KR101564360B1 - 고속 이온 생성 시스템 및 그 생성 방법 - Google Patents

고속 이온 생성 시스템 및 그 생성 방법 Download PDF

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이섬 리서치 디벨러프먼트 컴파니 오브 더 히브루 유니버시티 오브 예루살렘 엘티디.
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Abstract

본 발명은 고속 이온의 빔을 생성하는 시스템 및 방법을 개시한다. 상기 시스템은 공통의 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노스케일 특징부를 갖는 패턴의 패턴화된 표면을 지니는 타겟 기판 및 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔을 수광하고 상기 타겟 기판의 패턴화된 표면상에 상기 전자기 방사 빔을 집중하여 고속 이온의 생성을 가능하게 하는 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 상호작용을 야기하도록 구성된 빔 유닛을 포함한다.

Description

고속 이온 생성 시스템 및 그 생성 방법{A system for fast ions generation and a method thereof}
본 발명은 고속 이온 생성 시스템 및 그 생성 방법에 관한 것이다.
고속 이온 빔 (ion beams)은 방사성 동위 원소 (radioactive isotope)의 생성, 중성자 생성, 방사선 촬영, 핵융합, 및 다양한 형태의 방사선 치료를 포함하는 다양한 어플리케이션에 대해 관심이 집중되고 있다. 고속 이온 빔은 보통 사이클로트론 (cyclotron) 또는 싱크로트론 (synchrotron)과 같은 다양한 구성의 가속기들에서 생성된다. 가속기들은 운전 및 유지에 비용이 많이 드는 비교적 대형인 고가의 기계이다. 초고강도 및 전기장을 제공할 수 있는 레이저의 개발로, 레이저 광 전기장에 물체를 노출시켜 고속 이온을 생성하는 연구가 진행되었고 비교적 저렴한 고속 이온 소스를 제공하는 레이저의 사용에 대한 관심이 생겼다. US 6,906,338에는 "약 1 내지 500 펨토 초 (femtoseconds: fs)의 펄스 길이를 갖는" 레이저 펄스의 사용이 개시되어 있으며, 상기 레이저 펄스는 약 10l8 내지 약 1023 (Watts/cm2) (W/cm2)의 에너지 밀도에 집중되어 의료 목적에 사용될 수 있는 양성자와 같은 에너지 이온의 고 플럭스를 생성한다. 이러한 펄스들은 다양한 디자인의 타겟들과 상호작용하여 방사 성분들을 제공하도록 안내되며, 상기 방사 성분들은 "이온 (예컨대, 양성자), x 선, 전자, 펄스 102의 잔부(殘部) 및 상이한 에너지 성분 (예컨대, 특정 에너지 밴드 또는 윈도우 내의 MeV, 수십 MeV, 및 수백 MeV)의 상이한 종들을 포함한다." 상기 타겟들은 펄스의 프리-펄스 (pre-pulse) 에너지를 흡수하기 위한 박막층을 포함할 수 있다. 빔 운반 시스템에 의해, 타겟에서 생성되고 소정의 빔 에미턴스 및 에너지를 갖는 양성자와 같은 이온이 치료 어플리케이션을 위한 "처치 영역 (treatment field)"으로 전파될 수 있다. 상기 특허에는 레이저 펄스의 전파 방향에 대해 상대적으로 다운 스트림의 타겟의 측부에서 오목하며 그루브를 갖거나 또는 파이버, 클러스터 또는 폼 (foam)을 포함하여 형성될 수 있는 타겟들이 개시되어 있다. "그루브 (groove: 402), 파이버 (404), 클러스터 (406) 또는 폼 (408)의 크기는 펄스 필드 내의 전자 편위 (electron excursion)의 크기보다 작게 (약 1 마이크론보다 작게) 디자인될 수 있다.
물리 학회지인 어플라이드 피직스 레터즈 제90권, 041501 (2007)에 실린 T. 펄천 (Palchan)과 그의 동료 명의의 논문 "스노우 클러스터로의 고 강도의 짧은 레이저 펄스의 효율적 커플링 (Efficient Coupling of High Intensity Short Laser Pulses into Snow Clusers)"은 2007년 1월 24일 본 발명의 동일 발명자들 중의 일부에 의해 온라인 출판되었으며 본 명세서에 참조로 포함되는데, 여기에는 "레이저 파장보다 짧은 직경을 갖는 가늘고 긴 스노우플레이크 (snowflake)"를 포함하는 타겟에 강력한 레이저 광을 커플링하는 것이 기재되어 있다. 스노우플레이크들은 진공 챔버 내에 배치되며 -70℃ 아래로 냉각된 사파이어 (Al2O3) 기판상에 형성된다. 본 발명자들은 약 1x1015 W/cm2 내지 약 2x1016 W/cm2 의 강도로 스노우플레이크들 상에 집중된 800 nm 파장의 레이저 광의 펄스의 에너지의 약 94%가 스노우플레이크들에 의해 흡수된다는 것을 발견했다. 상기 펄스는 약 150 fs의 펄스 폭 및 약 IO-3의 콘트라스트 비를 가졌다.
물리 학회지인 어플라이드 피직스 레터즈 제91권 251501 (2007)에 실린 T. 펄천 (Palchan)과 그의 동료 명의의 다른 논문 "스노우 나노튜브로의 고 출력 레이저의 효율적 커플링에 의한 고속 이온 생성"은 2007년 12월 18일 본 발명의 동일 발명자들 중의 일부에 의해 온라인 출판되었는데, 여기에는 "중간 강도, I ~ 1016 _ 1017 W/cm2의 짧은 레이저 펄스와 스노우 나노튜브와의 상호작용 동안의 고속 이온의 생성"이 기재되어 있다. 상기 논문은 본 명세서에 참조로 포함되는데, 여기에서는 100 keV에 이르는 운동 에너지를 갖는 수소와 같은 (H-like) 그리고 헬륨과 같은 (He-like) 산소가 상기 상호작용에서 생성된 것으로 언급되어 있다. 스노우 나노튜브의 타겟은 "H2O 증기를 진공 내에서 100 K의 온도에서 1 mm 두께의 사파이어 (Al2O3) 플레이트 상에 증착함으로써 성장시킨 스노우 클러스터이었다". 상기 스노우 클러스터는 약 100 마이크론 두께의 사파이어 기판상에 층을 형성하도록 무작위로 (randomly) 증착되었으며 "0.01 - 0.1 μm 범위의 특징적인 크기를 갖는 가늘고 긴 클러스터"를 포함하였다.
