KR102343065B1 - 양성자 가속기용 대전류 듀오플라즈마트론 이온원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 붕소 중성자 포획 치료(BNCT: Boron Neutron Capture Therapy)용 양성자 가속기에 있어서, 산화물 음극, 음극봉 및 제2플랜지(flange)를 포함하는 탈착식 음극 조립체; 가스 공급관, 중간전극, 플라즈마 방출구 및 제1플랜지를 포함하는 중간전극 조립체; 플라즈마 챔버; 전자석 코일; 양극 핀홀(anode pinhole)을 포함하는 인출전극; 플라즈마 확장컵; 중간전극; 가속전극; 등전위전극 및 하우징을 포함하되, 중간전극 조립체와 플라즈마 챔버는 콘(cone) 형상의 대응되는 조립부를 가져 이를 통해 조립됨으로써 플라즈마 방출구와 양극 핀홀의 탈부착 전후의 정렬이 보장되고, 제1플랜지 및 제2플랜지는 NW타입 플랜지로 형성되고, NW타입 클램프(clamp)로 결착됨으로써 정렬상태를 보장하며 신속하게 탈부착 가능하고, 제1개구각을 가지는 제1콘, 원통형 단턱부 및 제1개구각 보다 큰 제2개구각을 가지는 제2콘으로 구성된 플라즈마 확장컵과 제2개구각보다 작은 제3개구각을 가지는 제3콘을 포함하는 중간전극의 구성으로 낮은 에미턴스의 이온빔을 얻을 수 있는 듀오플라즈마트론 이온원(Duoplasmatron Ion Source)에 대한 것이다.

Description

양성자 가속기용 대전류 듀오플라즈마트론 이온원{Large Current Duo Plasmatron Ion Source for Photon Accelerator}

본 발명은 양성자 가속기용 대전류 듀오플라즈마트론 이온원에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

듀오플라즈마트론 이온원(Duo Plasmatron Ion Source)은 고출력의 이온 빔을 인출하기 위한 고(高) 밀도의 플라즈마 생성을 위한 것으로서 1956년 Manfred von Ardenne에 의해 처음 제안되었다. 아크 방전을 통하여 플라즈마를 발생시키고, 음극, 양극 사이에 중간전극을 두어 좁은 중간전극의 구멍을 통하여 방전통로를 구성한다. 중간전극과 양극 사이의 플라즈마 발생 공간을 둘러싸고 4,000 Gauss의 축 방향 자기장을 걸어주어 플라즈마 하전입자들을 자기장으로 묶어 둠으로써 플라즈마를 공간적으로 제한한다. 이렇게 이중으로 플라즈마를 구속, 압축함으로써 양극 근방에서 직경 1-2 mm의 가는 기둥 형태의 고밀도 플라즈마를 얻는다. 고밀도의 플라즈마는 양극 중심에 위치한 핀홀(pin hole)을 통하여 연이은 플라즈마 확장컵으로 확산 전달하고 공간적으로 확장하여 플라즈마 밀도를 빔 인출에 적합하도록 적절히 낮춘다. 이후 여기에 양의 고전압을 걸어 플라즈마 중 양이온 빔을 인출하게 된다.

한편, BNCT(Boron Neutron Capture Therapy)를 위한 열외 중성자 발생용 양성자가속기의 이온원은 예컨대 수소 이온 빔 전류가 50mA 이상이고, 빔 에미턴스(emittance)가 0.3 ð·mm·mrad 이하, 빔 안정도 1% 이하, 음극수명 40시간 이상, 연속가동시간 10 시간 이상의 수준이 요구된다. 특히 이와 같은 상업용 장비의 경우, 장시간 안정적인 품질의 빔을 인출할 수 있어야 하고, 정비시간 단축을 위해 이온원 음극의 교체에 따른 빔 특성 관리가 용이한 것이 바람직하다. 이를 위해 본 발명자들은 메쉬(mesh) 형태의 산화물 음극(Oxide Cathode), 이온원 정렬기구, 전기 부도체로 구성된 플라즈마 확장컵의 내벽 및 플라즈마 표면 제어전극을 포함하는 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 제안한 바 있다. (특허문헌 0001 참조)

국내특허 제10-1983294호 (2019.05.22)

본 발명은 플라즈마 확장컵 내의 플라즈마를 낮은 에미턴스로 안정적으로 인출할 수 있고, 플라즈마를 발생시키는 음극의 수명주기 후 교체나 정비, 플라즈마 챔버 내의 중간전극 정비 후에 빠르게 정상 운전 상태로 진입할 수 있는 구조를 가지는 듀오플라즈마트론 이온원을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀오플라즈마트론 이온원은, 붕소 중성자 포획 치료용 양성자 가속기에 있어서, 산화물 음극, 음극봉 및 제2플랜지(flange)를 포함하는 탈착식 음극 조립체; 가스 공급관, 제1중간전극, 플라즈마 방출구 및 제1플랜지를 포함하는 중간전극 조립체; 플라즈마 챔버; 전자석 코일; 양극 핀홀(anode pinhole)을 포함하는 인출전극; 플라즈마 확장컵; 제2중간전극; 가속전극; 등전위전극 및 하우징을 포함하되, 가스 공급관은 이온화될 가스를 공급하고, 산화물 음극은 열전자를 발생시켜 가스로부터 양이온을 발생시키고, 제1중간전극은 아크 방전으로 양이온으로부터 플라즈마를 발생시키고, 전자석 코일은 플라즈마 챔버를 원통형으로 감싸고 배치되어 플라즈마를 원기둥 형태로 압축하여 밀도를 높이고, 양극 핀홀을 통해 플라즈마가 플라즈마 확장컵으로 모이고, 제2중간전극에 의해 플라즈마로부터 이온빔이 제1방향으로 인출되며, 가속전극에 의해 이온빔이 가속되도록 형성되되, 전자석 코일, 인출전극 및 플라즈마 확장컵은 하우징에 고정되고, 중간전극 조립체와 플라즈마 챔버는 콘(cone) 형상의 대응되는 조립부를 가져 이를 통해 조립됨으로써 플라즈마 방출구와 양극 핀홀의 탈부착 전후의 정렬이 보장되는 것을 특징으로 한다.

