KR20030014373A - 플라즈마 가속장치 - Google Patents

Abstract

집중된 전자빔이 플라즈마 챔버로 유입되고, 상기 챔버는 원형의 구조를 가지고, 전자빔은 할로우 실린더형이다. 빔을 가이드하는 자석 시스템과, 적당하다면, 전극 시스템은 바람직하게는 적용된 도우넛 형상의 복수의 층으로 형성된다.

Description

플라즈마 가속장치{PLASMA ACCELERATOR ARRANGEMENT}

US 5,329,258 A 에는 홀(Hall) 추진 방식의 플라즈마 가속장치에 대하여 기술되어 있는 바, 알려진 바와 같이 이 장치는 환상의 가속 챔버와, 플라즈마 챔버를 통하여 거의 방사상의 자기장을 가지고 있다. 플라즈마 챔버의 양극과 양극부는 자기적으로 분리된다. 가스가 길이 방향의 일단이 오픈된 플라즈마 챔버로 주입되고, 상기 가스는 전자에 의하여 이온화되어 양극으로 부터 가속되어 멀어지며, 상기 전자는 플라즈마 챔버의 외부에 위치한 음극으로 부터 나와 플라즈마 챔버의 하단에 위치한 양극을 향하여 가속된다. 방사상 자기장은 이 장치의 세로축 둘레의 폐쇄 원궤 상을 움직이는 전자에 힘을 가하고, 따라서 플라즈마 챔버에서의 체재시간과 충돌 가능성을 증가시킨다.

JP 55-102 162 A에 기술되어 있는 이온 소스에는 영구 자석을 내부에 포함하고, 환상의 실린더형 음극으로 둘러싸인 환상의 양극에서 할로우(hollow) 이온 빔은 환상의 개구로부터 방출된다.

DE 198 28 704 A1에는 세로축 둘레에 플라즈마 챔버를 가지고, 전극 배열, 마그넷 시스템과 상기 플라즈마 챔버로 전자빔을 주입하는 수단을 구비한 플라즈마 가속장치에 대하여 기술되어 있다.

이 장치에는 환상의 실린더형 플라즈마 챔버가 제공되고, 여기서 빔 발생기에 의하여 강하게 집중된 전자빔이 실린더의 세로축을 따라 주입된다. 전자 빔은 특히 이어지는 부분의 교류 편관에 의하여 특징지어지는 마그넷 시스템에 의하여 실린더 축을 따라 가이드된다. 높은 속도로 플라즈마 챔버로 유입된 전자 빔의 전자는 플라즈마 챔버의 세로축을 따라 전위차를 따라서 이동하는데, 이러한 전위차는 전자빔의 전자를 감속시키는 역할을 한다. 이온화된 가스, 특히 희귀 가스는 플라즈마 챔버로 유입되고, 유입된 전자 빔의 전자와 2차 전자에 의하여 이온화된다. 이 과정에서 생성된 양이온은 유입된 전자빔과 같이 전위차에 의하여 플라즈마 챔버의 세로축을 따라 가속되고, 같은 방향으로 이동한다. 이온들은 이와 같이 세로축을 따라 가이드되고, 마그넷 배열과 공간 대전 효과에 의하여 집중되어 전자빔의 전자의 일부와 함께 중성 플라즈마 빔의 형태로 플라즈마 챔버의 끝에서 방출된다.

본 발명은 이와 같은 종래의 장치를 더욱 효과적으로 개량하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 길이 방향 축 둘레에 플라즈마 챔버를 구비한 플라즈마 가속장치에 관한 것으로, 특히 세로축에 평행한 가속부분에 결쳐서 양으로 대전된 이온의 전자 가속 필드를 형성하는 전극 배열을 포함하고, 집중된 전자빔을 플라즈마 챔버로 유도하여 마그넷 시스템에 의하여 이를 인도하는 장치를 구비한 플라즈마 가속장치에 관한 것이다.

도 1은 측면의 단면도,

도 2는 세로축 방향의 단면도,

도 3은 단일층 자석 배열을 도시한 도면,

도 4는 복수층 배열의 플라즈마 분포를 도시한 도면이다.

