KR101686694B1 - Ｅｃｒ 입자 비임 소스 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종축(A)에 대해 배치되고 가스를 함유한 챔버(30)와, 챔버 내의 구속 영역에 자기장을 생성하기 위해 구성된 자기 구속 시스템(36,38)과, 구속 영역 내에 위치된 전자의 싸이클로트론 모션을 구동하는 시간 변화 전기장을 생성하는 전자 싸이클로트론 공진 드라이버(44)와, 제한된 플라즈마(57)를 형성하기 위해 가스와 상호작용하는 피구동 전자를 포함하는 이온 소스(10)가 개시된다. 작동중에, 자기 구속 시스템은 플라즈마 내의 원자의 일부분이 선택된 최종 이온화 상태를 갖는 증가된 이온화된 이온을 형성하기 위해 피구동 전자와 복합 이온화 상호작용을 경험하도록 구속 영역 내에 플라즈마를 구속시킨다.

Description

ＥＣＲ 입자 비임 소스 장치, 시스템 및 방법{ECR PARTICLE BEAM SOURCE APPARATUS, SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 이온 소스(ion source)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 고강도 이온 소스에 관한 것이다.

이온 소스는 많은 적용례에 유용한 이온 비임(ion beam)을 발생시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비임은 동위원소(isotope)의 생성을 위해 핵반응을 유도하도록 타겟(target)과 충돌(bombard)시키는데 사용될 수 있다.

일부 이온 소스는 고에너지 전자(energetic electron)와의 충돌을 통해 중성 타겟을 이온화한다. 전자 사이클로트론 공진(Electron Cyclotron Resonant, ECR) 플라즈마 소스는 자기장 내에서 전자의 사이클로트론 운동을 여기시켜 고에너지 전자를 생성한다. ECR 플라즈마 소스는 이온화된 가스를 제어하기 위해, 그리고 전자가 이온화 에너지에 도달할 수 있도록 압력을 낮추기 위해 진공 챔버에 위치된다.

균일한 자기장에 놓인 대전 입자(charged particle)는 전자 사이클로트론 진동수(frequency)에 의해 주어진 진동수로 자기장 주위를 회전(gyrate)할 것이다.

자기장이 균일하지 않다면, 전자는 여전히 자기장 주위를 회전하겠지만, 궤도 및 주기는 다소 복잡해진다. ECR 이온 소스는 작동을 위한 균일한 자기장을 요구하지 않는다. 사실상, 이들 중 다수는 매우 비균일한 자기장에서 작동한다. 진동 전자장을 인가함으로써, 전자의 사이클로트론 운동이 여기될 수 있다. 진동 전자장이 전자 사이클로트론 진동수와 공진되어 전자 운동과 결합(coupling)되면, 전자는 에너지를 얻을 것이다. 가장 큰 결합은 전자와 동일 방향 및 동일 속도로 자기장 주위에서 회전되는 전기장일 수 있다. 이러한 전기장은 전자의 프레임에서 DC 전기장처럼 보일 수 있다. 양호한 결합은 자기장에 수직으로 진동하는 선형 분극(linear polarized) 전기장으로 또한 얻어질 수 있다. 전자가 에너지를 획득함에 따라, 전자들은 소스 내의 임의의 가스와 충돌하여, 백그라운드 가스(background)를 이온화할 것이다. 이는 플라즈마를 형성하고 더 많은 백그라운드 가스를 이온화할 수 있는 더 많은 전자를 생성할 것이다. 이러한 종래 기술의 공정은 손실이 생산과 균형을 이룰 때까지 플라즈마 밀도가 증가하면서 계속될 것이다.

종래 기술의 장치에서, 균형은 강력한 비임이 생성되기 오래전에 이루어지며, 강력한 비임은 타겟 재료를 타격하여 유용한 의료적 동위원소와 같은 것으로 변화(transmute)시키는데 필요한 것이다. 많은 동위원소들이 이론적으로 유용할 것으로 여겨지지만, 지금까지는 그들의 얻을 수 있는 적은 양 및 짧은 반감기가 그들의 사용을 방해하고 있다.

본 발명자들은 선택된 이온화 상태에서 다수의 대전 이온의 고강도 소스가 제공될 수 있다는 것을 인지하였다. 예를 들어, 여기에 설명된 장치, 시스템 및 기술의 일부 실시예는 긴 및/또는 짧은 반감기 동위원소를 생성하는데 유용하거나 (예컨대, 종양의 치료에) 직접 사용하기 위한 이온의 고강도 비임을 생성한다. 일부 실시예는 선택된 최종 이온화 상태에서 복합(multiply) 이온화된 입자의 비임을 생성한다. 일부 실시예는 상당히 이온화된 이온의 고강도 비임을 생성한다. 일부 실시예는 비교적 경제적으로 복합 이온화된 He의 비임을 생성한다.

일부 실시예는 원자 및 동위원소를 다른 수단으로는 다량으로 생성될 수 없는 유용한 동위원소로 변화시키기 위해 이온 비임을 사용한다. 일부 실시예는 지금까지 유용한 양으로 가용할 수 없었던 동위원소의 생성을 가능하게 한다.

일부 실시예는 상업적 핵 발전소에서 생성되는 것과 같은 동위원소를 반응기 안으로 리사이클될 수 있는 연료로 변화시키기 위해 이온 비임을 사용한다. 일부 실시예는 이송 또는 매립을 필요로 하지 않으면서, 상업적 핵 발전소에서 생성되는 것과 같은 긴 반감기 동위원소를 안정한 원자로 신속하게 붕괴하는 짧은 반감기 동위원소로 변화시키기 위해 상업적 핵 발전소에 인접하게 설치될 수 있는 기계를 제공한다.

일 양태에서, 종축 주위에 배치되고 가스를 수용하는 챔버를 포함하는 이온 소스가 개시된다. 이 소스는 챔버 내의 제한 영역(confinement region)에서 자기장을 생성하도록 구성된 자기 제한 시스템(magnetic confinement system)을 포함하며, 제한 영역은 상기 축 주위에 배치되고 근위 단부로부터 원위 단부로 상기 축을 따라 연장한다. 자기장은 제한 영역의 근위 단부에 위치된 제1 자기 거울, 제한 영역의 원위 단부에 위치된 제2 자기 거울, 및 종축 주위에서 종축에 실질적으로 평행하게 지향되는 실질적으로 균일한 자기장을 포함하며, 실질적으로 균일한 자기장은 제1 및 제2 자기 거울 사이에 위치된다. 이 시스템은 제한 영역 내에 위치된 전자의 사이클로트론 운동을 구동하는 시간 가변 전기장을 생성하는 전자 사이클로트론 공진 드라이버(driver)를 또한 포함하며, 피구동 전자는 제한된 플라즈마를 형성하기 위해 가스와 상호작용한다. 작동 중에, 가지 제한 시스템은 선택된 최종 이온화 상태를 갖는 복합 이온화된 이온을 형성하기 위해 플라즈마 내의 원자의 일부가 피구동 전자와 복합 이온화 상호작용을 겪도록 제한 영역에서 플라즈마를 제한한다.

일부 실시예에서, 제1 및 제2 자기 거울은 비균일 자기장을 각각 포함하며, 이 자기장은 실질적으로 종축을 따라 지향되며, 실질적으로 균일한 자기장으로부터 실질적으로 균일한 자기장의 크기보다 큰 피크 크기까지 축방향 거리의 함수로써 증가하는 크기를 갖는다. 이러한 일부 실시예에서, 제1 자기 거울의 피크 크기는 제2 자기 거울의 피크 크기보다 크다. 일부 실시예에서, 거울들의 피크 크기는 동일하거나 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 자기 거울 각각의 피크 크기는 실질적으로 균일한 자기장의 크기의 약 두 배보다 크다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 자기 거울 각각의 피크 크기는 다른 임의의 적절한 값, 예컨대 실질적으로 균일한 자기장의 크기의 1½배, 3배, 4배, 5배 또는 그 이상을 취할 수 있다.

일부 실시예에서, 실질적으로 균일한 자기장의 크기는 제한 영역에서 자기장의 국부적 축방향 최소치이다.

일부 실시예는 제한 영역으로부터 이온의 비임을 추출하기 위한 추출기(extractor)를 포함하며, 비임은 선택된 최종 이온화 상태의 복합 이온화된 이온의 일부를 포함한다.

일부 실시예에서, 이온 비임은 1mA 이상, 10mA 이상, 20mA 이상 또는 심지어 50mA 이상의 전류를 갖는다.

몇몇 실시예에 있어서, 비임 내의 이온 중 적어도 50%(입자 부분에 의해, 또는 총 비임 전류의 백분율로서 측정됨)는 선택된 최종 이온화 상태에 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 비임 내의 이온 중 적어도 60%, 70%, 80%, 또는 90%가 선택된 최종 이온화 상태에 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 실질적으로 균일한 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수로 실질적으로 동조된(tuned) 주파수를 갖는 시간 변화 전기장을 생성시킨다.

몇몇 실시예에서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 실질적으로 균일한 자기장을 수용하는 체적 전반에 걸쳐서 배치된 전자의 사이클로트론 운동을 구동한다.

몇몇 실시예에 있어서, 실질적으로 균일한 자기장의 크기는 종축 둘레에 배치된 영역에 걸쳐서 1% 미만, 5% 미만, 또는 10% 미만만큼 변화되고, 상기 영역은 제1 자기 거울과 제2 자기 거울 사이에(예를 들어, 사이의 중간에) 배치되고, 제1 및 제2 자기 거울 사이의 축방향 거리의 적어도 약 10%, 15%, 25% 또는 그 이상과 동일한 거리에 걸쳐서 종축을 따라 연장된다.

몇몇 실시예에 있어서, 실질적으로 균일한 자기장의 크기는 종축을 따라서 적어도 5cm, 10cm, 15cm, 또는 그를 초과하여 연장되는 영역에 걸쳐서 1% 미만, 5% 미만, 또는 10% 미만만큼 변화된다.

몇몇 실시예에 있어서, 자기장은 구속 영역 전부에 걸쳐서 종축을 중심으로 방위각적으로 대칭이다.

몇몇 실시예에 있어서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버에 의해 구동되는 전자에 대한 전자 사이클로트론 탈상관(de-correlation) 시간은 구속 영역 내의 가열된 전자에 대한 평균 구속 시간과 적어도 비슷하다.

몇몇 실시예에 있어서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 체적 내의 전자의 적어도 일부를 약 200eV 또는 그 이상, 약 300eV 또는 그 이상, 또는 약 1keV 또는 그 이상으로 구동한다.

몇몇 실시예는 이온 사이클로트론 드라이버를 포함하고, 이온 사이클로트론 드라이버는 종축에 수직하는 방향으로 이온의 운동 에너지를 증가시키도록 선택되는 유도 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온의 사이클로트론 운동을 우선적으로 구동하기 위해, 구속 영역에 방사선을 지향시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 이온 사이클로트론 드라이버는 선택된 유도 이온화 상태를 가진 이온의 구속 영역 내의 구속 시간을 우선적으로 증가시키고, 이에 의해 구속 영역 내의 전자와 추가의 이온화 상호 작용을 경험하는 이온의 개수를 증가시켜서, 선택된 최종 이온화 상태를 갖는 이온을 형성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 이온 사이클로트론 드라이버는 실질적으로 균일한 자기장 내에서 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 이온의 이온 사이클로트론 주파수로 실질적으로 동조되는 주파수를 갖는 방사선을 구속 영역에 지향시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 선택된 유도 이온화 상태는 단일 이온화된 상태이다. 몇몇 실시예에 있어서, 선택된 유도 이온화 상태는 최종 이온화 상태 미만의 이온화 상태를 가진 복합 이온화된 상태이다.

몇몇 실시예에 있어서, 이온 사이클로트론 드라이버는 실질적으로 균일한 자기장 내에서 각각의 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 이온의 이온 사이클로트론 주파수로 각각 실질적으로 동조되는 복수 개의 주파수로 구속 영역으로 방사선을 지향시킨다.

몇몇 실시예에 있어서, 이온 사이클로트론 드라이버는 필러 안테나(예를 들어, 단일 또는 이중 필러)와 같은 안테나, 커패시터 판, 비-트위스트 이중 필러 안테나 또는 비-트위스트 필러 안테나, 또는 이들의 조합을 포함하고 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 적어도 하나의 자기 거울은 구속 영역의 외부로 연장되는 자기장을 포함하고 있다. 전자 사이클로트론 드라이버는 자기장의 일부 내의 비구속 전자의 사이클로트론 운동을 구동하도록 구속 영역의 외부로 연장되는 자기장의 일부에 대응하는 전자 사이클로트론 주파수로 동조되고, 여기서 비구속 전자는 가스와 상호작용하여 비구속 플라즈마를 형성한다. 이온 소스는 챔버 내에 그리고 자기장 일부에 인접하게 배치되며, 비구속 플라즈마로부터 이온을 유인하도록 바이어스되는 스퍼터 타겟을 더 포함하고 있다. 유인된 이온과의 충돌에 반응하여, 스퍼터 소스는 원자 가스 중 적어도 일부를 형성하는 중성 입자를 발산한다. 몇몇 실시예에 있어서, 발산된 중성 입자 중 적어도 일부가 비구속 전자와 상호작용하여, 스퍼터 소스로 다시 유인되는 이온을 형성한다.

몇몇 실시예에 있어서, 스퍼터 타겟은 종축 둘레에 배치된 환상 재료, 종축 둘레에 배치되고 종축에 대해 경사진 타겟 표면을 가진 환상 재료, 종축 둘레에 배치되고 종축을 따라 연장되는 타겟 재료, 또는 이들의 조합을 포함하고 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 가스는 헬륨(He) 원자를 포함하고, 자기 구속 시스템은 구속 영역 내에 플라자마를 구속하여, 플라즈마 내의 헬륨 원자의 일부가 알파 입자 또는 ³He⁺⁺ 이온을 형성하도록 피구동 전자와의 2회의 단일 이온화 상호작용을 경험하게 된다. 이러한 몇몇 실시예는 구속 영역으로부터 헬륨 이온의 비임을 추출하기 위한 추출기를 포함하고, 여기서 비임은 알파 입자 및/또는 ³He⁺⁺ 이온을 포함한다.

몇몇 실시예에 있어서, 헬륨 이온의 비임은 1 mA 또는 그 이상, 10 mA, 또는 20 mA 또는 그 이상의 전류를 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, 비임 내의 이온 중 적어도 50%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 적어도 90% 이상이 알파 입자 및/또는 ³He⁺⁺ 이온이다.

몇몇 실시예에 있어서, 자기 구속 시스템은 또한 종축으로부터 멀어지는 플라즈마의 반경방향 운동을 구속하는 반경방향 구속 자기장을 생성시키도록 구성된다. 반경방향 구속 자기장은 실질적으로 균일한 자기장 내로 실질적으로 연장되지 않는다. 몇몇 실시예에 있어서, 자기 구속 시스템은 종축 둘레에 배치된 멀티폴 반경방향 구속 자석을 포함하고, 이것은 하나 이상의 첨단을 따르는 것을 제외하고, 축에 대한 근접도가 증가함에 따라 반경방향으로 감소되는 크기를 가지며 종축에 대해 방위각 지향되는 자기장을 생성시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 멀티폴 자석은 8개 또는 그 이상의 극을 포함하고 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 실질적으로 균일한 자기장에 대응하는 전자 공진 주파수로 실질적으로 탈-동조된 주파수를 갖는 시간 가변 전기장을 생성시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 종축을 따라서 실질적으로 균일한 자기장 원위의 비균일 자기장의 제1 영역과 종축을 따라 실질적으로 균일한 자기장 근위의 비균일 자기장의 제2 영역에 배치된 전자의 사이클로트론 운동을 구동한다. 몇몇 실시예에 있어서, 비균일 자기장의 제1 및 제2 영역 각각은 시간 가변 전기장의 주파수가 소정 지점에서 비균일 자기장의 전자 사이클로트론 공진 주파수로 동조되는 것을 특징으로 하는 지점들의 표면을 포함하고 있다.

일부 실시예에서, 실질적으로 균일한 자기장은 약 0.1T 이상, 0.5T 이상, 또는 6T 이상의 크기를 갖는다.

일부 실시예에서, 가스는 분자를 포함하고, 유도된 전자들은 가스와 상호작용하여 분자들을 분열시킴으로써 제한된 플라즈마를 형성한다.

다른 태양에서는, 이온 비임을 발생시키는 방법이 개시되며, 이것은 종축을 중심으로 배치되고 가스를 수용하는 챔버를 제공하는 단계와, 챔버 내의 구속 영역에 자기장을 발생시키는 단계를 포함하며, 구속 영역은 축을 중심으로 배치되고 축을 따라 근위 단부로부터 원위 단부까지 연장된다. 자기장은 구속 영역의 근위 단부에 위치한 제1 자기 거울; 구속 영역의 원위 단부에 위치한 제2 자기 거울; 종축을 중심으로 배치되고 이것에 실질적으로 평행하게 배향된 실질적으로 균일한 자기장을 포함하고, 실질적으로 균일한 자기장은 제1 자기 거울과 제2 자기 거울 사이에 위치한다. 이 방법은 구속 영역 내에 위치한 전자들의 사이클로트론 운동을 유도하도록 시간 가변 전기장을 발생시키는 단계; 가스와 상호작용하는 피구동 전자들이 제한된 플라즈마를 형성하게 하는 단계; 플라즈마 내의 원자들 중 일부가 피구동 전자들과 복합 이온화 상호작용을 겪음으로써 선택된 최종 이온화 상태를 갖는 복합 이온화된 이온을 형성한다.