본 발명자들은 소정의 강도의 고 출력 코히어런트 (coherent) 전자기 방사에 대하여, 전술한 논문들에 기재되어 있는 것과 같은 비-배향 (non-oriented) 타겟 (T)이, 상기 방사 빔과 상호작용하여 비교적 높은 에너지 이온의 비교적 큰 플럭스를 생성시키는 경향이 있다는 것을 발견하였다.
현재 본 발명자들은 배향 패턴화된 타겟 (oriented patterned target; OPT)을 생성하였으며 이와 같은 배향 패턴화된 타겟 (OPT)과 입사 전자기 방사와의 상호작용을 조사하였다. 타겟 기판 표면상의 패턴은 특정의 공통 축을 따라 균일하게 배향된, 특정의 길이 방향 축들을 갖는 패턴 특징부 (소위 "가늘고 긴 특징부")를 갖는다. OPT의 이와 같은 패턴 특징부는 와이어와 같은 (wire-like) 요소들, 예컨대 나노-와이어들, 필라멘트들 등에 의해 구성될 수 있다. 이 배향 패턴 특징들은 OPT 표면상에 거칠기 (roughness)를 나타내는데, 이 거칠기는 연속 표면 릴리프 (continuous-surface relief)로서 구현될 수도 있고 연속 표면 릴리프로서 구현되지 않을 수도 있다.
이와 같은 OPT의 사용에 의해, 높은 운동 에너지를 갖는 고속 이온 생성에 기여하는 OPT 내에 커플링하는 방사의 효율을 증강하기 위해 입사 전자기 방사의 매개변수(들)를 최적화하는 것이 가능해진다. 이와 같은 최적화 가능한 매개변수들로서는 OPT 표면상의 전자기 방사 빔의 입사 각 및/또는 입사 빔의 편광을 포함한다. 아래에서 부연 설명되겠지만, 입사 각은 소위 "그레이징 각 (grazing angle)", 즉 빔 전파 축과 OPT 표면 사이의 45° 미만의 각 (또는 빔 전파 축과 OPT 표면의 법선 간의 각인 "입사각"의 의미에서 45°를 초과하는 각도)이다. 여기서 이해하여야 할 점은 그레이징 각의 최적값 (강도, 방위각, 앙각(仰角; elevation)은 최적의 고속 이온 빔의 생성을 달성하기 위해, 패턴의 임계 크기 (핏 (pit)의 깊이를 포함함) 및 배향 (orientation)의 방향에 따라 적절히 선택 및/또는 점진적으로 변화되어야 한다는 점이다.
편광된 전자기 방사, 예컨대 선형 편광과 관련하여, 이것이 소정의 원하는 편광 방향을 갖는 광을 의미하는 것이라고 이해되어야 한다. 상기 편광 방향은 OPT의 배향 축에 대하여 상대적으로 선택되었고, 이온의 플럭스 (flux) 및 에너지는, 비-배향 타겟 (T)과 비교하여 증강된 것으로 생각된다. 따라서, OPT 타겟의 사용은, 비교적 큰 플럭스에서 비교적 고속의 이온을 생성하기 위해 T 타겟을 사용하는 것보다 효율적이다.
무작위로 배향된 필라멘트들을 포함하는 타겟은 "타겟 (T)"로 지칭되며, 원하는 배향의 방향을 보이는 표면 패턴를 갖는 타겟은 "배향 패턴화된 타겟(OPT)"으로 지칭되는 것으로 이해되어야 한다. 특히, 약 5x1O19 W/cm2 와 약 5x102O W/cm2 사이의 강도를 갖는 레이저 펄스가 OPT 타겟과 상호작용하여 약 20 MeV와 200 MeV 사이의 에너지를 갖는 양성자의 버스트 (burst)를 생성하게 된다. 상기 버스트는 106 개의 양성자보다 많은, 107 개의 양성자보다 많은, 108 개의 양성자보다 많은, 109 개의 양성자보다 많은 또는 심지어 1010 개의 양성자보다 많은 양성자를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 고속 이온 (고속 이온의 빔)을 생성하는 새로운 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 시스템은 특정의 축/공통의 축을 따라 실질적으로 일정하게/균일하게 배향된 (즉, 소정의 배향 방향을 갖는) 나노스케일 특징부(즉, 거칠기)를 갖는 표면 릴리프 (즉, 나노스케일 패턴 특징부를 포함하는 패턴의 패턴화된 표면)를 지니는 타겟 기판 및 고 출력 코히어런트 전자기 방사 소스 (예컨대 레이저)와 함께 사용되는 빔 유닛을 포함한다. 상기 빔 유닛은 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔을 수광하고 상기 타겟 기판의 패턴화된 표면상에 상기 전자기 방사 빔을 집중하여 고속 이온의 생성을 가능하게 하는 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 상호작용을 야기하도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 빔 유닛은 상기 전자기 방사 비임을 상기 타겟 기판의 상기 패턴화된 표면상에 소정의 그레이징 각 (grazing angle)으로 향하게 하도록 구성된다. 상기 그레이징 각은 상기 상호작용이 원하는 높은 운동 에너지의 고속 이온의 생성을 가능하게 하는데 효율적인 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 커플링 (coupling)을 제공하도록 상기 패턴에 따라 선택된다.
여기서 유념해야 할 점은 일반적으로 상기 그레이징 각이 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 표면 사이의 각도, 즉, 90°에서 입사각을 뺀 각도를 지칭한다는 점이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 그레이징 각은 45°보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 상기 그레이징 각은 약 20°- 40°(즉, 50°- 70°의 입사각) 범위이다 .
몇몇 실시예들에서, 상기 전자기 방사 빔은 소정의 편광 방향을 가지며. 상기 편광 방향은 상기 상호작용이 원하는 높은 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 생성을 가능하게 하는데 효율적인 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 커플링 (coupling)을 제공하도록 선택되는 상기 편광 방향과 상기 타겟 기판의 상기 패턴 특징부의 배향 축 사이의 특정 각을 정의한다.
따라서, 상기 전자기 방사 빔의 편광 방향과 상기 타겟 기판의 패턴 특징부의 배향 축 사이의 각과 그레이징 각은 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 상호작용이 고속 이온의 생성을 가능하게 하는데 효율적인 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 커플링을 제공하도록 선택된다. 이에 의해, 본 발명은 비교적 많은 양의 이온을 생성하는 이온 소스를 제공하는 것을 가능하게 한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 편광 방향과 상기 배향 축 간의 각은 0°- 30°범위이다.
