KR100856527B1

KR100856527B1 - 대전류 수소음이온 인출장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100856527B1
Application number: KR1020060109392A
Authority: KR
Inventors: 박범식; 김계령; 최병호; 이재상; 이찬영
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-09-04
Also published as: KR20080041368A

Abstract

본 발명은 DuoPIGatron 이온원의 원리를 바탕으로 대전류의 음이온빔을 인출하기에 적합하도록 설계된 대전류 수소음이온 인출장치 및 그 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 가스 방전을 통해 가스를 이온화시키는 표적음극과 영구자석으로 이루어진 반사자장장치가 구비되고, 표적음극 상부의 방전영역에 수소 또는 알곤 가스를 주입함으로써, 필라멘트의 수명을 연장시키는 동시에 고밀도이고 안정적인 수소음이온빔을 인출할 수 있는 대전류 수소음이온 인출장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 대전류 수소음이온 인출장치는, 제1 가스주입구와, 열전자를 방출하는 필라멘트와, 방출된 열전자에 의해 가스를 방전시켜 전자증배를 일으키는 중간 전극과, 형성된 전자류의 흐름을 구속하는 이온원 전자석과, 압축된 전자류를 균일하게 확산시켜주는 제1 양극 및 제2 양극과, 수소음이온을 인출하기 위한 인출 전극을 포함하는 DuoPIGatron 이온 인출장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극과 인출전극 사이에 구비되어, 상기 제1 및 제2 양극과의 사이에 형성되는 공간에 PIG(Penning Ionization Gauge)방전영역을 형성하는 동시에, 상기 PIG방전영역 내에 플라즈마를 형성시키는 표적음극과, 상기 표적음극 하부에 구비되어, 상기 표적음극을 통해 인출되는 음전하를 가지는 입자 중, 수소음이온만을 통과시키고 전자는 상기 PIG방전영역으로 재입력하는 반사자장장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

DuoPIGatron, PIG방전영역, 수소음이온, 전계 방출, 가스 주입, 표적음극, 반사자장

Description

대전류 수소음이온 인출장치 및 그 방법 {A high current H- ion beam extraction equipment and the extraction method using the same}

도 1은 본 발명에 따른 대전류 수소음이온 인출장치의 수직 절단면도.

도 2는 도1의 A부분의 확대절단면도

도 3은 본 발명에 따른 반사자장장치가 축방향으로 형성하는 자기장 분포 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 아크 전류를 조절함에 따라 수소음이온 전류의 증가를 보여주는 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 설명>

1 : 제1 가스주입구 2: 이온원 전자석

3 : 중간 전극 4 : 필라멘트

5 : 제1 양극 6 : 제2 양극

7 : PIG방전영역 8 : 표적음극

9 : 반사자장장치 10 : 제2 가스주입구

11 : X-선 차폐용 등전위 전극 12 : 제1 인출전극

13 : 제2 인출전극 20 : 필라멘트 전원

30 : 이온원 전자석 전원 40 : 아크 전원

50 : 인출 전원

수소음이온원은 양성자가속기에 있어 필수적인 장치로서, 양성자가속기의 이온빔 소스로 사용하거나 손실된 빔을 보충하기 위한 장치이다. 한 예로, 탄뎀 가속기는 음이온을 가속관으로 유입하여 이온 극성변화를 통해 두 번 가속할 수 있도록 하고 있으며, 이외의 원형가속기나 저장링과 같은 다른 가속기에서도 수소음이온원은 필수적인 장치이다.

종래의 수소음이온원은 고밀도 전류를 형성하기 위해 고주파 방전과 필라멘트의 열전자를 이용하는 형태 등이 있었다. 그러나, 고주파 방전을 이용하는 경우 음이온을 인출함에 있어 안정적이지 못하며, 필라멘트의 열전자를 이용하는 이온원에 있어서도 높은 전력이 요구되어 필라멘트의 수명이 한정된다는 단점을 가지고 있었다.

