KR101799915B1 - 높은 신뢰성, 긴 수명, 음이온 소스 - Google Patents

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로스 에프. 라델
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타이 티. 그립
프레스턴 제이. 배로우스
크리스토퍼 엠. 세이퍼트
로건 디. 캠벨
다니엘 제이. 스완슨
에릭 디. 리슬리
진 더블유. 리
케빈 디. 미니
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Abstract

음이온 소스는 플라즈마 챔버, 마이크로파 소스, 음이온 전환기, 자기 필터 및 빔 형성 기구를 포함한다. 플라즈마 챔버는 이온화될 가스를 함유한다. 마이크로파 소스는 마이크로파를 플라즈마 챔버로 투과시켜 고열 중성 원자들을 포함하는 원자 종으로 가스를 이온화한다. 음이온 전환기는 고열 중성 원자들을 음이온들로 전환시킨다. 자기 필터는 플라즈마 챔버와 음이온 전환기 사이에 제공된 전자들의 온도를 감소시킨다. 빔 형성 기구는 음이온들을 추출한다.

Description

높은 신뢰성, 긴 수명, 음이온 소스{HIGH RELIABILITY, LONG LIFETIME, NEGATIVE ION SOURCE}
본 출원은 2013년 7월 9일에 출원된 미국 가출원 61/844,054의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에서 전문이 인용 참조된다.
본 출원은 일반적으로 음이온 소스의 분야에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 출원은 고열 중성 원자(hyperthermal neutral atom)들을 생성하고, 세슘화된 전환 콘(cesiated conversion cone)과의 상호작용을 통해 이 원자들을 음이온들로 전환시키며, 고전압(~30 kV) 이온 빔으로 음이온들을 추출하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
이 부분은 청구항들에 인용되는 본 발명에 대한 배경 또는 기본지식(context)을 제공하도록 의도된다. 본 명세서에서 설명은 추구될 수 있는 개념들을 포함할 수 있지만, 반드시 이전에 도모되거나 추구된 것들일 필요는 없다. 그러므로, 본 명세서에서 다르게 나타내지 않는 한, 이 부분에서 설명되는 것은 본 출원의 상세한 설명 및 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 부분에 포함하였다고 해서 종래 기술인 것으로 인정되지 않는다.
기초 과학 연구, 의료 분야 및 반도체 생산을 포함하는 광범위한 적용분야들에 걸쳐 이온 소스들이 사용된다. 다수의 경우들에서, 매우 크고 복잡하며 고가인 시스템들의 성능 및 신뢰성은, 흔히 크기 및 비용 면에서 전체 시스템 중 비교적 작은 부분을 나타내는 이온 소스의 성능 및 신뢰성에 의해 제한된다. 따라서, 이온 소스 기술의 진보가 시스템 성능의 급격한 개선을 비교적 빨리 가져올 수 있다. 하지만, 이온 소스들은, 흔히 시스템의 나머지 부분에 의해 요구되는 바와 같이 높은 전류로 가해질 때 흔히 신뢰성 문제를 겪는 복잡한 디바이스들이다.
수명 및 신뢰성 문제는 음수소(H-) 이온 소스들과 같은 기존의 음이온 소스들에서 특히 문제가 된다. 그럼에도, 광범위한 적용분야에 걸쳐, 다수의 적용들에 대하여 하류 시스템 구성요소(downstream system component)들이 양이온보다는 음이온을 요구한다는 사실로 인해, 음이온 소스들이 여전히 보편적으로 사용되고 있다. 종래의 음이온 소스들은, 예를 들어 단지 수백 시간의 비교적 짧은 수명만을 가질 수 있다. 이러한 수명은 전출력(full power)(예를 들어, 15 mA)에서 작동될 때 훨씬 더 감소한다. 또한, 종래의 음이온 소스들은 하류 진공 구성요소들 상에서의 높은 가스 부하(18 내지 20 sccm) 및 높은 전력 요건(15 kW)을 포함하는 다른 문제들에 직면할 수 있다.
신뢰성 있고 긴 수명의 음이온 소스는, 광기전력 반도체 적용(photovoltaic semiconductor applications), 동위원소 생성 및 분리, 사이클로트론 주입 시스템들(cyclotron injection systems), 및 가속기 질량 분석계(accelerator mass spectrometry)를 위한 실리콘 클리빙(silicon cleaving)의 적용을 갖는다. 사이클로트론들은 의료 및 산업 분야에 걸쳐 폭넓게 사용된다. 기술이 계속 발전함에 따라, 이는 이온 소스 주입기들이 빔 전류 및 가속기 성능에 대한 제한적인 인자들이 될 수 있다고 보여진다. 사이클로트론들 내로 양이온보다는 음이온을 주입하는 것이 왜 바람직한 지에 대하여는 여러가지 기술적인 이유들이 존재하며, 기존의 이온 소스들의 낮은 전류 및 짧은 수명은 차세대 사이클로트론들의 성능을 잠재적으로 제한할 것이다. 유사하게, 이온 빔들은 반도체 산업에서의 광범위한 세팅들에 사용된다. 더 양호한 이온 소스들은, 현대의 모든 IC-기반 기술들의 빌딩 블록(building block)들인 회로 구성요소들에 대해 더 값싸고 더 효율적이며 더 효과적인 생산 기술로 바뀌게 한다(translate).
또 다른 예시에서, 음이온 소스는 자기 한정 융합 에너지(magnetic confinement fusion energy) 분야에 사용될 수 있다. 수십 년 동안, 과학자들은 핵 융합 반응들에 기초한 에너지원을 개발하려고 시도하였는데, 이는 이것이 실질적으로 유해한 부산물들을 갖지 않는 본질적으로 무제한된 양의 클린 에너지를 제공할 수 있기 때문이다. 융합 에너지 기술들은 지난 수십 년에 걸쳐 엄청나게 진보하였지만, 클린 융합 에너지 반응기의 개발을 저해하는 많은 기술적인 난제가 여전히 존재한다. 융합 에너지가 직면한 한 가지 난제는 신뢰성 없는 고전류 음이온 소스들이다. 기존의 음이온 융합 주입기들은 앞서 설명된 많은 결함들을 겪는 자기 결합된 플라즈마들 및/또는 필라멘트들을 사용한다. 신뢰성 있고 긴 수명의 음이온 소스는 이온 소스 전환 효율성, 수명, 신뢰성 및 전류 출력을 급격히 증가시킬 수 있다. 이러한 음이온 소스를 개발하는 것은, 신뢰성 있는 클린 융합 에너지 소스의 개발을 향한 주요한 단계의 진전일 수 있다.
