KR100261314B1 - 고주파와 자기 시스템을 이용한 가스 방전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 기술에 관한 것으로, 과학기술적 목적과 우주 전기 추진장치 내에서 예를 들면 이온과 같은 하전입자의 빔을 발생하기 위하여 사용될 수 있다.

가스 방전장치는 적어도 하나의 밑벽을 가지는 축상 대칭형 챔버와, 고주파 전력 입력 유니트 및 상기 챔버내에 비균일 정자기장을 발생시키는 자기시스템을 포함한다. 자기장 유도는 챔버의 대칭축쪽으로 방사방향으로 감소하고, 고주파전력 입력 유니트 설비영역에 대향하는 챔버의 윗면부분으로 갈수록 종방향으로 감소한다. 고주파 전력 입력 유니트는 지그재그 반복 대칭형의 도체로 제작되며, 플라즈마 발생영역을 포함하는 챔버의 측벽과 밑벽상에 위치한다. 챔버의 가로방향 크기가 세로방향 크기를 초과한다.

Description

고주파와 자기 시스템을 이용한 가스 방전 장치

본 발명은, 플라즈마 기술에 관한 것으로, 기초과학기술 및 항공우주용 이온 엔진분야에서엔 예를 들면 이온과 같은 하전입자의 흐름을 발생하기 위하여 사용되는 장치에 관한 것이다.

종래의 가스 방전 장치(GB, A, 1399603, HO1J27/00, 1072)로는 두 개중 한 벽이 부분적으로 투명하게 제작되는 두 개의 상하벽(face wall)을 가지는 축방향 대칭 챔버(chamber), 상기 챔버내부에 불균일 정자기장을 발생시키는 자기 시스템 및 고주파 발생장치에 연결되어 있는 고주파 파워 입력 유니트를 포함하는 것으로 알려져 있다. 고주파 파워 입력 유니트는 적어도 두 개의 전류 도체로 형성된다.

종래 장치 내에서의 플라즈마 발생은 플라즈마 자체 파동에 의한 여기(excitation)에 의해 전도된다. 이러한 경우에, 플라즈마로의 효율적인 고주파 파워 입력이 제공되며, 이온화를 위한 충분히 낮은 특정 에너지 소비에서도 만족스러운 이온화 계수값이 얻어진다.

입력 파워의 공명흡수는 0.015∼1.5Pa의 가스압력에서 일어나며 유도자기장 B는 0.1Tl 보다 작다. 그러나 앞서 언급한 조건에서는 플라즈마 밀도가 상당히 증가하므로써, 가스 방전 장치의 자원(resource)을 감소시킨다.

자기장의 유도가 챔버 대칭축쪽으로 감소하는 축방향 대칭 불균일 정자기장을 방전 챔버에 공급하는 자기시스템을 갖춘 가스 방전 장치(RU, application 95110327/07, published 10.08.96)도 역시 알려져 있다. 고주파 파워 입력 유니트는 예를 들면 n-극 축전지와 같은 몇 개의 전류 전도체로 형성되며, 챔버내의 고주파장의 종방향 비회전 전기적 성분을 여기하기에 적합하게 되어 있다.

이러한 구조는 40∼100MH_Z의 고주파와 0.01∼0.05Tl 범위에서 최고값의 유도자기장을 선택하므로써 플라즈마 내에서 자체 플라즈마 파동을 여기할 기회를 제공한다. 위에서 언급한 조건하에서 플라즈마내의 자체 파동 공명 여기는 가스 방전 장치의 에너지와 가스 효율을 증가시키는 기회를 준다.

본 발명에 가장 가까운 장치(GB, A, 2235086, H01J 27/16, 1991)는, 하나의 개방된 밑벽(face wall)을 가지는 원통형 챔버와, 챔버의 측면에 대칭적으로 위치한 몇몇의 전류 전도체로 구성되어 있는 고주파 전력 공급유니트와, 유도가 챔버의 대칭축쪽으로 방사방향으로 감소하고 전력 입력 유니트의 위치로부터 종방향으로 감소하는 정자기장을 챔버내에 제공하는 자기 시스템으로 이루어져 있다.

공지된 가스 방전 장치는 최적의 자기장 배치와 전력 입력 유니트의 구조를 선택하므로써, 전력 입력의 효율을 증가시킬 기회를 제공해 준다.

그러나, 전술한 모든 장치는 입력 전력의 (작업체의 이온화를 위한) 완전한 이용은 제공하지 못한다.

