위상 뿐만 아니라 감속위상도 느끼게 되므로 효율적인 가 속장치가 될 수 없다. 이를 해결하기 위해서 drift tube라 불리는 구조물을 가속공동 안 에 삽입한다 (그림 2-2-1). drift tube에는 빔이 지나갈 수 있는 구멍이 나 있으며, 이 구멍에서는 cutoff 주파수 보다 낮은 주파수를 가진 파가 도파관을 지날 때와 같이 RF 전기장이 줄어들어 없어지게 된다. 따라서 이 구멍 안에 있는 양성자는 가속공동의 전 자기장을 느끼지 못한다. 따라서 감속 위상일때 양성자가 이 구멍 안에 있도록 하면 가속과 감속을 동시에 겪는 문제를 해결할 수 있게 된다. 이런 drift tube는 원통형 가 속공동을 길이가 인 셀로 나누는 경계 역할을 하게 된다. 양성자의 속력이 증가하면 셀의 길이도 증가한다. 모든 셀에 있는 전자기장의 위상은 같게 되며, 이런 모드를 zero mode라 부른다. 이러한 가속장치가 DTL (drift tube linac)이다.

그림 2-2-1. DTL 의 개념도: 원통형 가속공동 안에 drift tube 가 들어간 구조임.

DTL에 있는 하나의 셀에 Faraday 법칙을 적용해 보자. 이때 빔이 지나는 축과 셀 의 경계를 이루는 벽으로 구성된 사각형 모양의 경로를 생각하면 전기장은 다음과 같 이 구해진다.    ,   여기서 는 자기장 플럭스를 나타낸다. 셀의 길이가  이므로, 만약 가속공동의 모든

셀에서 단위 길이당 자기장 플럭스가 같게 되도록 튜닝 되었다면,  는 가속공동내에 서 상수가 된다. 자기장은 bead perturbation 방법을 사용하면 측정할 수 있다. 만약 가

- 16 - 속공동의 지름을 일정하게 유지하고 각 셀에서  가 원통 방향으로 같은 분포를 갖는

다면, 단위 길이당 자기장 플럭스와 를 일정하게 만들 수 있다. 이 경우에 각 셀에

서의 전압은   로 주어지므로, 셀의 길이인  의 변화만큼 달라진다. DTL에 들어가는 drift tube는 stem에 의해 가속공동의 외벽에 달리게 된다. 가속공 동의 외벽과 drift tube에 흐르는 전류의 흐름은 항상 동기되어 있기 때문에, stem을 흐르는 net current는 항상 없다. 그러나 stem의 표면에서 자기장의 시간 변화에 의해

유도되는 eddy current 효과에 의한 RF 손실은 발생한다. 비록 각 셀에서의  값은 일 정하지만, gap에서의 전기장이나 drift tube 상의 peak electric filed는 gap의 길이와 drift tube의 구조에 따라 달라지게 된다. drift tube가 들어간 DTL을 coaxial resonator로 생각할 수도 있다. 특히 gap의 길 이가 작은 경우에 이런 관점이 잘 적용된다. 이때 drift tube에서는 conduction current 가 흐르고, gap에서는 displacement current가 흐르는 것으로 생각할 수 있다. 이런 관 점에서 보면, drift tube 밖에서는 거리에 따라 자기장의 크기가 작아지는 것을 이해할 수 있다. DTL의 각 셀을 하나의 가속공동으로 생각하고, 각 셀이 연결된 구조로도 생각할 수 있다. 각 drift tube의 electric center에서는 대칭성 때문에 전기장이 longitudinal 방 향만 갖게 된다. 따라서 이 위치에 도체벽을 삽입한다고 가정해도 전자기장의 분포나 공진주파수가 변하지 않게 된다. 도체벽이 있으면, 전자파 손실이 발생하므로 바람직하 지 않지만, DTL을 각 셀이 하나의 가속공동으로 구성되고 그것이 연결된 구조라는 개 념으로 이해하는 데는 도움이 된다. 이때는 각각의 가속공동에서 drift tube 사이를 capacitor로, drift tube와 도체벽, DTL 외벽을 경로로 하는 inductance를 갖는 lumped circuit으로 생각 할 수 있다. 이때 평행판 축전지로 근사하여 capacitance를     로 inductance를   로 쓸 수 있다. 여기서 D는 DTL 탱크 지름, d는 drift tube 지름, g는 gap 길이, 셀 길이는 가 된다. 이때 공진주파수는     가 된다. Transverse 방향으로 빔을 집속시키기 위해서 drift tube 안에 사극자석을 넣게 된 다. 양성자의 에너지가 작은 경우에는 전자석을 넣기 위한 공간이 작아지므로 빔의 집 속이 어려워진다. 에너지가 낮은 경우에 집속의 필요성이 증대하는 경우에는  DTL 을 사용한다. 이때는 셀의 길이를 두배로 길게하거나,  당 하나의 가속 gap을 넣어 서 사극 자석이 들어갈 공간을 확보한다. 그러나 셀의 길이가 늘어나면 inductance가 커지므로 공진주파수를 맞추기 위해서는 capacitance가 작아져야 한다. 따라서 gap 간 격이 커지므로 transit time factor와 effective shunt impedance가 작아진다. 즉 가속효 율이 나빠진다. 예를 들어   × 인 DTL 가속공동의 공진주파수가 350 MHz인 경우에 band

- 17 - width는 7 kHz가 된다. 주파수를 band width안에서 맞추기 위해서는 tuning과정이 필 요하다. 일반적으로 tuning은 2단계 과정을 거친다. 첫 번째는 공진주파수를 약 100 kHz 안에서 맞추는 과정이다. 이때는 DTL 탱크 외벽에 설치된 slug tuner를 이용하 며, 이과정에서 기울어진 전자기장도 수정하게 된다. 두 번째는 보다 정밀한 tuning과 정으로 냉가수의 온도제어를 통해 구현된다. 전형적인 비례상수는 냉가수 온도가 ∘ F 변하는데 따라 공진주파수가 수 kHz 변하는 것이다. 이 과정를 통해 공진주파수를 band width 안에서 맞춘다. DTL 가속공동 안에서 전자기장의 안정성을 확보하기 위해서 post coupler를 설치 한다 (그림 2-2-2). 이때 post는 DTL 탱크외벽에서 drift tube 바깥쪽 벽 근처까지 도

달한다. 따라서 post의 끝과 drift tube 사이의 공간을 통해, 가속모드인 모드와 전기적으로 결합한다(capacitively coupled). 비록 보통의 coupled cavity와는 달리 이웃 한 두 셀은 이미 강하게 결합되어 있지만, 이러한 공진 결합 (resonant coupling)에 의 한 전자기장의 안정성이 확보된다. 이를 통해 가공 및 조립시 발생하는 오차에 따른 전자기장 분포의 변화가 적어지고 파워에 의존하는 위상변화도 상쇄되는 효과가 있다.

그림 2-2-2. DTL 탱크: drift tube, drift tube를 DTL 탱크에 연결하는 stem, 전자기장의 안정성을 증대시키는 역할을 하는 post coupler로 구성되어 있다.

DTL은 상술한 바와 같이      구간에서 양성자나 중이온을 효과적으로 가 속시키는 장치로서 셀사이에 벽이 존재하지 않기 때문에 ZTT (effective shunt impedance) 값이 커진다는 장점과 빔의 집속을 위한 사극자석을 drift tube 안에 넣을 수 있다는 장점을 갖는다. 현재 사업단의 양성자 가속기에 사용되는 DTL 뿐만이 아니 라, 전세계적으로 볼때 매우 많은 수의 DTL이 제작 운영되고 있다. 이 장치들의 설계 값을 비교해 보는 것은 그 자체로 여러가지 정보를 제공해 준다. 표 2-2-1 에 수집한

- 18 - 표 2-2-1. 외국의 DTL 가속장치의 parameter 정리. LANSCE parameters (Unit) PEFP SNS J-PARC FNAL BNL ANL KEK (LAMPF) energy (MeV) 3~20 2.5 ~86.8 3~50.1 0.75 ~ 100 ~ 116.5 0.75 ~ 200.3 0.75 ~ 50 ~ 40

Current(peak) (mA) 20 26 30 17 50 35-40 - 130

Duty 1.5~24 %6 %1.4 %-×  ×  ×  × 

RF frequency (MHz) 350 402.5 324 201.25 201.25 201.25 200.07 201.07

tank diameter (cm) 54 - - 94,90,88,88 -94 ~ 84 95.1 90

DT diameter (cm) 13 - - 18(1), 16 - 18 ~ 16 - 16

0.75 ~ 1.5 Bore radius (cm) 0.7 1.25 0.65~1.3 1.25 ~ 2.0 2.0 ~ 4.0 1.27 ~ 3.18 1.5 (1.5 ~ 3.0) DT face angle (degree) 10 ------

lattice - FFDD FFODDO - - FODO FODO - FODO EM magnet type -EMPM -- - - - (eqipart.) integrated quad 1.75 1.297 4.1 (T) 2.2 ~ 1.4 - - - 3.5 gradient (GL) (3.5cm) (average) (3.92cm) tank # -46 -459-2 -25 synchronous phase (degree) -30 (1:-45~ -28) - -26 -32 - -25 - (6:-28~ -49)

- 19 - 표 2-2-1. 계속 INR parameters (Unit) CERN ISIS/RAL DESY GSI ISAC (러시아) energy (MeV) 0.75 ~ 50 0.75 ~ 100 0.665 ~ 70 0.75 ~ 50 - 0.15/u ~1.5/u

Current (mA) 175 12 20 - - - Duty ×  ---- -

RF frequency (MHz) 202.5 198.2 202.5 202.56 36.136 105

tank diameter (cm) - - - 94 ~ 86 - -

DT diameter (cm) - - - 18 ~ 16 - -

Bore radius (cm) - - - 1.0 ~1.5 - 1 ~ 1.6

DT face angle (degree) ------Quad. triplet lattice ------(FDF-DFD-...) magnet type ------integrated quad (T) - - - - 2 - gradient (GL) tank # -3543IH5 (IH tanks) synchronous phase (degree) ------

- 20 - 정보를 정리하였다. 다음은 각 연구기관의 가속장치에 대해 간략하게 정리하였다. 특 히 미국의 SNS와 일본의 J-PRAC의 경우에는 저에너지 영역에서의 선형 가속기 구 성과 사양이 사업단에서 개발 중인 가속장치와 매우 유사하기 때문에 좀더 자세히 기술한다. z 페르미 국립연구소 [33, 34, 35]

페르미 연구소의 DTL은 1960년대에 디자인된 양성자 가속기로서 처음에는 9개의 가속공동으로 구성되었다 (그림 2-2-3). 이 DTL를 사용하면 양성자 빔을 201 MeV 까지 가속시킬 수 있고, peak current는 100 mA 다. 그 후 multi-turn charge exchange 방법으로 양성자를 booster에 입사시키기 위해서  이온원으로 교체하였 다. 처음에는 peak current가 25 mA로 시작하였고, 서서히 증가시켜 55 mA까지 도 달하였다. 1993년에 에너지를 400 MeV까지 증가시키기 위해 DTL중 마지막 4개의 가속공동을 805 MHz에서 동작하는 side coupled cavity로 교체하였으며, 남은 DTL 은 116.5 MeV까지 가속시키게 된다. magnetron에서 빔전류가 50∼55 mA 의  빔 이 나온뒤, Cockroft-Walton 가속기에 의해 750 keV까지 가속된다. 이 빔은 4m와 10m 길이의 빔 수송계를 지나 buncher cavity를 통과하면서 bunching이 일어난다. 이 빔이 DTL에 들어간다.

그림 2-2-3. 페르미 국립연구소의 DTL.

- 21 - z LANSCE (Los Alamos Neutron Science Center) [36, 37]

1993년부터 1995년 사이에 Los Alamos에 있는 빔 전류 1 mA, 에너지 800 MeV 인 양성자 선형가속기의 용도가 중에너지 핵물리 및 입자물리에서 핵물리로 변경되 었다. 이를 위한 가속기 및 표적의 개선작업과 함께 프로젝트 이름도 LAMPF (Los Alamos meson physics facility)에서 LANSCE로 바뀌었다 (그림 2-2-4). LANSCE에 있는 선형가속기는 두 개의 750 keV Cockroft-Walton injector로 구 성되어 있다. 하나는 양성자용이고 다른하나는  이온용이다. 양성자 및  빔은 각 각의 LEBT (low energy beam transport)를 거친후 공통의 LEBT를 지난 후 DTL에 들어간다 (그림 2-2-5). 각 빔에 설치된 LEBT에는 사극전자석이 설치되어 있어서 양 성자 또는  빔을 transverse 방향으로 정합하여 DTL에 들어가게 해 준다. 또한 각 LEBT와 공통 LEBT에는 buncher가 설치되어 빔을 bunching시켜주고 longitudinal 방향으로 정합입사를 도와준다. DTL에서는 양성자 또는  이온빔을 750 keV에서 100 MeV까지 가속시키며, 201.25 MHz 에서 동작한다. 100 MeV 빔은 transition region을 거친 후에 SCL (side coupled linac)로 들어간다. 이 가속장에 의해 빔의 에 너지는 100 MeV에서 800 MeV까지 증가한다. peak current는 12 ∼18 mA다.

그림 2-2-4. LANSCE 가속기 및 시설의 layout.

- 22 - 그림 2-2-5. LANSCE에 있는 DTL: 4개의 201.25MHz DTL을 이용하여 750 keV에서 100 MeV까지 가속시킨다. z BNL (Brookhaven National Laboratory) [38, 39]

BNL에 있는 200 MeV 선형가속기는 35 keV magnetron 표면 프라즈마 이온원, 201 MHz RFQ, MEBT (medium energy beam transport) 와 200 MeV DTL로 구성 되어 있다 (그림 2-2-6). RFQ에서는 에너지를 750 keV까지 올린다. 이러한 선형가속 기는 AGS (alternating gradient synchrotron) Booster의 injector 역할을 하거나 Brookhaven Isotope Resource Center에 빔을 공급한다.

그림 2-2-6. BNL MEBT와 750 keV transport line.

- 23 - z ANL (Argonne National Laboratory) [40, 41, 42]

ANL의 50 MeV 선형가속기는 ZGS (Zero Gradient Synchrotron)의 injector로 설 계되었으나 1981년부터는 IPNS (Intense Pulsed Neutron Source)의 450 MeV RCS(rapid cycling synchrotron)의 injector로 사용되고 있다 (그림 2-2-7 (좌)). 선형 가속기는 magnetron 형의  이온원, 750 keV Cockcroft-Walton형 정전가속기 (preinjector로도 부른다), 50 MeV DTL로 구성되어 있다. DTL은 200.07 MHz에서 동작하며, 길이는 33.5 m 다. 50 MeV 빔을 RCS로 전달하는 빔라인은 8개의 sector dipole, 16개의 quadrupole, 여러개의 VSM (vertical steering dipole)로 구성되어 있다 (그림 2-2-7 (우)).

그림 2-2-7. IPNS의 가속기 구성(좌)과 50 MeV 빔 수송계의 layout(우).

z KEK [43, 44]

KEK는 일본을 대표하는 가속기 연구소로서 현재 JAERI와 공동으로 J-PARC 프 로젝트를 수행하고 있다. KEK에 있는 40 MeV 양성자 선형가속기는 prebuncher, 20 MeV DTL, 40 MeV DTL, debuncher로 구성되어 있다 (그림 2-2-8). 이 선형가속기 는 500 MeV Booster Synchrotron의 입사기 역할을 수행한다.

- 24 - 그림 2-2-8. KEK 40 MeV 양성자 선형가속기와 빔 라인의 layout. z CERN [45, 46, 47]

CERN은 유럽의 대표적인 가속기 연구소로서, 다양한 종류의 가속기를 갖추고 있 다 (그림 2-2-9). 그 중 현재 가동 중인 hadron 선형가속기는 50 MEV DTL (LINAC 2)와 4.2 MeV/u 중이온 가속기 (LINAC 3) 가 있다. LINAC 2 는 빔전류가 300 mA인 duoplasmatron 이온원과 750 keV RFQ, DTL로 구성되어 있다 (그림 2-2-10). RFQ는 4-vane 형으로서 Cockcroft-Walton형 preinjector를 대체하기 위해 설치되었다. 선형가속기는 1.4 GeV PSB (proton synchrotron booster)의 입사기 역할 을 한다.

그림 2-2-9. CERN의 가속기 구성.

- 25 - 그림 2-2-10. CERN LINAC 2의 DTL.

LINAC 3는 1994년부터 가동되기 시작하였고, 현재는   빔을 제공하고 있다 (그림 2-2-11). 14 GHz ECR 이온원에서는 2.5 keV/u 의 에너지를 갖는   이온 이 만들어지고, RFQ와 세 개의 IH형 탱크를 거쳐, 에너지가 4.2 MeV/u가 된다. 이 이온빔은 carbon foil을 통과한 뒤 53+ 전하상태 근처의 이온들로 변화하며, 자기장 filter를 이용하여 53+ 이온만 선택해 PS Booster나 다른 원형 가속기로 보낸다.

그림 2-2-11. CERN LINAC 3 전경.

- 26 - z INR (Institute for Nuclear Research) [48, 49]

INR은 러시아의 대표적인 원자력 관련 연구소로서 600 MeV 선형가속기를 갖추 고 있다. 가속기는 400 keV 입사기, 750 keV RFQ, 5개의 탱크로 이루어진 100 MeV DTL, 27 개의 600 MeV 선형가속기 (Disk-Washer type)로 구성되어 있다. 특히 160 MeV에 빔을 인출하기 위한 시스템을 갖춘 것이 사업단의 MEBT과 비슷한 점이다 (그림 2-2-12).

그림 2-2-12. INR의 160 MeV 빔 인출계의 개략도 및 진단 장비의 구성.

z RAL (Rutherford Appleton Laboratory) [50, 51]

RAL의 ISIS는 물리, 화학, 재료, 생물, 공학 등 다양한 분야의 이용자에게 중성자 와 muon을 제공해 주는 역할을 수행한다. ISIS 선형가속기는 Penning  이온원과 665 keV Cockcroft-Walton 가속기로 구성된 입사기와 70 MeV DTL로 구성되어 있 다 (그림 2-2-13).  이온빔의 peak current는 22 mA, 펄스폭은 200   다. 이 빔 은 다음에 오는 800 MeV proton synchrotron에 들어간다.

- 27 - 그림 2-2-13. ISIS DTL. z DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) [52, 53, 54]

DESY는 독일의 대표적인 가속기 연구소로서, 양성자와 전자의 충돌 실험을 실시 한다. 양성자 선형가속기인 LINAC-III의 구성은 다음과 같다. magnetron 형태의 이 온원에서 20 keV의  이온이 만들어지고, RFQ를 통해 750 keV 까지 가속된다 (그 림 2-2-14). 다음에 오는 것은 50 MeV DTL 이다. 50 MeV 빔은 8 GeV synchrotron (DESY II) 에 들어간다.

그림 2-2-14. DESY LINAC III의 입사기 구성.

- 28 - z GSI [55, 56, 57]

DESY와 함께 독일의 대표적인 가속기 연구소인 GSI 의 선형가속인 Unilac (UNIversal Linear ACcelerator)은 MEVVA (MEtal Vacuum Vapor Arc ion source) 이온원, RFQ, IH-DTL로 이루어진 입사기 부분과 알바레츠(Alvarez)형의 DTL 및 하 나의 갭으로 이루어진 가속공동으로 이루어진다 (그림 2-2-15, 16, 17). 보통 DTL이 라 부르는 것은 알바레츠 형이며, GSI에서는 Widero 형의 DTL을 알바레츠형으로 바 꾼 것이다. 이들 이온은 남아 있는 전자를 제거한 후에 중이온 synchrotron인 SIS에 들어간다. 우라늄의 경우 선형가속장치에서 28+가 이온에서 SIS에 들어갈 때에는 73+가 이온으로 변화한다.

그림 2-2-15. GSI의 RFQ와 IH-DTL(IH1과 IH2).

그림 2-2-16. GSI의 알바레즈형 DTL.

- 29 - 그림 2-2-17. GSI의 single gap resonators. z ISAC at TRIUMP [58, 59, 60]

ISAC 선형 가속기는 RFQ와 DTL로 이루어져 있다. RFQ는  ≥ 인 이온을 2 keV/u에서 150 keV/u 로 가속시키는 역할을 수행한다. DTL은  ≥인 이온의 에너지를 150 keV/u에서 1.5 MeV/u로 높이는 역할을 한다. ISAC DTL은 그림 2-2-18에서 보는 바와 같이 다섯 개의 IH형(interdigital H-type) 탱크(A 로 포시)와 3개의 buncher (B 로 표시), 4개의 quadrupole triplet (C 로 표시)로 구성된다. IH형 탱크 (그림 2-2-19)의 동기위상은 ∘ 로서 빔을 가속시키 는 역할을 한다. 동기위상이  ∘ 인 buncher cavity (그림 2-2-20)를 사용하며 longitudinal 방향으로 빔을 집속하며, transverse 방향의 집속은 quadrupole triplet이 담당한다. 이러한 구조의 DTL은 shunt impedance가 높다는 장점이 있다.

그림 2-2-18. ISAC의 DTL 구조:(A) IH형 탱크, (B) buncher, (C) quadrupole triplet.

- 30 - 그림 2-2-19. ISAC DTL을 이루는 IH 탱크.

그림 2-2-20. ISAC DTL을 이루는 buncher cavity.

- 31 - 제 3 장. 연구개발 수행 내용 및 결과

제 1 절. 선형 가속기 설계 및 제작

1. 서론

사업단에서 1단계 사업기간 동안 3 MeV RFQ (radio frequency quadrupole)[61, 62, 63], 20 MeV DTL (drift tube linac)[64-69]을 설계, 제작하였으며, 60 MeV DTL 탱크 중 탱크 하나를 제작하였다. 사업단에서는 20 MeV 양성자 빔을 사용자에게 공급하려 는 계획을 가지고 있으므로, 20 MeV 다음에는 빔인출 장비가 와야 한다. 이 장치가 차지하는 공간으로 인해 다음에 오는 60 MeV DTL 탱크에 빔을 정합시키는 문제가 발생한다. 이 문제는 MEBT (medium energy beam transport)를 사용하여 해결할 수 있다[70]. 외국의 경우 MEBT은 RFQ와 DTL 사이에 오지만[71, 72, 73], 사업단의 경 우에는 20 MeV 빔 인출의 특성상 20 MeV DTL 다음에 반드시 MEBT가 와야 하며, 여기에 빔 인출장치가 들어간다. MEBT의 도입은 60 MeV DTL의 설계를 이전의 DTL 탱크와는 독립적으로 할 수 있다는 장점을 제공한다. 즉 빔의 matching은 MEBT을 통해 달성하고, 60 MeV DTL은 가속효율을 좋게 만들도록 새로 설계할 수 있게 된다. 이러한 설계는 100 MeV DTL 까지 확장할 수 있다. 다만, 에너지가 높은 영역에서는 drift tube 사이의 gap이 커짐에 따라 ZTT (effectivce shunt impedance)가 낮아진다. ZTT는 가속효율을 나타내는 양이므로 설계의 변경을 통해 ZTT를 높게 유 지해야 한다. 표 3-1-1-1은 사업단의 저에너지 가속장치 개발에 적용된 가속기 파라메 터를 보여준다. 이러한 기본 파라메터는 20 MeV 이후의 가속장치 설계에도 적용된다. 여기서는 100 MeV 가속장치를 DTL로 하는 경우에 대한 가속장치 설계와 20 MeV 이후의 첫 번째 가속공동 제작에 대해 설명한다.

표 3-1-1-1. 사업단의 가속기 기본 파라메터.

가속입자 양성자

공진 주파수 350 MHz

운전방식 펄스

펄스폭 2 msec 이하

반복률 120 Hz 이하

빔 duty 24% 이하

- 32 - 2. DTL 파라메터의 결정

DTL은 기본적으로 로 동작하는 원통형 탱크에 그림 3-1-2-1에서 보는 바 와 같이 drift tube가 설치되는 구조를 갖고 있다. drift tube는 탱크 안에서 가속되 는 양성자가 감속위상을 경험하지 않도록 하는 것이 목적이다. 각 drift tube의 중 간에서 다음 drift tube 중간까지를 하나의 셀이라고 한다. 셀의 길이는 로 주어 진다. 이러한 drift tube의 기본 구조는 그림 3-1-2-2에 보여준다. 다음에 오는 계 산은 POISSON/SUPERFISH[74] 코드를 사용하였다.

그림 3-1-2-1. DTL 탱크안에 drift tube가 조립된 모습.

그림 3-1-2-2. drift-tube의 구조: 맨 아래 선이 빔이 지나는 축.

- 33 - 결정해야 하는 파라메터로는 탱크의 지름, drift tube의 지름, face angle, bore radius, corner radius, flat length, inner and outer corner radius, stem diameter 등이 다. stem은 drift tube를 탱크 외벽에 고정시켜주는 지지대 역할을 수행하며, 냉각수의 통로, 사극전자석에 쓰이는 전선의 통로가 된다. 이를 고려하여 stem diameter는 38 mm로 결정하였다. 이러한 파라메터를 결정하는 기본적인 방식은 가속효율을 증가시키도록 하는 것이 다. 가속효율은 ZTT (effective shunt impedance)로 나타내는데 다음과 같은 식으로 주어진다.

    

여기서  는 가속전압, 는 파워, 는 transit time factor를 나타낸다. 에너지가 20 MeV ∼ 60 MeV 영역의 DTL에서는 ZTT가 주로 transit time factor에 의해 결정된 다. 이 값은 drift tube 사이의 거리가 멀어지면 작아지므로, 에너지가 높아지면 작아지 는 것이 일반적인 경향이다. 그러나 각각의 파라메터를 실제로 결정할 때에는 다른 요소들이 개입하는 경우가 있으며, 이런 경우에는 가속효율과 새로운 요소사이의 타협에 의해 파라메터가 결정된 다. 다음은 각각의 파라메터를 결정을 보여준다. z 탱크 지름:

가장 먼저 결정해야 하는 것은 탱크의 지름이다. 이 값은 공진주파수가 350 MHz라 는 사실에서 기본적인 크기가 결정된다. 즉 내부에 drift가 없는 원통형 가속공동이라 면, 공진주파수(f)와 가속공동 지름(D)사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

   

공진주파수가 350 MHz인 경우에는 지름이 66cm가 된다. DTL은 안에 복잡한 구조물 이 있으므로 지름이 이 값에서 약간 벗어날 것을 예상할 수 있다. 그림 3-1-2-3은 탱 크의 지름에 따라 DTL의 ZTT에 어떻게 변하는지 보여준다. 이를 통해 탱크지름을 540 mm로 결정했다. 그림에서 에너지가 증가함에 따라 ZTT가 감소하는 경향을 확인 할 수 있다. 최종 지름은 slug tuner, post-coupler, stem 에 의한 주파수 보정을 한 후 결정된다.

- 34 - z drift tube 지름:

drift tube 지름이 줄어들면 capacitance가 작아지므로 이를 보상해주기 위해 gap이 줄어들어야한다. 따라서 ZTT가 커진다(그림 3-1-2-4). 그러나 전자석이 들어갈 공간을 확보하기 위해서는 지름이 커져야 한다. 전자석을 고려하여 지름을 135 mm로 결정하 였다. z face angle:

face angle이 커지면 capacitance가 작아지므로 drift tube의 경우와 같은 이유로 ZTT가 커진다 (그림 3-1-2-5). 60 MeV DTL의 처음에 들어오는 양성자의 에너지는 20 MeV 이므로 셀 길이는 약 17 cm 정도로 크기 때문에, 전자석이 들어갈 공간을 고 려하더라고 face angle을 충분히 크게 만들 수 있다. 이 설계에서는 face angle을 40도 로 결정하였다. z bore 반경:

bore는 빔이 지나가는 통로다. bore 반경이 커지면 상대적으로 bore에 RF가 많이 들어가므로 transit time factor 또는 ZTT가 작아진다. (그림 3-1-2-6). 따라서 반경이 작은 쪽이 가소효율이 좋다. 그러나 너무 작은 값을 선택하면 빔 손실의 위험이 커진 다. 이 설계에서는 10 mm를 선택하였다. 이 값은 나중에 나올 빔 동력학 계산에서 정 합입력 빔의 반경의 약 3배에 해당하는 값이다. z corner radius, flat length, inner and outer corner radius:

그림 3-1-2-7 에서 3-1-2-10까지에서 보는 바와 같이 이 변수들은 ZTT에 거의 영 향을 주지 않으므로 20 MeV DTL에서 사용한 값을 그대로 사용하였다.

이상을 정리한 것이 표 3-1-2-1 다. 집속구조는 20 MeV DTL과 같은 FFDD를 선 택했다. 이 파라메터 값에 의한 ZTT는 그림 3-1-2-11에 주어진다.

- 35 - 표 3-1-2-1. DTL의 기하학적 파라메터.

변수 값 탱크 지름 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 1.75 T field

그림 3-1-2-3. 탱크지름에 따른 ZTT 변화.

- 36 - 그림 3-1-2-4. drift tube 지름에 따른 ZTT 변화.

그림 3-1-2-5. face angle에 따른 ZTT 변화.

- 37 - 그림 3-1-2-6. bore 반경에 따른 ZTT 변화.

그림 3-1-2-7. corner radius에 따른 ZTT 변화.

- 38 - 그림 3-1-2-8. flat length에 따른 ZTT 변화.

그림 3-1-2-9. inner nose radius에 따른 ZTT 변화.

- 39 - 그림 3-1-2-10. outer nose radius에 따른 ZTT 변화.

z 결과적인 ZTT (effective shunt impedance)는 그림 3-1-2-11에 주어진다.

그림 3-1-2-11, effective shunt impedance.

- 40 - 3. 집속구조(또는 lattice)의 결정

현재 20MeV DTL에 사용된 집속구조는 FFDD를 사용한다. 60MeV DTL은 MEBT 다음에 오므로 20MeV DTL과는 독립적인 집속 구조가 가능하다. 또한 외국에 있는 많 은 DTL의 경우, FODO lattice구조를 사용하므로 새로 설계되는 DTL의 집속구조로 어떤 구조가 최적인지를 조사하는 것은 의미 있는 일이다.

PEFP 60MeV DTL의 lattice 구조를 20MeV DTL의 FFDD로 하는 경우와 보통의 FODO로 하는 경우에, 빔동력학 계산을 통한 비교를 수행하였다. 이때 DTL과 DT의 기하학적인 구조는 20MeV DTL과 동일한 구조를 사용한다. 단 face angle만 30도로 변화시켰다. 또한 2개의 클라이스트론에 의해 구동될 8개의 탱크만 사용하였다. 이 계 산에 사용된 파라메터 값은 표 3-1-3-1에 있다. 이 값들은 실제 DTL 최정 파라메터 값과는 약간 차이가 있지만, 여기서 얻은 정성적인 결과에는 변화가 없을 것이다.

표 3-1-3-1. 집속구조 결정을 위해 사용된 DTL 파라메터.

변수 값 단위 공진주파수 350 MHz 입력 에너지 20 MeV 사극전자석  ×  Synchronous phase -30 도 가속 전장 1.3 MV/m 입력빔 transverse emittance 0.23 mm-mrad longitudinal emittancce 0.15 deg-MeV 운전온도 40 도 탱크 지름 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

- 41 - 가. 정합 입력빔을 사용하는 경우: TRACE 3D 계산[75]

TRACE 3D 코드를 사용하여 새로운 DTL 구조에 정합입력되는 빔을 구하여 사용 한다. 이때는 MEBT을 사용하지 않는다. 이러한 정합입력빔이 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과하는 결과가 그림 3-1-3-1과 그림 3-1-3-2에 주어진다. FODO 의 경우 FFDD의 경우보다 beam의 최대크기와 최소크기 사이의 진동폭이 작아진다.

그림 3-1-3-1. FFDD 집속구조에서의 정합입력 빔: TRACE 3D 계산.

그림 3-1-3-2. FODO 집속구조에서의 정합입력 빔: TRACE 3D 계산.

- 42 - 나. 정합 입력빔을 사용하는 경우: PARMILA 계산[76]

TRACE 3D의 경우, 위상공간에서 twiss 파라메터를 사용하여 정합입력 빔을 표현 한다. PARMILA 코드를 사용하는 경우에는 여기에 입자분포를 더할 수 있다. 이 계산 에서는 6차원 waterbag 모델을 사용하였다. 이 모델은 6차원 위상공간에서 입자가 균 일하게 분포한다. FFDD 집속구조와 FODO 집속구조에 대응하는 정합입력 빔이 그림 3-1-3-3과 3-1-3-4 에 주어진다. 연직방향의 trace space 에서 기울기에 약간의 차이 가 있을 뿐이다.

그림 3-1-3-3. FFDD 집속구조에서의 정합입력 빔.

그림 3-1-3-4. FODO 집속구조에서의 정합입력 빔.

- 43 - 그림 3-1-3-5와 그림 3-1-3-6은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과할 때 빔의 최대크기와 rms 크기를 보여준다. 이 결과도 PARMILA 코드를 사용해서 얻었다. 이 그림을 통해 각 집속구조를 통과하는 빔의 변동폭의 변화를 좀 더 잘 이해할 수 있 다.

그림 3-1-3-5. FFDD 집속구조에서의 빔의 최대크기와 rms 크기 변화.

그림 3-1-3-5. FODO 집속구조에서의 빔의 최대크기와 rms 크기 변화.

- 44 - 그림 3-1-3-7와 그림 3-1-3-8은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과할 때 수평(x-축)과 수직(y-축)으로 구성된 연직방향과 빔의 진행방향에서의 에미턴스 변화 를 보여준다. 연직방향의 에미턴스는 mm-mrad, 빔 진행 방향의 에미턴스는 deg-MeV 단위로 보여준다. 정합 입력빔을 사용했기 때문에 두 집속구조 사이에 에미턴스 변화 의 차이가 거의 없다.