상기 필라멘트 열전자를 이용한 이온원에는 여러 가지 방식이 있다. 이러한 방식들 중의 대표적인 종래 기술로는, 미국특허 제3,740,554호에 기재된 DuoPIGatron 이온원이 있다. 상기 DuoPIGatron 이온원은 필라멘트에서 방출된 열전자로 인해 글로(glow)방전이 발생하고 중간 전극의 형상과 자장에 의해 전자가 나선형운동을 함으로써 PIG(Penning Ionization Gauge) 형태의 방전을 통해 플라즈마 전류 밀도를 높이는 장치이다.

구체적으로, 상기 DuoPIGatron 이온원은 열전자를 방출하는 필라멘트와, 방출된 열전자에 의해 가스를 방전시켜 전자증배를 일으키는 중간 전극과, 형성된 전자류(열전자)를 균일하게 확산시켜주는 양극과, 상기 전자류의 흐름을 비균일 자장에 의하여 구속하는 이온원 전자석과, 상기 전자류에서 양이온을 인출하는 인출 전극을 포함한 장치이다.

그러나, 상기 DuoPIGatron 이온원은 양이온 빔만을 얻을 수 있는 장치로서, 음이온을 인출하지 못하는 문제점이 있었다. 또한, 대전류 이온빔을 필요로 하는 탄뎀가속기나 싸이클로트론에 장착하기에 충분한 음이온빔을 제공하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 강자성체를 이용한 영구자석을 구비하고, 표적음극 상부의 방전영역에 수소와 알곤 가스를 주입함으로써, 고밀도 전류를 생성하면서도, 저전력으로 동작하여 필라멘트의 수명을 늘릴 수 있 고 동시에 안정적인 대전류의 수소음이온빔을 인출하는 수소음이온 인출장치 및 그 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 대전류 수소음이온 인출장치는, 제1 가스주입구와, 열전자를 방출하는 필라멘트와, 방출된 열전자에 의해 가스를 방전시켜 전자증배를 일으키는 중간 전극과, 형성된 전자류의 흐름을 구속하는 이온원 전자석과, 압축된 전자류를 균일하게 확산시켜주는 제1 양극 및 제2 양극과, 수소음이온을 인출하기 위한 인출 전극을 포함하는 DuoPIGatron 이온 인출장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극과 인출전극 사이에 구비되어, 상기 제1 및 제2 양극과의 사이에 형성되는 공간에 PIG(Penning Ionization Gauge)방전영역을 형성하는 동시에, 상기 PIG방전영역 내에 플라즈마를 형성시키는 표적음극과; 상기 표적음극 하부에 구비되어, 상기 표적음극을 통해 인출되는 음전하를 가지는 입자 중, 수소음이온만을 통과시키고 전자는 상기 PIG방전영역으로 재입력하는 반사자장장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 대전류 수소음이온 인출방법은, 필라멘트, 중간 전극, 이온원 전자석, 양극, 표적음극, 반사자장장치 및 인출전극을 포함하여 구성되는 수소음이온 인출 장치를 이용하여 대전류 수소음이온빔을 인출하는 방법에 있어서, 인출장치 상부에 형성된 가스주입구를 통해 가스를 주입하는 단계와; 필라멘트를 통해 열전자를 방출하는 단계와; 중간 전극을 이용하여 상기 열전자와 가스를 방전시킴으로서 전자를 증배하여 고밀도의 전자류를 형성하는 단계와; 상기 필라멘트와 중간 전극에 의해 발생하는 전자류의 흐름을 이온원 전자석을 통해 구속하는 단계와; 양극과 표적음극 사이에 형성되는 PIG방전영역에서, 상기 전자류를 비균일 자장의 자력선으로 회전과 반사운동이 결합된 나선형 운동을 하게 하여 가스 방전을 일으킴으로써 플라즈마를 형성하는 단계와; 상기 표적음극 하측에 위치한 반사자장장치를 통해 상기 플라즈마의 입자 중, 수소음이온만을 통과시키고 전자를 PIG방전영역으로 재입력하는 단계와; 인출전극을 통해 상기 수소음이온을 인출하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 대전류 수소음이온 인출장치의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 대전류 수소음이온 인출장치의 수직 절단면도이고, 도 2는 도1의 A부분의 확대절단면도이다.