본 발명의 목적은 전술한 형태의 가스 방전 장치의 에너지 및 가스 효율을 높이고, 주어진 파라미터에 대하여 플라즈마 발생에 대한 손실을 감소시키는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 방전 장치의 구성을 나타낸 것으로, 이온-광학 시스템, 자기 시스템 및 플랜지를 도시한 개략 종단면도

도 2는 본 발명에 따른 도 1의 장치 챔버내에 배열되어 있는 방전을 위한 안테나의 형태

도 3은 본 발명에 따른 방전 장치의 공기 밀폐 개스킷내의 전기단자 인입부를 도시

* 도면의 중요 부호에 대한 부호 설명

1 : 챔버(chamber) 2 : 고주파 안테나

3 : 방출 전극 4 : 가속 전극

5 : 접지 전극 6 : 자기 시스템

7 : 가스 유입구 8 : 전기 단자의 밀폐 가스켓

9 : 가스 유입구의 밀폐 가스켓 10 : 조립 플랜지

11 : 조정 플랜지 12 : 지지대

13 : 고무고리(밀폐고리) 14 : 조임 볼트

주목할 만한 기술적 결과는 다음과 같은 장치에 의하여 달성될 수 있다. 적어도 하나의 밑벽(face wall)을 가지는 축상 대칭형 챔버와, 챔버의 외부벽상에 배치되는 고주파 전력 입력 유니트 및 유도 자기장이 챔버의 대칭축쪽으로 방사상으로 감소하고 고주파 전력 입력 유니트의 위치로부터 종방향으로 감소하는 정자기장을 챔버내부에 발생시키는 자기 시스템으로 이루어진 장치에 의하여 달성되며, 본 발명에 의하면, 상기 고주파 전력 입력 유니트는 챔버의 밑벽과 측벽상에 위치하는 지그재그형의 주기적 대칭형상으로 제작되며, 자기 시스템은 종방향으로 발생하는 유도자기장이 고주파 전력 입력 유니트의 위치 반대쪽에 있는 챔버의 윗면부쪽으로 감소하도록 조정된다.

장치의 가스 효율을 높이기 위하여 가로치수가 종방향(세로) 치수보다 큰 챔버를 사용하는 것이 바람직하다.

고주파 전력 입력 유니트 설비측으로부터 챔버의 밑면상에 배치되는 가스 디스트리뷰터를 챔버에 제공하는 것이 바람직하다.

가스 방전장치는 챔버가 조립되는 곳에서 조립 플랜지에 의하여 조정될 수 있다. 이러한 경우에, 고주파 전력 입력 유니트 및 가스 디스트리뷰터의 전기 단자를 위한 공기 밀폐 가스켓뿐 아니라 조립 플랜지를 진공 챔버의 조정 플랜지에 고정시키기 위한 플러그 연결 요소가 상기 조립 플랜지상에 장착된다.

공기 밀폐 가스켓은 사이에 밀폐 고리(obturator collar)를 가지는 두 개의 지지대(bolster)와 지지대중 하나와 동축으로 배치되는 밀폐 볼트로 제작하는 것이 바람직하다.

본 발명인 가스 방전 장치는 다양한 기술설비의 한 요소, 예를 들면 전기 추진 시스템뿐 아니라 플라즈마 화학 반응 및 이온빔 장치의 한 요소로서 수행의 다양한 변형으로 사용될 수 있다.

본 발명인 가스 방전장치가 이온빔 설비의 한 부분으로 실현되는 실시예에 대하여 설명한다. 설비(도 1)는 축상 대칭 벌브(bulb)인 챔버 1과, 고주파 전력 입력 유니트인 고주파 안테나 2와, 방출 전극 3, 가속전극 4, 출력접지전극 5로 이루어진 이온 광학시스템과, 두 개의 전자기 릴(reel) 6로 이루어지는 자기 시스템과, 가스 유입구 7와, 고주파 안테나 2, 전극 3, 4, 및 5의 전기 단자의 공기밀착 가스켓 8과, 가스 유입구 7의 공기 밀착 가스켓 9과, 조립 플랜지 10 및 조정플랜지 11을 포함한다.

고주파 전력 입력 유니트가 되는 안테나 2는 챔버측면에 위치하는 지그재그형의 반복 대칭형의 도체로 제조되며, 그의 일부분은 챔버의 측면에 위치하고(도 1), 나머지 부분은 챔버 1의 밑벽상에 위치한다.(도 2)

챔버 1의 외부표면부는 전자기 릴 6에 의하여 발생된 자기장이 감소하는 영역에 위치한다(도 1).

챔버 1의 벽은 유전물질로 제조되며, 엄밀하게 말하면 유전 물질은 고주파 안테나 2 영역내에 위치하는 챔버벽의 일부분의 제작에만 사용된다.

