KR20090062069A - Ｅｃｒ 이온소스의 자장강도 보정방법 및 장치 - Google Patents

Ｅｃｒ 이온소스의 자장강도 보정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ECR 이온소스의 설계 및 제작과정에서 이미 결정되어진 영구자석 등의 구조 변경없이 ECR 이온소스에서 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)를 변화시킬 수 있도록 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 플라즈마 챔버의 외부 양측에 구비된 한 쌍의 영구자석에 의해 플라즈마 챔버의 내부에 미러 자장이 형성되고, 플라즈마 챔버 내부의 플라즈마는 영구자석 사이의 플라즈마 챔버 외측에 구비된 6극 영구자석에 의해 동경방향으로 가두어지도록 함에 있어서, 상기 영구자석 사이의 중간지점을 기준점으로 하고, 상기 기준점을 중심으로 한 쌍의 가동식 철요크를 대칭으로 이동시켜 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도가 변화될 수 있도록 함으로써 ECR 이온소스의 설계 및 제작과정에서 이미 결정되어진 영구자석 등의 구조 변경없이 보다 간단하게 최적의 빔 강도를 얻을 수 있는 효과를 갖게 된다.
플라즈마 챔버, 6극 자석, 영구자석부, 가동 연철요크, 하우징 연철요크

Description

ＥＣＲ 이온소스의 자장강도 보정방법 및 장치{Magnetic field strength compensation method and device of Electron Cyclotron Resonance ion source}
도 1은 종래의 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 ECR 이온소스의 분리 사시도.
도 4는 자장세기와 축위치Z 사이의 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 이온위치와 최소가 되는 자장세기(Bmin)의 관계를 나타낸 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1:플라즈마 챔버 1a:마이크로파 주입부
1b:이온 인출부 2:6극 자석
3,4,5,6:제1,2 영구자석 7,7a:가동식 철요크
8:철요크 커버 9,10:영구자석
11:플라즈마 전극 11a:이온 통과공
12:인출 전극 30:챔버 관통공
71:철요크 몸체 72:자석 관통공
80:커버몸체 121:이온 인출공
122,122a:이온 출구
본 발명은 ECR 이온소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ECR 이온소스의 설계 및 제작과정에서 이미 결정되어진 영구자석 등의 구조 변경없이 ECR 이온소스에서 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)를 변화시켜 보다 최적화된 빔 강도를 얻을 수 있도록 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이미 알려진 바와 같이 ECR 이온소스는 챔버 내부의 기체에 마이크로파를 입사시켜 자장을 걸었을 때, 자장에 의한 회전주파수와 마이크로파 주파수가 일치하여 발생되는 전자 사이클로트론 공명현상(ECR; Electron Cyclotron Resonance)을 이용하여 플라즈마를 생성하고 챔버의 내부에 가두어 이온을 인출해서 사용할 수 있도록 하는 것이다.
도 1은 종래의 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이 ECR 이온소스는 마이크로파 주입부(1a) 및 이온 인출부(1b)를 갖는 플라즈마 챔버(1)가 구비되고, 상기 플라즈마 챔버(1)의 외측에는 플라즈마 챔버(1)의 내부에서 생성된 플라즈마를 챔버 내부에 가두어 두기 위하여 6극 영구자석(Hexapole magnet)(2)이 구비되며, 상기 6극 영구자석(2)의 외측 및 양측에는 두 극이 접합된 한 쌍의 제1 영구자석(3)(4) 및 두 극이 분리된 제2 영구자석(5)(6)이 구비되어 미러 자장을 형성하도록 구성되어 있다.
그리고, 이온 인출부(1b)는 플라즈마 전극(Plasma electrode)(11)과 인출 전극(Extraction electrode)(12)로 구성되는 것으로서, 상기 플라즈마 전극(11)은 중앙부에 이온 통과공(11a)을 가지며 마이크로 주입부(1a) 측으로 경사진 콘 형태의 판체로 형성되어 플라즈마 챔버(1)의 내측면에 고정된다.
또한, 인출 전극(12)은 챔버 내의 이온 인출방향에 대하여 플라즈마 전극(11)의 후방측에 위치하며, 이 역시 중앙부에 이온 인출공(121)을 가지며 마이크로 주입부(1a) 측으로 경사진 콘 형태로 형성되고 그 단부로부터 길이를 연장하여 동일 직경을 이루는 원통형으로 이온 출구(122)가 형성되어 있다.
이와같이 구성된 종래의 ECR 이온소스는 마이크로파 주입부(1a)를 통해 플라즈마 챔버(1) 내부의 기체에 마이크로파가 입사되면, 마이크로파 에너지가 구속전자에 전달되고 에너지를 흡수한 구속전자는 원자로부터 이탈되어 자유전자가 된다.