본 발명의 시스템은 5 MeV; 50 MeV; 100 MeV; 150 MeV; 200 MeV 중 적어도 하나와 대략 동일하거나 이보다 큰 운동 에너지를 갖는 고속 이온을 제공한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이온은 양성자를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이온은 산소 이온를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 시스템은 OPT의 배향 방향에 대하여 상이한 각으로 편광 방향을 선택적으로 조정하도록 구성되고 동작가능한 빔 유닛을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 상기 전자기 방사 빔은 OPT의 배향 방향과 관련하여 원하는 편광 방향을 갖는 편광 빔을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 편광 방향은 상기 배향 축에 실질적으로 평행하다.
몇몇 실시예들에서, 상기 빔 유닛은 편광 방향이 배향 방향에 실질적으로 평행하도록 상기 편광 방향을 향하게 하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 상기 빔 유닛은 편광 방향이 배향 방향에 대해 비교적 작은 각 (0°- 30°)을 갖도록 상기 편광 방향을 향하게 하도록 구성된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 빔 유닛은 상기 전자기 방사 빔이 1016 W/cm2, 1017 W/cm2, 1018 W/cm2, 1019 W/cm2, 1020 W/cm2 중의 적어도 하나와 대략 같거나 이보다 큰 최대 강도를 갖는 타겟 내의 스포트 크기 (spot size)에 상기 전자기 방사 빔을 집중시키도록 구성되고 동작 가능하다.
이 관계에서 이해해야 할 점은 강도
Figure 112014105186606-pct00020
(W/cm2)의 레이저 빔에 의해 생성되는 전기장이
Figure 112014105186606-pct00021
(V/cm)이라는 점이다. 5 마이크론의 스포트 직경 (spot diameter)에 집중 (focusing) 되는 1012 Watt의 짧은 강력한 레이저 빔에 대해, 약 6 x 1010 (V/cm)의 전기장이 초점 영역에 생성된다. 이 전기장은 수소 원자 내의 전자들을 구속하는 전기장보다 크다. 따라서, 상호작용 중에, 전자들은 세 가지 메커니즘 중의 하나에 의해 광이온화된다. 주된 프로세스는 레이저 강도 및 이온화 포텐셜 (ionization potential)에 의존하게 된다. 제 1 메커니즘은 다광자 이온화 메커니즘(multi-photon ionization)인데, 여기서는 다수의 광자가 원자에 동시에 충돌 (hit)하여 이온화에 필요한 에너지 갭을 초과한다 (800 nm 빔의 광자 하나가 약 1.5 eV를 갖는다). 제 2 메커니즘은 터널 이온화 메커니즘인데, 여기서는 원자의 전기장이 레이저 빔에 의해 왜곡되고, 감소된 포텐셜 장벽 (barrier)으로 인해 전자가 터널링(tunneling)할 가능성이 무시할 수 없게 된다. 제 3 메커니즘은 장벽을 넘어서는 이온화 메커니즘인데, 여기서는 레이저 빔의 전기장이 이온화 포텐셜과 비교하여 크며, 전자가 본질적으로 자유롭고, 레이저 전기장으로부터 운동 에너지를 얻는다.
Figure 112014105186606-pct00004
로 정의되는 켈디시 (Keldysh) 매개변수는 폰더로모티브 (ponderomotive) 포텐셜인데, 여기서 Ip는 이온화 포텐셜이고,
Figure 112014105186606-pct00022
이다.
Figure 112014105186606-pct00006
이면, 다광자 이온화가 이온화를 위한 주된 메커니즘이다. 본 발명에서, 타겟 상의 초점에서의 전자기 방사 빔은 1016 W/cm2, 1017 W/cm2, 1018 W/cm2, 1019 W/cm2, 1020 W/cm2 중의 적어도 하나와 대략 동일하거나 그보다 큰 최대 강도를 갖는다. 따라서, γ< 1이고 포함된 메커니즘이 제 2 메커니즘이며, 어떤 경우에는 제 3 메커니즘이다. 따라서, 전자기 방사 빔의 리딩 에지 (leading edge)가 타겟에 도달하면, 원자들이 이온화되어, 전자기 방사 빔과 OPT 간의 상호작용이 근본적으로 플라즈마와 뒤섞이게 된다.
몇몇 실시예들에서, 타겟 기판의 패턴화된 표면은 연속적인 표면이며 상기 패턴은 그루브를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 나노스케일 특징부는 가늘고 길 수 있는 이산적인 나노구조를 포함한다.
예컨대, 나노스케일 특징부는 0.5λ; 0.25λ; O.lλ; 0.05λ; 0.02λ 중의 적어도 하나와 대략 같거나 이보다 작은 특징적인 폭 및 λ; 2λ; 5λ;10λ 중의 적어도 하나와 대략 같거나 이보다 큰 특징적인 길이를 갖는다. 본 발명자들은 타겟의 표면 패턴이 타겟과 상호작용하는 전자기 방사 (예컨대, 광 펄스)의 전기장을 위한 전기장 콘센트레이터 (field concentrator)로서의 기능을 수행한다고 생각한다.