본 발명에 따르면, 전자빔은 아주 집중된 빔으로서 환상 실린더형 플라즈마 챔버로 주입되지 않는다. 대신에, 예컨대, 환형의 전극면을 통하여 할로우 실린더형 빔이 형성되어 도우넛형 플라즈마 챔버로 유입된다. 상기 플라즈마 챔버는 외부 챔버 벽과 내부 챔버 벽에 의하여 방사상으로 구획되어 있고, 벽두께는 할로우 실린더의 반경보다 낮아, 할로우 빔은 이들 벽 사이에 유입되고, 마그넷 시스템에 의하여 가이드 된다. 전체 장치는 바람직하게는 적어도 방사상으로 거의 대칭이고 적어도 장치의 세로축에 대한 회전에 있어서는 대칭이다. 상기 마그넷 시스템은 바람직하게는 또한 이중의 도우넛형 구조를 가질 수 있고, 이때 그 하나의 마그넷 배열은 플라즈마 챔버에 대하여 방사상 외부에 위치하고, 다른 하나의 마그넷 시스템은 그 내부에 위치하고 있다.

종래의 장치에서와 같이 본 발명에 따른 장치에서도 바람직하게는 플라즈마 챔버의 경로에 세로 방향으로 적어도 하나의 중간 전극을 포함한다. 그리고, 상기 중간 전극은 플라즈마 챔버의 세로축 방향의 전위차의 중간 전위를 가진다. 중간 전위들의 복수의 분할은, 낮은 운동에너지의 전자가 전자의 전류 전위보다 낮은 전위차를 가지는 중간 전극에서 차단되므로 효율을 상당히 향상시킨다. 효율은 중간 전위 단계의 수에 따라 증가한다.

제 1 실시예에서 마그넷 시스템은 세로축 방향으로 떨어진 반대의 마그네틱 폴에 의하여 내부와 외부 마그넷 시스템에 대한 각 경우에 있어서 폴 변화가 있는 하나의 축을 갖도록 형성될 수 있다. 각각의 경우에 있어 두개의 마그네틱 폴중 적어도 하나는 세로축 방향의 플라즈마 챔버의 영역에 위치해 있다. 단일층 마그넷 시스템의 양폴은 세로축 방향으로 떨어져 있고, 바람직하게는 플라즈마 챔버의 세로 범위 내에 놓여진다. 특히 세로축을 따라 복수의 연속한 서브 시스템을 가지는 다중층 형태의 마그넷 시스템을 가지는 경우 더욱 효율적이다. 상기 각각의 서브 시스템은 외부와 내부 마그넷 시스템을 가지고, 세로축 방향의 연속한 서브 시스템은 반대 방향으로 교대로 정열된다.

특히 본 발명에 따른 플라즈마 가속 장치의 잇점은 플라즈마 챔버의 측벽 부분에 플라즈마 챔버의 세로방향의 코스에 역시 양이온을 가속하거나 유입된 전자 빔을 방해하기 위한 전위차의 중간 전위 상태의 적어도 하나의 중간 전극부가 구비되는 것이다. 이러한 중간 전극에서 낮은 운동에너지를 가지는 전자는 차단된다. 양극과 음극의 전위차는 둘 또는 그 이상의 가속 전위로 나누어질 수 있는 것이다. 전자의 유입된 전자빔에 의한 가속으로 인한 손실은 결과적으로 아주 줄어들게 된다. 특히, 전기적 효율은 전위층의 수에 따라 증가한다. 세로 방향의 전극은 바람직하게는 각각의 경우에 마그넷 시스템과 마그넷 서브 시스템의 극의 단부 사이에 위치하게 된다. 이는 전기장과 자기장의 특히 효율적인 코스 결과를 가져온다.

플라즈마 물리에 있어서, 일반적으로 양으로 대전된 이온과 비교하여 낮은 질량에 의한 전자의 큰 움직임에 의하여 플라즈마는 금속 컨덕터와 비슷하게 행동하고, 일정한 전위을 가질 수 있는 것은 알려져 있다.

그러나, 만약 플라즈마가 다른 전위를 갖는 두개의 전극 사이에 위치한다면, 전자은 플라즈마의 전위가 거의 양극의 전위에 가까와져서 플라즈마가 장의 영향을 받지 않을 때까지 양극으로 아주 고속으로 움직이기 따문에, 플라즈마는 양이온(양극)의 전위보다 높은 전자의 전위와 비슷해질 것이다. 알려진 바와 같이 단지 음극의 비교적 얇은 경계층에서만 전위는 음극 방향으로 큰 기울기로 전위가 떨어진다.