본 발명의 대전류 수소음이온 인출장치는 도1 및 도2에서 보는 바와 같이 제1 가스주입구(1), 이온원 전자석(2), 중간 전극(3), 필라멘트(4), 양극(5,6), 표적 음극(8), 반사자장장치(9), 제2 가스주입구(10), X-선 차폐용 등전위 전극(11) 및 인출 전극(12,13)으로 구성된다.

상기 제1 가스주입구(1)는 수소(hydrogen) 또는 알곤(argon) 가스를 그 하부에 위치하는 중간 전극(3)으로 둘러싸인 공간에 주입하는 주입구이다.

상기 이온원 전자석(2)은 상기 중간 전극(3)을 둘러싼 형상을 가지고, 자극(magnetic pole)을 통해 비균일 자장을 형성하며, 필라멘트(4)와 상기 중간 전극(3)에 의해 발생하는 전자류의 흐름을 상기 비균일 자장에 의하여 구속한다.

상기 중간 전극(3)은 개구 근처에서 그 하부에 위치한 양극(5,6)과의 사이에 강한 자장을 형성하여 필라멘트(4)로부터 방출된 열전자와 중간 전극(3)으로 둘러싸인 공간의 가스를 방전시킴에 따라서 전자를 증배하여 고밀도의 전자류를 형성한다.

즉, 상기 중간 전극(3)은 상기 열전자에 의해 가스를 방전시켜 전자 증배를 일으키며, 중간 전극(3)의 기하학적 구조(개구부가 축방향에서 내려갈수록 좁아지는 구조)에 의해 중간 전극(3)의 개구부와 양극들(5,6) 사이에 강한 자장을 형성하여 중간 전극(3) 내에서 방전에 의해 형성된 전자들을 고밀도로 집속하는 역할을 한다.

상기 필라멘트(4)는 열전자를 방출하는 역할을 한다. 상기 필라멘트(4)의 재료로는 낮은 온도에서 높은 방출전류밀도를 가지며, 긴 수명이 보장되는 텅스텐을 사용한다.

상기 양극들(5,6)은 압축된 고밀도 전자를 그 하측부에 위치한 일정 공간인 PIG방전영역(7)으로 균일하게 확산시켜주기 위하여 제1양극(5)과 제2양극(6)으로 구성된다.

또한, 상기 양극들(5,6)은 상기 열전자를 (+)극성에 따른 성질에 의하여 하측 방향으로 인출하는 역할을 한다.

상기 표적 음극(8)은 양극(5,6)들의 하부에 구비되어 상기 양극들(5,6)과의 사이에 형성되는 공간에 PIG(Penning Ionization Gauge)방전영역(7)을 형성한다. 다시 말해서, 상기 필라멘트(4)와 중간 전극(3)에 의해 발생하는 플라즈마의 전자류 중에 포함된 소정의 전자는 양극들(5,6)을 향해 가속되어 PIG방전영역(7)에 들어오고, 이 전자들은 PIG방전영역(7) 내부에 형성된 비균일 자장에 의하여 구속되도록 설계된다.

상기 PIG방전영역(7)의 전자류는 인가된 비균일 자장의 자력선을 따라 회전과 반사운동이 결합된 나선형 운동을 하여 가스 방전을 일으켜 이온화된다.

또한, 상기 표적 음극(8)은 상기 전자류에 대해 정전반사경(electrostatic mirror) 역할을 함으로써, 상기 PIG방전영역(7)에서 전자류의 비정 거리(flight length)를 길게 하여 가스의 전리효율을 증가시키고, 이에 따라 고밀도 플라즈마를 형성시키는 역할을 한다.