또한, 중간전극 조립체는 플라즈마 챔버의 제1방향의 반대 방향인 제2방향의 측면으로부터 삽입 및 조립되되, 플라즈마 챔버는 콘 형상의 내주면을 가지는 환형의 절연부재를 더 포함하고, 절연부재는 플라즈마 챔버의 제2방향의 측면에 배치되고, 중간전극 조립체는 절연부재의 콘 형상에 대응되는 콘 형상의 외주면을 가지도록 형성됨으로써 중간전극 조립체는 절연부재에 삽입 및 조립되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1플랜지 및 제2플랜지는 NW타입 플랜지로 형성되고, NW타입 클램프(clamp)로 결착됨으로써 정렬상태를 보장하며 신속하게 탈부착 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 제1플랜지의 제1방향의 측면은 직경이 커질수록 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 이동되는 형태의 테이퍼 구조로 형성된 NW타입 플랜지이고, 제2플랜지의 제2방향의 측면은 직경이 커질수록 제1방향으로 이동되는 형태의 테이퍼 구조로 형성된 NW타입 플랜지이며, 내면측에 제1플랜지 및 제2플랜지의 테이퍼 구조에 상응하는 테이퍼 구조를 내측에 포함하는 NW타입 클램프에 의해 제1플랜지와 제2플랜지가 결착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 플라즈마 확장컵은 제1방향으로 순차적으로 배치되는, 제1개구각(opening angle)을 가지고 형성되는 제1콘; 일측 원주 모서리(circumferential edge)가 제1콘의 제1방향의 종단 원주 모서리와 연결 배치되는 원통형인 단턱부; 및 단턱부의 타측 원주 모서리로부터 제1개구각보다 큰 제2개구각을 가지고 형성되는 제2콘을 포함하여 플라즈마를 수용하는 수용부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2중간전극은, 제2방향 외측면의 내측 원주로부터 적어도 일부 구간이 제2개구각보다 작은 제3개구각을 가지는 콘 형상으로 형성된 제3콘을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 산화물 음극은, 메쉬(mesh) 형태로 형성되고, 열전자를 생성하기 위해 전압이 인가되지만 플라즈마 발생 이후에는 전압 공급이 없이 방전에 의한 자가 가열(self-heating)에 플라즈마 발생이 유지되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1플랜지 및 제2플랜지의 조립 시 대향하는 측면에는 일측 또는 양측에 진공차폐를 위한 오링(O-ring)이 삽입되기 위한 환형의 요홈(groove)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 중간전극 조립체의 콘 형상의 외주면 및 절연부재의 콘 형상의 내주면에는 일측 또는 양측에 진공차폐를 오링이 삽입되기 위한 환형의 요홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제3콘의 내경은 상기 단턱부의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명은 BNCT 가속기용 대전류 듀오플라즈마트론 이온원에 관한 것으로, 복수의 'V'자형 콘 형태 및 중간의 원통형 단턱부를 가지는 플라즈마 확장컵으로부터 이온 빔을 낮은 에미턴스를 가지는 상태로 인출함으로써 대전류의 이온 빔을 장시간 안정적으로 공급할 수 있으며, 플라즈마 챔버 내에 배치되는 중간전극 및 산화물 음극의 교체 전후 정렬상태가 일정하여 정비 시간을 크게 단축하는 효과가 있다.

도 1은 개선 전 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 나타내는 외관 사시도이다.
도 2는 개선 전 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 나타내는 외관 사시도이다.
도 4는 도 3의 제1단면도이다.
도 5는 도 3의 제2단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 플라즈마 확장컵의 내벽 구조를 나타내는 부분 상세도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 플라즈마 확장컵 구조에 의한 빔 인출을 일반적인 원통형 구조의 플라즈마 확장컵 구조와 비교하여 전산모사한 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 NW플랜지를 포함하는 탈착식 음극 조립체를 나타내는 부분 사시도 및 부분 단면도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 개선 전 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 나타내는 외관 사시도이다.

듀오플라즈마트론 이온원(1, 2)은 붕소 중성자 포획 치료법(BNCT)용 양성자 가속기에서 LEBT(Low Energy Beam Transport)에 대전류의 양이온 빔을 공급하는 역할을 한다. 붕소 중성자 포획 치료법은 중성자선의 조사에 의하여 암세포를 사멸시키는 중성자 포착요법이다. BNCT에서는 붕소를 포함하는 약재를 환자에게 투여하여 암세포가 존재하는 부위에 붕소를 집적시키고, 이 붕소가 집적된 부위에 중성자선을 조사하면 암세포에 모인 붕소화합물이 중성자를 집중적으로 흡수하게 되고, 이때 나오는 2차 방사선으로 암세포를 사멸시킨다. 상업적인 운전을 고려한 BNCT의 열외 중성자 발생용 양성자가속기의 이온원의 요건으로는 수소 이온 빔 전류가 50 mA 이상이고, 빔 에미턴스가 0.3 π·mm·mrad 이하, 빔 안정도 1% 이하, 음극수명 40시간 이상, 연속가동시간 10 시간 이상이 요구된다.

연구용 양성자가속기와 비교하면 상업적으로 운용되는 양성자가속기는 가동시간이 매우 길고, 짧은 정비 시간이 요구된다. 제한적인 음극의 수명시간을 고려하면, 음극교체 및 정비에 따른 정비 시간은 상업적 양성자가속기의 경제성에 크게 영향을 미친다고 할 수 있다. 특히, 대전류의 이온 빔을 인출하는 듀오플라즈마트론 이온원의 경우, 산화물 음극, 전자석 코일에 의한 플라즈마 중심축 및 플라즈마가 방출되는 양극 핀홀의 중심축의 정렬 상태는 이온원으로부터 출력되는 이온 빔의 품질 및 크기에 지대한 영향을 미친다. 이들의 정렬 상태가 불량할 경우에는 내부 손상을 유발할 수 있는 등 이온원의 수명과도 관련이 있다.