일부 실시예에서, 제1 및 제2 자기 거울은 비균일 자기장을 각각 포함하고, 자기장은 실질적으로 종축을 따라 배향되고, 실질적으로 균일한 자기장으로부터 실질적으로 균일한 자기장의 크기보다 큰 피크 크기까지 축방향 거리의 함수로서 증가하는 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 자기 거울의 피크 크기는 제2 자기 거울의 피크 크기보다 크다(다른 실시예에서, 이들은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있음).

일부 실시예에서, 제1 자기 거울 및 제2 자기 거울 각각의 피크 크기는 실질적으로 균일한 자기장의 크기의 2배(또는 1.5배, 3배, 4배, 5배 등)보다 크다.

일부 실시예에서, 실질적으로 균일한 자기장의 크기는 구속 영역 내의 자기장의 국지적 축방향 최소값이다.

일부 실시예들은 구속 영역으로부터 이온 비임을 추출하는 단계를 더 포함하고, 비임은 선택된 최종 이온화 상태에 있는 이온들 중 일부를 포함한다. 일부 실시예에서, 이온 비임은 1 mA 이상, 10 mA 이상, 20 mA 이상, 또는 50 mA 이상의 전류를 갖는다.

일부 실시예에서, 이온의 적어도 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90%는 선택된 최종 이온화 상태에 있다.

일부 실시예에서, 시간 가변 전기장은 실질적으로 균일한 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수로 실질적으로 동조된 주파수를 갖는다. 일부 실시예에서, 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 실질적으로 균일한 자기장을 둘러싸는 체적을 통해 위치한 전자들의 사이클로트론 운동을 유도한다.

일부 실시예에서, 실질적으로 균일한 자기장의 크기는 종축을 중심으로 배치된 영역에 걸쳐 1%, 5%, 10% 또는 15% 미만으로 변하고, 상기 영역은 제1 자기 거울과 제2 자기 거울 사이의 중간에 위치하고, 제1 자기 거울과 제2 자기 거울 사이의 축방향 거리의 적어도 약 5%. 10%, 25%, 50%와 동일하거나 그보다 큰 거리만큼 종축을 따라 연장된다.

일부 실시예에서, 실질적으로 균일한 자기장의 크기는 종축을 따라서 적어도 1 cm, 2 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm 또는 25 cm 또는 그보다 크게 연장되는 영역에 걸쳐 1%, 2.5%, 5% 또는 10% 미만으로 변한다.

일부 실시예에서, 자기장은 구속 영역 전체를 통해 종축을 중심으로 방위각 대칭이다.

일부 실시예에서, 피구동 전자에 대한 전자 사이클로트론 탈상관 시간은 적어도 구속 영역 내의 가열된 전자에 대한 평균 구속 시간과 유사하다.

일부 실시예들은 구속 영역 내에 위치한 전자들의 사이클로트론 운동을 유도하여 약 200eV 이상, 300eV 이상 또는 1KeV 이상의 전자 에너지를 발생시키는 단계를 포함한다.

일부 실시예들은 구속 영역으로 방사선을 향하게 하여 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온의 사이클로트론 동작을 우선적으로 유도함으로써 종축에 수직인 방향으로 이온들의 운동 에너지를 증가시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 구속 영역으로 방사선을 향하게 하여 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온들의 사이클로트론 동작을 우선적으로 유도하는 단계는 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 이온들의 구속 영역 내에서 제한 시간을 우선적으로 증가시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 구속 영역으로 방사선을 향하게 하여 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온들의 사이클로트론 동작을 우선적으로 유도하는 단계는 실질적으로 균일한 자기장 내의 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 이온들의 이온 사이클로트론 주파수로 실질적으로 동조된 주파수를 갖는 구속 영역으로 방사선을 향하게 하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 선택된 유도 이온화 상태는 단독으로 이온화된 상태이다. 일부 실시예에서, 선택된 유도 이온화 상태는 최종 이온화 상태보다 낮은 이온화 상태를 갖는 복합 이온화 상태이다. 일부 실시예는 복수의 주파수에서 구속 영역으로 방사선을 향하게 하는 단계를 포함하고, 각각의 주파수는 실질적으로 균일한 자기장 내의 각각의 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 이온들의 이온 사이클로트론 주파수로 실질적으로 동조된다.

일부 실시예에서, 구속 영역으로 방사선을 향하게 하여 선택된 유도 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온들의 사이클로트론 동작을 우선적으로 유도하는 단계는 본원에 개시된 유형의 안테나로부터의 방사선을 향하게 하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 적어도 하나의 자기 거울은 구속 영역의 외부에서 연장되는 자기장을 포함한다. 시간 가변 전기장의 주파수는 구속 영역의 외부에서 연장되는 자기장의 일부에 대응하는 전자 사이클로트론 주파수로 동조되어 자기장의 일부의 비구속 전자들의 사이클로트론 동작을 유도한다. 이 방법은 챔버 내에 그리고 자기장 일부 근방에 위치한 스퍼터 타겟을 제공하는 단계와, 유인된 이온과의 충돌에 응답하여 스퍼터 소스가 원자의 가스의 적어도 일부를 형성하는 중성 입자를 발산하도록 스퍼터 타겟을 바이어스시켜 비제한 플라즈마로부터 이온을 유인하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 발산된 중성 입자의 적어도 일부는 비구속 전자들과 상호작용하여 바이어스된 스퍼터 소스까지 다시 유인되는 이온을 형성한다. 일부 실시예에서, 스퍼터 타겟은 종축을 중심으로 배치된 환상 재료; 종축을 중심으로 배치되고 종축에 대해 경사진 타겟 표면 또는 종축을 중심으로 위치되고 종축을 따라 연장되는 타겟 재료를 갖는 환상 재료 또는 이들의 조합을 포함한다.

일부 실시예에서, 가스는 He 원자를 포함하고, 본 방법은 플라즈마 내의 He 원자의 일부가 피구동 전자와의 2번의 단일 이온화 상호작용을 겪어서 알파 입자 또는 ³He⁺⁺를 형성하도록 구속 영역 내에 플라즈마를 구속하는 단계를 포함한다.

일부 실시예는 구속 영역으로부터 He 이온의 비임을 추출하는 단계를 포함하며, 이때 상기 비임은 알파 입자 또는 ³He⁺⁺ 이온을 포함한다. 일부 실시예에서, He 원자의 비임은 1 mA 이상 또는 20 mA 이상의 전류를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 비임 내의 이온의 적어도 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90% 이상이 알파 입자이다. 일부 실시예에서, 상기 비임 내의 이온의 적어도 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90% 이상이 ³He⁺⁺ 이다.

일부 실시예는 플라즈마를 반경반향으로 구속하는 반경방향 구속 자기장을 생성하는 단계를 더 포함한다. 반경방향 구속 자기장은 실질적으로 균일한 자기장으로 실질적으로 확장되지 않는다. 일부 실시예에서, 반경방향 구속 자기장을 생성하는 단계는, 하나 이상의 첨단을 따라서를 제외하면, 축에 대한 근접도가 증가함에 따라 반경방향으로 감소하는 크기를 가지며 종축에 대해 방위각 지향되는 자기장을 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예는 실질적으로 균일한 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수에 대해 실질적으로 동조되지 않은 주파수를 갖는 시간 가변 전기장을 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예는 종축을 따라 실질적으로 균일한 자기장의 원위의 비균일 자기장의 제1 구역, 및 종축을 따라 실질적으로 균일한 자기장의 근위의 비균일 자기장의 제2 구역 내에 위치되는 전자의 사이클로트론 운동을 구동하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 비균일 자기장의 제1 및 제2 구역 각각은 시간 가변 전기장이 지점들에서의 비균일 자기장의 전자 사이클로트론 공진 주파수로 동조되는 지점들의 표면을 포함한다. 일부 이러한 실시예는 제1 및 제2 구역을 수차례 통과하는, 구속 영역 내에서의 전자들의 스토케스틱 가열(stochastic heating)을 수행하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 실질적으로 균일한 자기장은 약 0.1 T 이상, 0.5T 이상 또는 0.6 T 이상의 크기를 갖는다.

일부 실시예에서, 가스는 분자를 포함하며, 제한된 플라즈마를 형성하기 위해 피구동 전자를 가스와 상호 작용시키는 단계는 분자를 해리시키는(disassociating) 단계를 포함한다.

다른 양태에 있어서, 본원에 개시된 임의의 장치 및 기술을 이용하여 이온 비임을 발생시키는 단계, 목표 물질을 포함하는 목표물에 이온 비임을 유도하는 단계, 및 목표 물질의 원자와 선택된 최종 이온 상태의 이온 사이의 핵반응에 의해 목표 물질의 적어도 일부를 방사성 동위 원소(radio-isotope)로 변화시키는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.

일부 실시예에서, 목표 물질의 원자는 방사성 동위 원소보다 더 긴 반감기를 갖는다.

일부 실시예에서, 선택된 최종 이온 상태의 이온은 알파 입자 또는 ³He⁺⁺ 이온을 포함한다.

일부 실시예에서, 선택된 최종 이온 상태의 이온과 목표 물질의 원자 사이의 핵반응은 ⁹⁶Zr(α,n) ⁹⁹Mo, ²⁰⁹Bi(α, 2n) ²¹¹At, ¹⁴⁴Sm(α, γ) ¹⁴⁸Gd, ¹¹⁶Cd(α, 3n) ^117mSn 및 ¹¹⁴Cd(α, n) ^{117 m}Sn 및 ¹⁴⁷Sm (α, 3n) ¹⁴⁸Gd로 구성되는 리스트로부터 적어도 하나를 포함한다.

일부 실시예에서, 방사성 동위 원소는 ⁹⁹Mo를 포함하는 경우, 본 방법은 네거티브 베타 붕괴(negative beta decay)에 의해 ⁹⁹Mo로부터 진단적으로 또는 치료적으로 효과적인 양의 ^{99 m}Tc를 생성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 진단적으로 또는 치료적으로 효과적인 ^{99 m}Tc의 전체 양은 핵분열 원자로(nuclear fission reactor)를 사용하지 않고 생성된다.

일부 실시예에서, 방사성 동위 원소는 ¹¹¹In을 포함하며, 본 방법은 진단적으로 또는 치료적으로 효과적인 양의 ¹¹¹In을 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 진단적으로 또는 치료적으로 효과적인 ¹¹¹In의 전체 양은 핵분열 원자로를 사용하지 않고 생성된다.

일부 실시예에서, 방사성 동위 원소는 ¹⁸F, ¹²³Xe, ¹²³I, ⁶⁷Ga, ¹¹¹In, ¹³¹Ba, ⁶⁸Ge, ⁸²Sr, ⁸²Rb, ⁸⁹Sr, ¹⁵³Sm, ¹²⁴I, ²¹¹At, ¹⁴⁸Gd, ⁷⁶Br, ¹⁹⁹Tl, ¹⁰⁰Pd, ¹²⁸Ba, ^{117 m}Sn, 및 ²²⁹Th로 구성되는 리스트로부터 선택되는 적어도 하나를 포함한다.

일부 실시예에서, 핵반응은 선택된 최종 상태의 이온과의 충격(bombardment)에 의해 자극되는 목표 물질 내의 원자의 핵분열을 포함한다.

일부 실시예에서, 목표물은 제2 목표 물질을 덮는 제1 목표 물질의 층을 포함한다. 본 방법은 제1 에너지에서 이온 비임을 제1 목표 물질의 층에 유도하는 단계를 포함하고, 이 단계에서, 상기 비임 내의 이온의 제1 부분은 제1 목표 물질의 원자와 이온의 제1 부분 사이의 제1 핵반응에 의해 제1 목표 물질의 일부를 제1 방사성 동위 원소로 변화시키고, 비임 내의 이온의 제2 부분은 상기 층과 반응하여 제2 에너지로 감속되고, 상기 비임의 이온의 제2 부분은 제2 목표 물질의 원자와 이온의 제2 부분 사이의 제2 핵반응에 의해 제2 목표 물질의 일부를 제2 방사성 동위 원소로 변화시킨다. 일부 실시예에서, 제1 에너지에서의 이온은 제2 핵반응보다 제1 핵반응을 더욱 선호적으로 촉발하고, 제2 에너지에서의 이온은 제1 핵반응보다 제2 핵반응을 더욱 선호적으로 촉발한다. 일부 실시예에서, 제1 목표 물질은 ¹⁰⁹Ag을 포함하고, 제2 목표 물질은 ⁹⁶Zr을 포함하고, 제1 핵반응은 ¹⁰⁹Ag(α, 2n) ¹¹¹In을 포함하고, 제2 핵반응은 ⁹⁶Zr(α, n) ⁹⁹Mo를 포함하고, 제1 에너지는 약 28 MeV이고, 제2 에너지는 약 16 MeV이다.

다른 양태에 있어서, 본원에 개시되는 임의 유형의 이온 비임 소스와, 구속 영역으로부터 선택된 최종 이온화 상태의 복합 이온화된 이온의 일부를 포함하는 이온 비임을 추출하기 위한 추출기와, 목표 물질을 포함하는 목표물과, 이온 비임을 가속하고 이온 비임을 목표물로 유도하기 위한 가속기를 포함하는 동위 원소 생성 장치가 개시된다. 목표물로 유도되는 이온 비임은 목표 물질의 원자와 선택된 최종 이온 상태의 이온 사이의 핵반응에 반응하여 목표 물질의 적어도 일부를 방사성 동위 원소로 변환시킨다.

일부 실시예에서, 목표 물질의 원자는 방사성 동위 원소보다 긴 반감기를 갖는다.

일부 실시예에서, 선택된 최종 상태의 이온은 알파 입자 또는 ³He⁺⁺ 이온을 포함한다.

일부 실시예에서, 목표 물질의 원자와 선택된 최종 상태의 이온 사이의 핵반응은 ⁹⁶Zr(α, n) ⁹⁹Mo, ²⁰⁹Bi(α, 2n) ²¹¹At, ¹⁴⁴Sm(α, γ) ¹⁴⁸Gd, 및/또는 ¹⁴⁷Sm(α, 3n) ¹⁴⁸Gd를 포함한다.

일부 실시예에서, 방사성 동위 원소는 ¹⁸F, ¹²³Xe, ¹²³I, ⁶⁷Ga, ¹¹¹In, ¹³¹Ba, ⁶⁸Ge, ⁸²Sr, ⁸²Rb, ⁸⁹Sr, ¹⁵³Sm, ¹²⁴I, ²¹¹At, ¹⁴⁸Gd, ⁷⁶Br, ¹⁹⁹Tl, ¹⁰⁰Pd, ¹²⁸Ba, 및/또는 ²²⁹Th를 포함한다.

일부 실시예에서, 타겟은 제2 타겟 재료 위에 배설된 제1 타겟 재료의 층을 포함한다.

일부 실시예에서, 가속기는 제1 에너지 상태의 이온 비임을 제1 타겟 재료의 층으로 유도하며, 이에 따라 비임 내 이온의 제1 부분은 이온의 제1 부분과 제1 타겟 재료의 원자 사이의 제1 핵 반응에 의해 제1 타겟 재료의 일부를 제1 방사선 동위원소로 변화시키고, 비임 내 제2 부분은 층과 상호 작용하여 제2 에너지로 감속되며, 비임 내 이온의 제2 부분은 이온의 제2 부분과 제2 타겟 재료의 원자 사이의 제2 핵 반응에 의해 제2 타겟 재료의 일부를 제2 방사선 동위원소로 변화시킨다. 제1 에너지의 이온은 제2 핵 반응보다 제1 핵 반응을 보다 우선적으로 진행시키고, 제2 에너지의 이온은 제1 핵 반응보다 제2 핵 반응을 보다 우선적으로 진행시킨다.

여러 실시예는 전술된 특징들 중 임의의 어느 하나 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 가스라는 용어는 단일 성분의 가스(예컨대, ⁴He 가스), 또는 복합 가스(예컨대, ³He/⁴He 혼합 가스, He/Xe 혼합 가스, He/O₂ 혼합 가스)를 지칭할 수 있다.

본 기술분야에 공지된 과학적 기수법은 여러 핵 반응을 설명하기 위해 본 명세서에서 이용된다. A(b,c)D 형태로 설명되는 반응에 있어서, "A"는 타겟 핵(target nucleus) 또는 방사선 조사 물질이고, "b"는 충격 입자이며, "c"는 방출 입자이고, "D"는 생성물 또는 잔류 핵이다. A(b,c)D1(D2) 형태로 설명되는 반응에 있어서, D1 및 D2는 반응의 제1 생성물 및 제2 생성물이다.

첨부된 도면에 따른 이하의 상세한 설명을 고려하면 본 발명의 이들 태양 및 다른 태양들은 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다.