높은 DC 전류 출력(최대 10 mA)을 생성할 수 있고 긴 수명(한 달 이상)을 가질 수 있는 새로운 타입의 이온 소스와 관련된 기술을 포함하는 개선된 기술에 대한 필요성이 존재한다.
예시적인 실시예는 플라즈마 챔버, 마이크로파 소스, 음이온 소스 전환기, 자기 필터 및 빔 형성 기구를 포함하는 펄스 또는 연속파 음이온 소스에 관한 것이다. 플라즈마 챔버는 이온화될 가스를 함유한다. 마이크로파 소스는 마이크로파를 플라즈마 챔버로 투과시켜 고열 중성 원자들을 포함하는 원자 종(atomic species)으로 가스를 이온화한다. 음이온 소스 전환기는 고열 중성 원자들을 음이온들로 전환시킨다. 자기 필터는 플라즈마 챔버와 음이온 소스 전환기 사이의 전자들의 온도를 감소시킨다. 빔 형성 기구는 음이온들을 추출한다.
또 다른 실시예는 플라즈마 챔버, 마이크로파 소스, 음이온 전환기, 자기 필터 및 빔 형성 기구를 포함하는 연속파 음이온 소스에 관한 것이다. 플라즈마 챔버는 이온화될 가스를 함유한다. 마이크로파 소스는 마이크로파를 플라즈마 챔버로 투과시켜 고열 중성 원자들을 포함하는 원자 종으로 가스를 이온화한다. 음이온 전환기는 고열 중성 원자들을 음이온들로 전환시킨다. 자기 필터는 플라즈마 챔버와 음이온 전환기 사이의 전자들의 온도를 감소시킨다. 빔 형성 기구는 음이온들을 추출한다.
또 다른 실시예는 음이온들을 생성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 플라즈마 챔버에 이온화될 가스를 제공하는 단계, 마이크로파 소스로부터 플라즈마 챔버로 마이크로파를 투과시켜 가스의 고열 중성 원자들이 생성되도록 가스를 이온화하는 단계, 음이온 소스 전환기와의 상호작용을 통해 고열 중성 원자들을 음이온들로 전환시키는 단계, 및 빔 형성 기구로 음이온들을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 특징들, 장점들 및 실시예들은 다음의 상세한 설명, 도면들 및 청구항들의 고려로부터 제시될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기의 과제 해결 수단 부분과 다음의 상세한 설명 부분 둘 모두는 예시적이며, 청구된 본 발명의 범위를 제한하지 않고 추가적인 설명을 더 제공하는 것으로 의도됨을 이해하여야 한다.
본 발명의 추가 이해를 돕기 위해 포함된 첨부한 도면들은 본 명세서에 통합되고, 이의 일부분을 구성하며, 본 발명의 실시예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 방식들 및 본 발명의 기본적인 이해에 필요할 수 있는 것보다 더 자세하게 본 발명의 구조적인 상세 부분들을 나타내지는 않았다.
도 1은 음이온 소스의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 2는 도 1의 음이온 소스의 개략적 평면도이다.
도 3은 라인 G-G를 따라 자른 도 1의 음이온 소스의 단면도이다.
도 4는 라인 G-G를 따라 자른 도 1의 음이온 소스의 개략적 단면도이다.
도 5는 도 1의 음이온 소스의 도파관(waveguide)의 도파관 브레이크(waveguide break)의 등각 단면도(isometric cross-sectional view)이다.
도 6은 도 5의 도파관의 등각도이다.
도 7은 도 5의 도파관의 평면도이다.
도 8은 도 5의 도파관의 측면도이다.
도 9는 도 1의 음이온 소스의 마이크로파 소스의 개략적 측면도이다.
도 10은 도 1의 음이온 소스의 마이크로파 소스의 개략적 정면도이다.
도 11은 도 1의 음이온 소스의 마이크로파 소스의 개략적 평면도이다.
도 12는 도 1의 음이온 소스의 마이크로파 소스의 개략적 등각도이다.
도 13은 도 1의 음이온 소스의 음이온 전환기의 정면도이다.
도 14는 도 1의 음이온 소스의 음이온 전환기의 또 다른 정면도이다.
도 15는 도 1의 음이온 소스의 개략도이다.
도 16은 도 1의 음이온 소스의 또 다른 개략도이다.
도 17은 도 1의 음이온 소스의 또 다른 개략도이다.
도 18은 도 1의 양이온 소스의 도면이다.
도 19는 중성 원자들의 충격(bombardment) 하에서의 세슘화된 몰리브덴 표면의 음의 수율을 예시한 그래프이다.
도 20은 H2 분자에 대한 전위 에너지 다이어그램이다.
도 21은 전자 충돌 H2 분자 해리 단면을 예시한다.
도 22는 전자 온도에 의해 특성화되는 맥스웰 분포(Maxwellian distributions)로부터 에너지를 갖는 전자 충돌을 통해 H2 분자들의 계산된 해리율(dissociation rates)을 예시한다.
도 23은 e + 음의 충돌에서의 전자 분리(electron detachment)에 대한 단면을 예시한다.
도 24는 2-챔버 멀티커스프 음이온 소스(two-chamber multicusp negative ion source)에 대한 랭뮤어 탐침 측정(Langmuir probe measurement)들을 예시한다.
도 25는 Lee로부터의 1993 결과들을 예시한다. 리시타노 코일 이온 소스(Lisitano coil ion source) 및 Cs 전환기를 이용하여 가스 유량(gas flow rate)의 함수로서 측정된 음의 전류 세기가 나타나 있다.
도 26은 H0 + H- 시스템에 대한 공진 전하-교환 단면(resonant charge-exchange cross section)을 예시한다.
예시적인 실시예들을 자세하게 나타내는 도면들을 언급하기 전에, 본 발명은 도면들에 예시되거나 설명 부분에 언급된 방법 또는 상세 부분들로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 또한, 용어는 단지 설명을 위한 것이며, 제한하는 것으로 간주되지 않아야 함을 이해하여야 한다. 동일한 또는 유사한 참조 번호들을 이용하여 도면들 전반에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부분들을 지칭하였다.
