KR20050105279A - 양전자 소스 - Google Patents

Abstract

양전자 소스는 특히 고체 물리학에 적용될 수 있으며 얇은 목표물(28)을 구비하여 그것이 연속적이거나 또는 특히 연속적인 10 MeV 의 전자 비임(22)을 스쳐 지나가는 입사각으로 수용하여 비임과 상호 작용하는 양전자를 발생시킨다.

Description

양전자 소스{Positron Source}

본 발명은 양전자 소스에 관한 것이다.

양전자 소스는 다수의 적용 분야가 있으며, 특히 고체 물리학, 재료 과학 및 표면 물리학등에 적용되는데, 여기에서는 예를 들면 주사 양전자 현미경, 주입 깊이 또는 도플러 선폭증대(doppler broadening)의 함수로서의 수명 측정 및, PAES(양전자 소멸로 유도된 오거 전자 분광학(positron annihilation induced Auger Electron Spectroscopy)과 같은 많은 적용예에서 높은 계수 비율(counting rate)이 중요하게 된다.

본 발명의 다른 적용예들은 포지트로늄(positronium) "원자"들을 직접적으로 이용한다 (포지트로늄은 전자 및 양전자의 결합된 상태이다). 그러나, 포지트로늄의 발생은 다수의 양전자들을 필요로 한다.

본 발명은 또한 분자 화학에 적용 가능하고, 보다 상세하게는 높은 임계 온도를 가진 초전도 물질에 관련된 과정의 측정에 관한 것이다.

본 발명은 또한 페인트 및 코팅의 숙성 용량(aging capacity)의 측정에 적용될 수 있다.

더욱이, 양전자의 소멸이 전자 밀도에 민감하므로, 본 발명은 재료내의 결함을 검출하는데 적용될 수 있다. 예를 들면, 전자 밀도의 작은 변화는 재료가 열적으로 팽창될 때 검출된다. 공격자점(空格子點), 즉, 결정 물질의 격자로부터 단일의 원자가 결여되는 것은 그것의 낮은 전자 밀도 때문에 매우 용이하게 검출된다. 10^-6 (l ppm) 정도로 비어 있는 원자 지점의 농도들도 관찰될 수 있다.

접촉이 없는 양전자 비임에 의해서 물질이 분석되기 때문에, 물질은 매우 고온으로 가열될 수 있다. 비어있는 지점들은 기계적인 변형, 스퍼터링 또는 이온 주입에 의해서 그 어떤 온도에 의해서도 도입될 수 있다.

양전자 비임의 조절 가능한 에너지는 균일하지 않은 결함들의 분포를 포함하는 샘플이나 또는 얇은 층의 구조에 대하여 10 % 의 해상도로써 심층 정보를 얻는 수단이다.

더욱이, MOS 들과 같은 마이크로전자 소자의 산화물 안에서의 전기장은 양전자들을 연구 대상인 인터페이스에서 편향시키도록 사용될 수 있다.

0.5 nm 정도의 공동(cavaty)을 형성하는 공격자점 클러스터(cluster)들은 양전자의 수명과 도플러 선폭증대를 변화시킴으로써 용이하게 관찰될 수 있다.

포지트로늄의 형성을 관찰하는 것은 증대된 공동의 존재를 나타내며 그들의 크기(최대 20 nm)를 결정할 수 있다.

보다 큰 공동에 대해서조차도, 오소-포지트로늄(ortho-positronim)(전자 및 양전자의 회전이 평행에 반하는 포지트로늄의 상태)은 그것이 3 개의 광자로 분리되기에 충분할 정도로 오래 남아 있다. 이러한 경우에, 광자의 각도상의 상호 관계는 5 의 인자로 도플러 선폭 증대를 증가시킨다.

본 발명의 다른 적용예들은 다음과 같다:

-PRS (양전자 재방사 분광학),

-PAES (양전자 소멸로 유도된 오거 전자 분광학)

-REPELS (재방사된 양전자 에너지 손실 분광학)

-LEPD (저 에너지 양전자 회절)

- PIIDS (양전자로 유도된 이온 흡수 제거 분광학)

- PALS (양전자 소멸 수명 분광학) 이러한 기술은 마이크로전자공학에서 극히 중요하다.

- VEPLS (가변 에너지 양전자 수명 분광학) 및

- PAS (양전자 소멸 분광학).

본 발명은 순간적인 강도가 초당 10¹⁰ 의 양전자 보다 크고, 바람직스럽게는 초당 10¹² 의 양전자 보다 큰, 낮은 에너지의 양전자 비임의 제조에 관한 것이며, 이들은 예를 들면,

- 적절한 트랩(trap)과 결합됨으로써 10 keV 보다 낮은 에너지를 가진, 낮은 에너지의 양전자 비임이나, 또는

- 적절한 목표물과 작용함으로써, 포지트로늄 원자를 획득하기 위한 것이다.