따라서, 플라즈마에서 다른 전위는 플라즈마의 전도성이 등방성이 아닌때에만 유지될 수 있다. 전도성의 유리하게 고도한 부등방성은 본 발명에 따른 장치에 의하여 유익하게 형성될 수 있다. 로렌즈힘이 자기장 선에 오른쪽, 자기장 선을 가로지르는 움직임 동안 움직임 방향에 오른쪽으로 힘이 작용하는 결과로, 전자는 확실히 자기장 선 방향, 즉 높은 전기 전도가 있는 자기장 선 방향으로 재배열되게 되고, 이 방향의 전위차은 쉽게 보상된다. 그러나. 자기장 선에 오른쪽 방향의 전기장 요소에 의한 전자의 가속은 상기한 로렌츠힘을 방해하고, 따라서 전자는 자기장 선 둘레를 나선형으로 움직인다. 따라서, 자기장 선의 오른쪽으로 전기장이 전자의 흐름의 즉각적인 보상 없이 형성될 수 있다. 그러한 전기장의 안정성은 만약상호 전기적 등위면이 자기장 선에 거의 평행하게 연장된다면, 그리고 따라서 전기장과 자기장이 상당히 교차한다면, 특히 효율적이다.

도 1은 본 발명에 따른 다중층 배열을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 길이방향 축(LA)에 대하여 대칭인 거의 도우넛 형상을 하고, 그 형상이 어느 정도 변형가능한 플라즈마 챔버는 중공의 실린더형 전자 빔(ES)이 주입되는데, 그 실린더 형의 축이 길이방향 축(LA)과 일치하고, 그 빔 벽 두께(DS,도 2 참조)는 중공의 실린더형 빔 형상의 반경(RS)과 비교하여 더 작다. 그러한 중공의 빔은 예컨대 원형의 음극과 맞추어진 빔 시스템에 의하여 형성될 수 있다. 전자빔의 전자는 플라즈마 챔버로 들어갈때 전형적으로 1 keV 의 운동에너지를 가진다. 원형의 플라즈마 챔버(PK)는 내부벽(WI)과 외부벽(WA)에 의하여 측면으로 구획된다.

도 1에 따른 장치에 있어서, 중요한 사항은 자석 시스템이 더이상 길이방향의 축(LA) 둘레에 하나의 링 형상으로 형성되지 않는 것이다. 즉, 플라즈마 챔버의 외부에 본래적으로 가지는 두개의 극이 길이 방향(LR)으로 떨어져서 놓여지는 자석들의 배열(RMA)이 있는 것이다. 이와 유사하게 플라즈마 챔버의 내부에는 방사상으로 위치하고 역시 본래적으로 가지는 두개의 극이 길이 방향(LR)으로 떨어져서 놓여지는 자석들의 배열(RMI)이 더 구비된다.

두 자석 배열 RMA와 RMI는 길이 방향으로 같은 위치에서 방사상으로는 서로 반대의 극을 갖는다. 두 자석 배열은 같은 방식으로 배치된다. 달리 말하면, 길이 방향으로 같은 극의 순서를 갖는다. 결과적으로 동일한 극(N-N,S-S)은 방사상으로 서로 반대로 놓여지고, 자기장은 두 자석 배열의 각각에 대하여 본래적으로 차단된다. 결과적으로 방사상으로 반대의 자석 배열(RMA와 RMI)로 부터의 자기장의 쿠페(coupe)는 플라즈마 챔버의 거의 중심에 위치한 중심면에 의하여 분리된 것으로 보여질 수 있다. 자기장 선 B는 각 배열의 자기극 사이에서 이 중심면을 지나지않고 커브를 그린다. 따라서, 그러한 중심면의 원상의 측면에는 거의 두 자석 배열(RMA,RMI) 중의 하나로 부터 자기장 만이 작용한다.

위에서 설명된 내용은 또한 하나의 내부와 외부 자석 배열을 갖는 자석 시스템에 적용될 수 있다. 그러한 자석 배열은 예컨대 대칭인 LA의 축에 대하여 거의 평행하게 떨어져서 배치된 극을 가지고 중심을 같이하는 두개의 원형의 영구 자석에 의하여 형성될 수 있다. 그러한 배치가 도 3에 도시되어 있다.

본 발명의 특히 유리한 실시예는 길이 방향으로 둘 또는 그 이상의 그러한 배열이 앞뒤로 나란히 나열되고, 초기에 언급된 것과 같이 연속된 자석 배열의 극 배치는 서로 반대가 되도록 제공된 것이다. 따라서, 극은 길이 방향으로는 서로 반대이나 동일하게 자석 배열에 속하고 따라서 어떤 자기장도 회로 단락이 발생하지 않을 것이며, 장의 단층형과 관련하여 설명한 것과 같은 커브는 다중층의 연속된 각 층에서 거의 유지된다. 연속된 자기장은 먼저 플라즈마 챔버로 유입된 최초 전자빔에 촛점을 맞추도록 작용하고, 그 후 플라즈마 챔버에서 형성된 2차 전자가 일 층에서 다음 층으로 유출되는 것을 막는다.이온 분리벽(IB)이 이온이 음극(KA)으로 흘러가는 것을 막는다.