875 가우스 자기장(Gauss magnetic field) 하에서 2.45 ㎓ 마이크로파의 공진 상호작용을 이용하는 양이온 소스들의 최근의 진보는 강한 DC 양이온 빔들을 야기하였다. 1 kW의 마이크로파 전력을 이용하여 가스를 양이온들로 전환시키는 데 있어서 통상적으로 25 퍼센트의 효율성이 관찰되었다. 마이크로파 이온 소스들은 그들의 고유한(inherent) DC 작동 능력으로 인해 상업적인 용도로 점점 보편화되고 있다.
일반적으로 도면들을 참조하면, 예시적인 실시예는 세슘화된 표면의 상호작용을 통해 고열 원자들(2 내지 5 eV)을 생성하는 기구, 및 2.45 ㎓의 전자 사이클로트론 공진을 이용하는 마이크로파 이온 소스에 의해 발생된 중성 원자 빔으로 볼륨 음이온 생성 기술(volume negative ion production technique)들을 이용하여, 수 개월에 걸쳐 10 mA 이상으로 신뢰성 있게 작동할 수 있는 음이온 소스(100)에 관한 것이다. CW 음이온 소스(100)는 높은 전류, 높은 신뢰성, 긴 수명의 음이온 소스이다.
이러한 음이온 소스를 생성하기 위해, 세슘화된 낮은 일함수 표면(cesiated low work function surface)으로부터 고열 원자들을 산란시킴으로써 음이온들의 표면 생성이 이루어진다. 고열 원자 에너지는 2 eV보다 큰 원자 에너지를 지칭한다. 세슘화된 몰리브덴 표면에 입사하는 원자 산소(H0)로부터의 음의 수율이 도 23에 나타나 있다. 4 개의 지점들이 측정치들이며, 실선은 이론적인 예측치이다. 고열 분포는 범위 (1/kT)<1에서 일어날 것이다.
본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 Brian S. Lee 및 M. Seidl, Appl. Phys. Lett. 61(24), 2857(1992)(이후, "Lee")에 개시된 스티븐스 공과대학교(Stevens Institute)의 연구 이후에 생긴 상당한 진전은, 실용적이고 검증된 2.45 ㎓ 마이크로파 H+ 소스들(MWS)의 개발이다. 이 개발은, 예를 들어 본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 Terence Taylor 및 John S. C. Wills, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A309, 37(1991)(이후, "Taylor")에 개시되어 있다. MWS의 높은 가스 및 전력 효율성은 플라즈마 발생기가 중성 원자 빔들의 효율적인 생성을 또한 제공할 수 있음을 암시한다. 2.45 ㎓ MWS 플라즈마 발생기는 다수의 상이한 산업적 적용들을 위해 여러 실험실에서 CW 모드 작동을 입증하였다. 이 목적을 위해 이전에 조사된 다른 중성 원자 발생기들은 멀티커스프 소스, 아크 방전 소스(arc discharge source) 및 2.45 ㎓ 리시타노-코일 소스이다.
음의 빔 전류 및 이미턴스 고려사항들( EMITTANCE CONSIDERATIONS)
원형 어퍼처에 대하여, 정규화 rms 이미턴스(ε rms , n )와 추출된 음이온 온도 간의 관계가 다음과 같이 설명된다:
Figure 112016012945406-pct00001
(1)
여기서, r은 방출 어퍼처의 반경이고, kT는 플라즈마 이온 온도이며, mc 2 는 음이온의 정지 질량(rest mass)이다.
이미턴스와 관련된 개념은 빔 밝기(B)이다. 이는 B=I/(ε x ε y )로서 정의될 수 있으며, 여기서 ε x 및 ε y 는 횡 빔 이미턴스(transverse beam emittance)이다. 본 발명의 목적을 위해, 여기서는 선대칭 소스(axisymmetric source)가 예상되며, B의 정의는 다음과 같다:
Figure 112016012945406-pct00002
(2)
여기서, ε r 은 (r,r ') 공간의 빔 이미턴스이다. 일 실시예에서, 요구되는 전류는 I = 10 내지 15 mA이다.
음이온 전류 세기(j - )는 다음의 방정식에 의해 정의된다:
Figure 112016012945406-pct00003
. (3)
r에 대해 방정식 (3)을 풀고, 이 관계를 방정식 (1)에 대입하며, 방정식 (2)에 이 이미턴스 표현을 이용하면, 빔 밝기에 대해 다음의 표현식에 도달한다:
Figure 112016012945406-pct00004
. (4)
방정식 (4)에 따르면, 더 밝은 이온 소스가 추출된 전류 밀도(j)와 직접적으로 관련되며, 이온 온도(kT)와 반비례한다(inversely related).
앞서 설명된 방정식들을 이용하면, 이론적인 예시 1에서, 이온 방출 어퍼처는 반경 r = 0.4 cm를 갖고, I = 10 mA를 갖는다. 방정식 (3)은 j - = 20 mA/㎠를 제공한다. 500 mA/㎠의 원자 고열 수소 밀도가 Lee로 측정되었음을 고려하면, 이 원자 수소 플럭스(atomic hydrogen flux)의 적어도 4 %가 음이온들로 전환될 수 있을 것이다. 또한, 수 eV 이온 온도를 방정식 (1)에 대입하면, 0.25(πmm-mrad), 정규화된 rms의 무선 주파수 4-중극(RFQ) 입력 빔 설계 이미턴스(ε rms , n )보다 훨씬 더 낮은 정규화된 rms 이미턴스를 제공한다. 따라서, [1]에 보고된 병렬 음이온 에너지 측정들로부터, 수 eV 음이온 온도가 예상된다.
다음의 부분들은 세슘화된 전환기 표면에 2.45 ㎓ 마이크로파 플라즈마 소스를 결합하는 것에 관한 상세 부분들을 제공한다. 이후, 음이온 빔을 35 keV로 동시에 가속시키고 기생 전자 구성요소(parasitic electron component)를 분리시키는 이온 추출 시스템이 제안된다. 이의 목적은 긴 실행 시간(6 개월 이상)의 음이온 소스로 앞서 설명된 빔 품질을 달성하는 것이다.