그림 3-1-3-7. FFDD 집속구조에서의 빔의 에미턴스 변화.

그림 3-1-3-8. FODO 집속구조에서의 빔의 에미턴스 변화.

- 45 - 그림 3-1-3-9와 그림 3-1-3-10은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과할 때 빔의 configuration plot을 보여준다. 각 그림에서 위쪽은 수평방향(x-축), 중간은 수직 방향(y-축)에서의 빔의 크기를 보여주며, 아래그림은 빔의 진행방향에서의 빔의 크기를 위상의 크기로 보여준다. 두 집속구조 사이에 큰 차이가 없다.

그림 3-1-3-9. FFDD 집속구조에서의 빔의 configuration plot.

그림 3-1-3-10. FODO 집속구조에서의 빔의 configuration plot.

- 46 - 그림 3-1-3-11와 그림 3-1-3-12는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과한 후 얻어지는 출력빔을 보여준다. 위쪽의 두 그림은 x-x' 및 y-y' 공간에서의 빔을 모습을 보여준다. 아래 왼쪽은 x-y공간에서의 빔의 모습이며, 오른쪽은   공간에의 빔의 모습이다. 연직방향의 trace space 에서는 기울기에 약간의 차이가 있을 뿐이다. 두 집 속 구조 모두 빔 진행 방향의 trace space 상에서는 빔에 약간의 꼬리가 생기는 것을 확인할 수 있다.

그림 3-1-3-11. FFDD 집속구조에서의 출력빔.

그림 3-1-3-12. FODO 집속구조에서의 출력빔.

- 47 - 다. 20 MeV DTL의 출력빔을 사용하는 경우: PARMILA 계산

앞에서 분석한 정합 입력빔의 경우에는 입력빔을 각 집속구소에 최적화시켰기 때문 에 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조사이에 특별한 차이를 발견할 수 없었다. 여기에 서는 빔 동력학 계산의 입력 빔으로 정합 입력빔 대신에 20MeV DTL의 출력빔을 사 용하였다. 이때는 간단한 구조의 MEBT을 사용한 빔 정합과정이 들어간다. 이 과정을 거치지 않게되면 60 MeV DTL에 손실 없이 빔을 입사시킬 수 없다.

그림 3-1-3-13와 그림 3-1-3-14는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조에 필요한 정 합 입력 빔을 얻는 과정을 보여준다. 이 계산에서는 TRACE 3D 코드를 사용하였다. 이 과정에 사용된 MEBT은 8개의 전자석(effective length= 15cm) 과 2개의 buncher cavity로 구성된다. 앞에 있는 4개의 전자석을 사용하여, bending magnet이 들어갈 공 간에서 빔이 퍼지지 않도록 한다. 뒤에 있는 4개의 전자석은 matching에 사용한다.

그림 3-1-3-13. MEBT을 통한 matching: FFDD.

그림 3-1-3-14. MEBT을 통한 matching: FODO.

- 48 - 이러한 빔 정합 과정의 타당성을 보기 위해서 MEBT과 그 다음에 오는 DTL 가속 구조에서의 빔의 진행을 TRACE 3D 코드를 이용해 계산하였다. FFDD 집속구조는 그 림 3-1-3-15에, FODO 집속구조는 그림 3-1-3-16에 보여준다. 두 경우 모두 빔 정합 이 잘 이루어졌음을 알 수 있다. 각 경우에 사용된 MEBT 파라메터는 표 3-1-3-2에 주어진다.

그림 3-1-3-15. MEBT과 DTL: FFDD.

그림 3-1-3-16. MEBT과 DTL: FODO. 표 3-1-3-2. 빔 정합에 사용된 MEBT 파라메터. PARAMETER FFDD FODO 단위 Q1 -0.50 -0.50 Q2 -1.00 -1.00 Q3 2.00 2.00 Q4 -1.40 -1.40 kG/cm Q5 0.62 0.57 Q6 -2.33 -2.44 Q7 2.41 2.50 Q8 -1.48 -2.08 BC1 0.72 0.76 MV BC2 0.73 0.78

- 49 - 그림 3-1-3-17은 PARMILA 코드에 의해 얻어진 20 MeV 출력빔을 보여준다. 그림 3-1-3-18과 그림 3-1-3-19는 FFDD 집속구조와 FODO집속구조의 DTL에 빔을 정합 시키기 위한 각 MEBT 후단에서의 출력빔을 보여준다.

그림 3-1-3-17. 20 MeV 출력빔.

그림 3-1-3-18. FFDD를 위한 MEBT 출력빔.

그림 3-1-3-19. FODO를 위한 MEBT 출력빔.

- 50 - 그림 3-1-3-20과 그림 3-1-3-21은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조의 DTL을 통과할 때 수평방향에서의 빔의 최대 크기와 rms 크기를 보여준다. FFDD 집속구조를 사용하는 경우에는 빔의 정합이 보다 잘 이루어지는 것을 볼 수 있다. FODO 구조를 통과하는 빔의 정합이 잘 이루어지지 않는 이유는 그림 3-1-3-12와 그림 3-1-3-19에 서 보는 바와 같이 MEBT 출력빔이 정합입력빔과 차이가 난다. TRACE 3D를 사용하 여 MEBT 빔 정합을 하기 위해서는 FFDD 집속구조가 좋음을 알 수 있다.

그림 3-1-3-20. MEBT과 FFDD 집속구조의 DTL에서의 빔의 최대크기와 rms 크기.

그림 3-1-3-21. MEBT과 FODO 집속구조의 DTL에서의 빔의 최대크기와 rms 크기.

- 51 - 그림 3-1-3-22와 그림 3-1-3-23은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과할 때 수평(x-축)과 수직(y-축)으로 구성된 연직방향과 빔의 진행방향에서의 에미턴스 변화 를 보여준다. FODO 집속구조에서 연직방향의 에미턴스가 상대적으로 진동이 심함을 다시 확인할 수 있다. 빔 방향의 에미턴스는 집속구조와 관계없이 진동함을 알 수 있 다. 이는 20 MeV DTL에서 빔 방향의 빔 정합이 완전하지 않게 된 것이 기인한다.

그림 3-1-3-21. MEBT과 FFDD 집속구조의 DTL에서의 빔의 에미턴스.

그림 3-1-3-21. MEBT과 FODO 집속구조의 DTL에서의 빔의 에미턴스.

- 52 - 그림 3-1-3-22와 그림 3-1-3-23은 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조를 통과할 때 빔의 configuration plot을 보여준다. 각 그림에서 위쪽은 수평방향(x-축), 중간은 수직 방향(y-축)에서의 빔의 크기를 보여주며, 아래그림은 빔의 진행방향에서의 빔의 크기를 위상의 크기로 보여준다. 이 결과로는 두 구조의 차이를 보기가 힘들다.

그림 3-1-3-22. MEBT과 FFDD 집속구조의 DTL에서의 빔의 configuration plot.

그림 3-1-3-23. MEBT과 FODO 집속구조의 DTL에서의 빔의 configuration plot.

- 53 - 그림 3-1-3-24와 그림 3-1-3-25는 FFDD 집속구조와 FODO 집속구조의 DTL을 통 과한 후 얻어지는 출력빔을 보여준다. 위쪽의 두 그림은 x-x' 및 y-y' 공간에서의 빔 을 모습을 보여준다. 아래 왼쪽은 x-y공간에서의 빔의 모습이며, 오른쪽은   공 간에의 빔의 모습이다. 두 경우 모두 빔 코어에서 떨어져나온 입자를 볼 수 있다.

그림 3-1-3-24. FFDD 집속구조에서의 출력빔.

그림 3-1-3-24. FODO 집속구조에서의 출력빔.

- 54 - 이상의 분석을 통해 20 MeV 이후에 오는 DTL 가속공동의 집속구조를 수행하였다. 분석된 집속구조는 FFDD와 FODO 구조다. 빔의 정합을 고려할 때에는 FFDD가 보다 유리한 구조가 된다. 이 계산에 사용된 buncher cavity의 effective voltage가 약 750 kV로 매우 높은 값 을 갖는다. 그러나 이 MEBT은 단순히 20 MeV 출력빔을 다음에 오는 DTL에 정합입 력시키기 위해 인위적으로 고려한 것이다. 실제 디자인된 MEBT에서는 이 문제를 해 결하였다.

4. 클라이스트론과 DTL 탱크 운용 방식

클라이스트론 1개당 연결되는 DTL 탱크 수가 변하는 경우와 DTL 탱크의 길이가 변하는 경우에 대하여 60MeV 빔을 얻기 위한 조건을 조사하였다. 이를 통해 DTL과 탱크의 연결방식 및 탱크 하나의 길이를 결정하고자 한다. 클라이스트론은 기존의 사 양인 1 MW 를 사용하였다. 다음과 같은 다섯 가지 경우에 대해 조사하였다.

y 클라이스트론 1개당 4개의 탱크 연결(20MeV DTL과 같은 방식) y 클라이스트론 1개당 2개의 탱크 연결 ­ 1개의 탱크가 3개 섹션으로 구성된 경우 ­ 1개의 탱크가 4개 섹션으로 구성된 경우 y 클라이스트론 1개당 1개의 탱크 연결 ­ 1개의 탱크가 3개 섹션으로 구성된 경우 ­ 1개의 탱크가 4개 섹션으로 구성된 경우

여기서 섹션의 길이는 약 2.5 m로 일정하다. 따라서 섹션이 많아진다는 것은 길이가 길어진다는 것을 의미한다. 모드 계산은 PARMILA 코드를 사용하였으며, 입력에 사용 되는 SFDATA는 SUPERFISH 코드를 이용해 계산하였다. 이때 빠른 계산을 위해서 mesh는 0.05로 설정하였다. 여기서의 모든 계산은 face angle이 30도인 경우에 대해 수 행하였다. 계산에 사용된 DTL의 주요 제원 bore radius는 12mm, DT diameter는 150mm 이다. 그림 3-1-4-1은 20 MeV∼70 MeV 구간에서의 transit time factor를 보 여준다. 이 그림에서 보는 바와 같이 transit time factor는 에너지가 높아짐에 따라 떨 어진다. 따라서 실제 design에서는 이 값을 높이기 위해서 face angle을 변화시켜야 한 다.

- 55 - 그림 3-1-4-1. 계산에 사용된 transit time factor.

표 3-1-4-1는 클라이스트론 1개당 4개의 탱크 연결를 연결한 경우에 대한 60 MeV DTL의 제원을 정리한 것이다. 이때는 1 MW 클라이스트론이 총 2.5개 필요하게 된다.

표 3-1-4-1. 클라이스트론 1개당 4개의 DTL을 동작하는 경우의 60 MeV DTL. power 길이 에너지  클라이스트론 탱크 셀수 빔/cu/total (cm) (MeV) (MV/m) 수 (kw) 1 26 475 24.3 93 / 136 / 229 1.28

2 24 478 28.6 92 / 136 / 228 1.28 1 3 22 470 32.7 89 / 134 / 223 1.28

4 21 476 36.8 88 / 136 / 224 1.28

5 20 478 40.8 87 / 136 / 223 1.28

6 19 475 44.7 85 / 136 / 221 1.28 1 7 18 468 48.5 82 / 134 / 216 1.28

8 18 486 52.4 83 / 140 / 223 1.28

9 18 503 56.3 85 / 145 / 230 1.28 0.5 10 17 490 60.1 82 / 141 / 223 1.28

- 56 - 다음은 클라이스트론 1개로 DTL 탱크 2개를 운전하는 경우에 대해 조사하였다. 이 때는 탱크 하나당 필요한 전체 power가 약 450 kW가 넘지 않도록 조절하였다. 표 3-1-4-2는 하나의 DTL 탱크가 3개의 섹션으로 이루어진 경우다. 이때는 각 탱 크의 길이가 약 7.5 m 정도 된다. 또한 탱크에서 소모되는 총 power(빔 power + cu power)가 450 kW보다 작아야 된다는 조건으로부터 가속전장이 값을 1.5 MV/m로 얻 을 수 있다. 이때는 총 3개의 클라이스트론이 필요하게 된다. 표 3-1-4-3은 하나의 DTL 탱크가 4개의 섹션으로 이루어진 경우다. 이때는 각 탱 크의 길이가 약 10 m 정도 된다. 이때 가속전장은 조금 작은 값이 1.3 MV/m가 되며, 필요한 클라이스트론 수는 2.5개가 된다. 이러한 방식은 탱크의 길이가 길어져서 튜닝 이 어려워질 뿐 아니라, 탱크의 무게가 무거워져서 조립의 편리성도 떨어진다.

표 3-1-4-2. 클라이스트론 1개로 3개의 섹션으로 이루어진 DTL 탱크 2개 운전. power 길이 에너지  클라이스트론 탱크 셀수 빔/cu/total (cm) (MeV) (MV/m) 수 (kw) 1 39 737 27.6 165 / 278 / 443 1.47 1 2 35 756 35.2 164 / 284 / 448 1.47

3 31 740 42.5 157 / 291 / 448 1.50 1 4 29 750 49.6 155 / 295 / 450 1.50

5 27 746 56.5 148 / 295 / 443 1.50 1 6 25 730 63.0 142 / 289 / 431 1.50

표 3-1-4-3. 클라이스트론 1개로 4개의 섹션으로 이루어진 DTL 탱크 2개 운전. power 길이 에너지  클라이스트론 탱크 셀수 빔/cu/total (cm) (MeV) (MV/m) 수 (kw) 1 49 932 28.4 182 / 266 / 448 1.28 1 2 43 943 36.6 177 / 269 / 446 1.28

3 40 976 44.7 176 / 279 / 455 1.28 1 4 37 982 52.6 170 / 282 / 452 1.28

5 34 966 60.1 162 / 278 / 440 1.28 0.5

- 57 - 다음은 클라이스트론 1개로 DTL 탱크 1개를 운전하는 경우에 대해 조사하였다. 이 때는 탱크 하나당 필요한 전체 power가 약 900 kW가 넘지 않도록 조절하였다. 표 3-1-4-4는 하나의 DTL 탱크가 3개의 섹션으로 이루어진 경우다. 이때는 각 탱 크의 길이가 약 7.5 m 정도 된다. 또한 탱크에서 소모되는 총 power(빔 power + cu power)가 900 kW보다 작아야 된다는 조건으로부터 가속전장이 값을 2.3 MV/m로 얻 을 수 있다. 이때는 총 4개의 클라이스트론이 필요하게 된다. 표 3-1-4-5는 하나의 DTL 탱크가 4개의 섹션으로 이루어진 경우다. 이때는 각 탱 크의 길이가 약 10 m 정도 된다. 이때 가속전장은 조금 작은 값이 1.9 MV/m가 되며, 필요한 클라이스트론 수는 4개가 된다. 이 경우도 튜닝과 조립의 편리성에 문제가 있 다.

표 3-1-4-4. 클라이스트론 1개로 3개의 섹션으로 이루어진 DTL 탱크 1개 운전. power 길이 에너지  클라이스트론 탱크 셀수 빔/cu/total  (cm) (MeV) (MV/m) 수 (kw) 1 38 744 31.6 250 / 645 / 895 2.23 1

2 32 747 42.7 240 / 660 / 900 2.25 1

3 28 738 53.2 228 / 666 / 894 2.27 1

4 26 750 63.4 221 / 674 / 895 2.26 1

표 3-1-4-5. 클라이스트론 1개로 3개의 섹션으로 이루어진 DTL 탱크 1개 운전. power 길이 에너지  클라이스트론 탱크 셀수 빔/cu/total  (cm) (MeV) (MV/m) 수 (kw) 1 50 991 33.0 282 / 617 / 899 1.89 1

2 41 982 45.4 267 / 632 / 899 1.92 1

3 36 978 57.1 254 / 646 / 900 1.94 1

4 33 984 68.4 243 / 654 / 897 1.94 1

- 58 - 지금까지의 결과를 표 3-1-4-6에 정리하였다. 클라이스트론 수만을 본다면 20 MeV DTL에서 사용한 바와 같이 하나의 클라이스트론으로 4개의 DTL 탱크(각 탱크 는 2개의 섹션으로 구성)를 운전하는 방식과 2개의 DTL 탱크(각 탱크는 4개의 섹션으 로 구성)를 운전하는 방식이 가장 유리하다. 그러나 후자는 탱크의 길이가 길어짐에 따 라 튜닝이 어려워지고, 무겁기 때문에 조립, 운반 등에 문제가 있다. 클라이스트론 수는 많아지지만 전체 탱크의 길이가 작아지는 방식인 하나의 클라이 스트론으로 1개의 DTL 탱크(3개의 섹션으로 구성)되는 방식이 또 하나의 고려 대상이 다. 그러나 이 경우에는 단위길이당 소모되는 파워가 상대적으로 크게 된다. 즉 듀티를 높여서 운전할 때 냉각에 문제가 발생할 수 있다. 이상의 모든 사항을 종합적으로 고려할 때, 기존의 방식인 1 MW 클라이스트론 하 나로 DTL 탱크 4개를 운전하는 방식을 채택하였다.

표 3-1-4-6. 클라이스트론 DTL 탱크 연결 방식.

클라이스트론당 탱크당 셀수 클라이스트론 탱크수 섹션 수 탱크 수 섹션수 최대값 수

4 2 10 26 20 2.5

3 6 39 18 3 2 4 5 49 20 2.5

3 4 38 12 4 1 4 4 50 16 4

- 59 - 5. 100 MeV DTL 사양

100 MeV까지를 DTL로 하는 경우에 DTL의 사양을 결정하였다. 이는 다음에 보여주는 빔동력학 계산과도 밀접한 관련이 있다. 또한 60 MeV 이상인 경우에는 ZTT 값이 떨어지므로 face angle을 증가시켜야 한다. 그러나 클라이스트론 1개에 탱크 4개를 연결하므로, face angle의 변화를 4개 단위로 하는 것이 유리하다. 따라 서 표 3-1-5-1에 보여주는 사양은 8개, 8개, 4개의 탱크의 face angle을 40도, 50도 60도로 한 경우에 얻어지는 결과다.

표 3-1-5-1. 100 MeV DTL 사양.

탱크 출력빔 에너지 total power 셀 수 길이(m) Klystron 수 번호 (MeV) (kW) 1 26 4.77 24.4 223 2 24 4.82 29.2 224 1 3 22 4.76 33.6 220 4 21 4.83 38.1 222 5 20 4.86 42.4 222 6 19 4.84 46.7 220 1 7 18 4.79 50.9 216 8 18 4.97 55.1 223 9 17 4.86 59.4 217 10 16 4.73 63.5 210 1 11 16 4.87 67.6 215 12 15 4.69 71.5 206 13 15 4.81 75.5 211 14 15 4.92 79.5 215 1 15 14 4.69 83.3 204 16 14 4.79 87.1 208 17 14 4.88 91.1 209 18 14 4.98 95.1 212 1 19 13 4.71 98.9 200 20 13 4.78 102.7 203 합계 96.35 5

- 60 - 가. 빔 동력학

빔동력학 계산은 PARMILA 코드를 사용하였다. 양성자 빔의 시뮬레이션을 위해 100,000개의 입자를 사용하였고 위상공간상의 입자분표는 6D waterbag 모델을 따른다 고 가정하였다. 이 모델에서는 입자가 위상공간의 6차원 타원체에 균일하게 분포한다. 계산에 사용한 정합입력 빔은 TRACE-3D 코드를 사용하여 얻었다. 다음은 결과를 정 리한 것이다. 각 drift tube에 들어간 전자석의 integrated field는 1.75 T를 사용하였다. 사극 전자석의 유효 자기장 거리는 8cm로 가정하였다. y 그림 3-1-5-1: 빔이 x, y,  공간에서 차지한는 크기를 셀 번호의 함수로 보여준다. y 그림 3-1-5-2: 빔의 에미턴스 변화를 보여준다. 에미턴스의 normalized rms 단위를 사용한다. 연직방향 및 빔 방향 모두에 에미턴스이 변화는 무시할 수 있다. y 그림 3-1-5-3: 연직 방향에서의 빔의 최대크기와 rms 크기를 셀의 함수로 보여준 다. x, y 공간에서 빔의 반경은 bore 반경의 약 1/4 다. y 그림 3-1-5-4: 정합입력빔을 보여준다. 위-왼쪽이 (′)공간, 위-오른쪽이 (′공 간, 아래-왼쪽이 ()공간, 아래-오른쪽이 () 공간에서의 빔의 분포를 보여 준다. y 그림 3-1-5-5 ∼그림 3-1-5-14: 각 탱크 후단에서의 빔의 분포를 보여준다. lattice 구조가 FFDD 이므로 탱크의 마지막 전자석이 첫번째 F (또는 두번째 D)로 끝나거 나, 두번째 F (또는 첫번째 D)로 끝나는가에 따라 연직방향의 위상공간에서의 빔의 모양이 변함을 볼 수 있다.

- 61 - 그림 3-1-5-1. 빔의 configuration plot.

그림 3-1-5-2. 연직방향과 빔방향의 에미턴스 변화.

- 62 - 그림 3-1-5-3. 연직방향의 최대 빔크기와 rms 빔 크기.

그림 3-1-5-4. 위상공간에서의 정합 입력 빔.

- 63 - 그림 3-1-5-5. 첫 번째 탱크 후단의 빔.

그림 3-1-5-6. 두 번째 탱크 후단의 빔.

- 64 - 그림 3-1-5-7. 세 번째 탱크 후단의 빔.

그림 3-1-5-8. 네 번째 탱크 후단의 빔.

- 65 - 그림 3-1-5-9. 다섯 번째 탱크 후단의 빔.

그림 3-1-5-10. 여섯 번째 탱크 후단의 빔.

- 66 - 그림 3-1-5-11. 일곱 번째 탱크 후단의 빔.

그림 3-1-5-12. 여덟 번째 탱크 후단의 빔.

- 67 - 그림 3-1-5-13. 아홉 번째 탱크 후단의 빔.

그림 3-1-5-14. 열 번째 탱크 후단의 빔.

- 68 - 6. DTL 탱크의 구조 결정

기본적으로 DTL 탱크의 직경은 가속효율을 고려하여 54 cm로 정하였다. 그러나 실제로 DTL 탱크를 제작하기 위해서는 각 세트의 탱크마다 직경을 결정해 줘야 한다. 이는 DTL 탱크에 들어가는 slug tuner, post coupler, DT를 지지해주는 stem이 공진 주파수에 미치는 영향을 미리 고려하기 위해서다. 에너지가 높아짐에 따라 탱크의 셀 수가 작아지므로, 여기서는 하나의 클라이스트론으로 동작하는 4개의 탱크를 단위로 해서 구조를 결정하였다. 이러한 효과를 결정하는 방법은 기본적으로 20 MeV DTL 탱 크에 적용한 방법을 사용하였다. 계산에 사용한 code는 SUPERFISH에 포함된 DTLFISH와 MDTFISH다. 다음은 DTL2의 처음 네 개의 탱크의 크기를 결정하는 과 정을 구체적으로 설명한 것이다.

가. mesh 크기에 따른 공진 주파수 변화

mesh 크기를 변화시키며 공진주파수의 변화를 살펴보았다.     에 해당 하는 전형적인 DTL 셀을 만들고 mesh의 효과를 조사하였다. 이는 양성자의 에너지가 각각 20, 40 , 60 MeV에 해당된다. 조사된 mesh 크기는 0.05∼0.01 로서, mesh가 0.05 일때 350 MHz가 되도록 한 후 mesh 크기를 0.005 간격으로 변화시키며 공진주파수 변화를 조사하였다. 또한 결과를 이차함수로 fitting하여 mesh가 0인 경우의 공진 주파 수를 추정하였다. 결과는 그림 1-2-마-1에서 보여준다. 에너지가 작은 영역에서는 셀 길이가 작기 때문에 mesh 크기에 의한 변화가 크게 나타나지만, 에너지가 높아지면 상 대적으로 mesh에 따른 공진주파수 변화가 적어지며, 에너지 변화에 따른 차이도 줄어 드는 것을 볼 수 있다. 에너지가 60 MeV인 경우에는 셀의 길이가 길어지기 때문에 mesh 크기가 0.01에서 결과를 얻을 수 없었다. 따라서 mesh 크기를 0.02로 결정하였 다. 이때 발생하는 오차는 각각 13, 12, 10 kHz에 해당한다. 따라서 앞으로 하는 계산 에는 약 13 kHz의 부정확성이 포함되어 있다.

- 69 -

그림 3-1-6-1. mesh 크기에 따른 공진주파수 변화.

나. stem 효과를 고려한 탱크 직경

ZTT를 고려하여 결정된 탱크 직경은 54cm이다. 이때는 탱크 안에서 drift tube를 지지해주는 stem의 효과를 고려하지 않았다. stem의 직경은 38mm로 일정하기 때문에 셀의 길이가 작은 쪽, 즉 에너지가 낮은 쪽에서 stem에 의한 공진주파수 증가량이 커 진다 (그림 3-1-6-2 참조).

그림 3-1-6- 2. 에너지에 따른 stem 효과를 포함한 공진주파수 변화.

- 70 - 에너지가 가장 큰 쪽 셀의 공진 주파수가 stem 효과를 포함할 때 350 MHz ± 5 kHz 가 되도록 탱크 직경을 결정한다. 결정된 값은 다음과 같다.

y 탱크 직경: 54.3104 cm y stem효과를 포함하지 않은 공진주파수: 348.53755 MHz y stem효과를 포함한 공진주파수: 350.000045 MHz

다. stem 효과를 포함한 SFDATA 작성

우선 에너지에 따른 전형적인 셀에 대한 공진주파수를 gap 길이를 조절하며 튜닝하 였다. 이때 탱크의 직경을 앞에서 결정한 값인 54.3104cm를 사용하였다. 튜닝은 stem 을 포함하지 않은 공진주파수가 350 MHz ± 5 kHz 가 되도록 gap 길이를 조절하는 방식을 채택하였다. 이때 stem 효과를 포함한 공진 주파수 변화는 그림 3-1-6-2에 주 어진 것과 같다. 이 결과를 바탕으로 각 셀의 gap 길이를 조절하여 stem을 포함한 공진 주파수가 350 MHz ± 5 kHz 가 되도록 튜닝 하였다. 이때 얻어지는 PMI 파일을 사용하여 SFDATA를 얻게 된다. 이때 다음과 같은 추가 보정을 해 준다.

y gap 길이를 셀의 길이로 나눈 결과인 g/bl 값에서 g는 계산된 결과를 쓰지만, bl은 주파수가 350 MHz인 경우로 바꾸어 주어야 한다. 이는 gap 길이가 stem 을 포함한 공진 주파수가 350 MHz가 되도록 결정되었기 때문에, PMI 파일(이 파일은 stem 효과가 포함되지 않은 결과를 바탕으로 작성됨)에 들어간 bl은 350 MHz보다 작아지기 때문이다. y 단위 길이당 shunt impedance를 나타내는 Z 값도 직경이 54cm에서 얻은 값을 사용한다. 이 값도 셀 길이와 연관되어 있기 때문이다.

- 71 - Z 값의 80%를 사용한 SFDATA는 다음과 같다.

; Beta T TP S SP g/bl Z E/E0 Tave dZctr 0.200761 0.893127 0.032449 0.367589 0.050813 0.200612 61.1887 1.000000 0.893127 0.000000 0.203239 0.891519 0.032933 0.370881 0.051199 0.203871 61.2043 1.000000 0.891519 0.000000 0.205684 0.889874 0.033427 0.374194 0.051584 0.207071 61.2178 1.000000 0.889874 0.000000 0.208096 0.888191 0.033931 0.377521 0.051965 0.210212 61.2299 1.000000 0.888191 0.000000 0.210477 0.886480 0.034443 0.380856 0.052344 0.213300 61.2394 1.000000 0.886480 0.000000 0.212827 0.884739 0.034963 0.384195 0.052718 0.216331 61.2477 1.000000 0.884739 0.000000 0.215149 0.882974 0.035489 0.387534 0.053089 0.219313 61.2534 1.000000 0.882974 0.000000 0.217441 0.881188 0.036021 0.390867 0.053455 0.222242 61.2579 1.000000 0.881188 0.000000 0.219707 0.879377 0.036559 0.394194 0.053816 0.225122 61.2612 1.000000 0.879377 0.000000 0.221946 0.877551 0.037101 0.397509 0.054172 0.227953 61.2627 1.000000 0.877551 0.000000 0.224159 0.875706 0.037648 0.400810 0.054522 0.230737 61.267 1.000000 0.875706 0.000000 0.226347 0.873848 0.038198 0.404096 0.054867 0.233478 61.264 1.000000 0.873848 0.000000 0.228510 0.871977 0.038751 0.407363 0.055206 0.236173 61.261 1.000000 0.871977 0.000000 0.230651 0.870092 0.039307 0.410611 0.055539 0.238824 61.2574 1.000000 0.870092 0.000000 0.232768 0.868200 0.039865 0.413835 0.055866 0.241434 61.2526 1.000000 0.868200 0.000000 0.234862 0.866296 0.040426 0.417039 0.056187 0.244003 61.2474 1.000000 0.866296 0.000000 0.236936 0.864387 0.040987 0.420216 0.056502 0.246532 61.2374 1.000000 0.864387 0.000000 0.238987 0.862471 0.041549 0.423369 0.056810 0.249023 61.2331 1.000000 0.862471 0.000000 0.241019 0.860548 0.042113 0.426494 0.057112 0.251474 61.2259 1.000000 0.860548 0.000000 0.243030 0.858621 0.042677 0.429594 0.057408 0.253891 61.2132 1.000000 0.858621 0.000000 0.245022 0.856690 0.043242 0.432665 0.057697 0.256270 61.2083 1.000000 0.856690 0.000000 0.246994 0.854758 0.043806 0.435708 0.057981 0.258616 61.1976 1.000000 0.854758 0.000000 0.248948 0.852824 0.044370 0.438720 0.058258 0.260927 61.1867 1.000000 0.852824 0.000000 0.250884 0.850886 0.044935 0.441706 0.058529 0.263205 61.1753 1.000000 0.850886 0.000000 0.252802 0.848950 0.045498 0.444660 0.058793 0.265450 61.163 1.000000 0.848950 0.000000 0.254702 0.847011 0.046061 0.447586 0.059052 0.267664 61.1502 1.000000 0.847011 0.000000 0.256586 0.845076 0.046623 0.450480 0.059304 0.269846 61.1366 1.000000 0.845076 0.000000 0.258453 0.843140 0.047184 0.453346 0.059550 0.271998 61.1228 1.000000 0.843140 0.000000 0.260303 0.841206 0.047743 0.456181 0.059791 0.274123 61.1114 1.000000 0.841206 0.000000 0.262138 0.839276 0.048301 0.458985 0.060025 0.276217 61.0971 1.000000 0.839276 0.000000 0.263957 0.837346 0.048859 0.461761 0.060254 0.278284 61.0825 1.000000 0.837346 0.000000 0.265761 0.835421 0.049413 0.464504 0.060476 0.280323 61.0674 1.000000 0.835421 0.000000 0.267551 0.833497 0.049968 0.467221 0.060694 0.282336 61.0519 1.000000 0.833497 0.000000 0.269325 0.831579 0.050519 0.469905 0.060905 0.284323 61.0358 1.000000 0.831579 0.000000 0.271085 0.829664 0.051069 0.472561 0.061111 0.286282 61.0202 1.000000 0.829664 0.000000 0.272831 0.827753 0.051617 0.475187 0.061312 0.288219 61.0033 1.000000 0.827753 0.000000 0.274564 0.825847 0.052164 0.477783 0.061507 0.290129 60.987 1.000000 0.825847 0.000000 0.276283 0.823947 0.052707 0.480351 0.061697 0.292017 60.9698 1.000000 0.823947 0.000000 0.277988 0.822050 0.053250 0.482891 0.061881 0.293882 60.9524 1.000000 0.822050 0.000000 0.279681 0.820161 0.053789 0.485400 0.062061 0.295723 60.9349 1.000000 0.820161 0.000000 -1

- 72 - 라. PARMILA 계산결과

새로 계산된 SFDATA를 사용하여 4개의 DTL 탱크에 대한 셀 구조를 결정하였다 (표 3-1-6-1 참조).

표 3-1-6-1. 새로운 SFDATA를 사용한 DTL 탱크.

