KR101311468B1

KR101311468B1 - 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101311468B1
Application number: KR1020110124315A
Authority: KR
Inventors: 이병섭; 원미숙; 윤장희; 최세용; 박진용
Original assignee: 한국기초과학지원연구원
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-09-25
Also published as: KR20130058353A; WO2013077556A1

Abstract

전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석은, 내부 구조체; 및 상기 내부 구조체의 외주면에 서로 이격하여 배열되는 복수 개의 코일을 포함하는 폴 자석부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수 개의 코일 각각은, 상기 내부 구조체로부터의 거리가 증가할수록 단면적이 증가하는 계단형 구조를 가질 수 있다. 상기 ECR 이온원 장치용 자석은 코일이 권선된 모양이 계단형 구조를 갖도록 함으로써 전자기력을 받는 영역을 분산시킬 수 있으며, 코일 사이에 쐐기가 삽입되는 각도를 감소시켜 쐐기가 자체 잠김력을 획득하도록 할 수 있는 이점이 있다.

Description

전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석 및 이의 제조 방법{MAGNET FOR ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE ION SOURCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

실시예들은 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석 및 ECR 이온원 장치용 자석의 제조 방법에 대한 것이다.

일반적으로 이온원 장치가 필요한 여러 응용 장치에 있어 상대적으로 저렴한 비용으로 요구되는 이온을 발생시킬 수 있는 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치가 여러 응용 분야에서 사용되고 있다. ECR 이온원 장치는, ECR을 발생시키기 위한 자기장을 인가하기 위하여 자석을 포함한다. 일 예로, 대한민국 공개특허공보 특2000-0007386호에는 코일이 권취된 레이스트랙(racetrack)형 초전도 자석이 개시된다.

ECR 이온원 장치에 사용되는 종래의 자석의 경우, 권선 후 진공 함침(vacuum impregnation)을 시행하며, 헥사폴(hexapole) 코일의 조립 시 각각의 코일 사이의 간극에 티타늄 쐐기를 박고, 조립된 헥사폴 코일에 와이어를 추가 보강 권선함으로써 구조적 안정성을 확보하고 있다. 그러나, 초전도 자석의 경우 진공 함침 재료에 따라 저온 수축의 차이가 발생하고, 좁은 영역에 강한 전자기력이 작용하므로 추가로 고가의 액체 금속을 삽입할 필요가 발생하는 등 구조적 건전성을 유지하는데 어려움이 있다. 또한, 레이스트랙형으로 권선되는 헥사폴 코일을 구조상 보강하는 쐐기의 각도가 약 60도를 유지하게 되어 있어 쐐기의 자체 잠김 효과가 작으며, 이를 보강하기 위한 보강 와이어를 사용하는 데에 추가적인 공간 및 비용이 소요된다. 이상의 문제점을 해결하기 위해 레이스트랙 말굽형 헥사폴 코일을 사용하는 경우가 있으나, 레이스트랙 말굽형 헥사폴 코일은 수작업 의존성이 높아 제작 비용과 시간의 증대를 가져온다.

더욱이, 고성능의 ECR 이온원 장치를 구현하기 위해서는 보다 높은 자기장의 실현이 요구되므로, 자석의 구조적 안정성 및 효율성에 대한 이상의 문제는 차세대 ECR 이온원 장치의 개발에 큰 걸림돌이 되고 있다.

공개특허공보 특2000-0007386 호

본 발명의 일 측면에 따르면, 제작이 용이한 기존의 레이스트랙(racetrack)형 권선을 유지하면서 코일 단면적을 효과적으로 활용함으로써 높은 자기장을 생성시키고 선재의 소모를 감소시킬 수 있는 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석 및 ECR 이온원 장치용 자석의 제조 방법을 제공할 수 있다.

일 실시예에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석은, 내부 구조체; 및 상기 내부 구조체의 외주면에 서로 이격하여 배열되는 복수 개의 코일을 포함하는 폴 자석부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수 개의 코일 각각은, 상기 내부 구조체로부터의 거리가 증가할수록 단면적이 증가하는 계단형 구조를 가질 수 있다.