상기 반사자장장치(9)는 영구자석으로 이루어져 이온화된 음이온과 함께 방출되는 전자가 인출됨으로 인해 전원에 부하가 과도하게 작용하는 것을 방지하기 위하여 상기 표적음극(8)을 통해 인출되는 음전하를 가지는 입자 중, 수소음이온만을 통과시키고 전자를 상기 PIG방전영역(7)으로 재입력한다. 또한, 상기 반사자장장치(9)는 효율적으로 수소음이온을 인출하기 위해서 전자를 표적 음극(8)으로 회귀시키고 본 발명의 대전류 수소음이온 인출장치의 중심축에 대해 수직방향(transverse)으로 자장을 생성시켜 수소음이온 생성반응에 필요한 저온전자를 만드는데 기여한다.

본 발명의 실시예에서는, 상기 반사자장장치(9)를 사마륨 코발트(Samarium Cobalt) 재질의 영구자석을 연철의 강자성체로 만든 요크에 삽입하여 표적 음극(8) 바로 뒤에 부착함으로써, 반사 자기장을 형성하도록 구성하였다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 도3에 나타난 바와 같이 상기 반사자장장치(9)에서 강자장을 형성함으로써 무게가 무거운 음이온만을 통과시키고, 무게가 상대적으로 가벼워 자장의 영향을 받는 전자를 PIG방전영역(7)으로 재입력시켜 대전류를 생성할 수 있게 한다.

제2 가스주입구(10)는 상기 PIG방전영역(7) 주변에 위치하는 다수개의 주입구로 이루어지고, 상기 PIG방전영역(7) 내부에 수소 또는 알곤 가스를 주입하여 상기 PIG방전영역(7)에서 플라즈마의 수소음이온 밀도를 증가 시키는데, 수소 가스를 주입하면 고속전자의 에너지를 낮추어 저속전자의 생성에 기여할 수 있고, 알곤 가스를 주입하는 경우에는 진동 여기된 수소분자 생성에 기여하게 된다.

X-선 차폐용 등전위 전극(11)은 표적 음극(8)과 제1 인출전극(12) 사이에 설치되어 X-선과 같은 방사선으로부터 본 발명의 대전류 수소음이온 인출장치의 전극 사이를 절연시켜주는 세라믹 절연체를 보호하여 광전자 방출을 줄임으로써 진공 중 세라믹 절연체를 통한 방전을 방지한다.

상기 인출전극들(12,13)은 제1인출전극(12)과 제2인출전극(13)으로 구성되며, PIG방전영역(7) 내의 플라즈마에서 수소음이온을 인출하는 장치이다.

도 4는 본 발명에 따른 아크 전류를 조절함에 따라 수소음이온 전류의 증가를 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 수소음이온 인출장치로 수소음이온 빔을 인출하여 수소음이온 빔 전류를 측정한 결과를 도4를 참조하여 설명한다.

먼저, 수소음이온 빔 전류 측정에 사용된 본 발명에 따른 수소음이온 인출장치의 세부 사양을 자세히 설명하면 다음과 같다.

이온원 전자석(2)은 10 A, 20 V의 직류전원을 사용하고, 사용된 전자석은 1400 turn, 2 A로 제작되었다.

중간 전극(3)의 재료로는 투자율이 큰 연강이 사용되며, 개구의 직경은 6.5mm이고 축방향 상부로 갈수록 개구부의 측면은 축방향과 30도의 각도로 기울어진 후 다시 축방향과 평행하게 제작되는 것이 바람직하다.

필라멘트(4)는 직경이 0.1cm 이고 길이는 20cm인 텅스텐 재질이며, 전압 15V에 전류 100A의 전원을 사용한다. 또한, 상기 텅스텐의 열전자 방출면적은 6.28cm²이고 단위면적당 방출되는 전류밀도는 0.3 A/cm²이며, 열전자 발생전류는 1.884 A가 되어 1.176× 10¹⁹electrons/sec의 전자를 방출하게 된다.

