The Development of Beamline Hutch Structures at PAL-XFEL

PAL-XFEL 빔라인 허치 구조물 개발

Abstract

The hutches which are installed in the beamline are largely classified into two, i.e XPP (X-ray pump probe) and CXI (Coherent X-ray image). Laser room is installed on the hutch and provides laser to XPP and CXI simultaneously. And two hutches have heavy crane to install some optics equipments. Safety and reliability of hutch structures should be taken into account for the precise operating of the laser facilities, so vibration analysis is essential to do this. The main purpose of vibration analysis is to install hutch structures with large stiffness. We have changed materials specification several times to install hutch structures having strong stiffness. Now hutch structures were installed and checked vibration status at laser room and XPP hutch. The results of laser table and robot arm satisfy vibration criteria. This paper explains about the design and vibration analysis of hutch structures.

1. 서 론

1994년 포항에서는 우리나라 최초의 방사광 가속기(Pohang Light Source)가 건설되어 운영되어졌으며, 2010년도에는 PLS-II로 업그레이드를 완료하여 더욱 성능이 좋아진 장비들이 설치되어졌고 그로 인해 유용한 빔라인 실험이 진행되고 있다(1). 약 20년 동안 3세대 가속기는 효율적으로 운영되어져 왔으며 2011년 3세대보다 빔의 밝기가 10배, 또한 매우 짧은 100 fs의 펄스를 제공하는 4세대 가속기 프로젝트가 시작되었으며 2015년 모든 설비의 설치는 완료되어졌고, 2016년 시운전을 거쳐 2017년 정식으로 이용자들에게 실험을 제공할 예정이다.

Fig. 1은 PLS-II 근처에 설치되어지는 4세대 가속기 전경을 보여주고 있으며, 4세대 특징은 최근에 세계적으로 주목받는 방사광원으로서 PLS-II에 비해 더 높은 전자에너지와 더 길이가 긴 undulator를 이용하여 훨씬 짧고 강한 빛을 만들어 낸다. 4세대는 PLS-II와 유사하게 전자가 undulator를 지나며 빛을 내는데 전자 자체의 분포도 바뀌면서 마이크로 번칭이 되고 이 구조에서 방사광이 더 강하게 나온다. PLS-II와 비교했을 때 평균 밝기는 백배 정도, 최대 밝기는 1억배 이상 강하고 펄스 길이가 1/100보다 작게 짧아서 PLS-II보다 동적 현상 연구에 적합하다.

Fig. 1Scene from PAL-XFEL

Fig. 2에서는 4세대 가속기 전체 layout을 보여주고 있으며 크게 accelerator, undulator hall, beamline으로 나누어진다. Beamline은 다시 FE(front end), OH (optical hutch), EH(experimental hutch)로 구분되어지는데 4세대 전체 길이는 약 1.1 km이고 각각의 길이는 다음과 같다. Accelerator : 805 m, undulator hall : 200 m, beamline : 100 m(FE 20 m, OH : 20 m, EH : 60 m). 허치 구조물은 빔라인 EH에 설치되어지며 2개의 독립적인 실험 허치(CXI, XPP)가 구조물에 포함되어진다. 전 세계적으로 4세대 가속기는 몇 개의 나라에서만 운영 또는 건설이 이루어지고 있으며 PAL-XFEL은 세계에서 4번째로 건설이 완료되어져 정상적인 운영을 목전에 두고 있다.

Fig. 2Schematic layout of PAL-XFEL

Table 1에서는 현재 운영 및 건설이 진행되고 있는 나라들의 XFEL 특징을 보여주고 있으며 정상적으로 이용자들의 실험이 진행되고 있는 곳은 미국의 LCLS가 유일하다. PAL-XFEL의 특징은 허치의 배열 상 구조적으로는 미국의 LCLS와 유사하며 레이저의 repetition rate 등 다수의 특징을 포함하면 일본의 SACLA와 유사한 특징을 가지고 있다. 2009년 미국 SLAC은 LCLS를 건설하여 0.15 nm의 SASE FEL을 발생시켰고 2011년 일본 Spring-8의 SACLA에서는 FEL이 관측되었다. 유럽에서는 독일 DESY에서 유로피언 XFEL이 건설 진행중이고 스위스 PSI는 0.1 nm FEL을 추진하고 있으며 중국 상하이에서도 진행 중이다. PAL-XFEL은 에너지 영역에 따라서 hard X-ray와 soft X-ray로 나누어지며 hard X-ray는 3기, soft X-ray는 1기가 최종 건설 목표이며, 2015년 말에 hard & soft 모두 1기가 건설되어져 hard X-ray 2곳(CXI, XPP), soft X-ray(SXPP) 1곳, 총 3곳에서 실험이 진행될 예정이다. Hutch 구조물은 hard X-ray 빔라인에만 설치되어지며 soft X-ray는 experimental hall에서 바로 실험을 수행하게 된다.