도 2는 개선 전 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 기본적인 구성은 플라즈마 챔버(310), 전자석 코일(330), 인출전극(430), 중간전극 정밀조정기구(1040), 플라즈마 확장컵(1440), 플라즈마 표면 제어전극(1060), 가속전극(1520), 감속전극(1510) 및 등전위전극(equipotential electrode, 530)을 포함한다.

플라즈마 챔버(310)는 이온화될 가스를 공급하는 가스 공급관(1290), 열전자를 발생시켜 가스로부터 양이온을 발생시키는 산화물 음극(110), 산화물 음극(110)을 지지하는 음극봉(120), 아크 방전으로 양이온으로부터 플라즈마를 발생시키는 중간전극(1210), 플라즈마 방출구(1212), 플라즈마 방출구(1212)의 반대편에 형성되는 환형의 조립 플랜지(1150) 및 조립 플랜지(1150)를 닫는 플라즈마 챔버 커버(1160)를 포함한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원을 나타내는 외관 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에서는 듀오플라즈마트론 이온원(2)에 다음과 같은 기술적 특징을 부여해 대전류의 이온 빔이 낮은 에미턴스를 가지고 안정적으로 인출되도록 하며, 이온원의 음극 전극의 신속한 교체와 정렬이 가능해 단시간 내에 양성자가속기를 운전 상태에 도달할 수 있게 한다.

첫째, 테이퍼 구조로 결합되는 중간전극 조립체(20)를 이용하여 제1중간전극(210)의 유지보수 전후의 정렬 상태를 보장하고 작업 시간을 단축한다.

둘째, 좁은 폭을 가지는 원통 형상의 단턱부(446)를 가지고 2단의 서로 다른 개구각을 가지는 'V'자형 단면(444, 448)을 가지는 콘 형태 및 중간의 원통형 단턱부(446)를 가지는 플라즈마 확장컵(440)을 포함한다.

셋째, NW타입 플랜지에 의해 중간전극 조립체(20)와 결합되는 탈착식 음극 조립체(10)를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 제1중간전극(210)은 테이퍼 형상의 조립부(220)를 포함하는 중간전극 조립체(20)로 형성되고, 플라즈마 챔버(310)의 조립 구멍(320)에는 이에 상응하는 내주면 테이퍼 형상을 가지는 절연부재(410)가 배치됨으로써, 제1중간전극(210)의 유지보수 전후에 정렬이 보장되고, 교체 시간이 단축될 수 있다.

일 실시예에 따른 2단 'V'자형 단면(442)을 가지는 플라즈마 확장컵(440)은 플라즈마 확장컵(440)에 모아진 플라즈마의 표면이 오목하도록 유도한다. 플라즈마 표면의 형상은 또한 플라즈마 표면 제어를 위한 제2중간전극(510)에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)은 가속전극(520)에 의해 플라즈마로부터 인출되는 대전류 빔이 낮은 에미턴스를 가지도록 유도한다.

일 실시예에 따른 탈착식 음극 조립체(10)는, 열전자를 발생시켜 가스로부터 양이온을 발생시키는 산화물 음극(110), 산화물 음극(110)을 지지하는 음극봉(120) 및 플라즈마 방출구(212)의 반대편에 형성되는 환형의 제1플랜지(230)와 결합되는 제2플랜지(130)를 포함한다. 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)는 조립된 상태에서 외측면이 테이퍼 형상을 가지는 NW타입 플랜지로 형성되고, 이에 대응되는 NW타입 클램프(450)를 결착함으로써 정렬되고 조립될 수 있다.

도 4는 도 3의 제1단면도이다.

도 5는 도 3의 제2단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원(2)은, 산화물 음극(110), 음극봉(120) 및 제2플랜지(130)를 포함하는 탈착식 음극 조립체(10); 가스 공급관(290), 제1중간전극(210), 플라즈마 방출구(212) 및 제1플랜지(230)를 포함하는 중간전극 조립체(20); 플라즈마 챔버(310); 전자석 코일(330); 양극 핀홀(anode pinhole, 432)을 포함하는 인출전극(430); 플라즈마 확장컵(440); 제2중간전극(510); 가속전극(520); 등전위전극(530) 및 하우징(70)을 포함한다.

플라즈마 챔버(310)를 기준으로 플라즈마 방출구(212) 방향을 제1방향(91)으로 정의하고, 조립 플랜지(130, 230)가 배치된 방향을 제2방향(92)으로 정의한다.

가스 공급관(290)은 이온화될 가스를 공급한다.

산화물 음극(110)은 열전자를 발생시켜 가스로부터 양이온을 발생시킨다.

제1중간전극(210)은 아크 방전으로 양이온으로부터 플라즈마를 발생시킨다.

전자석 코일(330)은 플라즈마 챔버(310)를 원통형으로 감싸고 배치되어 플라즈마를 원기둥 형태로 압축하여 밀도를 높인다.

양극 핀홀(432)을 통해 플라즈마가 플라즈마 확장컵(440)의 내부 영역(442)에 모인다.

제2중간전극(510)에 의해 플라즈마로부터 이온빔이 제1방향(91)으로 인출되며, 가속전극(520)에 의해 이온빔이 가속되도록 형성된다.

전자석 코일(330), 인출전극(430) 및 플라즈마 확장컵(440)은 하우징(70)에 고정된다.

일 실시예에 따른 중간전극 조립체(20)와 플라즈마 챔버(310)는 콘 형상의 대응되는 조립부를 가져 이를 통해 조립됨으로써 플라즈마 방출구(212)와 양극 핀홀(432)의 탈부착 전후의 정렬이 보장되는 것을 특징으로 한다.

중간전극 조립체(20)는 플라즈마 챔버(310)의 제1방향(91)의 반대 방향인 제2방향(92)의 측면으로부터 삽입 및 조립되되, 플라즈마 챔버(310)는 콘 형상의 내주면을 가지는 환형의 절연부재(410)를 더 포함하고, 절연부재(410)는 플라즈마 챔버(310)의 제2방향(92)의 측면에 배치되고, 중간전극 조립체(20)는 절연부재(410)의 콘 형상에 대응되는 콘 형상의 외주면을 가지도록 형성됨으로써 중간전극 조립체(20)는 절연부재(410)에 삽입 및 조립될 수도 있다.