종방향 대칭축을 따르는 챔버의 크기는 챔버 측벽의 내부 원통 표면의 반경과 같다.

각 공기 밀폐 가스켓 8 또는 9(도 3) 는 그 사이에 고무로 된 밀폐 고리(collar)를 가지는 두 개의 불소층(fluoride layer)으로 만들어지는 지지대 12를 포함한다. 공기 밀폐 가스켓은 특수한 조임 볼트 14에 의하여 조여지고, 지지대 12와 함께 조정되어 있다.

본 설비의 작동은 다음과 같은 방법으로 유도된다.

작업가스-아르곤이 가스 유입구 7를 통하여 챔버 1로 공급된다. 챔버 1내에서는 전자기 릴 6에 의하여 챔버 대칭축쪽으로 방사방향으로 감소하고 고주파 전력 입력 유니트가 위치하는 영역으로부터 이온 광학 시스템이 위치하는 챔버 1의 대향 윗면부방향으로 감소하는 축대칭의 비균일 자기장이 공급된다.

챔버내 자기장의 주어진 분포는 본 기술분야의 당업자에게 알려진 다른 설비에 의하여 제공될 수 있다.

챔버 1로 아르곤이 공급된 후에 고주파 전력 입력 유니트가 작동되고, 고주파장의 전기적 성분의 방전공간내에 여기(excitation)가 제공된다.

챔버로의 효과적인 고주파 전력 입력은 자기장이 주어진 형상으로 존재하는 영역내에서 챔버의 밑벽 및 측벽상에 있는 지그재그형 전도체로 제작되는 안테나 2에 의하여 달성된다.

챔버의 방전공간내에서 고주파장의 전기적 성분의 작용하에서, 고주파 방전이 개시되고 플라즈마가 형성된다.

고주파 전력 입력의효율 증대와 그에 따른 상기 장치 내에서의 플라즈마 온도 및 하전입자 밀도의 증가가, 특수한 형상의 안테나 2에 의하여 발생하는 고주파장 발생지역에 자기장을 위치시키므로써 제공될 수 있다.

챔버의 대칭축방향으로 감소하는 자기장의 최대 유도지역내에서 챔버 1의 밑벽을 포함하는 지그재그형의 반복 대칭형 도체의 형상으로 고주파 전력 입력 유니트를 제작하는 경우에만, 본 발명과 가장 가까운 장치와 비교하여 이온원 전체와 챔버내의 이온 발생의 에너지 및 가스효율의 증가가 달성된다.

작업가스로 아르곤을 사용하는 경우에, 발생된 고주파장의 주파수는 10 내지 100MHz범위에서 선택되며, 정자기장의 최대값은 0.01 내지 0.1tl의 범위내에서 선택되며, 입력 고주파값은 추출된 이온의 전류 밀도와 요구되는 플라즈마 밀도에 따라 20 내지 200W범위내에서 선택된다.

이온원의 변경이 고려되는 경우, 상기 이온빔의 추출 및 형성은 이온 추출 시스템의 도움으로 얻어질 수 있고, 상기 이온 추출 시스템은 세 개의 전극으로 구성되며, "가속-감속" 원리를 이용한 것이다.

방출 전극 3, 가속 전극 4 및 접지 전극 5에 의해 그 포텐셜이 정해지는 발생된 가스 방전 플라즈마 사이에 전기장이 형성되어 이온을 추출하고 주어진 이온 전류 밀도(0.2-2㎃/㎠)를 가지는 이온 빔을 형성한다.

진공 챔버와는 별도로 이온원 구조의 다른 요소로부터 가스 방전 장치를 분리할 수 있도록, 상기 챔버 1이 탈착 가능한 조립 플랜지 11 상에 장착된다. 자기 시스템 및 이온 광학계가 상기 진공 챔버의 조정 플랜지 10 상에 장착된다.

상기 플랜지의 조립시, 전력 입력 장치의 전기 단자의 탈착 가능한 밀폐 가스켓 8 및 가스 유입구의 밀폐 가스켓 9가 상기 조립 플랜지 11 상에 장착된다.

예를 들면, 기술 업무의 수행 중, 상기 챔버 1의 탈착은, 플러그 연결구(미도시)를 이용하여 상기 조립 플랜지 11을 상기 진공 챔버 1의 조정 플랜지 10으로부터 분해함으로써 행해질 수 있다.

