KR20110106885A - 고속 이온 발생기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

특정 축/공축을 따라 실질적으로 일정하게/균일하게 배향된 (즉, 미리 정해진 배향의 방향을 갖는, 나노 스케일 특징을 갖는 표면 양각 (즉, 거칠기) (즉, 패터닝 된 표면, 패턴은 나노 스케일 패턴 특징을 포함한다) ) 및 고전력 간섭성 전자기 방사 소스 (예컨대 레이저)와 함께 사용되는 빔 유닛을 포함하는 시스텡이 제공된다.

Description

고속 이온 발생기 및 그 제조 방법{A system for fast ions generation and a method thereof}

고속 이온 빔 (ion beams)은 방사성 동위 원소 (radioactive isotope)의 생산, 중성자 생산, 방사선 촬영, 핵융합 및 다양한 형태의 방사선 치료를 포함하는 다양한 어플리케이션을 위한 관심의 대상이다. 고속 이온 빔은 보통 사이클로트론 (cyclotron) 또는 싱크로트론 (synchrotron)과 같은 다양한 구조의 가속기들에 의해 생산된다. 가속기들은 많은 돈을 들여 운행 및 유지되어야 하는 상대적으로 크며 비싼 기계이다. 매우 높은 강도 및 전기장을 제공할 수 있는 레이저의 개발이 고속 이온을 생산하도록 레이저 광 전기장에 사물을 노출시키는 연구 및 비교적 저렴한 고속 이온 소스를 제공하는 레이저 사용에 대한 관심을 자극해왔다.

US 6,906,338는 의료 목적으로 사용될 수 있는 양성자와 같은 강력한 (energetic) 이온의 고 플럭스를 생산하기 위한 약 10^l8 내지 약 10²³ (Watts/cm²) (W/cm²) 사이의 밀도의 에너지에 집중된 "약 1 내지 500 펨토 초 (femtoseconds:fs) 사이의 펄스 길이를 갖는" 레이저 펄스를 사용하는 것을 개시한다. 이 펄스들은 다양한 디자인의 타겟과 상호 작용하며, "상이한 종의 이온들 (예컨대, 양성자), x 선, 전자, 잔여 펄스 102 및 상이한 에너지 요소 (예컨대, 특정 에너지 밴드 또는 창 내의 MeV, 10's MeV, 및 100's MeV)를 포함하는" 방사 요소들을 제공하기 위한 것이다. 타겟은 펄스의 프리 펄스 (pre-pulse) 에너지를 흡수하기 위한 박막층을 포함할 수 있다. 빔 운반 시스템은 미리 정해진 빔 에미턴스 및 에너지를 갖는 타겟에서 생산되는 양성자와 같은 이온이 치료 어플리케이션을 위한 "처치 장 (treatment field)"으로 전파되는 것을 허용한다. 상기 특허는 레이저 펄스의 전파 방향과 관련하여 타겟 다운 스트림 측에서 오목하며 그루브를 갖도록 형성될 수 있거나 또는 파이버, 클러스터 또는 폼 (foam)을 포함하는 타겟들을 기술한다. "그루브 (groove:402), 파이버 (404), 클러스터 (406) 또는 폼 (408)의 크기는 펄스 필드의 전자 편위 (electron excursion)의 크기 (약 1 마이크론보다 작은) 보다 짧게 디자인될 수 있다.

응용 물리학 90호에 실린 T. 펄천 (Palchan) 및 기타의 논문 "스노우 클러스터로의 고 강도의 짧은 레이저 펄스의 효율적 커플링 (Efficient Coupling of High Intensity Short Laser Pulse into Snow Clusers)"은 2007년 1월 24일 본 발명의 동일 발명자들 중의 일부에 의해 온 라인 출판되었으며 본 명세서에 참조로서 포함되는데, 이것은 "레이저 파장보다 짧은 직경을 갖는 길게 연장된 눈송이 (snowflake)"를 포함하는 타겟에 강한 레이저 빛을 커플링하는 것을 기술하고 있다. 눈송이들은 진공 챔버 위치하며 -70℃ 아래로 냉각된 사파이어 (Al₂O₃) 기판 상에서 형성된다. 발명자들은 약 1x10¹⁵ W/cm² 내지 약 2x10¹⁶ W/cm² 사이의 강도로 눈송이에 집중된 800 nm 파장의 레이저 빛의 펄스에서 에너지의 약 94%가 눈송이에 의해 흡수된다는 것을 발견했다. 상기 펄스는 약 150 fs의 펄스 폭 및 약 IO^-3의 콘트라스트 비를 가졌다.