제1플랜지(230) 및 제2플랜지(130)는 NW타입 플랜지로 형성되고, NW타입 클램프(450)로 결착됨으로써 정렬상태를 보장하며 신속하게 탈부착 가능한 것을 특징으로 한다.

제1플랜지(230)의 제1방향(91)의 측면은 직경이 커질수록 제1방향(91)의 반대 방향인 제2방향(92)으로 이동되는 형태의 테이퍼 구조로 형성된 NW타입 플랜지이고, 제2플랜지(130)의 제2방향(92)의 측면은 직경이 커질수록 제1방향(91)으로 이동되는 형태의 테이퍼 구조로 형성된 NW타입 플랜지이며, 내면측에 제1플랜지(230) 및 제2플랜지(130)의 테이퍼 구조에 상응하는 테이퍼 구조를 내측에 포함하는 NW타입 클램프(450)에 의해 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)가 결착될 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)은 제1방향(91)으로 순차적으로 배치되는, 제1개구각(opening angle, 93)을 가지고 형성되는 제1콘(444); 일측 원주 모서리(circumferential edge)가 제1콘의 제1방향(91)의 종단 원주 모서리와 연결 배치되는 원통형인 단턱부(446); 및 단턱부(446)의 타측 원주 모서리로부터 제1개구각(93)보다 큰 제2개구각(94)을 가지고 형성되는 제2콘(448)을 포함하여 양극 핀 홀(432)로부터 인출된 고밀도의 플라즈마를 수용하는 수용부를 형성한다.

등전위전극(530)은 가속전극(520) 및 제2중간전극(510)의 반경 방향 외측에 배치되되, 빔 진행 방향으로 복수로 배치되어 가속 전압에 의한 방전을 방지한다.

대전류 듀오플라즈마트론(2)은 제1중간전극(210)의 작은 구멍인 플라즈마 방출구(212)로 플라즈마가 통과하면서 압축되고, 제1중간전극(210)과 양극 사이에 인가된 자기장에 의하여 재차 압축됨으로써 고밀도 플라즈마가 형성되는 것을 주요 특징으로 한다. 플라즈마 챔버(310) 내에 형성된 고밀도 플라즈마는 통상 원기둥 형태로 형성된다. 이 원기둥의 중심축이 제1중간전극(210)의 중심과 인출전극(430)의 중심에 위치한 핀홀(432)의 중심과 정렬되지 않으면, 직경이 예컨대 1-2 mm 수준으로 매우 작은 고밀도의 플라즈마 영역이 용이하게 인출전극(430)의 핀홀(432)을 통과하지 못하고, 플라즈마 확장컵(440)에 전달되는 양이 감소할 수 있다.

또한, 고밀도 플라즈마가 이온원을 감싸고 배치되는 전자석 코일(330)의 자기장에 의해 압축될 때, 이들 정렬 상태가 불량하면 이온원(2)의 전자석 코일(330)의 자기장을 증가시켜 정렬을 조정할 수도 있으나, 증가된 세기를 갖는 자기장 내에서 플라즈마 내의 이온은 라머 반경(Larmor Radius)이 감소하여, 이온원(2) 인출전극(430)의 핀홀(432) 주변에 집중적으로 열 부하를 증가시킬 수 있고, 인출전극(430) 소재의 용융 등에 의해 수명이 단축될 수 있다.

일 실시예는 제1중간전극(210)과 양극 핀홀(432)의 정렬을 위하여 진공을 유지하면서 플라즈마 챔버(310)와 중간전극 조립체(20)를 결합시키는 테이퍼 모양의 내측 구조를 가지는 절연부재(410)를 나타낸다. 중간전극 조립체(20)는 절연부재(410)를 통해 플라즈마 챔버(310)와 조립되고, 중간전극 조립체(20)의 대응되는 조립 부위는 절연부재(410)의 테이퍼 형상(412)에 상응하는 외측 테이퍼 구조(222)를 갖는다. 중간전극 조립체(20)는 절연부재(410)에 의해 테이퍼 결합되고 플라즈마 챔버(310)의 일측에 적절한 조립 수단에 의해 결합됨으로써, 제1중간전극(210)에 대한 유지 보수 전후의 정렬을 보장하여 양극의 핀홀(432)의 중심축과 제1중간전극(210)의 플라즈마 방출구(212)의 중심축을 용이하게 일치시킬 수 있도록 한다.

다음으로, 플라즈마 확장컵(440) 내의 플라즈마로부터 이온 빔이 인출될 때, 빔이 인출되는 플라즈마 표면의 모양에 따른 양이온 빔의 인출 방향 변화에 대해 설명한다. 플라즈마 확장컵(440)에 형성된 플라즈마는 이온과 전자의 흐름이 같아지는 위치에서 경계면을 생성하는데, 이를 플라즈마 표면(plasma surface or Debye sheath)이라고 한다.

플라즈마 표면은 플라즈마 확장컵(440)의 출구 구경이 클수록, 빔 인출 전극(510)과의 길이가 짧을수록 평면 형태에서 벗어나기 쉽다. 플라즈마 표면 형상의 요철(meniscus)은 플라즈마의 전하 밀도 및 인출 전기장의 강도에 의해 결정된다. 플라즈마의 전하 밀도가 높거나 인출 전기장의 강도가 낮으면 플라즈마 표면은 볼록하게 부풀어오르며, 그 반대의 조건인 경우 플라즈마의 표면은 옴폭하게 들어간다. 대전류 이온 빔을 얻기 위해서는 플라즈마 인출 표면의 형상은 편평하거나 최소한 오목한 것이 바람직하다. 그러나 오목한 정도가 과한 경우에는 이후 인출 및 가속 과정에서 궤적이 빔의 중심축 상의 노드(node)를 지난 후 크게 발산하여 결과적으로 에미턴스가 증가할 수 있다.