그리고, 추가로 영구자석을 이용하여 이 영역에 자장을 가하면 전자는 로렌쯔(Lorentz)힘에 따라 회전운동을 하게 되는 것으로서, 2.45 GHz의 마이크로파를 입사시킬 경우에 수직자기장을 875 Gauss의 세기로 걸어주면, 자기장에 의한 전자의 회전주파수와 마이크로파 주파수가 일치하여 공명이 일어나고, 전자의 속도 즉, 운동에너지가 증가하면서 회전반경이 커지게 된다.
플라즈마 내의 전자는 이 영역을 지나면서 공명에 의해 가속되어 큰 에너지를 얻게 되고, 형성된 자장에 의해 플라즈마 챔버 벽으로의 확산 손실이 줄어들면서 기체의 이온화율이 높아지기 때문에 낮은 압력에서도 높은 밀도의 플라즈마를 얻을 수 있게 되는 것이다.
또한, 이렇게 생성된 플라즈마는 6극 자석(2)을 이용하여 플라즈마 챔버(1)의 내부에 가두게 되는 것이며, 인출 전극(12)에 인가되는 전압에 의해서 플라즈마 챔버(1) 내부의 이온은 플라즈마 전극(11)의 이온 통과공(11a)을 거쳐 인출 전극(12)의 이온 인출공(121)을 통해 인출되는데, 이때 인출되는 이온은 동일한 직경의 원통체로 형성된 인출 전극(12)의 이온 출구(122)에 의해서 균일한 이온빔의 형태로 인출되는 것이다. 여기서, 미설명 부호 1c는, 절연체(Insulator)이다.
도 2는 전형적인 축방향 위치에 따른 자장의 세기를 나타낸 그래프로서, 이에 도시된 바와 같이 플라즈마 챔버의 주입부 위치를 '0'이라 했을 때, 축방향에 대하여 영구자석이 위치하는 플라즈마 챔버의 주입부 및 인출부에서 미러 자장이 비교적 높게 나타나는데 반하여, 영구자석이 위치하지 않은 플라즈마 중간지점에서는 미러 자장이 최소로 나타나게 된다.
즉, Bmin은 미러 자장이 최소가 되는 장소 및 위치(대략 250mm)의 자장세기이고, Binj 및 Bext는 영구자석과 인접한 플라즈마 챔버의 주입부 및 인출부 측의 자장세기를 나타낸 것이다.
한편, ECR 이온소스로부터 인출되는 빔의 강도는 자장강도에 강한 의존성을 가지며, 특히 미러 자장이 최소가 되는 장소의 자장강도(Bmin)는 빔 강도에 큰 영향을 주게 된다.
통상, ECR 이온소스는 최적화된 빔 강도를 만족하기 위해 설계과정을 거쳐 ECR 이온소스를 제작하게 되나, 실제 실험을 통하여 빔 강도를 측정하여 보면 원하는 최적화된 빔 강도가 나오지 않게 되는 경우가 많다.
그것은 자장강도에 강한 의존성을 지닌 빔 강도의 특성에 의한 것으로서, 미러 자장을 형성하는 영구자석 등의 구조를 설계하는 과정에서 그 원인을 찾을 수 있다.
그러나, 이미 완성된 상태, 즉 영구자석 등의 구조가 결정된 상태에서 자장강도의 변화를 갖는 것은 거의 불가능하므로 ECR 이온소스를 설계 및 제작할 때 보다 세심한 주의를 요한다.
또한, ECR 이온소스의 재설계 및 제작에 따른 작업의 번거로움 및 불편성은 물론 작업의 비효율성에 따른 시간적, 경제적 낭비를 초래하는 문제점을 안고 있는 것이다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 그 목적은 ECR 이온소스의 설계 및 제작과정에서 이미 결정되어진 영구자석 등의 구조 변경없이 ECR 이온소스에서 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)를 변화시켜 보다 최적화된 빔 강도를 얻을 수 있도록 하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 플라즈마 챔버의 외부 양측에 구비된 한 쌍의 영구자석에 의해 플라즈마 챔버의 내부에 미러 자장이 형성되고, 플라즈마 챔버 내부의 플라즈마는 영구자석 사이의 플라즈마 챔버 외측에 구비된 6극 영구자석에 의해 동경방향으로 가두어지도록 함에 있어서, 상기 영구자석 사이의 중간지점을 기준점으로 하고, 상기 기준점을 중심으로 한 쌍의 가동식 철요크를 대칭으로 이동시켜 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도가 변화될 수 있도록 한 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정방법이 제공된다.
