KR102055286B1 - E×b힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 rf 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

E×b힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 rf 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치 Download PDF

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이기용
장수욱
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한국기초과학지원연구원
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Abstract

E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나가 개시된다. 상기 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나는 2n개의 사인 직사각형 코일들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성하는 사인 코일환; 및 2n개의 코사인 직사각형 코일들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성하는 코사인 코일환을 포함하고, 상기 사인 코일환과 상기 코사인 코일환은 동심을 이루고, 상기 사인 직사각형 코일 간의 인접한 축방향 변은 상기 코사인 직사각형 코일의 환 내에 위치하며, 상기 코사인 직사각형 코일 간의 인접한 축방향 변은 상기 사인 직사각형 코일의 환 내에 위치하도록 구성되고, n은 2 이상의 정수이다.

Description

E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치{RF ANTENNA FIELD REVERSED CONFIGURATION USING E×B FORCE AND INVERTED FIELD REVERSED CONFIGURATION GENERATING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적인 역자기장 플라즈마를 생성하기 위한 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
역자기장 플라즈마(Field reversed configuration)는 원통 모양 진공 용기 안에 기다란 튜브 모양의 플라즈마 형태를 뜻하며, 진공 용기 밖에는 축 방향 자기장을 생성하는 여러 전자석이 배열로 나열되어 있다.
역자기장 플라즈마 특성은 외부 자기장과 중심 자기장 방향이 다르며, 그 사이에 자기장 없는 영역이 존재하며, 원주 방향 자기장(toroidal field) 보다 축 방향 자기장(poloidal field)이 압도적으로 높은 특성을 갖고 있다.
적용 분야는 핵융합 발전, 우주 추진체, 중성자 발생원, 리소그래프(lithograph)를 위한 EUV 빛 발생원, 반도체 장비, 물질 표면 처리로 고온도 고밀도 플라즈마가 요구되는 곳에 활용 가치가 있다.
역자기장 플라즈마는 고온도 (Te >10eV) 및 고밀도(ne>1×1019 m-3)를 가짐으로써, 플라즈마를 형성하고 지속적으로 유지하기 위하여 원주 방향으로 플라즈마 전류를 생성하는 방법이 필요하다.
기존에 회전자기장(Rotating Magnetic Field)이라는 RF 안테나 방식을 통하여, 진공상태에서 진공용기 안에 있는 자기장을 마치 회전하는 것으로 역자기장 플라즈마를 생성하는 것은 널리 알려져 있다. 그런데 종래에는 플라즈마를 생성하게 되면 진공에서 회전하는 자기장이 자력선이 끊어지고 재결합하는 현상이 발생하여 효율적이지 못하였다.
문헌 1 : WO2013/191779 A2 문헌 2 : US 9,524,802 B2
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 안정적인 역자기장 플라즈마를 생성할 수 있도록 한 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나는 2n개의 사인 직사각형 코일들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성하는 사인 코일환; 및 2n개의 코사인 직사각형 코일들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성하는 코사인 코일환을 포함하고, 상기 사인 코일환과 상기 코사인 코일환은 동심을 이루고, 상기 사인 직사각형 코일 간의 인접한 축방향 변은 상기 코사인 직사각형 코일의 환 내에 위치하며, 상기 코사인 직사각형 코일 간의 인접한 축방향 변은 상기 사인 직사각형 코일의 환 내에 위치하도록 구성되고, n은 2 이상의 정수이다.
일 실시예에서, 상기 사인 직사각형 코일에는 사인(sine) 파형의 AC 전류가 인가되고, 상기 코사인 직사각형 코일에는 코사인(cosine) 파형의 AC 전류가 인가될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코사인 및 사인 파형의 AC 전류는 각각 1KHz 내지 300 KHz 주파수를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 사인 직사각형 코일과 상기 코사인 직사각형 코일은 사슬 엮임 되고, 상기 사인 코일환과 상기 코사인 코일환은 동일 직경을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 사인 직사각형 코일은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐를 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코사인 직사각형 코일은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐를 수 있다.