도 1은 이온 비임 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 1a는 유효한 동위원소를 생성하는 이온 비임 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 1b는 상업용 핵 발전소로부터의 방사선 폐기물을 처리하도록 구성된 이온 비임 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 1c는 의학적 치료, 예컨대 내부적 성장 치료용으로 구성된 이온 비임 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2a는 이온 비임 시스템의 작동을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2b는 변형된 절연체를 도시하는, 이온 비임 시스템의 작동을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2c는 접지된 챔버를 도시하는, 이온 비임 시스템의 작동을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2d는 외부 ICR 안테나를 도시하는, 이온 비임 시스템의 작동을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a는 중성 He 대 전자 에너지의 전자 충격에 의한 He⁺ 및 He⁺⁺의 형성에 대한 단면을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 제논(Xenon)의 여섯 개의 제1 이온화 상태에 대한 전자 충격 이온화 단면을 나타내는 그래프이다.
도 3c 및 도 3d는 중성 He(He + e^-- --> He⁺ 2e^-) 및 He⁺(He+ + e^- --> He⁺⁺ 2e^-)의 전자 에너지에 따른 전자 충격 이온화에 대한 단면을 나타내는 그래프이다.
도 4는 이온 소스의 축방향 위치에 따른 자기장 크기를 나타내는 그래피이다.
도 5는 도 4의 자기장과 관련한 손실 콘의 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 커패시터 플레이트 ICR 안테나의 개략도로서, 도 6a는 라이너 드라이브 시스템을 도시하고, 도 6b는 수직 플레이트와 90°위상이 다르게 형성된 수평 플레이트를 갖는 원형 드라이브 시스템을 도시하는 도면이다.
도 7은 ICR용 분할 링 안테나 시스템의 개략도이다.
도 8은 ICR용 회전 전기장을 발생시키기 위해 코일이 90°위상이 다르게 형성되는, 이중-필러(bi-filer) 안테나의 개략도이다.
도 9는 ICR용 회전 전기장을 발생시키기 위해 두 개의 코일이 90°위상이 다르게 형성되는, 권취되지 않은 이중-필러(bi-filer) 안테나의 개략도이다.
도 10a 및 도 10b는 ECR이 온-공진 모드 및 오프-공진 모드에서 작동할 시에 구속 자기장에 대한 ECR 공진 영역을 각각 나타내는 그래프이다.
도 11은 다른 지지체 및 바이어스 재료와 스퍼터 재료를 도시하는, 축방향으로 위치된 타겟을 이용한 스퍼터 소스의 개략적인 단면도이다.
도 12는 환형 타겟을 이용한 스퍼터 소스의 개략적인 단면도이다.
도 13은 원추형 스퍼터 타겟을 이용한 스퍼터 소스의 개략적인 단면도이다.
도 14는 멀티폴 반경방향 구속 마그넷을 도시하는 도면이다.
도 14a는 멀티폴 반경방향 구속 마그넷에 의해 발생되는 자기장을 도시하는 도면이다.
도 15는 이온 비임 시스템에서 중앙 자기장에 따른 추출된 총 비임 전류의 플롯이다.
도 16은 ECR 공진 모드 작동시에 발생된 이온 빔에 대한 비행 시간법 질량 분석 데이터를 도시하는 도면이다.
도 17a 내지 도 17c는 예시적인 타겟 및 타겟 공급 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 이온 비임 발생기(11)는 이온 비임을 발생시키고 핵반응이 일어나도록, 즉 타겟(12) 내 원자구조의 변화가 일어나도록 발생된 이온 비임을 타겟으로 유도하여 소정의 동위원소를 생성한다. 이온 비임 발생기(11)는 본 명세서에 설명된 타입의 이온 소스(10)를 포함하며, 이온 소스는 최종 이온화 상태의 이온을 포함하는 비임(예컨대, 고밀도 비임)을 생성한다. 이온 비임 발생기(11)는 또한 비임 가속기(13)를 포함하며, 비임 가속기는 소스(10)로부터의 비임을 가속시켜 이를 타겟으로 유도한다. 선택적으로는, 이온 비임 발생기(11)는 또한 이온의 전하 또는 질량에 기초하여 비임 내 이온들을 필터링하기 위한 필터를 포함한다. 일부 실시예에서, 가속기(13)는 필터로서 기능을 한다. 예를 들면, 사이클로트론 가속기는 상이한 이온화 상태를 갖는 이온을 자연스럽게 분리할 것이다.

비임 가속기(13)는 본 기술분야에 공지된 임의의 적절한 가속기일 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기 시스템은 여러 판매업자들로부터 상업적으로 변형 가능한 하이브리드 RFG-DTL(Radio Frequency Quadrapole-Drift Tube LINAC) 시스템이다. 임의의 LINAC 또는 사이클로트론과 같은 다른 가속기 시스템이 사용될 수 있다.

이온 소스(10)와 가속기(13) 사이에서는 다수의 커플링 방법이 사용될 수 있다. 고강도 비임의 경우, 자기 렌즈 시스템이 유익하다. 저강도 비임의 경우, 정전 렌즈 시스템이 보다 경제적이고, 콤팩트하며, 효율적이다. 일반적으로, 자기 렌즈를 사용함으로써, 선택된 최종 이온 상태가 He⁺⁺인 비임 내에서 임의의 He⁺를 제거하는 입자 필터를 구현하는 손쉬운 방법이 허용된다.

도 1a에는 이온 비임 발생기(11)를 특징으로 하는 시스템(20)이 도시되어 있다. 이온 비임 발생기(11)는 이온으로 타겟(12)에 충격을 가하여 타겟(12)의 원자를 변형시켜, 소망하는 동위 원소를 생성한다. 변형된 타겟은 화학적 분리기(15)를 겪어, 생성물 동위 원소(16)의 순수한 샘플을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 생성물 동위 원소(16)는 중간 생성물이며, 최종 생성물(18)을 초래하는 붕괴(17)를 겪는다. 몇몇 실시예에서, 중간 생성물은, 최종 생성물 동위 원소에 비해 비교적 반감기가 긴 방사성 동위 원소이다. 몇몇 실시예에서, 최종 생성물(18)은 의료나 진단 용례, 연구 용례(예컨대, 방사성 마킹), (예컨대 핵연료와 같은) 에너지 생성 용례 등에 적절한 동위 원소이다.

도 1b에는 핵 폐기물(500) 처리용 시스템(21)이 도시되어 있다. 핵 폐기물(예컨대, 발전, 연구 또는 의료 용도로부터의 상용 핵 폐기물)은 화학적 분리기(501)를 겪는다. 처리에 적절하지 않은 일부 긴 반감기 폐기물(502)은 장기 저장부로 이송된다. 다른 폐기물은, 이온 비임 발생기(11)로부터 나온 이온과 충돌하는 타겟(12)에 포함된다. 몇몇 실시예에서, 타겟(12)에 있는 폐기물은 비교적 짧은 반감기 생성물(540)로 변형되는데, 이 짧은 반감기 생성물은 붕괴를 겪어 안정 생성물(506)이 되며, 용이하게 폐기될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 타겟(12)에 있는 생성물은 이용 가능한 연료(507)로 변형되고, 이에 따라 재활용된다.

도 1c에는 의료용 시스템이 도시되어 있다. 이온 비임 발생기(11)는 몸체의 조직을 치료하기 위해, 프로브(600)에 의해 인체 또는 동물체(601)로 지향되는 이온 비임을 발생시킨다. 예컨대, 몇몇 실시예에서 이온 비임은 몸체(601)에 있는 종양(602)으로 지향된다. 몇몇 실시예는 내부 종양 등을 치료하는 데 유용한 가속 입자를 생성하는 것을 포함하며, 이때 (H⁺, He⁺⁺, C⁺⁴, C⁺⁶ 또는 O^{+ 8}와 같은) 가속 입자는, 소정 에너지 상태에서 실질적으로 입자의 모든 에너지가 종양으로 전달될 때까지 매우 저속으로 에너지를 잃는다.

도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는, 예로서 헬륨(He) 이온을 사용하는 이온 발생 시스템의 작동 다이어그램이다. 본 명세서에서 설명되는 디바이스의 작동을 이해하기 위해서는, 복합 하전 이온(multiple charged ion)을 생성하는 데 있어서의 이슈를 이해하는 것이 도움이 된다. 헬륨의 이온화를 설명하지만, 기본적인 결론은, 양자(p) 또는 중양자(d)를 각각 생성하도록 단일 전자가 원자로부터 제거되는, 심지어는 수소(H)와 중수소(²H)를 포함하는 모든 원소에 적용된다.

이온 소스가 중성 원자를 이온화하기 위해 전자 충돌을 사용하면, 형성된 전하 상태비는 관련 단면에 의해 결정될 수 있다. 헬륨의 경우, He⁺⁺의 생성에 있어서의 단면은 H⁺의 생성에 있어서의 단면보다 두 배 이상 작다(도 3a 참고). 일반적으로, 종래 기술의 이온화 프로세스는 약 1%의 He⁺⁺와 99%의 He⁺를 생성한다.

전자 충돌 에너지를 변경하는 것은 He⁺⁺의 생성에 있어서 현저한 변화를 주지 않는다. 최상의 전체 성능은 He⁺⁺ 단면의 정점 근처, 대략 300 eV에서 얻어진다. 상태의 포화 및 몇몇 다른 기지의 트릭을 이용하여, 종래 기술의 디바이스로 수 퍼센트의 He⁺⁺를 생성하는 것이 가능하다.

임의의 다른 원자의 고도로 이온화된 상태를 발생시키는 데 있어서는, 보다 많은 전하 상태, 단면에 있어서의 보다 큰 변화 및 전자 에너지에 대한 단면의 종속도를 도입함으로써 문제는 보다 어려워진다. 이것은, 크세논(Xe)의 최초 7개의 상태에 대한 전자 충돌 이온화가 도시되어 있는 도 3b에서 볼 수 있다.

단일 전자 충돌을 이용하여 He⁺⁺을 얻는 것은 어렵다. 1개보다 많은 전자 충돌이 사용되면, He⁺⁺의 비율은 훨씬 증가될 수 있는데, 그 이유는 He⁺로부터 He⁺⁺의 생성에 대한 단면이, 중성 He로부터 He⁺⁺의 직접 생성의 경우보다 훨씬 높기 때문이다(도 3c 및 도 3d 참고).

표 1은 헬륨에 대한 다양한 반응들을 요약한다.

He + e- → He+ + 2e- 0.35 × 10-16 120 He+ + e- → He++ + 2e- 0.045 × l0-16 200 He + e- → He++ + 3e- O.OOl × lO-16 300

선택된 최종 이온화 상태에 도달하도록 복수 충돌에 의해 원자를 이온화하기 위해서는, 원자들이 추가의 전자 충돌을 겪도록 중간 상태를 충분히 오랫동안 유지하는 것이 필수적이다. He⁺⁺가 선택된 최종 이온화 상태인 헬륨의 경우, 헬륨이, He⁺⁺를 형성하는 제2 이온화 충돌을 겪도록 He⁺를 충분히 오랫동안 유지하는 것이 필수적이다. 다른 원자의 경우, 선택된 이온화 상태에 도달하도록 원자가 다수의 이온화 충돌을 겪도록 하기 위해 이온을 충분히 오랫동안 유지하는 것이 필수적이다.

본 명세서에서 설명되는 시스템은 선택된 이온화 상태에 도달하는 데 요구되는 시간 동안 이온을 유지하도록 구속 자기장을 사용한다. 몇몇 실시예에서, 방위각 대칭 축방향 최소 자기장 구성이 이용된다. 다른 실시예에서, "진정한(true)" 최소 자기장 구성이 사용된다. 많은 이온 전하 상태(예컨대, He⁺⁺)의 생성을 위해, 보다 간단한 축방향 최소 자기장 구성이 적절한 것으로 보인다. 고도로 하전된 몇몇 원자의 전하 상태의 생성에 있어서, "진정한" 최소 자기장이 필수적일 수 있다.

도 2a에는 예시적인 이온 소스(10)가 도시되어 있다. 이온화 챔버(30)는 종축(A)을 따라 배치된다. 이온화 챔버(30) 내에는, 국소적인 축방향 최소 자기장이, 바람직하게는 초전도 자석(36, 38)에 의해 생성된 2개의 자기 거울 필드(32, 34)(점선으로 나타낸 자기장 선) 사이에 형성된다. 국소적인 축방향 최소 자기장은 실질적으로 균일한 하부 자기장(40)(점선으로 나타낸 자기장 선)의 중앙 영역으로서 형성된다. 도 4에는 예시적인 자기장 구성에 있어서, 축(A)을 따른 위치에 따른 자기 거울 필드(32, 34) 및 자기장(40)의 크기의 플롯이 도시되어 있다.

아래에서 상세히 설명하겠지만, 균일한 자기장 영역(40)은, 선택된 복합 이온화 상태의 이온의 강력한 이온 비임의 효과적인 생성을 허용하는 다수의 유익한 효과를 제공한다. 축방향 최소 구성을 특징으로 하는 실시예에서, 자기 거울 필드(32, 34)와 중앙 자기장(40)은 각각 축(A)을 중심으로 방위각 대칭일 수 있다.

다시 도 2a를 참조하면, 초전도 자석이 일부 실시예에 사용되지만, 이들은 모든 경우에 자기 거울 필드(32 및 34)의 생성을 필요로 하는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 초전도 자석의 코일은 와이어의 직경이 더 작아질수록 자기장 조정을 위한 더 많은 공간을 남길 수 있기 때문에 조정하기 더 쉬워진다. 초전도 자석을 위한 냉동 시스템(refrigeration system)(미도시)이 상용으로 입수가능하다.

중앙 자기장(40)은 구리 코일, 초전도 코일, 및/또는 고정식 자석을 포함할 수 있는 중앙 자석(42)을 사용하여 실행될 수 있다. 중앙 자석(42)은 (이하에 설명되는 바와 같이) "진정한" 최소 자기장 구조를 발생시키는 데 사용되는 멀티폴 자석을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 고정식 자석을 사용하여 실행될 수 있으며, 전자석 또는 기타 자석이 사용될 수 있다. 초전도 자석(36 및 38)이 사용될 때에는 초전도의 중앙 자석(42)이 편리한데, 그 영역이 절대 영도에 가깝게 냉각되어야 하기 때문이다.

여자기 시스템(exciter system: 44)은 챔버(40) 내의 전자의 전자 사이클로트론 공진을 여기한다. 일부 실시예에서, ECR 여기를 생성하기 위해 여자기 시스템(44)은 마이크로파 에너지를 이온화 챔버(30) 내로 직접 도입한다. 전형적인 실시예에서, 비균일 자기장이 사용될 수 있지만, 2개의 자기 거울 필드들(32 및 34) 사이의 중앙 자기장 영역(40)은 실질적으로 균일하다(일정한 자기장). 바람직하게는, 이온화될 가스가 시스템 내로 도입될 시, 이온화 챔버(30)의 후방 부분(47)은 가스 소스(50)로의 연결부(48)를 포함한다. 다른 실시예에서 가스는 편리한 연결부가 만들어질 수 있는 어떤 곳이든 도입될 수 있다. 천공된 플레이트(52)는 챔버(30)를 진공 펌프(54)로부터 분리시켜, 챔버(30) 내부에 약간의 가스 압력을 유지하고, 자기 거울 필드들(32 및 34) 사이에 제한된 플라즈마(57)로부터 요구되는 이온의 비임(56)을 생성한다.

ECR 여기자 시스템(44)은 챔버(30) 내의 전자의 전자 사이클로트론 운동에 커플링되는 전기장을 제공한다. 전자 사이클로트론 주파수가 대체로 높기 때문에, ECR 드라이브는 마이크로파 주파수 내에 존재하는 경향이 있다. 이러한 주파수를 위해 도파로(wave guide)는 가장 효율적인 커플링을 제공한다. 그러나, ECR 커플링은 도파로에 한정되지 않고, 캐비티 모드 여기(cavity mode excitation), 광학 드라이브 등과 같은 다른 방법으로 달성될 수 있다.

자이로트론(gyrotron) 또는 기타 원형 도파로 장치가 ECR 소스로서 사용되면, 전형적으로 도파로 내의 파의 회전 방향이 자기장(40) 내의 전자의 회전 방향과 매칭(match)될 때 좋은 성능이 얻어질 것이다. 플라즈마가 2개의 자기 거울 필드들(32 및 34) 사이에 주로 생성되도록 ECR 드라이브 출력(55)의 위치와 가스 공급부(48)가 최적화될 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 전체 효율을 증가시키고, 챔버(30)의 후방 부분(47) 내의 플라즈마 생성을 최소화하여, 마이크로파 공급 시스템을 간소화할 수 있다.

ECR 드라이브 시스템(44)의 주파수와 파워(power)는 생성된 플라즈마 밀도와 관련된다. 전형적으로 주파수와 파워 둘 다 높을수록 플라즈마 밀도가 더 높다. 이온의 각각의 타입에 대해 최적의 파워 및 ECR 소스의 타입이 조정될 수 있다.

