KR101902251B1 - 이온 가속기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형의 메가볼트(MV)급 전압, 밀리암페어(mA)급 전류를 갖는 이온 가속기에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기는, 전원을 공급하는 전원 공급 장치; 상기 전원 공급 장치 내부에 설치되고, 이온 빔을 발생하는 이온원; 상기 전원을 근거로 상기 이온 빔을 가속하는 가속관; 상기 가속된 이온 빔을 수송하는 빔 수송 장치; 상기 수송된 이온빔을 타깃(Target)에 조사하는 빔 조사 장치를 포함할 수 있다.

Description

이온 가속기{ION ACCELERATION APPARATUS}

본 발명은 이온원이 내장된 소형 정전형 이온 가속기에 관한 것이다.

일반적으로 이온 가속 장치는 이온 발생기를 통해 이온빔을 발생하고, 그 이온빔을 가속관을 통해 가속시키고, 그 가속된 이온빔을 피조사체에 출사하는 장치이다. 이온 가속 장치는 다양한 이온을 수십 keV~수MeV로 가속하여 재료/소재 표면 개질, 분석 등에 활용된다.

그러나, 종래의 메가볼트(MV)급 전압, 밀리암페어(mA)급 이온 가속 장치는 이온원과 고전압 전원 및 가속관 등이 분리되어 있는 구조로서, 그 전체 시스템이 크고, 복잡한 구조를 가지는 단점이 있었다.

한국공개특허 제10-2005-0014321호

본 명세서는, 일반적으로 정전형 전자빔 가속기에서 사용하고 있는 메가볼트(MV)급 전원 장치 내부에 밀리암페어(mA)급 이온빔 전류를 공급할 수 있는 소형 이온원을 설치함으로써 소형의 메가볼트(MV)급 전압, 밀리암페어(mA)급 전류를 갖는 이온 가속기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기는,

전원을 공급하는 전원 공급 장치;

상기 전원 공급 장치 내부에 설치되고, 이온 빔을 발생하는 이온원;

상기 전원을 근거로 상기 이온 빔을 가속하는 가속관;

상기 가속된 이온 빔을 수송하는 빔 수송 장치;

상기 수송된 이온빔을 타깃(Target)에 조사하는 빔 조사 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이온원은, 부도체 관과; 상기 부도체 관을 둘러싼 코일과; 상기 코일에 고주파를 인가하는 고주파 공급부; 상기 코일에 인가되는 고주파에 의해 상기 부도체 관에서 발생하는 이온 빔을 자기장으로 밀폐하는 도넛 형태의 영구자석을 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.

본 발명은, 고주파 이온원을 기존 전자빔 가속기에 사용하던 전원 공급 장치 내부에 설치하여 운전함으로써 메가볼트(MV) 급 전압, 밀리암페어(mA) 급 전류를 가지는 이온빔 가속기를 제공할 수 있다.

본 발명은, 메가볼트(MV) 급 전압, 밀리암페어(mA) 급 전류를 가지는 이온빔 가속기를 제공함으로써, 고 에너지 대전류 이온빔 조사장치 활용 분야를 활성화할 수 있을 것으로 기대한다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 전원 공급 장치 내부를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 이온원을 나타낸 도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

이하에서는, 메가볼트(MV)급 전압, 밀리암페어(mA)급 전류를 갖는 이온 가속기에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시에에 따른 이온 가속기의 밀리암페어(mA)급 이온빔 전류를 공급하는 소형 이온원은 정전형 전자빔 가속기에서 사용하고 있는 메가볼트(MV)급 전원 장치 내부에 설치된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기에 대한 모식도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기는,

전원(예를 들면, 0.2 ~ 1 MV 가속 전압)을 공급하는 전원 공급 장치(10)와;

전원 공급 장치(10) 내부에 설치되고, 이온 빔을 발생하는 이온원(20);

이온 빔을 가속하는 가속관(30);

가속된 이온 빔을 수송하는 빔 수송 장치(40);

수송된 이온빔을 타깃(Target)에 조사하는 빔 조사 장치(50)로 구성된다.

빔 수송 장치(40)는 가속된 이온 빔의 특성 측정하고, 가속된 이온 빔을 빔 조사 장치(50)에 이송(수송)한다. 빔 조사 장치(50)는 수송된 이온빔을 시료에 조사한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 동작을 설명한다.

먼저, 전원 공급 장치(10)는 전원(예를 들면, 0.2 ~ 1 MV 가속 전압)을 가속관(30)에 인가한다. 예를 들면, 전원 공급 장치(10)는 가속관(30)에 인가된 이온빔이 가속되도록 전원(예를 들면, 0.2 ~ 1 MV 가속 전압)을 가속관(30)에 인가한다.

이온원(20)은, 전원 공급 장치(10) 내부에 설치되고, 이온 빔을 발생하고, 기 이온 빔을 가속관(30)에 인가한다.