낮은 에너지의 양전자와 포지트로늄 "원자"를 (초당 10¹⁰ 보다 큰) 고비율로 제조하는 것은, 예를 들면 PAS (양전자 소멸 분광학)나 또는 위에 언급된 다른 방법들이 사용될 때 결정체나 또는 유기 물질에서 결함을 측정하는 것과 같은 산업상의 적용을 위해 필요하다.

이러한 적용예들은 주로 양전자 비임 소스로서 ²²Na 를 사용한다. 이러한 소스들은 실험실의 연구를 위해서 매우 적절하다. 그러나 그들의 최대 활성은 약 4 x 10⁹ Bq 이며 그들의 평균 수명은 단지 2.6 년이다.

더욱이, 양전자 비임의 발생과 관련된, 종종 작은, 활동의 어떤 부분을 위한 일부 가속기들이 존재한다. 그러나, 사용된 전자 에너지는 종종 수십의 MeV 이고, 통상적으로 100 MeV 이기 때문에 이들은 대개 크고 값비싼 설비들이다. 방사된 양전자들은 수십의 MeV를 가질 수 있다.

더욱이, 산업상의 적용을 위해 유용한 양전자들은 발생 쓰레숄드 에너지의 적어도 수천배 보다 작은 동역학적 에너지를 가진다. 통상적으로, (0.001 보다 적은) 매우 낮은 효율을 가진 금속성의 감속부(moderator)가 그들을 느리게 하도록 사용된다.

더욱이, 페닝-맬름버그(Penning-Malmberg) 트랩으로 불리우는 장치에서 양전자 비임을 포획하는 방법이 알려져 있다. 그리이브스-서코(Greaves-Surko) 트랩으로 불리우는 향상된 트랩은, 1 정도의 효율을 가지고 비임의 에너지 분산을 1000 으로 분할함으로써 비임의 밝기를 거대하게 증가시킨다.

그리브스-서코 트랩들은 First Point Scientific Company 에 의해서 상업적으로 이용 가능하다. 이들은 1 % 에 근접한 효율인 고체의 네온 감속부를 포함한다.

이들 트랩들은 상기 언급된 적용예들에 대하여 매우 유익하며 그들의 외관 때문에 보다 널리 사용되게 되었지만, 양전자의 에너지는 1 MeV 보다 낮아야 한다.

더욱이, 양전자를 발생시키는 4 가지 기술이 알려져 있다. 이러한 기술들은 (²²Na 유형의) 방사성 소스이거나, 또는 핵 반응기로부터의 중성자 플럭스이거나, 또는 (이온을 가속시키도록 설계된) 직렬 가속기들이거나, 또는 전자 가속기들이다.

이제 이들 기술의 단점을 설명하기로 한다.

방사성 소스에 의한 양전자 전류 출력은 소스를 둘러싸는 물질의 두께에 의해 제한된다. 더욱이, 그러한 소스에 의해 방사된 양전자 비임의 강도는 10⁸e⁺/s 의 정도이며 따라서 감속 이후에는 10⁶e⁺/s 의 정도이다.

핵 반응로로부터의 중성자 플러스 출력의 사용은 낮은 에너지의 양전자를 발생시킬 수 있는 짧은 수명의 방사성 소스를 획득하는 수단을 제공한다. 그러나, 이러한 기술은 그것이 핵 반응로를 필요로 하기 때문에 산업화될 수 없다.

이전 기술의 일 변형예는 목표물로 보내진 이온들을 가속하도록 직렬 가속기를 사용하는 것으로 이루어진다. 이러한 목표물은 방사성이 되며 낮은 에너지의 양전자를 방사시킨다. 비록 양전자 가속기가 종래의 입자 가속기 보다 작을지라도, 그것은 활성화를 막는 보호 및 유지 관리의 기본 시설을 필요로 하는 크고 값비싼 설비를 형성한다.

커다란 선형의 가속기들, 보다 간단하게는 "라이낙(linacs)"이라고 불리우는 것도 양전자를 발생시키는데 사용되는데, 이것은 전자를 가속시켜서 그것을 텅스텐이나 또는 탠털럼(tantalum) 목표물로 보냄으로써 이루어진다. 이들 커다란 라이낙은 매우 크고 값비싼 설비이며 위에서 언급된 유형의 양전자 적용예의 발전을 용이하게 하기에는 충분하지 않다.

전자 비임과의 상호 작용으로써 양전자를 발생시킬 수 있는 목표물을 포함하는 공지의 상호 작용 챔버를 재고하기로 한다.

전자 비임(e^- 로 표시됨)으로부터 양전자(e⁺ 로 표시됨)를 발생시키려면, 이러한 전자들은 목표물의 물질과 상호 작용하여야 한다. 전자들은 X 및 감마 광자들을 방사시키는데, 이들은 때때로 쌍(e⁺ e^-)으로 분리된다.

