KR101034275B1

KR101034275B1 - 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 횡방향 플라즈마 채널을 이용하여 전자빔 성능을 향상시키는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101034275B1
Application number: KR1020080129976A
Authority: KR
Inventors: 김재훈; 유승훈; 김종욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-05-16
Also published as: KR20100071308A

Abstract

본 발명은 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 전자빔 발생의 안정성과 재현성의 한계, 그리고, 전자빔의 성능 개선이라는 두 가지 큰 요소를 모두 극복하여, 그 효과를 극대화 시킬 수 있는 방법으로서, 최근 그 응용 효과와 기대가 커지고 있는 테이블 탑 레이저-플라즈마 전자빔 가속기 기술의 발전에 절대적으로 필수적인 발명이다. 본 발명에 따라 레이저를 이용하여 전자빔을 발생하는 방법은, 입사 레이저로부터 분리한 제1 프리-펄스를 이용하여 플라즈마 가스 노즐 내부에 전자빔 방향으로 플라즈마 밀도전이가 형성된 종방향의 플라즈마 채널을 이용하고, 상기 입사 레이저로부터 분리한 제2 프리-펄스를 이용하여 상기 플라즈마 가스 노즐 내부에 상기 전자빔 방향을 가로지르도록 형성한 횡방향의 플라즈마 채널을 이용한다.

플라즈마 가속기, 레이저 장비, 전자빔, 밀도 전이, 횡방향 플라즈마 채널

Description

레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 횡방향 플라즈마 채널을 이용하여 전자빔 성능을 향상시키는 방법 및 장치{Method and Apparatus for Enhancing E-Beam Quality using Transverse Plasma Channel in Laser-Plasma E-Beam Accelerator}

본 발명은 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에 관한 것으로서, 특히, 전자빔 발생 성능을 향상시키고, 이를 쉽게 조절하면서 확인할 수 있으며, 안정성과 재현성을 극대화할 수 있는 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에 관한 것이다.

레이저-플라즈마 상호작용을 이용한 전자빔 가속기는 테라와트(TW)급의 고출력 레이저를 이용하여 고압으로 분사되는 중성가스를 플라즈마로 바꾼 뒤, 플라즈마 내부에 강력한 전기장을 형성하여, 이 전기장의 가속위상에 내부의 전자들을 포획한 뒤 빛의 속도로 가속하여 고에너지 전자빔을 만드는 장치이다. 이러한 전자빔 가속 기술에서 가장 중요한 점은 발생된 전자빔의 성능(에너지, 에너지 분산, 전자다발의 크기 등)을 최대화하면서, 동시에 안정성과 재현율을 높이는 것이다. 이를 위해서, 많은 연구들이 수행 되어져왔다.

특히 발생된 전자빔의 성능을 개선하기 위해서는 플라즈마 레이저의 회절을 통한 전자 가속의 한계점을 극복하기 위해서 전자빔의 에너지를 높이고 안정하게 집속시킬 수 다양한 연구가 진행되어 왔다. 대부분의 경우에 플라즈마 파동 깨짐 현상에 의해서 전자들을 주입하는 방법에서, 안정성과 재현성에 있어서 치명적인 한계를 갖고 있었다. 이는 플라즈마 가속기를 산업적으로 응용하기 위해서는 반드시 극복해야 하는 문제이다.