Table 1World's leading XFEL projects

PAL-XFEL에서의 정격 에너지는 10 GeV이고 repetition rate는 60 Hz, 번치의 수는 한 개로 설계되어 있다. PAL-XFEL 길이가 매우 길기 때문에 모든 장비의 정확한 정렬을 포함하여 안정된 시스템과 레이저를 원활히 제공할 수 있는 제반 여건이 필요하다. 기본적으로 PAL-XFEL의 건물은 진동과 건물 자체의 변위를 최소로 유지하기 위해 설계되어졌으며 지반 진동을 최소로 줄이기 위해 최적의 위치를 선정하였다.

Fig. 3은 PLS-II와 PAL-XFEL의 지반 진동 결과를 보여주고 있다. PLS-II의 2곳, PAL-XFEL의 3곳의 결과를 비교해 보았을 때 PAL-XFEL의 결과는 상대적으로 좋은 결과를 보여주고 있으며 이러한 결과를 바탕으로 위치를 선정하였다.

Fig. 3Comparison with ground motion PSD between PLS-II and PAL-XFEL

허치 구조물은 길이가 약 44 m이며 위에서 언급한 것처럼 실험의 종류에 따라 CXI와 XPP로 나누어진다. 공간적인 제약과 빔 전송의 효율성을 고려하여 레이저 클린룸이 CXI 허치 위에 설치되어지며 각각 XPP와 CXI 허치로 레이저를 제공하게 된다. 레이저 룸에는 클린룸 공조 시설과 함께 펨토초 레이저 시스템 관련 장비가 설치되어지는데 실험 홀 바닥이 아닌 허치 구조물 위에 설치되어지기 때문에 안정성 및 장비들의 정교함을 유지하기 위해 구조물의 개발은 필수적이다. 허치 구조물의 개발에 있어 중요한 점은 전체적인 안정성이며 레이저 룸 바닥 진동을 최소화하여 규격을 만족시키는 것이다.

 

2. 해석 및 결과

Fig. 4는 허치 구조물의 개념도를 보여주고 있다. 전체 구조물의 길이는 44 m이며 각각 XPP 20 m, CXI 22 m로 배정이 되었다. 레이저 룸은 CXI 위에 설치되어져 레이저를 제공하게 된다. 허치 내부의 높이는 각 실험의 측정 방법을 고려하여 XPP는 4.5 m, CXI는 4 m로 설정했다. 대부분의 레이저 장치 하중은 CXI에 집중되고 있으며 이러한 특성을 고려해서 해석을 진행하였다. Fig. 5는 레이저 룸 내 광학테이블의 하중 분포도를 보여주고 있으며 그 중량은 3860 kg/18 m2(레이저시스템 제외)이다.

Fig. 4Conceptual design of hutch structure

Fig. 5The layout of laser euipments

2.1 고유진동수 1차 해석

1차 해석은 레이저 룸이 설치되어지는 CXI 구조물만을 고려해서 진행하였다. 1차 해석의 주목적은 기본적인 허치 구조물의 부재를 설정하고 강도를 검토하는 것이며, 이후 결과를 분석하여 보강 차원에서 brace의 도입 여부를 결정하는 것이다. 최우선적으로 레이저 룸의 바닥 진동을 최소화하기 위해 바닥 두께를 300 mm로 설계했으며 구조물의 안정성을 효율적으로 증가시키기 위해 부재의 사양을 결정하였다. 레이저 룸 장치들의 위치도 정확하게 설정하였으며 구조물의 기둥과 보의 수량은 추후 구조물에 설치될 허치의 구조를 고려하여 설정하였다. Fig. 6은 CXI 구조물의 모델링으로써 슬래브에 설치되어 지는 가로 보의 간격은 최대한 구조의 안정성만을 고려하여 결정하였다. 1차 해석에서는 기둥과 보의 기본적인 사양을 결정하고 그에 따라 보의 폭을 정하여 해석을 진행하였으며 특히 구조의 안정성에 영향을 미치는 brace의 도입 및 기둥과 보의 사양에 중점을 두었다. Fig. 6의 모델링에서 보여주는 brace의 위치는 허치 출입문을 고려해서 위치를 결정했으며 모양은 구조 강도를 최대한으로 유지하기 위한 것으로 정하였다. 또한 전체적인 중량을 고려함에 있어 1차 해석에서는 CXI 내부에 설치될 예정인 크레인은 고려하지 않았다. Fig. 7의 결과에서는 전체적으로 구조물의 강도가 매우 미약한 것으로 나타나고 있으며, Fig. 8에서는 구조물의 강도를 보완하기 위해 brace를 설치하였으며 결론적으로는 수평, 수직 방향으로의 강도가 증가한 것으로 나오고 있다. Fig. 9는 보의 폭을 변경하여 해석을 진행한 것으로 결과는 크게 변하지 않았다. 이상의 결과를 바탕으로 결과를 정리한 내용은 아래와 같다.