발생된 양전자의 수는 목표물 물질과 상호 작용되는 전자들의 수에 달려있기 때문에, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들은 라이낙 유형의 가속기에 의해 발생된 것과 같은 강력한 비임들을 사용할 것을 결정할 것이다.

전자 비임에 의해 발생된 e⁺ 의 수는 그것을 통과하는 목표물의 두께와 함께 증가하기 때문에, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들은 이러한 두께를 증가시키는 경향이 있다.

그러나 2 가지의 문제점들이 발생된다.

첫째, X 선은 목표물에 열의 형태로 에너지를 남기게 된다.

둘째, 발생된 e⁺ 는 목표물로부터 배출되기 이전에 목표물 안에 포획되어서 소멸될 수 있다. 이러한 소멸은 2 가지의 반응들, 즉, 전자와의 직접적인 충돌이나 또는 포지트로늄 원자의 형성에 따라서 발생될 수 있다.

당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 당연스럽게 두꺼운 목표물의 사용을 고 에너지의 가속기와 연관시킨다.

입자 물리학 실험을 위한 (10 MeV 보다 큰) 고 에너지의 e⁺를 발생시키는 시스템은 두 번째의 문제점에 대하여 민감하지 않은데, 이는 고 에너지의 e⁺ 가 소멸되지 않으며, 특히 포지트로늄을 형성하지 않기 때문이다. 더욱이, e⁺ 가 매우 낮은 에너지를 가져야만 하는 산업상의 적용예에 대하여, e⁺ 가 목표물 배출 지점으로부터 발생되는 지점 사이의 경로를 따른 포지트로늄의 형성은 e⁺ 의 많은 비율을 파괴한다.

다른 한편으로, 제 1 의 문제점은 높은 에너지에서 매우 불리하게 된다. 목표물에 남게된 주어진 양의 열에 대하여, 100 MeV 전자 비임 발생기와 10 MeV 전자 비임 발생기는 같은 수의 "유용한" 양전자에 1 MeV 와 같거나 또는 그보다 적은 에너지를 제공한다.

예를 들면, 첫째로 전자들을 1 mm x 1 cm² 의 목표물에 90 도로 보내는 100 MeV 발생기에 대한 현존의 기술과, 둘째로 본 발명의 일 예에 따라서 제안된 바로서 50 ㎛ x 1 cm² 의 목표물에 3 도로 전자를 보내는 10 MeV 발생기를 고려하기로 한다. 목표물에 남게되는 같은 열과, 발생된 유사한 수의 유용한 e⁺ 에 대하여, 100 MeV 발생기는 50 kW를 소비하고, 10 MeV 발생기는 10 kW를 소비할 것이다. 40 kW 의 차이는 폐기되며 열의 형태로 집적 시스템으로부터 배출되어야 한다.

발생된 양전자의 보다 큰 비율을 사용하기 위하여, 미국, 캘리포니아에 있는 Lawrence Livemore National Laboratory 와, ISA(덴마크 아러스 대학의 Institute for Ring Storage Facilities)와 같은 고 에너지 라이낙을 사용하는 거대 설비들은, 적절한 전기장과 결합될 수 있는, 목표물 뒤에 배치된 텅스텐 감속 시이트(sheets)를 사용한다. 그러나 이러한 유형의 장치가 많은 양전자들을 흡수하지만, 달리 이야기하면 비임의 강도를 제한한다.

본 발명은 구현예에 대한 다음 설명을 첨부된 도면을 참조하여 숙독함으로써 보다 잘 이해될 것이며, 구현예는 단지 예시적인 것으로서 주어진 것이며 제한적인 것은 아니다.

- 도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 양전자 소스의 특정한 구현예에 대한 도식화된 도면이다.

- 도 2 는 도 1 에 도시된 양전자 소스에서 사용된 목표물의 도식화된 부분도이다.

본 발명의 목적은 상기에 언급된 단점들을 극복하는 것이다.

그 목적은 양전자 소스를 제공하는 것인데, 이러한 소스는 실질적으로 평탄한 표면을 구비하는 목표물과 전자 비임을 발생시키는 수단을 구비하며, 상기 목표물은 상기 실질적으로 평탄한 표면상에, 실질적으로 평탄한 표면과 관련되어 계산된 소정의 입사 각도로 전자 비임을 수용하도록, 그리고 상기 전자 비임과의 상호 작용으로 양전자를 발생시키도록 설계된 것이며, 이러한 소스는 발생된 전자 비임이 연속적이거나 또는 유사의 연속(quasi-continuous)이고, 전자의 에너지가 10 MeV 정도이고, 목표물의 두께는 500 ㎛ 보다 작으며, 소정의 입사 각도가 10°미만인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 양전자 소스의 바람직한 일 구현예에 따르면, 목표물의 두께는 10㎛ 내지 100 ㎛ 사이 범위의 간격내에 있으며 소정의 입사 각도는 2°내지 5°범위의 간격내에 있다.