특히, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 표면 패턴은 실질적으로 균일한 배향의 방향에 의해 특징 지워지는 필라멘트/나노와이어 층을 포함한다. 이 경우, 전기장 내의 거시적인 (macroscopic) 금속 니들이 그 지점에서 강력한 전기장을 발생시키는 것과 마찬가지로, 또는 플라스몬 (plasmon) 공명에서 측정된 국소적인 전기장 증강과 마찬가지로, 필라멘트는 그 단부에서 레이저 전기장을 집중 (concentration) 및 증폭하는 도전성 니들로서의 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 표면 패턴은 상기 타겟 기판상에 산란되어 있고(scattered) 모두 동일 방향으로 정렬된 나노-크레센트 (nano-crescent) 형상의 구조를 포함한다. 이 경우, 나노-크레센트는 그 단부에 레이저 전기장을 집중 (concentrate) 및 증폭하는 만곡 형상의 도전성 니들로서의 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 필라멘트는 아이스 (ice) 필라멘트이다. 여기서 유념해야 할 점은 본 출원의 문맥 중에서의 "아이스", "스노우", 및 "H2O 증기"라는 용어가 수증기로 만들어지는 패턴 특징부를 지칭하는 것으로 모두 상호교환가능하게 사용된다는 점이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 패턴화된 표면은 1 μm; 10 μm; 20 μm; 50 μm; 100 μm 중의 적어도 하나와 대략 동일하거나 이보다 큰 두께를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 상기 타겟 기판은 사파이어, 실리콘, 탄소 또는 플라스틱 재료 중의 적어도 하나로 만들어진다. 몇몇 실시예에서, 상기 타겟 기판은 상기 타겟 기판에 걸쳐 바이어싱 (biasing) 전기장이 걸린 상태에서, 진공 챔버 내에서 수증기와 상기 기판을 상호작용시켜 전기장을 따라 배향된 나노스케일 특징부를 생성함으로써 만들어진다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전자기 방사 빔은 레이저 광 중 적어도 하나의 펄스를 포함한다. 선택적으로, 상기 펄스는 1 ps; 0.5 ps; 0.2 ps; 0.1 ps; 0.03 ps 중의 적어도 하나와 대략 동일하거나 이보다 작은 기간을 갖는다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 본 발명은 플라즈마 생성을 위한 "프리-펄스(pre-pulse)"를 채용한 새로운 방법을 가능하게 한다. 프리-펄스는 메인 플라즈마 생성 펄스에 선행하는 에너지 펄스이다. 여기서 유념해야 할 점은 일반적으로 프리-펄스가 레이저 증폭의 결과에 의한 것이며 전형적으로는 이 프리-펄스가 선행하는 레이저 광 펄스의 10-3과 10-6 사이의 강도를 갖는다는 점이다. 프리-펄스는 일반적으로 레이저 광 펄스와 타겟 내의 물체와의 상호작용으로 간섭한다. 프리 펄스는 통상 프리-펄스에 이어서, 타겟 표면상에 입사되는 레이저 광 펄스의 에너지를 반사하는 타겟 표면상에 플라즈마를 생성함으로써, 후속하는 광 펄스의 에너지가 타겟과 커플링하는 효율을 감소시킨다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따라, OPT 타겟과 상호작용하는 레이저 펄스를 동반하는 프리-펄스는 타겟의 일부를 애브레이션(ablation) 및 이온화함으로써 소산(消散)되는 것으로 보인다. 본 발명의 일실시예에 따라, 프리-펄스가 OPT 타겟의 일부를 애블레이션 및 이온화함으로써 생성되는 플라즈마는 일반적으로 서브-임계 밀도 플라즈마이고, 상기 프리-펄스와 연관되고 이에 뒤따르는 후속 펄스의 에너지와 강력하게 상호작용하지 않는다. 그 결과, 후속 펄스는 상기 프리-펄스에 의해 생성되는 플라즈마로부터의 간섭이 실질적으로 없이, 타겟의 애블레이션되지 않고 남아 있는 부분과 비교적 효율적으로 상호작용할 수 있다.
레이저 펄스 형태의 에너지 펄스가 바람직하지만, 다른 유형의 에너지 펄스도 상상할 수 있다. 예컨대, 초단 (ultra short) 전자 빔 펄스와 같은 것이 그러하다. 하지만, 아래의 설명에서는 레이저 펄스 형태의 에너지 펄스가 바람직한 예로서 취해질 것이다. 전자기 방사는 보통 메인 (main) 펄스에 선행하는 프리-펄스 (pre-pulse)를 포함하는 레이저 광 펄스일 수 있다. 하지만, 본 발명의 시스템은 매우 낮은 콘트라스트 비 (즉, 프리 펄스가 메인 펄스의 약 10-14의 강도를 지님)에 이르는 레이저 시스템으로 사용될 수도 있다. 상기 빔 소스는 프리-펄스가 약 10 ns와 동일하거나 이보다 큰 주기로 펄스에 선행하도록 제어될 수 있다. 이에 추가하여 또는 대안으로, 상기 표면 패턴은 프리-펄스의 실질적으로 모든 에너지를 흡수하기에 충분한, 상기 표면 패턴 내에서의 빔 경로 길이와 동일하거나 이보다 큰 특징적인 치수를 갖는다.
본 발명의 다른 넓은 관점에 따르면, 고속 이온을 생성하는 방법이 또한 제공된다. 상기 방법은 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔으로 타겟 기판을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 타겟 기판은 공통의 배향 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노스케일 패턴 특징부를 포함하는 패턴의 패턴화된 (patterned) 표면을 갖는다. 상기 패턴과 상기 전자기 방사 빔의 적어도 하나의 매개변수 간의 관계는 상기 전자기 방사 빔의 편광 방향과 상기 배향 축 간의 각, 및 상기 전자기 방사 빔의 입사각 중의 적어도 하나를, 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판의 패턴화된 표면 간의 상호작용이 고속 이온 빔의 생성을 초래하는데 효과적인, 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 커플링을 제공하도록, 선택함으로써 최적화된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 방법은, 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔을 수광하고, 상기 전자기 방사 빔을 원하는 그레이징 각으로 상기 타겟 기판의 표면상에 향하게 하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 방법은, 상기 기판에 걸쳐 바이어싱 (biasing) 전기장이 걸린 상태에서, 진공 챔버 내에서 수증기와 기판을 상호작용시켜 상기 전기장을 따라 실질적으로 균일한 소정의 방향으로 배향된 나노스케일 특징부를 갖는 패턴의 패턴화된 기판 형태의 타겟을 형성함으로써 타겟 기판을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명을 이해하고 이것이 실제로 어떻게 구현되는지를 알기 위해, 이하 첨부 도면을 참조하여 단지 비제한적인 예로만 실시예들이 설명될 것이다.
