KR100759864B1 - 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼록 자극 편향기를 이용하여 비대칭 분포 이온빔을 조사하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온빔을 굴절시키는 편향 전자석의 대향하는 두 자극 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되도록 구성하여 표적에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 비대칭 분포가 되게 하고, 편향 전자석에 교류 전류를 인가하여 비대칭 밀도 분포를 이루는 이온빔을 전류 변화에 따라 주기적으로 변경되는 각도로 굴절시키면서 조사 영역의 경계가 명확하게 표적에 조사함으로써, 이온빔이 저밀도로 조사되는 영역을 줄여 효율적으로 이온빔을 조사할 수 있는 비대칭 분포 이온빔 조사 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치는, 이온원이나 가속기에서 생성되는 이온빔을 편향 전자석을 이용하여 주기적으로 굴절시켜 표적에 조사하는 이온빔 조사 장치에 있어서, 상기 편향 전자석은, 대향하는 두 자극 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되어, 상기 자극 사이를 통과하여 표적에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 비대칭 분포가 되게 하는 점을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치 및 그 방법은 표적 상에서 조사 영역의 경계가 명확하게 이온빔을 조사함으로써, 조사량의 조절이 용이하고 이온빔을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

이온빔, 조사, 비대칭 분포, 볼록 자극 편향기, 가속기

Description

볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치 및 그 방법{An ion beam irradiation method with an asymmetric distribution using convex-shaped electromagnets and the apparatus thereof}

도 1은 종래 기술에 따른 이온빔 조사 장치 및 이온빔 조사 분포를 나타내는 도면.

도 2는 스크레이퍼를 추가로 구비한 종래의 이온빔 조사 장치 및 이온빔 조사 분포를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치 및 이온빔 조사 분포를 나타내는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 볼록 자극 편향기의 두 자극 사이에 발생하는 자기장의 세기를 나타내는 도면.

도 5는 도 3에 도시된 비대칭 분포 이온빔 조사 장치를 이용하여 조사 영역의 경계가 명확하도록 이온빔을 조사하는 방법을 나타내는 도면.

도 6은 편향 전자석의 자극이 평행 자극인 경우와 볼록 자극인 경우의 이온빔 조사량 분포를 비교하여 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 이온빔 20 : 표적

30, 130 : 편향 전자석 140 : 전원

본 발명은 볼록 자극 편향기를 이용하여 비대칭 분포 이온빔을 조사하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온빔을 굴절시키는 편향 전자석의 대향하는 두 자극 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되도록 구성하여 표적에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 비대칭 분포가 되게 하고, 편향 전자석에 교류 전류를 인가하여 비대칭 밀도 분포를 이루는 이온빔을 전류 변화에 따라 주기적으로 변경되는 각도로 굴절시키면서 조사 영역의 경계가 명확하게 표적에 조사함으로써, 이온빔이 저밀도로 조사되는 영역을 줄여 효율적으로 이온빔을 조사할 수 있는 비대칭 분포 이온빔 조사 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이온원(ion source)이나 가속기에서 얻어지는 이온빔(ion beam)은 양전하 또는 음전하를 갖는 이온의 흐름으로서, 원자나 분자 또는 원자핵 등의 물질 구조에 대한 분석을 비롯하여 방사성 동위원소의 제작이나 집적회로 등의 가공에 폭넓게 이용되고 있다.

특히, 입자 가속기를 이용하여 대전류 양성자로 동위 원소를 생산하는 동위 원소 생산 시스템 등에서는 대면적의 표적에 균일한 밀도 분포를 가지도록 이온빔 을 조사하기 위하여 편향 전자석 등으로 이온빔의 진행 각도를 편향시켜 조사한다.

이와 같이 이온빔을 편향시켜 조사하는 종래의 이온빔 조사 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 이온원이나 가속기에서 생성된 이온빔(10)을 표적(20)의 특정 위치로 편향시켜 조사할 수 있는 편향 전자석(30)을 이용한다. 여기서, 편향 전자석(30)의 두 자극(31, 32)은 대향면이 서로 평행한 평면으로 구성되어 그 간극이 일정하게 유지되며, 이로 인해 자극(31, 32) 사이에 형성되는 자기장의 세기 역시 균일하게 분포하므로, 자극 사이(31, 32)로 입사하는 이온빔(10)은 입사 위치에 상관 없이 모두 동일한 각도로 굴절하여 표적(20)에 조사된다.

이온빔(10)이 이온원이나 가속기에서 생성되면 진행 방향과 수직면 상에서의 밀도 분포는 통상 정규 분포를 띄고 있으므로, 편향 전자석(30)을 균일한 각도로 통과한 후 표적면 상에 조사되었을 때의 밀도 분포 역시 도 1의 표적(20)에 도시된 그래프 A와 같이 정규 분포를 따르게 된다.