바람직스럽게는, 전자 비임 발생 수단은 연속적인 비임을 발생시키며, 전자들이 공동(cavity)의 축에 직각인 중간 평면내에서 수회 통과되는 동일 축의 공동을 구비하는 전자 가속기를 구비한다.

이러한 전자 가속기는 "로도트론(Rhodotron)"(등록 상표)이라는 명칭으로 알려져 있으며 다음의 문헌에 기술되어 있다.

미국 특허 출원 US 51072221 A 에 대응하는 프랑스 특허 출원 2616032.

하나의 바람직한 구현예에 있어서, 본 발명은 목표물과 상호 작용하지 않는 전자들과 양전자들 사이에 분류 수단을 구비하며, 상기 분류 수단은:

- 제 1 의 자기 수단으로서, 제 1 자기 수단의 축은 비임의 축에 근접하고 목표물의 평면을 통과하며, 제 1 자기 수단은 목표물에 의해 방사된 양전자를 발산시킬 수 있는 자기장을 발생시키도록 설계되고, 이들 제 1 의 자기 수단은 목표물의 입력측상에 적절한 거리로 배치되는 제 1 의 자기 수단;

- 양전자 비임의 초점을 맞추기 위한 자기 4 중극(quadrapole)으로서, 상기 의 자기 4 중극은 제 1 의 자기 수단과 같은 축을 가지고, 목표물의 출력측상에 배치되며, 양전자 비임 단면을 원형으로 만들도록 설계되고, 상기 양전자 비임은 전자들과 목표물 사이 상호 작용 부위로부터의 출력에서 매우 평탄한, 자기 4 중극;

- 양전자들을 원형의 단면을 가진 비임으로 초점을 맞추도록 충분한 긴 거리에서, 4 중극의 출력측상에, 제 1 자기 수단의 축 위에 위치된 제 1 정지 수단으로서, 목표물과 상호 작용하지 않았던 전자 비임으로부터의 전자들을 정지시키도록 설계된 제 1 의 정지 수단;

- 양전자의 수렴이 가능한 자기장을 발생시키도록 제 1 의 자기 수단으로부터 적절한 거리에서, 제 1 정지 수단의 출력 측상에 배치된, 제 1 의 자기 수단과 같은 축을 따라서 있는 제 2 의 자기 수단으로서, 제 1 과 제 2 의 자기 수단은 이들 양전자들이 제 1 의 정지 수단과 조우하는 것을 방지할 수 있는 자기장을 발생시키도록 협동하는, 제 2 의 자기 수단;을 구비한다.

본 발명에 따른 양전자 소스는 트랩 수단(trapping means)을 구비할 수도 있으며, 트랩 수단은 목표물에 의해 발생된 양전자를 포획하도록 설계된다.

트랩 수단은 양전자를 감속시키도록 설계된 감속부와, 이러한 양전자들을 집중시키는 전자기 수단을 구비한다.

이러한 트랩 수단은 그리이브스-서코(Greaves-Surko) 트랩을 구비할 수 있으며, 그에 관해서는 다음의 문헌을 참조할 수 있다.

R. Greaves 및 C. M. Surko, Nucl. Inst. Meth. B192 (2002) 90.

바람직스럽게는, 본 발명에 따른 양전자 소스가:

- 물의 순환에 의해 냉각되는 납의 벽과 같은 제 2 의 정지 수단으로서, 목표물과 상호 작용하지 않고 제 2 의 자기 수단과 트랩 수단 사이의 영역에 도달하였던 전자 비임내의 전자들을 정지시키도록, 그리고 이러한 전자들이 트랩 수단에 도달하는 것을 방지하도록 설계된, 제 2 의 정지 수단; 및,

- 이들 제 2 의 정지 수단을 통하여 트랩 수단을 향해 양전자들을 안내하는 수단;을 구비한다.

본 발명은 주로 텅스텐으로 제작되는 것이 바람직스러운, 얇은 목표물과, 이러한 목표물에 스쳐 지나가는 입사(grazing incidence)로 배향될 전자 비임의 상호 작용에 기초한 것이다.

바람직스럽게는, 목표물의 두께가 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 로 변화하는 간격내에 있으며 예를 들면 50 ㎛ 와 같을 수 있고, 목표물에 대한 전자 비임의 각도는 2°내지 5°의 간격내에 있을 수 있으며 예를 들면 3°일 수 있다.