따라서, 전자빔 발생 성능을 향상시키고, 이를 쉽게 조절하면서 확인할 수 있으며, 안정성과 재현성을 극대화한 레이저-플라즈마 전자빔 가속기가 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 안정성과 재현성을 극대화하여 에너지, 에너지 분산, 전자다발의 크기 등에서 전자빔 발생 성능을 향상시킬 수 있는 레이저-플라즈마 전자빔 가속기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 레이저 펄스를 두 개의 pre-pulse, 하나의 main pulse, 그리고 probe-pulse로 나누어서 쉽게 조절이 가능하도록 하고, 각 펄스들의 발현을 조절하는 시간 지연 수단 등을 통한 전과정의 모니터링과 측정/분석이 용이하게 이루어질 수 있는 레이저-플라즈마 전자빔 가속기를 제공하는데 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은, 제1 pre-pulse로 급격한 종방향으로의 밀도 전이를 통하여 전자를 주입하고, 제2 pre-pulse로 횡방향 플라즈마 채널을 형성함으로써, 밀도전이를 통해서 주입된 전자들의 성능 향상을 최대화할 수 있는 레이저 -플라즈마 전자빔 가속기를 제공하는데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따라, 레이저를 이용하여 전자빔을 발생하는 방법은, 입사 레이저로부터 분리한 제1 프리-펄스를 이용하여 플라즈마 가스 노즐 내부에 전자빔 방향으로 플라즈마 밀도전이를 형성한 종방향의 플라즈마 채널을 이용하고, 상기 입사 레이저로부터 분리한 제2 프리-펄스를 이용하여 상기 플라즈마 가스 노즐 내부에 상기 전자빔 방향을 가로지르도록 형성한 횡방향의 플라즈마 채널을 이용하는 것을 특징으로 한다.

입사 레이저로부터 상기 제1 프리-펄스 또는 상기 제2 프리-펄스 보다 펄스폭이 좁은 압축된 레이저 펄스를 생성하여, 상기 압축된 레이저 펄스로부터 메인-펄스와 프로브-펄스로 분리하고, 상기 메인-펄스를 이용하여 상기 플라즈마 가스 노즐 내부의 플라즈마에 전자를 주입하여 가속된 전자빔을 생성하며, 상기 프로브-펄스를 상기 플라즈마 가스 노즐 내부로 통과시켜 나오는 빛을 카메라로 촬영하여 플라즈마 상태를 모니터링할 수 있다.

미러군을 이용하여 상기 제1 프리-펄스 또는 상기 제2 프리-펄스를 시간 지연시켜 상기 종방향의 플라즈마 채널의 구조 또는 상기 횡방향의 플라즈마 채널의 구조를 바꿀 수 있다.

상기 종방향의 플라즈마 채널의 구조는 상기 플라즈마 밀도전이의 분포를 포함하고, 상기 횡방향의 플라즈마 채널의 구조는 횡방향 채널 길이를 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따라 레이저를 이용하여 전자빔을 발생하는 장치는, 입사 레이저로부터 제1 프리-펄스와 제2 프리-펄스로 분리하는 빔 분리 수단을 포함하고, 상기 제1 프리-펄스를 이용하여 플라즈마 가스 노즐 내부에 전자빔 방향으로 플라즈마 밀도전이를 형성한 종방향의 플라즈마 채널을 형성하고, 상기 제2 프리-펄스를 이용하여 상기 플라즈마 가스 노즐 내부에 상기 전자빔 방향을 가로지르도록 형성한 횡방향의 플라즈마 채널을 형성한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 발생 장치는, 상기 제1 프리-펄스를 시간 지연시켜 상기 종방향의 플라즈마 채널의 구조를 바꾸기 위한 제1 미러군; 및 상기 제2 프리-펄스를 시간 지연시켜 상기 횡방향의 플라즈마 채널의 구조를 바꾸기 위한 제2 미러군을 더 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에 따르면, 앞으로 고에너지 전자빔을 이용한 모든 응용 분야에 필수적일 것으로 기대되며, 특히 고에너지 전자빔의 안정성과 재현율의 향상과 함께, 고 효율의 특성을 갖는 전자빔 발생이 가능하므로, 전자빔을 이용한 암치료 및 X-ray 발생 등, 그 산업적 효과는 막대할 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라 고에너지 전자빔 발생을 위한 레이저-플라즈마 전자빔 가속기(100)는, 20TW(Tera Watt) 급 레이저 빔을 분리하는 BS(Beam Splitter)(110), 종방향 쇼크(shock) 구조 플라즈마 형성용 pre-pulse1(프리-펄스1)과 횡방향 플라즈마 채널 형성용 pre-pulse2(프리-펄스2)을 위한 각 경로로의 빔 분리를 위한 BS(111)을 포함한다. 또한, pre-pulse2의 조절을 위한 경로 상에는 pre-pulse2를 반사시키는 미러(112), 시간 지연 조절 장치(113)(4개의 직렬 미러를 포함하는 렌즈군), 미러(114), 미러(115), 및 렌즈(116)를 포함하고 렌즈(116)의 출력은 플라즈마 가스노즐(150)로 유도되며, pre-pulse1의 조절을 위한 경로 상에는 시간 지연 조절 장치(117)(4개의 직렬 미러를 포함하는 렌즈군), 미러(118), 렌즈(130), 및 파라볼릭(parabolic) 미러(131)을 포함한다. 파라볼릭 미러(131)에는 렌즈(130)를 통과한 pre-pulse1을 통과시키기 위한 홀(hole)이 형성되어 있다.