응용 물리학 91호 (2007)에 실린 T. 펄천 (Palchan) 및 기타의 다른 논문 "고 전력 레이저의 스노우 나노 튜브로의 효과적 커플링에 의한 고속 이온 생성"은 2007년 12월 18일 본 발명의 동일 발명자들 중의 일부에 의해 온 라인 출판되었으며, "중간 강도, I ~ 10¹⁶ _ 10¹⁷ W/cm²에서 스노우 나노 튜브와 짧은 레이저 펄스의 상호 작용 동안의 고속 이온의 생성"을 기술한다. 상기 논문은 본 명세서에 참조로 포함되며, 상호 작용에서 100 keV에 이르는 운동 에너지를 갖는 수소 유사 (H-like) 및 헬륨 유사 (He-like) 산소가 생성되었다는 것을 언급한다. 스노우 나노튜브의 타겟은 H₂O 기체를 진공에서 100 K의 온도에서 1 mm 두께의 사파이어 (AI₂O₃) 판에서 증착함으로써 성장한 스노우 클러스터였다. 상기 스노우 클러스터는 약 100 마이크론 두께의 사파이어 기판 상에 층을 형성하도록 무작위로 (randomly) 증착되었으며 "0.01 - 0.1 μm 범위의 특성 크기를 갖는 길게 연장된 클러스터"를 포함했다.

발명자들은 전술한 논문들에 기술된 것과 같이, 고전력 간섭성 (coherent) 전자기 방사, 무배향성 (non-oriented) 타겟 (T)의 주어진 강도에서, 상기 방사 빔과의 상호 작용은 상대적으로 높은 에너지 이온의 상대적으로 큰 플럭스를 생산하는 경향이 있다는 것을 발견했다.

발명자들은 배향성 (oriented) 패터닝된 (patterned) 타겟 (OPT)를 생성하였으며 이와 같은 배향성 패터닝된 타겟 (OPT)과 입사 전자기 방사와의 상호 작용을 조사하였다. 타겟 기판 표면 상의 패턴은 특정 공통 축을 따라 균일하게 배향된, 특정 길이 방향 축들 (소위 "길게 연장된 특징")을 갖는 패턴 특징을 갖는다. OPT의 이와 같은 패턴 특징은 예컨대 나노-와이어, 필라멘트 등과 같은 와이어와 같은 (wire-like) 요소들에 의해 구성된다. 이 배향성 패턴 특징들은 OPT 표면 상에 거칠기 (roughness)를 갖는데, 이 거칠기는 연속 표면 양각 (continuous-surface relief)으로 구현되거나 구현되지 않을 수 있다.

이와 같은 OPT의 사용은 높은 운동 에너지를 갖는 고속 이온 생성에 기여하는 OPT에 커플링하는 방사의 효율을 강화하기 위한, 입사 전자기 방사의 변수 최적화를 가능하게 한다. 이와 같은 최적화 가능한 변수들은 OPT 표면 상의 전자기 방사 빔의 입사 각 및/또는 입사 빔의 편광을 포함한다. 아래에 후술되는 바와 같이, 입사 각은 소위 "스침각 (grazing angle)", 즉 빔 전파 축과 OPT 표면 사이의 45° 미만의 각이다 (또는 빔 전파 축과 OPT 표면의 법선 간의 각인 "입사각"의 의미에서 45°를 초과하는). 스침각 (고도와 방위각으로서의 크기)의 최적값은 최적의 고속 이온 빔의 생성을 달성하기 위해, 패턴 (핏 (pit)의 깊이를 포함)의 임계 크기 및 배향 (orientation)의 방향에 따라 적절히 선택되고/되거나 점진적으로 변화해야 한다는 것이 이해되어야 한다.