본 발명은 연속적인 모드로 작동되는 전자 소스에 의해서 방사되는 저에너지 전자 비임(10 MeV)으로부터 시작되는 (1 MeV 미만의) 저 에너지를 가지는 양전자를 발생시키는 수단에 관한 것이다. 이러한 특성에 기인하여, 전자 소스는 로도트론(Rhodotron)(등록 상표)일 수 있으며, 즉, 작은 체적과 작은 소비 전력의 산업용 기계(100 kW 의 최대 비임 전력)일 수 있다.

상기 언급된 2 가지 문제점들이 공지의 시스템에서 저 에너지 양전자의 발생 용량을 제한한다. 본 발명은 목표물 안에 남겨지는 열을 감소시킴으로써 이러한 제한들을 확장시킨다. 최종적으로, 본 발명은 발생된 e⁺ 의 보다 효과적인 집적을 가능하게 한다.

도식적으로, 공지의 시스템에서는, e^- 가 목표물의 평면으로부터 90°로 (또는 적어도 큰 각도로, 예를 들면 45°로) 보내진다. 본 발명에서는, e^- 가 스쳐 지나가는 입사각으로, 통상적으로 목표물의 평면으로부터 3°로 보내진다. 이러한 특정의 구성은 공지된 시스템의 구성과 비교하여 몇 가지 장점들을 가진다.

본 발명자가 관찰했던 바에 따르면, 목표물을 통과하는 전자들의 같은 수에 대하여 온도 상승이 3°에서 2.5 배로 낮았으며, 같은 균등의 두께(직선으로 횡단하는 거리)에 대하여 적어도 같은 수의 저 에너지 e⁺ 가 3°에서 발생되며, 그리고 3°에서 발생된 e⁺ 의 수는 같은 온도 상승에 대하여 약 2 배로 많았다.

이제 발생된 e⁺ 가 집적되는 효율을 고려하기로 한다.

일단 e⁺ 가 발생되어서 목표물로부터 추출되었다면, 전자 비임은 e⁺ 을 집적시키는 장비와 양립할 수 없는 매우 높은 에너지를 가지기 때문에, e⁺ 는 전자 비임으로부터 분리되어야 한다.

더욱이, e⁺ 는 그것을 사용하기 위하여 공간상으로 집중되어야 할 필요가 있다. 이처럼 e⁺ 를 사용하기 위한 2 가지의 제약은 공지된 시스템에서 e⁺ 의 대량 손실의 비용으로 얻어진다.

예를 들어서 (1 밀리미터와 동등한 균등의 두께인) 50 ㎛ 두께의 얇은 목표물상에 (예를 들면 3°의) 스쳐 지나가는 입사각으로 비임을 이용하는 것은 e⁺ 를 e^- 로부터 분리시킴으로써 e⁺ 의 우수한 집적 효율을 제공할 수 있다.

스쳐 지나가는 입사각(grazing incidence)에서 e^- 는 e⁺ 가 넓은 부위에서 집적되지 않으면서 목표물의 넓은 부위에 걸쳐 퍼질 수 있다. 집적 시스템에서 관찰되는 바로서, e⁺ 가 기원되는 부위를 "정면의 표면"이라고 지칭하기로 한다.

다음에 3°에서, 목표물상의 e^- 의 정면 상호 작용 부위는 20 x 20 mm² 의 목표물 부위에 대하여 1 x 20 mm² 이다. 이러한 정면 부위는 90°의 입사 각도에서보다 20 배로 크다. 따라서, 집적 시스템은 20 배로 큰 부위를 포괄하여야 한다.

스쳐 지나가는 입사각의 구성에 있어서, 양전자의 방사 각도와 양전자의 에너지 사이의 통계학적인 상관 관계가 유지된다.

특히, 집적되기를 원하는 저 에너지의 e⁺ 는 전자들에 비하여 큰 각도에서 방사되기 때문에, 이러한 각도상의 분리는 목표물을 통과하는 비임내의 e^- 로부터 e⁺를 분리하도록 사용될 수 있다.

이제 본 발명에 따른 양전자 소스의 예들에 대한 2 가지 장점들을 설명하기로 한다.

이러한 예는 도 1a 에 도식화되어 도시되어 있으며 (1 MeV 와 같거나 그보다 적은) 저 에너지의 e⁺ 의 발생 및 추출을 위한 시스템을 나타낸다.

이러한 시스템은 다음의 구성 요소들을 x 축을 따라서 순서대로 구비한다:

- 양전자를 발생시킬 전자 비임(22)을 출력시킬 로도트론(Rhodotron; 20)(등록상표)으로서, 상기 비임은 x 축으로부터 3 °로 x' 축을 따라서 전파된다.

- 비임(22)의 형상을 만들고 그것을 안내하는 수단(24).

- x 축과 일치하는 축을 가지는 제 1 의 자기 코일(26).