Fig. 6The 1st modeling of CXI and laser room structure

Fig. 7The results of vibration analysis(no brace)

Fig. 8The results of vibration analysis(with brace)

Fig. 9The results of vibration analysis(with change of specifications of beam)

(1) 수직 방향의 고유진동수 20 Hz 확보를 위한 보의 크기는 700 mm 이상 필요함.

(2) 구조물의 수평 방향의 강성 확보를 위하여 보 및 기둥을 기성재의 최대 크기로 검토하였으나 20 Hz(수평, 수직) 이하의 결과가 나왔음.

(3) 슬래브의 두께를 감소시킬 경우 중량 감소로 인하여 구조물의 수평 방향의 진동수가 증가되나 슬래브의 감쇠 성능을 저하시킬 것으로 예상함.

2.2 고유진동수 2차 해석

2차 해석에서는 자체 하중으로 인한 구조물 부재의 고사양 문제로 슬래브의 두께를 300 mm에서 200 mm로 줄이고, 보와 기둥의 폭 및 두께를 변형하면서 해석을 수행하였다. 2차 해석의 주목적은 1차 해석에서 결정한 brace의 도입에 따라 추후 장착되는 허치의 각종 장치 및 문과의 간섭을 검토하여 brace의 위치를 정하고, 기둥과 보의 사양을 변경하면서 구조물의 진동 특성을 파악하는 것이다. Fig. 10은 두 번째 모델링으로써 1차 모델링과 큰 변화는 없지만 슬래브 두께가 수정되었다. 또한 1차 모델링에서 적용한 brace의 위치는 고정이 되었으며 그 결과를 반영해 허치 문의 위치도 결정되었다. 허치 구조물의 해석에 있어 추구하고자 하는 점은 최대한으로 구조물의 강도를 증가시키는 조건을 획득하고자 하는 것이며 1차 해석 결과에서 추구했던 20 Hz 이상의 결과를 얻는 것이다. 슬래브 두께의 변형과 더불어서 기둥과 보의 두께 및 폭의 조건을 변형하면서 최적의 조건을 구하는 것이 2차 해석의 주목적인 바 Case-1부터 3까지는 기둥의 조건을 변경하였고, Case-4와 5는 보의 사양을 변경하였으며 Table 2에서 여러 가지 조건을 보여주고 있다.

Table 2Specificatons of beam and column

Case-1부터 5까지의 해석 결과를 Fig. 11부터 15까지 보여주고 있는데, 기둥과 보의 사양을 변경하여 해석한 결과는 사양 변경에도 큰 변화가 없음을 확인하였으며 보다 정확한 해석을 위해 2차 해석까지 사양이 정해지지 못해 고려하지 못한 크레인 등을 포함한 여러 가지 제반 조건을 고려한 3차 해석을 진행하였다.

Fig. 11Analysis results of Case-1

Fig. 12Analysis results of Case-2

Fig. 13Analysis results of Case-3

Fig. 14Analysis results of Case-4

Fig. 15Analysis results of Case-5

2.3 고유진동수 3차 해석

3차 최종적인 해석은 바닥 및 설치 장비 하중을 충분히 반영하여 해석을 진행하였고, 추구하고자 하는 고유진동수 수치를 확보함에 있어 구조적인 간섭 등을 우선적으로 피하도록 하여 종합적으로 수행하였다. 또한 허치 내의 공간을 최대한으로 활용하고자 기둥의 모서리를 가급적 강도에 문제가 없는 선에서 방향을 조정하였다. 2차까지의 해석은 주로 CXI와 레이저 룸에 한정되어 있었지만 3차 해석에서는 구조적으로 연결이 되어있는 XPP 허치 구조물도 해석을 진행하였다. CXI에 비해 XPP 허치 천고는 슬래브 하단에 설치되어지는 robot arm의 사용 영역을 위해 4.5 m로 하였다. 슬래브 위에 설치되어지는 모든 장비 하중과 슬래브 바닥과 관계된 하중을 Table 3과 Table 4에 각각 표시하였다.