일 실시예에서, 상기 직사각형 코사인 코일 및 상기 직사각형 사인 코일은 냉각수가 흐르는 파이프일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 파이프는 동파이프일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 직사각형 코사인 코일 및 상기 직사각형 사인 코일은 절연막 코팅되어 인접하는 코일간 접촉을 차단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 사인 직사각형 코일에는 1KHz 내지 300 KHz 주파수의 사인(sine) 파형의 AC 전류가 인가되고, 상기 코사인 직사각형 코일에는 1KHz 내지 300 KHz 주파수 코사인(cosine) 파형의 AC 전류가 인가되며, 상기 사인 직사각형 코일의 환을 이루는 상기 사인 직사각형 코일들은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐르고, 상기 직사각형 코사인 코일 및 상기 직사각형 사인 코일은 절연막 코팅되어 인접하는 코일간 접촉을 차단하도록 구성되고, 원주방향의 E×B힘을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치는 축방향 자기장의 원통형 전자석; 상기 원통형 전자석 내의 진공용기; 및 상기 진공 용기 내의 상기 실시예들 중 어느 하나의 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 RF 안테나의 원주 방향(θ) E×B힘에 의해 플라즈마 내의 전자 및 이온은 원주 방향 회전하며, 상기 이온은 이온 사이클로트론 반지름이 커져 상기 진공 용기의 벽에 의해 속도가 소실되어, 원주 방향의 플라즈마 전류(Jθ)를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플라즈마 전류와 상기 전자석의 자기장(Bz)과 결합된 플라즈마 압력 구배(▽P)가 생기고, 반자성 드리프트(diamagnetic drift) 성분(Bz×▽P)/(neB2z)이 추가로 생성되어 이온 회전 속도를 더욱 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치를 이용하면 안정적인 역자기장 플라즈마를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나의 환 형상을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나의 외관 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 사인 직사각형 코일환 및 코사인 직사각형 코일환의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 사인 직사각형 코일 및 코사인 직사각형 코일 간의 인접한 배치 구조에서 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 도 4는 사인 직사각형 코일 및 코사인 직사각형 코일의 인접한 배치 구조에서 전기장, 자기장 및 E×B힘의 작용 방향을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 사인 코일환 및 코사인 코일환의 배치 구조에서 자기장의 형성 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 사인 코일환 및 코사인 코일환의 배치 구조에서 전기장이 작용하는 모습을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나 및 이를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 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 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나는 사인(sine) 코일환(110), 코사인(cosine) 코일환(210)을 포함한다.
사인 코일환(100)은 2n개의 사인 직사각형 코일(110)들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성한다.
코사인 코일환(200)은 2n개의 코사인 직사각형 코일(210)들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성한다.
여기서, n은 2 이상의 정수이다. 따라서, 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 각각 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)의 고리를 형성하기 위해 적어도 4개씩 구비된다. 일 예로, 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 각각 8개씩 구비되어 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)의 고리를 형성할 수 있다.
사인 코일환(100)과 코사인 코일환(200)은 동심을 이루어서, 서로 인접하며, 동일 직경을 갖도록 구비된다. 이때, 사인 직사각형 코일(110) 간의 인접한 축방향 변은 코사인 직사각형 코일(210)의 환 내에 위치하며, 코사인 직사각형 코일(210) 간의 인접한 축방향 변은 사인 직사각형 코일(110)의 환 내에 위치하도록 구성된다. 여기서, 상기 "코사인 직사각형 코일의 환" 및 "사인 직사각형 코일의 환"은 코사인 직사각형 코일(210) 및 사인 직사각형 코일(110) 각각의 직사각형 고리 형상을 의미한다.
