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문제 정의
- 한편, KAONICS 구조는 그림 1과 같이 외부는 진공 용기인 Cryostat, 그리고 내부는 광학계, 필터 휠, 검출기 등을 포함하는 Cold-Box로 크게 나눌 수 있다. 따라서 우리는 KAONICS의 광학계와 필터 휠, 검출기 등을 진공용기 안의 Cold-Box 안에 넣어 단열하기로 하고, 광학계 정렬의 용이함과 장치의 소형화를 목적으로 직육면체의 Cryostat를 제작하기로 했다. 이러한 KAONICS 냉각시스템 개발의 선행 연구로 서, 첫째, 카메라 외부에서 발생되는 배경복사량 계산을 통해 카메라의 냉각 목표온도를 결정하고, 둘째, 카메라의 내부로 유입되는 열용량을 계산하여 KAONICS에 적절한 냉각기를 선택하였다.
- 카메라 내부의 온도 조건은 크게 필터 투과 전교투과 후로 나누어지는데, 필터 투과 후에 해당하는 detector baffle 검출기와 직접 접촉하므로 검출기 작동 온도(표 1 참조)인 30K로 냉각한다. 필터 투과 전의 영역에 포함되는 나머지 구성 요소들의 온도는 본 연구의 목적 중 하나로서 아래의 계산 과정을 통해 도출한다. 이 때, 카메라 외부와 내부의 온도는 각각 자체적으로 등온 상태인 것으로 가정하였다.
가설 설정
- 후로 구분)의 열적복사를 고려하였다. 이 때, 외부 잡광 및 내부 산란광은 완전히 차단하거나 흡수한다고 가정하였다.
- 망원경 주경과 부경, vacuum window의 열적 복사량 계산의 기준이 되는 카메라 외부 온도는 소백산 천문대의 기온과 같다고 가정하였으며, 크게 겨울과 여름으로 나누어 1월은 평균 영하 10°, 7월은 평균 영상 20°를 적용하였다(심경진과 한원용 1982). 대기의 열적복사의 가장 중요한 원천인 수 증기의 대기권 전체에 대한 유효 온도는 지표면에 비해서 20° 정도 낮은 것으로 알려져 있다(McL&m 1997).
- 대기의 열적복사의 가장 중요한 원천인 수 증기의 대기권 전체에 대한 유효 온도는 지표면에 비해서 20° 정도 낮은 것으로 알려져 있다(McL&m 1997). 본 연구에서는 소백산 천문대의 고도(1.4km; http://www.kao.re.kr/~sobaek 참조)와 대류권 내의 수직 온도 변화율(-6.5°/km; 민경덕 외 1999)을 감안하여, 대기권 전체의 유효 온도를 소백산 천문대에서 측정한 기온에 비해 10°낮은 것으로 가정하였다.
- 필터 투과 전의 영역에 포함되는 나머지 구성 요소들의 온도는 본 연구의 목적 중 하나로서 아래의 계산 과정을 통해 도출한다. 이 때, 카메라 외부와 내부의 온도는 각각 자체적으로 등온 상태인 것으로 가정하였다.
- 300K의 대기로부터 입사창을 통해 Cold-Box에 유입하는 열량의 경우, 입사창에 사용되는 적외선 소재는 일부 파장대만 투과하며 투과하지 않는 파장에 대해서는 입사창 자신이 열로서 방출한다. 따라서 모든 파장에 대해 고온 측의 방사율을 1로 가정하였다. 입사창으로의 열 유입량을 계산하기위해, 표 3과 같이 가정하고, 식(3)을 이용하여 계산한 결과, 입사창으로부터의 열 유입량, Qw = 2.
- S는 Conduction shape factor로서 A(x)/△x로 정의되며, 우리의 경우는 1차원 평면에 대해 계산하기 때문에 A(x)는 일정한 상수 A, △x는 물체의 두께라 가정하였다. ki는 열전도율로써 Kcopper = 385.
- Cold-Box 내부 물질들의 물 리량은 표 10과 같고, 알루미늄과 구리의 비열과 열전도율은 온도에 의해 변하지만 본 논문에서는 상온의 값을 사용하였다. 열전달을 위한 구리 편조선의 세부사항은 표 11에 제시되어 있으며, lm를 3~4개로 나누어 사용한다고 가정하여 질량이 763g인 등가의 사각형 박스를 고려하였다. 길이는 3개로 나눈다고 가정하면, 약 330mm 정도 되지만 접촉면을 고려하여 약 150mm로 설정하였다.
- 열전달을 위한 구리 편조선의 세부사항은 표 11에 제시되어 있으며, lm를 3~4개로 나누어 사용한다고 가정하여 질량이 763g인 등가의 사각형 박스를 고려하였다. 길이는 3개로 나눈다고 가정하면, 약 330mm 정도 되지만 접촉면을 고려하여 약 150mm로 설정하였다. 구리를 기준으로 길이는 150mm, 단면적은 24mmX24mm = 0.
- 그림 7의 각 지점별 냉각 시간계산 결과. (a) 기준 편조선을 사용할 경우 (b) 편조선의 양이 2배일 경우 (c) 편조선의 양이 4배일 경우.
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