도 1a-1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온을 생성하는 시스템 및 그 방법의 일반적인 블록 다이어그램을 간략 도시한 것이며;
도 2는 동일한 방사 빔과 상이한 타겟들과의 상호작용을 그래프로 도시한 것이고;
도 3a-3c는 상이한 그레이징 각에서의 방사 빔과 타겟들과의 상호작용을 도시한 것이며;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온을 생성하는 시스템의 일례를 간략 도시한 것이고;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 이온을 생성하는 시스템의 다른 예를 간략 도시한 것이며;
도 6a-6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3에 도시된 타겟과 편광 방사 빔과의 상호작용을 간략 도시한 것이고;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온을 생성하는 시스템의 다른 구성을 도시한 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온의 빔을 생성하는 시스템 (20)의 블록 다이어그램을 간략 도시한 것이며, 상기 시스템 (20)은 전자기 방사 (32)와 상호작용하는 배향 패턴화된 타겟 (oriented patterned target; OPT) (40)을 포함한다. 상기 OPT 기판 (40)은 참조번호 44로 표시되는 특정 축을 따라 실질적으로 동일하게 (homogeneous) 배향된 서브 공명 (sub-resonant) 나노스케일 (nanoscale) 특징부를 갖는 표면 패턴을 갖는다 (즉, 실질적으로 동일한 소정의 배향 방향을 갖는다). 상기 시스템 (20)은 고 출력 코히어런트 전자기 방사 소스 (92)와 함께 사용되는 빔 유닛(90)을 포함하고, 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔을 수광하여 소정의 편광 방향을 갖는 방사 빔을 타겟 기판 표면상에 원하는 그레이징 각 (θ)으로 향하게 하도록 구성되고 동작가능하다. 상기 전자기 방사 빔의 편광 방향과 타겟 기판의 패턴 특징부의 배향 축 간의 각 및 그레이징 각은 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 상호작용이 고속 이온의 생성을 가능하게 하는데 효율적인 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 커플링을 제공하도록 선택된다. 특히, 상기 전자기 방사 빔의 편광 방향은 상기 전자기 방사 빔 (32)과 상기 타겟 기판 (40) 사이의 상호작용이 고속 이온의 생성을 가능하게 하는데 효율적인 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 커플링을 제공하도록 하는 상기 타겟 기판의 배향 축에 대한 소정의 배향을 갖도록 선택된다. 고속 이온 에너지는 (예컨대 산소의 다가 (多價; multicharge) 이온의 x 선 방출 스펙트럼을 통해) 생성된 플라즈마에 의해 방사되는 x 선의 라인 프로파일 (line profile) 측정을 사용하여 검출기에 의해 측정될 수 있다. 상기 검출기는 1.85 - 1.90 nm 파장 범위에서 연 (soft) x 선 스펙트럼을 측정하는 만곡된 운모 결정 (bent mica crystal) (곡률 반경 R=150 mm)을 갖는 고 광도 (high luminosity) 구형 FSSR 분광기일 수 있다. 상기 x 선 스펙트럼은 각 실험에 대한 다양한 노출 시간으로 안도로 (Andor) 제(製)의 배면 조사 x 선 CCD에 의해 기록될 수 있다.
도 1b는 본 발명의 교시에 따라 사용되는 프로세스의 플로우 챠트를 도시한 것이다. 고속 이온을 생성하는 방법은 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔 (예컨대 적어도 1 TW의 출력을 갖는 고 출력 레이저 소스)으로 OPT를 조사하는 단계와 전자기 방사 빔의 편광 방향과 OPT 배향 축 간의 각 및 전자기 방사 빔의 입사각 (즉, 그레이징 각) 중 적어도 하나를, 상기 전자기 방사 빔과 상기 OPT의 패턴화된 표면 간의 상호작용이 고속 이온 빔의 생성을 초래하는데 효율적인 상기 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 커플링을 제공하도록 선택/제어함으로써, 상기 OPT의 패턴과 전자기 방사의 적어도 하나의 매개변수 간의 관계를 최적화하는 단계를 포함한다.
도 2는 방사 빔과 3개의 상이한 레이저-타겟 스킴 (scheme) 간의 상호작용을 그래프로 도시한 것인데, 여기서 사각 및 삼각형의 마크 (mark)들은 짧은 (단) 레이저 펄스 (>100 fsec) 및 초단 (ultrashort) 레이저 펄스 (<100 fsec)에 의해 각각 조사된 고체 타겟에 의해 생성된 이온들이며, 흑색으로 채워진 원은 초단 레이저와 OPT 타겟에 의한 이온이다.
본 도면의 영역 D는 다양한 레이저 구성을 사용하는 분야에서의 상식을 나타낸다. 양성자 에너지는 레이저 강도의 제곱근에 근사적으로 스케일링된다 (즉, E proton ~ I0.6). 본 도면에 명백히 도시된 것과 같이, OPT 타겟 (흑색으로 채워진 원)은 다른 타겟들 (사각 및 삼각형의 마크들)에 의해 획득된 결과보다 약 10배 (order of magnitude) 넘어서는 크기를 제공한다.
특정한 비 제한적인 예에서, 상기 OPT 타겟은 사파이어 기판상에 적층된 H2O 나노와이어에 의해 형성된다. 와이어의 직경은 약 100 nm이며, 그의 길이는 수 마이크로미터이다. 따라서, 와이어는 서브-공명 (sub-resonant)을 이루는데, 예컨대 와이어의 직경은 약 0.8 μm인 조사된 레이저 전기장 파장보다 작다. 본 발명자들은 노광되면, 타겟이 입사광의 95% 이상을 흡수한다는 것을 발견했다, 나아가, 후술되는 바와 같이, 상기 타겟은 통상 타겟에 대한 방사 빔의 커플링을 감소시키는 프리-펄스에 덜 민감하다. 또한, 상기 타겟은 하전 입자의 상호작용 및 가속과 관련이 있는 전기장을 증강한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 타겟의 표면 패턴이 상기 타겟과 상호작용하는 전자기 방사 (예컨대 광 (light) 펄스)의 전기장에 대한 전기장 콘센트레이터 (field concentrator)로서의 기능을 수행한다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 상기 표면 패턴은 배향 방향에 의해 특징 지워지는 필라멘트/와이어 층을 포함한다. 이 경우, 전기장 내의 거시적 (macroscopic) 금속 니들이 그 지점에서 강력한 전기장을 생성하는 것과 마찬가지로, 필라멘트가 그 단부에서 레이저 전기장을 집중 및 증폭하는 도전성 니들로서의 기능을 수행할 수 있다. 와이어 단부에서의 좁은 팁 (tip)의 기하학적 형상의 치수는 상기 전기장에 의해 조사되면, 큰 전하 분리를 일으킨다. 전술한 바와 같이, 고 강도 레이저 펄스는 와이어를 이온화한다. 와이어의 기하학적 형상에 의해 유도되는 전하 분리는 개별 입자들 (전자 및 양성자)과 상호작용하는 레이저의 전기장에 국소적으로 추가된다.
전기장의 증강을 계산하기 위한 주된 매개변수는 기하학적 비 (geometrical ratio; g)인데, 이것은 나노스케일 특징부의 직경과 길이 간의 비이다.
전기장 증강 인자 (field enhancement factor; FEF)는 g와 선형으로 스케일링되는데, 즉,
Figure 112011054732917-pct00007
여기서 Elaser는 조사된 레이저 펄스에 상응하는 전기장이며, Eenhanced는 이온의 가속 프로세스에 포함된 유효 전기장이다.