이와 같이, 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 서로 인접하게 위치하여 각각의 축방향 변이 이웃하는 코사인 직사각형 코일(210) 또는 사인 직사각형 코일(110) 내에 위치하기만 하면 되지만, 동심을 이루는 상태를 고정하기 위해, 바람직하게는, 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 사슬 엮임될 수 있고, 사슬 엮임 가능하도록 일측에 코일 엮임부(1151, 2151)가 형성되는 형상을 가질 수 있다.
즉, 사슬 엮임 가능한 각각의 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)의 형상은, 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)의 원주방향의 제1 변(111, 211), 제1 변(111, 211)의 양측에서 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)의 축방향의 제2 변(112, 212) 및 제3 변(113, 213), 상기 제1 변(111, 211)과 평행하는 제4 변(114, 214)을 형성하는 제1 벤딩부(115, 215) 및 제2 벤딩부(116, 216)를 포함할 수 있고, 제1 벤딩부(115, 215)는 제2 변(112, 212)의 끝단으로부터 연장되되 상기 원주방향과 평행하면서 U자 또는 역U자 형상으로 벤딩되어 U자 또는 역U자 형상의 상기 코일 엮임부(1151, 2151)를 포함하고, 제2 벤딩부(116, 216)는 제3 변(113, 213)으로부터 제1 변(111, 211)과 평행하게 연장될 수 있다. 또한, 제1 벤딩부(115, 215)는 코일 엮임부(1151, 2151)의 끝단으로부터 상기 제2 변(112, 212)과 평행하도록 코일 엮임부(1151, 2151)로부터 멀어지게 연장되는 제1 전류입출력부(117, 217)를 포함하고, 제2 벤딩부(116, 216)는 제2 벤딩부(116, 216)의 끝단으로부터 상기 제3 변(113, 213)과 평행하도록 코일 엮임부(1151, 2151)로부터 멀어지게 연장되는 제2 전류입출력부(118, 218)를 포함할 수 있다.
이러한 각각의 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)의 형상에 따라, 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)이 서로 인접하게 배치될 때 서로 사슬 엮임될 수 있도록, 사인 직사각형 코일(110)의 제1 변(111, 211)은 코사인 직사각형 코일(210)의 코일 엮임부(1151, 2151)에 끼워지고, 코사인 직사각형 코일(210)의 제1 변(111, 211)은 사인 직사각형 코일(110)의 코일 엮임부(1151, 2151)에 끼워져서 서로 엮임될 수 있다.
한편, 사인 직사각형 코일(110)에는 사인 파형의 AC 전류가 인가되며, 코사인 직사각형 코일(210)에는 코사인 파형의 AC 전류가 인가된다. 따라서, 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 각각 90°위상 차를 갖는다. 상기 AC 전류는 1KHz 내지 300 KHz 주파수를 갖는다. AC 전류가 각 코일에 인가되면 가 코일 주위에서 전기장 및 자기장이 생성된다.
또한, 상기 AC 전류는 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)에서 서로 다른 방향으로 흐르고, 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110)들에서 서로 다른 방향으로 흐른다.
즉, 2개의 사인 직사각형 코일(110)이 인접하게 배치되고 1개의 코사인 직사각형 코일(210)이 2개의 사인 직사각형 코일(110)이 인접하게 배치된 구조에서, 도 4와 같이, 1개의 코사인 직사각형 코일(210)은 전류가 시계방향으로 흐르도록 전류를 인가한 경우, 2개의 사인 직사각형 코일(110) 중 코사인 직사각형 코일(210)의 좌측에 위치하는 사인 직사각형 코일(110)은 전류가 반시계방향으로 흐르도록 전류를 인가하고, 코사인 직사각형 코일(210)의 우측에 위치하는 사인 직사각형 코일(110)은 전류가 시계방향으로 흐르도록 전류를 인가하면, 코사인 직사각형 코일(210)의 환 내에 위치하는 사인 직사각형 코일(110) 각각의 인접한 축방향 변들에서는 전류 흐름 방향이 서로 동일한 제1 방향이 되고, 1개의 코사인 직사각형 코일(210)의 축방향 변들 중 상기 좌측에 위치하는 사인 직사각형 코일(110)의 환 내에 위치하는 축방향 변에서의 전류 흐름 방향은 상기 제1 방향에 동일한 제1 방향이 되고 상기 우측에 위치하는 사인 직사각형 코일(110)의 환 내에 위치하는 축방향 변에서의 전류 흐름 방향은 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향이 된다.