- 텅스텐으로 만들어진 얇은 플레이트(28)로서, 그것의 일면에는 스쳐 지나가는 입사각으로 비임(22)이 제공되고, 이러한 플레이트(28)는 전자들에 대한 목표물을 형성한다.

- 플레이트(28)에 의해 방사된 양전자를 x 축으로 초점을 맞추는 4 중극 자석(30).

- 플레이트(28)를 통하여 통과되는 전자들을 정지시키도록 설계된 텅스텐 실린더(32).

- x 축과 일치하는 축을 가진 제 2 의 자기 코일(36).

- 잔류하는 전자들을 흡수하도록, 그리고 물의 순환(40)에 의해 냉각되도록 설계된 납(lead)의 벽(38).

- x 축과 일치하는 축을 가지는 솔레노이드(42)로서, 솔레노이드의 축이 벽(38)을 통과하고, 이러한 목적을 위해서 드릴 구멍(44)이 벽에 제공되며, 이러한 솔레노이드는 공통의 축이 x 축이 되는 자기 코일의 세트에 의해 교체되는 것이 가능한 솔레노이드(42).

- 감속부(48)에 의해 선행되는 그리브스-서코 트랩(Greaves-Surko trap, 46).

진공 챔버(29)는 진공하에서의 양전자 및, 로도트론으로부터의 전자들의 출력의 전파를 위해서 제공된다.

도 2 는 목표물 플레이트(28)의 두께를 나타낸 것으로서 목표물 플레이트의 두께는 e 로 표시되어 있다.

다른 2 개의 축인 y 축과 z 축이 한정되어 있는데, 이들은 도 1a 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 서로에 대하여 그리고 x 축에 직각이다. 도 1b 는 (y 축을 따라서) 도 1a 의 예를 평면도로 도시한다.

플레이트(28)는 x-y 평면에 있다. 전자 비임은 상기 예에서 플레이트(28)로부터 3 도의 정도의 매우 작은 각도인 α 로 전파된다.

도면은 또한 목표물에 의해 방사된 양전자를 나타내는 화살표(28a)와, 목표물과 상호 작용하지 않으면서 이러한 목표물을 통과하는 전자들을 나타내는 화살표(28b)를 도시한다.

코일(26)의 내측 직경은 20 cm 이다. 800 kA 의 전류가 그것을 통과한다. 이러한 코일은 그 중심에서 5.06 T 의 자기장을 발생시키며 유익하게는 초전도체일 수 있다.

텅스텐 목표물의 두께(e)는 50 ㎛ 이다. 이것은 코일(26)의 중심 뒤에서 약 20 센티미터에 위치되며, 비록 면적의 중앙에서 2 cm x 2 cm 의 부분만이 전자들을 차단할지라도 3 cm x 3 cm 의 면적을 가진다.

4 중극 자석(30)은 이러한 자석의 극을 구성하는 2 개의 코일을 구비하며 x 축으로부터 20 cm 에 입구 표면을 가진다. 이러한 코일들은 100 개의 루프(loop)를 가지며 각각의 루프는 20 A 의 전류를 유지한다. 자석(30)은 목표물(28)의 가장자리로부터 10 cm 의 거리에 위치된다.

코일(36)의 내측 직경은 100 cm 이다. 이러한 코일은 1000 루프를 가지며 각각의 루프는 20 A 의 전류를 유지한다. 이러한 코일은 목표물(28)의 중심으로부터 90 cm 의 거리에 위치된다.

솔레노이드(42)의 직경은 10 cm 보다 약간 작으며 그것의 길이는 100 cm 이고, 그것은 서로로부터 7 cm 의 간격으로 10 cm 보다 약간 작은 직경을 가진 코일에 의해 교체될 수 있다. 이러한 코일들은 각각 100 개의 루프들을 가지며 각각의 루프는 20 A 의 전류를 유지한다.

솔레노이드와 코일의 목적은 "출구 튜브"라고 지칭되는 적절하게 균일한 저 강도 자기장을 가진 튜브를 만드는 것이다.

이러한 출구 튜브의 마지막 10 cm 는 납의 벽(38)을 통과하며, 납의 벽은 집적된 e⁺ 가 상기 벽을 출구 튜브를 통해서 통과되는 동안에 e^- 를 흡수한다.

로도트론에 의해 출력된 10 MeV 의 전자 비임(22)은 1 mm x 20 mm 의 단면을 가진 직사각형이며, 그것의 가장 큰 치수(20 mm)는 목표물의 평면에 평행하다. 비임의 궤도는 이러한 평면으로부터 3 °의 각도이다.

목표물에 의해 방사된 e⁺ 가 발산의 피일드(divergent field)에 있도록 목표물은 초전도체 코일(26)의 뒤에 배치된다. 이러한 구성은 매우 낮은 에너지(수십의 keV)의 e⁺ 가 양의 x 방향을 향하여 ("전방으로")전파될 수 있게 한다.