도 3a-3c가 지금부터 참조되는데, 이 도면들은 상이한 입사각에서 입사하는 전자기 방사 빔과 OPT의 상호작용에 의해 생성된 양성자를 도시한 것이다. 이 특정한 비 제한적인 예에서, 상기 이온 에너지는 특정 에너지 아래의 양성자를 차폐하는 알루미늄 시트로 덮인 CR39 플레이트에 의해 측정된다. 흑색점들은 CR39에서의 이온 마크들을 나타낸다. 도 3a는 참조 목적의 시스템의 배경 레벨을 도시한 것이다. 도 3b는 45°의 입사각으로 패턴화된 표면에 충돌하는 입사 빔과 타겟 간의 상호작용을 도시한 것이다. 양성자 에너지 컷-오프 (cut-off)는 0.5 MeV이다. CR39 플레이트에 의해 덮이는 이온 빔의 입체각은 약 34°(타겟에 대해 수직임)이다. 도 3c는 60°의 입사각(즉, 30°의 그레이징 각)으로 패턴화된 표면에 충돌하는 입사 빔과 타겟 간의 상호작용을 나타낸 것이다. 양성자 에너지 컷-오프는 5 MeV이다. CR39 플레이트에 의해 덮이는 이온 빔의 입체각은 약 5°(타겟에 대해 수직임)이다. 따라서, OPT의 사용에 의해, 높은 운동 에너지로 고속 이온의 생성에 기여하는 OPT로의 방사 커플링의 효율(예컨대, 에너지 컷-오프 및 입체각)을 증강하기 위하여, 입사 전자기 방사의 매개변수(들), 본 예에서는 입사각을 최적화할 수 있음이 분명하게 나타나게 된다. 본 도면들은 OPT 표면 상에의 전자기 방사 빔의 그레이징 각의 변화의 최적화를 도시한 것이다. 따라서, 상기 입사각은 빔 전파 축과 OPT 표면에 대한 법선 간의 각이며 45°보다 커야 한다(작은 그레이징 각). 이 특정 예에서, 약 60°의 그레이징 각에서의 OPT의 조사는 적어도 36 배의 양의 고속 이온 (예컨대 양성자)을 생성한다. 고속 이온 빔은 적어도 10 배 높은 운동 에너지를 갖는다. 본 발명의 교시에 따르면, 그레이징 각을 점진적으로 적절히 변화시키고 생성된 고속 이온 빔의 성질을 측정함으로써 최적 각이 결정될 수 있다. 여기서 이해하여야 할 점은 상기 그레이징 각의 실제 값이 특히 패턴의 특징, 예컨대 그루브의 높이에 의존한다는 점이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자기 방사와 상호작용하는 배향 패턴화된 타겟 (OPT) (40)을 포함하는, 고속 이온을 생성하는 시스템 (20)의 일례를 간략 도시한 것이다. 방사 빔 (32)은 원하는 그레이징 각 (θ)에서 타겟 (40)을 향하게 된다. 방사 빔 (32)은 화살표 (34)로 표시되는 소정의 편광 방향을 갖는다. 예컨대, 빔 유닛 (30)은 원 (60)에 의해 간략 도시된 OPT (40)의 초점 (focal) 영역에 집중되는 편광 레이저 빔 펄스를 제공하도록 제어될 수 있다.
이 특정한 비 제한적인 예에서, OPT (40)의 표면 패턴은 타겟 받침대 (50) 상에 형성되며 이에 의해 지지되는 배향 필라멘트를 포함한다. 화살표 (44)는 나노스케일 특징부 (42) 및 OPT (40)의 배향을 특징 지우는 배향 방향을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서, 편광 방향 (34)은 OPT (40)의 배향 방향(44)에 실질적으로 평행하다.
받침대 (50)는 당해 분야에서 공지된 다양한 기술 중 어느 하나에 따라 구성된 냉각 유닛 (52)과 결합된 사파이어 기판 (51)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 냉각 유닛 (52)은 사파이어 기판 (51)으로부터 열을 제거하기 위해 열 교환기를 통해 액화 질소를 펌핑 (pumping) 하는 액화 질소 순환 시스템 (미도시)에 결합된 Cu 열 교환 블록 (54)을 포함한다. 상기 기판은 전원 (55)에 접속된 바이어스 전극 (56)들 사이에 개재된다. OPT (40) 및 받침대 (50)는 진공 챔버 (미도시) 내에 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 OPT (40)를 형성하기 위해, 진공 챔버 내의 압력이 약 5 x 10-4 mBar 내지 약 10-5 mBar 로 감소되며, 냉각 유닛은 기판 (51)을 약 80°K로 냉각하기 위해 동작된다. 전원 (55)은 배향 방향 (44)에 평행한 기판 (51)에 바이어스 전기장을 생성하는 전극 (56)들 사이에 전압을 인가하도록 제어된다. 그 후 수증기가 진공 챔버 내로 도입되어 기판 (51) 상에 가늘고 긴 아이스 (ice) 필라멘트 (42) 형태로 응고된다. 물은 극성 분자이기 때문에, 분자가 기판에서 응고하여 아이스 필라멘트 (42)가 성장되면, 상기 분자 및 아이스 필라멘트가 바이어스 전기장에 평행하게 향하게 됨으로써, 배향 방향 (44)으로 향하게 되는 경향이 있다. 실리콘, 탄소, 또는 플라스틱 (즉, C-H 복합재)과 같은, 공통 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노스케일 패턴 특징부를 갖는 패턴으로 패턴화될 수 있는 다른 물질들도 본 발명의 교시에 따라 실질적으로 균일한 배향 방향을 갖는 타겟 기판을 형성하는데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 방사 빔 (32)은 빔 펄스를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 수증기는 프리-펄스 (33) 및 펄스 (32)의 실질적으로 모든 에너지를 흡수하기에 충분한 두께로 표면 패턴의 층 (41)을 성장시키기에 충분히 긴 시간 동안 진공 챔버 내에 도입된다. 따라서, 프리-펄스 (33) 에너지는 층 (41)의 일부를 애블레이션 및 이온화함으로써 소산되게 하고, 애블레이션된 재료 대신에, 비교적 얇은, 서브 임계 (sub-critical) 밀도의 플라즈마를, 펄스 (32)가 층(41)에 도달하기 전에 층 (41)의 잔류 부분 위에 놓음으로써 남아 있게 한다. 상기 서브 임계 밀도의 플라즈마는 펄스 (32) 에너지와 강력하게 상호작용하지 않으며, 그 결과, 펄스 (32) 에너지는 층 (41)의 애블레이션되지 않고 남아 있는 부분의 나노스케일 특징부 (42)에 효율적으로 커플링된다.