고열 중성 수소 원자 발생
도면들을 참조하면, CW 음이온 소스(100)를 생성하는 시스템의 예시적인 실시예는 마이크로파 소스(110), 이온 소스 플라즈마 챔버(120), 도파관(130), 자기 필터(140), 음이온 전환기(150) 및 음이온 빔 형성 기구(160)를 포함한다.
일 실시예에서, 마이크로파 소스(110)는 2.45 ㎓ 마이크로파 소스이다. 마이크로파 소스(110)는 분자 가스를 원자 종, 특히 고열 중성 원자들로 전환시키기 위해 이온 소스 플라즈마 챔버(120)에 제공된 가스를 이온화하는 마이크로파를 투과시키도록 구성된다. 마이크로파 소스(110)는 전자 사이클로트론 공진(ECR) 원리로 가동되며, 따라서 ~875 G 온-액시스(on-axis) 자기장을 요구한다. 도 18은 양의 중수소(deuterium) 이온 소스를 예시한다.
MWS는 높은 가스 효율성 및 높은 양성자 비율(fraction)(~90 %)을 일관성 있게 입증하였다. 가스 효율성(h)은 하전된 입자 빔으로 전환된 (분자 가스 형태의) 양성자 또는 중수소 가스 핵들의 비율로서 정의된다. 실제 단위들에서, h는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112016012945406-pct00005
. (5)
로스 앨러모스(Los Alamos)에서의 LEDA 양성자 가속기가 본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 Joseph D. Sherman, 외, Review of Scientific Instruments 73(2), 917(2002)에 개시되어 있다. LEDA 양성자 가속기는 90 %의 양성자 비율로 4.1 sccm의 가스 유동에서 154 mA의 수소 이온들을 생성하였다. 이는 h Hn + = 0.26을 제공한다. 이와 비교하여, 본 발명의 중양성자 이온 소스는 1.9 sccm의 가스 유동으로 45 keV 빔 에너지에서 최대 53 mA를 생성하였다. 이는 중양성자 이온 생성 효율성 h Dn + = 0.19를 제공한다.
이론적으로, 양이온들에 대한 중성 원자들의 이온화에 의해 후속되는 중성 원자들에 대한 분자들의 해리는 양이온들에 대한 음의 분자 이온들의 해리에 의해 후속되는 음의 분자 이온들에 대한 분자들의 이온화보다 많이 일어날 것이다. 따라서, 양호한 원자 이온 소스는 또한 양호한 중성 원자 빔 소스일 것이다. LEDA MWS에서 관찰된 150 mA의 빔 전류는 0.9 x 1018 하전 입자들/초(p/s)에 대응한다. 4.1 sccm의 H2 유량에서, 소스에 들어가는 중성 수소 원자들의 수는 3.7 x 1018 p/s이다. 소스를 나가는 하전 입자들에 대해 이 후자의 수를 보정하면, 소스를 나가는 2.8 x 1018 중성 수소 원자들/s를 유도한다. LEDA 이온 소스에 대한 방출 어퍼처 반경은 0.43 cm이며, 이는 0.58 ㎠의 면적을 제공한다. LEDA MWS를 나가는 모든 중성 입자들이 해리된 H2 분자들의 형태로 되어 있는 경우, H0 전기 등가 전류 밀도(electrical equivalent current density)는 747 mA/㎠이다. 그러므로, 10 mA/㎠ 음이온 소스로서 기능하기 위해, 중성 원자들로부터 음이온들로의 1.3 %의 전환 효율성이 요구될 것이다.
고열 H0(에너지 > 2 eV)는, 본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 Brian S. Lee, "Surface Production of negative Ions by Backscattering Hyperthermal Hydrogen Atoms", Ph.D. Thesis, Department of Physics and Engineering, Stevens Institute of Technology, Castle Point Station, Hoboken, NJ(1993)(이후, "Brian S. Lee")에 개시된 H2 분자의 프랑크-콘돈의 해리 메커니즘(Franck-Condon dissociation mechanism)을 통한 높은 온도의 전자 플라즈마에 의해 발생될 수 있다. H2 및 H2 + 분자들에 대한 최대 30 eV의 전자 상태들에 대한 전위 에너지 곡선들에 프랑크-콘돈 영역이 도 20에 도시되어 있다. 해리된 H0 및 H+에 대한 시작 및 최소 분리 에너지가 도시되어 있다. H2 분자에 대한 해리 단면들이 도 21에 도시되어 있다. 도 20 및 도 21 둘 모두는 H2 분자의 직접적인 해리에 대해 약 8.8 eV의 전자 에너지 임계치를 나타낸다. (온도 kTe를 갖는 맥스웰 분포에 기초한) 전자 속도들 및 해리 단면들로부터 계산된 반응 속도 <sv>가 도 22에 도시되어 있다. 해리 반응 속도는 약 8 eV 전자 온도를 포화시키는 경향이 있다.
테일러(Taylor)는 이중 원통형(double cylindrical) 랭뮤어 탐침 측정들이 통상적으로 20 eV 전자 온도를 제공하였다고 보고했다. 이 높은 온도는 H2 해리 반응 속도를 도 22의 포화된 부분 내에 둔다. 앞서 제시된 이론과 조합된 이 실험적인 데이터는 분자 해리 속도가 본 출원의 음이온 소스에서 높을 것임을 암시한다.