또한, 상기 영구자석 및 철요크의 외부에 철요크 커버를 구비하여 상기 철요크 커버에 의해 자기장의 세기를 크게할 수 있도록 한 것을 특징으로 한 것이다
또한, 마이크로파 주입부 및 이온 인출부를 갖는 플라즈마 챔버의 외부 양측에 구비되어 미러 자장을 형성하는 영구자석과, 상기 영구자석 사이의 플라즈마 챔버의 외측에 구비되어 플라즈마를 동경방향으로 가두는 6극 영구자석이 구비됨에 있어서, 상기 영구자석의 사이에 한 쌍의 철요크가 영구자석 사이의 중간지점에서 서로 대칭으로 이동가능하게 구비된 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정장치가 제공된다.
또한, 상기 영구자석 및 가동식 철 요크의 외측에 철요크 커버가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가동식 철요크는 영구자석과 동일한 직경으로 형성한 철요크 몸체로 형성되고, 상기 철요크 커버는 영구자석 및 가동식 철요크에 상응하는 내경을 갖는 커버몸체로 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 ECR 이온소스의 개략 구성도이고, 도 3은 본 발명의 철요크 구조를 나타낸 분리 사시도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 ECR 이온소스는 통상에서와 같이 마 이크로파 주입부(1a) 및 이온 인출부(1b)를 갖는 플라즈마 챔버(1)가 구비되고, 상기 플라즈마 챔버(1)의 외부 양측에는 미러 자장을 형성하는 한 쌍의 영구자석(9)(10)이 구비되며, 상기 영구자석(9)(10) 사이의 플라즈마 챔버(1) 외측에는 챔버 내부의 플라즈마를 동경방향으로 가두기 위한 6극 영구자석(Hexapole magnet)(2)이 구비된다.
또한, 상기 이온 인출부(1b)는 중앙부에 이온 통과공(11a)이 형성된 플라즈마 전극(Plasma electrode)(11)과, 상기 이온 통과공(11a)에 동축을 이루는 이온 인출공(121)과 후방측으로 이온 출구(122)를 갖는 인출 전극(Extraction electrode)(12)으로 구성되어 인출전극(12)에 인가되는 전압에 의해서 플라즈마 챔버(1) 내부의 이온을 빔 형태로 인출할 수 있도록 구성되어 있는 것이다.
한편, 상기 영구자석(9)(10)에 의해 형성된 미러 자장은 영구자석(9)(10)과 인접한 플라즈마 챔버(1)의 주입부와 인출부 측에서 비교적 높게 나타나는데 반하여, 영구자석(9)(10)이 위치하지 않은 플라즈마 챔버(1)의 중간지점에서는 최소가 되고, 이 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)는 빔 강도에 큰 영향을 미친다.(도 4 참조.)
이에 본 발명은 자장에 영향을 미치는 철요크를 이용하여 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)를 변화시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하고 있는 것이며, 이 자장강도의 변화에 의해 빔 강도 역시 변화됨으로써 영구자석 등의 구조 변경없이 최적화된 빔 강도를 얻을 수 있게 되는 것으로서, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 영구자석(9)(10) 사이의 중간지점을 기준점(10)으로 하고, 상기 영구자석(9)(10) 사이에 구비된 6극 영구자석(2)의 외측에 한 쌍의 가동식 철요크(7)(7a)를 구비하게 되는데, 이때 상기 가동식 철요크(7)(7a)는 상기 기준점(10)을 중심으로 좌.우 대칭으로 이동 가능하게 구비된다.
이렇게 기준점(10)을 중심으로 좌.우에 철요크(7)(7a)를 구비하게 되면, 영구자석(9)(10)의 두 극 사이의 자기력이 가동식 철요크(7)(7a)에 영향을 미치게 되고, 상기 가동식 철요크(7)(7a)의 사이에도 자기력이 미치게 되는 것이며, 가동식 철요크(7)(7a)를 좌.우 대칭으로 이동시킬수록 상기 가동식 철요크(7)(7a)에 미치는 영구자석(9)(10)의 자기력이 커지게 됨으로써 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)를 크게 할 수 있게 되는 것이다.
그리고, 자기력은 물체의 거리에 반비례하므로 가동식 철요크(7)(7a)를 다시 기준점(10)의 위치로 복귀시키게 되면, 영구자석(9)(10)과 가동식 철요크(7)(7a) 사이의 거리가 점차 멀어져 자기력이 약해지는 것이다.
이와함께 상기 영구자석(9)(10) 및 가동식 철요크(7)(7a)의 외측에 철요크 커버(8)를 구비하게 되면, 영구자석(9)(10)의 자기력이 철요크 커버(8)까지 영향을 미쳐 같은 전류로 자기장의 세기를 더 크게할 수 있게 된다.