상기 제1양극(5)의 재료는 동보다 표면성질이 좋은 5ppm의 산소를 함유한 무산소동(Oxygen-free Cu)을 사용하였고 상부 개구의 직경은 8mm, 하부 개구의 직경은 27.8mm, 두께 21.5mm의 원추형으로 설계된다. 상기 제2양극(6)도 무산소동을 사용하여 상기 제1양극(5)의 구조와 유사하며 다만, 직경 48mm, 두께 14mm의 원통형으로 제작하였다. 그리고, 상기 제2양극(6)도 상기 제1양극(5)과 동일하다.

상기 표적 음극(8)은 방전 시 발생하는 열소산(또는 열제거)을 위하여 무산소동을 사용하고, 직경 3mm, 두께 2mm로 설계된다.

상기 제2 가스주입구(10)는 0.5mm 직경으로 12개를 설치하였고 가스 주입시 직진성이 좋은 가스분자 만을 주입하기 위해 주입구의 길이를 40mm로 충분히 확보하였다.

상기 제1 인출전극(12)과 제2 인출전극(13)은 각각 지름 6mm의 개구를 가지고 2mm의 간격을 가진다. 상기 표적 음극(8)과 제1인출 전극(12) 간의 간격은 6.5mm이고, 상기 인출 전극들은 열소산이 유리한 동으로 제작되고, 두께는 각각 1.5mm, 2mm이다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 대전류 수소음이온 인출장치 및 그 방법에 따른 성능을 실험하기 위해 아크 전류를 변화시키면서 수소음이온 빔 전류를 측정하였다. 전류측정기기로는 페러데이컵과 keithley 사의 6014A electrometer를 사용하였고, 챔버 내의 압력은 2× 10^-5torr를 유지하였으며, 상기 아크 전류를 생성하는 아크 전원(40)으로는 250V, 20A의 전원을 사용하였다. 여기서 상기 페러테이컵은 측정하려는 수소음이온 빔에 의해 발생하는 2차 전자의 포획을 위해 표면에서 500 Gauss의 자장 세기를 가지는 영구자석을 삽입한 형태로 제작된 것이다.

도4에서 보는 바와 같이, 아크 전류를 1A 내지 5A로 증가시키면, 수소음이온 빔 전류가 증가함을 볼 수 있다. 이러한 실험에서 아크 전류를 7A 이상으로 상승시킨 결과 방전으로 인해 플라즈마가 유지되지 않아 본 발명의 목적을 달성할 수 없었다. 한편, -50 kV, 100 mA의 인출전원을 이용하여 무부하 실험시 진공 중에서 30kV까지 방전이 일어나지 않음을 확인하였고 20 keV의 수소음이온 빔을 안정적으로 인출하였다.

이하 본 발명에 따른 대전류 수소음이온 인출 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 필라멘트(4)에 전류를 인가하여 열전자를 방출시키고, 제1주입구(1)를 통해 수소 또는 알곤 가스를 주입하면 중간 전극(3)에 의해 상기 열전자와 가스를 방전시켜 전자를 증배함으로써 고밀도의 전자류를 형성한다.

그리고, 상기 필라멘트(4)와 중간 전극(3)에 의해 발생하는 전자류의 흐름을 이온원 전자석(2)에 의해 형성되는 전자기장에 의해 구속시킨다.