방정식 (4) 및 (5)는 H0의 생성 및 손실률에 대한 연속 방정식을 제공한다:
Figure 112016012945406-pct00006
(6)
여기서,
n e = LEDA MWS의 전자 밀도
n(H 2 ) = LEDA MWS의 H2의 밀도
V = LEDA 이온 소스 플라즈마 부피
A = LEDA 이온 소스 플라즈마 표면적
a = 벽으로부터의 바운스(bounce) 시 H0의 파괴 확률
l = V/A = LEDA 이온 소스 길이
플라즈마 전하 중성(n + = n e )을 이끌어내고, j + = n + v + = 0.26 A/㎠로부터 추출된 양의 전류 밀도로부터 n +를 풀며, 1 eV의 합당한 플라즈마 이온 온도로부터 v +를 취함으로써, 다음의 방정식 (7)이 얻어진다:
Figure 112016012945406-pct00007
(7)
LEDA MWS(n(H 2 ))의 H2의 밀도는 0.86 cm 직경의 방출 어퍼처를 통한 분자 H2 유동을 가정하고, 4 sccm의 H2 가스 유동에서의 소스 압력(T)을 계산하며, 로슈미트 수(Loschmidt's number)의 이용을 통해 소스 압력을 수 밀도(number density)로 전환함으로써 밝혀졌다. 결과는 다음과 같다:
Figure 112016012945406-pct00008
(8)
방정식 (6)으로부터 H0 플럭스( 0 )에 대해 풀고, 도 21로부터 최대치 <sve> = 7.8 x 10-9 cc/s 및 LEDA 이온 소스 파라미터들을 대입하면, 다음을 구할 수 있다:
Figure 112016012945406-pct00009
(9)
여기서, a = 1로 가정된다. FHo 를 전하 당량(charge equivalent)으로 전환하면, 당업자는 1.056 A/㎠로 계산한다. 상기의 설명에서, 최고 H0 플럭스가 0.75 A/㎠임이 밝혀졌다. 이러한 분석은 TE100 모드에서의 2.45 ㎓ MWS가 고열 H0의 우수한 소스일 것임을 암시한다. 도 15는 제안된 2.45 ㎓ H0 소스의 주요 구성요소들의 개념도(conceptual animation)를 나타낸다.
높은 전압의 플라즈마 챔버(120)를 갖고, 접지 전위(ground potential)의 마이크로파 소스(110)를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 플라즈마 챔버(120) 및 마이크로파 소스(110)는 전기적으로 격리(electrically isolated)되어야 한다. 이는 마이크로파 소스(110)에 의해 발생되는 마이크로파를 도파관(130)을 통해 플라즈마 챔버(120)로 투과시킴으로써 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 도파관(130)은 일반적으로 디스크-형상이며, 도파관(130)의 중심에 플랜지(131) 및 도파관 브레이크(132)를 포함한다(도 6 및 도 7 참조). 도파관 브레이크(132)는 공기로 절연되도록 구성된다. 마이크로파 소스(110)로부터 마이크로파 전력(microwave power)을 플라즈마 챔버(120)로 전달하는 데 단일 도파관(130)이 사용될 수 있거나, 복수의 도파관들(130)이 적층(stack)될 수 있다(도 5 참조). 도파관(130)은 도파관 브레이크(132)의 일 단부(130A)에서 강성일 수 있지만, 도파관의 설치 및 유지보수를 용이하게 하기 위해 도파관 브레이크(132)의 다른 단부(130B)[즉, 플라즈마 챔버(120)에 가장 가까운 단부]에서 유연할 수 있다.
도파관(130)은 방향성 결합기(directional coupler: 133), 자동튜너(autotuner: 134) 및 순환기(circulator: 135)와 같이 상업적으로 이용가능한 구성요소들을 포함할 수 있다. 방향성 결합기(133)는 마이크로파의 위상 및 진폭을 검출하여 그 순방향 및 반사 파워(forward and reflected power)를 결정하도록 구성된다. 자동튜너(134)는 부하 임피던스[즉, 플라즈마 챔버(120)의 임피던스]를 소스[즉, 마이크로파 소스(110)]의 부하 임피던스와 매칭하도록 구성됨에 따라, 반사 파워를 감소시키며, 플라즈마 챔버(120)에 대한 결합 파워(coupling power)를 최대화한다. 마이크로파 소스(110)와 플라즈마 챔버(120) 간의 임피던스를 매칭하기 위해, 자동튜너(134)에 의해 발생된 지침(instruction)들에 기초하여 도파관(130)을 따라 상이한 길이 및 다양한 깊이로 스터브(stub: 136)들이 삽입될 수 있다. 순환기(135)는 파의 전파 방향에 기초하여 마이크로파를 특정 포트로 선택적으로 지향시키도록 구성된 3-포트 디바이스이다. 반사된 마이크로파 에너지로부터 마이크로파 소스(110)를 보호하고, 마이크로파 발생의 효율성을 증가시키기 위해, 순환기(135)는 역방향 파워(reverse power)를 흡수하도록 구성된 "더미(dummy)" 부하를 포함할 수 있다.
음이온 전환
음이온 전환기(150)는 세슘화된 표면(151), 예를 들어 세슘화된 몰리브덴 플레이트 - 여기서, 원자 빔이 세슘 촉매를 통해 음이온들로 전환됨 - 상으로 원자 빔을 지향시키도록 구성된다. 음이온 전환기(150)의 표면이 음 전위이어서, 음이온들이 가속되며, 주위(ambient) 875 가우스 자기장에 의해 편향된다. 음이온 전환기(150)는 낮은 에너지 음이온 빔을 형성하기 위해 음이온 추출에 적절한 방출 홀에 인접하게 배치된다. 이온 빔 진단은 중성 입자 에너지[열량계측(calorimetric)], 중성 입자 플럭스, 및 추출기 부근의 전자 온도 및 밀도를 모니터링하기 위해 제공될 수 있다.
음이온 빔은 감소된 플라즈마 밀도 환경에서 형성된다. 중성 원자들은 고온 및 저온 전자들(hot and cold electrons) 그리고 양이온들을 포함하는 다른 하전 입자들에 의해 수반되는 2.45 ㎓ 플라즈마 챔버를 나갈 것이다. 음이온 전환기(150)의 영역에서 고온 전자 밀도를 감소시키는 것이 중요하다. 온도가 감소되지 않으면, 예를 들어 음이온 소스의 효율성이 떨어진다. 잘 알려진 음이온 파괴 단면(destruction cross section)(도 23 참조)은 에너지가 2 eV보다 큰 전자들에 의한 음이온들의 영향(impact)이다. 1 eV 미만의 전자 에너지에서 단면에서의 신속한 감소가 일어나는데, 이는 H0 전자 친화성이 0.75 eV이기 때문이다. 이러한 발생을 방지하기 위해, 플라즈마 챔버(120) 및 음이온 전환기(150)가 자기 필터(140)에 의해 분리된다. 일 실시예에서, 자기 필터(140)는 조절가능한 자기 쌍극장(magnetic dipole field)일 수 있다. 자기 필터(140)는 플라즈마 챔버(120)와 음이온 전환기(150) 사이의 접합부 주위 둘레를 따라(circumferentially) 제공된다.