에너지(MeV power(kW) 탱크 셀수 길이(cm) ) Cu beam total 1 26 24.74 477.204 132 95 227 2 24 29.45 483.242 133 95 228 3 22 34.01 477.777 132 91 223 4 21 38.56 486.038 135 90 225

PARMILA에서 얻은 각 탱크의 셀 구조는 다음과 같다.

y 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 20.0000 0.2032 6.9227 8.0000 2.1875 4.00000 1 20.1750 0.2041 17.4437 6.9553 3.5657 6.9422 0.0163 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 21.44370 2 20.3506 0.2050 17.5173 6.9747 3.6004 6.9615 0.0163 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 38.96095 3 20.5268 0.2058 17.5907 6.9940 3.6352 6.9808 0.0162 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 56.55167 4 20.7037 0.2067 17.6641 7.0132 3.6701 6.9999 0.0162 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 74.21577 5 20.8812 0.2075 17.7374 7.0323 3.7051 7.0190 0.0162 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 91.95315 6 21.0592 0.2084 17.8106 7.0513 3.7402 7.0380 0.0162 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 109.76373 7 21.2379 0.2092 17.8837 7.0703 3.7754 7.0569 0.0161 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 127.64742 8 21.4172 0.2101 17.9567 7.0891 3.8107 7.0757 0.0161 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 145.60413 9 21.5971 0.2109 18.0296 7.1079 3.8461 7.0945 0.0161 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 163.63376 10 21.7776 0.2118 18.1025 7.1266 3.8814 7.1131 0.0160 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 181.73622 11 21.9587 0.2126 18.1752 7.1451 3.9169 7.1317 0.0160 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 199.91142 12 22.1404 0.2135 18.2478 7.1636 3.9525 7.1501 0.0160 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 218.15927 13 22.3227 0.2143 18.3204 7.1821 3.9882 7.1685 0.0160 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 236.47967 14 22.5055 0.2152 18.3929 7.2004 4.0239 7.1868 0.0159 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 254.87252 15 22.6890 0.2160 18.4652 7.2186 4.0598 7.2051 0.0159 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 273.33775 16 22.8730 0.2169 18.5375 7.2368 4.0956 7.2232 0.0159 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 291.87524 17 23.0576 0.2177 18.6097 7.2549 4.1316 7.2412 0.0159 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 310.48490 18 23.2428 0.2185 18.6817 7.2729 4.1676 7.2592 0.0158 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 329.16665 19 23.4285 0.2194 18.7537 7.2908 4.2037 7.2771 0.0158 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 347.92037 20 23.6149 0.2202 18.8256 7.3086 4.2399 7.2949 0.0158 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 366.74598 21 23.8018 0.2211 18.8974 7.3264 4.2761 7.3126 0.0157 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 385.64338 22 23.9892 0.2219 18.9691 7.3441 4.3124 7.3303 0.0157 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 404.61246 23 24.1772 0.2227 19.0407 7.3616 4.3487 7.3479 0.0157 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 423.65314 24 24.3658 0.2236 19.1122 7.3792 4.3851 7.3653 0.0157 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 442.76531 25 24.5549 0.2244 19.1836 7.3966 4.4216 7.3828 0.0156 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 461.94888 26 24.7446 0.2252 19.2549 7.4139 4.4582 0.0000 0.0156 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 481.20374

- 73 - y 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 24.7446 0.2252 7.4001 8.0000 -2.1875 500.49544 1 24.9348 0.2261 19.3261 7.4312 4.4948 7.4173 0.0156 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 519.82150 2 25.1256 0.2269 19.3972 7.4484 4.5315 7.4345 0.0155 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 539.21865 3 25.3169 0.2277 19.4681 7.4655 4.5682 7.4516 0.0155 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 558.68680 4 25.5087 0.2285 19.5390 7.4825 4.6049 7.4686 0.0155 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 578.22585 5 25.7011 0.2294 19.6098 7.4995 4.6418 7.4855 0.0154 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 597.83569 6 25.8940 0.2302 19.6805 7.5164 4.6786 7.5024 0.0154 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 617.51622 7 26.0875 0.2310 19.7511 7.5332 4.7155 7.5192 0.0154 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 637.26735 8 26.2814 0.2318 19.8216 7.5499 4.7525 7.5359 0.0154 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 657.08896 9 26.4759 0.2327 19.8920 7.5666 4.7895 7.5525 0.0153 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 676.98097 10 26.6709 0.2335 19.9623 7.5831 4.8266 7.5691 0.0153 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 696.94326 11 26.8665 0.2343 20.0325 7.5997 4.8637 7.5856 0.0153 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 716.97574 12 27.0625 0.2351 20.1026 7.6161 4.9009 7.6020 0.0152 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 737.07829 13 27.2591 0.2359 20.1725 7.6324 4.9381 7.6184 0.0152 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 757.25082 14 27.4562 0.2368 20.2424 7.6487 4.9753 7.6346 0.0152 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 777.49323 15 27.6537 0.2376 20.3122 7.6649 5.0126 7.6508 0.0152 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 797.80541 16 27.8518 0.2384 20.3818 7.6811 5.0499 7.6669 0.0151 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 818.18725 17 28.0504 0.2392 20.4514 7.6971 5.0874 7.6830 0.0151 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 838.63866 18 28.2495 0.2400 20.5209 7.7131 5.1247 7.6990 0.0151 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 859.15952 19 28.4491 0.2408 20.5902 7.7291 5.1622 7.7149 0.0150 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 879.74974 20 28.6491 0.2416 20.6595 7.7449 5.1997 7.7307 0.0150 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 900.40921 21 28.8497 0.2424 20.7286 7.7607 5.2372 7.7465 0.0150 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 921.13782 22 29.0507 0.2432 20.7977 7.7764 5.2748 7.7622 0.0149 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 941.93548 23 29.2523 0.2440 20.8666 7.7920 5.3123 7.7778 0.0149 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 962.80206 24 29.4543 0.2448 20.9354 7.8076 5.3500 0.0000 0.0149 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 983.73747

y 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 29.4543 0.2448 7.7934 8.0000 2.1875 1004.70827 1 29.6568 0.2456 21.0041 7.8231 5.3876 7.8089 0.0149 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1025.71241 2 29.8597 0.2464 21.0728 7.8386 5.4253 7.8243 0.0148 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1046.78516 3 30.0632 0.2472 21.1413 7.8539 5.4631 7.8397 0.0148 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1067.92642 4 30.2671 0.2480 21.2097 7.8692 5.5008 7.8550 0.0148 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1089.13609 5 30.4714 0.2488 21.2780 7.8844 5.5386 7.8702 0.0147 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1110.41405 6 30.6763 0.2496 21.3462 7.8996 5.5764 7.8853 0.0147 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1131.76021 7 30.8816 0.2504 21.4142 7.9147 5.6142 7.9004 0.0147 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1153.17445 8 31.0873 0.2512 21.4822 7.9297 5.6521 7.9155 0.0147 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1174.65667 9 31.2936 0.2520 21.5501 7.9447 5.6899 7.9304 0.0146 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1196.20676 10 31.5002 0.2528 21.6179 7.9596 5.7279 7.9453 0.0146 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1217.82461 11 31.7073 0.2536 21.6855 7.9744 5.7658 7.9601 0.0146 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1239.51012 12 31.9149 0.2544 21.7531 7.9892 5.8037 7.9749 0.0145 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1261.26318 13 32.1229 0.2552 21.8205 8.0039 5.8417 7.9896 0.0145 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1283.08369

- 74 - 14 32.3314 0.2560 21.8878 8.0185 5.8797 8.0042 0.0145 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1304.97152 15 32.5403 0.2567 21.9551 8.0331 5.9177 8.0188 0.0144 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1326.92659 16 32.7496 0.2575 22.0222 8.0476 5.9557 8.0333 0.0144 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1348.94877 17 32.9594 0.2583 22.0892 8.0621 5.9938 8.0478 0.0144 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1371.03797 18 33.1696 0.2591 22.1561 8.0765 6.0319 8.0621 0.0144 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1393.19407 19 33.3802 0.2599 22.2229 8.0908 6.0699 8.0764 0.0143 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1415.41696 20 33.5913 0.2606 22.2896 8.1050 6.1081 8.0907 0.0143 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1437.70655 21 33.8028 0.2614 22.3562 8.1193 6.1462 8.1049 0.0143 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1460.06271 22 34.0147 0.2622 22.4226 8.1334 6.1843 0.0000 0.0142 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1482.48535

y 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 34.0147 0.2622 8.1191 8.0000 -2.1875 1504.94225 1 34.2270 0.2630 22.4890 8.1475 6.2225 8.1331 0.0142 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1527.43125 2 34.4398 0.2637 22.5553 8.1615 6.2606 8.1471 0.0142 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1549.98650 3 34.6529 0.2645 22.6214 8.1754 6.2988 8.1611 0.0141 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1572.60790 4 34.8665 0.2653 22.6874 8.1894 6.3370 8.1750 0.0141 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1595.29535 5 35.0805 0.2661 22.7534 8.2032 6.3752 8.1889 0.0141 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1618.04872 6 35.2949 0.2668 22.8192 8.2170 6.4134 8.2026 0.0141 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1640.86791 7 35.5097 0.2676 22.8849 8.2307 6.4516 8.2164 0.0140 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1663.75282 8 35.7249 0.2684 22.9505 8.2444 6.4898 8.2300 0.0140 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1686.70333 9 35.9405 0.2691 23.0160 8.2580 6.5280 8.2436 0.0140 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1709.71934 10 36.1565 0.2699 23.0814 8.2715 6.5663 8.2572 0.0139 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1732.80073 11 36.3729 0.2706 23.1467 8.2850 6.6045 8.2707 0.0139 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1755.94741 12 36.5897 0.2714 23.2118 8.2984 6.6427 8.2841 0.0139 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1779.15926 13 36.8068 0.2722 23.2769 8.3118 6.6810 8.2975 0.0139 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1802.43617 14 37.0244 0.2729 23.3419 8.3251 6.7193 8.3108 0.0138 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1825.77803 15 37.2424 0.2737 23.4067 8.3384 6.7575 8.3241 0.0138 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1849.18474 16 37.4607 0.2744 23.4714 8.3516 6.7958 8.3373 0.0138 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1872.65618 17 37.6794 0.2752 23.5361 8.3648 6.8340 8.3504 0.0137 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1896.19226 18 37.8985 0.2759 23.6006 8.3779 6.8723 8.3635 0.0137 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1919.79285 19 38.1180 0.2767 23.6650 8.3909 6.9106 8.3766 0.0137 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1943.45786 20 38.3378 0.2774 23.7293 8.4039 6.9488 8.3896 0.0137 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1967.18717 21 38.5580 0.2782 23.7935 8.4168 6.9871 0.0000 0.0136 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1990.98067

- 75 - 마. post coupler와 slug tuner 효과를 고려한 탱크 직경

PARMILA에서 얻은 셀 구조를 이용하여 MDTFISH 파일을 작성하였다. MDTFISH 계산결과는 그림 3-1-6-3에서 보여준다. 이 계산에서 stem의 효과를 고려 한 공진 주파수가 350 MHz 이기 때문에 stem을 고려하지 않는 공진주파수는 이보다 낮은 값을 갖게 될 것이다. 또한 stem의 효과가 각 셀에서 다르게 나타나므로 field 값 이 기우는 것도 예상할 수 있다. 결과는 표 3-1-6-2에 정리 하였다. 탱크벽에서의 자 기장은 그림 3-1-6-4에서 보여준다. post coupler와 stem의 조건은 다음과 같다.

y post coupler는 각 셀마다 하나씩 설치한다. y stem은 DT를 지지해주므로 각 셀의 양 끝에 반 개씩 있다. 각 탱크의 저에너지 및 고에너지 끝쪽에도 절반의 stem이 있는 것으로 생각한다.

그림 3-1-6-3. 네 개 탱크의 DTLFISH 계산 결과.

- 76 - 그림 3-1-6-4. 각 탱크 벽에서의 자기장 변화.

표 3-1-6-2. MDTFISH 계산결과.

Tank1 Tank2 Tank3 Tank4 공진주파수 348.48821 348.51838 348.54218 348.56159 (stem 제외, MHz)

공진주파수 350.00648 350.03465 350.03304 350.03203 (stem 포함, MHz) (+1.51827) (+1.51627) (+1.49086) (+1.47044)

평균 1316.674 평균 1322.715 평균1326.974 평균 1330.142 탱크 외벽에서의 H 1334.045∼ 1300.652 1337.834∼ 1310.153 1341.038∼ 1316.829 1342.613∼ 1323.048 (A/m, E0=1.0 MV/m) (+1.3% ∼ -1.2%) (+1.1% ∼ -0.9%) (+1.1% ∼ -0.8%) (+0.9% ∼ -0.5%)

탱크에 저장된 에너지 1.6538015 1.6865910 1.6762421 1.7122312 (J, E0=1.0 MV/m) Q0 48976.1 49695.6 50137.2 50482.7 Power loss (kW) 124.6 125.3 123.4 125.2 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%)

- 77 - 이상의 계산을 정리하여 탱크의 직경을 결정한다. 우선 drift tube를 지탱해주는 stem만을 고려한 공진주파수는 다음과 같다. - 기존의 탱크 직경: 54.3104 cm

여기에서 탱크 직경변화에 따른 공진 주파수 변화를 계산해야 한다. 이는 각 탱크 뿐만 아니라 각 셀마다 변화량이 달라진다. 여기서는 첫 번째 탱크의 첫 번째 셀과 4 번째 탱크의 마지막 셀에서 탱크 직경변화에 따를 공진 주파수 변화를 계산한 후 그 값의 평균값을 계산에 사용하였다. 그 결과는 다음과 같다. - 탱크 직경 변화에 따른 공진 주파수 변화: -4.678025 MHz/cm 첫 번째 셀: -4.66441 MHz/cm 마지막 셀: -4.69164 MHz/cm

다음은 post-coupler에 의한 공진 주파수 변화를 계산하였다. 각 탱크에서 계산한 후에 이 값의 평균을 사용하였다. - post coupler에 의한 공진 주파수 변화: 평균 +1.162878 MHz tank1: +1.19638 MHz tank2: +1.17192 MHz tank3: +1.15006 MHz tank4: +1.13315 MHz

slug tuner에 의한 공진 주파수 변화는 +1 MHz 가 된다. 따라서 전체 공진 주파수 변화와 이를 보정해주기 위한 탱크 직경의 변화는 다음과 같다. - slug tuner, post-coupler를 고려한 공진주파수 변화: +2.162878 MHz - post coupler와 slug tuner를 고려한 탱크 직경: 54.7727 cm

- 78 - 바. stem 직경이 3.8 cm 인 경우와 4.0 cm인 경우의 비교

stem에는 drit tube를 냉각시킬 냉각채널과 전자석에 전원을 공급하기 위한 케이블 이 들어간다. 3.8 cm가 충분한가에 대한 의문이 제기되어 이를 4.0 cm로 늘렸을때 탱 크의 직경변화를 3.8 cm인 경우와 비교하였다. 최종적으로는 3.8 cm면 충분하다는 것 이 시제품 제작을 통해 검증하였다. 다음 그 비교 계산 결과를 정리한 것이다.

(1) mesh 크기에 따른 공진 주파수 변화

mesh 크기에 따른 공진주파수 변화는 stem이 고려되지 않은 경우이므로 stem직경 이 3.8cm에서 얻은 결과와 차이가 없다. mesh 크기는 0.02로 한다.

(2) stem 효과를 고려한 탱크 직경

ZTT를 고려하여 결정된 탱크 직경은 54cm이다. 에너지가 가장 큰 쪽 셀의 공진 주파수가 stem 효과를 포함할 때 350 MHz ± 5 kHz 가 되도록 탱크 직경을 결정한 다. stem의 직경이 3.8cm와 4.0cm일때 탱크 직경과 공진주파수 변화는 표 3-1-6-3에 주어진다. 표 3-1-6-3. stem 효과에 의한 공진 주파수 비교.

stem 직경 3.8 cm 4.0 cm

탱크 직경 54.3104 cm 54.3435 cm stem 효과를 포함하지 않은 공진주파 348.53755 MHz 348.38234 MHz 수 stem 효과를 포함한 공진주파수 350.000045 MHz 350.000067 MHz

- 79 - (3) stem 효과를 포함한 SFDATA 작성

stem의 직경이 4.0cm이고 Z (shunt impedance per unit length)값을 80%로 하는 경우의 SFDATA 파일은 다음과 같다. (계산은 stem직경이 3.8cm인 경우와 같게 한 다.)

; Beta T TP S SP g/bl Z E/E0 Tave dZctr 0.200761 0.893160 0.032439 0.367530 0.050807 0.200565 61.1887 1.000000 0.893160 0.000000 0.203239 0.891553 0.032923 0.370823 0.051193 0.203825 61.2043 1.000000 0.891553 0.000000 0.205684 0.889906 0.033417 0.374138 0.051578 0.207027 61.2178 1.000000 0.889906 0.000000 0.208096 0.888223 0.033922 0.377466 0.051960 0.210170 61.2299 1.000000 0.888223 0.000000 0.210477 0.886512 0.034434 0.380803 0.052339 0.213259 61.2394 1.000000 0.886512 0.000000 0.212827 0.884769 0.034954 0.384144 0.052713 0.216292 61.2477 1.000000 0.884769 0.000000 0.215149 0.883004 0.035480 0.387485 0.053084 0.219275 61.2534 1.000000 0.883004 0.000000 0.217441 0.881217 0.036013 0.390820 0.053451 0.222206 61.2579 1.000000 0.881217 0.000000 0.219707 0.879405 0.036551 0.394149 0.053812 0.225087 61.2612 1.000000 0.879405 0.000000 0.221946 0.877578 0.037093 0.397465 0.054168 0.227920 61.2627 1.000000 0.877578 0.000000 0.224159 0.875732 0.037641 0.400768 0.054518 0.230706 61.267 1.000000 0.875732 0.000000 0.226347 0.873873 0.038191 0.404056 0.054863 0.233448 61.264 1.000000 0.873873 0.000000 0.228510 0.872002 0.038744 0.407324 0.055203 0.236144 61.261 1.000000 0.872002 0.000000 0.230651 0.870116 0.039301 0.410574 0.055536 0.238797 61.2574 1.000000 0.870116 0.000000 0.232768 0.868223 0.039859 0.413801 0.055863 0.241408 61.2526 1.000000 0.868223 0.000000 0.234862 0.866318 0.040419 0.417006 0.056184 0.243978 61.2474 1.000000 0.866318 0.000000 0.236936 0.864408 0.040981 0.420184 0.056499 0.246508 61.2374 1.000000 0.864408 0.000000 0.238987 0.862491 0.041544 0.423339 0.056808 0.249001 61.2331 1.000000 0.862491 0.000000 0.241019 0.860567 0.042108 0.426467 0.057110 0.251454 61.2259 1.000000 0.860567 0.000000 0.243030 0.858639 0.042672 0.429568 0.057406 0.253872 61.2132 1.000000 0.858639 0.000000 0.245022 0.856707 0.043237 0.432640 0.057695 0.256252 61.2083 1.000000 0.856707 0.000000 0.246994 0.854773 0.043802 0.435685 0.057979 0.258599 61.1976 1.000000 0.854773 0.000000 0.248948 0.852839 0.044366 0.438699 0.058256 0.260911 61.1867 1.000000 0.852839 0.000000 0.250884 0.850900 0.044931 0.441686 0.058527 0.263190 61.1753 1.000000 0.850900 0.000000 0.252802 0.848963 0.045494 0.444642 0.058792 0.265436 61.163 1.000000 0.848963 0.000000 0.254702 0.847023 0.046058 0.447570 0.059050 0.267651 61.1502 1.000000 0.847023 0.000000 0.256586 0.845087 0.046619 0.450465 0.059303 0.269835 61.1366 1.000000 0.845087 0.000000 0.258453 0.843150 0.047181 0.453332 0.059549 0.271988 61.1228 1.000000 0.843150 0.000000 0.260303 0.841216 0.047741 0.456169 0.059790 0.274114 61.1114 1.000000 0.841216 0.000000 0.262138 0.839285 0.048299 0.458974 0.060024 0.276209 61.0971 1.000000 0.839285 0.000000 0.263957 0.837353 0.048856 0.461751 0.060253 0.278277 61.0825 1.000000 0.837353 0.000000 0.265761 0.835428 0.049412 0.464496 0.060476 0.280317 61.0674 1.000000 0.835428 0.000000 0.267551 0.833502 0.049966 0.467214 0.060693 0.282331 61.0519 1.000000 0.833502 0.000000 0.269325 0.831584 0.050518 0.469900 0.060905 0.284318 61.0358 1.000000 0.831584 0.000000 0.271085 0.829667 0.051068 0.472556 0.061111 0.286279 61.0202 1.000000 0.829667 0.000000 0.272831 0.827756 0.051617 0.475184 0.061311 0.288217 61.0033 1.000000 0.827756 0.000000 0.274564 0.825849 0.052163 0.477781 0.061507 0.290128 60.987 1.000000 0.825849 0.000000 0.276283 0.823948 0.052707 0.480350 0.061697 0.292017 60.9698 1.000000 0.823948 0.000000 0.277988 0.822050 0.053250 0.482891 0.061881 0.293882 60.9524 1.000000 0.822050 0.000000 0.279681 0.820160 0.053789 0.485401 0.062061 0.295724 60.9349 1.000000 0.820160 0.000000 -1

- 80 - (4) PARMILA 계산결과

stem 직경이 4.0cm 인 경우에 대하여 새로 계산된 SFDATA를 사용하여 4개의 DTL 탱크에 대한 셀 구조를 결정하였다.

z 표 3-1-6-4는 stem 직경이 3.8 cm인 경우와 4.0cm 인 경우의 결과다. 탱크의 길 이가 수십  늘어난 것 이외에는 변화가 거의 없다.

표 3-1-6-3. stem 효과를 고려한 DTL 탱크의 제원 비교.

power(kW) 에너지(MeV) 길이(cm) 탱크 셀수 Cu beam total

3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm 3.8cm 4.0cm

1 26 24.74 24.74 477.204 477.205 132 132 95 95 227 227 2 24 29.45 29.45 483.242 483.244 133 133 95 95 228 228

3 22 34.01 34.02 477.777 477.780 132 132 91 91 223 223

4 21 38.56 38.56 486.038 486.041 135 135 90 90 225 225

z stem직경이 4.0 cm인 경우에, PARMILA에서 얻은 각 탱크의 셀 구조는 다음과 같다.

y 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 20.0000 0.2032 6.9231 8.0000 2.1875 4.00000 1 20.1750 0.2041 17.4437 6.9557 3.5649 6.9426 0.0163 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 21.44370 2 20.3506 0.2050 17.5173 6.9751 3.5996 6.9619 0.0163 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 38.96096 3 20.5269 0.2058 17.5907 6.9944 3.6345 6.9812 0.0162 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 56.55169 4 20.7037 0.2067 17.6641 7.0136 3.6694 7.0003 0.0162 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 74.21579 5 20.8812 0.2075 17.7374 7.0327 3.7044 7.0194 0.0162 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 91.95319 6 21.0593 0.2084 17.8106 7.0517 3.7395 7.0384 0.0162 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 109.76379 7 21.2380 0.2092 17.8837 7.0706 3.7747 7.0573 0.0161 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 127.64749 8 21.4173 0.2101 17.9567 7.0895 3.8099 7.0761 0.0161 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 145.60422 9 21.5972 0.2109 18.0297 7.1082 3.8453 7.0948 0.0161 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 163.63387 10 21.7777 0.2118 18.1025 7.1269 3.8807 7.1135 0.0160 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 181.73636 11 21.9588 0.2126 18.1752 7.1455 3.9162 7.1320 0.0160 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 199.91158 12 22.1405 0.2135 18.2479 7.1640 3.9518 7.1505 0.0160 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 218.15946 13 22.3228 0.2143 18.3204 7.1824 3.9875 7.1689 0.0160 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 236.47989

- 81 - 14 22.5056 0.2152 18.3929 7.2008 4.0233 7.1872 0.0159 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 254.87279 15 22.6891 0.2160 18.4653 7.2190 4.0591 7.2054 0.0159 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 273.33805 16 22.8731 0.2169 18.5375 7.2372 4.0950 7.2235 0.0159 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 291.87558 17 23.0577 0.2177 18.6097 7.2552 4.1310 7.2416 0.0159 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 310.48529 18 23.2429 0.2185 18.6818 7.2732 4.1670 7.2596 0.0158 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 329.16708 19 23.4287 0.2194 18.7538 7.2911 4.2031 7.2774 0.0158 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 347.92085 20 23.6150 0.2202 18.8257 7.3090 4.2393 7.2953 0.0158 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 366.74651 21 23.8019 0.2211 18.8974 7.3267 4.2755 7.3130 0.0157 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 385.64396 22 23.9894 0.2219 18.9691 7.3444 4.3118 7.3306 0.0157 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 404.61310 23 24.1774 0.2227 19.0407 7.3620 4.3481 7.3482 0.0157 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 423.65383 24 24.3659 0.2236 19.1122 7.3795 4.3846 7.3657 0.0157 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 442.76606 25 24.5551 0.2244 19.1836 7.3969 4.4211 7.3831 0.0156 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 461.94968 26 24.7448 0.2252 19.2549 7.4143 4.4576 0.0000 0.0156 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 481.20461

y 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 24.7448 0.2252 7.4004 8.0000 -2.1875 500.49691 1 24.9350 0.2261 19.3261 7.4315 4.4942 7.4176 0.0156 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 519.82303 2 25.1257 0.2269 19.3972 7.4487 4.5309 7.4348 0.0155 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 539.22025 3 25.3171 0.2277 19.4682 7.4658 4.5676 7.4519 0.0155 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 558.68847 4 25.5089 0.2285 19.5391 7.4828 4.6044 7.4689 0.0155 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 578.22758 5 25.7013 0.2294 19.6099 7.4998 4.6412 7.4858 0.0154 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 597.83749 6 25.8942 0.2302 19.6806 7.5167 4.6781 7.5027 0.0154 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 617.51810 7 26.0877 0.2310 19.7512 7.5335 4.7150 7.5195 0.0154 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 637.26930 8 26.2816 0.2318 19.8217 7.5502 4.7520 7.5362 0.0154 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 657.09100 9 26.4761 0.2327 19.8921 7.5669 4.7890 7.5528 0.0153 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 676.98308 10 26.6712 0.2335 19.9624 7.5834 4.8261 7.5694 0.0153 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 696.94545 11 26.8667 0.2343 20.0326 7.5999 4.8632 7.5859 0.0153 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 716.97801 12 27.0628 0.2351 20.1026 7.6163 4.9004 7.6023 0.0152 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 737.08065 13 27.2593 0.2359 20.1726 7.6327 4.9376 7.6186 0.0152 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 757.25327 14 27.4564 0.2368 20.2425 7.6490 4.9749 7.6349 0.0152 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 777.49576 15 27.6540 0.2376 20.3123 7.6652 5.0122 7.6511 0.0152 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 797.80803 16 27.8521 0.2384 20.3819 7.6813 5.0495 7.6672 0.0151 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 818.18996 17 28.0507 0.2392 20.4515 7.6974 5.0869 7.6832 0.0151 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 838.64146 18 28.2498 0.2400 20.5210 7.7134 5.1244 7.6992 0.0151 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 859.16242 19 28.4493 0.2408 20.5903 7.7293 5.1618 7.7151 0.0150 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 879.75274 20 28.6494 0.2416 20.6596 7.7451 5.1993 7.7310 0.0150 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 900.41230 21 28.8500 0.2424 20.7287 7.7609 5.2368 7.7467 0.0150 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 921.14101 22 29.0510 0.2432 20.7978 7.7766 5.2744 7.7624 0.0149 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 941.93876 23 29.2526 0.2440 20.8667 7.7923 5.3120 7.7781 0.0149 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 962.80545 24 29.4546 0.2448 20.9355 7.8078 5.3496 0.0000 0.0149 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 983.74096

- 82 - y 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 29.4546 0.2448 7.7936 8.0000 2.1875 1004.71286 1 29.6571 0.2456 21.0042 7.8233 5.3873 7.8091 0.0149 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1025.71710 2 29.8600 0.2464 21.0729 7.8388 5.4250 7.8245 0.0148 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1046.78995 3 30.0635 0.2472 21.1414 7.8541 5.4628 7.8399 0.0148 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1067.93132 4 30.2674 0.2480 21.2098 7.8694 5.5005 7.8552 0.0148 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1089.14109 5 30.4718 0.2488 21.2781 7.8846 5.5383 7.8704 0.0147 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1110.41917 6 30.6766 0.2496 21.3463 7.8998 5.5761 7.8855 0.0147 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1131.76543 7 30.8819 0.2504 21.4143 7.9149 5.6139 7.9006 0.0147 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1153.17978 8 31.0877 0.2512 21.4823 7.9299 5.6518 7.9156 0.0147 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1174.66211 9 31.2939 0.2520 21.5502 7.9449 5.6897 7.9306 0.0146 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1196.21231 10 31.5006 0.2528 21.6180 7.9598 5.7276 7.9455 0.0146 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1217.83027 11 31.7077 0.2536 21.6856 7.9746 5.7656 7.9603 0.0146 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1239.51590 12 31.9153 0.2544 21.7532 7.9894 5.8035 7.9750 0.0145 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1261.26907 13 32.1233 0.2552 21.8206 8.0040 5.8415 7.9898 0.0145 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1283.08969 14 32.3317 0.2560 21.8880 8.0187 5.8795 8.0044 0.0145 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1304.97764 15 32.5407 0.2567 21.9552 8.0333 5.9175 8.0190 0.0144 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1326.93282 16 32.7500 0.2575 22.0223 8.0478 5.9556 8.0335 0.0144 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1348.95512 17 32.9598 0.2583 22.0893 8.0622 5.9936 8.0479 0.0144 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1371.04444 18 33.1700 0.2591 22.1562 8.0766 6.0317 8.0623 0.0144 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1393.20065 19 33.3806 0.2599 22.2230 8.0909 6.0698 8.0766 0.0143 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1415.42367 20 33.5917 0.2606 22.2897 8.1052 6.1080 8.0908 0.0143 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1437.71337 21 33.8032 0.2614 22.3563 8.1194 6.1461 8.1050 0.0143 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1460.06965 22 34.0151 0.2622 22.4228 8.1335 6.1842 0.0000 0.0142 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1482.49241

y 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 34.0151 0.2622 8.1192 8.0000 -2.1875 1504.95061 1 34.2274 0.2630 22.4891 8.1476 6.2224 8.1332 0.0142 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1527.43973 2 34.4402 0.2637 22.5554 8.1616 6.2605 8.1473 0.0142 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1549.99511 3 34.6533 0.2645 22.6215 8.1756 6.2987 8.1612 0.0141 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1572.61663 4 34.8669 0.2653 22.6876 8.1895 6.3369 8.1751 0.0141 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1595.30419 5 35.0809 0.2661 22.7535 8.2033 6.3751 8.1889 0.0141 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1618.05769 6 35.2953 0.2668 22.8193 8.2171 6.4133 8.2027 0.0141 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1640.87700 7 35.5101 0.2676 22.8850 8.2308 6.4515 8.2164 0.0140 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1663.76203 8 35.7253 0.2684 22.9506 8.2444 6.4897 8.2301 0.0140 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1686.71266 9 35.9409 0.2691 23.0161 8.2580 6.5280 8.2437 0.0140 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1709.72880 10 36.1569 0.2699 23.0815 8.2716 6.5662 8.2573 0.0139 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1732.81032 11 36.3733 0.2706 23.1468 8.2851 6.6045 8.2707 0.0139 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1755.95712 12 36.5901 0.2714 23.2120 8.2985 6.6427 8.2842 0.0139 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1779.16909 13 36.8073 0.2722 23.2770 8.3119 6.6810 8.2975 0.0139 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1802.44612 14 37.0248 0.2729 23.3420 8.3252 6.7193 8.3108 0.0138 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1825.78811 15 37.2428 0.2737 23.4068 8.3384 6.7575 8.3241 0.0138 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1849.19494

- 83 - 16 37.4611 0.2744 23.4716 8.3517 6.7958 8.3373 0.0138 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1872.66651 17 37.6798 0.2752 23.5362 8.3648 6.8341 8.3505 0.0137 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1896.20271 18 37.8989 0.2759 23.6007 8.3779 6.8723 8.3636 0.0137 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1919.80342 19 38.1184 0.2767 23.6651 8.3909 6.9107 8.3766 0.0137 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1943.46855 20 38.3382 0.2774 23.7294 8.4039 6.9489 8.3896 0.0137 8.0000 -2.1870 1.3000 -30.0000 1967.19798 21 38.5584 0.2782 23.7936 8.4168 6.9872 0.0000 0.0136 8.0000 2.1870 1.3000 -30.0000 1990.99161

(5) post coupler와 slug tuner 효과를 고려한 탱크 직경

y 표 3-1-6-4와 3-1-6-5에서는 stem 및 slug tuner의 직경이 3.8 cm와 4.0 cm 인 경우의 MDTFISH계산 결과를 보여준다. mesh크기는 0.05 로 한다.

표 3-1-6-4. MDTFISH 계산결과(stem 직경 3.8 cm).

Tank1 Tank2 Tank3 Tank4

공진주파수 348.48821 348.51838 348.54218 348.56159 (stem 제외, MHz)

공진주파수 350.00648 350.03465 350.03304 350.03203 (stem 포함, MHz) (+1.51827) (+1.51627) (+1.49086) (+1.47044)

탱크 외벽에서의 H 평균 1316.674 평균 1322.715 평균1326.974 평균 1330.142 (A/m, E0=1.0 1334.045∼1300.652 1337.834∼1310.153 1341.038∼1316.829 1342.613∼1323.048 MV/m) (+1.3% ∼-1.2%) (+1.1% ∼-0.9%) (+1.1% ∼-0.8%) (+0.9% ∼-0.5%)

탱크에 저장된 에너지 1.6538015 1.6865910 1.6762421 1.7122312 (J, E0=1.0 MV/m)

Q0 48976.1 49695.6 50137.2 50482.7

Power loss (kW) 124.6 125.3 123.4 125.2 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%)

- 84 - 표 3-1-6-5. MDTFISH 계산결과(stem 직경 4.0 cm).