Table 3The load(kN) of equipments

Table4The load(kN) of floor

CXI와 XPP는 동일한 크레인을 설치하여 광학장치 설치에 이용될 예정이다. 허치 구조물 위에 설치되어지는 레이저 룸에 있어서 고려해야 할 진동 요인으로는 보행자에 의한 바닥진동과 기계설비, 외부 설비, 크레인 등에 의해 발생하는 수직. 수평 진동이 구조물의 주요 부재에 전달되어 구조물에 수직. 수평 진동을 발생시키는 것이다. 진동에 민감한 레이저 룸에서는 구조물에 발생하는 진동이 실험에 영향을 미치는 문제가 발생할 수 있기 때문에 고유진동수 해석을 통해 진동을 최소로 할 수 있도록 구조물의 적정한 강성을 확보하는 것이 목적이라 할 수 있다. 이 연구에서 모델링을 통해 얻은 고유진동수는 이상화된 값이지만 실제 구조물은 접합부 성능과 실제 사용하중, 부재의 강도 등이 구조해석에 입력한 수치와는 다소 상이하기 때문에 실제 구조물의 진동수와는 오차가 발생할 수 있다는 것도 고려할 사항이다.

대부분의 바닥 진동문제는 댄싱, 에어로빅 또는 보행 같은 인간의 활동이나 기계에 의해 발생하는 반복적인 힘과 관련이 있다. 보행은 다른 요소들보다 다소 복잡한데 그것은 그 힘이 각 스텝별로 위치가 변하기 때문이다. 적용되는 힘은 sinusoidal forces의 조합으로 표현되고 사인 하중에 의한 진동수는 인간 활동에 대한 스텝 진동수 같은 반복적인 힘에 의한 기본 진동수의 배수 또는 조화진동수이다(2). 시간에 좌우되는 반복적인 힘은 Fourier series에 의해 표현된다.

여기서, P = 무게 αi : 조화하중(harmonic force)에 대한 동적 계수 I : harmonic 배수(1, 2, 3, ...) fstep : 활동에 의한 가진 진동수 t : 시간 Φi : 조화진동수(harmonic frequency)에 대한 위상각(phase angle)

일반적으로 동적계수의 크기는 증가하는 조화진동수의 증가에 따라 감소한다. 보행의 첫 번째 네개의 조화진동수와 관련된 동적계수는 상대적으로 0.5, 0.2, 0.1, 0.05이다. 사람이나 기계는 질량에 사인 수직력을 발휘한다. 바닥을 지지하는 거의 모든 콘크리트 슬래브-철골의 고유진동수는 인간 활동에 의한 조화 가진 진동수(harmonic forcing frequency)와 같거나 거의 근접하기 때문에 공진 증폭은 철골 건물에서 일어나는 대부분의 진동 문제와 관련이 있다.

Fig. 16은 최종적으로 해석에 적용된 CXI와 XPP 모델링을 보여주고 있다. 1차 및 2차 해석 모델링과 큰 차이는 없으며 구조물 내부 공간의 활용 및 주변 장치와의 간섭, 그리고 레이저 룸의 최소한의 진동 조건을 만족시킬 수 있는 경제적인 측면도 충분히 고려하여 기둥과 보의 사양을 결정하였다. Fig. 17과 Table 5는 CXI 구조물에 적용된 보의 위치 및 사양을 보여주고 있다. CXI 및 XPP 구조물 내부에는 주요 실험장치가 설치될 예정이며 각 장치의 설치를 용이하게 하기 위하여 슬래브에 사각형 구멍을 만들어 장치의 내부 이동성을 편리하게 하였다. 결과적으로 사각 구멍은 진동 해석에 큰 영향을 미치지는 않았다. Fig. 18과 Table 6은 마찬가지로 XPP 구조물에 적용된 보의 위치 및 사양을 보여주고 있다. Fig. 19는 CXI 구조물의 최종적인 진동 해석, 결과이다. 해석 초기 시 추구했던 강성의 결과는 아니지만 여러 가지 요인을 종합적으로 적용한 결과이며 레이저 룸의 진동 측정 결과로 판단했을 때 양호한 결과이기도 하다. Fig. 20은 XPP 구조물의 진동 해석 결과이며 CXI 결과와 마찬가지로 양호한 결과를 보여주고 있다.