플라즈마 인출 표면이 볼록한 경우, 빔 인출계통에 이온과 전자가 확산되어 빔 인출을 위한 고전압이 인가될 때 의도치 않은 방전이 발생되거나, 인출되는 빔이 불안정하게 될 수 있다. 특히 펄스 빔 인출의 경우 심각한 방전 문제를 야기할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 플라즈마 확장컵의 내벽 구조를 나타내는 부분 상세도이다.

대전류 이온원(2)은 생성된 고밀도 플라즈마로부터 낮은 에미턴스의 빔을 인출할 수 있는 인출계의 구성이 필요하며, 이는 플라즈마 경계면을 형성하기 위한 전극의 기하학적 구조에 크게 의존한다. 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440) 및 빔을 가속하여 인출시키는 제2중간전극(510)의 구조는 대전류와 낮은 에미턴스를 확보하기 위해 다음과 같은 형태를 가지도록 형성된다.

도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)은 내측면이 복수의 'V'자형 단면을 가지는 콘 형상으로서 빔의 인출 방향으로 공간이 확장되는 형태로 형성된다. 또한, 플라즈마 확장컵(440)은 내측면의 중간 위치에 좁은 폭을 가지는 원통 형상의 단턱부(446)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 플라즈마 확장컵(440)의 출구 측에 형성되는 제2콘(448)의 제2개구각(94)은 플라즈마 인출구에 인접한 제1콘(444)의 제1개구각(93) 보다 크게 형성된다. 듀오플라즈마트론 이온원의 사양을 고려하여 제1콘(444)의 영역 내에 플라즈마가 머무를 수 있는 수준으로 제1콘(444) 및 단턱부(446)의 형상을 설계한다.

플라즈마 확장컵(440)의 후단에는 제2중간전극(510)이 배치되고, 그 후단에는 가속전극(520)이 배치된다. 플라즈마 확장컵(440)은 양의 전위로 유지되고, 제2중간전극(510)은 바람직한 확산(divergence) 형태를 제공하도록 조정된 음의 전위로 유지되고, 가속전극(520)은 접지 전위로 설정될 수 있다.

플라즈마 확장컵(440)은 듀오플라즈마트론(2)을 통해 생성된 고밀도의 플라즈마를 빔 인출에 적합 수준의 밀도로 확장 시켜주는 역할을 한다. 단턱부(446)는 플라즈마 확장컵(440)에 모이는 플라즈마가 일정 범위에 머무르는 경계를 설정하도록 형성될 수 있다. 플라즈마의 체적이 이보다 커져 제2콘(448) 영역까지 차오르는 경우도 있을 수 있으나, 정상적인 운전범위 내에서 플라즈마는 제1콘(444) 영역에 머무르도록 조정될 수 있다.

단턱부(446)의 폭은 정상적인 운전 상태에 따른 플라즈마 체적 변화를 수용할 수 있는 수준의 폭으로 선정될 수 있다. 즉, 제1콘(444) 및 단턱부(446)를 포함하는 영역 내의 플라즈마 표면이 오목한 형태가 유지되는 조건 하에서 이온이 인출됨으로써 인출되는 이온 빔의 초기 직경은 적어도 단턱부(446)의 직경에 의해 제한될 수 있다.

만일, 단턱부(446)가 없고, 단일의 'V'자형 단면을 가지는 콘 형상의 플라즈마 확장컵(440)을 가정하면, 플라즈마 체적의 크기가 커지면 인출되는 이온 빔의 초기 직경은 이에 비례하여 제한없이 커질 수 있을 것이다.

한편, 제2중간전극(510)과 플라즈마 확장컵(440) 사이의 등전위 전압분포는 플라즈마 표면으로부터 인출된 이온 빔의 초기 궤적을 정의하고, 그 다음 단에 배치된 가속전극(520)에 의해 가속된다. 플라즈마 확장컵(440)에 대향하는 제2중간전극(510)의 외측면의 형상은 제2콘(448)의 제2개구각(94) 및 단턱부(446) 직경을 고려하여 선정될 수 있다.

제2중간전극(510)의 제2방향(92) 외측면은 중심축에 인접하여 적어도 일부가 콘 형태인 제3콘(512)을 포함하도록 형성될 수 있다. 기재의 편의상 단면 기준으로 제3콘(512) 양측이 이루는 각도를 제3개구각(95)으로 정의한다. 제3개구각(95)은 제2개구각(94)보다 작게 형성될 수 있다. 또한, 제3콘(512)의 내경은 단턱부(446) 직경보다 크게 형성될 수 있다.

이와 같이 제2중간전극(510)을 형성함으로써, 정상 운전 상태에서 오목하고 직경이 단턱부(446) 직경보다 작은 플라즈마 표면으로부터 인출되는 이온 빔은 확산이 억제되고 수렴하도록 진행하며, 진행 경로가 꺽이는 예컨대 노드가 더 먼 위치에 형성되도록 유도될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 플라즈마 확장컵 구조에 의한 빔 인출을 일반적인 원통형 구조의 플라즈마 확장컵 구조와 비교하여 전산모사한 결과이다.

도 7의 (a)는 제2중간전극(510)에서 바라본 플라즈마 확장컵(440)이 원통형인 기존의 경우이며, 도 7의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 'V'자형 단면(444, 448)과 중간의 단턱부(446)를 가지는 플라즈마 확장컵(440)의 경우이다.

원통형 플라즈마 확장컵의 경우, 원통형의 종단과 측면 사이의 모서리 주변에서 등전위 전압분포가 급격히 휘어지는 형태를 가진다. 또한, 원통형 내주면은 제2중간전극(510) 측과는 서로 바라보지 않는 상황이라고 단순화할 수 있다. 따라서, 이 경우 플라즈마 확장컵의 외측인 측면과 제2중간전극(510)이 그 사이에 형성되는 등전위 전압분포의 형태를 지배하게 된다. 도 7의 (a)에 도시된 등전위 전압분포가 세밀하게 다 표현되지는 않았지만, 통상의 기술자라면 모서리 부분에서 전압분포가 급격하게 변화하는 것은 이해할 것이다. 이러한 상황은, 비유하자면 굴절율이 큰 오목 렌즈가 모서리 부분에 배치된 것으로 이해될 수 있다. 즉, 플라즈마 표면을 누르는 전기장의 형태는 더 오목한 쪽으로 플라즈마 표면을 누르도록 작용할 수 있다. 또한, 이렇게 형성된 플라즈마 표면으로부터 인출된 이온의 초기 궤적은 진행 방향으로 더 짧은 거리에 노드를 형성하게 될 것이다. 중심축을 기준으로 이온 빔이 덜 나란한 각도로 진행하고, 이에 따라 노드를 지나 가속전극(520)에서 가속되는 이온 빔은 더 확산될 것이다. 즉, 에미턴스가 증가할 것이다.