한편, 상기 가동식 철요크(7)(7a)는 영구자석(9)(10)과 동일한 직경을 갖는 원형 단면구조의 철요크 몸체(71)로 형성되는 것으로서, 상기 철요크 몸체(71)는 중앙부에 6극 영구자석(2)이 관통하는 자석 관통공(72)이 형성되고, 영구자석(9)(10)은 플라즈마 챔버(1)가 관통하는 챔버 관통공(30)이 형성된다.
또한, 상기 영구자석(9)(10) 및 가동식 철요크(7)(7a)의 외측에 구비되는 철요크 커버(8)는 영구자석(9)(10) 및 가동식 철요크(7)(7a)의 외경에 상응하는 내경을 갖는 수평의 원통체로 된 커버몸체(80)로 형성된다.
이와같이 구성된 본 발명은 플라즈마 챔버(1)의 외측에 6극 영구자석(2)과 6극 영구자석(2)의 양측에 미러 자장을 형성하는 영구자석(9)(10)을 배치 구성하고, 상기 6극 영구자석(2)의 외측에 한 쌍의 가동식 철요크(7)(7a)가 배치 구성되는 것이며, 상기 가동식 철요크(7)(7a) 및 영구자석(9)(10)의 외측에 원통형의 커버몸체(80)로 형성된 철요크 커버(8)를 배치하여 같은 전류로 자장의 세기를 보다 증대시킬 수 있도록 구성한 것이다.
그리고, 상기 가동식 철요크(7)(7a)는 플라즈마 챔버(1)의 대략 중간지점을 기준점(10)으로 하여 좌.우 대칭으로 이동시키게 되면, 영구자석(9)(10)에 인접한 부분보다 상대적으로 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)가 변하게 되고, 이에 따라 자석 등의 구조 변화없이 보다 최적화된 빔 강도를 얻을 수 있는 장점을 갖게 되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 영구자석 사이의 중간지점을 기준점으로 하고, 상기 기준점을 중심으로 한 쌍의 철요크를 대칭으로 이동시켜 빔 강도에 큰 영향을 미치는 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도(Bmin)를 변화시킬 수 있도록 함으로써 ECR 이온소스의 설계 및 제작과정에서 이미 결정되어진 영구자석 등의 구조 변경없이 보다 간단하게 최적의 빔 강도를 얻을 수 있을 뿐 아니라 기존에 ECR 이 온소스를 재설계 및 제작함에 따른 작업의 비효율성 및 시간적, 경제적 낭비를 해소할 수 있는 효과를 갖게 된다.

Claims (5)

  1. 플라즈마 챔버의 외부 양측에 구비된 한 쌍의 영구자석에 의해 플라즈마 챔버의 내부에 미러 자장이 형성되고, 플라즈마 챔버 내부의 플라즈마는 영구자석 사이의 플라즈마 챔버 외측에 구비된 6극 영구자석에 의해 동경방향으로 가두어지도록 함에 있어서,
    상기 영구자석 사이의 중간지점을 기준점으로 하고, 상기 기준점을 중심으로 한 쌍의 가동식 철요크를 대칭으로 이동시켜 미러 자장이 최소가 되는 위치의 자장강도가 변화될 수 있도록 한 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석 및 철요크의 외부에 철요크 커버를 구비하여 상기 철요크 커버에 의해 자기장의 세기를 크게할 수 있도록 한 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정방법.
  3. 마이크로파 주입부(1a) 및 이온 인출부(1b)를 갖는 플라즈마 챔버(1)의 외부 양측에 구비되어 미러 자장을 형성하는 영구자석(9)(10)과, 상기 영구자석(9)(10) 사이의 플라즈마 챔버(1)의 외측에 구비되어 플라즈마를 동경방향으로 가두는 6극 영구자석(2)이 구비됨에 있어서,
    상기 영구자석(9)(10)의 사이에 한 쌍의 가동식 철요크(7)(7a)가 영구자 석(9)(10) 사이의 중간지점에서 서로 대칭으로 이동가능하게 구비된 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영구자석(9)(10) 및 가동식 철 요크(7)(7a)의 외측에 철요크 커버(8)가 구비된 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가동식 철요크(7)(7a)는 영구자석(9)(10)과 동일한 직경으로 형성한 철요크 몸체(71)로 형성되고, 상기 철요크 커버(8)는 영구자석(9)(10) 및 가동식 철요크(7)(7a)에 상응하는 내경을 갖는 커버몸체(80)로 형성된 것을 특징으로 한 ECR 이온소스의 자장강도 보정장치.
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