Tank1 Tank2 Tank3 Tank4

공진주파수 348.32424 348.35706 348.38389 348.40536 (stem 제외, MHz)

공진주파수 350.00365 350.03422 350.03306 350.03162 (stem 포함, MHz) (+1.67941) (+1.67716) (+1.64917) (+1.62626)

탱크 외벽에서의 H 평균 1316.475 평균 1322.508 평균1326.746 평균 1329.977 (A/m, E0=1.0 1335.792∼1299.193 1339.201∼1309.052 1341.594∼1315.283 1346.374∼1323.733 MV/m) (+1.5% ∼-1.3%) (+1.3% ∼-1.0%) (+1.1% ∼-0.9%) (+1.2% ∼-0.5%)

탱크에 저장된 에너지 1.6551371 1.6879181 1.6775127 1.7135697 (J, E0=1.0 MV/m)

Q0 48375.3 49120.3 49585.8 49942.5

Power loss (kW) 126.3 126.8 124.8 126.6 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%)

y post coupler와 slug tuner를 고려한 탱크 직경은 표 3-1-6-6에 주어진 다. 표 3-1-6-6. stem 직경과 DTL 탱크 직경 비교 결과

stem 직경 3.8 cm 4.0 cm stem을 고려한 탱크 직경 54.3104 cm 54.3435 cm 탱크 직경 변화에 따른 주파수 변화 첫 번째 셀 -4.66441 MHz/cm -4.66008 MHz/cm 마지막 셀 -4.69164 MHz/cm -4.68760 MHz/cm 평균 -4.67803 MHz/cm -4.67384 MHz/cm post coupler에 의한 주파수 변화 tank1 +1.19638 MHz +1.31130 MHz tank2 +1.17192 MHz +1.28680 MHz tank3 +1.15006 MHz +1.26426 MHz tank4 +1.13315 MHz +1.24607 MHz 평균 +1.16288 MHz +1.27711 MHz slug tuner에 의한 공진 주파수 변화 +1MHz +1MHz 최종 탱크 직경 54.7727 cm 54.8307 cm

- 85 - 사. 빔 동력학 계산

stem, post-coupler, slug tuner에 의한 공진 주파수 변화를 고려하면 가속효율이 변 하게 되고 따라서 DTL 탱크의 내부 구조가 모두 변하게 된다. 이러한 변화가 반영된 DTL 탱크 설계가 DTL 탱크 제작에 사용된다. 이러한 구조 변화는 이미 앞 절에서 계 산 되었다. 여기서는 이러한 변화에 의한 빔 동력학 계산을 정리한다. 표 3-1-6-7은 정합입력빔의 에미턴스와 twiss 파라메터를 보여준다.

y 그림 3-1-6-5: 연직방향과 빔 진행 방향에서의 빔의 에미턴스 y 그림 3-1-6-6: 빔의 최대크기와 rms 크기 y 그림 3-1-6-7: 새로운 DTL의 정합 입력빔 y 그림 3-1-6-8: DTL 탱크에서의 빔의 configuration plot y 그림 3-1-6-9: 탱크 1의 출력 빔 y 그림 3-1-6-10: 탱크 2의 출력 빔 y 그림 3-1-6-11: 탱크 3의 출력 빔 y 그림 3-1-6-12: 탱크 4의 출력 빔

표 3-1-6-7. 정합입력빔

  emittance

x-축 -2.64 0.099 cm/mrad 0.023  cm-mrad 연직 방향 y-축 1.77 0.056 cm/mrad 0.023  cm-mrad

빔 진행 -0.048 125.24 deg/MeV 0.123 deg-MeV 방향

- 86 - 그림 3-1-6-5. 연직방향과 빔 진행방향의 에미턴스.

그림 3-1-6-6. 빔의 최대크기와 rms 크기.

- 87 - 그림 3-1-6-7. trace space에서의 정합입력빔.

그림 3-1-6-8. 정합입력빔의 진행 모습.

- 88 - 그림 3-1-6-9. 첫 번째 탱크 후단에서의 출력빔.

그림 3-1-6-10. 두 번째 탱크 후단에서의 출력빔.

- 89 - 그림 3-1-6-11. 세 번째 탱크 후단에서의 출력빔.

그림 3-1-6-12. 네 번째 탱크 후단에서의 출력빔.

- 90 - 7. 오차분석

PARMILA 코드를 사용하여 설계된 DTL 탱크의 오차분석을 수행하였다. 이를 통해 여러가지 오차발생 요인의 제한 값이 어느 정도인지 계산하고, 이를 바탕으로 제작 및 정렬 과정의 공차를 결정하였다. 오차요인은 다음과 같이 세가지로 분류된다.

z DTL 탱크: 탱크내에 발생하는 장의 amplitude와 위상 등 z 사극전자석: 전자석의 위치가 이동하거나 회전한 경우 등 z 빔: 입사하는 빔의 에너지, 위치, 방향 등이 디자인 값과 다른 경우 등

이 오차 분석에서는 PARMILA 코드에 의해 만들어진 6-d waterbag 모형의 입자 분 포를 사용하였다. 이 분포는 6차원 위상공간에 입자들이 균일하게 분포한다. 입자수는 한번의 계산에서 10,000 개를 사용하였다. DTL 탱크와 사극전자석의 경우에는 오차의 최대값을 입력 값으로 사용한다. 따라서 한번의 계산으로는 오차의 효과를 예측하기 힘들다. 여기서는 각 경우에 대한 10회의 계산을 수행하여, 평균값과 표준편차를 구하 였다. 오차값을 직접 넣을 수 없고, 최대값만을 넣을 수 있으므로 표준편차가 중요해진 다. 오차값은 각 탱크마다 새로운 값을 랜덤하게 발생시켰다. 여기서는 60 MeV DTL 탱크 중 처음 네 개 탱크에 대한 분석을 보여준다. 이는 첫 번째 탱크의 제작에 직접 사용하기 위해서다. 각 오차요인에 대하여, 오차의 최대값의 함수로 연직방향으로의 빔 에미턴스 변화(실선은 x-방향, 점선은 y-방향), 빔 진행방향으로의 빔 에미턴스 변화, 연직방향의 빔의 최대 크기와 rms 크기를 살펴보았다. 또한 각 계산의 표준편차도 구 하였다. 다음은 결과를 요약한 것이다.

z 표 3-1-7-1 은 조사된 오차값의 최대값을 보여준다. 빔 손실이 발생하는 경우에 는 빔 손실이 기록된 오차의 최대값을 사용하였다. z 탱크오차 RF 진폭 오차: 그림 3-1-7-1(a), (b) RF 진폭이 디자인 값에서 최대 10% 변하는 경우에 대해 조사하였다. 빔의 성질의 변화가 거의 없고 빔 손실도 없었다. RF 위상 오차: 그림 3-1-7-2(a), (b) RF 위상이 디자인 값에서 최대 10도까지 벗어나는 경우에 대해 조사하였다. 빔 방향으로의 에미턴스가 서서히 증가하다가 10도 차이가 나는 경우에는 증 가 폭과 표준편차가 늘어난다. 그러나 빔 손실은 발생하지 않았다. RF field 기울어진 오차: 그림 3-1-7-3(a), (b)

- 91 - RF field가 탱크의 앞과 뒤에서 ± 기울어진 경우에 대해 조사하였다. 10% 기울어진 경우에 빔 방향으로 에미턴스가 매우 크게 증가하였고, 이때의 표준 편차도 매우 커진다. 빔 손실은 발생하지 않았으나, 이때의 빔 중 에너지가 디 자인 값에서 1 MeV 이상 벗어나는 입자가 100%인 경우가 발생하기도 한다. z 사극전자석 사극전자석 중심 이동에 의한 오차: x-방향: 그림 3-1-7-4(a), (b) 사극전자석의 중심이 x-방향으로 최대 까지 이동한 경우에 대해 조사하였다. 오차가 커짐에 따라 x-방향으로의 빔의 최대크기와 표준 편차가 점차 증가한다. y-방향: 그림 3-1-7-5(a), (b) 사극전자석의 중심이 y-방향으로 최대 까지 이동한 경우에 대해 조사하였다. 오차가 커짐에 따라 y-방향으로의 빔의 최대크기와 표준 편차가 점차 증가한다. 사극전자석의 회전에 의한 오차: x-축에 대한 회전 (pitch error): 그림 3-1-7-6(a), (b) 사극전자석이 x-축에 대해 최대 10도 회전하는 경우에 대해 조사하였 다. 오차가 커짐에 따라 y-방향의 빔의 최대크기가 급격하게 커진다. 빔 손실은 없었다. y-축에 대한 회전 (yaw error): 그림 3-1-7-7(a), (b) 사극전자석이 y-축에 대해 최대 10도 회전하는 경우에 대해 조사하였 다. 오차가 커짐에 따라 x-방향의 빔의 최대크기가 급격하게 커진다. 최대 오차가 10도일때 빔 손실이 발생한다. z-축에 대한 회전 (roll error): 그림 3-1-7-8(a), (b) 사극전자석이 x-축에 대해 최대 10도 회전하는 경우에 대해 조사하였 다. 이때는 연직방향으로의 빔 에미턴스 및 빔 크기가 매우 급격하게 증가한다. 특히 오차가 5도 이상 나면, 빔 손실이 발생한다. 그림 3-1-7-10(a), (b)에서 오차를 1도까지 좀 더 자세히 조사 하였다. 연직 방향의 빔 에미턴스가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 사극전자석 GL값이 벗어난 경우: 그림 3-1-7-10(a), (b) 사극전자석의 GL값이 최대 10% 벗어난 경우에 대해 조사하였다. 이때 는 최대오차 값이 증가함에 따라 연직방향의 빔 에미턴스가 증가한다. 표준편차도 전체적으로 큰 편이다. 최대 10% 벗어난 경우에 빔손실이 발생한다.

- 92 - z 빔 오차 빔이 공간적으로 이동한 경우 x-축 방향으로: 그림 3-1-7-11(a), (b) 입사빔이 x-축 방향으로 최대  이동한 경우에 대해 조사하였다. x-방향의 에미턴스가 약간 증가한다. x-방향의 빔의 최대크기는 오차 에 따라 선형적으로 증가한다. 빔 손실은 없었다. y-축 방향으로: 그림 3-1-7-12(a), (b) 입사빔이 y-축 방향으로 최대  이동한 경우에 대해 조사하였다. y-방향의 에미턴스가 약간 증가한다. y-방향의 빔의 최대크기는 오차 에 따라 선형적으로 증가한다. 빔 손실은 없었다. x, y-축 방향으로 동시에: 그림 3-1-7-13(a), (b) 이 경우는 위의 두 경우를 합친 것에 대응하는 결과를 얻게 된다. 빔 손실을 없었다. 빔의 기울기가 디자인 값에서 벗어난 경우: x'-축: 그림 3-1-7-14(a), (b) 입사빔의 기울기가 x-축 방향으로 최대 10 mrad까지 벗어난 경우에 대해 조사하였다. x-방향의 에미턴스가 매우 커지고, x-방향의 최대 빔 크기도 오차에 비례해서 커진다. 10 mrad 벗어난 경우에는 빔 손실 이 생긴다. y'-축: 그림 3-1-7-15(a), (b) 입사빔의 기울기가 y-축 방향으로 최대 7 mrad까지 벗어난 경우에 대 해 조사하였다. y-방향의 에미턴스가 커지고, y-방향의 최대 빔 크기 도 오차에 비례해서 커진다. 10 mrad 벗어난 경우에는 빔 손실이 생긴 다. x'-축과 y'-축 동시에: 그림 3-1-7-16(a), (b) 이 경우는 위의 두 경우를 합친 것에 대응하는 결과를 얻게 된다. 최 대오차가 7 mrad인 경우 빔 손실이 생긴다. 빔 위상이 디자인 값에서 벗어난 경우 : 그림 3-1-7-17(a), (b) 입사 빔의 위상이 최대 ±도 벗어난 경우에 대해 조사하였다. 최대 위상오차가 ±10 도 이상인 경우 빔 방향의 에미턴스가 매우 커진다. 입사 빔 에너지가 디자인 값에서 벗어난 경우: 그림 3-1-7-18(a), (b) 입사 빔의 에너지가 최대 ± keV 벗어나는 경우에 대해 조사하였 다. 빔의 성질에서 의미있는 변화가 생기지 않는다.

- 93 - 그림 3-1-7-1(a) RF 진폭의 오차.

그림 3-1-7-1(b). 그림 3-1-7-1(a) 계산의 표준편차.

- 94 - 그림 3-1-7-2(a) RF 위상의 오차.

그림 3-1-7-2(b). 그림 3-1-7-2(a) 계산의 표준편차.

- 95 - 그림 3-1-7-3(a) RF field가 기울어진 오차.

그림 3-1-7-3(b). 그림 3-1-7-3(a) 계산의 표준편차.

- 96 - 그림 3-1-7-4(a) 사극전자석의 중심이 x-방향으로 이동한 경우의 오차.

그림 3-1-7-4(b). 그림 3-1-7-4(a) 계산의 표준편차.

- 97 - 그림 3-1-7-5(a) 사극전자석의 중심이 y-방향으로 이동한 경우의 오차.

그림 3-1-7-5(b). 그림 3-1-7-5(a) 계산의 표준편차.

- 98 - 그림 3-1-7-6(a) 사극전자석이 x-축에 대해 회전한 경우.

그림 3-1-7-6(b). 그림 3-1-7-6(a) 계산의 표준편차.

- 99 - 그림 3-1-7-7(a) 사극전자석이 y-축에 대해 회전한 경우.

그림 3-1-7-7(b). 그림 3-1-7-7(a) 계산의 표준편차.

- 100 - 그림 3-1-7-8(a) 사극전자석이 z-축에 대해 회전한 경우.

그림 3-1-7-8(b). 그림 3-1-7-8(a) 계산의 표준편차.

- 101 - 그림 3-1-7-9(a) 사극전자석이 z-축에 대해 회전한 경우 (오차를 1도까지 자세히 조사한 경우).

그림 3-1-7-9(b). 그림 3-1-7-9(a) 계산의 표준편차.

- 102 - 그림 3-1-7-10(a) 사극전자석의 GL값이 벗어난 경우.

그림 3-1-7-10(b). 그림 3-1-7-10(a) 계산의 표준편차.

- 103 - 그림 3-1-7-11(a) 입력빔이 x-방향으로 벗어난 경우.

그림 3-1-7-11(b). 그림 3-1-7-11(a) 계산의 표준편차.

- 104 - 그림 3-1-7-12(a) 입력빔이 y-방향으로 벗어난 경우.

그림 3-1-7-12(b). 그림 3-1-7-12(a) 계산의 표준편차.

- 105 - 그림 3-1-7-13(a) 입력빔이 x-방향과 y-방향으로 동시에 벗어난 경우.

그림 3-1-7-13(b). 그림 3-1-7-13(a) 계산의 표준편차.

- 106 - 그림 3-1-7-14(a) 입력빔의 기울기가 x-방향으로 벗어난 경우.

그림 3-1-7-14(b). 그림 3-1-7-14(a) 계산의 표준편차.

- 107 - 그림 3-1-7-15(a) 입력빔의 기울기가 y-방향으로 벗어난 경우.

그림 3-1-7-15(b). 그림 3-1-7-15(a) 계산의 표준편차.

- 108 - 그림 3-1-7-16(a) 입력빔의 기울기가 x-방향과 y-방향으로 동시에 벗어난 경우.

그림 3-1-7-16(b). 그림 3-1-7-16(a) 계산의 표준편차.

- 109 - 그림 3-1-7-17(b). 그림 3-1-7-17(a) 계산의 표준편차.

- 110 - 그림 3-1-7-18(a) 입력 빔의 에너지가 벗어난 경우.

그림 3-1-7-18(b). 그림 3-1-7-18(a) 계산의 표준편차.

- 111 - 8 DTL 공학 설계

60 MeV DTL 탱크에 들어가는 전자석을 초기에는 20 MeV DTL과 같은 pool type의 전자석으로 설계하였다. 그러나 20 MeV이후에는 전자석이 들어갈 공간이 충분 히 확보되므로, 외국의 가속기에서 많이 사용하고 있는 hollow conductor를 사용할 수 있다는 것을 시험제작을 통해 확인하였다. 이 경우 구체적인 디자인이 바뀌게 된다. 이 보고서에서는 pool type을 사용하는 경우와 hollow conductor를 사용하는 경우의 DTL 탱크 설계를 모두 포함시켰다. 또한 탱크와 DT의 열 및 구조해석도 수행하였다.

가. pool type의 사극전자석을 사용하는 경우의 설계

(1) DTL 탱크 설계

DTL 탱크는 두 개의 섹션이 결합되어 하나의 탱크를 이루는 구조로 설계되었다. 각 섹션은 접합면에 RF seal과 vacuum seal을 포함하여 볼트로 채결된다. 각 섹션은 seemless pipe 저탄소강 소재를 기저 물질로 하고 내부 표면에 고순도 구리를 도금하 여 제작한다. 저탄소강 소재의 화학적 특성은 표 3-1-8-1과 같다.

표 3-1-8-1. 탱크 기저 소재의 화학적 특성. 항목 Ni Mn Mo Cr C 함유량(%) 1.2 0.23 0.38 0.62 0.27

60MeV DTL의 첫 번째 탱크의 길이는 탱크 온도 40도일 때 4751.091mm로서 RF coupler의 위치를 고려하고 두 개 섹션의 길이 차이를 최소화한다는 원칙으로 첫 번째 섹션의 길이를 2419.480mm, 두 번째 섹션의 길이를 2331.611mm로 결정하고 RF coupler는 첫 번째 섹션에 위치시키는 것으로 설계하였다 (표 3-1-8-2).

표 3-1-8-2 : 탱크 섹션의 길이 결정. 40도에서의 탱크 섹션의 길이 섹션 1-1 2419.480 mm 섹션 1-2 2331.611 mm

- 112 - 그림 3-1-8-1. DTL 탱크의 구조.

첫 번째 탱크의 두 개 섹션이 결합된 형태는 그림 3-1-8-1과 같으며 다음 탱크의 구 조 역시 동일하다.

냉각채널 냉각 채널은 탱크 내벽으로부터 20mm 떨어진 곳에 위치시켰으며 각 섹션에는 탱크 의 축방향으로 냉각수가 흐르는 총 18개의 냉각 채널과 탱크의 축방향에 대하여 수직 으로 냉각수가 흐르는 총 4개의 냉각 채널이 있다. 축방향으로 냉각수가 흐르는 18개 의 채널은 여러 포트들과 간섭하지 않는 한계 내에서 최대한 포트 가까이 근접시켜 냉 각 효과를 높였다. 축 방향에 대하여 수직으로 냉각수가 흐르는 4개의 채널은 탱크 아 래쪽 270도 면에 위치하여 슬러그 튜너 포트와 진공 포트 사이에서 부가적인 냉각을 하는 것으로 설계하였다. 냉각 채널은 밀링 가공후 덮개를 덮기 전에 내부를 크롬 도 금하여 이후 부식이 발생하는 것을 방지한다. 냉각 채널의 덮개는 일반 SS304 스테인 레스 스틸을 사용하며 TIG 용접을 이용하여 접합시킨다. 이때 채널 덮개는 여러개의 파트를 용접을 이용하여 이어 붙여 사용할 수 있다. 용접이 끝난 후에는 채널 내부에 최고 6기압의 공기압을 인가한 후 버블 테스트를 실시하여 검사를 완료하는 것으로 한 다.

- 113 - 스템 포트 스템 포트는 그림 3-1-8-2에 나타난 것과 같이 직경 35 mm의 홀로서 탱크의 상부 90도 위치에 가공한다.

그림 3-1-8-2. 스템 포트의 도면.

첫 번째 탱크의 경우 총 25개의 포트가 첫 번째 섹션에 13개소, 두 번째 섹션의 경우 12개소로 나뉘어 있다. 그림 3-1-8-3에 나타난 바와 같이 RF seal과 O-ring vacuum seal이 스템 포트의 내부에 위치하게 되며 스템 마운트를 탱크에 8mm 볼트 4개를 채 결하여 RF seal과 O-ring vacuum seal을 눌러 고정하는 방식으로 설계하였다. 이때 RF seal 에는 virtual leak이 생기는 것을 방지하기 위하여 φ1mm hole 8개를 가공한 다.

Stem

Viton Spacer

C-seal Tank

Vacuum Side

그림 3-1-8-3. 스템 포트의 RF seal 및 vacuum seal 구조도.

스템 포트의 위치는 탱크의 다른 여러 포트들과 비교할 때 상대적으로 고 정밀성이 요구되므로 포트 가공 시 탱크의 온도를 최대한 40도에 근접하도록 유지하되 탱크의 온도를 직접 측정하면서 스템 포트의 위치 좌표를 보정하면서 가공하도록 한다.

- 114 - 포스트 커플러 포트 포스트 커플러 포트의 구조는 기본적으로 스템 포트의 구조와 동일하다. 커플러 포트 역시 직경 35mm의 홀로서 위치는 우측 0도 위치와 좌측 180도 위치에서 DT 2개당 1 개의 개수로 좌우에 번갈아 가공한다. 따라서 포스트 커플러 포트의 Z 방향 좌표는 스 템 포트중 1개의 Z 방향 좌표와 동일하다. 그러나, 포스트 커플러 포트의 위치 및 가공 정밀도는 스템 포트만큼의 가공 정밀도가 요구되지는 않는다.

픽업 포트 RF 픽업 포트는 탱크 1개에 총 5개의 포트를 설치하는 것으로 설계하였으며 우측 0 도의 위치중 포스트 커플러가 위치하지 않는 위치에 등간격을 유지하며 위치시킨다. 그 결과 탱크 1의 경우 섹션 1에 3개소, 섹션 2에 2개소가 위치한다. RF 픽업 포트의 구조는 역시 직경 35mm의 홀로서 스템 포트 및 포스트 커플러 포트와 동일하다.

슬러그 튜너 포트 슬러그 튜너 포트는 그림 3-1-8-4에 나타난 바와 같이 φ152mm의 홀이며 탱크 아래 면 270도 위치에 위치한다.

그림 3-1-8-4. 슬러그 튜너 표트의 도면.

슬러그 튜너는 탱크 1개당 8개의 튜너를 등간격으로 위치시켜 결합하는 것으로 설계 하였으며 따라서 섹션 1개당 4개의 튜너가 결합된다. 슬러그 튜너는 볼트를 이용하여 탱크와 결합되는 것으로 설계하였으며 탱크쪽 튜너 포트의 가공면은 평면으로 하여 RF seal 및 vacuum seal은 반대쪽인 튜너의 프렌지면에 위치시키는 것으로 설계하였 다. 따라서 튜너 포트의 가공면에서 RF seal의 직경인 직경 165mm 이상 구리가 도금 되어야 한다.

- 115 - 진공 포트 진공 포트는 각 섹션에 2개의 포트를 가공하는 것으로 설계하였다. 진공 포트는 슬러 그 튜너 포트와 동일한 구조를 가지고 있으며 탱크 아래쪽 270도 면에서 첫 번째와 두 번째 슬러그 튜너 포트 사이와 세 번째와 네 번째 슬러그 튜너 포트 사이에 위치한다. 도금 조건 역시 슬러그 튜너 포트와 동일하다.

RF 커플러 포트 RF 커플러 포트는 1개소가 탱크의 우측 45도면에 위치된다. RF 커플러 포트 또한 그 림 3-1-8-5에 나타난 바와 같이 탱크쪽 포트의 가공면을 평면으로 하여 vacuum seal 은 반대쪽인 프렌지면에 위치시키는 것으로 설계하였다.

그림 3-1-8-5. RF 커플러 포트의 도면.

도금 DTL tank의 구리 도금면은 경면인 동시에 진공 중 낮은 기체발생률을 만족시켜야 하 므로, 일반적인 도금 공정 상의 광택제는 사용하지 않고 치밀하고 향상된 광택 면을 얻을 수 있는 PR(periodic reverse) plating법으로 도금을 한다. 한편 이 방법은 steel 면과 밀착이 좋지 않기 때문에 하지도금으로 저농도(strike) 니켈 도금을 한 후 시안화 구리 도금 처리를 한다. 도금이 되는 영역은 탱크의 내면 및 RF seal이 되는 가공면까 지 이다. 도금을 하기 전 steel pipe는 반드시 탈지 공정을 거쳐야 하며, 용접 등 필요 한 부분에 국부적으로 산처리를 한다. 도금 공정중에는 도금품의 내부를 청정하게 유 지하여, 유기물, 침전물 등이 도금품 표면에 생성되지 않도록 주의하여야 하며 도금 시 봉 형태의 양극을 탄소강 파이프 가운데 설치하여 전체에 걸쳐 고른 도금이 되도록 하 고, 양극 주변에 침전물이 생기지 않도록 양극 봉에 부직포를 씌우는 것으로 하였다.

- 116 - 도금 중 교반 공정과는 별도로 파이프 내부에 도금액의 flow를 유지하여 침전물 생성 의 방지 및 고른 도금 상태를 얻을 수 있도록 하고, flow는 주기적으로 반대 방향으로 유지하여 도금의 치밀도를 향상시키는 것으로 하였다. 구리 도금 공정 후에는 기계 연 마를 통하여 설계 치수대로 맞춤 가공을 하고 표면 조도를 설계 요구치인 Ra 0.3 미만 으로 가공하도록 하였다. 연마 후 부분적으로 부분 은도금을 추가한다.

z 탱크 부식 방지를 위한 니켈 도금 공정을 정리하면 다음과 같다.

공정 내용

1. 아세톤 탈지 10분 2. Fixutre 설치 접촉부 밀착 공정 3. 알칼리 탈지 50~55℃에서 5분 4. 수세 상온에서 2회 5. 산세 상온에서 5분, HCl 10wt% 6. 수세 상온 2회 7. 탕세 90℃이상, 순수 8. 무전해 Ni 도금 증류수 : 80% Armor-A : 5% Armor-R : 15% 90~93℃, 80~90분 -> 도금 두께 12~15micron 9. 수세 상온 2회 10. GN2 건조 순수, 90℃ 이상 12. 크롬산 처리 수분 제거 13. 수세 상온 2회 14. GN2 건조 수분 제거 15. Fixture 해제

- 117 - z 동도금 공정을 정리하면 다음과 같다.

공정 내용

1. 아세톤 탈지 10분 2. Fixutre 설치 접촉부 밀착 공정 3. 전해 알칼리 탈지 50~55℃, 2-5A 1분 4. 수세 상온에서 2회 5. 니켈 활성화 처리 상온에서 20분 6. 수세 상온 2회 7. 니켈 스트라이크 염화 니켈 100g/L 염산 200CC/L 1500A, 1분 8. 수세 상온 2회 9. 동도금 550A, 10시간,PR method 10. 수세 상온 2회 12. GN2 건조 수분 제거 13. Fixture 해제

z 부분 은도금 공정을 정리하면 다음과 같다.

공정 내용

1. 부분 사상 2. 아세톤 탈지 3. 마스킹 4. Fixture 설치 접촉부 밀착 5. 은도금 3-4∓1V, 1.2A∓0.3, 상온 5분 도금 두께 35micron 이상 6. 수세 상온 2회 7. GN2 건조 수분 제거 8. Fixture 해제

- 118 - 지지구조물 DTL 탱크의 설치 구조물은 탱크를 x,y,z 방향으로 움직일 수 있도록 y방향 3개, x 방향 2개, z 방향 1개 등 총 6개의 supporter를 포함하여야 한다. 냉각수 파이프 및 DT 전자석의 전류 인입용 전선 트레이와 이의 지지 구조등이 모두 탱크 설치 구조물 과 결합되도록 설계하였다. 단 이때 냉각수 파이프 및 전선 트레이는 탈부착이 가능하 도록 하였다. 또한 탱크 설치 후 결합되게 될 포스트 커플러 및 슬러그 튜너, 진공 펌 브 등의 결합을 방해하지 않도록 설계되었다 (그림 3-1-8-6).

그림 3-1-8-6. 탱크 지지대의 기본적인 구조

- 119 - 스템 마운트 Drift tube는 tank 중심에서 x,y,z 방향으로 50micron 이내로 정렬되어야 하며 정렬이 완료된 이후에는 외부 충격 및 진동등에 의해서도 움직이지 않아야 한다. 따라서 스템 마운트는 세 방향으로 미세하게 조정이 가능하여야 한다. 또한 20MeV DTL과 비교할 때 drift tube 길이가 더 길어져 무게가 더욱 무거워졌으므로 이러한 무게에도 미끄러 짐이 없어야 하며 스템의 외경도 26mm에서 34mm로 커져서 냉각수 압력에 의한 힘이 더욱 커졌기 때문에 그러한 압력 증가에도냉각수 파트가 스템에서 분리되지 않도록 하 는 기능도 요구된다. 위와 같은 사항들을 고려하여 두가지 타입의 스템 마운트를 설계하였다. 첫 번째는 그림 3-1-8-7과 그림 3-1-8-8에 나타난 바와 같이 사각형의 형상을 가진 모델로서 저 에너지 가속장치에서 사용된 스템 마운트로부터 크기만을 확장한 모델이다. 이 형태는 좁은 공간을 최대한 활용할 수 있는 장점이 있으며 drift tube 정렬의 기능이 검증되었 다는 장점이 있다. 그러나 위 모델은 가공상의 모든 공정이 밀링 가공을 통하여 이루 어져야 하므로 제작 시간의 소모가 크고 비용이 상승하는 단점이 있다.

그림 3-1-8-7. 사각형 모양의 스템 마운트 조립도 및 분해도.

- 120 - 그림 3-1-8-8. 사각형 스템 마운트 각 부품의 도면.

- 121 - 두 번째는 그림 3-1-8-9와 그림 3-1-8-10에 나타난 바와 같이 원형의 형상을 가진 모델이다. 이 형태는 공간의 활용도는 사각형의 모델에 비하여 떨어지지만 선반 가공 을 통하여 제작이 가능하므로 제작 기간이 짧고 비용이 절약되는 장점이 있다. 또한 원형의 형태를 가지고 있으므로 회전 방향 정렬이 여유 공간이 많이 drift tube 설치를 더욱 쉽게 할 수 있는 장점 또한 가지고 있다. 그러나, 정렬 및 고정용 볼트와 접촉면 이 수직을 이루지 못하는 부분이 존재하여 사각형 모양의 스템 마운트와 비교할 때 볼 트의 미끄러짐이 발생할 확률이 상대적으로 큰 단점이 있다. 두 시험품의 비교 결과 원형 마운트의 표면에 골 형태의 가공을 추가하여 미끄러짐을 방지하여 사용하는 것으 로 설계를 완료하였다.

그림 3-1-8-9. 원형의 스템 마운트 조립도 및 분해도.

- 122 - 그림 3-1-8-10. 원형 스템 마운트 각 부품의 도면.

- 123 - (2) DT(drift tube)와 사극 자석의 설계

(가) 사극 자석의 설계

DT의 설계시에는 내부에 설치되는 사극 자석의 integrated field가 빔 동역학에서 요구하는 값을 만족할 수 있는지의 여부 및 냉각수 압력에 의한 변형이 DTL탱크의 튜닝 가능 범위 내에 있는지를 고려해야 한다. 우선적으로 빔 동역학 설계로부터 주어진 DT의 bore radius는 12mm를 고려하여 사극 자석의 코어를 설계하였다. 코어 재료는 저탄소강 SM20C를 사용하는 것으로 가 정하였다. SM20C의 화학적 특성 및 자장 특성은 표 3-1-8-3과 표 3-1-8-4에 정리하 였다.

표 3-1-8-3. SM20C의 화학적 특성.

성분 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 함유량(%) 0.19 0.19 0.39 0.015 0.017 0.29 0.08 0.09 0.028

표 3-1-8-4. SM20C의 자장 특성.

항목 값

최대 투자율, μ_max [dimensionless] 1670 보자력, Hc [A/m(Oe)] 1.80*102 (2.26) 잔류자속밀도, Br [T(kG)] 7.7*10-1 (7.7*103) 최대인가 자기장, Hmax [kA/m(Oe)] 7.02 (88.2)

DT의 내부 파이프의 두께는 진공 누설 방지를 고려할 때 최소 3mm 이상의 두께를 가져야 하므로 사극 자석의 bore radius는 15mm로 설정하였다. 이 값에 대하여 자극 의 형상을 그림 3-1-8-11과 같이 변형시키면서 field gradient는 최대값으로 하고, harmonic field의 strength는 최소값으로 하는 자극의 형상을 정하였다.

- 124 - 그림 3-1-8-11. 사극 자석 자극 형태 설계를 위한 2-D 모델링.

- 125 - 그 결과 그림 3-1-8-12에 나타난 바와 같이 r=17.5mm일 때 가장 최적의 값으로 전체 전류 2250A에서 2500Gauss/cm의 field gradient를 가지며 harmonic field strength의 경우 r=10mm에서의 12극 자장값이 4극 자장값의 0.019%로서 최소값을 가지는 것을 알 수 있었다.

그림 3-1-8-12. 자장 해석 결과.

위 해석 결과에 따라 자극의 형상을 결정한 후 자석의 권선을 고려하여 yoke의 내경 을 정하였다. 즉, φ2.8mm 규격의 일반 변압기용의 에나멜 전선을 이용하여 최소 9 turn을 권선한다고 가정하였으며 따라서 그림 3-1-8-13에 나타난 “L" 값이 최소 20mm가 되도록 사극 자석 코어의 내경을 정한 결과 yoke의 내경은 84mm 가 되었다.

그림 3-1-8-13. 사극 자석 코어의 기본 형상.

- 126 - 사극 자석 코어의 내경 값을 정한 후 외경값을 정하였다. 외경값은 saturation이 발 생하지 않는 범위 내에서 최소한의 값으로 정한다. 외경을 그림 3-1-8-14에 나타난 바 와 같이 100mm에서 2mm씩 증가시키며 해석한 결과 모든 경우 전체 전류 3000A에서 의 B field 값이 2000A 에서의 선형 증가에 따른 예상 값의 99%이상의 값을 보였다. 전류 값이 3500A 이상인 경우에는 외경이 104mm 이상이 되어야 B field 값이 2000A 에서의 선형 증가에 따른 예상 값의 99%이상의 값을 보였다. 이를 고려하여 코어 외 경은 52mm로 결정을 하였다. 그러나 실제 자석의 코어는 냉각수 통로 가공 및 외부 챔퍼 가공등에 따른 단면적 감소가 존재하여 이를 보상하여 아래 식에 따라 코어 외경 을 결정하면

r_outer+(r_outer-r_inner)* {0.255/(1-0.255) } = 55.42 mm

사극 자석 코어의 외경은 111mm 가 된다.

그림 3-1-8-14. 사극 자석 코어의 여러 외경 값에 대한 자기 포화.