상기 가속관(30)은 전원 공급 장치(10)로부터 인가된 전원(예를 들면, 0.2 ~ 1 MV 가속 전압)을 받아 이온원(20)으로부터 인가된 이온빔을 가속하고, 그 가속된 이온빔을 빔 수송 장치(40)에 인가한다.

빔 수송 장치(40)는 가속된 이온 빔을 빔 조사 장치(50)로 수송한다. 예를 들면, 빔 수송 장치(40)는 4극 전자석 등을 상기 가속된 이온 빔을 빔 조사 장치(50)로 수송할 수 있다. 빔 수송 장치(40)는 가속된 이온 빔의 특성 측정하고, 가속된 이온 빔을 빔 조사 장치(50)에 이송(수송)한다.

빔 조사 장치(50)는 빔 수송 장치(40)로부터 인가된 가속된 이온빔을 타깃(Target)에 조사한다. 예를 들면, 빔 조사 장치(50)는 상기 가속된 이온빔을 스위칭 전자석을 통해 표적 챔버에 위치한 시료에 조사한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 전원 공급 장치 내부를 나타낸 도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 전원 공급 장치(10) 내부에는 4 내지 6기압 상태의 절연용 SF₆ 가스가 충진되어 있고, 이온원(20)과 가속관(30)이 위치한다.

본 발명의 실시예에 따른 이온원(20)은 대전류 인출이 가능한 소형 이온원으로서, 전원 공급 장치(10) 내부에 설치되며, 이로 인해 이온 가속기가 소형화된다.

이온원(20)은 150 내지 250 MHz 고주파를 이용하여 플라즈마(이온빔)를 발생시키고, 시스템을 단순화하기 위하여 영구자석을 이용함으로써 플라즈마(이온빔)를 밀폐한다.

이온원(20)은 전원 공급 장치(10)의 상단부에 위치하며, 측면 혹은 전원중심을 통과하여 하단으로 가속관(30)을 설치하여 이온빔을 가속할 수 있는 구조이다.

전원 공급 장치(10) 내부는 고전압 절연을 위하여 절연가스(예를 들면, SF₆)를 사용하여 그 부피를 줄일 수 있다.

이온원(20)의 경우 고주파 전원 및 인출전원만 제어하면 운전할 수 있는 구조이므로, 기존의 전자빔 가속기와 비교해 보면 제어 측면에서는 동일하다고 볼 수 있다. 이온원(20)은 필라멘트를 사용하지 않는 고주파 방식이므로 유지보수 없이 장시간 운전이 가능한 장점과 고주파 주파수를 높여 그 이온원의 부피를 소형화함으로써 제한된 공간에서 사용할 수 있는 구조이다.

전원 공급 장치(10)는 일반적인 정전형 전자빔 가속기에서 사용하고 있는 메가볼트(MV)급 전원 장치일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 이온원을 나타낸 도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 이온원(20)은, 150 내지 250MHz 고주파를 이용하여 플라즈마(이온빔)를 발생시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 이온 가속기의 이온원(20)은,

부도체 관(예를 들면, quartz 혹은 pyrex 등)(21)과;

부도체 관(21)을 둘러싼 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)과;

그 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)에 고주파(예를 들면, 150 내지 250MHz 고주파)를 인가하는 고주파 공급부(도시하지 않음);

상기 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)에 인가되는 고주파(예를 들면, 150 내지 250MHz 고주파)에 의해 부도체 관(예를 들면, quartz 혹은 pyrex 등)(21)에서 발생하는 이온 빔(플라즈마)을 자기장으로 밀폐하는 도넛 형태의 영구자석(23)을 포함한다.

상기 고주파에 의해 부도체 관(예를 들면, quartz 혹은 pyrex 등)(21) 내의 이온이 이온화하면서 플라즈마(이온빔)를 발생하고, 그 플라즈마(이온빔)는 도넛 형태의 영구자석의 자기장에 의해 밀폐된다.

부도체 관(21)을 둘러싼 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)에 150 내지 250MHz 고주파를 인가함으로써, 부도체 관(21)의 축 방향으로 자기장, 부도체 관(21)의 원형 방향으로 전기장을 발생시켜 전기장에 의해 가속된 전자가 기체 원자와 충돌하여 기체의 이온화 및 플라즈마를 발생시키며 부도체관 주위에 도넛 형태의 영구자석(23)을 설치하여 그 플라즈마(이온빔)를 밀폐(영구 자석의 자기장으로 밀폐)한다.

상기 방전된 플라즈마(이온빔)은 인출부(24)를 통해 가속관(30)으로 인출된다.

그리고 제어를 최소화하기 위하여 인출부(24)의 재료는 방사성 동위원소를 사용하였으며 이를 통하여 가스 밸브를 별도로 제어하지 않고도 초기 플라즈마 점화 특성을 개선할 수 있는 구조이다.