물론 기판 (51) 내에 생성된 전기장의 존재는 모든 나노스케일 특징부 (42)를 방향 (44)을 따라 실질적으로 정렬시키도록 상기 기판상에 응고시키는 것은 아니다. 하지만, 전기장은 배향 방향 (44)을 가진 층 (41) 및 OPT (40)를 특징 지우는 정렬 표면 패턴 (예컨대 아이스 필라멘트)의 밀도를 초래한다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따라, 타겟 배향 방향 (44)에 평행한 방향, 예컨대 방향 (34)으로 편광된 빔의 펄스 (33)와 OPT (40)의 상호작용이 비-배향 타겟 T와 펄스와의 상호작용에 비해 증강된 것으로 예상된다. 따라서, OPT (40)와 방사 빔 (예컨대, 레이저 광 펄스)과의 상호작용에 의해 제공되는 이온 플럭스 및 에너지가 T 타겟과 광펄스와의 상호작용에 의해 제공되는 플럭스 및 에너지에 비해 증강된 것으로 예상된다.
본 발명자들은 고속 이온을 생성시키는, 강력한 800 nm 파장의 레이저 광 펄스와 상호작용하는 비-배향 아이스 필라멘트 층을 포함하는 T 타겟에 대한 실험을 이행하였다. 본 발명자들에 의해 이행된 실험은 위에 언급된 논문 "아이스 나노튜브로의 고 출력 레이저의 효율적 커플링에 의한 고속 이온 생성"에 보고되었다. 상기 실험의 결과에 의하면, 150 KeV 양성자의 플럭스가 약 0.1 ps 보다 작은 펄스 폭 및 약 1016 W/cm2의 "중간 (moderate)" 강도를 지니며 받침대 (50)와 유사한 타겟 받침대 상에 형성된 1 mm 두께의 T 아이스 필라멘트 타겟 상에 입사되는 레이저 광 펄스마다 생성된다. 레이저 광 펄스와 고체 비-필라멘트 타겟과의 종래의 상호작용으로부터 동일한 에너지의 양성자를 생성하기 위해서는, 보통 레이저 펄스가 약 1017 W/cm2의 강도를 요하는데, 이것은 T 타겟을 사용할 때 요구되는 것보다 약 10배(order of magnitude) 큰 크기이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 빔 유닛 (30)은 빔 방사 (32) (예컨대 레이저 광 펄스)를 다음 중 적어도 하나와 대략 동일하거나 그보다 큰 최대 강도에 집중시킨다: 1016 W/cm2, 1017 W/cm2, 1018 W/cm2, 1019 W/cm2, 1020 W/cm2.
도 5는 본 발명의 시스템의 일례의 구성을 도시한 것인데, 여기서 상기 빔 유닛은 방사 빔을 초점 영역에 집중시키도록 구성되고 동작가능한 유전체 거울 및 (예컨대 금 코팅된) 비축 (off-axis) 포물선 거울의 배치구성을 포함한다.
도 6a-6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 양성자를 생성하는 프로세스를 간략 도시한 것이다. 이 특정한 비 제한적인 예에서, 약 50 MeV의 에너지를 갖는 고속 양성자가 본 발명의 시스템 (20)에 의해 생성되는데, 이 시스템에서 방사 빔 (32) (예컨대, 레이저 광 펄스)은 800 nm의 파장, 약 0.1 ps의 펄스 폭 및 초점 면 내에서의 약 5x1019 W/cm2의 강도 (타겟 OPT (40)의 초점 영역 (60)에 집중될 때)를 갖는 것으로 가정된다. 초점 영역 (60)에 집중되었을 때, 최대 10-3의 콘트라스트 비 (프리-펄스 강도 대 메인 펄스 강도의 비)를 가정하면, 프리-펄스 (33)는 최대 1016 W/cm2와 동일한 강도를 갖는다. 따라서, 여기서 이해하여야 할 점은 프리-펄스의 에너지 및 초점 면의 위치가 한편으로는 커플링에 효율적인 빔의 바람직한 에너지에서 상호작용을 제공하도록 적절히 조절되어야 하며, 초점 면 에너지가 다른 한편으로서 패턴 특징부를 파괴하지 않을 정도로 높지 않도록 적절히 조절되어야 한다는 점이다.
도 6a는 방사 빔과 OPT (20) 간의 상호작용 직전의 본 발명의 시스템 (20)을 간략 도시한 것이다.
도 6b는 프리-펄스 (33)가 애블레이션 및 이온화되어 초점 영역 (60) 내에 패턴화된 나노스케일 특징부 (42)를 갖는 "번 오프(burn off)" 층을 생성하고 음영 (shaded) 영역 (62)으로 표시된 서브 임계 밀도의 플라즈마를 남긴 후의 본 발명의 시스템 (20)을 간략 도시한 것이다. 플라즈마 (62)는 초점 영역 (60) 내의 나노스케일 특징부 (42)의 애블레이션되지 않고 남아 있는 영역 (64) 위에 놓인다 (overlay). 본 도면에서는 레이저 펄스 (32)가 바로 초점 영역 (60)에 입사된다. 플라즈마 (62)가 서브 임계적이기 때문에, 이것은 레이저 펄스 (32)에 실질적으로 영향을 끼치지 않는다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따라, 애블레이션되지 않은 영역 (64) 내에서 나노스케일 특징부 (42)와 상호작용하여, 파선 (dot-dash) 화살표 (68)의 클러스터 (cluster)로 간략 표시된 양성자 플럭스를 생성하는 레이저 펄스 (32)를 간략 도시한 것이다.
상기 표면 패턴은 서브 공명 나노스케일 특징부 (42)를 갖기 때문에, 예컨대 상기 표면 패턴의 폭이 펄스 (32)의 광 파장보다 많이 작기 때문에, 임의의 주어진 순간에서의 펄스의 전기장은 상기 표면 패턴 내부 및 상기 표면 패턴의 근방에서 실질적으로 일정하다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 전술한 바와 같이, 본 발명자들은 상기 표면 패턴이 전기장 내에서 그리고 전기장에 평행한 도전성 니들과 마찬가지로 기능을 수행하며, 그의 팁 (tip)에 전기장을 집중시키고, 복수의 배향 나노스케일 특징부 (42)의 집중된 전기장이 고속 양성자의 비교적 큰 플럭스의 생성에 특히 유리하다고 생각한다. 삽입도 (inset: 70)는 펄스 광의 파장 (
Figure 112014105186606-pct00023
)보다 작은 펄스 (32)의 국소 영역의 전기장 내의 나노스케일 특징부 (42)를 간략 도시한 것이다. 블록 화살표 (72)는 특징부 (42) 근방의 광 펄스 (32)의 전기장을 나타내며, 상기 특징부의 팁 (74)을 향해 수렴하는 파선의 전기장 선 (field line) (76)은 상기 팁에 집중된 전기장을 간략 도시한 것이다.