그리고, 표적 음극(8)에 의해 상기 전자류를 PIG방전영역(7)의 내부에 형성된 비균일 자장의 자력선에 따라 회전과 반사운동이 결합된 나선형 운동을 하게 하여 가스 방전을 일으키고, 상기 가스방전에 의하여 플라즈마를 형성시킨다. 그리고, 이온화된 음이온과 함께 방출되는 전자가 인출됨으로 인해 전원에 부하가 과도하게 작용하는 것을 방지하기 위하여 반사자장장치(9)를 통해 상기 플라즈마의 입자 중 수소음이온만을 통과시키고, 전자를 PIG방전영역(7)에 재입력한다. 여기서, 제2 가스주입구(10)를 통해 가스를 주입할 수 있는데, 알곤 가스를 주입하여 진동 여기된 수소분자를 생성하는데 기여하거나 수소 가스를 주입하여 저속전자의 생성에 기여할 수 있다.

그리고, 인출전극들(12,13)을 통해 PIG방전영역(7) 내부의 플라즈마에서 수소음이온을 인출한다.

따라서, 상기 표적 음극(8)과 반사자장장치(9) 및 PIG방전영역(7) 내부에 가스를 주입함으로 필라멘트 전원(20)에 적은 전력을 공급하고도 효율적으로 수소음이온빔을 인출할 수 있어 필라멘트(4)의 수명을 늘릴 수 있고 안정적인 대전류의 수소음이온 빔을 인출할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 제1 가스주입구(1) 및 제2 가스주입구(10)를 통해 가스를 주입하여 고밀도 전류를 생성하면서도, 필라멘트의 수명을 늘릴 수 있는 동시에 안정적인 대전류의 수소음이온 빔을 인출할 수 있는데, 이와 같은 가스 주입에 의한 효과를 실험을 통해 확인한 결과는 다음과 같다.

제1 가스주입구(1)를 통한 중간 전극(3)의 수소 또는 알곤 가스 주입량은 5 sccm 일 때 효율이 가장 높았으며, 3sccm 이하로 주입 시에는 가스주입량 부족으로 인해 플라즈마 방전을 유지할 수 없었으며, 6sccm 이상으로 과다한 주입 시에는 아크 전류 값을 유지하기 위해 필라멘트(4)에 많은 전류를 인가할 수 밖에 없어 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 수소음이온의 밀도를 높이기 위해 PIG방전영역(7)에 위치하는 제2 가스주입구(10)를 만들어 수소 가스를 4sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute) 주입함으로써 11%의 인출전류 향상을 확인하였고, 알곤 가스를 4sccm 주입함으로 인해 17%의 인출전류 향상을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 수소음이온 인출장치는 필라멘트 전원(20)에 적은 전력을 공급하고도 효율적으로 전자류를 발생시킬 수 있다.

또한, 알곤 가스는 불활성 가스로 음이온을 생성하기 힘들기 때문에 이를 이용하여 표적 음극(8)과 반사자장장치(9)에 의한 전자인출방지효과를 확인할 수 있는데 실험을 통해 전자가 인출되지 않음을 확인하였다. 따라서, 전자가 인출됨으로 인하여 인출 전원(50)에 과도한 부하가 작용하는 것을 막을 수 있다. 또한, 제1 가스주입구(1)를 통해 중간 전극(3)에 알곤 가스를 5sccm으로 주입하고, 제2 가스주입구(10)로 수소 가스를 5sccm으로 공급하였을 때 필라멘트(4)에 공급되는 전력을 10% 감소시킨 상태에서도 같은 양의 수소음이온 빔을 인출할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 대전류 수소음이온 인출장치로 수소음이온 빔 전류를 측정한 결과는 20 keV의 에너지를 가진 1mA 이상의 빔을 인출할 수 있음을 보여주고, 이때 필라멘트(4)는 약 400 와트의 전력을 소비하여 기존 대비 수명증진 효과를 보여 준다. 이러한 가스주입구들에 수소 가스와 알곤 가스를 주입하는 것은 각각의 가스만을 상기 가스주입구들(1,10)에 주입할 수도 있지만, 효율 향상을 위해 동시에 주입할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 DuoPIGatron 이온원의 원리를 이용한 수소음이온 인출 장치는 안정적으로 대전류의 수소음이온을 제공할 수 있어 탄뎀가속기나 싸이클로트론 등 다양한 가속기에 이온원으로 적용할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 표적음극과 반사자장장치를 이용하여 인출전원의 부하를 줄이고 수 소음이온 생성에 필요한 플라즈마의 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 PIG방전영역의 주변에 위치하는 다수개의 주입구에 수소 또는 알곤 가스를 주입하여 수소음이온의 인출에 필요한 수소음이온을 고밀도화 할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 필라멘트 전원에 적은 전력을 공급하고도 효율적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있어 필라멘트 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