플라즈마 가속 장치에 더 부가될 수 있는 것으로, 플라즈마 챔버의 길이방향의 경로에 적어도 하나 이상의 중간 전극이 제공될 수 있고, 이 전극은 전위 구배의 중간 전위를 갖는다. 그러한 중간 전극은 바람직하게는 적어도 하나 이상의 측면벽에 배치되고, 더 바람직하게는 두 파트의 극이 플라즈마 챔버의 내벽과 외벽에서 서로 반대가 되도록 배치된다. 특히 두개의 자극 사이에 길이 방향으로 그 전극이 위치하는 것이 유리하다. 도 1에 따른 배열에 있어서, 각각 자석 시스템과 전극 시스템을 가지는 복수의 층(S0,S1,S2)이 길이 방향으로 제공된다. 각 층의 자석 시스템은 도 3에 도시된 바와 같은 내부 자석 링(RMI)과 외부 자석 링(RMA)으로 구성된다.

연속된 층(S0,S1,S2)의 각 층 부분 전극 시스템은 외부 전극링(AA0,AA1,AA2)과 이와는 방사상으로 반대로 배치되는 내부 전극링(AI0,AI1,AI2)으로 구성되고, 상기 내부링과 외부링의 길이 방향의 전극의 너비는 거의 동일하다. 각 부시스템의 상호 반대인 전극링들, 즉 AA0과 AI0, AA1과 AI1, AA2와 AI2 각 층에서 동일한 전위를 갖고, 특히 AA0과 AI0 전극은 전체 장치의 접지 전위를 갖는다. 또한, 상기 내부 및 외부 전극(AA0,AA1,.....)과 자석 배열의 극은 각각 외부와 내부 벽으로 합치될 수 있다.

전극에 의하여 발생된 전기장은, 플라즈마의 생성을 위하여 중요한 구간에서, 대략 자기장 선에 대하여 오른각을 가지도록 연장된다. 특히 연속된 층의 전극 사이에서 전기적 전위 구배가 가장 큰 구간에서 자기장 선과 전기장 선은 거의 교차되도록 연장되고, 따라서 충분히 감속된 1차 전자를 포함해서 집중된 전자의 경로를 따라 생성되는 2차 전자는 전극의 어떤 직접적인 단락도 일으키지 않는다. 2차 전자는 거의 도우넛 형상의 다중층 자석 시스템의 자기장 선을 따라서만 움직일수 있기 때문에, 발생된 플라즈마 제트는 거의 집중된 1차 전자의 실린더형 층의 부피로 제한된다. 거의 축방향 자기장 요소의 사인 변화의 영역, 즉 자기장이 자석 배열의 극에 대하여 거의 방사상으로 그리는 영역에만 플라즈마가 급증하게 된다. 플라즈마 챔버에 제공되는 작동 가스 예컨대 제논(Xenon)은 1차 전자, 특히 2차 전자에 의하여 이온화된다. 제공된 전자빔으로 부터 감속된 1차 전자와 함께, 가속된 이온은 중성 플라즈마 제트(PB)로 방출된다.

도시된 바와 같이 플라즈마는 연속된 자석 배열의 극 포인트와 일치하는 연속된 전극 사이의 위치에서 길이방향으로 집중된다. 도 1에 도시된 배열과 같이 각각의 연속된한 층의 플라즈마는 바람직하게는 연속된 전극의 층별로 다른 전위에 연결될 수 있다. 이러한 목적을 위해서 특히 전극과 자석 배열이 길이 방향으로 배치된다. 자기의 축방향 장의 최소한과 전극의 중심 사이에서 측정되는 거의 주기적인 전기장과 비교하여 거의 주기적인 자기장의 물리적 면의 각은 최대 +/- 45°, 바람직하게는 +/- 15° 이동된다. 여기서는 자기장 선과 플라즈마 챔버의 측벽에 배열된 전극 사이의 접촉은 전자의 자기장 선을 따른 쉬운 이동에 의하여 이루어질 수 있고, 플라즈마 전위는 이 층의 전극 전위로 셋팅될 수 있다. 따라서, 다른 연속된 층의 플라즈마의 집중은 각각 다른 전위에 있다.