부도체 관(21)을 둘러싼 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)에 인가되는 150 내지 250MHz 고주파의 임피던스 정합을 위해, 로딩 커패시터(Loading capacitor)(25)와 튜닝 커패시터(tuning capacitor)(26)가 고주파 공급부(도시하지 않음)에 연결된다.

로딩 커패시터(Loading capacitor)(25)와 튜닝 커패시터(tuning capacitor)(26)의 capacitance를 조절하여 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 예를 들면, 제어부(도시하지 않음)는 로딩 커패시터(Loading capacitor)(25)와 튜닝 커패시터(tuning capacitor)(26)에 연결되고, 로딩 커패시터(Loading capacitor)(25)와 튜닝 커패시터(tuning capacitor)(26)의 커패시턴스(capacitance)를 조절하여 임피던스 정합을 수행할 수 있다.

부도체 관(21)을 둘러싼 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)에 인가되는 150 내지 250MHz 고주파가 외부로 누출되는 것을 방지(고주파 차폐)하는 차폐부(27)가 부도체 관(예를 들면, quartz 혹은 pyrex 등)(21)과, 부도체 관(21)을 둘러싼 코일(예를 들면, 1-turn 코일)(22)과, 도넛 형태의 영구자석(23) 등을 이격되어 덮도록 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 고주파 이온원을 기존 전자빔 가속기에 사용하던 전원 공급 장치 내부에 설치하여 운전함으로써 메가볼트(MV) 급 전압, 밀리암페어(mA) 급 전류를 가지는 이온 가속기(이온빔 가속기)를 제공할 수 있다.

본 발명은, 메가볼트(MV) 급 전압, 밀리암페어(mA) 급 전류를 가지는 이온빔 가속기를 제공함으로써, 고 에너지 대전류 이온빔 조사장치 활용 분야를 활성화할 수 있을 것으로 기대한다.

이제까지의 메가볼트(MV(급 이온빔 가속기는 그 전류가 마이크로 암페어(uA) 정도가 대부분이었으며, 이를 이용하여 표면 분석에 주로 사용하고 있었다. 그러나 그 전류를 밀리암페어(mA) 급으로 증가시키면 표면 개질, 반도체 성능 향상 등의 연구에 바로 사용할 수 있다. 현재까지는 이와 같은 이용분야에 사이클로트론 등을 주로 사용하였으나, 그 운전 전류에 제한이 있었다. 본 발명에서 제안하는 소형 이온원을 이용한 이온빔 가속기는 고주파 이온원을 기존 전자빔 조사 가속기에 사용하던 전원 공급 장치 내부에 설치하여 운전함으로써 메가볼트(MV) 급 전압, 밀리암페어(mA) 급 전류를 가지는 이온빔 가속기를 제공할 수 있으며 이를 이용하여 고 에너지 대전류 이온빔 조사장치 활용 분야를 활성화할 수 있을 것으로 기대한다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 전원을 공급하는 전원 공급 장치;
   상기 전원 공급 장치 내부에 설치되고, 이온 빔을 발생하는 이온원;
   상기 전원을 근거로 상기 이온 빔을 가속하는 가속관;
   상기 가속된 이온 빔을 수송하는 빔 수송 장치;
   상기 수송된 이온빔을 타깃(Target)에 조사하는 빔 조사 장치를 포함하고,
   상기 이온원은,
   부도체 관과;
   상기 부도체 관을 둘러싼 코일과;
   상기 코일에 고주파를 인가하는 고주파 공급부;
   상기 코일에 인가되는 고주파에 의해 상기 부도체 관에서 발생하는 이온 빔을 자기장으로 밀폐하는 도넛 형태의 영구자석을 포함하며,
   상기 부도체 관 내의 이온이 이온화하면서 발생한 상기 이온빔은 인출부를 통해 상기 가속관으로 인출되는 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
2. 제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치 내부에는 절연용 가스가 충진되어 있고, 상기 전원 공급 장치 내부에는 상기 이온원과 가속관이 위치하는 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 이온원은,
   150 내지 250MHz 고주파를 이용하여 상기 이온빔을 발생하는 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
5. 제1항에 있어서, 상기 부도체 관은,
   수정(quartz) 또는 파이렉스(Pyrex)인 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
6. 제1항에 있어서, 상기 코일은,
   1-턴 코일인 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 인출부의 재료는 방사성 동위원소인 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 고주파 공급부에 연결되는 제1 커패시터와 제2 커패시터를 더 포함하며, 상기 부도체 관을 둘러싼 코일에 인가되는 고주파의 임피던스 정합이 수행되도록 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터의 커패시턴스(capacitance)가 조절되는 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 부도체 관을 둘러싼 코일에 인가되는 고주파가 외부로 누출되는 것을 방지하는 차폐부를 더 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 이온 가속기.
    

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