- 127 - 다음 단계로서 자석에서 요구되는 Effective length를 계산하여 사극 자석 코어의 두 께를 정하였다. 사극 자석 코어의 두께는 integrated field를 만족시키는 가운데 가능한 한 작은 값을 가질수록 자석의 권선 및 DT와 자석의 조립성을 높일 수 있으나, 큰 값 을 가지면 가질수록 빔 집속의 조절 범위가 향상되고 또한 같은 빔 집속력하에서는 자 석에 흐르는 전류값을 낮추어 소비 전력을 낮출수 있으므로 냉각 요구 사항을 낮춤과 동시에 자석 전원의 요구 사항을 낮추어 비용 절감 측면에서 큰 이득이 있다고 할 수 있다. 따라서, 자석의 조립이 가능한 범위 내에서 최대한 큰 값을 가지도록 설계하는 것으로 하였다. 빔 동역학으로부터 요구되는 integrated field는 20000gauss/cm cm 이며 앞의 2D 계 산으로부터 얻어진 field gradient는 2500gauss이므로 요구되는 최소한의 effective length는 80mm이다. 그림 3-1-8-15와 같이 T=72mm인 3-D model을 만들고 빔 반경 인 r=4mm에서의 axial field를 계산하여 effective length를 계산한 결과 83mm로서 요 구되는 80mm보다 큰 값을 가지는 것을 기본적으로 확인할 수 있었다(그림 3-1-8-16).

그림 3-1-8-15. effective length 계산을 위한 3-D 자장 모델링.

1200

1000

] 800

600

B field [gaussB field 400

200

0 0 20406080100 Ax ial P o sition [mm]

그림 3-1-8-16. r=4mm에서의 axial field strength - calculated effective length : 83mm.

- 128 - 최종적으로 설계 완료된 사극 자석 코어의 형태는 다음과 같다(그림 3-1-8-17, 18).

그림 3-1-8-17. 설계 완료된 사극 자석 코어의 형상.

그림 3-1-8-18. 사극 자석 코어의 도면.

- 129 - 사극 자석 코어의 권선은 전선 단면적 최소 6mm2 이상의 에나멜 전선을 이용하여 최소한 9turn 이상을 권선하는 것으로 하였다. 사용하는 에나멜 전선의 피복은 내열성 이 강한 Poly-amide-imide 재료의 두께 0.12mm 이상인 내절연전압 최소 1.5kV 이상 인 전선을 사용한다. 권선시는 그림 3-1-8-19에 나타난 바와 같이 전류 흐름이 원을 이루지 않도록 권선한다.

그림 3-1-8-19. 사극 자석 권선 시험품.

(나) Drift Tube의 설계

물리 설계로부터 drift tube의 bore diameter가 24mm가 되고 face angle이 40도로 설계되면서 drift tube의 내부 공간을 활용하는데 있어서 효율성을 향상시켜야 할 필요 성이 더욱 커졌다. 특히 bore diameter 증가에 따른 사극 자석의 field gradient의 감소 와 그 결과 사극 자석의 두께가 두꺼워지면서 사극 자석의 조립성을 확보하면서 Drift tube내의 원하는 위치에 고정하는 점이 중요한 설계 요건이 되었다. 또한 진공의 안정 성을 위하여 각 부분의 두께는 최소 3mm가 되도록 하여야한다. drift tube는 그림 3-1-8-20에 나타난 바와 같이 사극 자석을 포함하여 총 6개의 부

- 130 - 분으로 구성되어 있으며 각각 Drift tube 몸체가 되는 외부 실린더, 내부 실린더, 캡, 스템, 내부 냉각 파이프 및 사극 자석이다.

그림 3-1-8-20. Drift tube 구성.

이중 외부 실린더, 캡, 내부 실린더 및 스템은 무산소동으로 제작하며 내부 냉각 파이 프는 SS304 스테인레스 스틸 파이프로 제작한다. 표 3-1-8-5에 무산소동 재료의 화학 적 특성을 나타낸다.

표 3-1-8-5. Drift tube 무산소동 재료의 화학 성분.

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

- 131 - 수직 정렬이 확보되어야하는 외부 실린더와 스템, 내부 실린더와 캡 사이의 접합은 사극 자석 조립 이전에 브레이징하여 접합하는 것으로 하였으며 수직 정렬이 요구되지 않는 내부 냉각 파이프와 사극 자석 철심의 접합은 외부 실린더에 사극 자석을 조립한 이후 나사산을 이용하여 조립하는 것으로 하였다. 사극 자석과 외부 실린더의 고정을 위하여 외부 실린더에 2개의 M3 탭을 가공하여 볼트 고정하는 것으로 하였다. 회전 방향의 정렬을 위하여 2개의 정렬 핀을 이용하여 정렬 오차 내의 값으로 정렬하게 되도록 하였다. 최종적으로 외부 실린더와 캡이 단차 가공을 이용하여 맞춤 정렬 하게 되며 두 부 분은 사극 자석 전선의 열손상을 방지하면서 전자빔 용접을 이용하여 접합하게 된다. 그림 3-1-8-21과 그림 3-1-8-21에 조립된 drift tube의 형상을 나타내었으며 각 단품 들의 도면을 나타내었다.

그림 3-1-8-21. Drift tube 조립 형상.

- 132 - 그림 3-1-8-22. DT 각 단품의 도면.

- 133 - 전자빔 용접시에는 요구되는 용접 깊이만큼 용접이 이루어져야 하지만 온도 상승에 의하여 사극 자석 전선의 피복에 열손상이 가해져서는 안된다. 시험품 용접을 통하여 용접 조건을 정한 결과 용접 조건은 표 3-1-8-6과 같았다. 그림 3-1-8-23는 용접 시 험품의 용접 단면적 사진이다. 최대 온도 상승은 50도 미만으로 전선의 피복에 열손상 을 끼치지 않으면서 원하는 용접 깊이를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

표 3-1-8-6. 전자빔 용접의 조건과 결과.

바깥쪽 용접 부위 안쪽 용접 부위 전자빔 전압 60kV 60kV 전자빔 전류 75mA 65mA 용접 깊이 4mm 이상 2.5mm 이상 온도 상승 값 50도 미만 12도 미만

그림 3-1-8-23. 전자빔 용접 시험품의 절단면.

- 134 - (3) End plate의 설계

End plate는 열 및 압력 차이에 의한 변형이 DT 변형 허용 범위인 20micron 이내 로 유지되어야 한다. End plate의 가공에는 1) 1개의 Cu bulk material을 사용하는 방 법과 2) 탄소강으로 이루어진 외부 프렌지 부분 및 무산소동으로 만들어진 1/2 Drift tube의 두 분분으로 제작하는 방법의 두 가지를 고려하였다. 첫 번째 방법인 전체를 하나의 구리판으로 가공할 경우 변형 방지를 위하여 프렌지 부분의 두께가 40mm이상 이 되어야 하므로 무게가 무거워져 다루기가 힘들고 재료의 손실이 커져 제작 비용이 증가하는 단점이 있다. 두 번째 방법인 두 부분으로 나누어 제작하는 방법의 경우 열 전도율은 좀 떨어지지만 첫 번째 방법의 단점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 이후 유 지 보수시 부분 교체를 통하여 유지 보수 비용을 절감할 수 있는 장점이 있으나 도금 공정을 거쳐야 하므로 제작 공정이 다소 복잡해지는 단점이 있다. 두 번째 방법의 무 산소동으로 이루어진 사극 자석을 포함하는 1/2 Drift tube 부분과 T25mm의 바깥쪽 프렌지 부분으로 구성하는것으로 결정하고 열 및 구조 해석을 통하여 냉각 채널의 설 계 및 세부 설계를 완료 하였다. 열전도율이 구리보다 낮은 탄소강 소재를 사용하여도 냉각 채널을 아래 그림에서 나타난 바와 같이 설계, 제작할 경우 외곽 부분에서 최고 온도 상승을 3.5도 미만으로 유지 할 수 있으며 전체적으로는 1.5도 미만으로 유지할 수 있음을 알 수 있다(그림 3-1-8-24). 또한 기계적 변형에 있어서도 최대 15micron 이내로서 설계 허용값 이내에 있음을 확인할 수 있었다(그림 3-1-8-25).

그림 3-1-8-24. 온도 증가에 대한 열해석 결과.

- 135 - (a)

(b) 그림 3-1-8-25. 열 및 압력 차이에 의한 end plate의 변형 (a) r 방향 변형, (b) z 방향 변형.

- 136 - 그림 3-1-8-26에 End plate 구성을 위한 각 부품을 나타내었다. 1/2 Drift tube 부 분은 RF 전류가 흐르는 부분에는 무산소동 소재를 사용하고 전류가 흐르지 않는 후면 부와 내부 실린더 부분에는 SS316 스테인레스 스틸 소재를 사용하여 제작하는 것으로 설계하였다. 먼저 무산소동과 스테인레스 스틸이 접합되는 부위에 브레이징을 사용하 여 접합하였다. 사극 자석을 조립한 후 무산소동 접합 부위인 외부 실린더와 캡 부분 에 사극 자석 코일의 피복 손상을 방지하기 위하여 Drift tube의 접합과 같은 조건으로 전자빔 용접을 하였으며 최종적으로 스테인레스 스틸이 접합되는 부분에 TIG 용접을 통하여 공정을 마무리 하였다. 사극 자석 조립 후 전자빔 용접을 이용하여 접합한다. 이때 전자빔 용접 조건은 Drift tube의 전자빔 용접 조건과 같다. 두 부분은 볼트 조립 을 이용하여 탈부착이 가능하도록 하였으며 접합부에는 RF seal 및 vacuum seal을 포 함하였다. 프렌지 부분의 내부는 동도금을 하되 이때 도금 조건은 DTL 고주파 가속 공동 내부의 도금 조건과 같다.

그림 3-1-8-26. End plate의 구성도.

- 137 - 나. hollow conductor를 사용하는 경우의 설계

hollow conductor를 사용하는 경우에는 drift tube 안에 들어가는 전자석에 대한 설 계를 다시 해야 한다.

(1) DTL DT(drift tube)와 사극 자석의 설계

(가) 사극 자석의 설계

DT의 설계시에는 내부에 설치되는 사극 자석의 integrated field가 빔 동역학에서 요구하는 값을 만족할 수 있는지의 여부 및 냉각수 압력에 의한 변형이 DTL탱크의 튜닝 가능 범위 내에 있는지를 고려해야 한다. 우선적으로 빔 동역학 설계로부터 주어진 DT의 bore radius는 10mm를 고려하여 사극 자석의 코어를 설계하였다. 코어 재료는 저탄소강 사용하는 것으로 가정하였다. 표 3-1-8-7에는 고려된 저탄소강의 화학적 특성 및 자장 특성이 정리되어 있다. 저탄 소강의 자장특성은 그림 3-1-8-27에 주어진다.

표 3-1-8-7. 저 탄소강의 화학 성분.

component wt % C 0.0011~0.0017 Mn 0.0980~0.1330 Si 0.0040~0.0080 P 0.0109~0.0130 S 0.0063~0.0132 Mo 0 Ni 0.01~0.02 Cr 0.02~0.03

DT의 내부 파이프의 두께는 진공 누설 방지를 고려할 때 최소 3mm 이상의 두 께를 가져야 하므로 사극 자석의 bore radius는 13mm로 설정하였다. 이 값에 대하여 자극의 형상을 아래 그림과 같이 변형시키면서 field gradient는 최대값으로 하고, harmonic field의 strength는 최소값으로 하는 자극의 형상을 정하였다(그림 3-1-8-28).

- 138 - 그림 3-1-8-27. 저탄소강의 자장 특성.

그림 3-1-8-28. 사극 자석 자극 형태 설계를 위한 2-D 모델링.

- 139 - 그 결과 r=15mm일 때 가장 최적의 값으로 전체 전류 2250A에서 3260Gauss/cm의 field gradient를 가지며 harmonic field strength의 경우 r=10mm에서의 12극 자장값이 4극 자장값의 0.0015%로서 최소값을 가지는 것을 알 수 있었다 (표 3-1-8-8).

표 3-1-8-8. 자장 계산 결과.

rGrad [gauss/cm] Harmonic [%] 14 3233 0.0126 15 3258 0.0015 16 3287 0.0108

위 설계값을 바탕으로 정사각형 형태의 hollow conductor를 이용하여 그림 3-1-8-29에 나타난 바와 같이 사극 자석 시제품을 제작하였다. 이를 통해 hollow conductor의 권선이 가능함을 확인할 수 있었다. 시제품의 속성은 아래 표 3-1-8-9와 같다.

그림 3-1-8-29. 사극 자석 시제품.

- 140 - 표 3-1-8-9. 사극 자석 시제품의 사양. Prototype winding

- 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 Tube의 설계

물리 설계로부터 drift tube의 bore diameter가 20mm가 되고 face angle이 40도 로 설계되면서 drift tube의 내부 공간을 활용하는데 있어서 효율성을 향상시켜야 할 필요성이 더욱 커졌다. 특히 bore diameter 증가에 따른 사극 자석의 field gradient의 감소와 그 결과 사극 자석의 두께가 두꺼워지면서 사극 자석의 조립성을 확보하면서 Drift tube내의 원하는 위치에 고정하는 점이 중요한 설계 요건이 되었다. 또한 진공의 안정성을 위하여 각 부분의 두께는 최소 3mm가 되도록 하여야한다. drift tube는 그림 3-1-8-30에 나타난 바와 같이 사극 자석을 포함하여 총 8개의 부분으로 구성되어 있으며 각각 Drift tube 몸체가 되는 외부 실린더, 내부 실린더, 캡, 외부 스템, 내부 스템, 중간 스템, 스템 고정용 부품 및 사극 자석이다.

- 141 -

그림 3-1-8-30. Drift tube 구성.

다. 자장 측정 시스템의 설계

가속기 설계시의 이용되는 자석의 자장값은 이상적인 형태로 가정이 된다. 예를 들면 사극 자석의 경우 field gradient의 비선형성이나 고차원 다극 자장에 의한 섭동 효과 등은 존재하지 않는 것으로 가정된다. 뿐만 아니라 실제 자석의 제작시에는 자극 의 가공 오차에 의해 발생되는 자장의 오차값이 존재하기도 하며 높은 자장 값을 사용 하는 자석의 경우에는 자기 포화 효과에 의하여 자장의 섭동이 발생하기도 한다. 이런 여러 가지 효과에 의한 자장의 섭동은 빔 동역학에 큰 영향을 미치게 되고 그 결과 자 석 조립에 있어서의 허용 한계 등에 영향이 미치게 된다. 특히 DTL의 경우 사극 자석 의 정렬이 빔 거동에 미치는 영향이 크므로 drift tube의 설치 이전에 자석의 중심점을 정확히 측정하고 field gradient값을 정밀하게 측정하며 고차원 다극 자장값의 크기를 측정하여 그 결과를 자석 정렬에 반영하는 일이 매우 중요하다. 자장을 측정하는 방법 에는 여러 가지가 있는데 이중 어떤 방법을 선택할 것인가 하는 데에는 자장의 크기, 공간적 균일성, 시간 변화에 따른 자장의 변화, 요구되는 자장 측정의 정밀성 등 여러 가지 요소들이 모두 고려되어야 한다. 일반적으로 알려진 자장 측정의 방법에는 magnetic resonance를 이용하는 방법, harmonic induction coil을 이용하여 flux를 측정

- 142 - 하는 방법, hall generator, 빔 거동을 측정하여 자장을 측정하는 방법, magneto-resistivity를 이용하는 방법, 철가루를 이용하여 가시적으로 측정하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 harmonic induction coil을 이용하는 방법과 hall generator를 사용하는 방법의 두가지 방법을 복합적으로 이용하여 자장을 측정하는 것으로 하였다. 그림 3-1-8-31에 hamonic coil을 이용하여 자장의 센터 및 고차 자장 크기를 측정하 는 시스템의 구조를 나타내었다. 절연체로 이루어진 샤프트에 코일을 감고 drift tube내 의 사극 자석에 의한 자장 속에서 AC motot를 이용하여 고속으로 회전시키면서 자장 변화에 따른 유도 기전력을 측정한다. 모터는 강자성체로 만들어진 박스속에 두어 자 장에 의한 노이즈를 차폐하며 코일의 전선은 샤프트의 같은 방향으로 나오도록 하여 drift tube의 교체가 쉬워지도록 하고 외부 노이즈가 최소한이 되도록 만든다.베어링의 위치 및 drift tube 마운트의 중심정이 일직선을 이루도록 하고 drift tube 마운트를 샤 프트를 따라 이동시키면서 사극 자장 성분 및 고차 자장 성분의 자장 크기와 effective length를 측정한다.

그림 3-1-8-31. Harmonic Coil을 이용한 자장 측정 시스템 구조.

- 143 - 라. DTL 탱크 및 DT의 열 / 구조 해석

(1) DTL 탱크 열 및 구조 해석

고주파 부하에 따른 DTL tank의 열변형이 DTL tank의 공진 주파수 변형에 미치 는 영향을 고찰하였다. DTL tank는 긴 실린더로 가정하였으며 그림과 같은 2-D model을 통하여 해석 하였다(그림 3-1-8-32). Tank의 내벽에 고주파에 의한 Heat flux가 존재한다고 가정하였으며 냉각 채널은 냉각수 온도인 40도로 일정한 값을 유지 하는 것으로 가정하였다.

그림 3-1-8-32. 탱크 열해석을 위한 2-D modeling.

해석 결과 고주파 24% duty인 경우 아래 그림에 나타난 바와 같이 냉각 채널간의 간격이 상대적으로 넓은 탱크의 아랫면에서 최대 7.6도의 온도 상승이 나타났으며 그 에 따른 열변형은 지름 방향으로 약 24micron이었다 (그림 3-1-8-33, 34). 따라서, 온 도 변화에 따른 공진 주파수 변화량은 대략 10kHz 정도로서 튜닝 범위 내에 들어 있 음을 알 수 있다.

- 144 - 그림 3-1-8-33. 열해석 결과 - 고주파에 의한 온도 변화.

그림 3-1-8-34. 열해석 결과 - 온도 변화에 따른 변위.

- 145 - (2) DT 열 및 구조 해석

공학 설계된 DT의 구조가 열 및 구조적으로 안정한지 수치 해석을 통하여 검증하 였다. 즉, 고주파에 의해 주어지는 열부하 및 냉각수 압력에 따른 변형이 주파수 튜닝 범위 내에 있는지, 그리고 재료의 구조 안정 범위 내에 있는지 그림 3-1-8-35와 같은 2-D axi-symmetric model을 통하여 검증하였다. DT의 내부는 냉각수에 의해 냉각수 온도인 40도로 유지되는 것으로 하였으며 냉각수 압력 차이는 6 atm으로 두었다.

그림 3-1-8-35. DT 열-구조 해석을 위한 2-D modeling.

해석 결과 고주파의 duty 100%인 경우에도 온도 상승은 그림 3-1-8-36과 그림 3-1-8-37에 나타난 바와 같이 최대 0.4도 미만이었으며 최대 변위의 경우 6micron 미 만으로 역시 튜닝 범위 내에 있음을 알 수 있었다.

그림 3-1-8-36. 열해석 결과 - DT의 온도 상승.

- 146 - 그림 3-1-8-37. 열-구조해석 결과 : 열 및 냉각수 압력에 의한 변위.

최대 응력은 국부적으로 12.3MPa로 Brazing 공정을 거친 후의 Cu의 항복 응력인 50MPa보다 적어 구조적으로도 안정한 것을 알 수 있었다(그림 3-1-8-38).

그림 3-1-8-38. 열-구조해석 결과 : Stress Equivalent.

- 147 - 제 2 절. MEBT 설계

MEBT(medium energy beam transport)는 두 종류의 가속장치 사이에서 빔을 정합 시키는 역할을 수행한다. 보통의 양성자 선형가속기는 MEBT이 RFQ와 DTL사이에 존 재하며, 빔 정합 뿐만 아니라 빔을 원하는 형태로 chopping해주는 역할도 수행한다 [77-80]. 양성자 사업단에서 제작하는 100 MeV 선형가속기에서는 MEBT이 20 MeV DTL 과 다음에 오는 DTL 사이에 들어간다. 같은 종류의 장치를 사용함에도 MEBT을 넣는 이유는 빔 인출 시스템이 20 MeV DTL 뒤에 오기 때문이다. 빔 인출시스템은 약 1 m 길이의 bending magnet을 이루어지면, 이곳에서 연직방향의 빔의 집속이 불가능하다. 따라서 MEBT은 빔 정합 이외에 빔 인출 시스템을 통과하는 빔의 크기를 조절해 주는 역할을 수행해야 한다. 본 과제에서는 이러한 역할을 수행하기 위한 MEBT시스템에 대해 조사하고, 빔 동 력학 설계를 수행하였다.

1. 빔 정합 방법

우선 MEBT의 공학설계의 기초자료를 얻기 위해 다양한 방법을 통해 longitudinal beam의 정합 방법에 대해 조사하였다. 이때 다음과 같은 방법으로 연구를 수행하였다.

z 모든 beam matching은 rms beam matching을 사용한다. z 사용된 code는 PARMILA와 TRACE3D 이다.

가. DTL1(20MeV) 출력빔과 DTL2 의 정합입력빔

우선 계산에 사용될 20 MeV 출력빔과 DTL2에 들어갈 정합입빔을 구하였다.

(1) DTL1(20MeV)의 출력빔

PARMILA 계산결과에 의해 얻어진 DTL1의 출력빔을 사용하였다. 이때 다음과 같 은 사항을 고려하였다.

z 이때 RFQ와 DTL1 사이에 longitudinal matching을 위한 buncher cavity가 하 나 있는 경우를 고려하였다.

- 148 - z PRAMTEQM에 얻어진 RFQ 출력빔을 DTL1의 입력빔으로 사용한 결과다.

출력빔의 Twiss parameter(normalized rms unit)는 표 에 주어진 것과 같다. 이 결 과는 RFQ와 DTL 사이에 들어가는 빔 정합 방법에 따라 달라진다.

표 3-2-1-1. 20 MeV 출력빔.

emittance

x 2.92 1.11 mm/mrad 0.23 mm-mrad

y -1.47 0.46 mm/mrad 0.23 mm-mrad

longitudinal 0.31 135.55 deg/MeV 0.12 deg-MeV

PARMILA에서 계산된 출력빔의 모양은 그림 3-2-1-1과 같이 주어진다.

그림 3-2-1-1. 20 MeV 출력빔: PARMILA 결과.

- 149 - (2) DTL2의 정합입력빔

PARMILA에 의해 주어진 DTL2의 정합입력빔의 twiss 파라메터는 표 3-2-1-2에 주

어진다. 이때 사용된 가속전장은  =1.3 MV/m 이다. 정합입력 빔은 DTL 설계값에 따 라 달라진다. 그림 3-2-1-2는 정합입력빔을 twiss 공간상에서 보여준다.

표 3-2-1-2. DTL2 정합입력 빔.

emittance x 1.78 0.56 mm/mrad 0.23 mm-mrad y -2.59 0.97 mm/mrad 0.23 mm-mrad longitudinal -0.046 119.98 deg/MeV 0.12 deg-MeV

그림 3-2-1-2. DTL2 정합 입력빔: PARMILA 결과.

- 150 - 나. 기본적인 matching

MEBT은 기본적으로 8개의 사극전자석과 두 개의 buncher cavity로 구성된다. 그림 3-2-1-3은 이러한 MEBT의 개념도를 보여준다. 각 구성성분의 역할은 다음과 같 다.

z bending magnet전에 있는 4개의 전자석은 빔 인출 시스템에서 transverse beam size를 조절하는 역할을 한다. z bending magnet후에 있는 4개의 전자석은 transverse beam matching에 사용한 다. z 두 개의 buncher cavity는 longitudinal beam matching에 사용한다.

그림 3-2-1-3. PEFP MEBT의 기본 구조.

(1) Transverse beam matching

이러한 기본적인 MEBT 구조에서 빔 정합을 위한 각 성분을 구하였다. 이때 TRACE 3D 코드를 사용한다. bending magnet이 들어갈 공간에서 beam의 크기를 조 절하기 위해 Q1 ∼ Q4를 조절하고 transverse beam matching을 위해 Q5 ∼ Q8을 조 정하였다. 이때 각 전자석의 effective length는 150 mm로 한다. 결과는 표 3-2-1-3에 정리하였다.

- 151 - 표 3-2-1-3. 빔을 조절하기 위한 사극전자석 사양.

전자석 G (kG/cm) Q1 -0.500 Q2 -1.200 Q3 1.700 Q4 -0.800 Q5 0.768 Q6 -1.933 Q7 2.121 Q8 -1.547

(2) Longitudinal beam matching

longitudinal matching을 위해서 두 개의 buncher cavity의 effective voltage () 를 조절하였다. 결과는 표 3-2-1-4에 주어진다.

표 3-2-1-4. logitudinal beam matching을 위한 cavity 사양.

cavity (MV) C1 0.65 C2 0.45

그림 3-2-1-4는 TRACE 3D를 사용한 계산을 보여준다.

그림 3-2-1-4. 빔 정합을 위한 TRACE 3D 계산.

- 152 - 여기서 구한 effective voltage 중 큰 값은 650 kV로 매우 큰 값이 된다. effective voltage 값이 커지는 가장 중요한 원인은 에너지가 20MeV로 높은 값을 갖기 때문이 다. 그림 3-2-1-5는 한 개의 buncher cavity의 effective voltage가 0.15MV 일 때 1m 떨어진 지점에서 가 얼마나 변하는지를 빔의 에너지에 따라 보여준다. 에너지가 작 으면 longitudinal trace space상의 빔()을 보다 넓은 범위에서 변화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

그림 3-2-1-5. 가 일정할 때, 빔에너지와 cavity에 의한 위상 변화.

- 153 - 다. DTL2를 변화시키는 경우의 beam matching

DTL2의 여러 가지 성질을 변화시키는 경우 빔 정합에 어떤 영향을 미치는지 조사 하였다.

(1) DTL2의  를 변화시키는 경우

우선 DTL2의 가속 전장을 바꾸어 가면서 matching에 미치는 영향을 조사하였다. 그림 3-2-1-6은 TRACE3D unit으로 그린 DTL2의 정합 입력빔이다.

그림 3-2-1-6. DTL2의 에 따른 정합입력빔의 변화.

각 경우에 대해 RF bucket은 그림 3-2-1-7 같이 주어진다. 이때 가속은 고려하지 않는다.

그림 3-2-1-7. DTL2의  에 따른 RF bucket의 변화.

- 154 - 예를들어  = 1.0 MV/m 인 경우 RF bucket과 matched 빔 사이에는 그림 3-2-1-8과 같은 관계가 있다. 바깥쪽 선이 RF bucket이고 안쪽 타원이matched input beam이다. 이 계산에서의 matched input beam은 rms 빔이다.

그림 3-2-1-8. RF bucket과 rms 정합입력빔.

 가 변하는 각 경우에 대해서 longitudinal matching을 위한 buncher cavity의 effective voltage를 구하면 표 3-2-1-5와 같이 주어진다.

표 3-2-1-5. 빔 정합을 위한 effective voltage.

effective voltage (MV)  (MV) C1 C2 0.5 0.413 0.365 1.0 0.580 0.411 2.0 0.682 0.547 3.0 0.715 0.666

- 155 - (2) DTL2의 face angle을 변화시키는 경우

DTL2에 들어가는 drift tube의 face angle을 10도에서 40도까지 변화시키는 경우에 는 matched input beam이 크게 변하지 않는다(그림 3-2-1-9).

그림 3-2-1-9. face angle과 빔 정합.

이때 beam matching을 위한 buncher cavity의 변화는 다음과 같다.

z 이 계산을 위해 PARMILA의 SFDATA를 다시 작성하였다. 이것은 face angle이 달라지는 경우에는 가속효율이 달라지기 때문이다. z face angle이 변해도 effective voltage 값은 크게 변하지 않는다 (표 3-2-1-6).

표 3-2-1-6. 빔 정합을 위한 effective voltage.

Face angle effective voltage (MV) (degree) C1 C2

10 0.605 0.400

20 0.620 0.413

30 0.631 0.423

40 0.639 0.431

- 156 - (3) DTL2의 synchronous phase가 변하는 경우

이는 가속전장의 ramping을 통해 matching 시키기 위한 effective voltage를 작게할 가능성에 대해 조사한 것이다. 결론은 다음과 같다. z synchronous phase가 0에 접근할수록 buncher cavity의 effective voltage 값은 줄어든다(그림 3-2-1-10). z 두 번째 cavity의 voltage는 350kV보다 크다(그림 3-2-1-10). z phase 절대값이 줄어들면 bucket의 크기도 줄어들기 때문에 phase ramping을 통 한 방법은 적당한 해결책이 아니다.

그림 3-2-1-10. synchronous phase와 effective voltage.

- 157 - 라. buncher cavity의 수를 증가시키는 경우의 beam matching

longitudinal matching을 위해 사용되는 buncher cavity의 수를 증가시키며, matching을 위해 필요한 effective voltage의 변화를 살펴보았다.

(1) 두 개의 cavity를 이용해 하나의 cavity를 대체하는 경우

기본적이 MEBT에 나오는 2개의 cavity를 각각 쌍으로 확장하는 경우에 각 쌍의 cavity가 어떤 성질을 만족시키는지 조사하였다. 그림 3-2-1-11에는 보는 바와 같이 cavity에 C1, C2, C3, C4의 번호를 붙이고, cavity사이의 거리는 각각 L1, L2로 한다.

그림 3-2-1-11. cavity를 쌍으로 확장하는 경우.

첫 번째 cavity 쌍의 거리인 L1을 변화시키며 기본적인 MEBT의 첫 번째 cavity (0.65MV)와 같은 효과를 주는 C1, C2를 구한 결과를 그림 3-2-1-12에 보여준다.

그림 3-2-1-12. 첫 번째 cavity 쌍의 effective voltage.

- 158 - 두 번째 cavity 쌍의 거리인 L2를 변화시키며 기본적인 MEBT의 두 번째 cavity (0.45MV)와 같은 효과를 주는 C3, C4를 구한 결과를 그림 3-2-1-13에 보여준다.

그림 3-2-1-13. 두 번째 cavity 쌍의 effective voltage.

이상의 결과를 정리하면 다음과 같다.

z 위에서 보는 바와 같이 cavity 사이의 거리가 20cm정도인 경우에는 한 쌍의 cavity의 effective voltage 중 하나는 원래 값보다 매우 작아지고, 나머지 하나 도 어느 정도 작은 결과를 준다. z 따라서 cavity 숫자를 늘리면 effective voltage가 작아질 것을 기대할 수 있다.

- 159 - (2) Cavity 수를 늘리는 경우

cavity의 개수를 늘리는 방식으로 다음의 네 가지 경우를 고려하였다. 각 경우의 MEBT구성과 빔 인출 시스템 양쪽에 가장 가까이 있는 2개의 buncher cavity의 effective voltage를 변화시켜서 정합 입력 빔을 얻었다. 이때 나머지 cavity는 모두 일 정한 값으로 놓았다. z 4-cavity scheme cavity를 Q1-Q2, Q3-Q4, Q5-Q6, Q7-Q8 사이에 하나씩 넣어서 4개의 cavity를 이 용하는 경우다. 이 방식의 개념도는 그림 3-2-1-14에 보여준다. 결과는 그림 3-2-1-15 에 있다. 이 그림에서 x-축은 나머지 cavity의 effective voltage를 나타내고, data는 빔 정합을 위해 필요한 (matching을 위해 사용하는) 두 cavity의 effective voltage를 나타 낸다. 이 경우에는 기본적인 MEBT 방식인 2-cavity scheme과 큰 차이가 없다.

그림 3-2-1-14. 4-cavity scheme.

그림 3-2-1-15. 4-cavity scheme에서의 matching을 위한 effective voltage.

- 160 - z 6-cavity scheme cavity를 Q1-Q2, Q2-Q3, Q3-Q4, Q5-Q6, Q6-Q7, Q7-Q8에 하나쪽 6개를 사용하는 경우다. 이 경우에 첫 번째 3개와 두 번째 3개의 cavity의 effective voltage를 각각 같 게 하면, 3개의 셀로 이루어진 소형 DTL 탱크에 해당한다. DTL 탱크로 구현할 때에 는 전자석의 effective length에 drift tube의 크기에서 오는 제한이 있다. 이 방식의 개 념도는 그림 3-2-1-16에 보여준다. 결과는 그림 3-2-1-17에 있다. 이때는 모든 cavity 가 0.3~0.35 MV 일때 matching 조건을 찾을 수 있다. effective voltage가 상대적으로 많이 내려감을 알 수 있다. 따라서 소형 DTL 탱크 2개를 사용한 MEBT이 현실적인 대안일 될 것이다.

그림 3-2-1-16. 6-cavity scheme.

그림 3-2-1-17. 6-cavity scheme에서의 matching을 위한 effective voltage.

- 161 - z D4-cavity scheme 이 방식은 “4-cavity scheme"에서 각 cavity를 쌍으로 확장한 경우에 해당한다. 이 방식의 개념도는 그림 3-2-1-18에 보여준다. 결과는 그림 3-2-1-19에 있다. 다른 cavity의 effective voltage가 0.22 MV에서 0.24 MV에 있는 경우에 (matching을 위해 사용되는) cavity의 effective voltage도 상대적으로 작은 값을 갖게 된다. 예를 들어 다 른 cavity를 0.24MV로 고정하면 C4, C5가 0.3~0.32 MV에서 정합 입력 빔을 얻을 수 있다.

그림 3-2-1-18. D4-cavity scheme.

그림 3-2-1-19. D4-cavity scheme에서의 matching을 위한 effective voltage.

- 162 - z D6-cavity scheme 이 방식은 “6-cavity scheme"에서 각 cavity를 쌍으로 확장한 경우에 해당한다. 이 방식의 개념도는 그림 3-2-1-20에 보여준다. 결과는 그림 3-2-1-21에 있다. 다른 cavity의 effective voltage가 0.13 MV이상인 경우에는 voltage가 증가함에 따라 matching을 위해 사용되는 cavity의 effective voltage가 거의 선형적으로 작아진다. 특히 이 경우에는 모든 cavity의 effective voltage를 0.15 MV이하로 제한할 수 있다.