본 명세서에 전문이 인용 참조되는 K. N. Leung, K. W. Ehlers, 및 M. Bacal, "Extraction of Volume Produced negative Ions from a Multicusp Sources", Rev. Sci. Instrum. 54(1), 56(1월, 1983)(이후, "Leung")에 개시된 바와 같이, H0 생성 챔버와 음의 추출 영역 사이에 자기 필터(140)를 이용하는 자기 필터링 기술이 추출 영역의 전자 온도를 감소시키는 것으로 나타났다. 도 24는 자기적으로-필터링된 커스프 필드 음이온 소스에서 얻어진 Leung으로부터의 랭뮤르 탐침 측정치들을 나타낸다. 도면의 윗부분은 1.4 eV의 전자 온도가 측정된 소스 챔버에서의 탐침 추적(probe trace)들을 나타낸다. 도 24의 아랫부분은 추출 챔버에서의 탐침 추적들을 나타내며, 전자 온도는 거기서 0.35 eV로 감소되었다. 마이크로파 소스에서 관찰된 매우 높은 전자 온도를 고려하여, 자기 필터는 전자 온도를 감소시키도록 요구될 것이다.
높은 음이온 온도를 포함하는 과제들 그리고 전환기 및 추출기 영역들에서 고온 전자 밀도를 감소시키는 난제를 해결함으로써, 본 시스템은 긴-수명, 높은 전류 밀도, DC 음이온 소스를 생성할 것이다. 또한, 음이온 소스는 기존의 고전류 음이온 소스들에 비해 가스 부하를 80 % 낮출 수 있고, 파워 요건들을 85 % 감소시킬 수 있다.
도 17은 음이온 생성 및 추출 영역의 개략적인 레이아웃을 나타낸다. 중성 원자들은 우측으로부터 좌측으로 진행하며, 쌍극 자기 필터(140)를 통해 플라즈마 챔버(120)(즉, 중성 원자 발생기)로부터 이동한다. 빠른 전자들은 소스 입자 플럭스로부터 필터(140)에 의해 제거된다. 느린 전자들 및 양이온들은 Leung에 개시된 메커니즘들에 의해 필터(140)를 통과한다. 중성 원자들은 필터 장을 통과하며, 일부 중성 플럭스는 음이온 전환기(150)(즉, 세슘화된 몰리브덴 표면 전환기)에 부딪친다. 이는 (도 19에 도시된 바와 같은) 중성 원자 전환 효율성에 의해 결정된 수율로 음이온 형성을 유도한다. 음이온 전환기(150)는, 예를 들어 음이온 생성을 위한 표면적을 최대화하고, 표면-생성된 음이온들을 포획하기 위해 가능한 한 큰 입체각을 형성하기 위한 긴 콘(cone)(도 17 참조)일 수 있다.
세슘화된 몰리브덴 표면은 세슘 디스펜서(cesium dispenser)로부터 세슘 금속을 먼저 적용하기 전에 가열되어야 한다. 최적의 음이온 수율을 위해 낮은 일함수 표면을 유지하도록 Cs를 계속해서 공급할 필요가 있을 수 있다. 또한, 전환기 상에 약간 작은 음 전압을 부과하는 것이 음이온 수율을 증대시킬 수 있기 때문에, 전환기가 접지로부터 격리될 수 있다.
도 19에 도시된 전체 음이온 수율 <Y(kT)>이 (1/kT)에 대해 플롯(plot)된다. 이 양은 후방 산란된 원자(back scattered atom)의 수직 에너지의 함수로서 음이온 수율에 걸친 맥스웰 중성 원자 에너지 분포의 적분(integral)으로부터 얻어진다. 4 내지 6 eV의 (1/kT) 범위에 위치된 도 19의 지점들은 열-원자 수율 측정들로부터 얻어진다. 실선은 금속 표면으로부터 반사된 중성 원자들로의 예측된 전자 이동에 대한 이론적인 결과이다.
랭뮤어 탐침 측정들은 이온 소스의 전환기 영역에서 자기 필터 후에 만들어질 것이다. Leung에 사용된 것으로부터 변형된 필터가 마이크로파 소스의 높은 전자 온도로 인해 요구될 것이다. 연속 가변 전자석(continuously variable electromagnet)이 바람직할 수 있다.
음이온 추출
음이온들은 음이온 빔 형성 기구(160)(도 3 및 도 4 참조)를 통해 추출된다. 음이온 전환기(150)로부터의 음이온 추출은 자기장-없는 영역(magnetic field-free region)에서 일어남에 따라, 전자들이 음이온 궤적을 따른다. 당업자라면, e: 음이온 비가 1보다 클 것을 예상할 수 있으며, 따라서 가속된 전자 파워를 덤핑(dumping)하는 데 있어 몇 가지 주의가 요구된다. 음이온 및 전자 전류는 빔이 약한 자기장의 부과에 의해 풀 에너지(full energy)에 도달한 후 분리된다. 이후, 이온 소스의 몸체는 음이온 빔의 굽힘 각(bend angle)만큼 가속기 빔 라인으로부터 오프셋(offset)된다. 적합한 수냉식 빔 덤프(water-cooled beam dump)가 전자 덤프 위치에 설치된다. 본 명세서에 전문이 인용 참조되는 Jack Boers, Proc. Of the 1995 Particle Accelerator Conference, IEEE Catalog Number 95CH35843, p.2312; R. F. Welton 외, Rev. of Sci. Instrum. 73(2), 1013(2002)에 개시된 바와 같은 PBGUNS 시뮬레이션 코드가 최적화된 음이온 추출 시스템을 설계, 시뮬레이션 및 검증하는 데 사용된다.