또한, 상기 복수 개의 코일은 상기 내부 구조체의 외주면에 일정한 간격으로 배열된 6개의 코일을 포함할 수도 있다. 즉, 상기 폴 자석부는 헥사폴(hexapole) 자석으로 구성될 수 있다.

일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치용 자석의 제조 방법은, 내부 구조체를 제공하는 단계; 및 상기 내부 구조체의 외주면에 서로 이격하여 배열되며, 상기 내부 구조체로부터 거리가 증가할수록 단면적이 증가하도록 권선된 복수 개의 코일을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석에 의하면, 헥사폴(hexapole) 자석 등에서 코일이 권선된 형상이 계단형 구조를 갖도록 함으로써 전자기력을 받는 영역을 분산시킬 수 있으며, 코일 사이에 쐐기가 삽입되는 각도를 감소시켜 쐐기의 자체 잠김력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제작이 용이한 레이스트랙(racetrack)형 권선을 유지하면서 코일 단면적을 효과적으로 활용함으로써 높은 자기장을 생성시키고 선재를 절약할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 ECR 이온원 장치용 자석의 하나의 코일의 저면도이다.
도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 코일의 측면도들이다.
도 4는 도 2에 도시된 코일의 평면도이다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.

도 1은 일 실시예에 따른 전자 맴돌이 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 이온원 장치용 자석의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치용 자석은 내부 구조체(1) 및 폴 자석부(2)를 포함할 수 있다. 내부 구조체(1)는 ECR 이온원 장치용 자석을 구조적으로 지지하기 위한 부분이다. 예컨대, 내부 구조체(1)는 원통 형상의 구조물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

폴 자석부(2)는 이온의 ECR 현상을 유도하기 위한 자기장을 인가하는 부분이다. 폴 자석부(2)는 복수 개의 코일(21)을 포함할 수 있다. 복수 개의 코일(21)은 내부 구조체(1)의 외주면에 서로 이격하여 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 복수 개의 코일(21)은 내부 구조체(1)의 외주면에 일정한 간격으로 배열된 6개의 코일(21)을 포함할 수도 있다. 즉, 폴 자석부(2)는 6개의 코일(21)을 포함하는 헥사폴(hexapole) 자석일 수 있다. 폴 자석부(2)는 각각의 폴에 해당하는 중심 영역(22)에 위치하는 보빈(bobbin)을 포함할 수도 있으며, 또는 보빈은 코일(21)의 권선이 완료된 후 제거되어 폴 자석부(2)에 포함되지 않을 수도 있다. 또한, 폴 자석부(2)는 내부 구조체(1) 및 복수 개의 코일(21)을 둘러싸는 폴 자석 지지 구조체(23)를 더 포함할 수도 있다.

도 2는 도 1에 도시된 ECR 이온원 장치용 자석에서 어느 하나의 코일을 나타내는 저면도이며, 도 3a 및 3b는 상기 코일의 측면도이고, 도 4는 상기 코일의 평면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 ECR 이온원 장치용 자석에서 코일(21)은 계단형 구조를 가질 수 있다. 코일(21)은 복수 개의 단으로 선재를 감아 이루어질 수 있는데, 이때 각 단에서 코일(21)의 단면적이 상이하도록 선재의 권선 수를 조절할 수 있다. 그 결과, 코일(21)은 내부 구조체로부터의 거리가 증가할수록 코일(21)의 단면적이 증가하는 계단형 구조를 가질 수 있다. 도 2는 코일(21)의 단면적이 가장 작은 면에서 바라본 형태를 도시하며, 코일(21)의 단면적이 점차 증가하는 계단형 구조의 각 단을 확인할 수 있다. 반면, 도 4는 코일(21)의 단면적이 가장 큰 면에서 바라본 형태를 도시하며, 따라서 계단형 구조의 각 단은 점선으로 도시되었다.