조립되어 있는 조립 플랜지 11로부터 상기 챔버 1을 분해하는 것은 탈착 가능한 밀폐 가스켓 8 및 9를 함께 분해한 후에 행해진다. 이를 위해 상기 플랜지 11 내의 구멍으로부터 조임 볼트 14를 돌려서 외부 불소층(fluoride layer) 지지대 14가 제거되고, 고무 고리 13 및 내부 불소층 지지대 12가 함께 제거된다. 모든 밀폐 가스켓이 제거된 후, 조립 플랜지 11는 고주파 안테나 2의 전기 단자 및 가스 유입구 7로부터 자유로와진다.

상기 챔버 1을 상기 진공 챔버에 장착하기 위해서는 모든 조작이 역으로 행해져야 한다.

전술한 상기 챔버 1 상의 상기 안테나 2 (상기 챔버내로의 고주파 전력 입력 장치)의 배치와, 소정 구배를 가지는 불균일 정자기장를 안테나 2의 위치에 발생시키기 위한 자기 시스템의 사용은, 1 암페어의 전류를 가지는 이온빔 발생에 대한 특정 전력 소비량 값으로 특징지어질 수 있는 생성된 자기활성화 플라즈마로의 효과적인 고주파 전력의 입력을 제공할 수 있게 한다.

이온원의 요소로서 본 발명에 따른 변경을 행하는 경우, 특정 에너지 소비량의 도달 값이, 0.2 내지 2 ㎃/㎠ 범위에 있는 추출된 이온 빔 전류 밀도에서 450W/A을 초과하지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 가스 방전 장치는, 이러한 종류의 장치에 있어서 소정 범위의 작동 파라미터내에서의 에너지 효율 및 가스 효율에 의해 특정되는 플라즈마 발생 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 가스 방전장치는 플라즈마 화학반응과 전기추진의 한 요소로서의 우주 기술분야내의 마이크로전자공학 및 광학장치를 제작하기 위한 기술적인 이온 빔 설비에 사용될 수 있다.

본 발명이 바람직한 실시예에 관하여 설명되었음에도 불구하고, 본 발명의 범위와 일반적인 원리로부터 이탈하지 아니하고 다른 종류의 변경이나 변용이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 당업자에 명백하다 할 것이다. 이러한 변경이나 변용은 주장되는 청구범위에 의하여 표현되는 권리의 범위에서 벗어나지 않는 것으로 생각된다.

Claims (7)

1. 적어도 하나의 밑벽을 가지는 축방향 대칭 챔버와, 상기 챔버로 고주파 전력을 입력하기 위하여 상기 챔버의 외부벽상에 동축상으로 배치되는 고주파 전력 입력 유니트와, 상기 챔버의 대칭축쪽으로 방사방향으로 감소하고, 상기 고주파 전력 입력 유니트 위치영역으로부터 종방향으로 감소하는 유도 정자기장을 챔버내에 생성시키기 위한 자기 시스템을 포함하는 가스 방전장치에 있어서, 상기 고주파 전력 입력 유니트는 상기 챔버의 밑벽 및 측벽상에 배치되는 지그재그 반복 대칭형의 전도체로 제작되고, 상기 자기 시스템은 유도자기장이 상기 고주파 전력 입력 유니트가 위치하는 영역에 대향하는 챔버의 윗면부쪽으로 종방향으로 갈수록 감소하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 가스 방전장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버의 가로방향 크기가 세로방향 크기를 초과하는 것을 특징으로 하는 가스 방전장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 챔버가 상기 고주파 전력 입력 유니트 설비측의 챔버 밑벽상에 결합된 가스 유입구를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 방전장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전력 입력 유니트의 전기 단자를 위한 공기 밀폐 가스켓과, 가스유입구를 위한 공기 밀폐 가스켓 및 조정플랜지와의 결합을 위한 플러그 연결요소가 위치하는 곳과, 상기 챔버가 고정되는 곳에 조립플랜지가 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 방전장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 공기 밀폐 가스켓은 두 개의 지지대와, 상기 지지대의 면 사이에 조립되어 있는 밀폐고리와, 지지대중 하나와 동축상으로 배치되는 밀폐볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 방전 장치.
6. 제 3 항에 있어서, 전력 입력 유니트의 전기 단자를 위한 공기 밀폐 가스켓과, 가스유입구를 위한 공기 밀폐 가스켓 및 조정플랜지와의 결합을 위한 플러그 연결요소가 위치하는 곳과, 상기 챔버가 고정되는 곳에 조립플랜지가 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 방전장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 공기 밀폐 가스켓은 두 개의 지지대와, 상기 지지대의 면 사이에 조립되어 있는 밀폐고리와, 지지대중 하나와 동축상으로 배치되는 밀폐볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 방전 장치.

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