편광된 전자기 방사 예컨대, 선형 편광과 관련하여, 이것이 미리 정해진 바람직한 편향 방향을 갖는 빛을 의미한다는 것이 이해되어야 한다. 편광 방향은 OPT의 배향 축, 플럭스 (fluxe) 및 이온 에너지에 따라 선택되었으며, 무-배향성 타겟 (T)에 비하여 강화된 것으로 보였다. 따라서, 상대적으로 큰 플럭스에서 상대적으로 고속인 이온을 생산하기 위해서는 OPT 타겟을 사용하는 것이 T 타겟을 사용하는 것보다 효과적이다.

무작위로 배향되는 필라멘트를 포함하는 타겟은 "타겟 (T)"로 지칭되며, 바람직한 배향의 방향을 보이는 표면 패턴를 갖는 타겟은 "배향 패턴화된 (OPT)"으로 지칭됨을 이해하여야 한다. 특히, OPT 타겟와 상호 작용하는, 약 5x1O⁹ W/cm² 와 약 5x10^2O W/cm² 사이의 강도를 갖는 레이저 펄스는 약 (20)과 (20)0 MeV 사이의 에너지를 갖는 양성자 버스트 (burst)를 생산할 수 있다. 상기 버스트는 10⁶ 양성자보다 많은, 10⁷ 양성자보다 많은,10⁸ 양성자보다 많은, 10⁹ 양성자보다 많은 또는 심지어 10¹⁰ 양성자를 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명은 고속 이온 (고속 이온의 빔)을 생성하는 새로운 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 시스템은 특정 축/공축을 따라 실질적으로 일정하게/균일하게 배향된 (즉, 미리 정해진 배향의 방향을 갖는, 나노 스케일 특징을 갖는 표면 양각 (즉, 거칠기) (즉, 패터닝 된 표면, 패턴은 나노 스케일 패턴 특징을 포함한다) 및 고전력 간섭성 전자기 방사 소스 (예컨대 레이저)와 함께 사용되는 빔 유닛을 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 빔 유닛은 상기 전자기 방사를 상기 타겟 기판의 상기 패터닝된 표면에 미리 정해진 스침각 (grazing angle)으로 향하도록 적응되며; 상기 스침각은 상기 패턴에 따라 원하는 높은 운동 에너지의 고속 이온 생성을 가능하게 하는, 상기 상호작용이 상기 방사 빔과 상기 기판 사이의 효과적 커플링 (coupling)을 제공하도록 선택된다.

스침각은 빔과 표면 사이의 각, 즉, 90°에서 입사각을 뺀 각을 지칭한다는 것이 언급되어야 한다. 몇몇 실시예들에서, 스침각 45°보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 스침각은 약 20°-40°범위이다 (즉, 입사각 50° - 70°).

몇몇 실시예들에서, 상기 전자기 빔은 미리 정의된 (pre-defined) 편광 방향을 가지며. 상기 편광 방향은 상기 타겟 기판의 상기 패턴 특징의 배향 축과 상기 편광 방향과의 사이의 특정 각을 정의하고, 상호 작용이 원하는 높은 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 생성을 가능하게 하는, 상기 방사 빔과 상기 기판 사이의 효과적 커플링 (coupling)을 제공하도록 선택된다.

따라서, 전자기 방사 빔의 편광 방향과 타겟 기판의 패턴 특징의 배향 축 사이의 각과 스침각은 방사 빔과 기판 사이의 상호 작용이 방사 빔과 고속 이온 생성을 가능하게 하는 기판 간의 효율적 커플링을 제공하도록 선택된다. 이에 의해, 본 발명은 비교적 많은 양의 이온을 생산하는 이온 소스를 가능하게 한다. 몇몇 실시예들에서, 편광 방향과 배향 축간의 각은 0° - 30°범위이다.

본 발명의 시스템은 5 MeV; 50 MeV; 100 MeV; 150 MeV; 200 MeV 중 적어도 하나와 동일하거나 이보다 큰 운동 에너지를 갖는 고속 이온을 제공한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이온은 양성자를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 이온은 산소 이온를 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 시스템은 OPT의 배향의 방향과 상이한 각으로 선택적으로 조정하도록 구성되고 동작가능한 빔 유닛을 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 상기 방사 빔은 OPT의 배향의 방향과 관련하여 원하는 편광 방향을 갖는 편광 빔을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 편광 방향은 배향 축에 실질적으로 평행하다.