그림 3-2-1-20. D6-cavity scheme.

그림 3-2-1-21. D6-cavity scheme에서의 matching을 위한 effective voltage.

- 163 - z D6-1-cavity scheme 이 경우는 "D6-cavity scheme"에서 첫 번째 cavity와 마지막 cavity를 제거한 경우 에 해당한다. 이 방식의 개념도는 그림 3-2-1-22에 보여준다. 결과는 그림 3-2-1-23에 있다. 모든 cavity의 effective voltage가 0.20MV이하에서 정합 입력 빔을 얻을 수 있 다.

그림 3-2-1-22. D6-1-cavity scheme.

그림 3-2-1-23. D6-1-cavity scheme에서의 matching을 위한 effective voltage.

z D6-2-cavity scheme 이 경우는 "D6-cavity scheme"에서 첫 번째, 세 번째 cavity와 아홉 번째와 열한 번째 cavity를 제거한 경우에 해당한다. 이 경우에는 모든 cavity의 effective voltage가 0.25MV 이하에서 정합 입력 빔을 얻을 수 있다. 이 방식의 개념도는 그림 3-2-1-24에 보여준다. 결과는 그림 3-2-1-25에 있다.

- 164 - 그림 3-2-1-24. D6-2-cavity scheme.

그림 3-2-1-24. D6-2-cavity scheme에서의 matching을 위한 effective voltage.

이와 같은 계산을 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. z buncher cavity를 두 개만 사용하는 경우에는 effective voltage가 0.65MV와 0.45MV로 매우 큰 값을 갖는다. z DTL2의 첫 번째 탱크에 ramping을 넣는 것은 좀 더 조사해야겠지만 큰 잇점은 없 을 것으로 보인다. z buncher cavity의 개수를 늘리면 effective voltage를 줄일 수 있다. z 특히 “6-cavity scheme"은 두 개의 DTL 탱크로 구현할 수 있다는 장점이 있다.

- 165 - 2. PEFP MEBT

사업단의 중요한 목표 중 하나는 20 MeV 양성자 빔을 사용자에게 제공하는 것 이다. 이를 위해서 빔 인출장치가 20 MeV DTL 후단에 들어간다. 이 장치는 20 MeV 빔을 다음에 오는 60 MeV DTL에 정합입사에 문제를 야기한다. 따라서 MEBT은 다음과 같은 두가지 목적을 달성시켜야 한다.

y 20 MeV 빔 인출 시스템을 갖추어야 한다. y 20 MeV 양성자 빔을 다음에 오는 DTL에 정합입력 시켜야 한다.

가장 간단한 형태의 조합이 두 개의 buncher cavity와 8개의 quadrupole magnet을 갖는 시스템이다. cavity는 logitudinal matching을 위해 사용하고, 앞에 오는 네 개의 사극전자석은 빔인출 장치 안에서의 빔 크기를 조절하는 데 쓰인다. 이 전자석은 빔 인출시 빔의 성질을 조절하기 위해 쓰일 수도 있다. 뒤에 오는 네 개의 전자석은 transverse matching을 위해 쓰인다. 그림 3-2-2-1은 TRACE 3D를 사용한 빔 정합 결과를 보여 주며 그림 3-2-2-2는 이 MEBT과 다음에 오는 60 MeV DTL에서의 빔의 모습을 보여준다. 표 3-3-2-1은 빔 정합을 위한 사극 전자 석과 cavity의 유효 전압을 보여준다.

그림 3-2-2-1. 간단한 MEBT 구조에서의 빔 정합 (TRACE 3D 계산).

- 166 - 그림 3-2-2-2. 간단한 MEBT과 60 MeV DTL에서의 빔의 진행.

표 3-2-2-1. 빔 정합을 위한 사극전자석과 공동의 유효 전압.

변수 값

Q1 -0.50 kG/cm

Q2 -1.20 kG/cm

Q3 1.70 kG/cm

Q4 -0.80 kG/cm 사극전자석 Q5 0.77 kG/cm

Q6 -1.93 kG/cm

Q7 2.10 kG/cm

Q8 -1.49 kG/cm

C1 628 kV 가속공동 (유효 가속전압) C2 428 kV

- 167 - 이러한 buncher cavity를 구현하는 방법 중 하나가 3개의 셀로 이루어진 DTL 을 사용하는 것이다. TRACE 3D에서는 이 DTL이 네 개의 전자석과 3개의 RF gap으로 표시된다. 따라서 DTL 탱크 2개는 8개의 전자석과 6개의 RF gap으로 이 루어진다. 이 조합이 DTL이 되기 위해서는 세 개씩의 RF gap의 유효 전압이 각각 같은 값을 가져야 한다는 사실과 longitudinal matching을 위해서는 두 개의 RF gap을 임의로 변화 시켜야 한다는 사실 사이에 동시에 부합하는 해를 얻어야 한다. 그림 3-2-2-3에서 이러한 해가 가능하다는 것을 보았다. DTL 탱크 내에 들어가는 전자석의 effective length는 7.5 cm이고, wall 에 있는 전자석의 effective length는 transverse matching을 위해 15 cm로 크게 했다. 빔 인출 시스템이 들어갈 공간은 1 m로 잡았다. 전자석 사이의 거리는 에너지가 20 MeV에 해당하는 양성자 빔에 맞는 DTL 구조를 고려하여 결정하였다. 그림 3-2-2-4는 이때에 두 개의 소형 DTL로 이루어진 MEBT과 60 MeV DTL에서의 빔의 진행을 보여준다. 표 3-2-2-2는 이렇게 만들어진 DTL의 사양을 보여준다. 나머지 구조는 60 MeV DTL과 같다. 표 3-2-2-3은 이 조건을 만족시키는 전자석의 field gradient와 RF gap의 유효 전압을 보여준다. 특히 effective voltage는 각각 265 kV와 230 kV로서, 앞서 고려된 두 개의 buncher cavity로 구성된 경우보다 작아진다.

그림 3-2-2-3. 하나의 DTL(세개의 셀로 구성)이 세 개의 RF gap과 네 개의 사극전자석으로 구성되었을 때의 빔 정합.

- 168 - 그림 3-2-2-3. MEBT과 DTL2에서의 빔의 진행: TRACE 3D 계산.

표 3-2-2-2. MEBT을 이루는 소형 DTL 탱크 사양.

파라메터 값

셀 길이 17.4085 cm gap 길이 3.5513 cm

탱크 길이 52.213 cm synchronous phase -90 도 tank1의 power 25 kW tank2의 power 15 kW

- 169 - 표 3-2-2-3. 빔 정합을 위한 사극전자석과 공동의 유효 전압.

변수 값

Q1 -2.10 kG/cm

Q2 2.24 kG/cm

Q3 2.24 kG/cm

Q4 -1.43 kG/cm 사극전자석 Q5 1.73 kG/cm

Q6 -2.17 kG/cm

Q7 -2.30 kG/cm

Q8 0.85 kG/cm

C1 ∼ C3 265 kV 가속공동 (유효 가속전압) C4 ∼ C6 230 kV

MEBT 설계에는 빔 인출시스템(1단계 “빔 수송계 개발”과제에서 수행)과의 관 계를 더 고려되어야 한다. 현재 디자인 된 사양으로 이를 만족시키는지에 대한 검 토가 2단계 과제에서 해야 할 중요한 일중 하나다. 그러나 이러한 검토는 설계에 근본적인 변화를 주는 것이 아니라 관계된 파라메터의 값이 약간씩 변하는 결과를 줄 것이다. 따라서 1단계 과제 수행을 바탕으로 양성자기반공학기술개발상사업단에 서 필요한 MEBT은 두 개의 DTL 탱크로 만들게 될 것이다.

- 170 - 제 3 절. 에너지 측정시스템 및 제어 시스템

가속기의 운용에는 장치의 설계, 제작 뿐만 아니라 다양한 부대시설이 포함된다. 고출력 고주파 시스템, 저출력 고주파 시스템, 진공 시스템, 빔 진단, 가속장치 제어 등이 여기에 포함된다. 여기서는 time of flight 방식에 의한 에너지 측정시스템과 제 어시스템에 대한 연구결과를 정리하였다. 특히 제어 시스템의 경우 장치의 안정적인 운영을 위해 필수적인 부분이 되므로, 이에 대한 포괄적인 이해가 필요하다. 구체적 인 과제는 포항가속기연구소를 통해 수행되었기 때문에 필요한 하드웨어 등의 정보 는 그를 통해 습득할 수 있으나, 이를 전체적으로 통합한다는 관점에서 개괄적으로 연구된 결과를 정리하였다.

1. 60 MeV DTL 빔 진단 장비: 개요

PEFP 가속기와 같은 대용량양성자가속기 (High-Power Proton Accelerators, HPPA) 장치는 그 구조가 대단히 복잡하고 진단장치에 허용되는 설치공간이 매우 협 소하다. 따라서 PEFP 진단장치는 일반적으로 계측에 요구되는 고정확도, 고해상도, 고 안정성, 넓은 동작범위 등의 일반사양 외에 그 구조가 매우 얇고 컴팩트해야 한다. PEFP 60MeV DTL의 빔 계측 시스템은 기본적으로 BCM (Beam Current Monitor, 빔 전류 측정장치)과 BPPM (Beam Position & Phase Monitor, 빔 위치 및 위상 측정장 치) 시스템으로 구성되어 있으며 BLM(Beam Loss Monitor, 빔손실 측정장치)가 DTL 탱크 사이에 위치해 있다(그림 3-3-1-1). 특히 BPPM과 BCM은 가속기의 정상운전 및 빔커미셔닝(beam commissioning)에 매우 중요한 역할을 담당하기 때문에 가속기설계 초기단계에서부터 PAL(Pohang Accelerator Laboratory)과 공동연구를 수행하여 PEFP 가속장치에 적합하도록 설계 및 제작하였다. 진단 장비에 대한 보다 자세한 내용은 “저 에너지 가속장치 개발” 과제의 단계 보고서에 있으며, 여기서는 Time of flight 방 식에 의한 에너지 측정시스템에 대한 연구결과를 정리하였다.

그림 3-3-1-1. PEFP DTL의 진단장치 구성도.

- 171 - 가. Time of Flight 에너지 측정장치

DTL가속장치의 commissiong 시에 이용될 양성자빔의 에너지 측정방법은 Time of Flight와 기체산란형 (Gas scattering) energy montor이다. 전자의 TOF방식은 고전류 양성자 가속장치에 적용하기 용이하며 빔위치/위상 측정장치에 이용된 BPPM pick-up 을 사용한다. TOF는 구성이 비교적 단순하지만 측정 정확도가 1% 정도로 정도가 떨 어지는 편이고 계측장치와 pick-up 간 cable 길이에 따른 위상교정 시에 오차가 발생 할 소지가 많기 때문에 주의를 기울여야 한다. 한편 기체산란형 에너지측정장치는 정 확도가 우수하고 에너지분산정도를 측정할 수 있는 장점이 있는 반면에 관측이 가능한 빔의 전류와 에너지에 제한이 있다. DTL의 양성자빔 에너지를 측정하기 위하여 BPPM pick-up을 이용한 Time of Flight (TOF) 에너지측정시스템을 제작하였다. 그림 3-3-1-2는 TOF 방식에 의한 에 너지 측정장치의 설계도이고, 그림 3-3-1-3은 DTL#4 후단에 설치된 TOF의 모습을 나타낸다.

그림 3-3-1-2. TOF 에너지 측정장치의 구조도.

- 172 - 그림 3-3-1-3. TOF 에너지 측정장치의 설치.

그림 3-3-1-4. Time of Flight 에너지 측정장치 구성도.

두 BPPM pick-up 사이의 거리(L)은 250 mm로 하였으며 양쪽 pick-up신호는 오실 로스코프와 BPPM-EL전자회로에 입력되어 위상차에 해당하는 전압신호를 읽어오면 빔에너지를 환산할 수 있다(그림 3-3-1-4). 양성자빔 번치의 비행시간(△t)는 아래 식과 같이 위상차로 주어지며, T는 주기이며 f는 빔의 주파수를 나타낸다.

- 173 - △  △   △  

위상차를 측정하여 비행시간을 구한 후에 아래 식에 의해 빔에너지를 구할 수 있다.      위 식에서 m c2 는 양성자 정지질량에너지(938.2 MeV)이고  이다. o  TOF 에너지측정장치의 정확도(accuracy)는 아래 식으로 주어지며 dt는 비행시간측정 정확도를 나타낸다(표 3-3-1-1).  ⋅⋅ ⋅  

표 3-3-1-1. Time of Flight 에너지측정장치의 사양.

Requirements Value

Frequency 350 MHz

Accuracy < 1%

Resolution < 0.1 %

Beam energy 3 ～ 100 MeV

- 174 - 2. 선형가속장치 제어 기술 개발

가. 개론

현재 국내의 EPICS 제어기술은 Unix, Linux 및 Windows 기반에서 개발이 진행 중이며 포항가속기연구소에서 EPICS 기반의 제어시스템을 개발하여 이제 실제 적용 이 시작된 단계에 있다. EPICS 기반의 제어기술은 인터넷을 통한 공개 S/W를 사용 하여 개발하였으며 외국과의 연구교류를 통해 다소 생소한 제어시스템 어려움을 극 복할 수 있었다. EPICS 제어기술의 Extension 부분과 IOC 부분 및 Device driver 부분을 현재의 국내 기술수준과 미국의 경우에 대하여 이해하는 부분의 범위를 기준 으로 계량적으로 비교하여 보면 아래와 같다고 할 수 있다.

- Windows 기반 EPICS 기술: 70% - Unix 기반 EPICS 기술: 60% - Device driver : 50%

- 포항가속기 연구소 국내에서는 포항가속기연구소에서 지난 수년간 연구를 진행하여 왔으나 본격적인 연구 는 2001년에 시작되었다. 현재는 전자석 전원장치와 고출력 펄스전원장치의 제어에 EPICS 기술을 적용하여 운영중이며 포항가속기 전체 제어장치를 EPICS 기술로 성능 개선이 진행 중이다.

- 기초과학연구원의 KSTAR 프로젝트 기초과학연구원의 KSTAR 프로젝트에서 토카막 및 실험시설의 제어를 위하여 EPICS 기술을 연구하고 있는 중이다. 아직 본격적인 응용은 이루어지지 않고 있다.그리고 삼 성종합 기술원에서 소규모(Stand Alone)의 EPICS 제어기술을 운영중인 것으로 파악되 었다.

- 양성자 기반공학 기술개발사업단(PEFP) 양성자 사업단의 양성자 가속장치 제어시스템은 전자가속기 운영경험이 풍부한 포항 가속기 연구소 제어팀에 의해 제안 및 개발되었으며 먼저 저에너지(20MeV) 선형 가속 장치제어시스템 개발이 이루어졌다. 개발된 저에너지 가속장치 제어시스템은 가속기 제어 분야 기술 추세에 부합하는 EPICS기반 양성자 가속기 제어 시스템으로 연구개발 1차년도(2001)에는 20MeV 가속장치 개념 설계 및 상세설계를 통해 구체적인 상위제어

- 175 - 및 세부 제어시스템의 사양을 결정하였다. 그해 진공 제어 시스템을 개발완료 하였고 2,3차년도에 걸쳐 Timing(event) System, 고주파, 전원 냉각 등의 나머지 세부 제어장 치 시스템을 개발하였다.

나. 각 구성요소의 제어 시스템

다음은 가속장치의 구성성분에 대한 제어시스템을 개괄적으로 살펴본다.

(1) 상위제어

양성자 가속기 상위제어는 각 세부 가속장치 제어 시스템을 통합하여 운전실에서 일관성 있게 관리도록 위해 SUN sparc server에 통합 환경을 구축하였다. 구축된 상 위제어 시스템은 EDM (Editor Display Module)모듈을 이용하여 설계 및 개발되었으 며 운전 담당자가 네트웍을 통해 쉽게 접근가능 하도록 하였다. 제어그간 EPICS 개발 환경에서 사용하여 왔던 소프트웨어 모듈은 전세계 EPICS Commnuty에서 공동 개발 의 덕분으로 꾸준히 향상되어온 개발 모듈 중에 하나로 운전패널을 쉽게 설계 및 제작 할 수 있는 우수한 성능의 EPICS 기반 그래픽 개발 도구이다. EPICS Data Base인 Record의 Programming에는 APS에서 개발된 VDCT (Visual Database Configuration Tool)을 활용하였다. 그림 3-3-2-1에서 상위제어를 위한 개략도와 그림 3-3-2-2에서 실제 양성자 사업단의 상위 제어 Host server에 구축된 통합 제어 창을 볼수 있다.

그림 3-3-2-1. PEFP 상위제어 개념도.

- 176 - 그림 3-3-2-2. PEFP 상위 제어창.

(2) 진공 제어 시스템

양성자 진공제어장치는 EPICS 소프트웨어를 사용하여 Cryopump와 Turbopump, press gauge, Gate valve 그리고 Compressor를 제어하기 위한 목적이다. 모든 장치들은 IOC(Input Output Controller)와 serial 로 통신을 하고 있다. 그리고 gate valve와 Turbo pump는 별도의 embedded 제어장치를 개발하여 IOC와serial 통신 을 한다. IOC 하드웨어는 산업용 PC를 사용하여 구성 되었으며 운영체제는 Windows2K를 기반으로 하여 개발 되었다. 제어모델은 EPICS의 기본모델인 Client/Server 모델을 지향하며 Extension software는 Network이 연결되어 있다면 어 느 운영체제에서나 모니터링과 제어가 가능하다. Vacuum 장비는 저속 Serial 통신을 하는 장비들로 구성되었기 때문에 실시간 제어( Real time Control)보다는 Slow control이 적합하므로 운용상의 편리함과 소프트웨어의 개발 편의성을 위하여 산업용 컴퓨터를 사용하여 Windows2K 환경에서 개발 되었다. 구축된 진공제어 시스템의 세 부 모듈 및 IOC의 블록다이어그램과 장치 사진은 아래 그림 3-3-2-3에서 볼수 있다.

- 177 - 그림 3-3-2-3. 진공 제어 시스템 개념도와 장치 사진.

(3) 고주파 제어 시스템

양성자가속기의 고주파 장치에는 RFQ, DTL, High Power RF Circuit, Cooling System, RFQ Klystron 등이 있다. 이들 고주파 장치의 다양한 사양과 하드웨어 디바 이스 레벨의 독립적인 자체 실험 및 로컬 제어를 위해 임베디드 기술을 적용한 LLRF Controller 가 설치되며 이와 전체 양성자 제어시스템의 기본이 되는 VMEbus EPICS IOC 간의 통신에는 표준 필드 네트워크로 널리 사용되는 TCP Modbus를 사용하기로 결정하였다. 고주파 LLRF 시스템를 제어하기 위하여 Real Time OS인 VxWorks에 Motorola PowerPC인 Single Board Computer를 IOC CPU로 사용하며, 모드버스 통신 의 효율성을 높이기 위해 디지털 In/Output, Analog In/Output 신호처리 및 Ethernet 통신이 가능한 VMEbus 기반의 Data Acquisition Server Board를 개발 적용 시켰다. RF 모든 장치들은 LLRF IOC(Input Output controller)와 임베디드 LLRF와 Ethernet를 통한 TCP Modbus통신을 하고 있다. 그리고 Klystron 시스템 제어용 PLC(Program Logic Controller)를 통한 제어가 또한 별도의 Ethernet를 이용하여 IOC 의 전달된다. 물론 BPM데이터 또한 VMEbus를 통하여 IOC에서 처리하도록 되어 있 다. IOC 하드웨어는 VMEbus 기반의 SBS( Single Board Computer )를 사용하여 구 성되었으며, 운용체제는 RTOS인 VxWorks를 사용하였다. EPICS IOC를 개발하기 위 한 개발환경은 SUN W/S의 유닉스 운영체제에 VxWorks 개발환경인 Tornado와 PowerPC인 PPC604 EPICS IOC base가 인스톨되어 IOC 제어 응용프로그램이 개발되 도록 하였다. 또한 이 SUN W/S에 향후 제어 운영 및 실험을 위한 상위 OPI(Operation Programmable Interface) 인 EPICS Extensions가 또한 설치되어져 있

- 178 - 다. 아래 그림 3-3-2-4에서 LLRF IOC의 세부 모듈 구성도와 VME 기반 제어 시스템 의 장치 사진을 볼수 있다.

그림 3-3-2-4. LLRF 제어 시스템 개념도 및 장치 사진.

(4) Timing 시스템 (Event 시스템)

가속기에서 필요한 Event 신호와 Timing 신호를 만들어 내기 위하여 Event system 개발을 추진하였다. APS와 SLS에서 사용 중인 것을 모델로 하여 VMEBus를 이용하고자 하였다. 이 시스템은 소프트웨어 Event code를 발생시켜 record trigger용 으로 사용된다. Event system은 하드웨어적으로 Event Generator 와 Event Receive board로 구성되어 있다. Event system은 광케이블을 통해 서로가 연결 돠어 100MHz 의 Clock과 데이터를 Generator 에서 Event Slave로 전달한다. 또 Time stamp기능을 지원하기 때문에 NTP (Network Time Protocol)와 자체 하드웨어 카운터를 사용하여 각 IOC간 아주 정밀한 시간 동기를 이룰 수 있는 특징이 있다. Event System에서 제 공되는 않는 기능들은 별도의 하드웨어를 사용하여 Timing 신호로 사용 할 수 있다. 아래 그림 3-3-2-5는 본 사업단 event system 펄스 형태와 구성된 장치 사진이다.

- 179 - 그림 3-3-2-5. PEFP event system 펄스 형태 개념도 및 장치 사진.

(5) 전원장치 제어시스템

전원 장치에는 DAC, ADC, Digital I/O 신호를 처리해주는 접속카드가 있으며 접속 카드는 Intelligent 기능을 가지는 Embedded Controller에 의해 자체적으로 제어, 모니 터링 그리고 간단한 진단을 한다. 가속기 주위로 넓게 분산되어 있는 Embedded Controller들은 상위 제어 시스템과의 효과적 데이터 통신을 위한 Field Bus와 연결되 기 위해 Network 기능에 필요한 하드웨어 및 소프트웨어을 내장하고 있다. Field Bus 는 현재 국제 표준화 기구인 IEC, ISO에서 규격화 시키고 있으며 현장 특성에 따라 여러 개의 Field Bus가 통용되고 있는 실정이다. 최근 유럽의 BessyII, DESY, GEMINI에서 CAN (Controller Area Network) Field Bus를 채택하여 안정적으로 전원장치 제어시스템을 운전하고 있다. 특히 EPICS 제어 시스템과의 연동이 용이하도록 하드웨어 뿐 만 아니라 계층적 구조를 가지는 소프트웨 어 모듈을 개발하여 상위 EPICS의 DataBase인 Record와 연결을 시킨다. EPICS를 사 용하는 양성자 전원장치 제어에도 이와 같은 최근 기술 동향을 분석하고 적용시키는 제어 시스템의 개념을 추진하였다. 다음 그림 3-3-2-6은 통신 프로토콜을 CAN Bus를 사용하여 구성된 하드웨어의 대략도이다.

- 180 - 그림 3-3-2-6. CANbus 기반의 전원 제어 시스템 개념도.

(6) 냉각 장치 제어시스템

냉각 장치 제어 시스템의 목적은 냉각수 온도의 조절이며 운전자 및 장치 담당자 에게 규칙적으로 데이터를 제공함은 물론 필요한 Interlock 장치가 내장되도록 해야 한 다. 냉각장치 Data의 응답시간은 타 장치에 비하여 늦고 빔 운전에 적극적으로 사용되 지 않는 수동적 제어 장치가 대부분이다. 여기에 사용될 수 있는 제어 플랫폼으로는 사용하기 쉽고 다양한 소프트웨어 툴이 제공된 산업용 PC/Windows 시스템이나 열악 한 현장 환경에서 신뢰성 있는 PLC 시스템이 적합하다. 이렇게 디바이스 담당자가 독립적으로 운영되어도 상위의 EPICS 제어 시스템에 Data을 주기적으로 제공하기 위해서는 Field Bus, 즉 RS485, Ether_ModBus 등이을 이용될 수 있으나 제어 대상의 수량이 많은 냉각 장치의 비용 절감을 위해 냉각수 온 도, 유량, 압력 제어는 다채널 DI 및 AI LAN converter를 이용하여 냉각 IOCdp 신호 를 전송하는 방식을 채택하였다. 또한 냉각수 온도제어를 위한 PID 제어기의 신호는 Serial to LAN conveter를 사용하였다. 냉각 제어 시스템은 비교적 전송속도 느린 제 어시스템이므로 PC기반 IOC사용 하였다.

- 181 - (7) 빔진단 장치 제어 시스템

빔 위치, 위상 및 빔 전류를 측정하는 제어시스템으로 각각의 필요한 신호 사양을 정리하고 이를 기반으로 시그널 리스트를 완성하였다. 빔 위치 측정에 필요한 신호사 양과 위상 및 전류 측정에 필요한 신호사양이 상충하기 때문에 두 가지의 ADC 보드 를 선택하였다. 이 시스템 역시 VMEBus 기반이며 이들 ADC 보드들에 대한 드라이버 들의 개발이 수행되었다. 이 시스템은 아래 그림 3-3-2-7과 같은 하드웨어 구성을 가 진다.

그림 3-3-2-7. PEFP 빔진단 제어 시스템 하드웨어 개념도.

기술한 바와 같이 직접적인 세부 제어 시스템의 기본은 VMEBus를 이용하고 일부 PC/Windows나 PC/Linux를 사용하고자 하였다. VME의 콘트롤러로는 PowerPC 계열 의 MVME5110를 사용하였다. 고주파 제어계의 Modbus 통신을 위하여 Modbus/TCP 전용 VMEbus Multi Function Local server(MFLS32A), MFLS32A용 Signal Condition Units & Wiring Panel Module 가 선택되었으며 빔 진단 제어의 ADC 모듈 로는 상이한 사양을 만족시키기 위하여 VTR812/10와 AVME9325-5을 선택하였다. Event 시스템의 Generator와 Receiver로는 Micro Research 사의 EVG-110와 EVR-10 를 사용하며 전원 장치 제어에는 새로운 버스방식인 CAN Fieldbus를 적용하였다. EPICS에서의 세부 제어 장치 핵심 부분인 BASE Package는 OSI (Open System Interface)라는 Layer에 의해 Open 시스템으로 개발되어 세부 제어장치 장치 입출력 제어기는 실시간 운영VxWorks 뿐 아니라 Windows, Linux등 다양한 플랫폼에 설치 가능하도록 하었다. 또한 각종 Device를 EPICS 제어 시스템에 유기적으로 연결 시켜 주는 EPICS Device Support Module들도 세부 가속 장치 특성에 맞게 선택하여 제어 시스템 통합화가 용이하도록 하였다.

- 182 - 다. EPICS 기반 임베디드 제어 시스템

(1) EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)[81, 82]

양성자 가속장치로부터 생성되는 시그널은 무수히 많이 발생하며 발생된 많은 시 그널을 처리해야할 소프트웨어 구축에도 상당한 비용과 유지관리 측면도 많은 어려움 이 발생할 것이다. EPICS는 이러한 비용문제와 개발과정 그리고 유지관리에 따른 문 제점들을 보안하기 위한 측면에서 개발된 소프트웨어이며 현재 가속기를 개발하는 나 라에서는 EPICS를 사용하여 제어시스템을 구성하고 있으며 EPICS의 연구도 함께 계 속 진행되고 있다. 제어시스템에 사용되는 소프트웨어 EPICS는 사용자 측면에서 보았을 때 구현이 쉽 고 편리하며 그리고 유지보수가 간편하고 확정성과 이식성이 매우 뛰어난 소프트웨어 라는 큰 장점을 가지고 있다. 다양한 플렛폼으로 Linux, Windows, RTMES, VxWorks, Solaris등 다른 상용 OS에서도 사용이 가능하다. 사용자 인터페이스 개발도 기존 프로그램에 비해 시간과 비용을 충분히 절약할 수 있는 소프트웨어이다. 임베디드 장비의 MPC860 CPU에서 EPICS가 수행될 수 있도록 컴파일러를 구축하 고 크로스 컴파일을 거쳐서 실험장비의 MPC860 프로세서 보드에서 실행할 수 있도록 환경설정이 필요하다. 그리고 외부장치와 통신을 할 수 있도록 Record, Device, Driver 등 설계하는 과정을 거쳐야 한다.

(가) EPICS 기술

EPICS는 미국의 에너지성(DOE)에서 후원하여 Los Alamos 연구소를 주축으로 개 발된 제어 기술이며 그 본질은 대형 가속장치나 천문대와 같은 분산된 제어시스템을 효과적으로 구성할 수 있게하는 소프트웨어 도구들이다. 현재 미국을 중심으로 전 세 계의 많은 가속기 연구소가 EPICS를 선택하고 있으며 국내의 연구기관을 주축으로 협 력체제로 연구 개발하고 있다. Channel 수 즉 시그널 수가 적은 시스템에서부터 대형 물리실험장치, 산업체 응용 시스템에 이르기까지 적용될 수 있는 구조로 유연성과 확장성이 뛰어나다. 소프트웨어의 Code의 묶음과 Document는 개발에 참여하고 있는 연구소, 업체가 내 놓은 소프트웨어 Package 그리고 이를 잘 설명한 Document를 얻을 수 있다. 현재 APS Control Group에서 여러곳에서 개발한 것을 통합하고 있으며 마지막으로 공식적 인 소프트웨어를 배포하고 있다. EPICS는 거의 Full Source Code로 제공되며 어느 Lab에서나 최대한 사용할 수 있다. 그리고 현재 개발에 참여하고 있는 가속기 연구소

- 183 - 와 산업체로부터 협력을 얻을 수 있다. EPICS 개발에 참여하고 있는 연구소와 업체에 서 개발된 소프트웨어를 지속적으로 받을 수 있을 뿐 아니라 EPICS의 주요 컴포넌트 개발에 참여 할 수 있거나 아직 미진한 응용분야의 개발에 참여하여 EPICS 개발의 일 원이 될 수도 있다. Hardware Platform의 제어시스템은 상당히 안정적 구조와 제어 능력으로 잘 운영 되지만 늘어나는 제어 시그널의 증가에 대한 제어 시스템의 확장에 요구가 증대되고 자체로 만들어진 데이터베이스의 관리 한계로 인해서 가속기 데이터의 활용을 위한 Physics의 응용 프로그램의 다양한 개발에 한계를 드러내기 시작한다. 우선 시스템의 구조적인 측면에서 현재의 시스템은 물리적으로 3단계를 거쳐서 데 이터가 전달된다. 이로 인해서 데이터 응답시간도 길어질뿐더러 데이터의 끊김 현상도 많아지게 된다. EPICS 시스템에서는 이러한 구조를 하나로 통합관리 하여 모든 구성 체는 하나의 데이터베이스에서 자원을 분해한다. 따라서 응답시간 및 자원관리가 매우 체계적이다. 또한 데이터베이스 관리에서는 기존 시스템은 Data Process 단계와 Operator Interface 단계 모두에서 데이터를 관리하여 데이터의 중복관리가 되었다. 또 한 데이터베이스의 조회, 저장이 자유롭지 못하고 복잡한 과정을 거쳐서 처리하게 되 므로 시간 및 자원의 낭비가 심했다. 그러나 EPICS는 통합 데이터베이스 관리로 인한 자원관리의 효율성이 매우 높다. 또한 사용자들의 응용프로그램의 개발에 제한적 이였 으나, EPICS는 다양한 응용프로그램을 만들 수 있고, 또한 이미 약간의 수정만 하면 실제 응용프로그램에서 이용할 수 있는 것도 많다. 그리고 Network 측면에서 기존시 스템은 2개의 네트워크 계층을 가지는데 가속기 설비장치를 제어 또는 모니터링 하는 데 있어서 2계층의 네트워크를 통과해야 하기 때문에 데이터를 잃어버릴 확률이 그만 큼 높다고 하겠다.

(나) EPICS 구조

구조적으로 보면 EPICS는 분산 제어 시스템의 표준 모델을 제시해 준다. EPICS의 가장 기 본적인 것은 완전히 소프트웨어, Hardware Entity가 어느 층이든 간에 분산되어 있다. EPICS의 구조는 그림 3-3-3-8 에서 보는 바와 같이 하드웨어 계층(Hardware Layers), 소프트웨어 계층(Software Layers), 채널 액세스(Channel Access), Channel Access Server 데이터베이스(Database), Devices 계층으로 이뤄졌다.

- 184 - 그림 3-3-3-8. EPICS H/W & S/W Layers.

① 하드웨어 계층(Hardware Layers) EPICS는 3개의 물리적인 계층과 5개의 소프트웨어 계층을 가진다. IOC라고 불리는 물리적인 Front_end 계층이 있으며 이것은 전형적으로 VME/VXI Creates, CPU Boards, 그리고 I/O Board들로 구성된다. 아직은 CompactPCI, PC Platform에서는 많 이 제공되지 않고 있다. IEEE-488(GPIB), BitBus, CANbus, RS232/RS485과 같은 FiledBus들과 Ethernet, 몇몇 PLC Vendor Protocol이 지원 되고 있다. 물리적으로 Back-end 계층은 Popular SUN, HP사의 UNIX 워크스테이션이로 구성되어있다. 그리고 Linux, Windows가 수행되는 PC Platform도 가능하다. 그리고 물리적으로 Front-end층과 Back-end층은 Network층으로 연결되어 있으며 Ethernet, FDDI, ATM 그리고 Repeater, Bridge Media로 연결 될 수 있다. 여기서 사용되는 Protocol은 TCP/IP, Broadcast 와 Multicast 등으로 지원된다.