반대로, 2개의 코사인 직사각형 코일(210)이 인접하게 배치되고 1개의 사인 직사각형 코일(110)이 2개의 코사인 직사각형 코일(210)이 인접하게 배치된 구조에서, 도 5와 같이, 1개의 사인 직사각형 코일(110)은 전류가 시계방향으로 흐르도록 전류를 인가한 경우, 2개의 코사인 직사각형 코일(210) 중 사인 직사각형 코일(110)의 좌측에 위치하는 코사인 직사각형 코일(210)은 전류가 시계방향으로 흐르도록 전류를 인가하고, 사인 직사각형 코일(110)의 우측에 위치하는 코사인 직사각형 코일(210)은 전류가 반시계방향으로 흐르도록 전류를 인가하면, 1개의 사인 직사각형 코일(110)의 환 내에 위치하는 코사인 직사각형 코일(210) 각각의 인접한 축방향 변들에서는 전류 흐름 방향이 서로 동일한 제1 방향이 되고, 1개의 사인 직사각형 코일(110)의 축방향 변들 중 상기 좌측에 위치하는 코사인 직사각형 코일(210)의 환 내에 위치하는 축방향 변에서의 전류 흐름 방향은 상기 제1 방향에 역방향인 제2 방향이 되고 상기 우측에 위치하는 사인 직사각형 코일(110)의 환 내에 위치하는 축방향 변에서의 전류 흐름 방향은 상기 제1 방향과 동일한 제1 방향이 된다.
이와 같이, 서로 이웃하는 코사인 직사각형 코일(210)들에서 서로 인접하는 축방향 변들은 이웃하는 사인 직사각형 코일(110)들의 환 내에서 전류 흐름 방향이 동일해지도록 하고, 서로 이웃하는 사인 직사각형 코일(110)들에서 서로 인접하는 축방향 변들은 이웃하는 코사인 직사각형 코일(210)들의 환 내에서 전류 흐름 방향이 동일해지도록, 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)에서 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)에서 서로 다른 방향으로 흐르고 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110)들에서 서로 다른 방향으로 흐르도록 AC 전류가 인가된다.
도 6은 사인 직사각형 코일 및 코사인 직사각형 코일의 인접한 배치 구조에서 전기장, 자기장 및 E×B힘의 작용 방향을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 1에 도시된 사인 코일환 및 코사인 코일환의 배치 구조에서 자기장의 형성 모습을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 1에 도시된 사인 코일환 및 코사인 코일환의 배치 구조에서 전기장이 작용하는 모습을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 이러한 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)의 배치 및 각 코일에서의 AC 전류의 인가에 따라 각 코일 주위에서 전기장(B) 및 자기장(E)이 생성되며, AC 전류의 흐름 방향에 따라 E×B힘이 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)의 원주방향으로 작용하게 된다.
즉, 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110)에 흐르는 전류 방향이 서로 반대임에 따라 암페어 법칙(Ampere's Law) ▽×B = μoJ 에 의해 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110) 각각은 서로 반대 방향을 가진 자기장을 형성한다.