반면, 일 실시예에 따른 도 7의 (b)에 도시된 플라즈마 확장컵(440)의 경우에는, 제2콘(448) 뿐만 아니라 단턱부(446) 안쪽의 제1콘(444)도 제2중간전극(510)을 바라볼 수 있다. 따라서, 도 7의 (a)의 경우와 비교하면, 중심축까지 등전위 전압선이 완만하게 연장될 수 있다. 즉, 도 7의 (b)와 같은 경우, 플라즈마 표면은 오목한 형태를 가지되, 오목한 정도는 도 7의 (a)와 비교하면 더 완만한 정도로 형성될 수 있다. 즉, 일 실시예에 따라 형성된 플라즈마 표면에서 인출되는 이온 빔은 중심축에 보다 나란한 방향으로 인출될 수 있다.

여기서, 두 전극이 서로 바라본다는 표현은 전기장이 적절한 길이로 형성될 수 있음을 의미하는 것으로 사용한다. 예컨대 서로 평행하게 마주보는 두 편평한 전극은 전면에 걸쳐 같은 거리를 가져 마주보는 임의의 두 지점 사이는 같은 길이의 전기장이 형성될 것이다. 반면, 서로 수직한 두 편평한 전극은 한 전극의 다른 전극면에 인접한 모서리에는 짧고 구배(gradient)가 강한 전기장이 형성되겠지만, 한 전극의 먼 측 모서리에는 길고 구배가 약한 전기장이 형성될 것이다.

일 실시예에서는 또한, 제2개구각(94)이 제1개구각(93)보다 크게 형성되고, 제3개구각(95)은 제2개구각(94)보다 작게 형성됨으로써 플라즈마 표면으로부터 인출된 이온 빔은 중심축을 기준으로 완만한 경사를 가지고 진행할 수 있다. 즉, 더 긴 위치에 노드를 가지는 렌즈에 의해 이온 빔의 궤적이 결정된다고 비유할 수 있다. 이에 따라 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)에 의하면 이온 빔은 보다 작은 에미턴스를 가질 수 있다.

한편, 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)은 크게 다르지 않은 개구각 크기를 가지는 제1콘(444) 및 제2콘(448)으로 구성되되, 소정의 폭을 가지는 단턱부(446)가 형성됨으로써 플라즈마 표면이 제1콘(444) 및 단턱부(446) 영역에 정상적인 범위 내에서 형성되는 경우, 플라즈마 표면에 인접한 등전위 전압의 구배가 상대적으로 완만할 수 있다.

여기서 상대적이라는 의미는 단일 콘으로 형성된 플라즈마 확장컵에 대해서 비교하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 일 실시예에서는 단턱부(446)에 의해 플라즈마 표면에 인접하여 등전위 전압의 구배가 완만하게 형성됨으로써, 오목한 플라즈마 표면으로부터 인출된 이온이 초기 인출된 방향으로 바로 가속되어 궤적이 결정되기 보다는, 인출된 후 제2콘(448)과 제2중간전극(510)의 제3콘(512)에 의해 형성되는 등전위 전압분포에 의해, 비유하자면, 낮은 굴절율의 오목렌즈를 거치며 중심축을 향해 서서히 수렴되는 궤적으로 유도하는 것이다. 다만, 이와 같은 경우 플라즈마 표면으로부터 이온을 인출하기 위한 적절한 수준의 전계를 플라즈마 표면에 인접하여 형성되도록 하기 위해 플라즈마 확장컵(440)과 제2중간전극(510)의 기본 설정 거리는 더 가깝게 형성될 수 있다. 도 7의 (a)와 (b)를 비교하면, (b)의 경우에 둘 간의 거리가 더 가깝게 형성된 것을 볼 수 있다.

따라서, 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)을 포함하는 대전류 듀오플라즈마트론 이온원(2)은 도 7의 (b)와 같이 낮은 에미턴스를 가지고 가속전극(520)을 거쳐 작은 빔 직경과 에너지 밀도를 가지고 이온 빔을 출력할 수 있다.

요약하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 확장컵(440)은 인출전극(430)의 양극 핀홀(anode pinhole, 432)에 인접한 구멍으로부터 제1개구각(93)을 가지고 형성되는 제1콘(444), 일측 원주 모서리(circumferential edge)가 제1콘(444)의 외측 원주와 연결 배치되는 원통형인 단턱부(446), 단턱부(446)의 타측 원주로부터 제1개구각(93)보다 큰 제2개구각(94)을 가지고 형성되는 제2콘(448)을 포함하여 형성된다. 또한, 이에 대응하는 제2중간전극(510)은 외측면이 중심축에 인접하고, 제2개구각(94)보다 작은 제3개구각(95)을 가지는 제3콘(512)을 포함하여 형성된다. 정상적인 운전조건에서 플라즈마 표면은 제1콘(444) 내지 단턱부(446) 내부에 형성되고, 플라즈마 표면으로부터 인출되는 이온 빔은 작은 굴절율을 가지는 오목 렌즈 역할의 전기장 렌즈에 의해 궤적이 유도됨으로써 낮은 에미턴스를 가지는 이온 빔을 출력할 수 있다. 여기서 굴절율이 작다는 의미는 원통형태의 플라즈마 확장컵에서 원통 내주면과 측면이 이루는 모서리에 의해 형성된 전기장에 의한 오목 렌즈의 굴절율보다 작다는 것으로 정의한다.