2개의 자기 거울 필드들(32 및 34) 사이의 실질적으로 균일한 중앙 자기장(40)은 광범위한 길이에 대해 작동할 것이다. 각각의 이온, 선택된 최종 이온화 상태, 비임 강도, 비임 펄스 길이, 및 ECR 파워에 대해 최적의 길이가 실험적으로 쉽게 결정될 수 있다. 중앙 자기 영역(40)의 길이를 증가시키면, 그 위에서 열 전자(hot electron)가 제한되는 영역이 증가되고, 따라서 이온화 충돌을 위한 퍼텐셜이 증가된다. 이러한 영역을 더 크게 만듦으로써 이온화가 증가되지만, 안정된 플라즈마를 형성하는 데 걸리는 시간이 증가되는 손실이 있다. 최선으로는 한 쌍의 초전도 자석(36 및 38)이 사용된다. 이러한 자석은 쉽게 이전(relocate)되지 않기 때문에 자기장(40)의 길이의 현저한 변화를 허용할 수 없다. He⁺⁺의 생성에 있어서 이는 전형적으로 문제가 되지 않는다. 그러나, 다른 고도로 하전된 이온의 생성에 있어서는 자기장을 조정하는 데 있어 더 쉽게 이동가능한 자석이 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 중앙 자기장(40)은 마이크로파 소스(44)의 ECR 주파수에 매칭되도록 선택된다. 시스템(10)의 작동에 자기 거울 필드들(32 및 34)의 정확한 값이 중요하지는 않지만, 시스템 효율에는 큰 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서 후방 자기 거울 필드(32)는 전방 자기 거울 필드(34)보다 더 높다(예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같음). 비임은 이온이 자기 거울 필드(32 및 34)로부터 누설되게 함으로써 형성될 수 있다. 후방 자기 거울 필드(32)을 전방 자기 거울 필드(34)보다 더 높게 만듦으로써, 복합 이온화 입자 비임(56)을 형성하는 대부분의 이온 손실이 전방 자기 거울 필드(34) 전체에 걸쳐 일어난다. 다른 실시예에서, 자기 거울 필드(32 및 34)은 동일하거나 실질적으로 동일한 강도를 가질 수 있다.

전방 자기 거울 필드(34)의 정확한 값은 광범위한 값으로부터 선택될 수 있으며, 대체로 중앙 자기장(40)의 2배 값에 가깝다. 다른 실시예에서, 이는 중앙 자기장의 값의 3배, 4배, 5배, 또는 그 이상일 수 있다. 더 높은 값의 전방 자기장(34)을 사용함으로써 이온과 전자의 제한이 증가되지만, 플라즈마(57)의 유동의 불안정성을 유발할 수 있다. 더 낮은 값의 자기장을 사용함으로써 자기 거울 필드들(32 및 34) 사이에 결속된 이온의 부분이 감소된다. 최적 값은 이온, 하전 상태, 가스 압력, 비임 강도, 및 ECR 파워에 의존한다. 정확한 값은 각 경우에 실험적으로 결정될 수 있다.

시스템(10)의 작동을 이해하기 위해, 어떻게 자기 거울(32 또는 34)이 작용하는지 이해하는 것이 도움이 된다. 자기 거울화(magnetic mirroring)는 하전된 입자가 낮은 자기장의 영역으로부터 높은 자기장의 영역으로 이동할 때 발생한다. 입자의 자기 모멘트는 운동의 단열 불변량(adiabatic invariant)이다:

단열 불변량은 파라미터의 변화율이 "느린" 한 불변으로 유지된다. "느린"이란, 하나의 사이클로트론 기간에 걸쳐 자기장과 수직 속도가 느리게 변하는 것을 의미한다. 이는, 본 명세서에서 설명된 자기 거울의 전형적인 실시예에서 가능하게는 비임(56)의 추출 동안을 제외하고는 대체로 훌륭한 근사치이다. 자기 모멘트가 불변이라는 것은, 만약 입자가 작은 자기장의 영역으로부터 큰 자기장의 여역으로 이동한다면 수직 속도가 증가되어야 한다는 것을 나타낸다. 에너지 보존의 법칙에 의해 이는 평행 속도가 감소되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 주어진 수직 속도를 갖는 입자가 낮은 자기장의 영역으로부터 충분히 높은 자기장의 영역으로 이동한다면, 평행(축방향) 속도는 0으로 갈 것이며, 따라서 입자는 멈추게 된다. 본 기술분야의 당업자에게 익숙한 바와 같이 입자 동역학에 대한 더 상세한 분석을 통해, 사실상 입자는 반사될 것이라는 것을 알 수 있다.

자기 모멘트 불변량과 에너지 보존 법칙을 결합함으로써,

자기장(B₁)으로부터 자기장(B₂)으로의 입자의 유동을 결정하는 간단한 방정식 세트가 유도될 수 있다:

입자가 저 자기장으로부터 고 자기장으로 이동할 때, 평행 속도식의 제2 항은 음일 수 있다. 제2 항이 충분히 음인 경우, 입자는 정지하고 반사될 것이다. 그러므로, 입자가 하나의 자기장으로부터 다른 자기장으로 이동하고 있는 경우, 반사는 입자의 평행 속도에 대한 수직의 비에 의존한다. 구체적으로는, 입자는,

일때, 어떤 지점에서 반사될 것이고, 비반사 입자는 도 5에 도시된 바와 같이 속도 공간에서 콘(58)으로서 시각화될 수 있다.

일반적으로, 자기 거울 필드(32 및 34)와 같은 자기 거울 필드는 누설한다. 손실 콘(58)의 입자는 전방 거울 필드(34)[또는 후방 거울 필드(32)] 밖으로 누설된다. 손실 콘(58)에 있지 않은 입자는 결국 손실 콘(58)으로 산란된다. 여기 기재된 시스템은, 다양한 실시예에서, 이 산란에 의지하여 입자를 손실 콘(58)으로 이동시킨 다음 입자를 전방 자기 거울 필드(34)를 통과시키고 이온의 소스를 형성한다.

다시 도 2a를 참조하면, 소스 작동 동안, 소스의 챔버(30)의 중앙 영역(40)에서 ECR을 자극하기 위해 마이크로웨이브가 사용된다. 이것은 백그라운드 가스를 이온화시키는 열전자를 발생시킨다. He⁺⁺ 생성에 대해서, 바람직한 전자 에너지는 약 200~300eV 이다. 다른 원자에 대해서, 바람직한 전자 에너지는 포함된 단면의 피크 및/또는 원하는 하전 상태를 생성하기 위해 요구되는 에너지에 의해 용이하게 실험적으로 결정될 수 있다.

먼저 알파 입자(He⁺⁺)의 생성을 고려하면, 열전자는 주로 He⁺ 및 소량의 He⁺⁺ 를 발생시킨다. 발생된 He⁺의 일부는 자기 거울 필드(32 및 34) 사이에 결속되고 He⁺⁺를 형성하는 제2 충돌을 격는다. 점차, He⁺ 및 He⁺⁺ 는, 주로 전방 거울 필드(34)을 통해 누설되는 손실 콘(58)으로 산란되고, He⁺ 및 He⁺⁺ 의 비임(56)을 형성한다. 일반적으로, 설명은 알파 입자(⁴He⁺⁺)에 초점을 두지만, 동일한 논의가 헬륨-3 이온(³He⁺⁺) 또는 다른 이중으로 이온화된 이온에 동일하게 적용된다.

전방 거울 필드(34)으로부터 누설되는 84% He⁺⁺ 이상까지의 비(총 비임 전류에 대한 He⁺⁺의 비임 전류의 비로서 결정됨)에서의 He⁺ 및 He⁺⁺의 플라즈마 비임(56)은 ECR 시스템(44)만을 사용하여 생성가능하며, 입자 비임(56)을 형성하기 위한 일련의 전극 및 초점 요소를 포함할 수 있는 추출기(59)에 의해 가속된다. 비임(56)을 자기장 자유 영역으로 전달하는 것이 바람직한 경우, 추출 시스템은 입자가 자기장(34) 밖에 있을 때까지 입자가 단열 상태에 유지되도록 구성될 수 있다.

자기장 존 밖의 플라즈마 흐름이 단열 상태에 유지되는 경우, 거울 관계가 적용될 수 있다. 입자가 고 자기장으로부터 저 자기장으로 이동함에 따라, 수직 에너지는 축방향(평행) 에너지로 변환된다. 이는 입자 추출 동안 비임(56)의 이미턴스를 낮게 유지시킨다. 비임(56)의 비단열 추출은 비임(56)의 수직 에너지가 보유되도록 하며, 추출된 비임(56)은 더 큰 이미턴스를 갖는다.

본 발명의 프라즈마 시스템(6)에는 4가지의 알려진 주요 입자 손실 소스가 있다. 이것들은 재결합, 하전 교환, 반경방향 확산, 및 손실 콘 산란(축방향 확산)이다.

전형적인 실시예에서, 재결합은 중요한 영향이 아니다. 일반적으로, 플라즈마 시스템(57)에서의 전자는 매우 높은 에너지에 있다. 새로운 전자가 이온화 충돌에서 해방됨에 따라, 전자는 급속하게 에너지를 얻는다. 그러므로, 활발한 전자와 이온 사이의 재결합은 중요하지 않다.

하전 교환은 복합적으로 하전된 이온에만 영향을 준다. 전자가 He로부터 He⁺로 변경되는 경우, 결과는 동일한 수 및 조성의 이온이다. 즉, He는 He⁺가 되고, He⁺는 He가 된다. 그러나, 전자가 He로부터 He⁺⁺로 변경되는 경우, 결과는 2개의 He⁺ 이온이고, 따라서 He⁺⁺이온은 손실되었다. 여기 기재된 장치의 경우에, 이온 에너지는 충분히 낮으므로, 하전 교환은 중요한 문제가 아니다.

반경방향 확산은 중앙 자기장(40)이 큰 경우에는 문제가 아니다. 이온의 사이클로트론 궤도가 이온화 챔버(30)의 크기에 비해 작은 경우, 반경방향 확산은 매우 느리며, 입자는 반경방향으로 확산하는 것보다 더 빠르게 손실 콘(58)으로 산란된다.

전형적인 실시예에서, 손실 콘(58)으로의 산란은 입자의 주된 손실 방법이다. 시스템(10)은 플라즈마(57)로부터 비임(56)을 발생시키기 위해서 이 산란 프로세스를 필요로 한다. He⁺⁺의 손실 콘 산란은 이것이 추출된 이온 빔(56)을 형성하기 때문에 바람직하다. 그러나, He⁺의 손실 콘 산란은, He⁺가 비임(56)으로 들어가도록 해서, 비임(56)에서의 He⁺의 백분율 양을 증가시키기 때문에 바람직하지 않다. 비임(56)에서의 He⁺ 이온은 매스 이온 필터(61)를 사용하여 He⁺⁺ 이온으로부터 분리될 수 있지만, 이는 비임 강도를 감소시키고, 이미턴스를 증가시키며, 전체적인 비임 효율을 감소시킨다.

ECR 소스(44)에 의해 발생된 열전자는 비등방성 분포를 갖고, 수직 에너지는 축방향 에너지보다 훨씬 크다. 전자와의 충돌에 의해 발생된 이온 또한 비등방성 분포를 갖고, 자기장(40)에 수직한 에너지가 평행 에너지보다 더 크다. 2에 가까운 거울 비(B_거울/B_중앙)가 주어진 경우, 절반보다 다소 많은 형성된 He⁺가 거울 필드(32 및 34)에 의해 제한되고, 절반보다 다소 적은 He⁺는 제한되지 않고 첫 번째 통과에서 거울 필드(32 및 34)를 떠난다. 처음에 제한되지 않은 입자의 일부가 후방 거울 필드(32)로부터 나오고, 나머지가 전방 거울 필드(34)로부터 나온다. 입자 밀도 및 온도, 기하학적 고려, 및 어떤 다른 파라미터에 따라, 생성된 비임(56)은 전형적으로 50~90% He⁺⁺ 와 50~10% He⁺ 사이일 것이다. 발생된 빔(59)에서의 He⁺⁺에 대한 He⁺의 정확한 비는 가스 밀도, ECR 파워, 소스 기하학적 구조, 및 자기장 기하학적 구조 사이의 관계의 복잡한 설정에 의존한다. 정확한 비는 실험적으로 결정될 수 있고 원하는 비임 비(56)를 생성하도록 최적화될 수 있다. 상기와 같이, 84% 이상의 비임 비가 여기 기재된 종류의 장치를 사용하여 실험적으로 입증되었다.

He⁺⁺에 대해서는 필요하지 않지만, 고도로 복합적으로 이온화된 입자의 비는 ICR(Ion Cyclotron Resonance) 여자기 시스템(62)을 사용함으로써 증가될 수 있다. 이 시스템(62)은, 방사시에 에너지를 He⁺ 이온의 이온 사이클로트론 공진으로 연결시켜 에너지를 He⁺ 이온의 수직 운동으로 연결시키기 위한 적절한 주파수를 방출하기 위해 거울 필드(32 및 34) 사이의 챔버(30)에서 안테나(68)를 사용한다. 일반적으로, 입자의 축방향(평행) 속도는 ICR 자극에 의해 변하지 않은 상태로 유지된다. 수직 에너지 증가는 구동된 입자를 손실 콘(58) 밖으로 밀어낸다. 어떤 실시예에서, ICR 자극을 사용함으로써, 손실 콘(58)으로의 He⁺의 산란율은 거의 0으로 감소될 수 있다.

실제로, He⁺ 이온은 무제한적으로 손실 콘(58)으로부터 벗어나 유지될 수 없다. 주어진 충분한 시간에서 입자는 손실 콘(58) 내로 산란된다. 기본적으로 이러한 산란은 입자의 수직 에너지의 일부를 평행 에너지로 변환한다. ICR 여기는 이후 수직 속도를 훨씬 더할 수 있고, 입자를 손실 콘(58)으로부터 다시 밀어낼 수 있지만, 궁극적으로 평행 에너지는 입자가 거울 필드(32, 34)를 벗어날 정도로 충분히 높게 된다.

목적은 이온을 무제한적으로 손실 콘(58)으로부터 벗어나게 하는 것이 아니지만, 복합 이온화 충돌을 겪기에는 충분히 길다. 시스템(10)이 높은 플라즈마 밀도로 작동될 때, 이러한 복합 이온화 충돌은 손실 콘(58) 내로의 산란보다 빨리 발생한다.

ICR 여기가 이용될 때, 시스템(10)은 다음과 같이 작동한다.

마이크로파는 고온의 전자를 발생시키는 챔버(30)의 중앙 자기 영역(40) 내에서 ECR을 여기한다. 이러한 전자는 대부분 He⁺ 이온과 약간의 He⁺⁺ 이온을 생성하는 배경 헬륨 가스를 이온화한다. ICR 시스템(62)은 중앙 자기 영역(40)에서 He⁺ 공진(resonance)을 여기한다. He⁺ 이온은 전자와의 제2 충돌이 제2 이온화를 야기하여 He⁺⁺을 생성하게 하는 2개의 자기 거울 필드(32, 34) 사이에서 포획된다. ICR 여기는 사이클로트론 주파수 2배의 He⁺⁺ 이온에 결합하지 않는다. He⁺⁺ 이온은 이온 빔(56)으로서 챔버(30)를 나가는 손실 콘(58) 내로 산란된다. 몇몇 실시예에서, 대부분의 He⁺⁺는 더 낮은 전방 거울 필드(34)를 경유하여 나간다. 몇몇 실시예에서, 후방 거울 필드(32)의 높이는 가능한 한 높거나 또는 적어도 전방 거울 필드(34)보다 높아야 한다. 하지만, 시스템(10)은 전방 거울 필드(32)가 후방 거울 필드(34)와 동일하거나 또는 실질적으로 동일할 때에도 작동할 수 있다.

몇몇 실시예에서, ICR 여기는 밸런스 생성(balance production)을 잃을 때까지 플라즈마의 밀도를 증가시키게 한다. ICR 여자기(62)가 무제한적으로 손실 콘(58)으로부터의 He⁺ 을 유지할 수 있는 한, 플라즈마 밀도는 He⁺ 의 생성이 He⁺⁺의 생성과 동일할 때까지 증가하는 것으로, 이는 He⁺⁺가 손실 콘(58) 내로 산란되는 비율과 동일하다.

상기 실시예의 대부분은 헬륨에 집중되어 있다. 헬륨은 2개의 전하 상태만 가져서 시스템(10)이 He⁺⁺의 높은 밀도 이온 비임(56)을 어떻게 생성할 수 있는지를 파악하기가 쉽다. 특히, ICR 시스템(62)이 사용될 때, 동일한 기술이 임의의 다른 원자의 선택된 최종 이온화 상태에서의 배가된 이온화된 이온을 생성하는데 이용될 수 있다. 하지만, 다른 원자(예를 들어, 2개 이상의 이온화 상태를 갖는 것)와 작용할 때, 몇몇 쟁점이 주목할 만하다.

먼저, 요구되는 이온화 상태 및 원자에 따라, ECR 가열 전자의 전자 에너지를 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 이는 ECR 소스(44)에서의 전력을 증가시키고 및/또는 전자에 대한 냉각 효과를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 올바른 조건하에서, 600 내지 1000 keV 정도의 높은 전자 에너지를 얻을 수 있다. 매우 높은 전자 온도를 얻기 위해서는, 자석 시스템의 중심 영역(70)에 반경방향 구속 멀티폴 필드를 부가하여 "진정한" 최소 자기장 구성을 생성하는 것이 필요하거나 또는 바람직할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반경방향 구속 멀티폴 자석(72)[예를 들어, 헥사폴(hexapole) 또는 고차 멀티폴 자석]이 사용될 수 있다. 이는 ICR 여자기 시스템(62)이 사용될 경우에 몇몇 잇점을 가질 수 있다. 이하에 더 상세하게 설명하는 바와 같이, 고차 멀티폴 자석(72)은 플라즈마(57)의 외측 반경 에지에 대하여 필드 효과를 국소화하고, 플라즈마(57)의 중심부[축(A)에 근접 배치됨]가 영향이 없게 한다. "진정한" 최소 자기장 구성은 챔버(30)의 벽(76)과 플라즈마(57) 사이에 절연의 형태를 제공하고, 고온의 전자를 더 얻기 쉽게 한다.