서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110) 중 어느 하나는 도 7에서와 같이 구 중심을 향하는 자기장(Br)이 생성되며, 다른 하나는 구 바깥으로 향하는 자기장(Br)을 형성한다. 이때, 서로 인접하는 사인 직사각형 코일(110) 사이의 코사인 직사각형 코일(210)은 사인 직사각형 코일(110)과 90ㅀ위상 전류차를 가지므로 페럴데이 법칙(Faraday's Law) ▽×E = ∂B/∂t에 의해 도 8에서 표시되는 z축 방향으로 작용하는 전기장(Ez)이 생긴다. 전기장으로 인해 플라즈마 내부에 전자가 z축으로 가속되며, 결국 로렌츠 힘 (Lorentz Force) F=-e(E+vz×Br) 에 의해 E×B 힘은 사인 코일환(100) 및 코사인 코일환(200)의 원주방향(θ)으로 작용한다.
한편, 각각의 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 전류가 인가됨에 따라 서로 이웃하여 배치될 때 전류에 의한 쇼트를 방지하도록 표면이 절연막 코팅되어서 인접하는 코일간 접촉이 차단된다.
또한, 각각의 사인 직사각형 코일(110) 및 코사인 직사각형 코일(210)은 냉각수가 흐르는 파이프일 수 있고, 상기 파이프는 동파이프일 수 있다. 따라서, 사인 직사각형 코일(110)들 및 코사인 직사각형 코일(210)들은 고온 환경에서 변형 없이 견딜 수 있다.
이러한 E×B힘을 이용한 역자기장 RF 안테나는 역자기장 플라즈마 발생장치에 이용된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치는 원통형 전자석(3000), 진공용기(2000) 및 상기 E×B힘을 이용한 역자기장 RF 안테나(1000)를 포함한다.
원통형 전자석(3000)은 축방향의 자기장을 가지며, 진공용기(2000)는 원통형 전자석(3000) 내에 위치하고 내부가 진공이다.
RF 안테나(1000)는 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B힘을 이용한 역자기장 RF 안테나로서, 이에 대해 앞서 상세히 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 구성의 역자기장 플라즈마 발생장치는 진공 용기(2000) 내에 안정적인 역자기장 플라즈마를 생성할 수 있고, 이를 위해 다음과 같이 작용한다.
RF 안테나의 원주 방향(θ) E×B힘에 의해 플라즈마 내의 전자 및 이온은 원주 방향 회전하며, 상기 이온은 이온 사이클로트론 반지름이 커져 상기 진공 용기의 벽에 의해 속도가 소실되어, 원주 방향의 플라즈마 전류(Jθ)를 갖는다. 또한, 플라즈마 전류와 상기 전자석의 자기장(Bz)과 결합된 플라즈마 압력 구배(▽P)가 생기고, 반자성 드리프트(diamagnetic drift) 성분(Bz × ▽P)/(neB2z)이 추가로 생성되어 이온 회전 속도를 더욱 억제한다.
더 구체적으로 설명하면, RF 안테나(1000)로부터 E×B 힘이 플라즈마 안에 있는 전자 그리고 이온에게 전달된다. 즉, 로렌츠 포스(Lorentz force) F=q(E+v×B) 공식에 의해 전자(electron)와 이온(ion)이 같은 원주 방향(θ)으로 진행하여 원통 안에서 회전한다. 이때, 전자가 이온 보다 가벼움에 따라 더 빠른 속도로 움직인다.