몇몇 실시예들에서, 빔 유닛은 편광 방향이 배향의 방향에 실질적으로 평행하도록 편광 방향을 지향시키도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 상기 빔 유닛은 편광 방향이 배향의 방향에 대해 비교적 작은 각 (0° - 30°)을 갖도록 편광 방향을 지향시키도록 구성된다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 빔 유닛은 상기 빔 유닛은 타겟의 점 사이즈 (spot size)에 상기 방사 빔을 집중시키도록 구성되고 동작 가능하며, 상기 점 사이즈는 상기 방사 빔이 10¹⁶ W/cm^{2 ,} 10¹⁷ W/cm², 10¹⁸ W/cm², 10¹⁹W/cm², 10²⁰ W/cm^{2 .}중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 최대 강도를 갖는다.

이 관계에서, 강도

의 레이저 빔에 의해 생산되는 전기장은

이라는 것이 이해되어야 한다. 5 마이크론의 점 직경 (spot diameter)에 집중 (focusing) 되는 10¹² Watt의 짧은 강력한 레이저 빔에 대해, 약 6 x 10¹⁰

의 전기장이 초점 영역에 생성된다. 이 전기장은 수소 원자에서 전자들을 구속하는 전기장보다 크다. 따라서, 상호 작용 중에, 전자들은 세가지 메커니증 중의 하나에 의해 광자- 이온화된다. 지배 과정은 레이저 강도 및 이온화 포텐셜 (potential)에 의존한다. 제 1 메커니즘은 다수 광자 이온화 메커니즘인데, 여기서는 다수의 광자이 원자를 동시에 때려서 (hit) 이온화 에 필요한 에너지 갭 (800 nm 빔의 한 광자가 약 1.5 eV를 갖는다)을 넘어선다. 제 2 메커니즘은 터널 이온화 메커니즘인데, 여기서는 원자의 전기장이 레이저 빔에 의해 파괴되고, 낮아진 포텐셜 장벽 (barrier) 때문에 전자가 터널화 될 가능성이 무시할 수 없을 정도이다. 제 3 메커니즘은 장벽 너머의 이온화 메커니즘인데, 여기서는 레이저 빔의 전기장이 레이저 전기장으로부터 운동 에너지를 얻고 전자가 근본적으로 자유로운 이온화 포텐셜과 비교하여 더 크다.

로 정의되는 켈디쉬 (Keldysh) 변수는 폰더로모티브 (ponderomotive) 포텐셜인데, 여기서 Ip는 이온화 포텐셜이고,

이다.

이면, 다수 광자 이온화가 이온화를 위한 지배 메커니즘이다. 본 발명에서, 타겟의 초점에서 방사 빔은 10¹⁶ W/cm^{2 ,} 10¹⁷ W/cm², 10¹⁸ W/cm², 10¹ W/cm², 10²⁰ W/cm^{2 .} 중의 하나와 동일하거나 더 큰 최대 강도를 갖는다. 따라서, γ< 1이고 포함된 메커니즘이 제 2 케이스이이며, 어떤 경우에는 제 3 메커니즘이다. 따라서, 방사 빔의 리디 에지 (leading edge)가 타겟에 도달하면, 이것이 원자들을 이온화시켜서, 방사 빔과 OPT 간의 상호 작용이 근본적으로 플라즈마에 의해 이루어진다.

몇몇 실시예들에서, 타겟 기판의 패터닝 된 표면은 연속 표면이며 상기 패턴은 그루브를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 나노 스케일 특징들은 길게 연장된 불연속적 나노 구조를 포함한다.

예컨대, 나노 스케일 특징은 0.5λ; 0.25λ; O.lλ; 0.05λ; 0.02λ 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 작은 특성 폭 및 λ; 2λ; 5λ;10λ 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 특성 길이를 갖는다. 발명자들은 타겟과 상호 작용하는 전자기 방사 (예컨대 광 펄스)의 전기장을 위한 집중 장치 (concentrator)로 작용한다고 생각한다.