다시 도 1을 참조하면, 일 실시예에서 ECR 이온원 장치용 자석은 내부 구조체(1) 및 폴 자석부(2)를 둘러싸는 솔레노이드 자석부(4)를 더 포함할 수도 있다. 솔레노이드 자석부(4)는 ECR 현상을 발생시키기 위하여 플라즈마 내의 전자를 가두기 위한 자기장을 제공하는 부분이다.

또한 일 실시예에서, ECR 이온원 장치용 자석은 연결 구조체(3) 및/또는 자석 조합체(5)를 더 포함할 수도 있다. 연결 구조체(3) 또는 자석 조합체(5)는 내부 구조체(1), 폴 자석부(2) 및 솔레노이드 자석부(4)로 이루어지는 구조를 서로 결합하여 구조적으로 지지하기 위한 부분이다. 연결 구조체(3)는 빈 공간으로 존재할 수도 있고 구조적 보강과 열 전달을 용이하게하기 위한 재료로 채우질 수도 있으며, 자석 조합체(5)는 구조적 보강과 열전달에 용이한 재료로 이루어 질 수 있다. 이상에서 설명한 실시예에 따른 ECR 이온원 장치용 자석은, 제작이 용이한 기존의 레이스트랙(racetrack)형 권선을 유지하면서도 복수 개의 코일(21) 각각의 계단형 구조로 인하여 전자기력을 받는 영역이 분산되어 구조적으로 안정하다. 또한, 코일의 조립시 각각의 코일(21) 사이에 쐐기(미도시)를 삽입할 수 있는데, 코일(21) 각각의 계단형 구조로 인하여 쐐기가 삽입될 인접 코일(21) 사이의 영역의 각도(θ)가 종래의 자석의 경우에 비하여 감소되어 쐐기에 의한 자체 잠김력을 향상시킬 수 있다. 나아가, 요구되는 중심부 주변의 자기장을 높이기 위해 코일(21) 단면적을 효과적으로 활용함으로써 중심부에 보다 근접한 곳에 단면적을 크게하여 보다 높은 자기장을 생성하면서도 코일(21)에 소요되는 선재를 절약할 수 있다.

이하에서는, 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 ECR 이온원 장치용 자석의 제조 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 자석의 구조적 지지를 위한 내부 구조체(1)를 준비할 수 있다. 다음으로, 내부 구조체(1)의 외주면에 서로 이격된 복수 개의 코일(21)을 형성함으로서 폴 자석부(2)를 형성할 수 있다. 복수 개의 코일(21)은 내부 구조체(1)의 외주면에 일정한 간격으로 배열된 6개의 코일(21)을 포함할 수도 있으며, 이 경우 폴 자석부(2)는 헥사폴 자석일 수 있다. 각각의 코일(21)은 폴 위치에 해당하는 중심 영역(22)에 보빈을 위치시키고 보빈에 선재를 감아 형성될 수 있다. 권선에 있어서 에폭시를 바르면서 선재를 감아 코일(21)을 형성할 수도 있고 코일(21)을 권선 완료한 후 에폭시를 진공 함침할 수도 있다. 코일(21)의 권선이 완료된 후 보빈은 제거될 수 있으며, 또는 제거되지 않고 폴 자석부(2)에 포함될 수도 있다.

복수 개의 코일(21)을 형성하는 과정에 있어서, 각각의 코일(21)은 내부 구조체(1)로부터의 거리가 증가할수록 코일(21)의 단면적이 증가하는 계단형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 선재를 복수 개의 단으로 권취하여 코일을 형성하되, 내부 구조체(1)에 인접한 방향을 아래로 지칭하고 내부 구조체(1)로부터 먼 방향을 위로 지칭하면, 인접하는 두 단 중 윗단의 권선수가 아랫단의 권선수에 비해 크도록 선재를 감아 코일(21)을 형성할 수 있다. 이때 선재의 권선 방향은 아랫단으로부터 윗단의 방향일 수도 있으며, 또는 그 반대 방향일 수도 있다.