둘째로, ICR 여자기 시스템(62)이 사용될 경우, 어떠한 ICR 주파수를 사용할지에 대한 의문이 생긴다. 사용가능한 소정의 이온화 전하 상태가 존재할 때, 소정의 포텐셜 ICR 여자기 주파수가 존재할 것이다.

소정 실시예에서, 여기를 위하여 하나의 주파수가 선택된다. 일반적으로, 최저의 이온화 상태를 여기하게 되면, 임의의 더 높은 상태의 생성을 가장 많이 증가시키게 된다. 또한, 다중 상태 또는 모든 상태를 여기하는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 원하는 바가 수술로 치료할 수 없는 종양에 유용한 O^{+ 8}를 생성하는 것일 경우, ICR 여기 시스템은 O⁺, O⁺⁺, O⁺³, O⁺⁴, O⁺⁵, O⁺⁶ 및 O⁺⁷의 ICR 공진을 여기하는 다중 안테나가 제공되고, 이에 따라 바람직하게는 챔버(30) 내에 O⁺⁸ 이외의 모든 산소 이온을 보유할 수 있다.

시스템(10)은 추출된 이온을 가속하기 위하여 높은 포텐셜로 챔버(30)를 바이어스시키는 포지티브 소스(78)를 포함한다. 따라서, 시스템(20)을 상이한 전압으로 바이어스시키고 조작자의 안전을 위하여 챔버(30)를 전기적으로 절연시키는데 다수의 절연체(80)가 필요하다.

절연체 시스템을 실행시키는 다양한 방법들이 있다. 이는 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d에 도시된 시스템(10)의 실시예를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 구성은 진공 펌프(54), ECR 소스(44) 및 원자 소스(50)를 전기적으로 절연시키도록 사용되는 절연체(80)를 갖춘, 서로간의 변형예들이다. 도 2c에 도시된 시스템은 챔버(30)의 전체 외벽(86)이 그라운드에서 바이어스된 점에서 상당히 상이하다. 내부 바이어스 라이너(88)는 플라즈마 바이어스, 이에 따라 이온의 추출 에너지를 제어하는데 사용된다. 제조 관점에서, 몇몇 실시예에서 이는 약간 더 복잡할 수 있지만, 조작자가 고전압에 접촉하기가 훨씬 어렵다는 점에서 조작자에게 더 높은 안전을 제공할 수 있다. 내부 바이어스 라이너(88)로 인해, 라이너(88)는 ICR 안테나(90)의 내측 또는 외측에 위치할 수 있다. 몇몇 경우에 있어서는, 바이어스 라이너(88)로서 ICR 안테나(90) 자체를 사용하는 것이 가능할 수 있지만, 바이어스 라이너(88)가 ICR 안테나(90)의 내측에 위치할 경우 ICR 드라이브의 숏아웃을 방지하기 위한 적어도 하나의 슬릿을 포함하여야 한다.

도 2d는 ICR 안테나(90)가 진공 시스템에 대하여 외부에 있는 비유인성(non-conducing) 진공 벽(80)을 이용하는 시스템(10)의 변형예를 도시한다. 패러데이 차폐부(Faraday shield)[98]가 진공 시스템 내측에 바이어스 라이너로서 사용된다.

외부 안테나 설계는 대다수의 안테나와 작동하도록 일반화될 수 있다. 대부분의 경우에, 절연 챔버 벽이 사용될 수 있다. 안테나 시스템은 진공 시스템에 대하여 외부에 위치될 수 있다. 슬릿(들)을 포함하는 바이어스 라이너는 ICR 여기를 방해하지 않고 플라즈마 바이어스를 제어하도록 챔버 내측에 사용될 수 있다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, ICR 여자기 시스템(62)은 RF 드라이브 시스템(96), 안테나(90), 및 동조 시스템(100)을 포함한다. 목적은 이온 사이클로트론 운동에 결합할 전기장을 생성하는 것이다. 이온과 같은 방향으로 회전하는 전기장은 최상의 결합을 제공하지만, 선형 또는 방사형 전기장과 같은 다른 조합도 역시 효과가 있다. 일반적으로 ICR 주파수는 RF 범위 내에 있고 안테나(90)는 동축 라인(102)으로부터 공급된다. 안테나(90)를 드라이버 시스템(96)에 정합하기 위해 커패시터/인덕터 네트워크가 정상적으로 동조 시스템(100) 내에서 사용된다. 통상적인 실시예에서, ICR 여자기가 적용되는 영역 내의 자기장은 이온의 사이클로트론 주파수가 양호하게 정의되도록 비교적 일정해야 한다. 중앙 균일 필드 영역(40)은 이러한 요구 사항을 충족한다. 안테나(90)가 구현되는 방식 및 절연체 시스템이 구현되는 방식에 따라서, 안테나(90)는 높은 전압에서 있을 수 있다. 시스템 사이의 이격을 제공하기 위해 안테나(90)와 RF 드라이브 시스템(96) 사이의 결합이 변압기 또는 커패시터를 사용하여 제공될 수 있다.

안테나(90)와 같은 다수의 상이한 안테나 시스템이 ICR 여자기(62)용으로 사용될 수 있다. 이에는 중공 여자(excitation), 콘덴서 판, 스플릿 링, 및 필러가 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 중공 여자는 루프(표시되지 않음) 또는 다른 유형의 여자기를 사용하여 챔버(30)의 중공 모드에 단순 결합한다.

최적의 안테나 설계는 요구되는 특정 이온 및 전하 상태에 강하게 의존할 수 있다. 이중으로 대전된 이온이 아닌 다중으로 대전된 이온의 생성을 위해 다중 주파수에서 안테나를 구동하는 것이 바람직할 수 있다.

커패시터 판 안테나는 선형(도 6a) 또는 원형 드라이브(도 6b) 중 어느 하나가 될 수 있다. 선형 드라이브의 경우에는 2개의 판(104 및 106)이 구동되어 진동 전기장을 생성한다. 원형 드라이브의 경우에는 수직 판(108 및 110)이 수평 판(104 및 106)과 90° 벗어난 위상으로 구동되어 회전 전기장을 생성한다. 다른 실시예에서, 다른 위상각이 사용될 수 있고, 이로 인해 타원형 드라이브 방사선을 생성할 수 있다. 판의 상대 위치를 설명하기 위해 편의 상 본 명세서에서는 수직 및 수평의 용어가 사용되지만, 안테나 판은 챔버(30) 내에서 임의의 방향으로 지향될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 자기장(40)에 수직인 전기장을 제공하는 것 이외에 판의 정확한 구조는 중요하지 않다. 소정 실시예에서, 다중 주파수에서 출력을 생성하기 위해 여자기 시스템(62)에서 커패시터 판 안테나(또는 다른 안테나 유형)가 사용될 수 있다.

도 7을 참조하면, 스플릿 링 안테나(111)는 패러데이 차폐부(114)를 둘러싼 와이어 코일(또는 냉각 가능한 튜브)(112)로 구성된다. 패러데이 차폐부(114)는 코일(112)의 나선형 전기장이 플라즈마(57)에 도달하는 것을 방지한다. 패러데이 차폐부(114)의 금속 내의 길이 방향 슬릿(116)은 전기장의 대부분의 선형 성분이 플라즈마(57)에 도달할 수 있게 하고, 이는 이온 사이클로트론 공진과 결합한다. 실제 전기장은 슬릿(116)으로 인한 방사형 원호에 더 유사하지만, 이는 선형 드라이브 시스템과 대략 동일한 효율을 가지는 이온 운동과 결합한다.

내부 바이어스 라이너가 사용되는 경우, 예컨대 도 2c에 도시된 바와 같이, 패러데이 차폐부(114)를 ICR 여자기 시스템(62) 내부의 바이어스 라이너로서 사용할 수 있다. 이러한 구성의 변경은, 도 2d에 도시된 바와 같이, 비유도(non-conducing) 진공벽 절연체(80)를 사용하고 ICR 안테나를 챔버(30) 외부에 배치하는 것과 패러데이 차폐부(98)를 챔버(30) 내부의 바이어스 라이너로서 사용하는 것이다.

외부 안테나 설계는 대부분의 구성에서 작동하도록 일반화될 수 있다. 대부분의 경우에, 챔버(30)는, ICR 안테나(68)가 챔버(30)의 외부에서 주위 압력의 영역 내에 위치될 수 있도록, 절연 챔버벽(80)을 포함할 수 있다. ICR 여자와 간섭하지 않고 플라즈마 바이어스를 제어하기 위해 하나 이상의 슬릿(116)(도 7에 도시됨)을 포함하는 바이어스 라이너(98)가 챔버(30) 내부에서 사용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 필러 안테나(124)는 내부에서 전류가 구동되는, 도시된 다수의 나선형 도체(126 및 128)를 포함한다. 필러의 유형에 따라서, 선형 드라이브 필드 또는 회전(즉, 원형 또는 타원형) 드라이브 필드 중 하나가 생성된다. 회전 드라이브 필드에 대해서, 도시된 바와 같이, 나선형 도체(126 및 128)(135 및 136)를 가지는 서로에 대해 수직으로 구성된 사실상 2개의 필러(130 및 132)가 존재한다. 2개의 필러는 90° 벗어난 위상으로 구동되어 회전 전기장을 생성한다. 단순 필러 안테나는 2개의 필러(130 및 132) 중 하나만을 가질 것이다.

상기 논의된 ICR 안테나 시스템(60)(중공 여자, 커패시터 판, 스플릿 링, 및 필러)에 있어서의 다른 변경에 추가적으로, 비-트위스트형(untwisted) 필러 안테나(140)가 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 비-트위스트형 필러 안테나는 2개의 필러(141 및 142)를 포함한다. 소정의 실시예에서, 단일 비-트위스트형 필러가 사용될 수 있다. 이 경우에, 필러(141 및 142) 중 하나는 생략될 수 있다.

이중 필러(bi-filer) 안테나(124)는 기본적으로 전류 이송 와이어의 트위스터형 세트이다. 플라즈마(57)의 대향 측면 상의 와이어는 반대 방향의 전류를 이송한다. 이들 와이어는 플라즈마(57)의 중심에 자기장을 생성하기 위해 조합된다. 전류가 진동하면서, 발생된 자기장이 진동하고, 플라즈마(57)의 중심에 전기장을 유도한다. 단일 필러 안테나는 선형으로 극성화된 여자를 생성하고 이중 필러 안테나는 통상적으로 회전 여자 필드(원형 또는 타원형으로 극성화됨)를 생성한다. 일반적으로 유도 안테나 시스템(필러 등)은 정전식 안테나(커패시터 판 등) 보다 이점을 가진다. 이는 고밀도 플라즈마(57)가 정전식 안테나에 의해 생성된 전기장을 차단하는 경향이 있고, 따라서, 이들 안테나는 1차적으로 플라즈마(57)의 외측 에지에서만 플라즈마(57)와 결합하기 때문이다. 유도 안테나는 진동 자기장에 의해 생성된 유도 전기장을 통과해 구동한다. 자기장은 플라즈마(57)를 관통할 수 있고 따라서 드라이브 필드는 플라즈마(57) 내부의 어느 곳이든 위치되며, 일반적으로 챔버(30)의 축 상에서 피크가 된다.

통상적으로 필러 안테나(124)는 플라즈마(57) 내의 전하 분리를 방지하기 위해 내부에 트위스트부를 가진다. 본 발명에서, 트위스트부는 불필요하다. 짧은 길이의 소스는 드라이브 필드가 약한 플라즈마(57)의 단부에 있는 입자가 중화(neutralization)를 제공하게 하고, 따라서 전하 분리는 큰 문제가 되지 않는다. 또한 플라즈마 회전에 의해 중화가 제공되면, 이는 이중 필러(124) 등과 같은 안테나가 플라즈마(57)의 일부분 상에서만 구동하는 것을 방지한다. 플라즈마 회전은, 이온 및 전자가 미세하게 상이한 속도로 손실되고, 이러한 2개의 손실 속도를 균형잡는 미세한 전하 불균형(양극성 포텐셜)을 초래할 때의 플라즈마(57)의 미세한 불균일성에 의한 것이다. 이러한 전하 불균형은 방사형 전기장을 발생시키고, 이는 축방향 자기장과 조합되어 플라즈마 회전을 발생시킨다.

비-트위스트 필러 안테나(140)는 소스에서 양방향으로 진행하는 이온에 결합되는 이점을 갖는다. 트위스트 필러 안테나는 ICR 드라이브 필드에 도플러 변위를 부과한다. 이것은

로 주어진 사이클로트론 주파수로 입자에 드라이브 필드가 결합된 것을 의미한다.(여기서, 사인은 이온 사이클로트론 회전 방향에 대해 안테나 트위스트 방향으로 결정되고,

는 필러의 구조에 의해 결정된다.) 트위스트 필러는 상기 장치의 일방향으로(말하자면 위치-z) 진행하는 입자에 매칭될 수 있지만, 축방향 속도의 사인이 변하기 때문에 다른 방향으로는 매칭되지 않는다. 비-트위스트 필러는

이므로, 상기 장치의 양방향으로 진행하는 입자와 결합한다. 이러한 점은 ICR 변조기가 많은 플라즈마에 결합하게 한다.

도 10a 및 도 10b에서, 시스템(10)은 공진(도 10a) 또는 서브 공진(도 10b) ECR 모드에서 작동될 수 있다. 공진 모드에서, ECR 공급원(44)은 균일 필드(40)의 전자의 ECR 운동과 공진의 마이크로파를 생성한다.[도 10a에 도시된 바와 같이, 공진 영역(200)은 2개의 거울 필드(32, 34) 사이에 위치된다.) 이러한 영역은 챔버(30)의 영역(70)에서 축(A) 주위의 원통형 체적에 대응한다. 이러한 배치는 전자와 마이크로파 사이의 높은 결합성을 제공한다.

공진 모드에서의 중앙 필드의 균일성에 대한 일반적인 요구는 전자 구속 시간과 전자 탈상관 시간 사이의 관계로 표현될 수 있다. 전자가 균일한 자기 필드에 놓여지면, 아래와 같이 주어진 사이클로트론 주파수로 상기 필드 주위에서 궤도 선회한다.

전자 운동이 전자와 동일한 방향으로 회전하는 회전식 전기 필드를 생성하는 ECR 드라이브에 의해 구동되면, 전자는 에너지를 얻는다. 드라이브 주파수(

)가 전자 사이클로트론 주파수와 정확하게 매칭할 때, 전자는 전자의 상대론적 보정이 현저해질 때까지 계속적으로 에너지를 얻는다. 전자 에너지가 전자 레스트 에너지의 중요한 프랙션(fraction)이 될 때 상대론적 보정이 중요해지기 때문에 전형적인 실시예에서는 중요한 이슈가 아니다.(전자 레스트 에너지는 512 keV이고, 많은 실시예에서, 대상 전자 에너지는 알파 입자 제조를 위해 200-300 eV이고, C⁺⁶의 제조를 위해 약 1keV이다.)

드라이브 주파수는 전자 사이클로트론 주파수와 정확하게 매치하지 않으면, 전자는 우선 에너지를 얻은 뒤 에너지를 잃고 다시 얻는다. 사실, 전자가 에너지를 잃을 때 ECR 드라이브에 의해 가속되기 전과 동일한 초기 상태로 복귀된다. ECR 주파수(

)의 관점에서, 이러한 에너지의 손실 및 습득의 타임 스케일은 아래에 의해 얻어진다.

오프-공진 ECR 드라이브 필드에서의 전자의 에너지 습득(또는 손실)도 다음으로 제한된다.

여기서,

는 정상화된 전기 필드 eE/m이다.

몇몇 실시예에서, 상기 필드는 완전하게 균일하지 않다. 이러한 경우, 사이클로트론 주파수는 전자에 의해 처리된(experienced) 평균 사이클로트론 주파수로 대체될 수 있다. 또는, 보다 정확하게, 평균 사이클로트론 주파수의 모든 전자에 결친 평균값이 각각의 전자에 의해 처리된다.

이러한 주어진 상황에서, 상기 장치의 전자 구속 시간의 순서 또는 탈상관 시간이 커질수록 필드의 균일성에 대한 충분하 조건을 나타낼 수 있다. 공진 모드에서, 이러한 조건이 만족되면, 상기 필드는 사실상 균일해진 것으로 고려될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 필드(40)는 5cm, 10cm, 15cm, 30cm 이상 축방향으로 연장된 영역에 걸쳐 1% 이하, 5%이하, 10%이하로 균일하지만, 거울-대-거울 거리는 60 cm이다.