② 소프트웨어 계층(Software Layers) 소프트웨어 계층은 Client-Server라는 패러다임(Paradigm)을 가지고 출발 하였다. 클라이언트(Client)계층은 Workstation/PC 계층에서 수행되며 최상위의 소프트웨어 계 층을 나타낸다. 전형적인 클라이언트는 오퍼레이터 컨트롤 스크린들, 경보 패널들 그리 고 데이터 저장/복원 툴들이 여기에 속한다. 이러한 툴들은 단순한 텍스트 파일들 혹은 포인트 엔드 클릭 그림 툴로서 작성된다. 또한 Display Manager, Alarm Handler, Strip Chart, Mathmatica, PVWave Visualizer, TCL/Tk Graphical Script Language 등과 같은 툴들도 EPICS의 클라이언트들이다.

- 185 - ③채널 액세스(Channel Access) 모든 서버에 모든 클라이언트를 연결시키는 두 번째 소프트웨어 계층이 있는데 채 널 액세스라고 불리어 진다. EPICS의 백본인 채널 액세스는 클라이언트들과 서버들 사이의 TCP/IP 네트워크 상에 일어나는 상세한 것들을 감춘다. 또한 채널 액세스는 서로 다른 프로세서들과 심지어 EPICS 다른 버전들까지 수행하는 클라이언트, 서버들 사이에 굳건한 방화벽 역할을 수행한다. EPICS는 완전 분산되어 있고 정확한 구조로 되어 있기 때문에 모든 클라이언트와 서버는 네트워크 트래픽의 지연이 거의 없다.

④ Channel Access Server 세 번째 소프트웨어 계층은 서버이다. 모든 IOC에 내장된 Target CPU 에서 수행 된다.

⑤ 데이터베이스(Database) 네 번째 데이터베이스 계층은 실제로 EPICS의 중요한 부분이다. 호스트의 툴을 사 용하여 데이터베이스는 레코드라는 Function-block Object라는 항목으로 표시된다. 현 재 약 50 여개 존재하며 확장 될 수도 있다. 종류들을 보면 Analog Input/Output, Binary Input/Output, Building Histograms, Storing Waveforms, Moving Motors, Performing Calculations, Implementing PID Loops, Emulating Driving Timing Hardware, 그 외 Task등이 있다. EPICS 데이터베이스의 기본적인 엔티티(Entity)는 채널(Channel) 이다. 채널은 데이터베이스 안에 있는 레코드의 하나 혹은 여러 개의 속 성에 대한 기호이다. 레코드는 이름이외에 값, 최대/최저 한 개의 속성 가진다. 레코드 의 이름과 속성만으로 IOC의 서버에 접근 할 수 있다.

⑥ Devices 다섯 번째, Bottom 계층은 디바이스 드라이버 계층(Device Driver Layer)이다. 대개 빠르게 변하고 성장하는 Driver List는 VME / VMI Interface, Serial, Industry Packs 등이 제공되고 있으며 Driver는 C언어 로 구현되어 있으며 EPICS Collaborating Lab 은 Driver를 수집하여 모든 EPICS 파트너에게 나누어 주고 있다.

(다) EPICS 특징

EPICS의 주요한 특징은 표준화에 있다고 볼 수 있다. 모든 계층(Layer)에 표준화에 기반을 두고 있다. 이 구조는 Hardware Vendor들로부터 독립, No Assembly Code, 특 수한 명령어들로부터 독립, 새로운 실험장치들, Vendor Hardware가 지속적으로

- 186 - Upgrade 할 수 있는 능력을 갖추며 Seamless Performance 향상을 꾀할 수 있다. 그리 고 소프트웨어의 Penalty를 물지 않고 가격대 성능비를 유리하게 가져 갈 수 있는 것 이다. 꼭 필요한 운영체제(Operating System) 소프트웨어, Windows, UNIX, VxWorks 등은 구입하면서 EPICS 같은 Public-Domain 소프트웨어 사용이 강조되고 있으며 이 것은 유지보수비를 상당히 줄이는 효과를 가져 올 것이 예상된다. EPICS는 제어시스템 개발자가 가속기 머신에 맞는 제어시스템을 생성 할 수 있도 록 만들어 주는 소프트웨어 컴포넌트의 집합체이다. 또한 여러 개의 데이터 획득 버스 표준(Data Acquisition Bus Standard)에서도 Seamless Integration 할 수 있다. Local Controller와 Workstation 소프트웨어 개발 환경은 동일하게 구축 될 수 있다. EPICS 의 이러한 특징은 가속기와 같은 대형장치에서 각 가속장치들을 최종적으로 제어하기 위해 각각의 제어시스템의 통합까지 EPICS는 소프트웨어는 내부적인 큰 틀이 될 것이 며 국내외의 보다 많은 교류와 연구가 수행되어 안정적이며 효율적인 양성자 가속기 제어시스템을 구축 할 것이다.

(2) 임베디드 시스템[83]

본 연구에서 제안한 임베디드 제어시스템은 MPC860 개발보드로 가속기 장치의 일 부분인 진공장치에서 비교적 적은 시그널을 처리하는데 사용되며 다른 VMEbus 시스 템이나 UNIX 시스템에 비하여 가격이 저렴하고 소규모의 장비로 시리얼 통신만을 사 용하는 목적으로 장비로 다른 시스템과 비교하여 진공제어에 적합하여 개발 보드로 선 택하였다. 임베디드 시스템이란 컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어, 기타 추가적인 기계 장치 등으로 구성되어 특정한 기능을 수행하도록 설계된 시스템이다. PC의 경우는 어떤 특 정한 용도로 설계되지 않는다. 이를테면 사용자가 이를 네트웍 서버로 사용할지, 게임 전용으로 사용할지, 그냥 워드 프로세서용으로 사용할지는 알 수 없다. 그러나 임베디 드 시스템의 경우는 어떠한 특정한 목적으로 일을 수행하기 위해 설계되어 나온다. 이 것이 임베디드 시스템의 가장 큰 장점이다. 이러한 임베디드 시스템의 장점으로 외부장치와 결합하여 특정한 일을 반복적으로 수행할 수 있도록 설계한 독립장비로 구현하여 안정적인 제어시스템 구현이 가능하다. 다음은 임베디드 시스템의 특징에 대해서 설명한다.

- 187 - (가) 임베디드 시스템 특징

마이크로프로세서는 임베디스 시스템을 구성하는 가장 중요한 하드웨어 구성요소이 다. 메모리는 마이크로 프로세스 다음으로 중요한 하드웨어 구성요소이다. 메모리에는 RAM, ROM, Flash Memory 등이 있는데, 이들이 소프트웨어를 내장하고 있거나 소프 트웨어를 실행하는 공간을 마련해 준다. 수십 킬로바이트부터 수 메가바이트에 이르기 까지 임베디스 시스템에 탑재한 메모리 크기는 정말 다양하다. 본 실험에서는 16Mbyte의 SDRAM과 4Mbyte의 Flash Memory로 하드웨어를 구성하였다. 주변 장치로는 임베디스 시스템에서 입/출력을 담당하는 장치는 PC에서 일반적으 로 볼 수 있는 키보드와 마우스가 아니다. 입력장치는 센서나 버튼과 다이얼 등이 될 수 있다. 그리고 출력장치는 LCD, 사람목소리나 음악, 통신신호 등이 될 수 있다. 임베디스 시스템에 들어가는 소프트웨어는 개별적으로 동작하지 않는다. 일반 PC에 서 동작하는 소프트웨어는 여기저기 옮겨도 특별한 상황이 아닌 이상 잘 동작한다. 하 지만 임베디스 시스템을 위한 소프트웨어는 하드웨어와 밀접한 연관이 있기 때문에, CPU가 동일하더라도 환경이 조금만 달라지면 동작하지 않는다. 이는 비용을 줄이기 위해 임베디스 시스템의 하드웨어가 항상 최적화한 부품만 포함하고 있기 때문이다.

①가격 제어를 위해 임베디드 시스템을 선택한 이유는 다른 시스템에 비해서 가격이 저렴 하다는 특징을 포함하고 있다. PC는 현재 나온 최신 기술을 모두 적용하는 동시에 확 장성까지 고려해야 하므로 구매 당시에는 사용하지 않는 많은 기능을 넣으려고 한다. 반면, 임베디드 시스템은 시장에 대량으로 공급해야 하는 경우가 있으므로 가격에 상 당히 민감하다. 그렇기 때문에 꼭 필요한 기능 이외에 것은 모두 빼고 성능을 떨어뜨 리거나 기능을 일부러 단순하게 만들기도 한다.

②크기 제어시스템의 MPC860은 32비트 CPU를 탑재하고 있으므로 상당히 큰 소프트웨어 를 운영할 수 있다. 임베디드 소프트웨어는 일반적으로 크기가 아주 작다. 메모리 크기 는 임베디드 시스템에 탑재한 마이크로프로세서와도 연관이 있다. 8비트 CPU로 제어 할 수 있는 메모리 공간에는 한계가 있기 마련이다.

③ 안정성 임베디드 시스템은 예기치 않은 환경에서도 동작에 이상이 없어야 한다. 양성자 가 속기의 가장 중요한 부분으로 안정성을 기반으로 제어 시스템을 구축하는 것을 목표로

- 188 - 한다. 임베디드 시스템은 이러한 안정성을 최대한 보장하고 있는 시스템으로 설계되었 다.

④ 실시간성 안정성과 더불어 임베디드 시스템이 실시간성을 요구하는 경우도 있다. 양성자 가 속장치의 제어시스템은 실시간으로 데이터를 전송하고 어떠한 상황이 발생할 경우 장 치를 제어할 수 있는 시스템으로 구축되어야 한다. 작은 오차가 누적되면 큰 오차를 낳기 때문에 실시간으로 자료를 처리해야 한다.

⑤ 호환성 각기 다른 하드웨어를 지원해야 하므로, 인터럽트, DMA, I/O를 처리하는 최적화 코드를 사용하며, 속도와 크기를 위해 최적화한 어셈블리어를 사용해 이식 작업도 쉽 지 않다.

⑥ 특수성 임베디드 소프트웨어를 범용으로 만든 경우는 찾아보기 어렵다. 물론 상황에 따라 몇 가지 작업을 수행하게 작성할 수는 있지만, PC와 같이 다용도로 두루 사용할 수 있 는 소프트웨어를 만들지는 않는다. 특히 사람을 상대로 하는 시스템이 아닌 하드웨어 를 제어할 목적으로 만든 임베디드 시스템에서는 특수 작업을 위해 소프트웨어를 사용 하는 경향이 두드러진다.

⑦성능 임베디드 시스템은 주어진 하드웨어 성능을 최고로 이끌러내야 하므로, 높은 성능 을 발휘하게 작성해야 한다. 여기서 주의할 점 한가지는 성능이 좋다고 해서 소프트웨 어 자체가 무작정 빨라야 할 필요는 없다는 사실이다.

- 189 - 라. 양성자 가속기 진공제어시스템

여기서는 진공 시스템 제어를 중심으로 양성자 선형 가속기 제어에 대해 보다 구체적인 연구하였다.

(1) PC 기반 제어시스템(Linux운영체제)

양성자 가속기에서 빔을 가속시키는 가속장치는 진공상태를 유지해야 하고 진공상 태의 압력을 통해서 안정적으로 빔의 가속이 가능한지 판단할 수 있어야 한다. 진공상 태를 모니터링하고 제어를 하기 위해서 Linux운영체제인 PC 기반 제어 시스템을 구축 하였다.

(가) 진공제어시스템 구조

양성자 가속기의 진공장치에는 RFQ의 Cryopump, Turbo Pump, Press Gauge, Gate Valve, Compressor와 DTL Multi-Gauge, Turbo Pump등이 있다. 진공장치제어 를 위한 하드웨어는 그림 3-3-3-9에서 보는바와 같이 직접 시리얼통신과 원거리 동신 을 위해 Ethernet 통신을 병행하여 제어시스템을 구성하였다.

그림 3-3-3-9. 제어시스템 개략도.

- 190 - 진공 제어시스템은 산업용 PC와 응용프로그램으로 위에서 설명한 EPICS 소프트웨 어를 이용하여 개발하였다. Cryopump는 RS232 Port를 지원하기 때문에 IOC와 먼 거 리까지 연결되기 위해서 Signal Convertor를 사용하여 신호를 RS422방식으로 바꾸어 통신하였다. 통신프로토콜은 RS232C (4800 bps, 1 start, 8 data, 1 stop)를 이용하였다. 아래의 표 3-3-3-1 ,2 ,3에서는 기능별 명령어와 그 설명을 보여주고 있다.

표 3-3-3-1 Commands for setting up operating modes

명령어 설명

ROF Release RS232 Mode

RES Software Reset

표 3-3-3-2 Terminating the remote mode through the serial interface

명령어 설명

STB Stanby

PUM Pumping

FAR Fast regeneration

TOR Total regeneration

OFF Funktion OFF

표 3-3-3-3 Request for Status Information

명령어 설명

MOD Operating Mode

WAR Warnings

ERR Errors

STA Status

- 191 - Gate Valve와 Turbo Pump는 별도 개발된 임베디드 제어장치가 있어 IOC와 Serial 통신을 한다. 통신은 RS422 115Kbps 이며, Turbo Pump Control and Monitoring 은 4 Port, Gate Valve Control and Monitoring은 12 Port, External Interlock Port 16 Channel을 사용하고 있다. 시그널 컨버터는 진공장비가 지원하는 RS232 신호를 RS422 신호로 변환하여 IOC로 신호를 전달하는 장치이다. 필요에 따라 장비는 IOC와 멀리 떨어져 설치가 될 수 있다. 그러나 RS232 신호를 15m 이상 보내는 것은 보장이 되지 않기 때문에 RS422로 신호를 변환하는 등의 방법으로 설계하였다. RS422은 외부 노이 즈에 방어 능력이나 신호 전달능력이 RS232에 비해 매우 뛰어나기 때문에 산업용이나 가속기 현장에서는 거의 대부분 RS422를 적용하고 있다. 모든 장치들은 IOC(Input Output Controller)와 Serial로 통신을 하고 있다. Gauge Controller에 사용되는 모델은 COMBIVAC IT23/2T이며 아래 그림 3-3-3-10에서 볼 수 있듯이 하나의 Gauge에 2개 의 Sensor를 사용한다. IOC 하드웨어는 산업용 PC(표 3-3-3-4)를 사용하여 구성 되었으며 운영체제는 LINUX(Redhat9.0)를 기반으로 하였다. 제어모델은 EPICS의 기본모델인 Client/Server 모델로 하여 Network가 연결되어 있다면 Extension Software를 이용하여 어느 운영체 제에서나 모니터링과 제어가 가능하다.

GV_RFQ1 V1:High-vacuum gate valve

CP_RFQ1 CoolVac-First

V2:Forevacuum

Backing pump

그림 3-3-3-10. COOLVAC-FIRST의 설치 및 동작.

- 192 - 표 3-3-3-4. 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

EPICS에 의해 제어될 진공장치는 RFQ의 Cryopump 2개, Gate Valve 3개, Turbo Pump 2개, 그리고 Gauge 2개와 DTL의 Gauge 8개, Turbo Pump 8개 이다. 자세한 통 신 사양은 표 3-3-3-5에 기술되어 있다. 그림 3-3-3-11은 DTL 진공제어 시스템을 구 성한 사진이다. 진공 제어장치의 개발을 위해서 사용된 IOC와 Extension의 시스템은 산업용 PC를 사용하였다(그림 3-3-3-12). Multi-Drop 모드가 사용되는 시스템으로 하 나의 마스터에 여러 개의 슬레이브가 연결되어 마스터가 어떤 슬레이브와 통신을 할 것인지를 결정하고(Polling) 해당 슬레이브를 호출하면 호출된 슬레이브가 응답하는 체 제로 구성되어있다. PC에는 내장형 멀티포트 Multi -8(RS422)을 장착하였으며 Nport 와 TCP/IP를 이용하여 통신하도록 구성하였다. 표 3-3-3-6에 통신을 위해 채택된 Nport 장비 사양이 자세히 기술되어 있다.

3-3-3-11. 진공제어 시스템.

- 193 - 표 3-3-3-5. 진공장치 제어를 위한 통신 장비.

Device No 장비명 port 통신사양 비고 통신방법 4800,1stop, no 1 Cryo Pump-CoolVac First 3 RS232 RFQ parity 9600,1stop, no 2 Clyo Pump-SC 4 RS232 RFQ parity Turbo pump/Gate valve 115200,1stop, 3 5 RS232 RFQ Controller no parity 9600,1stop, no 4 Gauge 1(IT23) 6 RS232 RFQ parity 5 Gauge 2(IT23) 7 RS232 " RFQ 6 CoolPak-Compressor1 8 RS232 " RFQ 7 CoolPak-Compresser 2 9 RS232 " RFQ 115200,1stop, 8 TURBO PUMP 1600 10 RS232 RFQ no parity 9 TURBO PUMP 1600 11 RS232 " RFQ Ethernet to 10 Multi-Gauge 1-8 RS422 DTL serial Ethernet to 10 Turbo pump 15/16 RS422 DTL serial

그림 3-3-3-12. PC기반 진공제어 IOC.

- 194 - 표 3-3-3-6. 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), EN61000-4-4 0.5 KV Surge, EN61000-4-5 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 230.4 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

- 195 - (나) 상위제어 영역에서의 EPICS 환경

① Solaris 환경에서의 EPICS EPICS BASE R3.13.x 에서는 vxWorks 실시간 운영체제에서만 IOC (Input Output Controller)가 실행되었지만, EPICS BASE R3.14.0 부터는 다중 운영체제를 지원하는 구조로 바뀌었다. 양성자 가속기 제어 시스템에서는 제어 시스템의 안정성을 고려하여 EPICS를 Sun Solaris Workstation에 설치하여 개발 하였다.

② Solaris 운영체제에서의 EPICS 설정 EPICS가 처음 개발된 것은 Unix 환경에서부터였다. 그러므로 /config/CONFIG 파일에서 EPICS_BASE를 실제 디렉토리로 등록해 준 다음 원하는 생성 디렉터리로 가서 /bin/makeBaseApp.pl -t example example 을 실행하면 원하는 파일들이 만들어진다. 이를 make 실행하면 IOC Application을 만 들 수 있다.

③ Solaris 운영체제에서의 Extension 설정 EPICS EXTENSIONS 설치하려면, Extensions build config files (R3.13), Extensions build configure files (R3.14)를 먼저 compile 해주어야 한다. 이때에는 config와 configure 디렉터리 아래에 RELEASE 파일에서 사용하고 있는 BASE 경로를 설정해 주어야 한다. 예를 들면 BASE 경로가 /usr/local/epics/base 라고 한다면 EPICS_BASE=/usr/local/epics/base 라고 설정을 한 후 compile을 한다.

④ 양성자 가속기 제어 시스템에서 사용되는 Extensions 양성자 가속기 제어 시스템에서 사용 중인 Extensions tool에는 MEDM, EDM을 설 치하였다. Extensions 아래 디렉토리에 설치하면 된다.[84, 85] 간단히 이 tool에 대해 소개를 하면, User interface용 Graphic 프로그램을 작성할 때 사용하는 tool이다. 그림 3-3-3-13은 EDM, MEDM 화면을 보여준다.

- 196 - 그림 3-3-3-13. EDM, MEDM 화면.

EDM은 EPICS Display Manager의 예로써, 쌍방향 그래피컬 디스플레이 툴을 실행 하기 위한 것이다. Display Manager는 활동하는 화면들을 수집하여 관리하는 도구이 다. 이것은 새로운 화면을 생성하며, 화면을 수정하고 (그래픽, 텍스트, 미터, 슬라이드, 버튼, 플롯 등) alive 데이터 중에서 화면에 실행하기 위한 몇 가지 기능을 사용한다. (예, EPICS channel access) MEDM은 Mofif Ediotr and Display Manager를 의미한다. 이것은 제어 화면 설계 와 구현을 위한 GUI이며, EPICS 처리 변수 값들의 변화 그리고 이들 변수들을 화면에 나타내는 그래피컬 객체의 수집을 구성하는 디스플레이라고 부른다. 지원되는 객체들 은 버튼, 미터, 슬라이드, test displays/entires 그리고 그래프 등이 있다. 오퍼레이션의 두 모드는 EDIT와 EXECUTE모드이다. 디스플레이는 EDIT 모드에서 만들고 편집하 며, EXECUTE 모드에서는 실행한다. 이것 외에도 EPICS Extensions에는 ADT(Array Display Tool), AR(Data Archiver), Probe, HistTool,VDCT(Visual Database Configuration Tool) 등이 있다. 이 두 디스플레이 tool은 비슷한 기능을 가지지만, 보다 운영자가 이해하기 좋고 보기 좋은 장점이 있는 EDM tool을 사용하여 제어 시스템 interface를 만들었다. 그림 3-3-3-14와 그림 3-3-3-15는 EDM 및 MEDM으로 구성된 진공 모니터링 및 RFQ 및 DTL Turbo pump 제어창으로 가속장치에 설치되어 운영되고 있다.

- 197 - 그림 3-3-3-14. 진공 모니터링 제어창.

그림 3-3-3-15. 진공 제어창(Turbo pump).

- 198 - (2) 임베디드 기반 제어시스템

(가) 임베디드 기반 제어시스템 설계 및 구현

임베디드 기반 제어시스템을 구현하기 위한 과정으로 MPC860 프로세서 보드를 선 택하였고 하드웨어를 초기화하기 위한 BSP(Board Support Package)를 생성하였다. 운 영체제로 VxWorks을 사용하고 운영체제의 Kernel 이미지와 EPICS IOC 크로스컴파일 을 위한 도구로 Tarnado2.0/2.2를 기본 툴로 구성하였다. [86, 87] 그림 3-3-3-16, 17은 PC기반의 진공제어시스템의 환경을 임베디드 시스템 장비의 MPC860 프로세서 보드에 IOC를 설치한 후 진공장치에서 시그널을 받는 과정을 보여 준다. 3-3-3-18은 소형 임베디드 MPC860 프로세서 보드 사진이다. [88] 임베디드 제어시스템을 위한 보드에 RTOS(vxWorks)를 포팅하는 과정을 거쳐 RS232의 통신방식으로 구축된 진공장치의 Gauge로부터 시그널을 받아 들이기 위해 IOC를 구축하고 Device Driver를 설치하였다. PC기반 IOC 시스템은 CombivacIT23 Gauge에서 RS232로 출력되는 데이터는 컨버터를 통해서 RS422로 변환하였으나 임베 디드 시스템을 사용하는 과정에서는 진공 Gauge인 측정 장비의 Combivac IT23으로부 터 출력되는 RS232 시리얼 포트를 직접 임베디드 보드의 RS232(SMC2) Port에 연결 하여 Gauge와 IOC 간 통신이 이루어지도록 설치하였다.

그림 3-3-16. 임베디드 시스템 모니터링 환경.

- 199 - 그림 3-3-3-17. 임베디드 시스템 테스트 환경.

EPICS의 Extension중 MEDM을 이용하여 사용자 인터페이스를 구현하였다. 호스트 컴퓨터에서 IOC의 데이터를 확인하기위해 MEDM을 실행하여 진공장치의 시그널 값으 로 PV(Process Variable) NAME을 입력하여 간편하게 확인이 가능하다. LAN상에서 어느 곳에서나 확인이 가능하도록 임베디드 시스템은 Ethernet을 이용하여 데이터를 전송하도록 하였다.

그림 3-3-3-18. IOC Target Processor.

- 200 - (나) 개발 환경에서 BDM과 Boot Loader의 역할

BDM(Background Debug Mode)은 대부분의 임베디드 환경에서는 직접 디버그를 할 수 있는 환경을 제공하지 않는다. 그래서 BDM Port를 제공해서 밖에서 검사할 수 있는 표준적인 방법을 제공합니다. BDM 툴은 PC 프린터 포트와 타겟보드의 BDM 포 트와 연결되며, 추가적인 전원을 사용하지 않고, 타겟보드 BDM 포트 전원 사용, 타겟 보드 사양에 따라서 쉽게 변경할 수 있도록 디바이스 파일 사용, 플래시 메모리 지우 기(부트 섹터/삭제) 기능, 플래시 메모리 쓰기 기능, 메모리 레지스터 출력/수정 기능, 메모리(SDRAM) 테스트(Simple / Full) 기능, 메모리 출력/변경 기능, 타겟보드 리셋 기능 등을 가지고 있다. BDM은 MPC860이 탑재된 타겟보드와 10pin BDM Connector 로 연결되고, Host와는 Parallel Port로 연결된다. 타겟보드와 Host는 RS-232 케이블로 연결되어 문자 입출력을 하게 되고, BDM 은 Host에 설치되는 BDM용 소프트웨어를 통해서 타겟보드의 MPC860 레지스터 초기화 , 소스 레벨 디버깅 및 Flash Memory Fusing 기능 등을 지원한다. 그림 3-3-3-19는 MPC860이 탑재된 타겟보드의 내부구조 를 보여준다. 부트로더는 커널이 올바르게 수행되도록 미리 초기화 작업을 해주는 프로그램으로 서 이에 대해 다음과 같이 크게 세 가지로 나누어 볼 수 있다. 그림 3-3-3-20에서 Target Board의 부팅과정을 볼 수 있으며 실험의 테스트 보드의 Boot Loader는 테스 트 보드의 환경에 따라 매뉴얼을 보며 config.h, makefile, rominit.s의 프로그램에서 Base Address등 수정이 필요했다.

FLASH BootLoader CS0 (4MByte)

MPC860 CS1 50Mhz SDRAM vxWorks Kernel (16MByte) SMC1 SCC1

Application Program MAX232 MAX232

Serial Ethernet

그림 3-3-3-19. Target Board.

- 201 - 그림 3-3-3-20. Target Board 부팅과정

① 하드웨어 초기화 부트로더의 역할 중에 하나는 OS 커널이 타겟의 하드웨어 사양에 구해 받지 않도 록 미리 타켓의 하드웨어를 초기화 해주는 역할이다. 즉, OS 커널 코드로 진입하여 OS가 부팅하기 전에 미리 하드웨어를 초기화하는 작업을 부트로더에게 맡김으로써 OS 커널 입장에서는 하드웨어 초기화에 대한 부담을 덜 수 있다.

②커널 적재 및 부팅 부트로더는 VxWorks 커널을 타겟보드로 다운로드하여 적재한 뒤에 부팅 시키는 역할을 한다. 우선 커널 적재는 호스트에서 생성된 커널 이미지를 호스트로부터 타겟 보드로 가져오는 것을 의미한다. 즉, 시리얼 통신이나 USB, Network을 통해 호스트에 위치한 커널 이미지를 타겟보드로 다운로드하여 램이나 플래시 메모리와 같은 저장 장치에 적재하는 과정을 말한다. 커널 부팅은 적재된 커널 이미지를 부팅 시켜서 비로 소 운영체제가 동작 하도록 만드는 일련의 과정이다.

③ 명령 처리 기능 부트로더는 몇 가지 예약된 명령을 받아 그 명령을 처리하는 기능이 있다. 즉, 부트 로더의 프로그램은 마치 DOS 처럼 사용자 명령을 받아들일 수 있는 프롬프트를 열어 주고 사용자가 명령을 입력하여 원하는 작업을 처리해 주는 기능을 제공한다.

- 202 - (다) 임베디드 시스템 구축 및 VxWorks 포팅

그림 3-3-3-21에서 보는 바와 같이 양성자 가속기 진공제어를 위한 채택된 임베디 드 테스트용 메인보드는 PPC860 CPU를 내장하고 있다. 보드에 대한 자세한 사양은 표 3-3-3-7과 같다.

그림 3-3-3-21. Embedded Processor Board 1 & Architecture.

- 203 - 표 3-3-3-7. 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)를 포팅하고 부트로더 까지 모두 포 팅 시킨 후 그 위에 tornado2.0을 이용해 만들어진 VxWorks Kernel Image를 올리는 과정으로 실시하였다. Kernel 생성 단계에서 응용프로그램(IOC)의 실행환경에 따라 커 널을 생성하는데 주의를 기울어야 했다. BSP는 board를 초기화하며, Serial(RS232)과 Ethernet을 생성하여 Ethernet을 통해서 OS를 다운로드 받아 부팅 시키는 과정으로 진행이 된다. OS를 다 운로드하는 과정은 Host에 ftp 서버를 실행 후 사용자와 패스워드 그리고 Default Directory를 셋팅하여 Target Board의 Boot Parameter에 Host의 IP와 Download하려 는 파일의 Directory의 경로와 파일명을 기록하고 Software Reset 또는 Hardware Reset시 OS의 Kernel 이미지도 동시에 다운로드하도록 구현하였다. Kernel Image 생성에서 IOC의 실행환경에 알맞도록 가장 최적화된 이미지를 생성 하는데 많은 시간 동안 습득해야 했다. 위와 같은 방법으로 커널 이미지를 생성하고 다운로드하는 과정을 수행하였다.

②EPICS IOC 실행 base3.13.1~base3.13.8까지의 Version을 컴파일 후 IOC Example를 생성한 후 환경 설정에서 PPC860 Architecture로 설정하였고, 그리고 실행 Script 파일인 st.cmd를 Kernel 이미지 다운로드 과정과 같은 과정으로 다운로드하고 Startup Script에 IOC 실 행 파일 경로를 설정하여 Reset과 동시에 실행하도록 하였다.

- 204 - ③EPICS IOC(base3.14.* 이상)의 크로스 컴파일 IOC(base3.14.* 이상)은 Tornado2.2 컴파일러의 gcc 버전이 낮아서 컴파일이 불가 능하다고 추측하고 있지만 확실한 이유는 찾을 수가 없었다. IOC같은 경우는 다른 컴 파일러를 사용해도 가능하다. 대신 커널보다 낮은 것을 사용하는 것은 주의해야 할 것 이다. 커널이 핵심이고 커널 안에서 돌아가는 프로그램 이다보니 커널보다 높은 버전 으로 컴파일하면 에러가 발생하는 경우를 경험했다. VxWorks도 Tornado뿐만 아니라 다른 컴파일러가 있는 것으로 알려지고 있다. Tornado2.0/2.2는 컴파일러 뿐만 아니라 VxWorks 커널 이미지도 가지고 있어 사용자들이 쉽게 이용할 수 있도록 만들어둔 툴 이다. 양성자 가속기 진공제어를 위한 임베디드 테스트용 확장 보드 장비로 보드와 같은 CPU를 내장하고 시리얼과 이더넷 포트가 각각 추가되었다(그림 3-3-3-22). 보드에 대 한 자세한 사양은 표 3-3-3-8과 같다.

표 3-3-3-8. 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

- 205 - ④ Embedded(MPC860) Target Board 2에 VxWorks Kernel Porting ⑤EPICS IOC(base3.13.1~base3.13.8) 실행

그림 3-3-3-22. Embedded Processor Board 2 & Architecture.

- 206 - 임베디드 장비의 SMC1 Serial 포트는 DEBUG용(RS-232로 사용)으로 사용되며 외 부의 장치와 RS232통신을 하기위해서는 SMC2 Serial 통신포트(RS-232)를 확장한 MPC860 Board 2를 이용하였다. Tornado2.0/2.2의 커널이미지 생성과 IOC 컴파일이 서로 다른 환경에서 이뤄지는 이유는 VxWorks Kernel Image를 생성하는 Tornado2.0 의 gcc 컴파일러가 IOC 3.14.* 의 gcc 컴파일러의 버전보다 더 낮은 버전으로 컴파일 과정에서 에러가 발생하였다. 최신버전 gcc를 다운로드하여 컴파일러 링크하는 과정을 통해서 IOC의 크로스 컴파일을 가능하게 하였다. 아래의 그림 3-3-3-23은 임베디드 장비의 CPU의 Type에 알맞은 IOC 서버를 생성하는 과정과 그림 3-3-3-24는 타겟보 드의 Boot Parameters의 설정을 나타내고 있다.

그림 3-3-3-23. Example IOC App 생성.

그림 3-3-3-24. Boot Parameters.

- 207 - (라) 환결설정

컴파일러를 이용하여 IOC를 Cross-Compile하기위한 과정으로 Base의 환경설정 파 일을 수정하는 과정을 설명한다. 아래의 그림 3-3-3-25와 그림 3-3-3-26은 base3.13.8 의 수정과정으로 IOC 컴파일을 위한 컴파일러 지정과 컴파일러 위치를 지정하는 환경 설정 과정을 나타낸다.

그림 3-3-3-25. CONFIG-SITE 환경설정.

그림 3-3-3-26. CONFIG-Vx-ppc860 환경설정.

- 208 - 타겟보드가 Reset되면 Boot Parameters의 Startup Script는 아래의 IOC Script 파 일을 다운로드하여 IOC를 실행한다. 그림 3-3-3-27과 그림 3-3-3-28은 IOC를 크로스 컴파일하여 타겟보드에서 호스트에 TFTP로 접속하여 다운로드할 IOC 실행파일을 수 정한 부분이다. 두개의 파일 cdCommands, st.cmd은 Host의 Ftp서버에 설정한 디렉터 리에 위치시킨다.

그림 3-3-3-27. IOC 실행파일 링크.

그림 3-3-3-28. IOC 스크립트.

- 209 - 마. 임베디드 제어시스템 설계 및 성능시험

본 논문에서 제안한 임베디드 제어시스템은 MPC860 개발보드이며 다른 가속장치 에 비해 비교적 시그널이 적고 단순한 장치인 진공시스템을 구현을 위해 가격에서 저 렴하고 소규모의 장비로 구성되어 다루기에 편리하며 시리얼 통신을 기본으로 통신을 하기 때문에 다른 VMEbus 시스템이나 UNIX 시스템과 비교하여 진공장치에 사용하 기에 많은 장점을 가지고 있어 진공 제어시스템의 개발 보드로 선택하였다.