특히, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 표면 패턴은 실질적으로 균일한 배향의 방향에 의해 특징 지워지는 필라멘트/나노 와이어 층을 포함한다. 이 경우, 전기장의 거시적 (macroscopic) 금속 바늘이 그 단부에서 강한 전기장을 발생시키거나 플라스몬 (plasmon) 공진에서 측정된 국지적 전기장 강화를 발생시키듯이, 필라멘트는 그 단부에 레이저 전기장을 집중 (concentrate) 및 증폭하는 휜 도전 바늘로 행동할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 표면 패턴은 모두 동일 방향으로 정렬되어 기판에 흩어진 (scattered) 나노-초승달 (crescent) 모양의 구조를 포함한다. 이 경우, 나노-초승달은 그 단부에 레이저 전기장을 집중 (concentrate) 및 증폭하는 휜 도전 바늘로 행동할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 필라멘트는 아이스 (ice) 필라멘트이다. 본 출원의 맥락에서 "아이스", "스노우", 및 "H₂O 증기"라는 명칭은 수증기로 만들어지는 패턴 특징을 지칭하기 위해 교환적으로 사용될 수 있음을 기억해야 한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 패터닝 된 표면은 1 μm; 10 μm; 20 μm; 50 μm; 100 μm 중의 적어도 하나와 동일하거나 이보다 큰 두께를 갖는다.

몇몇 실시예들에서, 상기 사파이어, 실리콘, 탄소 또는 플라스틱 물질 중의 적어도 하나로 만들어진다. 몇몇 실시예들에서, 상기 타겟 기판은 상기 기판에 걸쳐 바이어싱 (biasing) 전기장이 인가된 가운데, 진공 챔버에서 수증기와 상기 기판을 상호작용 시킴으로써 만들어지며, 이에 의해 전기장을 따라 배향된 나노 스케일 특징이 생성된다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 방사 빔은 적어도 하나의 레이저 광 펄스를 포함한다. 선택적으로, 펄스는 1 ps; 0.5 ps; 0.2 ps; 0.1 ps; 0.03 ps 중의 적어도 하나와 동일하거나 이보다 작을 지속 시간을 갖는다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 본 발명은 플라즈마 생산을 위해 "프리 펄스" 채용의 매우 새로운 방법을 가능하게 한다. 프리 펄스는 메인 플라즈마 생산 펄스에 앞서는 에너지 펄스이다. 프리 펄스는 레이저 증폭의 아티팩트 (artifact) 이며 보통 이 프리 펄스가 앞서는 레이저 광 펄스의 10^-3와 10^-6 사이의 강도를 갖는다는 것을 기억하여야 한다. 프리 펄스는 통상 타겟 내의 사물로 레이저 광 펄스와 간섭한다. 프리 펄스는 통상 프리 펄스에 뒤따르는, 타겟 표면 상에 입사되는 레이저 광 펄스에 에너지를 반사하는 표면 상에 플라즈마를 생성하며, 이에 의해 뒤따르는 광 펄스의 에너지를 타겟과 커플링하는 에너지 효율을 감소시킨다. 하지만, 본 발명의 일실시예에 따라, OPT 타겟과 상호작용하는 레이저 펄스를 동반하는 프리 펄스는 타겟의 일부를 제거 및 이온화함으로써 소멸되는 것으로 보인다. 본 발명의 일실시예에 따라, 타겟의 일부를 제거 및 이온화에 의해 생성되는 플라즈마는 통상, 프리 펄스와 연관된, 그리고 이에 뒤따르는 이어지는 펄스의 에너지와 강하게 상호 작용하지 않는 서브 임계적 밀도 플라즈마이다. 그 결과, 이어지는 펄스는 프리 펄스에 의해 생성되는 플라즈마와 실질적으로 간섭 없이, 타겟의 잔여, 제어되지 않은 부분과 비교적 효율적으로 상호 작용할 수 있다.

