[논문]전자가속기 빔 집속 향상을 위한 솔레노이드 전자석 설계

안진남; 신승욱; 남궁호; 채종서

문제 정의

가속기의 집속향상을 위해서 선행된 연구에서 얻은 자속밀도 값인 1600G 를 형성하며 효율을 최대로 하기 위하여 소모전력이 가장 작은 솔레노이드 전자석을 설계하는 것이 목표였다. AWG 규격에 따라 적당한 굵기의 도선과 축방향, 반경방향 권선수와 인가전류를 설계변수 삼고 최적의 조건을 찾는 연구를 수행하였다.
따라서 본 논문에서는 전자가속기와 상용에 공한 전자석을 이용하여 전자를 가속시켜 더 많은 부가가치를 생산해낼 수 있도록 전자빔의 특성을 향상시키는 연구를 진행하였다.
본 논문의 목적은 1600G 의 최대 자속밀도 갖는 공심 솔레노이드 전자석이 최소한의 전력소모를 하도록 권선의 굵기와 권선 수를 조정하여 설계하는데 있다. 또한 전자석 시뮬레이션 프로그램인 CST EM STUDIO 와 Opera.

가설 설정

설정한다. 솔레노이드의 내부 공간은 이상적 투자율을 가진 진공으로 가정하며 모양은 원통형 솔레노이드에 내반경 2.5cm 설정하며 사용되는 코일의 직경은 미국전선 규격인 AWG(American wire gauge)를 따르며 Table.1 과 같다.

제안 방법

소모전력이 가장 작은 솔레노이드 전자석을 설계하는 것이 목표였다. AWG 규격에 따라 적당한 굵기의 도선과 축방향, 반경방향 권선수와 인가전류를 설계변수 삼고 최적의 조건을 찾는 연구를 수행하였다. 이러한 변수들의 최적의 조합을 구하기 위하여 자속밀도를 나타내는 식과 저항을 나타내는 식을 설계변수에 관한 식으로 나타내고 프로그램을 이용하여 계산하고 이 중 가장 적절하다고 판단되는 값을 구하여 모델링 한 결과반경 방향으로 12번, 축방향으로 22번 권선을 감고 64A 의 전류를 인가해준 솔레노이드가 최저전력을 소비하는 조건이었고 그 값은 427W 였다.

데이터처리

또한 전자석 시뮬레이션 프로그램인 CST EM STUDIO 와 Opera.TOSCA 프로그램을 이용하여 모델링 시뮬레이션을 진행해 설계된 전자석 설계를 검증하였다.
이러한 변수들의 최적의 조합을 구하기 위하여 자속밀도를 나타내는 식과 저항을 나타내는 식을 설계변수에 관한 식으로 나타내고 프로그램을 이용하여 계산하고 이 중 가장 적절하다고 판단되는 값을 구하여 모델링 한 결과반경 방향으로 12번, 축방향으로 22번 권선을 감고 64A 의 전류를 인가해준 솔레노이드가 최저전력을 소비하는 조건이었고 그 값은 427W 였다. 또한 이러한 설계가 적합한지 알아보기 위하여 CST EM STUDIO 와 TOSCA 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 후 두 값을 비교하여 오차를 비교하였고 적합함을 확인하였다.

성능/효과

이 결과를 Opera.TOSCA 와 CST EM STUDIO 를 통하여 실제 시뮬레이션을 해보고 중앙에서 각각 자속밀도 최댓값인 1601.337G 와 1603.3G 을 갖는 모습을 관찰할 수 있다. 여기서 구한 위치에 따른 자속밀도의 분포의 차이를 나타낸 그래프는 Fig.
[6] 그러나 자기장의 세기가 너무 큰 경우과 집속되어 오히려 전자빔의 크기가 커지게 되는 현상이 발생한다. 따라서 적당한 크기의 자속을 갖게 하는데 이미 본 연구에서 사용된 전자가속기의 전자빔의 경우 이미 다른 연구를 통해 중심에서 1600G 가 나오는 전자석이 사용되었을 경우 최적의 빔을 발생할 수 있다는 것을 알고 있다. Fig.
과 같다. 이 결과를 분석해본 결과 직경은 AWG#6 이고 전류는 64A 가 흐르고 반경방향으로 12번 축방향으로 22번 권선을 감았을 때 최저전력소모하며 그 값은 427W 와 같다.
AWG 규격에 따라 적당한 굵기의 도선과 축방향, 반경방향 권선수와 인가전류를 설계변수 삼고 최적의 조건을 찾는 연구를 수행하였다. 이러한 변수들의 최적의 조합을 구하기 위하여 자속밀도를 나타내는 식과 저항을 나타내는 식을 설계변수에 관한 식으로 나타내고 프로그램을 이용하여 계산하고 이 중 가장 적절하다고 판단되는 값을 구하여 모델링 한 결과반경 방향으로 12번, 축방향으로 22번 권선을 감고 64A 의 전류를 인가해준 솔레노이드가 최저전력을 소비하는 조건이었고 그 값은 427W 였다. 또한 이러한 설계가 적합한지 알아보기 위하여 CST EM STUDIO 와 TOSCA 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 후 두 값을 비교하여 오차를 비교하였고 적합함을 확인하였다.

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