1 MeV 보다 적은 e⁺ 가 바람직스럽게는 45 °보다 큰 각도로 방사되며, 코일(26)의 피일드에 의해 포획되어 x 축으로부터 발산된다. 코일(26)의 직경보다 3 배로 큰 직경을 가지며 코일(26)에서의 전류보다 30 배로 적은 전류를 가지는 코일(36)은 약간 수렴하는 피일드(field)를 발생시킨다.

이러한 코일(36)은 코일(26)로부터 1.10 미터에 배치되며, 이것은 목표물로부터 단지 80 cm 에서만 우세하게 됨으로써 코일(26)의 피일드 선을 따라서 x 축으로부터 이격된 저 에너지의 e⁺ 가 이제 코일(36)의 피일드 선에 의해 포획되어 다시 한번 x 축을 향하여 수렴하게 된다.

x 축으로부터 이격되게 그리고 다음에 x 축을 향하여 움직이는 이러한 궤적은 저 에너지의 e⁺ 가 텅스텐 실린더(32)를 회피할 수 있게 하는데, 이러한 실린더(32)는 2 cm 의 직경과 5 cm 의 길이를 가지며 목표물로부터 50 cm 에서 x 축 위에 위치된다.

(e⁺ e ^-)의 쌍을 발생시키지 않았던 전자들의 에너지는 9 MeV 와 10 MeV 사이이며, 따라서 이러한 전자들은 코일(26,36)의 피일드 선에 의해 포획되지 않는다. 목표물 이전의 궤적이 x 축으로부터 3°인 이러한 전자들은, 축이 x 축을 따라서 존재하고 정점에서 3°의 절반의 각도를 가지는 원추 안에 대략 유지된다.

코일(26)은 또한 전자 비임을 이러한 원추 안에 대략 유지시키면서 x 축의 둘레에서 약 45°로 회전하게 하는데, 이러한 점은 목표물의 배향을 선택하는데 고려되어야 한다. 결국, 이러한 전자들은 x 축을 따라서 전파되면서 1 미터 당 약 5 cm 로 분리된다.

비임의 사각형 형상에 기인하여, 이러한 전자들의 10 % 는 만약 정지되지 않았다면 시스템으로부터의 출구에서 e⁺ 와 혼합될 것이다. 코일(26)은 전자들을 x 축으로부터 이탈되게 움직이지 않기 때문에, 이들 전자들은 텅스텐 실린더에 의해서 정지된다.

코일(36) 이후에, e⁺ 는 자기 튜브의 피일드 (이러한 피일드는 약하다)에 의해서 출력부를 향하여 안내된다. 코일(36)을 출구 벽(38)으로부터 분리시키는 거리는 1 미터이다.

텅스텐 실린더(32)에 의해 정지되지 않았던 전자들은 출구 벽(38)에서 이러한 실린더(32)의 외측에 있으며, 따라서 이들은 물의 순환에 의해 냉각되는 납 차폐부로 이루어진 상기 벽에 의해서 정지된다.

도 1a 에서 시스템의 효율은 다음의 수치 값으로 설명된다.

10 MeV 의 에너지와 5 mA 의 강도를 가진 전자 비임은 50 kW 의 전력을 가진다. 이러한 50 kW 중에서:

* 목표물은 쌍(e⁺ e^- )의 형태로 약 10 W 를 발생시킨다.

* 5 kW 는 텅스텐 실린더에 의해서 정지된다.

* 100 W 는 4 cm 보다 작은 반경으로 출구 튜브를 통해 통과된다.

* 350 W 는 x 축으로부터 4 cm 내지 5 cm 사이의 거리로 출구 튜브를 통과한다.

* 나머지 (약 44.5 W) 는 납의 벽에 의해서 정지된다.

더욱이, 발생된 e⁺ 의 수에 의해서 나뉘어진, 출구 튜브로부터의 출구에서 e⁺ 의 수로서 측정된 집적 효율은 1 MeV 보다 작은 에너지를 가진 e⁺ 에 대해서는 약 55 % 이고, 600 keV 보다 작은 에너지를 가진 e^- 에 대헤서는 약 60 % 이다.

이러한 시스템은 얇은 목표물(예를 들면 50 ㎛ 두께)의 장점을 나타내는데, 이는 그러한 시스템이 e⁺ 방사의 각도와 에너지 사이의 상관 관계를 유지하기 때문이다. 이러한 상관 관계 없이는 분리가 작동하지 않을 것이다.

더욱이, 이러한 구성을 가지고, 방사된 e⁺ 가 출구에서 효과적으로 집적되는데 너무 분산되지 않으면서 비임의 작은 단면(1 mm x 20 mm )을 유지할 수 있다.