한편, 단턱부(446)의 폭은 설정된 플라즈마 확장컵(440)과 제2중간전극(510)의 바이어스 조건을 참조하여, 플라즈마 표면이 제1컵에만 형성된 경우에도 이온 인출에 충분한 수준의 전기장 구배를 가진 전기장이 플라즈마 표면에 작용할 수 있는 범위 내에서 확장될 수 있다. 플라즈마 확장컵(440) 및 제2중간전극(510)의 설계 사양은 듀오플라즈마트론 이온원(2)의 특성을 고려한 전산모사를 통해 최적화되어 선정될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 교체 전후의 정렬 상태 보장 및 정비 시간 단축을 위해 위해 NW타입 플랜지를 포함하는 탈착식 음극 조립체(10)를 고안하였다. 정기적으로 수명주기에 따라 교체되어야 하는 이온원(2)의 산화물 음극(110)은 전자석 코일(330)의 중심축 및 제1중간전극(210)의 중심축의 정렬 상태가 항시 유지될 수 있는 것이 바람직하며, 재장착 후에도 특성 변화가 작을 필요가 있다.

한편, 일반적으로 듀오플라즈마트론 이온원의 음극(filament)은 일 함수(Work Function)가 작아, 일 실시예에서는 수명이 100시간 이상으로 개선된 메쉬(mesh)형 산화물 음극(110)을 사용한다. 산화물 음극(110)은 대기 중의 수분과 반응하여 수산화물(hydroxide)을 형성하게 되면 일함수가 증가하기 때문에 진공상태에서 보관하여야 한다. 기존 이온원(1)의 경우 음극 수명이 다한 경우의 교체작업이나, 양극 등의 부품의 교체, 보수작업 시 음극을 포함하는 플랜지 부 등의 볼트 체결을 제거하여야 하는 등 유지보수에 상당한 시간이 소용되며 번거로울 뿐만 아니라, 특히 대기 중에 노출되는 동안 음극이 산화될 수 있는 여지가 증가한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전류 듀오플라즈마트론 이온원의 NW플랜지를 포함하는 탈착식 음극 조립체(10)를 나타내는 부분 사시도 및 부분 단면도이다.

일 실시예에 따른 중간전극 조립체(20)는 탈착식 음극 조립체(10)의 탈부착이 가능하도록 형성된 제1플랜지(230)를 포함한다.

일 실시예에 따른 탈착식 음극 조립체(10)는 중간전극 조립체(20)의 플라즈마 방출구(212)의 반대편에 형성되는 환형의 제1 플랜지(230)와 결합되는 제2플랜지(130) 및 조립되면 플라즈마 챔버(310) 내로 삽입되는 산화물 음극(110) 및 산화물 음극(110)을 지지하는 음극봉(120)을 포함한다.

제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)가 결합될 때 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)가 마주하는 측면에는 한쪽 혹은 양쪽에는 진공밀폐를 위한 오링(O-ring)을 수용하기 위한 환형의 홈이 형성될 수 있다. 제1플랜지(230)의 제2방향(92) 측면에는 진공 차폐를 위한 오링(O-ring, 460)이 삽입되기 위한 환형 홈이 형성될 수 있다. 제2플랜지(130)의 제1방향(91) 측면에도 마찬가지로 진공 차폐를 위한 오링이 삽입되기 위한 환형 홈이 형성될 수 있다. 오링(460)은 하나의 오링(460)이 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)의 환형 홈에 삽입될 수 있다. 또는, 환형 홈은 제1플랜지(230) 혹은 제2플랜지(130) 어느 한쪽에만 형성되고, 하나의 오링(460)이 환형 홈과 제1 혹은 제2플랜지(130)의 평면과 밀착되어 진공을 형성할 수도 있다.

제1플랜지(230)의 제1방향(91)의 측면은 직경이 커질수록 제2방향(92)으로 이동된 형상을 갖는다. 즉, 제1플랜지(230)는 제1방향(91) 측면이 제2방향(92)으로 경사진 테이퍼 구조로 형성된다. 제2플랜지(130)의 제2방향(92)의 측면은 직경이 커질수록 제1방향(91)으로 이동된 형상을 갖는다. 즉, 제2플랜지(130)는 제2방향(92) 측면이 제1방향(91)으로 경사진 테이퍼 구조로 형성된다. 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)에 형성되는 테이퍼 구조는 동일한 형상이 서로 대칭으로 형성된다.

이와 같이 형성된 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)는 NW타입 플랜지를 형성한다. NW타입 플랜지는 그 외부에 결착되는 NW타입 클램프(450)에 의해 결합된다. NW타입 클램프(450)는 내주면이 NW타입 플랜지의 테이퍼 구조에 대응되는 테이퍼 구조로 형성되어, 클램프(450)를 조이면 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)를 축 방향으로 밀착시키고 반경 방향으로도 제1플랜지(230)와 제2플랜지(130)를 정렬시킨다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착식 음극 조립체(10)는 유지 보수 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 재부착 후 정렬 상태가 보장될 수 있다.

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

Claims (10)