몇몇의 경우, 공진 모드에서의 작동은 전자를 너무 활동성있게 한다. 예로써, He⁺⁺ 형성의 경우, 모든 형성 방법에 대한 단면적의 피크는 200 내지 300 eV 사이이다. 주어진 충분한 파워 및 결합으로, 10 keV 이상의 전자 온도가 발생될 수 있다. 이러한 높은 에너지 전자는 He⁺⁺의 형성에 유용하지 않고, 의도하지 않은 X-레이를 발생시키는 경향이 있다. 전자 온도는, 마이크로파 파워, 가스압, 공진 영역의 길이 및 전자 구속 시간을 조정함으로써 제어될 수 있다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 전자 온도를 제어하기 위한 얼터너티브 시스템은 ECR 드라이브가 균일 필드(40)로부터 탈-동조되도록 중앙 영역(40)에서 자기 필드를 조정한다. 본 명세서에서는 이러한 것을 서브-공진 모드로 언급한다. 이러한 모드는 (공진 모드 작동 중에 결합이 발생되는 큰 원통형 체적에 비해) 거울 필드 영역(32, 34)에 인접한 챔버(30)의 각각의 단부에 위치된 영역(180, 182)에 마이크로파가 결합되는 것을 방지한다. 중앙 필드(40)가 낮을수록, 이들 영역(180, 182)은 작아진다. 이러한 방법은, 상기 구성의 높은 마이크로파 파워가 높은 전자(및 플라즈마) 밀도에 대부분 상응하고, 높은 전자 온도에는 상응하지 않는다는 이점이 있다. 이러한 방법은 이온화된 상태를 적당하게 하기 위해 낮은 생성에 효과적이다.(He⁺⁺와 같이)

이러한 작동 모드에는 균일 필드 영역과 자기 거울 사이에 위치된 두 개의 작은 ECR 섹션(180, 182)이 있다. 입자는 중요한 이슈가 되도록 탈상관에 충분하게 긴 영역에 있지 않다. 전자는 ECR 영역을 통과하고, ECR 드라이브 위상에 대한 입자의 위상에 따라, 입자는 상기 영역에서 몇몇 에너지를 얻거나 잃는다. 양쪽 ECR 영역에서 방대한 대부분의 전자가 조우하는 위상이 상관되지 않기 때문에, ECR 영역을 통과할 때마다 에너지를 얻거나 잃는다. 이것은 (예로써, 유사 작동 파라미터를 사용하는 공진 모드에 비해 점진적으로) 에너지의 점진적인 습득을 야기하는 (랜덤 워크와 유사한) 추계학적 열처리에 이르게 한다. 이를 위해, 중앙 영역의 필드 균일성에 대한 요구는 없지만, 플라즈마 안정성에 대한 제한은 여전히 적용되고 있다.

이러한 구성의 몇몇 실시예에서, 중앙 필드와 ECR 주파수 사이의 관계가 중요하다. 이들 두 개가 너무 밀집하게 매치되면, 전자를 ECR 영역에서 떠나게 하는 것을 고려할 수 없고, 전체 중앙 영역에서는 오프-공진인 하나의 큰 ECR 영역이 된다. 상기 시스템의 성능이 매우 좋은 경우라면, 전자에 의해 습득된 에너지는 상기 주어진 관계에 의해 제한된다. 또한, 탈상관 시간이 짧아져, 전자는 에너지를 급속하게 습득하고 잃게되어 구속이 열악해진다.

중앙 구역이 공진 상태로부터 충분히 멀리 있는 자기장에 대응한다면, 존을 횡단하는 전자에 의해 얻거나 손실될 수 있는 에너지는 상기 관계에 의해 제한된다. 또한, 중앙 구역이 공진 상태로부터 충분히 멀리 있다면, 다른 효과가 중앙 구역을 통한 수송(transit)을 지배한다. 이는 전자 상(electron phase)이 2개의 ECR 존 사이에서 효과적으로 임의 추출되는 것을 허용한다. 이는 2개의 존 사이에서 지속적으로 불량하게 상 매치되는(phased matched) 입자의 수를 감소시키거나 없앤다.

ICR 여기 시스템(62)은 챔버(30)의 중앙에 균일한 자기장(40)이 여전히 있는 것처럼 사용될 수 있지만, ECR 존은 거울 필드(32, 34)의 존에 인접해서만 위치될 것이다. 이러한 경우, ICR 주파수는 낮은 공진 필드와 조화되도록 약간 감소된다. 추가 이점은 중앙 필드(40')가 낮아짐에 따라 전방 및 후방 거울 필드(32, 34) 상의 거울 비가 다소 증가된다는 점이다.

도 15는 공진 및 서브 공진 모드의 작동 둘다를 도시한다. 도 15는 작은 개구를 이용하는 중앙 자기장(18㎓의 일정한 ECR 구동 주파수에서)인 전체 추출된 비임 전류의 함수로서의 플롯이다. 대략 0.638T에 위치된 샤프 피크는 공진 모드의 작동에 대응한다. 0.5T 주위의 넓고 평평한 피크는 서브-공진 모드의 작동에 대응한다.

그래프에서 서브-공진 모드의 작동이 더 많은 전류를 생산하고 따라서 더 양호한 것으로 보일 수도 있지만, 이는 오해일 것이다. 데이터는 중앙 필드만을 변경함으로써 취해졌고, 따라서 플라즈마 생성과 강하게 연결된 거울 비는 그래프에 걸쳐서 일정하지 않다. 또한, 비임 구성은 여기서 플롯되지 않아 He⁺에 대한 He⁺⁺의 비도 또한 그래프를 따라 변한다.

0.635T와 0.56T 사이의 구역은 어느 모드도 완전히 적용되지 않는다. 명백하게 0.63T 근처에서 전자 탈상관 시간이 짧고, 최대 에너지가 얻어진 전자는 He⁺⁺의 형성에 대해 너무 낮았다. 0.6T에 접근함에 따라, ECR 존은 중앙 구역으로부터 나와서 더 높은 필드를 향해서 이동되지만 존이 너무 크고 너무 잘 상관되어 있어 효율적인 확률적 가열 프로세스로 이어지지 않을 것이다.

도 16은 공진 모드의 작동에 대한 이동시보 질량 분광계 데이터를 나타낸다. 수평축은 시간을 나타낸다; 3.5㎲ 근처의 데이터는 He⁺⁺에 대응하고, 5.5㎲ 주위의 데이터는 He⁺에 대응한다. 수직축은 중앙 자기장을 나타낸다. He⁺⁺ 생성은 0.636T와 0.639T 사이에서 평평하다. 이 구역은 전자 구속 시간(electron confinement time)보다 긴 전자 탈상관 시간에 대응하여 전자는 감소될 수 있기 전에 손실된다.

균일한 필드 구역은 또한 전자 또는 이온에 대한 단순한 결합 에너지에 비해 다른 이점을 갖는다. 일부 실시예에서, 거울 장치는 자기장의 곡률에 의해 만들어지는 다수의 불안정성 때문에 불안정하다. 특히, 균일한 필드와 자기 거울 사이의 구역에서의 필드의 형상은 아주 불안정할 것이다. 이 구역에서 만곡된 자기장 내의 입자의 결합된 드리프트는 아래 식에 의해 주어진다.

여기서, R_c는 자기장의 곡률 반경이다. 이들 드리프트는 이온 및 전자가 반대 방향으로 드리프트하게 한다. 변화 분리(change separation)에 의해 발생되는 결과적인 전기장은 반경방향 발산으로 이어질 수 있는 반경방향(radial) E×B 드리프트를 유발한다.

자기장이 플라즈마를 향해 만곡된 때(오목), 결과적인 드리프트는 입자의 외향 수송 및 손실을 유발한다. 이는 종종 "불량한(bad)" 곡률로서 참조된다. 한편, 자기장이 플라즈마로부터 멀게 만곡된 때(볼록), 결과적인 드리프트는 입자의 내향 수송 및 구속을 유발한다. 이는 종종 "양호한(good)" 곡률로서 참조된다.

간단한 자기 거울에서, 입자는 "양호한" 곡률을 갖는 구역에서보다 "불량한" 곡률의 구역에서 훨씬 더 많은 시간을 보내게 되고 이는 입자의 급격한 반경방향 손실로 이어진다.

본 명세서에 기재된 시스템에서, 균일한 필드 구역은 플라즈마의 안정성을 크게 증가시키고 선택된 최종 상태에서 이온을 형성하기 위하여 제2(또는 더 많은) 전자(들)을 제거하는 데 필요한 시간에 비교할 만한 이온 구속 시간을 제공한다.

증가된 안정성은 다수의 요인에 의해 제공된다. 첫번째로, 균일한 섹션은 본질적으로 곡률을 갖지 않아서 입자가 "불량한" 곡률의 구역에서 소비하는 전체 시간을 감소시킨다. 수송으로 이어지는 불안정성과 관련된 임계값(thresholds)이 있다. 드리프트의 평균 크기가 열 수송 드리프트보다 작다면 명백하게 만곡된 자기장에 의해 유발된 불안정성은 성장하지 않을 것이다. 두번째로, 균일한 필드 구역은 플라즈마의 큰 부분을 포함한다. 이 구역은 만곡된 자기장 드리프트에 의해 유발된 변화 분리를 약화시키는 전하 리저버(charge reservoir)를 제공한다. 기본적으로 이는 전하가 축을 따라 흘러서 "불량한" 곡률 구역에 의해 유발된 변화 분리를 중화시키는 것을 허용한다. 세번째로, 균일한 구역은 2개의 "불량한" 곡률 구역을 분리시킨다. 따라서, 장치의 일 단부에서 성장하는 불안정성은 일반적으로 장치의 일측으로부터 타측으로 이동하는 입자에 의한 불일치하는 상 이동(phase shifting)에 기인하는 장치의 타측에서 성장하는 불안정성에 연결될 수 없다.

일부 실시예에서, 필드 상의 요구조건은 구역(70)의 대부분에 걸쳐서 5 내지 10％ 오더이다. 안정성은 불안정성에 대한 임계값을 감소시키는 잠재적으로 더 높은 거울 필드 때문에 서브-크리티컬(sub-critical) 모드에서 더욱 중요할 것이다.

도 14 및 도 14a를 참조하면, 일부 실시예에서(예컨대, 아주 높게 이온화된 이온종의 발생 및/또는 아주 강한 이온 비임의 발생에 대하여), 시스템(10)에 반경방향 표면 구속 자기(76)를 추가하는 것이 유익할 것이다. 반경방향 구속 필드(184)를 생성하는 구속 자석(76)은 반경의 함수로서 일반적으로 증가하는 자기장을 부가함으로써 축방향 최소 필드 구성을 더욱 완전한 최소 필드 구성으로 변경시킨다. 진정한 최소 자기장은 생성될 수 없다(이러한 정적 구성은 맥스웰 규칙에 위배될 것이다). "진정한" 자기 최소 구성으로서 기술 분야에서 참조된 구성은 단지 부분적인 최소 자기장이다. 모든 이들 형태의 구성은 필드가 반경의 함수로서 증가되지 않는 커스프(cusp) 구역을 포함한다. 이들 구역의 크기, 형상 및 위치는 이들 다양한 최소 자기장 구성을 구별시킨다.

표면 구속 자기장은 시스템(30)에서 전자의 구속 시간을 증가시킨다. 이는 전자가 ECR 구동 필드에 더 오래 있음에 따라 전자 온도(에너지)뿐만 아니라 시스템(30) 내의 전자 밀도를 증가시킨다. 더 높은 전자 밀도는 뉴트럴(neutrals) 및이온과의 더 많은 이온화 충돌에 대응한다. 더 높은 전자 에너지는 더 높은 이온화 상태를 발생시키는 능력에 대응한다. 이는 He⁺⁺에 대해서는 유용하지 않지만 다른 원자의 높게 이온화된 상태를 생성하는 데는 유용할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 헥사폴(hexapole) 고정식 자석 시스템(도시 생략)이 "진정한" 최소 자기장 구성을 생성하기 위해 사용된다. 교번 전위(alternating polarities)의 헥사폴 자석은 균일 자기장 영역의 부족 때문에, 플라즈마(57) 내부로 반경 방향으로 잘 관통하고 ICR 여자기 시스템의 사용을 방지할 뿐만 아니라 마이크로웨이브 커플링 영역을 제한하는 필드를 생성한다.

도 14 및 도 14a에 도시된 바와 같이, 더 높은 차수의 멀티폴 필드가 단지 플라즈마(57)의 에지(138)에만 영향을 미치는 표면 구속 필드(184)를 생성하는데 사용되어, 넓은 ECR 커플링 영역 및 ICR 여자기의 사용을 허용한다. 더 높은 오더의 멀티폴 필드는 고정식 자석을 사용하여 도입될 수 있지만, 소스 영역 주위에 위치하게 되는 일련의 도전성(current carrying) 와이어(154)를 사용하여 도입될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 각각의 와이어(154)는 인접 와이어(154)에 대해 반대인 방향으로 통전시킬 수도 있어서, 조정 가능한 멀티폴 자기장(184)을 낳는다. 와이어(154) 내 전류 강도는 와이어(154)에 매우 근접하여, 예를 들면 영역(185)에서 매우 강할 수 있는 멀티폴 필드(184)를 형성한다. 멀티폴 필드(184)를 생성하는데 사용되는 와이어(154)는 꼬이거나 직선일 수 있다(도시된 바와 같음). 동일한 와이어(154)가 멀티폴 필드(148)를 만드는데 사용되고 "트위스트" 또는 "비-트위스트" 필러용 ICR 안테나로서 작동할 수 있다. 이러한 구현에 있어서, 와이어(154)는 DC 또는 AC 부품을 통전시켜서 필드(148)의 DC 및 AC 부품 모두를 완성시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 멀티폴용으로 사용되는 와이어(154)의 수는 높을 수도 있고(도시된 8쌍 초과), 새로운 위상이 커플링 효율을 증가시키도록 ICR 드라이브에 도입될 수 있고, 또는 하나 거른 와이어(154)와 같은 몇몇 배열은 ICR 드라이브 신호를 반송할 수 있다.

도 2a를 다시 참조하면, 시스템(10)은 마이크로웨이브 혼(55)을 사용하여 ECR 플라즈마 생성용 마이크로웨이브를 안내한다. 몇몇 실시예에 있어서, 캐비티 시스템(도시 생략)을 사용하여 더 높은 효율이 얻어질 수 있다. 캐비티는 시스템(10)에서 사용되는 마이크로웨이브 및 가스를 모두 국부화시킨다. 마이크로웨이브의 국부화는 마이크로웨이브 파워 밀도 및 그에 따른 플라즈마 밀도를 증가시키는 점에서 좋다. 플라즈마 밀도가 증가하면, 발생할 수 있는 이온화 충돌 회수가 증가한다. 또한, 차폐 및 마이크로웨이브로부터의 다른 문제를 감소시킨다.

가스 국부화는 폐 공급 가스의 양을 감소시키며, 폐 공급 가스는 일반적으로 비싸지는 않지만, 어디까지나 폐기물이 감소되는 것이고 몇몇 희귀 공급 가스는 상대적으로 고가이기도 하다. 또한, 챔버(30) 내에서의 높은 가스 압력에 의해 야기되는 아크형성(arcing) 문제도 감소시킨다. 공급 가스가 캐비티 내에 대부분 국부화되면, 이는 안테나 시스템 또는 절연기 내가 아닐 것이다. 낮은 가스 압력이 가스 발생기 외측에서 유지될 수 있어, 아크 억제에 용이하다.

캐비티가 기밀 개념으로 완전히 폐쇄될 필요는 없다. 마이크로웨이브의 파장과 비교하여 작기만 하면 다수의 구멍이 벽 내에 위치할 수 있다. 이는 마이크로웨이브를 국한시키지만, 가스의 배출을 허용한다. 벽의 구멍을 제한함으로써 진공 시스템의 나머지 부분에 대한 전도도를 제어한다. 이는 캐비티 내의 가스 압력을 높게 그러나 챔버(30) 내 나머지 부분에 대해서는 낮게 유지하는데 사용될 수 있다.

가스 소스(50)는 매우 다양한 재료 공급을 사용하여 작동될 수 있다. 대부분의 경우 이러한 공급 시스템은 이로부터 플라즈마 및 그에 따른 비임을 만들기 위해 중성 입자 스트림을 제공한다.

알파 제조의 경우, 헬륨 가스가 작업 가스로서 사용된다. 대부분의 다른 가스성 물질의 경우에 있어서, 이들은 시스템용 작업 가스로서 사용될 수 있다. 이들이 단순한 단원자 가스인지 여부는 중요하지 않다. 예를 들어, 산소 이온 소스가 요구되는 경우, 분자 산소가 소스 내부로 주입될 수 있다. 고온 전자가 산소를 분해하고 이를 이온화시킨다.

통상적으로 가스가 아닌 재료의 경우, 재료를 소스 내부로 주입하는 몇몇 방법이 있다. 일 대체예는 원하는 물질을 함유하는 가스를 주입하는 것이다. 예를 들어, 탄소는 작업 가스로서 CO 또는 CO₂를 사용하여 주입될 수 있다. 두 경우에 있어서, 생성된 플라즈마는 탄소 및 산소 이온 모두를 포함할 것이고, 따라서 생성된 비임은 양 형태의 이온을 포함할 것이다. 원하지 않는 이온을 제거하기 위해 질량 필터가 소스에 이어진다.

대체예는 물질을 시스템(10) 내부에서 기화시킬 수도 있다. 칼슘과 같은 경우, 오븐을 사용하여 고형 칼슘을 단순히 가열하여 이를 기화시키는 것이 가능하다. 재료는 또한 e-비임에 의해 기화될 수도 있다. 이러한 형태의 소스는 바륨 및 칼슘과 같이 낮은 용융점을 가지는 재료의 생산에 매우 적합하다.

레이저 시스템이 타겟을 오블레이팅(oblating)하는데 사용되어, 이로부터 플라즈마가 형성되는 중성 재료가 생기게 할 수 있다. 이러한 시스템은 중성을 만들도록 챔버 내에 위치하는 냉각된 타겟에 레이저를 발사할 수도 있다. 타겟 위치 설정을 위한 기본적인 선택은 2개의 자기 거울 필드(32, 34) 사이의 영역(70) 내일 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, 이러한 위치 설정은 광학을 다소 어렵게 하고, 시스템 후방, 후방 거울 피크 근처로의 위치 설정은 다수의 장점을 가진다. 다른 위치 설정이 작업 가능하지만, 자기 거울(32, 34) 사이에 충분한 중성 입자를 발생시키기 위해서는 레이저 파워를 더 필요로 할 수도 있다.