제1 가스주입구와, 열전자를 방출하는 필라멘트와, 방출된 열전자에 의해 가스를 방전시켜 전자증배를 일으키는 중간 전극과, 형성된 전자류의 흐름을 구속하는 이온원 전자석과, 압축된 전자류를 균일하게 확산시켜주는 제1 양극 및 제2 양극과, 수소음이온을 인출하기 위한 인출 전극을 포함하는 DuoPIGatron 이온 인출장치에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극과 인출전극 사이에 구비되어, 상기 제1 및 제2 양극과의 사이에 형성되는 공간에 PIG(Penning Ionization Gauge)방전영역을 형성하는 동시에, 상기 PIG방전영역 내에 플라즈마를 형성시키는 표적음극과;

상기 표적음극 하부에 구비되어, 상기 표적음극을 통해 인출되는 음전하를 가지는 입자 중, 수소음이온만을 통과시키고 전자는 상기 PIG방전영역으로 재입력하는 반사자장장치;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 DuoPIGatron 이온원 원리를 이용한 대전류 수소음이온 인출장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반사자장장치는,

연철의 강자성체로 만든 요크에 삽입된 사마륨 코발트 재질의 영구자석인 것을 특징으로 하는 대전류 수소음이온 인출장치.
제 1 항에 있어서,

상기 PIG방전영역에 가스를 주입하기 위한 제2 가스주입구;

를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대전류 수소음이온 인출장치.
필라멘트, 중간 전극, 이온원 전자석, 양극, 표적음극, 반사자장장치 및 인출전극을 포함하여 구성되는 수소음이온 인출 장치를 이용하여 대전류 수소음이온을 인출하는 방법에 있어서,

인출장치 상부에 형성된 가스주입구를 통해 가스를 주입하는 단계와;

필라멘트를 통해 열전자를 방출하는 단계와;

중간 전극을 이용하여 상기 열전자와 가스를 방전시킴으로서 전자를 증배하여 고밀도의 전자류를 형성하는 단계와;

상기 필라멘트와 중간 전극에 의해 발생하는 전자류의 흐름을 이온원 전자석을 통해 구속하는 단계와;

양극과 표적음극 사이에 형성되는 PIG방전영역에서, 상기 전자류를 비균일 자장의 자력선으로 회전과 반사운동이 결합된 나선형 운동을 하게 하여 가스 방전을 일으킴으로써, 상기 플라즈마를 형성하는 단계와;

상기 표적음극 하측에 위치한 반사자장장치를 통해 상기 플라즈마의 입자 중, 수소음이온만을 통과시키고 전자를 PIG방전영역으로 재입력하는 단계와;

인출전극을 통해 상기 수소음이온을 인출하는 단계;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대전류 수소음이온 인출 방법.
제 4항에 있어서,

상기 PIG방전영역에 가스를 주입하여, 상기 PIG방전영역에서 수소음이온의 밀도를 증가 시키는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대전류 수소음이온 인출 방법.
제5항에 있어서,

상기 PIG방전영역에 가스를 주입하는 단계에서 주입되는 가스는 수소 가스 또는 알곤 가스임을 특징으로 하는 대전류 수소음이온 인출 방법.
제5항에 있어서,

상기 PIG방전영역에 가스를 주입하는 단계에서 주입되는 가스는 수소 가스 및 알곤 가스임을 특징으로 하는 대전류 수소음이온 인출 방법.