양전자의 전체 궤적은 남아 있는 압력이 낮은, 바람직스럽게는 100 Pa 보다 작은 진공 챔버의 내측에 있다. 이는 (10⁵ Pa 정도의) 대기 압력에서 65 % 의 e⁺ 가 손실되기 때문이며, 이러한 계산이 고려되어야 한다. 10² Pa 정도의 압력은 1/1000 미만으로 손실을 감소시킨다.

본 발명은 고체 물리학, 재료 과학 및 표면 물리학등에 적용될 수 있다.

Claims (7)

1. 전자 비임을 발생시키는 수단(20)과 실질적으로 평탄한 표면을 구비하는 목표물(28)을 구비하는 양전자 소스로서, 상기 목표물은 상기 실질적으로 평탄한 표면과 관련하여 계산된 소정의 입사 각도로 상기 실질적으로 평탄한 표면상에 전자 비임을 수용하도록, 그리고 이러한 전자 비임과의 상호 작용에 의해서 양전자를 발생시키도록 설계되고, 이러한 소스는 발생된 전자 비임이 연속적이거나 또는 유사 연속적(quasi-continuous)이며, 전자들의 에너지는 10 MeV 의 정도이고, 목표물의 두께는 500 ㎛ 보다 작으며, 소정의 입사 각도는 10°보다 작은 것을 특징으로 하는 양전자 소스.
2. 제 1 항에 있어서,

   목표물(28)의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 의 범위인 간격 내에 있고 소정의 입사 각도는 2°내지 5°범위의 간격 내에 있는 것을 특징으로 하는 양전자 소스.
3. 제 1 항 및 제 2 항의 어느 한 항에 있어서,

   전자 비임 발생 수단은 연속적인 비임을 발생시키고, 전자들이 공동의 축에 직각인 중간 평면에서 수회 통과되는 동일한 축의(coaxial) 공동을 구비하는 전자 가속기(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 양전자 소스.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,

   목표물과 상호 작용하지 않았던 전자들과 양전자들 사이의 분류 수단을 구비하고, 상기 분류 수단은:

   - 제 1 자기 수단(26)으로서, 그것의 축이 비임의 축에 근접하고 목표물의 평면을 통과하며, 목표물에 의해 방사된 양전자들을 발산시킬 수 있는 자기장을 발생시키도록 설계되고, 목표물의 입력측상에서 적절한 거리에 배치되는 제 1 의 자기 수단(26),

   - 양전자 비임의 초점을 맞추기 위한 자기 4 중극(30)으로서, 제 1 자기 수단과 같은 축을 가지고, 목표물의 출력측에 배치되며, 양전자 비임의 단면을 원형으로 만들도록 설계되고, 상기 양전자 비임은 전자들과 목표물 사이의 상호 작용 부위로부터의 출력에서 매우 평탄하게 되는, 자기 4 중극(30),

   - 양전자들을 원형의 단면을 가진 비임으로 초점을 맞추도록 충분한 긴 거리에서, 4 중극의 출력측상에, 제 1 자기 수단의 축 위에 위치된 제 1 정지 수단으로서, 목표물과 상호 작용하지 않았던 전자 비임으로부터의 전자들을 정지시키도록 설계된 제 1 의 정지 수단(26);

   - 양전자가 수렴될 수 있게 하는 자기장을 발생시키도록 제 1 의 자기 수단으로부터 적절한 거리에서, 제 1 정지 수단의 출력 측상에 배치된, 제 1 의 자기 수단과 같은 축을 따라서 있는 제 2 의 자기 수단(36)으로서, 제 1 및 제 2 의 자기 수단은 이들 양전자들이 제 1 의 정지 수단과 조우하는 것을 방지할 수 있는 자기장을 발생시키도록 협동하는, 제 2 의 자기 수단(36);을 구비하는 것을 특징으로 하는 양전자 소스.
5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,

   - 목표물에 의해 발생된 양전자를 포획하도록 설계된 트랩 수단(46),

   - 상기 양전자들을 상기 트랩 수단을 향하여 안내하도록 설계된 안내 수단(42)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 양전자 소스.
6. 제 5 항에 있어서,

   트랩 수단(46)은 그리브스-서코(Greaves-Surko) 트랩을 구비하는 것을 특징으로 하는 양전자 소스.
7. 제 4 항 및, 제 5 항과 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,

   - 목표물과 상호 작용하지 않았으며 제 2 의 자기 수단과 트랩 수단 사이의 영역에 도달했던 전자 비임내의 전자들을 정지시키도록, 그리고 이러한 전자들이 트랩 수단에 도달하는 것을 방지하도록 설계된 제 2 의 정지 수단(38),

   - 트랩 수단을 향하여 제 2 정지 수단을 통해서 양전자들을 안내하는 수단(42)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 양전자 소스.