(1) 시스템 설계 및 제작

사용된 실험 장비의 CPU는 Motorola사의 MPC860SR-50Mhz 1개를 사용하고 있어 시그널을 리얼타임으로 처리하기에 적합하며, Main Memory로 VxWorks와 EPICS IOC를 실행할 수 있는 적합한 용량으로 16MByte SDRAM을 사용하여 설계되었다. ROM으로서는 동작속도 90ns을 제공하는 2M용량 2개를 사용하여4Mbyte Flash 용량 을 제공하여 BSP와 Application Program을 저장하여 사용할 수 있다. MPC860은 10Mbps Ethernet기능과 57600bps Serial Interface 기능을 제공하여 외부와 통신을 지 원한다. MPC860 CPU와 외부 Device간의 동기신호를 맞추기 위한 Clock Signal은 Clock Buffer를 사용하여 전체보드의 동기를 맞추고 있으며 전원은 5V를 사용하도록 설계되 었으며 단 CPU의 전원은 3.3V가 필요하기 때문에 3.3V Regulator를 사용하도록 되어 있다. 임베디드 시스템(MPC860)기반 진공 제어시스템의 Host는 Windows2k와 Linux RedHat9.0에 EPICS Extension이 설치하였다. 진공장치 Combivac IT23 Gauge는 Target Board(MPC860)과 Serial(RS2332)로 연결하였으며 SCC1(ethernet port)은 랜과 연결된다. 임베디드 시스템에는 IP를 셋팅하여 랜 통신을 기본으로 하였으며 Host의 컴퓨터에서 Extension MEDM을 이용하여 결과를 확인하도록 설치하였다. 임베디드 시 스템(MPC860)은 Reset과 동시에 Host의 Tornado를 이용해서 생성된 Kernel Image를 다운로드 하며 IOC Script 파일도 함께 다운로드하여 IOC를 실행되도록 설계하였다.

(2) 시스템 성능시험

최종적으로 PC기반 진공 제어시스템의 환경을 임베디드 기반 제어시스템의 환경으 로 구현하였다. 그리고 PPC860 CPU Type에 EPICS IOC를 크로스 컴파일하는 과정을 실험하였으며 시그널 리스트를 결정하고 시그널에 알맞은 레코드와 필드를 만들어 가

- 210 - 속장치의 시그널을 전달받아 결과를 확인하는 과정을 실험하였다. 실험을 위하여 임베디드 시스템은 가속장치의 Gauge와 시리얼 통신을 기본으로 구 현하였다. 임베디드 시스템에 EPICS IOC서버가 구축되어 있으며 외부 시그널은 IOC 의 드라이버 부분에서 데이터 레코드로 전달된다. 그림 3-3-3-29는 Gauge의 S1 시그널을 그림 3-3-3-30에서는 Gauge의 S1을 PC기 반으로 Gauge의 S2는 임베디드 기반 시스템에서 각각 데이터를 받아들여 Strip Tool 을 이용하여 실시간으로 데이터를 나타내고 있다.

그림 3-3-3-29. 임베디드 기반 GAUGE:aiMES 테스트.

그림 3-3-3-30. PC와 임베디드 기반 PVs 테스트 결과.

- 211 - EPICS의 처리속도는 사용자가 소프트웨어나 하드웨어를 어떻게 설계 하느냐에 따 라 빠르고 느릴 수도 있다. 표 3-3-3-9에서는 EPICS 응용프로그램이 하드웨어와 운 영체제에 따라 성능을 시험한 결과이다. 표 3-3-3-10에서 보는 바와 같이 임베디드 시스템에 PPC860 CPU을 내장한 제 어시스템에서 vxWorks 운영체제와 EPICS IOC의 응용프로그램을 설치하여 데이터의 처리량과 처리속도를 확인 할 수 있었다. 진공 Gauge는 기본적으로 S1, S2, ITR 이렇게 3가지의 출력 시그널을 가지고 있 다. 그림 3-3-3-29와 3-3-3-30의 그래프는 X축은 주기적인 시간을 나타내며, 레코드 파일 생성 시 사용자 또는 장치의 특징에 따라서 입출력 시간을 지정해 줄 수 있다. Y 축은 압력을 사용자 설정에 따라 Torr, mBar 단위로 값을 변환하여 실시간 값을 디스 플레이 하였다.

표 3-3-3-9. Benchmark performance.

Machine OS CPU Speed Rec/sec %CPU

MVME167 vxWorks 68040 33MHz 6000 50

MVME2306 vxWorks PPC604 300MHz 10000 10

MVME5100 vxWokrs PPC750 450MHz 40000 10

PC Linux PII 233MHz 10000 27

PC Linux P4 2.4GHz 50000 9

표 3-3-3-10. Data Processing Performance.

Performance PowerPC Over 10Mbit Ethernet

Propagation Delay 2ms Get Throughput 7.8K/sec

Propagation Delay 1ms Put Throughput 17K/sec

Propagation Delay Dependent Monitors Throughput 10K/sec

- 212 - 실험을 위하여 임베디드 시스템은 가속장치의 Gauge와 시리얼 통신을 기본으로 구 현하였다. 임베디드 시스템에 EPICS IOC서버가 구축되어 있으며 외부 시그널은 IOC 의 드라이버 부분에서 데이터 레코드로 전달하며 최종적으로 Extension MEDM의 인 터페이스에서 데이터를 처리하도록 환경을 구축하였다. PC기반 제어시스템의 외부 시그널을 받기위해 케이블 설치 및 많은 공간을 차지하 였던 부분을 임베디드 시스템의 구축으로 복잡하고 하나의 시그널에 하나의 케이블로 이뤄졌던 부분을 간편하게 설치할 수 있었으며 공간 활용에도 효율적으로 이용이 가능 하였다. 본 연구는 임베디드 장비에 운영체제로 VxWorks를 설치하고 EPICS IOC 응용프로 그램을 이용하여 가속장치의 제어시스템을 구현하는 과정을 시험하였다. 임베디드 제 어시스템의 데이터 흐름을 실시간으로 분석한 결과 PC기반 제어시스템의 결과와 비 교하였을 때 진공상태 변화의 값을 똑같이 확인이 가능하였으며 PC기반에서 진공상태 를 모니터링 할 수 있었던 환경을 임베디드 시스템을 기반으로 같은 환경을 구축할 수 있었다. 더 많은 시그널을 추가하였을 경우 처리 속도는 개발자의 역량에 따라서 PC보 다 빠를 수도 있고 PC보다 느릴 수도 있겠지만 일반 PC를 사용하였을 때는 하드디스 크의 손상, 오류 동작들이 임베디드 시스템에 비해서 많이 발생하며 보안상의 문제도 함께 가지고 있다는 점에서 임베디드 기반 제어시스템의 활용도가 높을 것으로 예상한 다. 본 연구를 통해서 임베디드 장비로 MPC860 Processor Board에 PC기반 제어 시스 템에서 구현이 가능했던 EPICS IOC를 구현할 수 있었으며 외부 장치에서 발생된 임 베디드 제어시스템과 EPICS IOC 응용프로그램을 통해서 데이터 확인이 가능하였다.

바. 결론

양성자 가속장치에 적합한 제어 시스템을 구축하는 과정으로 PC(Linux운영체제)와 임베디드 기반 제어시스템을 설계 및 구현하였다. 양성자 가속기는 많은 장치들의 결 합으로 이뤄졌으며 장치에서 발생하여 계측되는 시그널 또한 무수히 많이 존재한다. 이처럼 많고 복잡한 시그널을 처리하는 제어시스템을 하드웨어적으로 소프트웨어적으 로 보다 안정적인 시스템을 구축하기 위하여 다양한 프로세스와 하드웨어를 통하여 제 어시스템을 설계하였다.. EPICS는 외부장치와 통신을 위한 Base와 사용자 인터페이스를 위한 Extension으 로 구분된다. Base는 IOC Components의 구조로부터 시그널 처리를 단순화, 안정적으 로 기존의 3단계로 이루어진 시스템 구조를 2단계로 축소시켜 데이터를 처리한다. 현 재 가속관의 진공제어 시스템이 산업용 PC의 LINUX기반으로 구축되어 있으며 응용프

- 213 - 로그램을 설치하였으며 EPICS 환경에 적합하도록 운영체제를 개선하였다. 진공장치의 제어 및 통신은 주로 serial 통신을 사용하고 있어 제어가 가능한 거리 제한 및 다량의 통신선이 요구되는 단점을 멀티 채널 serial to ethernet을 채택하여 극복하였으며 Network기반의 원격 진공 모니터링 및 제어가 가능한 시스템을 구축할 수 있었다. 이 를 위해 EPICS 기반의 channel access 및 장치 드라이버 등의 IOC 소프트웨어를 개발 하였다. 현재는 개발된 IOC를 서브넷을 가진 호스트에서 Extension의 EDM, MEDM환 경을 구축하여 개발중인 양성자가속기 제어시스템에 적용하여 운전 실험 중에 있다. PC기반 진공제어 시스템을 임베디드 기반 제어시스템으로 재구성 하기위해서 저렴 하고 하드웨어적으로 최적화된 MPC860 프로세서 보드를 선택하였다. 실험과정은 임베 디드 시스템의 초기화를 위해 BSP를 생성하여 BDM를 통해서 메모리에 적재하는 과 정과 상용 운영체제인 VxWorks의 커널 이미지를 Tornado2.0을 이용해서 생성하였다. 그리고 tftp를 이용하여 타겟보드의 하드웨어와 소프트웨어 리셋과 동시에 VxWorks 이미지가 타겟 보드로 다운로드하여 실행할 수 있도록 하였으며, 그리고 BDM을 이용 하여 메모리에 적재하여 Reset과 동시에 커널이 바로 실행될 수 있도록 구현하였다. 가속장치와 통신하는 IOC서버도 프로세스에 의존적이기 때문에 IOC를 설치하는 단 계에서 임베디드 프로세스의 타입에 맞도록 수정하였으며, 타겟 보드의 환경에서 실행 을 위해 환경설정 파일을 Tornado 컴파일을 이용할 수 있도록 수정하여 크로스 컴파 일을 실행하였다. 임베디드 개발보드는 RS-232 통신만이 가능하기 때문에 최대한 받을 수 있는 시그 널은 하나의 Gauge에서 받을 수 있는 시그널로 제한되는 단점이 있다. 이 단점을 보안 하기 위해서 다양한 상용 OS가 아닌 Linux나 RTMES를 이용하여 PowerPC, CompactPCI, VMEbus System 등에 IOC 서버를 구축하는 과정을 연구하고 가속장치 의 제어시스템으로 개발되는 빔모니터, 전원장치, 냉각장치의 제어시스템에 적용하여 연구개발이 진행될 것이다.

- 214 - 제 4 장. 연구개발 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 z 연구개발 목표 달성도

연구개발 목표 달성도 (%)

중에너지 가속장치 설계 100 %

가속공동 제작 100 %

MEBT 설계 100 %

빔 에너지 측정 시스템 제작 100 %

z 관련 분야에의 기여도 y 100 MeV 가속공동의 물리설계를 끝냄에 따라, 100 MeV 양성자 빔을 사용자에 게 제공하기 위한 초석을 다졌다. 또한 가속공동을 DTL로 설계함으로써 기존의 20 MeV 가속장치 제작기술을 적절히 활용할 수 있게 된다. 이는 비용 측면에서 뿐만 아니라 새로운 기술개발에 드는 시간을 줄이는 효과가 있다. y 이러한 가속공동 설계 및 제작기술은 양성자 가속기 뿐만 아니라 중이온 가속 장치 개발에도 활용할 수 있기 때문에 향후 다양한 가속기를 순수 국내 기술로 개발할 수 있는 토대가 마련되었다. y MEBT의 물리설계를 완료함에 따라 20 MeV 양성자 빔을 인출하는 동시에 다 음에 오는 DTL 가속장치로 빔을 정합 입력시키는 역할을 수행할 수 있게 했다. 특히 MEBT을 세 개의 셀로 이루어진 두 개의 DTL 탱크를 사용함으로써 현재 확보하고 있는 가속공동 및 사극전자석 제작 기술을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. y 20 MeV 에너지를 측정할 수 있는 측정장비를 설계, 제작하였다. 이 기술을 확 장하면 100 MeV 에너지 측정에도 활용할 수 있다. 또한 이 장치에 쓰이는 pick-up은 빔 위치를 측정하기 위해 개발된 장비를 활용함으로써 개발 비용을 줄이는 효과가 있었다. 이러한 종류의 빔 진단 장비기술은 다양한 종류의 빔을 측정하는 데 활용할 수 있다.

- 215 - 제 5 장. 연구개발 결과의 활용계획 z 중 에너지 가속장치 설계 및 제작

양성자 기반공학기술개발사업단에서 개발 중인 “중 에너지 가속장치”인 DTL은 빔 전류가 20 mA인 양성자 빔을 20 MeV에서 100 MeV까지 가속시킬 수 있는 장치다. 60 MeV까지는 DTL이 가속 효율 등을 고려할 때 최적화된 장치다. 100 MeV까지도 DTL이 우선적인 선택이 될 것이다. 다만 100 MeV 이후까지 가속장치를 확장하는 경 우에는 초전도 가속공동과 같이 다른 종류의 가속공동을 사용하는 것이 보다 효율적일 것이다. 본 연구를 통해 100 MeV까지 DTL을 사용하는 경우에는 총 20 개의 DTL 탱 크와 5 대의 1MW 클라이스트론이 추가로 필요함을 보았다. 각 탱크의 공학설계기술 은 자체적으로 확보한 상태이고 제작기술도 국내 기업체와의 협력으로 확보한 상태다. 따라서 100 MeV 가속장치를 제작하기 위한 초석이 마련되었다는 의의가 있다. 표 5-1 은 100 MeV DTL의 기본사양을 보여준다.

표 5-1. 100 MeV DTL의 기본사양

탱크 길이 출력빔 에너지 탱크 길이 출력빔 에너지 셀 수 셀 수 번호 (m) (MeV) 번호 (m) (MeV)

1264.77 24.4 11 16 4.87 67.6

2244.82 29.2 12 15 4.69 71.5

3224.76 33.6 13 15 4.81 75.5

4214.83 38.1 14 15 4.92 79.5

5204.86 42.4 15 14 4.69 83.3

6194.84 46.7 16 14 4.79 87.1

7184.79 50.9 17 14 4.88 91.1

8184.97 55.1 18 14 4.98 95.1

9174.86 59.4 19 13 4.71 98.9

10 16 4.73 63.5 20 13 4.78 102.7

- 216 - 이렇게 결정되 기본 설계를 바탕으로 공학설계를 수행해야 한다. 여기에는 slug tuner, post-coupler, stem 효과에 의한 주파수 변화의 보정, 오차해석, 열 및 구조 해 석, 두 개의 섹션으로 나뉠 위치의 지정, 각종 포트가 들어갈 위치 지정, 냉각 설계 및 계산, RF 포트 등 각종 포트의 설계, 사극전자석 및 drift tube 설계, stem holder 등의 설계, end-plate 설계 등이 포함된다. 공학 설계가 완료되면 이를 바탕으로 탱크를 제 작할 수 있다. 표 5-2는 처음 네 개 탱크에 대한 공학 설계 결과를 보여준다. 현재 첫 번째 탱크가 제작되었다. 표 5-2. 공학설계 후의 DTL 탱크. 탱크 출력빔 에너지 셀 수 길이 (m) 탱크 직경 (cm) 번호 (MeV) 1264.77 24.74 2 24 4.83 29.45 54.7727 3 22 4.78 34.01 4 21 4.86 38.56 z MEBT 설계

사용자에 20 MeV 양성자 빔을 제공하기 위해서는 빔인출을 위한 bending magnet 이 가속기 사이에 설치되어야 한다. 따라서 다음에 오는 가속장치로의 정합 입력시키 는 것이 어려워진다. 20 MeV DTL 다음에 오는 MEBT 시스템을 3개의 셀로 이루어 진 두 개의 DTL 탱크를 구성함으로써 이런 목적을 만족시켜야 한다. 특히 MEBT용 DTL 탱크의 제작에는 현재 제작 중인 가속용 DTL 탱크와 같은 기술이 사용되므로, 새로운 기술적인 문제가 제기되지 않는다. 이러한 연구 결과로 20 MeV 빔을 제공하기 위한 장치의 공학설계 및 제작을 수행할 수 있게 되었다. 표 5-2은 MEBT에 사용될 DTL의 사양이다. drift tube 및 전자석의 사양은 DTL 2와 같다. 표 5-3. MEBT으로 사용될 DTL 탱크의 사양.

파라메터 값 탱크 길이 52.312 cm 셀 수 / 셀 길이 3 / 17.4085 cm gap 길이 3.5513 cm synchronous phase -90 도 RF power tank1: 25 kW / tank2: 15 kW 탱크 벽에 있는 전자석이 effective length 15 cm

- 217 - z 에너지 측정시스템 제작

TOF에 의한 빔 에너지 측정시스템은 빔 진단용으로 제작된 pick-up과 같은 두 개 의 pick-up을 통해 들어오는 신호의 위상차를 측정하고, 이로부터 양성자 빔의 에너지 를 결정하는 방식을 채택하였다. 양성자 빔의 에너지는 빔 전류 및 빔의 위상공간 상 의 모양과 함께 양성자 빔의 성질을 결정하는 중요한 파라메터다. 이 장치의 사용하면 현재 개발된 gas scattering 방식의 에너지 측정 시스템과 보완적으로 빔의 에너지를 측정할 수 있다. 이를 통해 사용자에게 보다 최적화된 빔을 제공하기 위한 기초 자료 를 수집할 수 있게 되었다. 표 5-4 은 TOF 방식에 의한 에너지 측정장치의 사양을 보 여준다. 표 5-4. TOF 에너지 측정장치의 사양.

파라메터 값

공진 주파수 350 MHz

정확도 < 1%

해상도(resolution) < 0.1%

빔 에너지 범위 3 ~ 100 MeV

- 218 - 제 6 장. 참고문헌

[1] 양성자기반공학기술개발사업단: http://www.komac.re.kr

[2] B.-H. Choi, "Proton Engineering Frontier Project", ICFA-HB 2004.

[3] I. M. Kapchinskii and V. A. Teplyakov, Prib, Tekh. Eksp. No. 2 (1970) p19.

[4] K. R. Crandall, et al., "RF Quadrupole Beam Dynamics Design Studies", LINAC

1979.

[5] K. R. Crandall, "Ending RFQ Vanetips with Quadrupole Symmetry", LINAC

1994.

[6] K. R. Crandall, "RFQ Radial Matching Sections and Fringe Fields", LINAC 1981.

[7] T. P. Wangler, "Principles of RF Linear Accelerators", JOHN WILEY & SONS,

INC., 1998.

[8] L. W. Alvarez, Phys. Rev. 70 (1964) 799.

[9] L. W. Alvarez, et al., Rev. Sci. Instrum. 26 (1955) 111.

[10] A. J. Davies, "Field Distributions on Alvarez Drift Tubes", MPS/Int. LIN 69-3,

1969.

[11] M. Bell, "Post-Stabilized Linear Accelerator Cavities", CERN/PS/DL/76-16,

1976.

[12] M. Bell, "On Stabilization of Linac Cavities", CERN/PS/DL 76-17, 1976.

[13] D. A. Swenson, et al., "Stabilization of the Drift Tube Linac by Operation in

the PI/2 Cavity mode", MP-3-3, 1967.

[14] S. Machida, et al., "Stabilizing Characteristics of Post-Couplers".

[15] T. Kato and S. Machida, "RF tuning of the KEK 40 MeV Proton Linac with

Post Coupler", KEK Preprint 86-13, 1986.

- 219 - [16] A. Aleksandrov, et al., "Commissioning Experiance for the SNS Linac",

ICFA-HB 2004.

[17] Y. Kondo, "Beam Dynamics and Commissioning of the J-PARC Linac",

ICFA-HB 2004.

[18] SNS project: http://www.sns.gov

[19] J-PARC project: http://j-parc.jp

[20] N. Holtkamp, "Status of the SNS Linac: an Overview", LINAC 2004.

[21] T. E. Mason, et al., "The Spallation Neutron Source: A Powerful Tool for

Materials Research", ICFA-HB 2004.

[22] Y. Yamazaki, "The JAERI-KEK Joint Project for the High-Intensity Proton

Accelerator, J-PARC", PAC 2003.

[23] T. Nagae, "The J-PARC Project", ICFA-HB 2004.

[24] J-M. Lagniel, et al., "IPHI, the SACLAY High-Intensity Proton Injector

Project", PAC 1997.

[25] R. Ferdinand and P.-Y. Beauvais, "The IPHI Project", ICFA-HB 2004.

[26] K. W. Shepard, "the RIA Driver Linac", LINAC 2002.

[27] W. F. Henning, "FAIR - an International Accelerator Facility for Research

with Ions and Antiprotons", EPAC 2004.

[28] S. E. Kopp, "The NuMI Neutrino Beam at Fermilab", ICFA-HB 2004.

[29] R. Garoby, "The SPL at CERN", ICFA-HB 2004.

[30] W.-T. Weng, et al., "The BNL Super Neutrino Beam Factory", ICFA-HB 2004.

[31] C. R. Prior, "High Intensity Proton Driver Studies at RAL", ICFA-HB 2004.

[32] S. Krishnagopal, "The Indian Proton Driver Project", ICFA-HB 2004.

[33] M. Popovic, et al., "Fermilab LINAC Injector, Revisited", PAC 1995.

- 220 - [34] D. E. Young, et al., "Low Energy Improvements to the FERMILAB 400-MeV

Linear Accelerator", PAC 2001.

[35] M. Popovic, "Fermilab Drift Tube Linac Revisited", Fermilab-TM-2245, 2004.

[36] R. E. Shaper, "LANSCE Overview", Snowmass M6 working group, 2004.

[37] F. Merrill and L. Rybarcyk, "Beam Dynamics Simulations of the LANSCE

Linac", LINAC 1998.

[38] D. Raparia, et al., "Comparison between Modelling and Measured Performance

of the BNL Linac", LINAC 1996.

[39] D. Raparia, et al., "Proposal for Reduction of Transverse Emittance of BNL 200

MeV Linac", LINAC 2004.

[40] V. Stipp, et al., "The ANL 50 MeV H- Injector - 35 Year Anniversary",

LINAC 1996.

[41] J. C. Dooling, et al., "The IPNS Accelerator 50 MeV and 500 MeV Transport

Lines", PAC 1997.

[42] J. C. Dooling, et al., "Beam Transmission and Emittance in the IPNS 50 MeV

Linac", PAC 2001.

[43] T. Kato, "Design and RF tuning of the KEK 49 MeV Proton Linear

Accelerator", KEK Preprint 86-5, 1986.

[44] Z. Igarashi, et al., "Beam Energy Stabilization of the KEK 40 MeV Proton

Linac", LINAC 2000.

[45] C. E. Hill, et al., "Present Performance of the CERN Proton Linac", LINAC

1998.

[46] M. Vretenar, "CERN Plans for High Intensity Proton Linacs".

[47] CERN hadron Linacs: http://linac2.home.cern.ch/linac2/default.htm

- 221 - [48] A. Feschenko, "INR Linac Diagnostics".

[49] S. K. Esin, et. al., "Commissioning of New Injector Line at INR Proton Linac",

PAC 1999.

[50] F. Gerigk, "A New 180 MeV H- Linac for Upgrades of ISIS", CARE-Conf-04-

002-HIPPI.

[51] F. Gerigk, "Parameters for a Normal Conducting 180 MeV Linac at RAL".

[52] S.K. Esin, "DESY Linac-III Upgrade Study", LINAC 1996.

[53] L. Criegee, et al., "The 50 MeV H- Linear Accelerator for HERA: LINAC3

Collaboration", Rev. Sci. Instrum. 62 (4), 1991.

[54] C.-M. Kleffner, "Operation of the Upgraded H- Injection System of the

LINAC3 at DESY", LINAC 1998.

[55] W. Barth, et. al., "Commissioning of IH-RFQ and IH-DTL for the GSI High

Current Linac", LINAC 2000.

[56] N. Angert, "Status and Development of the GSI Accelerator Facilities", EPAC

1996.

[57] W. Barth, et al., "Heavy Ion High Intensity Upgrade of the GSI UNILAC",

ICFA-HB 2004.

[58] R. E. Laxdal, "Separated Funtion Drift Tube Linac".

[59] R. E. Laxdal, et al., "Beam commissioning and First Operation of the ISAC

DTL at TRIUMF", PAC 2001.

[60] A. K. Mitra, "RF Measurement Summary of ISAC DTL Tanks and DTL

Bunchers", PAC 2001.

[61] Y. S. Cho, et al., "Upgrade Design of PEFP 3 MeV RFQ", APAC 2004.

[62] H. J. Kwon, et al., "Fabrication of the PEFP 3 MeV RFQ Upgrade", PAC 2005.

- 222 - [63] Y. S. Cho, et al., "Test Results of the PEFP 3 MeV RFQ Upgrade", PAC 2005.

[64] J. H. Jang, et al., "Beam Dynamics Study of a 20 MEV DTL for PEFP",

ICOPS 2003.

[65] Y. H. Kim, et al., "Design and Fabrication of PEFP drift tube quadrupole

magnet", APAC 2004.

[66] Y. H. Kim, et al., "Fabrication and Test fo the Drift Tubes for PEFP 20 MeV

DTL", PAC 2005.

[67] H. S. Kim, et. al., "Test Scheme Setup for the PEFP 20 MeV DTL", PAC

2005.

[68] M. Y. Park, et al., "Tuning of 20 MeV PEFP DTL", PAC 2005.

[69] H. S. Kim, et. al., "Initial Test of the PEFP 20 MeV DTL", PAC 2005.

[70] J. H. Jang, et. al., "Design of the PEFP MEBT", PAC 2005.

[71] J. Staples, et. al., "Design of the SNS MEBT", LINAC 2000.

[72] D. Oshatz, et. al., "Mechanical Design of the SNS MEBT", PAC 2001.

[73] T. Kato and S. Fu, "MEBT Design of the JHF 200 MeV Proton Linac",

LINAC 1998.

[74] J. H. Billen, et al., "Poisson / Superfish", LA-UR-96-1834.

[75] K. R. Crandall, et al., "TRACE 3-D Documentation", LA-UR-97-886.

[76] H. Takeda, et al., "Parmila", LA-UR-98-4478.

[77] R. E. Laxdal, "Suggested MEBT Optimization".

[78] D. Jeon, et al., "Transverse matching of MEBT to DTL tank1 using rms

emittance or rms beam size form DTL diagnostic plate", SNS/AP TECHNICAL

NOTE Number 09.

[79] S. Wang, et al., "Design of a Medium-Energy Beam-Transport Line with an

- 223 - Anti-Chopper for the JAERI/KEK Project".

[80] J. W. Staples, "RFQ/MEBT Physics Issues", SNS Front-End Systems, 2000.

[81] Experimental Physics Industrial Control System (EPICS):

http://www.aps.anl.gov/epics

[82] Marty Kraimer, “IOC Application Developer's Guide” 03 June 2004.

[83] John Catsoulis, "임베디드 하드웨어 이해와 설계" Aug, 2003.

[84] Kenneth Evans, Jr, “MEDM Reference Manual” May 2004.

[85] Philip Stanley, "EDD/DM USER'S MANUAL Version 2.4".

[86] WindRiver Systems Inc, vxWorks Programmer's Guide, Alameda,CA:

WindRiver Systems, Ins, 1999.

[87] WindRiver, Tornado2.2 "User's Guide windows version" 6 Aug, 2002.

[88] MOTOROLA "MPC860 PowerQUICCTM User's Manual" (mpc860 관련자료)

Jul. 1998.

- 224 - 서 지 정 보 양 식

위탁연구지원기관 수행기관보고서번호 표준보고서번호 INIS 주제코드 보고서번호 KAERI/RR-2576/2004 (PE-30000-RZ-P034) 제목/부제 중 에너지 가속장치 개발

연구책임자 및 부서명 장 지 호 (한국원자력연구소, 양성자기반공학기술개발사업)

권혁중, 김용환, 김한성, 박미영, 설경태, 송영기, 조용섭, 최현미, 한상효, 홍인 연 구 자 및 부 서 명 석 (한국원자력연구소, 양성자기반공학기술개발사업단) 출 판 지 대전 발행기관 KAERI 발행년 2005 페 이 지 224 p. 도 표 있음( O ), 없음( ) 크 기 21.0 x 29.7 Cm 참고사항 비밀여부 공개( O ), 대외비( ), __ 급비밀 보고서종류 연구보고서 연구수행기관 계약 번호 양성자기반공학기술개발사업단에서 제작 중인 양성자 선형가속기는 빔 전류 초록 (15-20줄내외) 20mA인 양성자 빔을 100 MeV까지 가속시킬 수 있는 장치다. 또한 20 MeV 및 100 MeV 양성자 빔을 사용자에게 제공하는 것이 또 다른 목표다.

본 과제는 기 개발된 20 MeV 양성자 가속장치의 설계 및 제작기술을 바탕으로 100 MeV 양성자 가속 장치의 설계, 가속공동 일부 제작, MEBT 설계, 빔 에너지 측정 장치 제작을 목적으로 한다. 100 MeV 가속장치는 총 20 개의 DTL 탱크로 구성되며 5개의 클라이스트론이 더 필요하다. 빔의 집속구조는 FFDD로 유지하지만 전자석은 hollow conductor를 사용하여 제작한다. 에너지가 높아짐에 따라 가속효 율이 떨어지는 DTL의 특성을 보완하기 위해 탱크에 들어가는 drift tube의 구조를 변경하였다. 대표적 인 예가 face angle로서 40도에서 시작한다. 또한 빔 손실을 고려해서 빔이 지나가는 관의 반경을 10 mm로 결정하였다. 이러한 설계를 통해 100 MeV 양성자 빔을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 stem, slug tuner, post coupler를 고려한 탱크 설계 변경, 오차분석, 열 및 구조해석, drift tube 설계, 사극전자석 설계, stem 설계, 가속 포트 설계, 지지구조 설계, end-plate 설계 등의 공학 설 계를 거친 후 첫 번째 DTL 탱크를 제작하였다. 20 MeV 양성자 빔을 제공하기 위해서는 빔 인출시스 템이 가속장치 사이에 들어가야 한다. 이는 빔 인출 장치 안에서의 빔의 크기조절 및 다음에 오는 가 속장치로의 정합입력이라는 문제를 발생시킨다. 이 문제를 해결하기 위해서 세 개의 셀로 이루어진 두 개의 DTL 탱크로 구성된 MEBT을 설계하였다. 첫 번째 탱크는 빔의 크기 조절용이고 두 번째 탱크는 연직방향의 정합입력용이다. 두 탱크에 들어가는 RF는 빔 방향의 정합에 사용된다. 또한 time-of-flight방식을 이용해 20 MeV 양성자 빔의 에너지를 측정하기 위한 장치를 개발하였다.

주제명키워드 PEFT, 양성자, 선형가속기, DTL, 중 에너지 가속기, MEBT, 빔 정합, 빔 인 (10단어내외) 출, 사극 전자석, hallow conductor, 빔 에너지 측정장치, time-of-flight BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET Performing Org. Sponsoring Org. Standard Report No. INIS Subject Code Report No. Report No. KAERI/RR-2576/2004

(PE-30000-RZ-P034) Titl / Development of the Medium Energy Linac systems Subtitle Project Manager Ji-ho Jang (KAERI, Proton Engineering Frontier Project) and Department H. J. Kwon, Y. H. Kim, H. S. Kim, M. Y. Park, K. T. Seol, Y. G. Song, Researcher and Y. Department S. Cho, H. M. Choi, S. H. Han, I. S. Hong (KAERI, PEFP) Publication Publication Daejeon Publisher KAERI 2005 Place Date Page 224 p. Ill. & Tab. Yes( O ), No ( ) Size 21.0 x 29.7 Cm

Note Open( O ), Restricted( ), Report Classified ___ Class Document Type Performing Contract No. Organization The main purposes of the proton engineering frontier project is developing a Abstract proton linac which accelerates 20 mA proton beams up to 100 MeV and (15-20 Lines) supplying 20 MeV and 100 MeV proton beams to the user groups. The project "Development of the medium energy linac systems" is aiming to design the 100 MeV proton linac, to construct an accelerating cavity, to design a MEBT system, and to develop a energy measurement system. The 100 MeV linac consists of 20 DTL tanks which are operated by five additional klystrons. The focusing lattice is FFDD as the 20 MeV DTL. However the hollow conductors are used for coils of the quadrupole magnets. The shape of the drift tubes in the new tanks is changed to compensate the reduction of the accelerating efficiency in the high energy region. For example, the face angle of drift tubes begins at 40 degrees. The bore radius is selected as 10 mm in order to eliminate beam loss in the beam line. We can obtain the 100 MeV proton beams by using these accelerating structure. We have designed some of the tanks in detail. It covers the modification of the structure by including the stem, post-coupler, and sulg-tuner effects, the error analysis, the thermal and structure analysis, the drift tube design, the magnet design, the various ports design, the support structure design, the end-plate design, etc. Now the first DTL tank is constructed by a local company. An beam extraction system is essential after 20 MeV DTL in order to supply 20 MeV proton beams. Since there are no focusing elements in the structure, the beam should be spread out. The MEBT which consists of two 3-cell DTL tanks is designed to control the beam size in the beam extraction system by magnets in the first tank and to transversely match the beam into the next DTL by magnets in the the second tank. The longitudinal matching is done by the RF in both tanks. We have also developed an energy measurement system using the time of flight method. PEFP, Proton, Linac, DTL, Medium-Energy Accelerator, MEBT, Matching, Subject Keywords Quadrupole Magnet, Hollow Conductor, Energy Measurement, (About 10 words) Time-Of-Flight 주 의 1. 이 보고서는 과학기술부에서 시행한 원자력연구개발사업의 연구 보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 과학기술부에서 시행한 원자력연구개발사업의 연구결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가 과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는 공개 하여서는 아니됩니다.