음이온 빔 형성 기구(160)의 방출 어퍼처는 방정식 (1) 및 (4)에 요약된 음이온 빔 생성, 이미턴스 및 빔 밝기 요건들에 대해 최적화되어야 할 것이다. 스티븐스 공과대학교(Brian S. Lee 참조)에서 밝혀낸 결과들이 도 25에 도시되어 있다. 보고된 최대 측정 음이온 전류 밀도는 리시타노 코일 이온 소스(Lee 및 Brian S. Lee 참조)를 이용하여 ~420 W의 마이크로파 전력으로 0.25 mA/㎠이었다. 0.8 cm 직경의 방출 어퍼처로 줄어든 4.0 cm의 중성 원자 개구부 직경을 갖는 6.0 cm의 긴 세슘화된 콘 표면 전환기가 사용되는 경우, 전환기 표면적은 47 ㎠이다. 이 표면적과 조합된 관찰된 0.25 mA/㎠ 전류 밀도는 12 mA의 음이온들을 제공한다. 또한, 이온 소스는 적어도 3 배 더 큰 마이크로파 전력 - 적어도 1200 W로 작동할 것이다. 또한, 콘-형상의 전환기(150) 표면은 방출 어퍼처를 통과하지 않는 음이온들을 재순환시킬 것이다. 이러한 재순환은 플라즈마 전극 어퍼처를 향해 지향되는 발생기로부터의 느린 중성 원자들과 전환기로부터의 느린 음이온들의 상호작용에 특히 효과적일 수 있다. 이러한 상황은 도 26에 도시된 중성 원자들과 상호작용하는 음이온들의 큰 공진 전하 교환을 가져올 것이다. 마이크로파 소스의 또 다른 유리한 특징은 모든 분자 가스의 원자 종으로의 전환이다. 대다수의 중성 원자들이 고열 에너지 아래에서 플라즈마 챔버를 빠져나가더라도, 매우 큰 중성 원자 플럭스 그리고 플라즈마 어퍼처 부근의 음이온들의 재순환은 증대된 음이온 생성을 가져올 것이다.
중성 원자 발생기의 성능을 검사하는 진단 절차들
중성 원자 속도 및 플럭스는 후속 음이온 생성에 중요하다. 각도(f a)만큼 오프셋된 슬롯들을 갖는 회전 디스크 조립체가 중성 원자 속도를 모니터링하는 진단 툴로서 제공될 수 있다. 회전 디스크 조립체는 알려진 거리(L)에 의해 분리될 것이다. 빔 펄스 위치에 대해 회전하기 위해 제 2 슬롯에 대한 회전 시간을 같게 하도록 디스크들 사이에 중성 원자 비행 시간(neutral atom time of flight)을 필요로 함에 의하여, 당업자는 다음의 방정식을 도출한다:
Figure 112016012945406-pct00010
(10)
여기서, w는 회전 속도(rad/s)이고, b는 중성 원자들의 상대론적 속도(relativistic velocity)이며, c는 광속이다. 이 방정식을 rpm으로 전환하고, b를 2 eV 중성 원자들의 속도라 하고, L= 25 cm, f a = 2o라 한다면, 25,000 rpm의 회전 속도를 알아낼 수 있다. 투과된 중성 원자들을 위한 검출기는 음으로 바이어스된 금속 와이어(negatively biased metal wire)일 수 있으므로, 금속 리본과의 중성 원자 상호작용들에 의해 생성된 2차 전자들이 검출될 것이다.
중성 입자 속도를 결정하는 다른 방법들이 사용되었다. 본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 Bernardo Jaduszliwer 및 Yat C. Chan, "Atomic Velocity Distributions Out of Hydrogen Maser Dissociators", Chemistry and Physics Laboratory, The Aerospace Corp., P.O.Box 92957, Los Angeles, CA 90009에 개시된 바와 같은 한 가지 방법은 비균일한 자기장과 상호작용하는 중성 원자들의 자기 모멘트를 이용한다. 이 작업은 RF 분자 해리기(dissociator of molecules)를 이용하였으며, 고열 중성 원자들에 민감할 것이다. 이 작업은 약 0.06 eV의 피크 원자 에너지를 야기하였다. 분자 해리로부터의 ~2 eV 예상 에너지로부터의 에너지의 저하는 비탄력적인 공정(inelastic process)들에 기인하였다. 2-와이어 전기장들 및 초퍼(chopper)들에 의해 편향된 알칼리 클러스터들[12]의 전기적 분극(electrical polarizability)은 속도 정보를 얻는 데 사용되었다.
본 명세서에 전문이 인용 참조되는 Zoran Petrovic 및 Vladimir Stojanovic, "Anomalous Doppler Broadening of Hydrogen Lines Due to Excitation by Fast Neutrals in Low Pressure Townsend Discharges", Mem. S. A. It. Vol 7, 172(2005); K. Akhtar, John Scharer, 및 R. I. Mills, "Substantial Doppler Broadening of Atomic Hydrogen Lines in DC and Capacitively Coupled RF Plasmas", J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 135207(2009)에 개시된 바와 같이, 중성 원자 라인들의 이상 도플러 확장(anomalous Doppler broadening)을 연구하기 위해 광학 분광 방법(optical spectroscopic method)들이 사용되었다. 원자 발머 라인(atomic Balmer line)들을 측정하는 데 사용될 수 있는 저비용의 분광계들이 이용가능하다. 광학 분광 방법들은 구현이 가장 쉬운 진단법일 수 있으며, 이러한 방법들은 고열 대 열 중성 원자 분포에 관한 원하는 정보를 제공할 수 있다. 이러한 진단이 중성 원자 에너지 및 밀도 측정들에 대해 적용할 수 있는 가장 단순하고 가장 저렴한 진단일 수 있음에 따라, 이러한 진단에 대해 주의 깊은 고려가 제공될 것이다.
중성 원자 발산 및 빔 에너지 모델들을 얻는 것은, 본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 E. C. Samano, W. E. Carr, M. Seidl, 및 Brian S. Lee, Rev. of Sci. Instrum. 64(10), 2746(10월, 1993)에 개시되어 있다. 원자 빔 발산은 MoO3 막의 중성 원자들의 번 패턴(burn pattern)을 관찰함으로써 추론될 수 있다. 중성 원자들의 감소는 MoO3 막(황색-녹색)을 MoO2(청색)로 변화시킨다. 상이한 열량계 재료(calorimeter material)들을 이용한 열량계측 측정들이 중성 원자 빔과 연계된 온도 증가를 추론하는 데 사용될 것이다. 심지어 고열 중성 원자들에 대해서도, 열량계에 대한 예상 전력이 1 W 이하일 수 있으므로, 열량계 설계 시 특별한 주의가 요구될 필요가 있을 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "대략", "약", "실질적으로"라는 용어들 및 이와 유사한 용어들은 본 발명의 대상(subject matter)과 관계된 보편적이고 용인적인 사용에 부합하는 광범위한 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 발명을 검토하는 당업자라면, 이러한 용어들이 이러한 특징들의 범위를, 제공되는 정확한 수치 범위로 제한하지 않고, 설명되고 청구되는 특정 특징들의 설명을 허용하도록 의도됨을 이해할 것이다. 따라서, 이러한 용어들은 설명되고 청구되는 대상의 사소한 또는 미미한 변형들 및 변경들이 첨부된 청구항들에 인용된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로서 이해되어야 한다.