또한, 이온이 축 방향 진행하는 자기장 안에서 이온 사이클로트론 반지름 (ion cyclotron radius)이 커짐에 따라, 진공용기(2000) 벽와 접촉하면서 이온 속도 성분을 잃게 된다. 이러한 두 가지 요인에 의해 플라즈마 전류(Jθ) 를 생성하게 된다. 여기서, 플라즈마 전류(Jθ) 그리고 외부 전자석에 의한 자기장(Bz)이 결합하면, Jθ×Bz가 적용되어 플라즈마 압력 구배(plasma pressure gradient: ▽P )가 생긴다. 즉, Jθ×Bz=▽P에 의해 플라즈마를 감금 및 평형을 유지한다. 여기서 추가로 압력 구배(▽P)가 생김에 따라 플라즈마 내부에 반자성 드리프트(diamagnetic drift) 성분(Bz×▽P)/(neB2z)이 생성되어 이온 회전 속도를 더욱 억제한다. 따라서, RF 안테나(1000)로부터 생성되는 플라즈마 전류는 전자의 움직임에 의해서 생성된다. 전류 정의에 따라 Jθ = -neve θ, 전자 움직임과 반대 방향으로 플라즈마 전류가 흐른다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 2n개의 사인 직사각형 코일들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성하는 사인 코일환; 및
    2n개의 코사인 직사각형 코일들이 일렬로 변이 인접되게 배열되어 고리를 형성하는 코사인 코일환을 포함하고,
    상기 사인 코일환과 상기 코사인 코일환은 동심을 이루고,
    상기 사인 직사각형 코일 간의 인접한 축방향 변은 상기 코사인 직사각형 코일의 환 내에 위치하며, 상기 코사인 직사각형 코일 간의 인접한 축방향 변은 상기 사인 직사각형 코일의 환 내에 위치하도록 구성되고,
    n은 2 이상의 정수인,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사인 직사각형 코일에는 사인(sine) 파형의 AC 전류가 인가되고,
    상기 코사인 직사각형 코일에는 코사인(cosine) 파형의 AC 전류가 인가되는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코사인 및 사인 파형의 AC 전류는 각각 1KHz 내지 300 KHz 주파수를 가짐을 특징으로 하는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사인 직사각형 코일과 상기 코사인 직사각형 코일은 사슬 엮임 되고,
    상기 사인 코일환과 상기 코사인 코일환은 동일 직경을 가지는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사인 직사각형 코일은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐름을 특징으로 하는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코사인 직사각형 코일은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐름을 특징으로 하는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 직사각형 코사인 코일 및 상기 직사각형 사인 코일은 냉각수가 흐르는 파이프임을 특징으로 하는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파이프는 동파이프임을 특징으로 하는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 직사각형 코사인 코일 및 상기 직사각형 사인 코일은 절연막 코팅되어 인접하는 코일간 접촉을 차단하도록 구성되는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 사인 직사각형 코일에는 1KHz 내지 300 KHz 주파수의 사인(sine) 파형의 AC 전류가 인가되고,
    상기 코사인 직사각형 코일에는 1KHz 내지 300 KHz 주파수 코사인(cosine) 파형의 AC 전류가 인가되며,
    상기 사인 직사각형 코일들은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐르고,
    상기 코사인 직사각형 코일은 인접하는 사인 직사각형 코일과 서로 다른 방향의 전류가 흐르고,
    상기 직사각형 코사인 코일 및 상기 직사각형 사인 코일은 절연막 코팅되어 인접하는 코일간 접촉을 차단하도록 구성되고,
    원주방향의 E×B힘을 가짐을 특징으로 하는,
    E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나.
  11. 축방향 자기장의 원통형 전자석;
    상기 원통형 전자석 내의 진공용기; 및
    상기 진공 용기 내의 상기 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 E×B힘을 이용한 역자기장 플라즈마 발생 RF 안테나를 포함하는,
    E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 RF 안테나의 원주 방향(θ) E×B힘에 의해 플라즈마 내의 전자 및 이온은 원주 방향 회전하며, 상기 이온은 이온 사이클로트론 반지름이 커져 상기 진공 용기의 벽에 의해 속도가 소실되어, 원주 방향의 플라즈마 전류(Jθ)를 가짐을 특징으로 하는,
    E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 플라즈마 전류와 상기 전자석의 자기장(Bz)과 결합된 플라즈마 압력 구배(▽P)가 생기고, 반자성 드리프트(diamagnetic drift) 성분(Bz×▽P)/(neB2z)이 추가로 생성되어 이온 회전 속도를 더욱 억제함을 특징으로 하는,
    E×B힘 RF 안테나를 이용한 역자기장 플라즈마 발생 장치.
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