그래프 A에서 수평축(x)은 표적 중심으로부터의 거리이고, 수직축(d)은 이온빔의 밀도를 나타낸다. 여기서, 표적 중심으로부터 멀어질수록 이온빔의 밀도가 완만하게 낮아지기 때문에, 조사 영역의 양 측단부(As) 즉, 이온빔이 조사되는 영역과 조사되지 않는 영역과의 경계 부근에서의 이온빔 조사량은 매우 적으며, 이에 따라 이온빔 조사 영역의 경계가 불명확하게 형성된다.

따라서, 종래의 편향 전자석을 이용한 이온빔 조사 장치는 조사 영역의 경계가 불명확하여 조사 범위와 조사량을 정확히 조절하기가 어렵고, 이온빔의 굴절각을 조절하여 특정 영역 내로 회전 조사시키는 경우 정확도가 떨어지는 문제점이 있 다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 이온빔 조사 장치로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 편향 전자석(30)과 표적(20)의 사이에 이온빔(20)의 양 측면부를 가로막는 스크레이퍼(scraper; 40)를 추가로 설치하여, 이온빔에서 밀도가 낮은 측면부의 진행을 차단함으로써 표적면 상에서 이온빔의 밀도 분포를 조절하는 장치가 있다.

따라서, 스크레이퍼를 구비한 이온빔 조사 장치는, 도 2의 그래프 B와 같이, 조사 영역의 양 측단부에 이온빔 밀도가 낮은 영역이 생성되지 않기 때문에 명확한 경계를 가지는 조사 영역을 획득할 수 있다.

여기서, 스크레이퍼(40)는 구리나 탄소 등과 같이 열전도도가 좋고 방사선 발생이 적은 재질로 구성되나, 이온빔의 조사량이 커질수록 표면에서의 발열과 방사선 발생에 따른 위험이 증가하게 되며, 이온빔의 일부가 스크레이퍼에 차단되어 손실되므로 이온빔의 이용 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

한편, 이온빔을 편향시키는 수단으로서 편향 전자석이 아닌 편향 전극을 이용하는 경우도 상기한 바와 동일한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 이온빔 조사 장치가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 이온빔을 굴절시키는 편향 전자석의 대향하는 두 자극 면을 서로를 향해 볼록하게 돌출되도록 구성하고, 편향 전자석에 교류 전류를 인가하여 비대칭 밀도 분포를 이루는 이온빔을 전류 변화에 따라 주기적으로 변경 되는 각도로 굴절시키면서 조사 영역의 경계가 명확하게 표적에 조사함으로써, 조사량 조절이 용이하고 조사 정확도 및 효율이 대폭 향상된 이온빔 조사 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은,

이온원이나 가속기에서 생성되는 이온빔을 편향 전자석을 이용하여 굴절시켜 표적에 조사하는 이온빔 조사 장치에 있어서,
상기 편향 전자석에는 일정 주기의 교류 전류가 인가되며,

상기 편향 전자석은,

대향하는 두 자극 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되어, 상기 자극 사이를 통과하여 표적에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 비대칭 분포가 되게 하는 것을 특징으로 하는 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치는 편향 전자석(130)의 두 자극(131, 132)을 볼록하게 돌출된 볼록 자극으로 구성하여 각 자극의 볼록면이 서로 대향하도록 한 것이다.

전자석의 자극 사이에 형성되는 자기장의 세기는 자극 사이의 간격이 작을 수록 증가하므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 편향 전자석의 볼록한 두 자극 사이에 발생하는 자기장의 세기(B)는 중심부에서 가장 크고 주변으로 갈수록 점차 작아지게 된다.

따라서, 편향 전자석(130)의 볼록한 두 자극(131, 132) 사이로 이온빔(10)을 통과시키면 이온빔 중 자극의 중심부를 지나는 부분이 가장 많이 굴절되고 중심부에서 멀어질수록 적게 굴절되는데, 이온빔이 우측으로 굴절되도록 자기장의 방향을 형성하는 경우 표적(20)에서의 이온빔 밀도 분포를 보면, 전술한 도 3의 그래프 C와 같이, 조사 영역 중 중심점부터 우측까지의 영역에 대부분의 이온빔이 분포되고 중심점에서 좌측까지의 영역에는 이온빔이 거의 분포되지 않는 비대칭형의 밀도 분포를 보여 준다. 한편, 이온빔이 좌측으로 굴절되도록 자기장의 방향을 형성하는 경우는 그래프 C와 수직축에 대하여 대칭인 밀도 분포를 보여 주게 된다.