따라서, 축방향의 가장 큰 전위 구배의 위치는 축방향으로 전기적으로 격리 효과를 가지는 방사상 자기장 커브에 의하여 특징 지어지는 플라즈마 층에 위치한다. 이러한 위치에서 양이온을 길이 방향으로 가속시키는 전기장 방향으로의 양이온의 가속이 발생한다. 홀 전류로서, 도우넛 구조의 폐쇄 전자 경로를 순환하는 충분한 2차 전자가 있기 때문에, 거의 중성의 플라즈마는 플라즈마 챔버의 개구로 방출되도록 길이 방향으로 가속된다. 이 과정에서 그 배열의 길이 방향(LR)의 특정 위치의 평면층에 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 길이 방향 축(LA) 둘레에 다른 직경을 갖고 대립하는 원형의 홀 전류(II,IA)가 있다.

전술한 유사 주기적인 자기와 전기 구조의 효과적인 단계 이동은 먼저 도 2에 따른 배열에 의해 전술한 최대 +/- 45°, 특히 +/-15°의 허용가능한 변위가 이루어질 수 있다. 가능한 변형이 도 4에 도시되어 있다. 즉, 길이 방향으로 떨어져서 배열되는 전극 층(AL_i, AI_i+1)의 간격은 연속한 자기 링 배열의 주기적은 차이보다 2배 정도 크다. 그러한 배열은 도 1의 경우보다 2배의 길이에 두개의 상반된 자석 시스템과 하나의 전극 시스템을 갖고 있는 층으로 나누어지는 것이다.

도 4에 도시된 배열에 있어서, 연속된 자석 부시스템의 극점의 전극 다리의 영역은 자기선을 따라가는 2차 전자가 전극에 의하여 추출되는 접촉 영역이 된다. 따라서, 플라즈마와 전극 사이에서 접촉 영역(KZ)이 형성되고, 반면 길이 방향의 연속한 두개의 전극 사이에 놓여있는 극점에서는 플라즈마에서 높은 전위 구배가 형성되는 격리영역(IZ)이 형성된다.

다른 실시예에서는, 자석 시스템 또는 자석 부시스템의 상반된 외부 자석 링과 내부 자석 링에 또한 상반된 극 배열이 형성될 수 있다. 따라서 도 1에 따른 배열을 통하여 길이 방향의 영역에서 각 층에는 자기 4분극 장이 형성된다. 길이 방향으로 오른편 각을 갖는 평면에 놓인 전류(IA,II)는 같은 방향에서 기원한다. 본발명에 따른 다른 변형예들이 이러한 배열에 적당한 방법으로 적용될 수 있다.

상기한 바와 이하의 청구항에 의한 본 발명의 특징들은 각각 또는 여러가지 결합에 의하여 유리하게 실행될 수 있다. 본 발명은 상기한 실시에에 한정되지 않고, 당업자의 지식 범위 내에서 다양한 방법으로 변형되어 질 수 있다. 특히, 대칭축(SA)에 대한 엄격한 대칭은 절대적으로 필요한 것은 아니다. 대신에 명확한 대칭은 대칭적인 코스에서 추가될 수 있다. 장과 전극 또는 자석 배열의 환상형은 필수적으로 환상의 실린더형을 표명하는 것은 아니고, 회전상 대칭에 의한 경우나, 길이 방향으로의 실린더형 코스에 의한 경우의 형상으로 부터 벗어날 수 있다.

Claims (6)

1. 길이 방향 축에 평행한 가속 부분에 걸쳐 양으로 대전된 이온의 가속 장으로서 전기 전위차를 형성하는 전극 배열을 구비하고, 집중된 전자빔을 플라즈마 챔버로 유입하고 자석 시스템에 의하여 이를 가이드하는 수단을 가지며, 상기 플라즈마 챔버는 방사상 내부와 외부 챔버 벽을 가지도록 길이 방향의 축 둘레에 원형으로 형성되고, 상기 전바빔은 할로우 실린더형 빔으로 공급되는 것을 특징으로 하는 길리 방향의 축둘레에 플라즈마 챔버를 가진 플라즈마 가속 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버를 고려하여 상기 자석 시스템은 방사상 내부 자석 배열과 방사상 외부 자석 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 자석 시스템은 모두 도우넛 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치
4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마 챔버의 코스에서 길이 방향으로, 길이 방향 축 둘레로 챔버 외부벽에 제 1 부 전극이 배열되고 챔버 내부벽에 제 2 부 전극이 배열되는 적어도 하나의 중간 전극 배열이 제공되며, 상기 부분 전극은 전위차의 중간 전위를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
5. 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자석 시스템은 서로 떨어져서 길이 방향으로 평행하게 배열되고, 길이 방향으로 대응하는 극 배열을 갖는 연속한 복수의 자석 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.
6. 제 4 항 또는 5 항에 있어서, 적어도 하나의 중간 전극은 상기 자석 배열의 연속한 극 사이의 극 간격을 부분적으로 또는 완전히 덮는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속장치.