Fig. 16Final modeling of CXI and XPP

Fig. 17Layout of CXI H-beam

Table 5Specifications of CXI H-beam

Fig. 18Layout of XPP H-beam

Table 6Specifications of XPP H-beam

Fig. 19Analysis results of CXI structure

Fig. 20Analysis results of XPP structure

이상의 결과를 토대로 완성한 구조물을 Fig. 21에서 보여주고 있다. 구조물에 허치를 설치한 모습 및 레이저 룸의 설치 모습도 보여주고 있다. Fig. 22는 레이저 룸에 설치되어진 테이블 모습이고, Fig. 23은 진동 측정 결과이다. Table 7에서는 진동 변위를 보여주고 있다. 측정 결과는 아주 만족스럽게 나왔으며 레이저 장치 운영에 전혀 영향을 미치지 않는 수치를 보여주고 있다.

Fig. 21Scene from CXI and XPP hutch

Fig. 22Layout of laser table

Fig. 23Comparison with laser table power spectral density

Table 7The results of vibration displacement of laser table

Fig. 24는 XPP slab에 설치되어진 robot arm의 모습을 보여주고 있으며, Fig. 25는 진동 측정 결과이다. 구조물의 진동에 의한 robot arm의 진동을 측정했으며 Table 8에서 측정 결과를 보여주고 있다.

Fig. 24Robot arm ass'y in XPP hutch

Fig. 25Comparison with robot arm power spectral density

Table 8The results of vibration displacement at robot arm ass'y

Table 8은 robot arm과 관련이 있는 부품들의 진동 변위 결과이다. 구조물에 설치된 building frame과 바로 접촉하는 support frame의 결과는 유사하며 robot arm을 부착하여 좌·우로 이동하는 transport box와 robot arm은 상대적으로 큰 값을 나타냈다. 다만 robot arm의 진동 변위 규격 치는 20 ㎛ 정도로서 변위 결과는 비교적 양호하게 나왔다.

Fig. 26과 Table 9는 여러 건물 바닥에서 측정된 진동 변위 결과이다. 앞에서 언급한 것처럼 빔라인은 크게 FE, OH, EH로 나누어지는데 해당 위치 바닥에서의 수치와 허치 구조물과 관련이 있는 슬래브 및 레이저 룸 바닥 측정 결과와 비교해보았다. 다른 곳과 다르게 슬래브와 레이저 룸 바닥은 2층인 관계로 상대적으로 진동 변위 수치가 큰 값을 보였지만 레이저 장비가 설치될 수 있는 진동 규격치는 만족하는 값이다(3). Fig. 27과 Table 10은 사용 용도에 따른 facilities에 대한 진동 규격(속도)값(4)을 보여주고 있다. CXI 상부에 설치되어진 레이저 룸 바닥 진동 변위를 속도 값으로 변환했을 때 7.69 µm/s(rms), 실험 홀 진동 변위를 속도 값으로 변환했을 때 0.73 µm/s(rms)의 값을 얻었으며 레이저 룸의 경우 VC-D 레벨에 더 가까운 값이고 이는 electron microscope 실험실 운영에 적합한 수준으로 레이저 룸 운영에 적합하다고 할 수 있다. 실험 홀 바닥 진동은 VC-G 수준으로서 extremely quite 수준으로 대단히 좋은 조건으로 볼 수 있다.

Fig. 26Comparison with floor power spectral density

Table 9The results of vibration displacement at floor

Fig. 27Numerical definition of criterion curves

Table 10Numerical definition of criterion

 

3. 결 론

이 논문에서는 세계에서 4번째로 건설이 완료된 PAL-XFEL에 대해 간략하게 설명을 했으며 레이저 장치가 설치되어지는 레이저 룸과 관계된 허치 구조물의 진동 해석과 해석 결과를 바탕으로 구조물의 모양 및 부재들의 사양을 결정하였다. 허치 구조물의 강성을 최대한으로 증가시키는 것이 주 목적이 되겠지만 주변 장치들과의 간섭 및 경제성을 고려한 최적화 해석을 수행하였으며 구조물에 설치된 각종 장치의 진동 변위 결과는 각각의 장치 및 PAL-XFEL 규격에 합당하며 매우 양호한 것으로 나타났다.