포항방사광가속기연구소 - Storage-Ring Beam Size Monitor

Author(s):
최효진 선임연구원 - 포항방사광가속기연구소

Industry:
Electronics

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
전자빔의 떨림과 Beam Size는 이중슬릿에 의한 회절된 빔의 간섭현상(Interference)을 CCD로 촬영한 후 Image Processing을 통해 High Intensity Position 좌표 움직임과 간섭된 빔의 극대-극소 값을 이용한 연산처리를 통해 알아 낼 수 있다.

The Solution:
전자빔의 떨림과 Beam Size는 이중슬릿에 의한 회절된 빔의 간섭현상(Interference)을 CCD로 촬영한 후 Image Processing을 통해 High Intensity Position 좌표 움직임과 간섭된 빔의 극대-극소 값을 이용한 연산처리를 통해 알아 낼 수 있다.

요약
포항방사광가속기연구소 저장링(storage ring)을 돌고있는 전자빔(electron bunch)의 Size가 작고 떨림이 적을수록 우수한 품질의 고휘도(high brightness)의 방사광(photon)을 실험자에게 제공하여 좋은 연구결과를 얻을 수 있다. 전자빔의 떨림과 Beam Size는 이중슬릿에 의한 회절된 빔의 간섭현상(Interference)을 CCD로 촬영한 후 Image Processing을 통해 High Intensity Position 좌표 움직임과 간섭된 빔의 극대-극소 값을 이용한 연산처리를 통해 알아 낼 수 있다. 이것은 멀리 떨어진 행성의 크기를 측정하는 공간 일관성(Spatial Coherence)과 같은 원리이다.

개발배경
담당부서에서 외주용역을 주려고 두 달 이상 업체를 찾아보며 설명하였으나 CCD를 이용한 Image Processing을 아는 업체가 나타나지 않아 진척이 없어 고민하던 중, 본인이 LabVIEW를 이용하여 Tomography 프로그램을 작성하고 있다는 이야기를 듣고 도움을 요청했다. 두 달 이상 외주용역 업체를 찾을 수 없었다는 이야기에, 대단히 복잡하고 어려운 Image Processing 작업일 것으로 생각했지만, 막상 담당자의 설명을 들어보니 Beam Size를 Monitor하기 위해서는 고등학교 수준의 물리 상식과 간단한 연산처리 식이었다. 이정도는 LabVIEW와 NI-Vision 프로그램을 사용하면 간단히 해결될 수 있는 것이었다. 프로그램을 작성하기 위해 (1) 이미 구축되어 있는 Beam Size Monitor System 구성을 검토한 후 (2) 담당자로부터 연산처리에 필요한 입출력 Parameter의 의미와 공식을 설명 듣고 (3) 담당부서에서 원하는 Display 화면구성 방안을 논의한 후 프로그램 작업을 하였는데, Programming 작업을 포함한 모든 것을 단 하루만에 완료했다.
두 달 동안 외주용역 업체를 찾을 수 없었던 작업을 단 하루만에 할 수 있었던 것은, NI사의 IMAQ Advanced Vision 프로그램이 기본적으로 필요한 다양한 Image Processing 기능을 제공하고 있기 때문이다. 담당부서는 프로그램 외주용역비로 300만원을 생각했다고 하니, NI사의 IMAQ Advanced Vision 프로그램을 이용함으로서 간단히 비용절감이 된 셈이다. 아직도 CCD Vision의 활용방법과 NI사의 IMAQ Advanced Vision 프로그램의 다양한 기능을 모르는 업체가 많은 것 같다.

본론
1. Beam Size Monitor System 구성
Beam Size를 측정하기 위한 Monitor System 구성과 사용된 Software를 아래 그림에 보였다. Beam Size 측정 원리인 [회절현상을 이영한 중첩원리] 즉 간섭현상 원리를 소개하는 그림도 함께 첨부하였다. (Fundamentals of Physics, Halliday.Resnick.Walker, John wiley & Sons, Inc.)

2. 연산처리 입출력 Parameter와 공식
빔 위치의 변화는 PBPM (Photon Beam Position Monitor)을 이용해 왔지만 (이것도 LabVIEW 프로그램과 NI ADC Board를 이용하여 작성되었다.), 보다 직접적이고 확실하게 시각적으로 빔 사이즈 변화와 빔 위치 변화를 관찰할 수 있게 된다.

3. Display 화면 구성
CCD 영상을 8bit Array type으로 변환한 후 담당자가 SUM, Average, Background 제거를 선택할 수 있도록 하였고, Cursor Legend를 이용하여 선택한 지점의 X축과 Y축 단면상태를 별도의 창에 보이도록 하였다. 시간 경과에 따른 Beam Size의 변화를 확인할 수 있도록 Waveform Chart에 보이도록 하였다.

저장링의 Beam Current Monitor는 다른 컴퓨터에서 처리되고 있는데, LabVIEW 프로그램에 기본적으로 포함된 DataSocket 통신방식으로 측정값을 읽는다. 작성된 프로그램의 Block Diagram은 아래 그림과 같다.

결론
NI사의 IMAQ Advanced Vision 프로그램과 같은 Technical Computing Software를 사용함으로서 (1) 교육 습득 시간을 줄일 수 있고 (2) 프로그램 작성 기간을 단축할 수 있고 (3)프로그램 처리시간 측면에서 짧은 시간에 활용적이며 효율성 있는 프로그램을 작성할 수 있고 (4) 누구나 쉽게 배우고 사용할 수 있게 되었다.
기술 발달과 시대적 변화에 따라 이제는 누구나 쉽게 프로그램을 배우고 자신의 목적에 적합한 제어시스템을 구축하고 활용하게 되었다. 심지어 초등학생들도 LabVIEW 프로그램을 이용하여 LEGO 놀이기구를 자유자제로 움직이는 프로그램을 작성하고 있다. 아직은 연구원과 기술자들이 측정시 직접 센서를 측정대상물에 연결하는 접촉식 측정방식을 많이 이용하고 있지만, CCD 센서와 반도체 기술 발단 및 수치해석 프로그램 개발로 비접촉식(Vision, Sound) 측정방식이 널리 적용되고 활용될 것으로 예상된다. 또한 Control Design Toolkit과 LabVIEW Simulation Module을 이용한 제어이론 적용으로 Control System의 효율성과 안정성이 더 한층 향상될 것으로 기대된다.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
최효진 선임연구원
포항방사광가속기연구소

Browse All Case Studies »