또한, BS(110)으로부터 레이저 빔을 받은 압축기(120)는 BS(111)로의 레이저 펄스보다 상대적으로 적은 펄스폭을 가지는 빔으로 압축하고, BS(121)은 압축기(120)로부터의 레이저 빔 펄스를 main-pulse(메인-펄스)와 probe-pulse(프로브-펄스)로 분리한다. main-pulse는 미러(122)와 미러(123)을 거쳐 파라볼릭 미 러(131)에서 pre-pulse1의 조절 경로 상의 렌즈(130)으로부터의 레이저 펄스와 합성되어 플라즈마 가스노즐(150)로 유도된다. 또한, BS(121)로부터의 probe-pulse는 고조파 발생을 위한 BBO(Beta-Barium Borate) 결정(124)을 통과하고 미러(125)와 미러(126)을 통하여 각각 플라즈마 가스노즐(150)로 유도된다. 플라즈마 가스노즐(150)에서는 소정 가스가 고압으로 분사되어 플라즈마를 발생하며 인가된 강력한 전기장에 전자들을 포획하고, main-pulse에 의하여 플라즈마에 주입된 전자들이 가속되어 고에너지 전자빔을 발생할 수 있다. 이때, pre-pulse1과 pre-pulse2에 의하여 플라즈마 채널의 구조를 다양하게 형성하여 전자다발의 에너지가 분산없이 고밀도로 집속되도록 할 수 있으며, 이와 같은 채널 구조의 형성과 에너지 분산 등에 대한 전 과정에 대하여는 probe-pulse를 통해 모니터링 할 수 있게 된다.

probe-pulse가 미러(126)을 통하여 플라즈마 가스노즐(150)로 입사됨으로써, 렌즈(140)를 통과한 레이저 펄스를 이등변 삼각형 모양의 바이-프리즘(141)을 통하여 영상을 획득하고 이를 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라(160)를 이용해 촬영함으로써 플라즈마 상태를 모니터링할 수 있다. 마찬가지로 다른 쪽 방향에서 probe-pulse가 미러(125)를 통하여 플라즈마 가스노즐(150)로 입사됨으로써, 렌즈(142)를 통과한 레이저 펄스를 다른 바이-프리즘(142)을 통하여 영상을 획득하고 이를 CCD 카메라(170)를 이용해 촬영함으로써 다른 쪽 방향에서의 플라즈마 상태를 모니터링할 수 있다.

이와 같은 구조의 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기(100)에서는, 위와 같이 레이저 빔을 분리하여 2개의 pre-pulse들(pre-pulse1, pre-pulse2), 하나의 main-pulse, 그리고 probe-pulse를 사용한다. pre-pulse1를 이용할 때 플라즈마 가스노즐(150)에서의 main-pulse의 진행방향(z)에 대한 전자 밀도(n_e)가 도 2와 같이 일정 위치에서 급격히 분포가 감소하는 것으로 측정되었으며, 이는 pre-pulse1을 이용하여 플라즈마에 쇼크 구조(shock structure)의 급격한 플라즈마 밀도전이를 형성하는 것을 보여준다. 또한, 도 3과 같이, 전자 밀도(n_e)의 분포는 시간 지연 조절 장치(117)에서 4개의 미러들의 거리 조절 방법에 의한 시간 지연에 따라 1nsec 정도까지 일정 높은 수준을 유지하다가 감소되며, 높은 전자 밀도를 유지하는 영역(high density region)과 상대적으로 낮은 전자 밀도를 유지하는 영역(low density region) 사이의 간격(scale length)(Δz)은 시간 지연에 따라 조금씩 달라짐을 알 수 있었다.