일 실시예에서는, 계단형 구조의 코일(21)을 형성하는 과정에서 계단형 구조의 각 단의 권선이 완료된 후 권선상에 보강재(미도시)를 형성하는 단계를 포함할 수도 있다. 보강재는 금속, 에폭시(epoxy) 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 에폭시는 G10 등 유리 에폭시일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 계단형 구조의 각 단에 보강재를 형성하였을 경우에는, 코일(21)의 형성이 완료된 후 보강재를 절단하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 보강재는 향후 삽입될 쐐기의 자체 잠김 효과를 고려하여 적절한 각도로 절단될 수 있다.

일 실시예에서는, 내부 구조체(1) 및 폴 자석부(2)를 둘러싸는 폴 자석 지지 구조체(23)를 형성할 수도 있다. 예컨대, 복수 개의 코일(21)의 권선이 완료된 후 진공 함침 또는 다른 방법에 의하여 내부 구조체(1) 및 복수 개의 코일(21)상에 존재하는 공기, 수분 또는 다른 분순물을 제거하고 형성된 코일(21)을 중심부을 기준으로 6개의 조합으로 배열한 후 쐐기는 기타 금속, 에폭시 또는 적당한 물질을 이용하여 구조적 안정성을 확보할 수 있도록 폴 자석 지지 구조체(23)를 형성할 수도 있다.

일 실시예에서는, 내부 구조체(1) 및 폴 자석부(2)를 둘러싸는 솔레노이드 자석부(4)를 형성할 수도 있다. 폴 자석부(2)가 이온의 ECR 현상을 유도하기 위한 자기장을 인가하는 부분인 반면, 솔레노이드 자석부(4)는 플라즈마 내의 전자를 가두기 위한 자기장을 제공하기 위한 부분이다. 나아가 일 실시예에서는, 연결 구조체(3) 및/또는 자석 조합체(5)을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims

원통 형상의 내부 구조체; 및
상기 내부 구조체의 외주면에 서로 이격하여 배열되는 복수 개의 코일을 포함하는 폴 자석부를 포함하되,
상기 복수 개의 코일 각각은 선재가 복수 개의 단으로 권취되어 형성되며,
상기 복수 개의 단은, 상기 복수 개의 단 중 가장 아래의 단이 상기 내부 구조체와 가장 인접하여 위치하며 아랫단으로부터 윗단을 향할수록 각 단의 권선수가 증가하는 계단형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석.
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 코일은 상기 내부 구조체의 외주면에 일정한 간격으로 배열된 6개의 코일을 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석.
제 1항에 있어서,
상기 폴 자석부의 외주면을 둘러싸도록 배치된 솔레노이드 자석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석.
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 코일 각각에 위치하는 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석.
원통 형상의 내부 구조체를 제공하는 단계; 및
상기 내부 구조체의 외주면에 서로 이격하여 배열되는 복수 개의 코일을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 복수 개의 코일 각각은 선재가 복수 개의 단으로 권취되어 형성되며,
상기 복수 개의 단은, 상기 복수 개의 단 중 가장 아래의 단이 상기 내부 구조체와 가장 인접하여 위치하며 아랫단으로부터 윗단을 향할수록 각 단의 권선수가 증가하는 계단형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석의 제조 방법.
제 5항에 있어서,
상기 코일을 형성하는 단계는,
상기 계단형 구조의 각 단에 대응되는 권선을 형성하는 단계; 및
상기 각 단에 대응되는 권선상에 보강재를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석의 제조 방법.
삭제
제 5항에 있어서,
상기 복수 개의 코일은 상기 내부 구조체의 외주면에 일정한 간격으로 배열된 6개의 코일을 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석의 제조 방법.
제 5항에 있어서,
상기 내부 구조체 및 상기 복수 개의 코일을 둘러싸는 솔레노이드 자석을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 맴돌이 공명 이온원 장치용 자석의 제조 방법.