이와 같이 비대칭 분포의 이온빔을 생성하는 편향 전자석을 이용하여 이온빔의 굴절각을 주기적으로 변경해주면 표적에서의 조사 영역 경계를 명확하게 만들어줄 수 있는데, 이하 도 5을 참조하여 조사 영역의 경계가 명확하게 이온빔을 조사하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 5에서와 같이 전원(140)으로부터 편향 전자석(130)에 교류 전류를 인가하면, 이온빔(10)은 교류 전류의 주기적 변화에 따라 굴적각이 변경되어 표적의 좌측 으로부터 우측에 이르기까지 연속적으로 조사되며, 최종적으로 그래프 D와 같은 조사 영역을 형성하게 된다. 그래프 D에서 D1, D2, D3은 각각 표적의 우측, 중심점, 좌측에서의 밀도 분포를 보여주는데, 조사 영역의 양 측 끝에서 이온빔의 밀도 분포는 정규 분포와 달리 밀도가 낮은 영역이 매우 좁기 때문에, 표적의 각 위치에 조사되는 이온빔을 연속적으로 합한 전체 이온빔은 조사 영역과 비조사 영역의 경계가 명확하게 구분된다.

여기서, 조사 영역의 양 측 끝에서 이온빔의 밀도 분포는 편향 전자석(130)의 두 자극(131, 132)에 형성된 볼록면의 곡률에 영향을 받는데, 밀도가 낮은 영역을 최소한으로 하기 위해서 두 자극(131, 132)의 볼록면은 다음의 수학식 1로 표현되는 곡률 반경을 가지는 것이 바람직하다.

여기서,

R_b : 빔 반경

L : 전자석 중심부에서 표적 중심부까지 거리

θ : 이온빔이 휘는 각도

R_m : 전자석 볼록면의 곡률 반경

G_m : 전자석 자극 사이의 간격

도 6은 편향 전자석에 교류 전원을 인가하였을 때 편향 전자석의 자극이 평 행 자극인 경우와 볼록 자극인 경우의 이온빔 조사량 분포를 비교하여 보여주는 도면이다.

도 6의 (a)는 평행 자극 편향 전자석인 경우의 이온빔 조사량 분포로서, 양측 끝단에 이온빔의 밀도가 낮은 영역이 비교적 넓게 분포하고 있음을 보여준다.

반면, 도 6의 (b)는 볼록 자극 편향기인 경우의 이온빔 조사량 분포로서, 양측 끝단에 이온빔의 밀도가 낮은 영역이 (a)에서보다 현저히 감소되었음을 보여주며, 저밀도 영역은 이온빔 조사의 효과가 현저히 떨어지는 영역이므로 볼록 자극 편향기를 이용한 경우가 이온빔을 더욱 효율적으로 사용하고 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 볼록 자극 편향기를 이용하여 비대칭 분포 이온빔을 조사하는 장치 및 그 방법은 표적 상에서 조사 영역의 경계가 명확하게 이온빔을 조사함으로써, 조사량의 조절이 용이하고 이온빔을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 스크레이퍼를 설치할 필요 없이 편향 전자석의 자극 형상만 변경시켜 비대칭 분포를 가지는 이온빔을 조사할 수 있으므로, 발열 및 방사선 발생 의 염려가 없이 안전하게 이온빔을 조사할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. (정정)

   이온원이나 가속기에서 생성되는 이온빔을 편향 전자석을 이용하여 굴절시켜 표적에 조사하는 이온빔 조사 장치에 있어서,

   상기 편향 전자석에는 일정 주기의 교류 전류가 인가되며,

   상기 편향 전자석은,

   대향하는 두 자극 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되어, 상기 자극 사이를 통과하여 표적에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 비대칭 분포가 되게 하는 것을 특징으로 하는 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 편향 전자석은,

   돌출된 각 자극면의 곡률 반경이

   하기의 수학식 2를 만족시키는 것을 특징으로 하는 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 장치.

   

   (여기서, R_b : 빔 반경, L : 전자석 중심부에서 표적 중심부까지 거리, θ : 이온빔이 휘는 각도, R_m : 전자석 볼록면의 곡률 반경, G_m : 전자석 자극 사이의 간격)
3. (정정)

   이온원이나 가속기에서 생성되는 이온빔을 편향 전자석을 이용하여 굴절시켜 표적에 조사하는 이온빔 조사 방법에 있어서,

   대향하는 두 자극 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출된 편향 전자석을 이용하여 상기 자극 사이에 이온빔을 통과시킴으로써, 표적에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 비대칭 분포가 되도록 하되,

   상기 편향 전자석에 교류 전류를 인가하여, 표적면에서 비대칭 밀도 분포를 이루는 이온빔을 상기 교류 전류의 변화에 따라 주기적으로 변경되는 각도로 굴절시켜 표적에 조사함으로써, 전체 조사 영역의 경계를 명확하게 하는 것을 특징으로 하는 볼록 자극 편향기를 이용한 비대칭 분포 이온빔 조사 방법.
4. (삭제)

Images