도 4와 같이, pre-pulse2가 사용되지 않는 경우에는 포물선 형태의 횡방향 플라즈마 채널이 형성되지 않고, main-pulse를 이용해서 플라즈마 가스노즐(150) 내에 플라즈마 파동을 만들어서 전자가 주입되고, 주입된 전자들이 가속되어 고에너지 전자빔을 발생시키게 된다. 도 5와 같이, pre-pulse2를 사용하는 경우에는, 시간 지연 조절 장치(113)에서 4개의 미러들의 거리 조절 방법에 의하여 적절한 시간 지연을 통하여 main-pulse의 진행방향(z)에 수직하게 전자 밀도가 포물선 형태로 되어 횡방향(transverse) 플라즈마 채널이 형성되고, 이때에도 main-pulse를 이용해서 플라즈마 가스노즐(150) 내에 플라즈마 파동을 만들어서 전자가 주입되고, 주입된 전자들이 가속되어 고에너지 전자빔을 발생시키게 된다.

이와 같이 시간 지연 조절 장치(113/117)을 통하여 횡방향 플라즈마 채널의 다양한 구조가 형성될 수 있으며, 도 6 내지 도 8에는 횡방향 플라즈마 채널을 형성한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 가속 입자수, 횡방향 채널 길이, 에너지 분포를 측정하여 비교한 그래프를 나타내었다. 도 6과 같이, pre-pulse2를 이용하여 횡방향 플라즈마 채널을 형성한 경우가 그렇지 않은 경우보다, 가속 입자수는 약간 적지만 큰 차이가 없고, 횡방향 채널 길이가 작아 작은 전자다발로 집속이 가능하며, 에너지 분산(입사 레이저 펄스 에너지에 대한 횡방향 채널 내에 집중되는 에너지의 비율)이 적어 고에너지 전자빔의 발생 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기(100)에서는, 레이저 펄스를 두 개의 pre-pulse, 하나의 main pulse, 그리고 probe-pulse로 나누어서 쉽게 조절이 가능하도록 하였으며, 특히, pre-pulse1을 이용하여 급격한 종방향으로의 밀도 전이를 통하여 전자를 주입하고, pre-pulse2를 이용하여 횡방향 플라즈마 채널을 형성함으로써, 밀도전이를 통해서 주입된 전자들의 성능 향상을 최대화할 수 있다. 이때, pre-pulse1와 pre-pulse2에 의한 발현을 조절하는 시간 지연 수단을 통하여 안정적으로 다양한 플라즈마 채널 구조를 형성할 수 있고, 재현성이 뛰어나며, probe-pulse를 이용하여 각 발현 구조에 대한 모니터링과 측정/분석이 용이하게 이루어질 수 있도록 하였다. 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기(100)는 고에너지 전자빔의 안정성과 재현율의 향상과 함께 고 효율의 특성을 갖는 전자빔 발생이 가능하므로, 앞으로 전자빔을 이용한 암치료 및 X-ray 발생 등 고에너지 전자빔을 이용한 모든 응용 분야에 필수적으로 활용되어 산업상 큰 효과를 발휘할 것이다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 만들어진 전자밀도의 분포를 측정한 결과에 대한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 시간 지연에 따른 전자밀도 분포의 측정 결과 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 횡방향 플라즈마 채널이 없는 경우의 전자 분포에 대한 모식도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 횡방향 플라즈마 채널이 있는 경우의 전자 분포에 대한 모식도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 가속 입자의 비교 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 횡방향 채널 길이의 비교 그래프이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저-플라즈마 전자빔 가속기에서 에너지 분포의 비교 그래프이다.