재료를 주입하는 일 방법으로는 스퍼터링을 사용하는 것이다. 여기서 ECR 소스 및 자기 거울의 여기가 대부분의 임의의 고형 물질에 대해 스퍼터 소스를 발생시키는데 사용될 수도 있다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, ECR 소소는 후방 거울의 양 측면 상에서 공진 존(210, 211)에서 구속되지 않은 고온 전자를 만들기 위해 조정될 수도 있다. 거울의 전후방 상에서 발생된 결속되지 않은 고온 전자는 플라즈마(57)를 발생시키는데 있어 유용하지 않다. 이들 전자는 구속되지 않고 대게 금방 소멸된다. 추가로, 공진 존(210, 211)은 대게 매우 좁아 전자가 많은 에너지를 획득하기에는 충분한 시간이 주어지지 않는다. 그러나, 스퍼터링 소스를 특정화하는 실시예에 있어서, 스퍼터 소스를 형성하기 위해 거울의 후방 측 상에서 구속되지 않은 고온 전자를 사용할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 공진 존이 원하는 플라즈마 밀도를 만들기에 충분한 크기를 가지도록 존(210)에서 구배가 가파르지 않게 자기장을 조정하는 것이 바람직할 것이다.

도 11, 도 12 및 도 13을 참조하면, 스퍼터 소스(212)는 후방 공진 존(210) 근처에 플라즈마를 형성하도록 고온 전자가 소량의 가스를 이온화시키는 것을 허용함으로써 작업을 행한다. 스퍼터 타겟은 큰 네거티브 바이어스(예를 들어, 1-4 kV) 만큼 바이어싱된다. 이러한 네거티브 바이어스는 형성된 플라즈마로부터의 이온을 견인하여 이들을 높은 에너지로 가속시킨다. 이어서 이들 이온은 스퍼터 타겟(220)에 충돌하여 다수의 중성 입자를 생성한다. 이어서 이들 중성 입자는 공진 존(210) 내에서 고온 전자를 통과한다. 이들 중 일부분은 이온화되고, 네거티브 전위에 의해 끌어 당겨져 타겟(220)에 충돌하고, 더 많은 중성 입자를 스퍼터링시킨다. 몇몇 중성 입자는 고온 전자를 통과하여 결속된 공진 존(220)(공진 모드) 또는 존(180, 182)(서브 공진 모드) 내에서 이온화되어 입자 비임의 일부를 형성한다.

타겟 재료(220)는 스퍼터 타겟을 만들기 위해 전기 전도성이어야만 하는 것은 아니다. 예를 들면, 탄소는 단순히 전도성 표면(230) 상에 위치시키는 것만으로 타겟으로서 사용될 수 있다. 전도체(230)는 이온을 가속화시키는데 필요한 전위를 생성하기 위해 바이어싱되지만, 타겟 재료(220)의 실제 표면을 바이어싱시킬 필요는 없다. 전도체(230)는 절연체(240)에 의해 챔버(30)의 벽으로부터 격리될 수도 있다.

일부 실시예에서, 스퍼터 소스(212)는 유체 냉각 파이프를 포함할 수 있다. 이 기술분야에서 공지된 임의의 적절한 냉각 기술이 채택될 수 있다.

어떤 경우에 있어서, 타겟 재료(220)는 스퍼터가 잘 되지 않는다. 이는 스퍼터율(sputter yield)로서 표현될 수 있다. 표면을 타격하는 단일 이온당 표면으로부터 스퍼터되는 중성 입자의 평균 개수가 스퍼터율이다. 양호한 스퍼터 타겟을 형성하는 재료는 1보다 큰(종종 현저하게 큰) 스퍼터율을 갖는다. 낮은 스퍼터율을 갖는 재료가 요구되면, 스퍼터율을 증가시키기 위해 캐리어 가스가 사용될 수 있다. 통상적으로 제논과 같이 무거운 가스는, 대부분의 타겟에 대해 높은 스퍼터율을 갖는 경향이 있고 시스템에서 최소한의 문제를 야기하므로, 바람직하다. 캐리어 가스 중 일부가 이온화되어 출력 비임에 이르게 되겠지만, 이는 가스의 선택, 기하학적 배열에 의해 최소화될 수 있고, 그리고/또는 출력 비임 내에서 필터링될 수 있다.

일부 실시예에서, 스퍼터 소스(212)의 기하학적 구조는 중요하다. 플라즈마로부터의 이온이 스퍼터 타겟(220) 내로 가속될 수 있는 점, 중성 입자가 플라즈마(57) 내로 확실한 경로를 갖는 점, 마이크로파가 공진 존에 접근하는 것과 같이 소스가 핵심 물질(key things)을 차단하지 않는 점이 필수적이다. 예컨대, 스퍼터 소스(212)는 2가지의 기하학적 구성 중 하나가 될 수 있다. 이들은 축(A)에 배치된 스퍼터 타겟(212)(도 11에 도시된 바와 같음)이고, 축(A) 주위의 환상부(도 12에 도시된 바와 같음) 또는 원추부(도 13에 도시된 바와 같음)에 배치된 타겟이다.

ECR 스퍼터 소스는 고체 재료로부터 다중 변화된 이온 비임의 발생을 위해 특히 적합하다. 실제적인 예로서, 높게 대전된 니켈 이온 비임에 대한 적용례들이 있다. 이 소스는 특히 니켈 이온 비임의 생성에 적합하다.

도 11을 참조하면, 축방향으로 배치된 타겟(220)의 경우에 있어서, 스퍼터 타겟은 이온 소스의 축을 따라 작은 영역을 커버한다. ECR 마이크로파가 타겟 주위로 유동하는 것이 허용되고, 접근성을 향상시키기 위해 축 외로 도입될 수도 있다.

일부 실시예에서, 일 실시예는 대안으로서 주 제한된 플라즈마로부터의 이온을 사용하는 스퍼터 소스를 생성할 수 있다. 제한된 플라즈마로부터 스퍼터링 타겟으로 이온을 끌어당기기 위해 바이어싱이 사용된다. 예컨대, 이온은 플라즈마에 대해 음으로 바이어스된 축에서 플레이트 내로 후방으로 당겨질 수 있다. 이러한 실시예에서, 제한되지 않은 플라즈마를 생성할 필요는 없다. 일부 실시예에서, 이는 고 플라즈마 밀도에서 마이크로파 접근성에 대한 장점을 가질 수 있다.

추출 시스템(59)은 비임(56)을 추출 시스템의 제1 전극을 형성하는 추출 리미터(65)를 통과시킨다. 비임(56)은, 자기장이 감소할 때 자기장을 따라 팽창하게 된다. 집속 렌즈(64)는, 이온 비임 소스 시스템(10) 및 다음 시스템(예컨대, 비임 필터 또는 가속기) 사이의 경계를 형성하는, 최종 리미터 내로 비임을 수렴시키는데 사용된다.

비임(56)이 낮은 필드 영역 내로 초기에 팽창하게 하여 추출 에너지까지 비임을 가속시킴으로써, 비임 방사를 증가시키지 않고 비임을 높은 필드 영역 자기장 영역(32, 34, 40)로부터 낮은 필드 영역으로 이행시킬 수 있다.

다양한 실시예에서, 이 기술분야에서 공지된 다른 적절한 추출 시스템 및 기술이 채택될 수 있다.

진공 시스템(54)은 대부분의 임의의 표준 펌핑 시스템을 사용하여 실시될 수 있다. 고 진공 펌프는 적어도 1×10^-5 torr 정도의 낮은 베이스 압력을 제공해야 한다. 작동 중에, 원자 소스(50)로부터의 가스 또는 증기는, 고순도의 작업 가스를 공급하면서 보다 높은 압력으로 시스템(10) 내로 뽑아낼 수 있다.

고에너지 알파(⁴He⁺⁺) 또는 헬륨-3(³He⁺⁺) 비임에 대해 많은 잠재적인 적용례가 있다. 최근의 적용례는 방사성 동위원소의 생성을 위한 타겟 원자핵의 활성화이다. 짧은 반감기 및/또는 낮은 생성률로 인해, 이들 반사성 동위원소 중 많은 원소의 타당한 양을 생성하기 위해 강한 비임을 사용할 필요가 있다. 또한, 초고순도의 타겟을 사용함으로써, 바람직하지 않은 생성물은 거의 생성되지 않아, 동위원소 순도를 위한 후처리(예컨대, 화학적 분리)가 최소화된다.

다음의 리스트는 He⁺⁺ 비임을 사용하여 다양한 타겟으로부터 생성될 수 있는 가능한 타겟 방사성 동위원소의 일부를 나타낸다:

이들 방사성 동위원소 중 많은 원소들은, 그 생성의 어려움으로 인해, 현재 생성되지 않거나 극히 제한된 양만 생성된다. 그러나 ³He⁺⁺ 또는 ⁴He⁺⁺ 비임을 사용하여, 이들 방사성 동위원소 중 많은 원소가 효과적으로 생성될 수 있다. 예컨대, 알파(⁴He⁺⁺) 입자가 다음과 같은 바람직한 생성물을 생성하기 위해 사용될 수 있다:

동일한 생성물을 생성하기 위해, 예컨대 다른 변환이 발생할 수 있다:

몇 가지 이유로, 알파 입자를 사용한 생성은 다른 방법에 비해 크게 개선된다. 다음의 예들을 포함한다.

일부 동위원소는, 기본적으로 알파(또는 He-3) 입자만을 가지고, 예컨대 사용 가능한 양만큼 생성될 수 있다. 다음의 전형적인 반응을 포함한다.

일부 실시예에서, 중수소 이온의 비임이 다음의 반응을 하도록 사용될 수 있다:

일부 실시예에서, 양자(수소 이온)의 비임은 이하의 반응을 일으키는데 사용될 수 있다.

본 명세서에 기재된 형태의 이온 소스는 다음과 같은 반응을 일으킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 방사성 폐기물의 처리를 위해서는, 적어도 2가지 형태의 방사성 폐기물 변형이 있다. 우선 폐기물 재료로부터 유용한 생성물을 제조하는 것이다. 본 명세서에 개시된 장치 및 기술을 사용하여 달성될 수 있는 예시적인 변형은 다음을 포함한다.

²²⁶Ra(α,n)²³⁰Th+n.(²³⁰Th는 ²¹³Bi에 대한 소스이다)

²³²Th+α → 핵연료인 ²³⁵U

²³⁵U+α → 열원으로서 핵연료 전지에 사용되며 공급 부족인 ²³⁸Pu

²³¹Pa+α → ²³³Np+n -->²²⁹Pa-->의료용 동위 원소인 ²²⁵Ac. ²²⁵Ac 붕괴 경로는 ²²⁵Ac-α->²²¹Fr-α->²¹⁷At-α->²¹³Bi-베타->²¹³Po-α->²⁰⁹Pb-베타->²⁰⁹Bi

2번째로, 폐기물은 안정 생성물로 전환될 수 있다. 본 명세서에 개시된 장치 및 기술을 사용하여 달성될 수 있는 예시적인 변형은 다음을 포함한다.

²⁵¹Cf+α→ ²⁵³Fm+2n은 기간이 긴 Cf 동위 원소를 기간이 짧은(약 3일) Fm 동위 원소로 전환시킨다. ²³⁷Np+α→²³⁹Am+n→²³⁵Np→²³¹Pa→...→Pb

핵 폐기물의 처리에 있어서의 다른 이슈는 격렬한 분열 반응이다. 이 경우, 중방사성 핵종이 본 명세서에 개시된 형태의 비임 소스로부터의 알파 입자에 의해 충격을 받는다. 이 핵종은 격렬한 분열 반응을 하고, 다수의 더 가벼운 파편으로 분열된다. 일반적으로, 파편들은 여전히 방사성이지만, 짧은 반감기를 갖고 신속하게 안정 원소로 붕괴된다. 알파 및 중성자 방사체인 다수의 중핵들과는 달리, 이 더 가벼운 것들은 더 쉽게 다루어지는 베타 및 포지션 방사체이다. 강력한(매우 강력한) 알파 비임은 이러한 형태의 적용예에 이상적이다.

^{99 m}Tc는 ⁹⁹Tc의 준안정 핵이성체로, "m"으로 표시된다. "준안정"은 ^{99 m}Tc가 붕괴시 다른 원소로 변하지 않는다는 것을 의미한다. 대신, ^{99 m}Tc는, 의료 장비가, 주입된 신체로부터 검출할 수 있는 140keV 감마선을 방출한다. 따라서, 검출 가능한 140keV 감마선을 수비게 방출하고, 감마선의 반감기는 6.01시간이므로, ^{99 m}Tc는 의료 트레이서(tracer) 용으로 적합하다. 이것의 93% 이상이 24시간 내에 ⁹⁹Tc으로 붕괴된다. 이 ^{99 m}Tc의 짧은 반감기는 데이터를 신속하게 수집하는 스캐닝 과정을 허용하지만, 전체 환자 방사선 노출을 낮게 유지한다. ⁹⁹Tc는 결국 (반감기 213000년) 베타 입자를 방출하고 안정된 ⁹⁹RU로 붕괴되는 ^{99 m}Tc의 바닥 상태이다.

^{99 m}Tc는 통상 소위 "암소(moo cows)"라 불리는, ⁹⁹Mo를 포함하는 ^{99 m}Tc 발생기로부터 추출된다. 지금까지는 ^{99 m}Tc 의료 용도용으로 제조된 ⁹⁹Mo의 대부분이 핵 반응기 내의 핵분열로 얻어지고, 주의깊게 핵 오염물을 제거하는 처리를 해야 한다.

매년 2억 진단 핵 의료 수술이 ^{99 m}Tc를 사용하고, 핵 의학에서 진단 영상 수술의 약 85%가 이 동위 원소를 사용한다. 핵 의학 수술의 형태에 따라, ^{99 m}Tc는 요구되는 위치로 전송하는 상이한 약에 결합된다. ^{99 m}Tc는 심장 내의 혈류 또는 그것의 결핍을 영상화하는데 사용될 때 세스타미비에 화학적으로 결합된다. 엑사메타짐이 혈액 뇌장벽을 가로지를 수 있으므로, ^{99 m}Tc이 엑사메타짐과 함께 사용되어 ^99mTc는 뇌 내의 혈관을 통류하여, 뇌의 혈류를 영상화한다. 신장 기능의 영상화는 메르캅토 아세틸 트리 글리세린에 ^{99 m}Tc를 표지 방류함으로써 달성된다.

유사하게, ¹¹¹In은 2.8049일의 밤감기를 갖고 171.2 및 245.3keV의 감마선 방사체를 갖는 방사선 핵종이다. 염화물 형태로, 골수 및 종양 분포 트레이서로 사용되고, 킬레이트 화합물 형태로, 뇌척수액 트레이서로 사용되고, 3염화물의 형태로, 얇은 조직 영역 내의 핵산을 착색하는 전자 현미 기술에 사용된다. 이것은 전자 포착에 의해 붕괴된다.

전자 포착 붕괴는 포착된 전자에 의해 양전자가 핵 내에서 파괴되는 파괴 붕괴로 생각될 수 있다. 이 경우, 붕괴는 PET스캔 내에서 감지되는 171.2 및 245.3keV의 감마선 방사체를 발생시킨다.

많은 적용예에 대해서, 짧은 반감기 및/또는 낮은 생산 수율로 인해, 적절한 양의 ⁹⁹Mo 또는 ¹¹¹In을 생산하기 위해 강력한 알파 입자 비임을 사용하는 것이 필요하다. 본 명세서에 개시된 형태의 입자 비임은 진단 또는 이런 물질들의 치료적으로 효과적인 투여를 유도하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 진단 또는 치료적으로 효과적인 투여는 사람이나 동물 환자에게 적어도 하나의 진단 또는 치료 절차를 수행하는데 충분한 투여량을 의미한다.

바람직하게는, 본 명세서에 개시된 장치 및 기술은 핵 분열 반응을 사용하지 않고 유용한 량의 ⁹⁹Mo 또는 ¹¹¹In을 생산하는데 사용될 수 있다. 따라서, 위험한 방사성 부산물의 발생이 감소되거나 배제될 수 있다. 또한, 매우 높은 순도의 비임 타겟을 사용함으로써, 바람직하지 않은 부산물이 거의 발생되지 않아 동위 원소 순도를 위한 후처리가 개선된다.

도17a, 도17b, 도17c를 참고하면, 일예의 생산 공정은 구리 스트립(192) 상에 ⁹⁶Zr 원자의 층(190)을 위치시키고 그리고 나서 ⁹⁶Zr 원자의 층(19) 상에 ¹⁰⁹ Ag 원자의 박층(194)을 위치시킴으로써 타겟(301)을 형성한다. 스트립(192)은 공급 롤(196)과 테이크업 롤(198) 사이에서 연장되어 도시된다.