1. 붕소 중성자 포획 치료용 양성자 가속기에 있어서,
   산화물 음극, 음극봉 및 제2플랜지(flange)를 포함하는 탈착식 음극 조립체;
   가스 공급관, 제1중간전극, 플라즈마 방출구 및 제1플랜지를 포함하는 중간전극 조립체;
   플라즈마 챔버;
   전자석 코일;
   양극 핀홀(anode pinhole)을 포함하는 인출전극;
   플라즈마 확장컵;
   제2중간전극;
   가속전극;
   등전위전극(equipotential electrode); 및
   하우징을 포함하되,
   상기 가스 공급관은 이온화될 가스를 공급하고,
   상기 산화물 음극은 열전자를 발생시켜 상기 가스로부터 양이온을 발생시키고,
   상기 제1중간전극은 아크 방전으로 상기 양이온으로부터 플라즈마를 발생시키고,
   상기 전자석 코일은 상기 플라즈마 챔버를 원통형으로 감싸고 배치되어 상기 플라즈마를 원기둥 형태로 압축하여 밀도를 높이고,
   상기 양극 핀홀을 통해 상기 플라즈마가 상기 플라즈마 확장컵으로 모이고,
   상기 제2중간전극에 의해 상기 플라즈마로부터 이온빔이 제1방향으로 인출되며,
   상기 가속전극에 의해 상기 이온빔이 가속되도록 형성되되,
   상기 전자석 코일, 상기 인출전극 및 상기 플라즈마 확장컵은 상기 하우징에 고정되고,
   상기 중간전극 조립체와 상기 플라즈마 챔버는 콘(cone) 형상의 대응되는 조립부를 가져 이를 통해 조립됨으로써 상기 플라즈마 방출구와 상기 양극 핀홀의 탈부착 전후의 정렬이 보장되고,
   상기 중간전극 조립체는 상기 플라즈마 챔버의 상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향의 측면으로부터 삽입 및 조립되되,
   상기 플라즈마 챔버는 콘 형상의 내주면을 가지는 환형의 절연부재를 더 포함하고,
   상기 절연부재는 상기 플라즈마 챔버의 상기 제2방향의 측면에 배치되고, 상기 중간전극 조립체는 상기 절연부재의 콘 형상에 대응되는 콘 형상의 외주면을 가지도록 형성됨으로써 상기 중간전극 조립체는 상기 절연부재에 삽입 및 조립되는 듀오플라즈마트론 이온원.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1플랜지 및 상기 제2플랜지는 NW타입 플랜지로 형성되고, NW타입 클램프(clamp)로 결착됨으로써 정렬상태를 보장하며 신속하게 탈부착 가능한 듀오플라즈마트론 이온원.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1플랜지의 상기 제1방향의 측면은 직경이 커질수록 상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 이동되는 형태의 테이퍼 구조로 형성된 NW타입 플랜지이고,
   상기 제2플랜지의 상기 제2방향의 측면은 직경이 커질수록 상기 제1방향으로 이동되는 형태의 테이퍼 구조로 형성된 NW타입 플랜지이며,
   내면측에 상기 제1플랜지 및 상기 제2플랜지의 상기 테이퍼 구조에 상응하는 테이퍼 구조를 내측에 포함하는 NW타입 클램프에 의해 상기 제1플랜지와 상기 제2플랜지가 결착되는 듀오플라즈마트론 이온원.
5. 붕소 중성자 포획 치료용 양성자 가속기에 있어서,
   산화물 음극, 음극봉 및 제2플랜지(flange)를 포함하는 탈착식 음극 조립체;
   가스 공급관, 제1중간전극, 플라즈마 방출구 및 제1플랜지를 포함하는 중간전극 조립체;
   플라즈마 챔버;
   전자석 코일;
   양극 핀홀(anode pinhole)을 포함하는 인출전극;
   플라즈마 확장컵;
   제2중간전극;
   가속전극;
   등전위전극(equipotential electrode); 및
   하우징을 포함하되,
   상기 가스 공급관은 이온화될 가스를 공급하고,
   상기 산화물 음극은 열전자를 발생시켜 상기 가스로부터 양이온을 발생시키고,
   상기 제1중간전극은 아크 방전으로 상기 양이온으로부터 플라즈마를 발생시키고,
   상기 전자석 코일은 상기 플라즈마 챔버를 원통형으로 감싸고 배치되어 상기 플라즈마를 원기둥 형태로 압축하여 밀도를 높이고,
   상기 양극 핀홀을 통해 상기 플라즈마가 상기 플라즈마 확장컵으로 모이고,
   상기 제2중간전극에 의해 상기 플라즈마로부터 이온빔이 제1방향으로 인출되며,
   상기 가속전극에 의해 상기 이온빔이 가속되도록 형성되되,
   상기 전자석 코일, 상기 인출전극 및 상기 플라즈마 확장컵은 상기 하우징에 고정되고,
   상기 중간전극 조립체와 상기 플라즈마 챔버는 콘(cone) 형상의 대응되는 조립부를 가져 이를 통해 조립됨으로써 상기 플라즈마 방출구와 상기 양극 핀홀의 탈부착 전후의 정렬이 보장되고,
   상기 플라즈마 확장컵은 상기 제1방향으로 순차적으로 배치되는,
   제1개구각(opening angle)을 가지고 형성되는 제1콘;
   일측 원주 모서리(circumferential edge)가 상기 제1콘의 상기 제1방향의 종단 원주 모서리와 연결 배치되는 원통형인 단턱부; 및
   상기 단턱부의 타측 원주 모서리로부터 상기 제1개구각보다 큰 제2개구각을 가지고 형성되는 제2콘
   을 포함하여 상기 플라즈마를 수용하는 수용부를 형성하는 듀오플라즈마트론 이온원.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2중간전극은,
   상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향 외측면의 내측 원주로부터 적어도 일부 구간이 상기 제2개구각보다 작은 제3개구각을 가지는 콘 형상으로 형성된 제3콘을 포함하는 듀오플라즈마트론 이온원.
7. 제1항에 있어서,
   상기 산화물 음극은,
   메쉬(mesh) 형태로 형성되고, 열전자를 생성하기 위해 전압이 인가되지만 플라즈마 발생 이후에는 전압 공급이 없이 방전에 의한 자가 가열(self-heating)에 플라즈마 발생이 유지되는 듀오플라즈마트론 이온원.
8. 제4항에 있어서,
   상기 제1플랜지 및 상기 제2플랜지의 조립 시 대향하는 측면에는 일측 또는 양측에 진공차폐를 위한 오링(O-ring)이 삽입되기 위한 환형의 요홈(groove)이 형성되는 듀오플라즈마트론 이온원.
9. 제1항에 있어서,
   상기 중간전극 조립체의 콘 형상의 외주면 및 상기 절연부재의 콘 형상의 내주면에는 일측 또는 양측에 진공차폐를 오링이 삽입되기 위한 환형의 요홈이 형성되는 듀오플라즈마트론 이온원.
10. 제6항에 있어서,
    상기 제3콘의 내경은 상기 단턱부의 직경보다 큰 듀오플라즈마트론 이온원.

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