Claims

레이저를 이용하여 전자빔을 발생하는 전자빔 발생 방법에 있어서,

입사 레이저로부터 분리한 제1 프리-펄스를 이용하여 플라즈마 가스 노즐 내부에 전자빔 방향으로 플라즈마 밀도전이를 형성한 종방향의 플라즈마 채널을 형성하는 단계;

상기 입사 레이저로부터 분리한 제2 프리-펄스를 이용하여 상기 플라즈마 가스 노즐 내부에 상기 전자빔 방향을 가로지르도록 형성한 횡방향의 플라즈마 채널을 형성하는 단계;

상기 입사 레이저로부터 분리한 다른 펄스로부터 상기 제1 프리-펄스 또는 상기 제2 프리-펄스 보다 펄스폭이 좁은 압축된 레이저 펄스를 생성하여, 상기 압축된 레이저 펄스로부터 메인-펄스와 프로브-펄스로 분리하는 단계;

상기 메인-펄스를 이용하여 상기 플라즈마 가스 노즐 내부의 플라즈마에 전자를 주입하여 가속된 전자빔을 생성하는 단계; 및

상기 프로브-펄스를 상기 플라즈마 가스 노즐 내부로 통과시켜 나오는 빛을 카메라로 촬영하여 플라즈마 상태를 모니터링하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 방법.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 상태를 모니터링하는 단계에서,

각각의 미러를 이용하여 상기 프로브-펄스를 서로 다른 복수의 방향들에서 상기 플라즈마 가스 노즐 내부로 입사시키고 해당 방향에서 통과된 빛을 각각의 카메라로 촬영하여 해당 방향의 플라즈마 상태를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 방법.
제1항에 있어서,

미러군을 이용하여 상기 제1 프리-펄스 또는 상기 제2 프리-펄스를 시간 지연시켜 상기 종방향의 플라즈마 채널의 구조 또는 상기 횡방향의 플라즈마 채널의 구조를 바꾸는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 방법.
제3항에 있어서,

상기 종방향의 플라즈마 채널의 구조는 상기 플라즈마 밀도전이의 분포를 포함하고, 상기 횡방향의 플라즈마 채널의 구조는 횡방향 채널 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 방법.
레이저를 이용하여 전자빔을 발생하는 전자빔 발생 장치에 있어서,

입사 레이저로부터 제1 프리-펄스와 제2 프리-펄스로 분리하는 빔 분리 수단;

내부로 유도되는 상기 제1 프리-펄스에 따라 전자빔 방향으로 플라즈마 밀도전이를 형성한 종방향의 플라즈마 채널을 형성하고, 내부로 유도되는 상기 제2 프리-펄스에 따라 상기 전자빔 방향을 가로지르도록 형성한 횡방향의 플라즈마 채널을 형성하는 플라즈마 가스 노즐;

상기 입사 레이저로부터 분리한 다른 펄스로부터 상기 제1 프리-펄스 또는 상기 제2 프리-펄스 보다 펄스폭이 좁은 압축된 레이저 펄스를 생성하는 압축기; 및

상기 압축된 레이저 펄스로부터 메인-펄스와 프로브-펄스로 분리하는 제2 빔 분리 수단을 포함하고,

상기 플라즈마 가스 노즐은 상기 메인-펄스를 이용하여 내부의 플라즈마에 전자를 주입하여 가속된 전자빔을 생성하고, 상기 플라즈마 가스 노즐 내부로 상기 프로브-펄스를 통과시켜 나오는 빛을 카메라로 촬영하여 플라즈마 상태를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 장치.
제5항에 있어서,

상기 제1 프리-펄스를 시간 지연시켜 상기 종방향의 플라즈마 채널의 구조를 바꾸기 위한 제1 미러군; 및

상기 제2 프리-펄스를 시간 지연시켜 상기 횡방향의 플라즈마 채널의 구조를 바꾸기 위한 제2 미러군

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 장치.