다양한 실시예들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "예시적인"이라는 용어는 이러한 실시예들이 가능한 실시예들의 가능한 예시들, 표현들 및/또는 설명들임을 나타내는 것으로 의도된다(또한, 이러한 용어는 이러한 실시예들이 특별하거나 최상급의 예시이어야 함을 함축하도록 의도되지 않는다).
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "결합된", "연결된" 등의 용어들은 2 개의 부재들을 서로에 대해 직접적으로 또는 간접적으로 접합(joining)시킴을 의미한다. 이러한 접합은 고정적(예를 들어, 영구적)일 수 있거나 이동가능할(예를 들어, 제거가능 또는 해제가능할) 수 있다. 이러한 접합은, 2 개의 부재들 또는 서로 단일한 일원화 몸체로서 일체로 형성된 2 개의 부재들 및 여하한의 추가 중간 부재들로, 또는 2 개의 부재들 또는 서로에 대해 부착된 2 개의 부재들 및 여하한의 추가 중간 부재들로 달성될 수 있다.
본 명세서에서 요소들의 위치(예를 들어, "최상", "최하", "위", "아래" 등)에 대한 언급은 단지 도면들의 다양한 요소들의 방위를 설명하기 위해 사용된다. 다양한 요소들의 방위는 다른 예시적인 실시예들에 따라 상이할 수 있으며, 이러한 변형들은 본 명세서에 의해 포괄되도록 의도됨을 유의하여야 한다.
다양한 예시적인 실시예들에 도시되고 및/또는 설명된 긴 수명, 높은 전류, 연속파(CW) 음이온 소스들의 구성 및 배치는 단지 예시적임을 유의하는 것이 중요하다. 본 명세서에는 단지 몇몇 실시예들만이 자세하게 설명되었지만, 이 명세서를 검토하는 당업자라면, 본 명세서에 설명된 대상의 신규한 기술내용 및 장점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고, 다수의 변형들[예를 들어, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열(mounting arrangements), 재료 사용, 색, 방위 등의 변동들]이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소들은 다수의 부분들 또는 요소들로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 반전될 수 있거나 달리 변동될 수 있으며, 별개의 요소들의 성질 또는 개수 또는 위치들이 변경되거나 변동될 수 있다. 여하한의 공정 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스가 변경될 수 있거나, 대안적인 실시예들에 따라 재배열(re-sequence)될 수 있다. 다양한 예시적인 실시예들의 설계, 작동 조건 및 배치에 있어, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 다른 치환, 변형, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (21)

  1. 음이온 소스에 있어서,
    이온화될 가스를 함유하기 위한 플라즈마 챔버;
    마이크로파를 상기 플라즈마 챔버로 투과시켜, 고열 중성 원자(hyperthermal neutral atom)들을 포함하는 원자 종(atomic species)으로 상기 가스를 이온화하도록 구성되는 마이크로파 소스(microwave source);
    상기 고열 중성 원자들을 음이온들로 전환시키도록 구성되는 음이온 소스 전환기;
    상기 플라즈마 챔버와 상기 음이온 소스 전환기 사이의 전자들의 온도를 감소시키도록 구성되는 자기 필터;
    상기 음이온들을 추출하도록 구성되는 빔 형성 기구(beam formation mechanism); 및
    상기 플라즈마 챔버 및 상기 마이크로파 소스를 전기적으로 격리(electrically isolate)시키도록 구성되는 적어도 하나의 도파관(waveguide) - 상기 적어도 하나의 도파관은 상기 도파관의 브레이크(break)가 공기로 절연(insulate)되도록 구성됨-;
    을 포함하는 음이온 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음이온 소스는 연속파 음이온 소스인 음이온 소스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 전압을 갖고, 상기 마이크로파 소스는 접지 전위에 있는 음이온 소스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온화될 가스는 수소이고, 생성되는 상기 고열 중성 원자들은 고열 중성 수소 원자들이며, 생성되는 상기 음이온들은 음수소 이온들인 음이온 소스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스는 2.45 ㎓ 마이크로파 소스를 포함하는 음이온 소스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음이온 소스 전환기는 콘-형상의 세슘화된 표면(cone-shaped cesiated surface)을 포함하는 음이온 소스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 필터는 상기 플라즈마 챔버와 상기 음이온 소스 전환기 사이의 접합부 주위 둘레를 따라(circumferentially) 제공된 조절가능한 자기 쌍극장(tunable magnetic dipole field)을 포함하는 음이온 소스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 형성 기구는 30 kV의 전압에서 상기 음이온들을 추출하는 음이온 소스.
  9. 음이온들을 생성하는 방법에 있어서,
    플라즈마 챔버에 이온화될 가스를 제공하는 단계;
    마이크로파 소스로부터 상기 플라즈마 챔버로 마이크로파를 투과시켜, 상기 가스의 고열 중성 원자들이 생성되도록 상기 가스를 이온화하는 단계;
    적어도 하나의 도파관 - 상기 적어도 하나의 도파관은 상기 도파관에 배치된 브레이크가 공기로 절연되도록 구성됨 - 으로 상기 플라즈마 챔버와 상기 마이크로파 소스를 전기적으로 격리시키는 단계;
    음이온 소스 전환기와의 상호작용을 통해 상기 고열 중성 원자들을 음이온들로 전환시키는 단계; 및
    빔 형성 기구로 상기 음이온들을 추출하는 단계를 포함하는 음이온 생성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    자기 필터로, 상기 플라즈마 챔버와 상기 음이온 소스 전환기 사이에 제공되는 전자들의 온도를 감소시키는 단계를 더 포함하는 음이온 생성 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온화될 가스는 수소이고, 생성되는 상기 고열 중성 원자들은 고열 중성 수소 원자들이며, 생성되는 상기 음이온들은 음수소 이온들인 음이온 생성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 음이온 소스 전환기는 콘-형상의 표면을 포함하는 음이온 소스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 음이온 소스 전환기는 세슘화된 표면을 포함하는 음이온 소스.
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