집중 전기장 (76)은 원 (80)에 의해 간략하게 도시된 고온 전자 (hot electron)의 플럼 (plume)을 생성하는데, 상기 고온 전자는 상기 특징부 내의 수소 및 산소 원자 (미도시)를 이온화함으로써 특징부 (42)의 팁 (74) 근방에 특징부 (42)를 남긴다. 특징부 (42) 내의 이온화된 원자 및 전자의 플럼은 화살표 (68)의 클러스터로 표시되는 양성자 플럭스를 생성하는 비교적 높은 에너지에 필라멘트 내의 수소 이온을 가속시키는 강력한 2중층 전기장 (미도시)를 형성한다.
여기서 유념할 점은 광 펄스 (32)가 OPT (40)과의 상호작용에 의해 고속 이온 (68)을 생성하는 효율 (도 3)이 OPT (40)의 나노스케일 특징부의 배향 방향 (44)에 대한 펄스 (32) 내의 광의 편광 방향 (34)에 따른다는 점이다. 예컨대, 전술한 바와 같이, 광 펄스는 방향 (34)과 특징부 배향 방향 (44)이 평행하거나 그들 사이의 각도가 작은 경우에 양성자와 같은 고속 이온의 플럭스를 생성하는데 특히 유효하다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 본 발명의 시스템 (20)에 의해 생성되는 이온의 강도 및/또는 에너지는 특징부 배향 방향에 대한 편광 방향 (34)의 각을 제어함으로써 제어된다. 편광 (34)과 필라멘트 배향 방향 (44) 간의 적절한 각으로부터 멀어지도록 편광 (34)을 회전함으로써, 양성자 에너지가 감소된다. 따라서, 편광 방향과 패턴의 배향 축 간의 각이 최적 값으로 적절히 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 특징부 배향 방향 (44)으로부터 멀어지도록 회전된 펄스 (32)의 편광을 간략 도시한 것이다.

Claims (21)

  1. 고속 이온의 빔을 생성하는 시스템에 있어서,
    공통의 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 (oriented) 나노스케일 (nanoscale) 패턴 특징부를 포함하는 패턴으로 형성된 표면을 갖는 타겟 (target) 기판; 및
    고 출력 코히어런트 (coherent) 전자기 방사 빔을 수광하고 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔을 상기 타겟 기판의 패턴으로 형성된 상기 표면상에 집중 (focusing)시켜, 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간에, 고속 이온의 생성을 가능하게 하는 상호작용 (interaction)이 이루어지도록 구성된 빔 유닛;
    을 포함하며,
    상기 고속 이온은 5 MeV, 50 MeV, 100 MeV, 150 MeV, 200 MeV 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 운동 에너지를 갖고,
    상기 빔 유닛은 상기 타겟 기판상의 한 지점에 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔을 집중시키도록 구성되고 동작 가능하며, 상기 타겟 기판상의 한 지점에서 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔이 1016 W/cm2, 1017 W/cm2, 1018 W/cm2, 1019 W/cm2, 1020 W/cm2 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 최대 강도를 갖는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔 유닛은 소정의 그레이징 각 (grazing angle)으로 상기 타겟 기판의 패턴으로 형성된 상기 표면상에 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔을 향하게 하도록 구성되며;
    상기 그레이징 각은 상기 상호작용이 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 생성을 가능하게 하는 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 커플링 (coupling)을 제공하도록 상기 패턴에 따라 선택되는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그레이징 각은 45°보다 작은, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 그레이징 각은 20°- 40°범위에 있는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔은 소정의 편광 방향을 가지며, 상기 편광 방향은 상기 상호작용이 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 생성을 가능하게 하는 상기 고 출력 코히어런트 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 사이의 커플링 (coupling)을 제공하도록 선택된, 상기 타겟 기판의 상기 패턴 특징부의 배향 축과 상기 편광 방향 사이의 특정 각을 정의하는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 편광 방향과 상기 배향 축 사이의 각은 0°- 30°범위에 있는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 편광 방향은 상기 배향 축에 실질적으로 평행한, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 타겟 기판의 패턴으로 형성된 상기 표면은 연속적인 (continuous) 면이며 상기 패턴은 그루브 (groove)를 포함하는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노스케일 특징부는 이산적인 (discrete) 나노구조를 포함하는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 나노구조는 가늘고 긴 (elongated), 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 나노구조는 필라멘트 또는 나노와이어 (nanowire)인, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 필라멘트는 아이스 (ice) 필라멘트인, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 타겟 기판은 사파이어, 실리콘, 탄소 또는 플라스틱 재료 중의 적어도 하나로 만들어진, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서, 상기 고속 이온은 양성자를 포함하는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 고속 이온은 산소 이온을 포함하는, 고속 이온 빔의 생성 시스템.
  19. 고속 이온을 생성하는 방법에 있어서,
    고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔으로 타겟 기판을 조사하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 타겟 기판은 공통의 배향 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노스케일 패턴 특징부를 포함하는 패턴으로 형성된 표면을 갖고;
    상기 패턴과 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔의 적어도 하나의 매개변수 간의 관계는, 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판의 패턴으로 형성된 상기 표면 간의 상호작용이 5 MeV, 50 MeV, 100 MeV, 150 MeV, 200 MeV 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 빔의 생성을 초래하는 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔과 상기 타겟 기판 간의 커플링을 제공하도록, 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔의 편광 방향과 상기 배향 축 간의 각, 및 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔의 입사각 중의 적어도 하나를 선택함으로써 조정되며,
    상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔으로 조사하는 것은 상기 타겟 기판상의 한 지점에 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔을 집중시키는 것을 포함하고, 상기 타겟 기판상의 한 지점에서 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔이 1016 W/cm2, 1017 W/cm2, 1018 W/cm2, 1019 W/cm2, 1020 W/cm2 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 최대 강도를 갖는, 고속 이온의 생성 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔을 수광하고, 상기 고 출력 편광 코히어런트 전자기 방사 빔을 원하는 그레이징 각으로 상기 타겟 기판의 상기 표면상에 향하게 하는 단계;
    를 포함하는, 고속 이온의 생성 방법.
  21. 삭제
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