이온 소스(300)로부터 비임은 가속기(310)에 의해 타겟(301)에 가속된다. 일부 실시예에서, 가속시(310)는 펄스 모드로 작동하며 비임이 비임 스프레더(320)에 의해 장방형 형상으로 스프레드된 후 펄스 또는 추가의 알파 입자가 스트립(192)의 장방형 영역(330)에 향하도록 한다(다른 실시예에서,다른 비임 형상이 사용될 수 있다). 타겟 스트립(301)은 비임에 대해 연속적으로 이동되거나 또는 인덱싱된다. 타겟(301)을 냉각시키기 위해 냉각 시스템이 이용될 수 있다. 예컨데, 냉각제는 포트(350)를 거쳐 순환될 수 있다. 공지된 임의의 적합한 냉각 기술이 이용될 수 있다.

일부 실시예에서, 알파 입자는 ¹⁰⁹ Ag 원소층(194)의 일부분을 ¹¹¹In으로 변화시키기 위해 대략 28MeV의 에너지에서 타겟(301)에 가속될 수 있다. 층(194)을 통과하는 알파 입자는 공정에서 일부 에너지를 소실할 것이며, 그 후, 일부분은 대략 16MeV의 에너지에서 층(190)에 충돌하여, ⁹⁶Zr 원자 또는 층(190)의 일부분이 ⁹⁹Mo로 변화될 것이다. 구리, ¹⁰⁹ Ag, ¹¹¹In, ⁹⁶Zr, ⁹⁹Mo는 쉽게 화학적으로 분리되어, 구리, ¹⁰⁹ Ag, ⁹⁶Zr 잔여물은 리싸이클링될 것이며, ⁹⁹Mo, ¹¹¹In는 화학적으로 분리되어 의료 동위원소 목적으로 이용된다.

상이한 두개 층의 타겟 재료 또는 단일 층의 타겟 재료 이상으로 타겟에 대해 유사한 기술이 이용될 수 있다.

전술한 실시예가 롤상에 장착된 타겟(301)으로 도시되어 있으나, 다른 적합한 타겟 장착부가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 타겟(301)은 플레이트(미도시) 상에 장착될 수 있다. 타겟 플레이트는 반응을 겪기 위해 비임의 전방에 위치되며, 그 후 플레이트는 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 타겟 스테이션은 한번에 하나 초과의 플레이트를 지지할 수 있다. 이는 제1 플레이트가 비임에 노출되고, 다른 플레이트는 변경되고, 제1 플레이트의 노출중에 새로운 플레이트가 준비된다. 이는 비임의 다운 시간을 감소시킨다. 또한, 이러한 방식으로 플레이트를 사용하는 것은 노출된 생성물을 허용하여, 짧은 반감기를 가질 수 있으며, 신속하게 소멸된다.

다양한 실시예에서, 본 명세서에 개시된 시스템 및 기술은 개별적으로 이온화된 이온의 비임을 생성하기 위해 또한 이용될 수 있다. 개별적으로 충전된 이온의 생성을 위한 소스를 또한 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 상이한 이온 형태 및 충전 상태 출력에 대응하는 일부 모드에서 선택적으로 작동될 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 이온 소스가 이용될 수 있다. 일부 실시예는 다중 이온 소스에 특징을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 다양한 형태의 다중 비임은 예컨데 전하 또는 물질 여과 기술을 이용하여 단일 소오스로부터 생성될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예가 도시되고 개시되었으나, 본 발명을 벗어나지 않고 보다 넓은 범주에서 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 본 발명의 당업자들에게는 명백할 것이며, 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 영역 및 범위 내에서 속하는 임의의 변화 및 수정 내에 포함될 것이다. 본 명세서에 공개된 모든 특허, 공개된 출원 및 문헌들은 참조로 통합된다.

Claims (96)

1. 종축 둘레에 배치되고 가스를 수용하는 챔버와 자기 구속 시스템을 포함하는 이온 소스이며,
   상기 자기 구속 시스템은 상기 챔버 내부의 구속 영역에 자기장을 생성하도록 구성되고，
   상기 구속 영역은 상기 종축 둘레에 배치되고, 상기 종축을 따라 근위 단부로부터 원위 단부로 연장되어 있으며,
   상기 자기장은 제1 자기 거울과，제2 자기 거울과, 실질적 균일 자기장과, 시간 가변 전기장을 생성하는 전자 사이클로트론 공진 드라이버를 포함하며,
   상기 제1 자기 거울은 상기 구속 영역의 근위 단부에 위치되고,
   상기 제2 자기 거울은 상기 구속 영역의 원위 단부에 위치되고,
   상기 실질적 균일 자기장은 상기 종축 둘레에 배치되고 상기 종축에 실질적으로 평행하게 지향되고, 상기 제1 자기 거울과 제2 자기 거울 사이에 위치되었고,
   상기 시간 가변 전기장은 상기 구속 영역 안에 있는 전자들의 사이클로트론 운동을 구동하며,
   상기 구동되는 전자들은 상기 가스와 상호 작용하여 구속된 플라즈마를 형성하며,
   동작 동안, 상기 자기 구속 시스템은 상기 플라즈마를 상기 구속 영역 내에 구속하여, 상기 플라즈마 내의 원자들 중 일부가 상기 구동되는 전자들과 복합 이온화 상호 작용들을 받게 함으로써, 선택된 최종 이온화 상태를 가진 복합 이온화된 이온들을 형성하도록 하며,
   하기의 특징 즉，
   (i) 이온 소스는 이온 사이클로트론 드라이버를 포함하고, 상기 이온 사이클로트론 드라이버는 선택된 이온화 상태를 가진 플라즈마 내의 이온의 사이클로트론 운동을 우선적으로 구동하도록 상기 구속 영역으로 방사선을 안내하여, 상기 선택된 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온의 종축에 수직인 방향으로의 운동 에 너지를 증가시키도록 하는 특징과,
   (ii) 적어도 하나의 자기 거울은 상기 구속 영역의 외부로 연장하는 자기장을 포함하고，상기 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 상기 구속 영역의 외부로 연장하는 상기 자기장의 부분에 대응하는 전자 사이클로트론 주파수로 동조됨으로써 상기 외부로 연장하는 자기장의 상기 부분 내의 비구속 전자의 사이클로트론 운동을 구동하고, 상기 비구속 전자는 상기 가스와 상호 작용하여 비구속 플라즈마를 형성하며, 이온 소스는 상기 외부로 연장하는 자기장의 상기 부분에 인접하게 챔버 내에 위치된 스퍼터 타겟을 포함하고, 상기 스퍼터 타겟은 상기 비구속 플라즈마로부터 이온을 유인하도록 바이어스되고, 상기 유인된 이온과의 충돌에 응답하여 상기 스퍼터 소스가 원자의 가스의 적어도 일부를 형성하는 중성 입자를 방출하는 특징과,
   (iii) 상기 가스는 He 원자들를 포함하고, 상기 자기 구속 시스템은 상기 구속 영역 내의 상기 플라즈마를 제한하여, 상기 플라즈마 내의 상기 He 원자들의 일부가 상기 구동되는 전자들과의 두 번의 단일 이온화 상호 작용을 겪음으로써 알파 입자 또는 3He++ 이온을 형성하도록 하는 특징과,
   (iv) 상기 자기 구속 시스템은 상기 종축으로부터 멀어지는 방향으로 상기 플라즈마의 반경 방향 운동을 구속하는 반경방향 구속 자기장을 생성하도록 구성되며, 상기 반경 방향 구속 자기장은 상기 실질적 균일 자기장 내로 실질적으로 연장하지 않는 특징과，
   (v) 상기 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 상기 실질적 균일 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수에 대해 실질적으로 탈ㅡ동조된 주파수를 가진 시간 가변 전기장을 생성하는 특징 중에서,
   적어도 하나의 특징을 가지고 있으며,
   또한 하기의 특징 즉，
   (a) 상기 자기장은 상기 구속 영역 전반에 걸쳐 상기 종축 둘레에서 방위각 대칭인 특징과,
   (b) 상기 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 상기 실질적 균일 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수로 실질적으로 동조된 주파수를 갖는 시간 가변 전기장을 생성하는 특징과,
   (c) 상기 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 상기 실질적 균일 자기장을 수용하는 체적 전반에 걸쳐 위치된 전자의 사이클로트론 운동을 구동하는 특징 중,
   적어도 하나의 특징을 가지고 있는 이온 소스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실질적 균일 자기장의 크기는 상기 구속 영역 내의 상기 자기장의 국지적 축방향 최소치이거나;
   또는
   상기 제1 자기 거울 및 상기 제2 자기 거울 각각은 비균일 자기장을 포함하고, 상기 각각의 비균일 자기장은 실질적으로 상기 종축을 따라 지향되며, 상기 실질적 균일 자기장으로부터의 축방향 거리의 함수로서 상기 실질적 균일 자기장 크기보다 더 큰 피크 크기까지 증가하는 크기를 가지며, 상기 제1 자기 거울의 피크 크기는 상기 제2 자기 거울의 피크 크기보다 크거나;
   또는
   상기 제1 자기 거울 및 상기 제2 자기 거울 각각의 피크 크기는 상기 실질적 균일 자기장의 크기의 두 배보다 큰,
   이온 소스.
3. 제1항에 있어서, 구속 영역으로부터 이온의 비임을 추출하기 위한 추출기를 더 포함하고, 상기 비임은 선택된 최종 이온화 상태의 다중 이온화된 이온의 일부를 포함하는 이온 소스.
4. 제3항에 있어서, 이온 비임은 10 mA 이상의 전류를 갖는 이온 소스.
5. 제3항에 있어서, 이온 비임은 1 mA 이상의 전류를 갖거나, 비임 내의 이온의 적어도 50%가 선택된 최종 이온화 상태로 존재하는 이온 소스.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 자기 구속 시스템은 종축으로부터 멀어지는 방향으로 플라즈마의 반경방향 운동을 구속하는 반경방향 구속 자기장을 생성하도록 추가로 구성되며, 반경방향 구속 자기장은 실질적으로 균일한 자기장 내로 실질적으로 연장하지 않거나, 자기 구속 시스템은 종축에 대해 방위각 지향되면서 하나 이상의 첨단을 따른 것을 제외하면 축에 대한 근접도가 증가함에 따라 반경방향으로 감소하는 크기를 갖는 자기장을 생성하는 종축 둘레에 배치된 멀티폴 반경방향 구속 자석을 포함하거나, 멀티폴 자석은 8개 이상의 극을 포함하는 이온 소스.
8. 제1항에 있어서, 상기 실질적 균일 자기장은 0.5 T 이상의 크기를 갖거나，또는 상기 가스는 분자를 포함하고 상기 구동되는 전자는 상기 가스와 상호 작용함으로써 상기 분자를 해리하여 상기 구속된 플라즈마를 형성하는 이온 소스.
9. 이온 비임을 생성하는 방법이며,
   종축 둘레에 배치되고 가스를 수용하는 챔버를 제공하는 단계와,
   자기 구속 시스템으로 상기 챔버 내의 구속 영역 내에 자기장을 생성하는 단계로서,
   상기 구속 영역은 상기 종축 둘레에 배치되고, 상기 종축을 따라 근위 단부로부터 원위 단부로 연장되어 있으며,
   상기 자기장은 제1 자기 거울과，제2 자기 거울과, 실질적 균일 자기장과, 시간 가변 전기장을 생성하는 전자 사이클로트론 공진 드라이버를 포함하며,
   상기 제1 자기 거울은 상기 구속 영역의 근위 단부에 위치되고,
   상기 제2 자기 거울은 상기 구속 영역의 원위 단부에 위치되고,
   상기 실질적 균일 자기장은 상기 종축 둘레에 배치되고 상기 종축에 실질적으로 평행하게 지향되고, 상기 제1 자기 거울과 제2 자기 거울 사이에 위치되게 하는 자기장을 생성하는 단계와,
   상기 구속 영역 내에 위치된 전자의 사이클로트론 운동을 구동하도록 시간 가변 전기장을 생성하는 단계와,
   상기 구동되는 전자를 상기 가스와 상호 작용시킴으로써 구속된 플라즈마를 형성하는 단계와,
   상기 플라즈마 내의 원자의 일부가 상기 구동되는 전자와 복합 이온화 상호작용을 받아 선택된 최종 이온화 상태를 갖는 복합 이온화된 이온을 형성하도록 상기 구속 영역 내에 상기 플라즈마를 구속하는 단계를 포함하고,
   하기의 특징 즉，
   (i) 선택된 이온화 상태를 가진 플라즈마 내의 이온의 사이클로트론 운동을 우선적으로 구동하도록 상기 구속 영역으로 방사선을 안내하여, 상기 선택된 이온화 상태를 갖는 플라즈마 내의 이온의 종축에 수직인 방향으로의 운동 에너지를 증가시키도록 하는 특징과,
   (ii) 적어도 하나의 자기 거울은 상기 구속 영역의 외부로 연장하는 자기장을 포함하고，상기 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 상기 구속 영역의 외부로 연장하는 상기 자기장의 부분에 대응하는 전자 사이클로트론 주파수로 동조됨으로써 상기 자기장의 상기 부분 내의 비구속 전자의 사이클로트론 운동을 구동하고, 상기 비구속 전자는 상기 가스와 상호 작용하여 비구속 플라즈마를 형성하며, 이온 소스는 상기 자기장의 상기 부분에 인접하게 챔버 내에 위치된 스퍼터 타겟을 포함하고, 상기 스퍼터 타겟은 상기 비구속 플라즈마로부터 이온을 유인하도록 바이어스되고, 상기 유인된 이온과의 충돌에 응답하여 상기 스퍼터 소스가 원자의 가스의 적어도 일부를 형성하는 중성 입자를 방출하는 특징과,
   (iii) 상기 가스는 He 원자들을 포함하고, 상기 자기 구속 시스템은 상기 구속 영역 내의 상기 플라즈마를 제한하여, 상기 플라즈마 내의 상기 He 원자들의 일부가 상기 구동되는 전자들과의 두 번의 단일 이온화 상호 작용을 겪음으로써 알파 입자 또는 3He++ 이온을 형성하도록 하는 특징과,
   (iv) 상기 자기 구속 시스템은 상기 종축으로부터 멀어지는 방향으로 상기 플라즈마의 반경 방향 운동을 구속하는 반경방향 구속 자기장을 생성하도록 구성되며, 상기 반경 방향 구속 자기장은 상기 실질적 균일 자기장 내로 실질적으로 연장하지 않는 특징과，
   (v) 상기 시간 가변 전기장은 상기 실질적 균일 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수에 대해 실질적으로 탈ㅡ동조된 주파수를 가진 시간 가변 전기장을 생성하는 특징 중에서,
   적어도 하나의 특징을 가지고 있으며,
   또한 하기의 특징 즉，
   (d) 상기 자기장은 상기 구속 영역 전반에 걸쳐 상기 종축 둘레에서 방위각 대칭인 특징과,
   (e) 상기 시간 가변 전기장은 상기 실질적 균일 자기장에 대응하는 전자 사이클로트론 공진 주파수로 실질적으로 동조된 주파수를 갖는 특징과,
   (f) 상기 전자 사이클로트론 공진 드라이버는 상기 실질적 균일 자기장을 수용하는 체적 전반에 걸쳐 위치된 전자의 사이클로트론 운동을 구동하는 특징 중,
   적어도 하나의 특징을 가지고 있는 이온 비임 생성 방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 실질적 균일 자기장의 크기는 상기 구속 영역 내의 상기 자기장의 국지적 축방향 최소치이거나;
    또는
    상기 제1 자기 거울 및 상기 제2 자기 거울 각각은 비균일 자기장을 포함하고, 상기 자기장은 실질적으로 상기 종축을 따라 지향되며, 상기 실질적 균일 자기장으로부터의 축방향 거리의 함수로서 상기 실질적 균일 자기장 크기보다 더 큰 피크 크기까지 증가하는 크기를 가지며, 상기 제1 자기 거울의 피크 크기는 상기 제2 자기 거울의 피크 크기보다 크거나;
    또는
    상기 제1 자기 거울 및 상기 제2 자기 거울 각각의 피크 크기는 상기 실질적 균일 자기장의 크기의 두 배보다 큰,
    이온 비임 생성 방법.
11. 제9항에 있어서, 구속 영역으로부터 이온의 비임을 추출하는 단계를 더 포함하고, 상기 비임은 선택된 최종 이온화 상태의 이온의 일부를 포함하는 이온 비임 생성 방법.
12. 제11항에 있어서, 이온 비임은 10 mA 이상의 전류를 갖는 이온 비임 생성 방법.
13. 제11항에 있어서, 이온 비임은 1 mA 이상의 전류를 갖거나, 비임 내의 이온의 적어도 70%가 선택된 최종 이온화 상태로 존재하는 이온 비임 생성 방법.
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15. 제9항에 있어서，
    상기 실질적 균일 자기장은 0.5 T 이상의 크기를 갖거나,
    또는，
    상기 가스는 분자를 포함하고, 상기 구동되는 전자는 상기 가스와 상호 작용하여 상기 분자를 해리시켜서 상기 구속된 플라즈마를 형성하거나,
    또는,
    상기 플라즈마를 반경방향으로 구속하는 반경방향 구속 자기장을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 반경방향 구속 자기장은 상기 실질적 균일 자기장 내로 실질적으로 연장하지 않고, 상기 반경방향 구속 자기장을 생성하는 단계는 상기 종축에 대해 방위각 방향으로 지향되면서 하나 이상의 첨단을 따르는 것을 제외하고는 상기 종축에 대한 근접도가 증가함에 따라 반경방향으로 감소하는 크기를 갖는 자기장을 생성하는 단계를 포함하는,
    이온 비임 생성 방법.
    
    
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