레이저 펄스 형태의 에너지 펄스가 바람직하지만, 다른 유형의 에너지 펄스도 상상할 수 있다. 예컨대, 초단 (ultra short) 전자 빔 펄스와 같은 것이 그러하다. 하지만, 아래의 설명에서는 레이저 펄스 형태의 에너지 펄스가 바람직한 예로서 취해질 것이다. 전자기 방사는 보통 메인 (main) 펄스에 앞서는 프리 펄스 (pre-pulse)를 포함하는 레이저 광 펄스일 수 있다. 하지만, 본원의 시스템은 매우 낮은 콘트라스트 비 (즉, 프리 펄스가 메인 펄스의 약 10^-14의 강도를 갖는다)를 갖는 레이저 시스템으로 사용될 수도 있다. 상기 빔 소스는 프리 펄스가 약 10 ns와 동일하거나 이보다 큰 시간 동안 펄스에 앞설 수 있도록 제어될 수 있다. 이에 추가하여 또는 대안으로, 상기 표면 패턴은 프리 펄스의 실질적으로 모든 에너지를 흡수하기에 충분한, 표면 패턴에서의 빔 경로 길이와 동일하거나 이보다 큰 특성 크기를 갖는다.

본 발명의 다른 넓은 관점에 따르면, 고속 이온 생성을 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 고전력 편광 간섭성 전자기 방사 빔을 타겟 기판에 조사하는 단계를 포함하며, 상기 타겟 기판은 공통의 배향 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노 스케일 패턴 특징을 포함하는 패턴으로 패터닝된 (patterned) 표면을 갖고; 상기 패턴과 상기 전자기 방사의 적어도 하나의 변수의 관계는 상기 방사 빔과 상기 기판의 패터닝된 표면 간의 상호 작용이 고속 이온 빔을 얻는, 상기 방사 빔과 상기 기판 간의 효율적 커플링을 제공하도록, 상기 전자기 방사 빔의 편광 방향과 상기 배향 축 간의 각, 상기 전자기 방사 빔의 입사각을 선택함으로써 최적화된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 고전력 간섭성 편광 전자기 방사 빔을 수신하고, 상기 방사 빔을 원하는 스침각으로 상기 타겟 기판의 상기 표면을 향햐도록 하는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기판에 걸쳐 바이어싱 (biasing) 전기장이 인가된 가운데, 진공 챔버에서 수증기와 상기 기판을 상호작용 시킴으로써상기 타겟 기판을 제조하여, 패터닝된 기판 형태의 타겟을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 패턴은 상기 전기장을 따라 미리 정해진 실질적으로 균일한 방향으로 배향된 나노 스케일 특징을 갖는다.

본 발명을 이해하고 이것이 실제로 어떻게 구현되는지를 이해하기 위해, 첨부한 도면을 참조하여 실시예들이 설명될 것인데, 이것은 오직 비제한적인 예일 뿐이며, 여기서 도면들 중
도 1a-1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온 생성을 위한 시스템 및 그 방법의 일반적 블록 다이어그램을 간략 도시하며;
도 2 상이한 타겟들과 동일한 방사 빔의 상호 작용을 그래프로 도시하고;
도 3a-3c는 상이한 스침각에서의 타겟과 방사 빔의 상호 작용을 도시하며;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온 발생 시스템의 일례를 간략 도시하고;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 이온 발생 시스템의 다른 예를 간략 도시하며;
도 6A-6C는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 방사 빔과 도 3에 도시된 타겟의 상호 작용을 간략 도시하고;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 이온 발생 시스템의 다른 구조를 도시한다.

도 1a는 고속 이온 빔 생성을 위한 시스템 (20)의 블록 다이어그램을 간략 도시하는데, 상기 시스템은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 방사 (32)와 상호 작용하는 배향 (oriented) 패터닝된 타겟 (OPT) (40)을 포함한다. 상기 OPT 기판 (40)은 44로 표시되는 특정 축 (44)을 따라 실질적으로 동일하게 (homogeneous) 배향된 서브 공진 (sub-resonant) 나노 스케일 (nanoscale) 특징들을 갖는 (즉, 미리 정해진 실질적으로 동일한 배향의 방향을 갖는) 표면 패턴을 갖는다. 상기 시스템 (20)은 고전력 간섭성 전자기 방사 빔을 수신하고, 미리 정해진 편광 방향을 갖는 방사 빔을 타겟 기판 표면 상에 원하는 스침각 (θ)으로 향하게 하도록 구성되고 동작하는 고전력 간섭성 전자기 방사 소스 (92)와 함께 사용될 빔 유닛 (90)을 포함한다. 전자기 방사 빔의 편광 방향과 타겟 기판의 패턴 특징의 배향 축 간의 각 및 스침각은 방사 빔과 기판 간의 상호 작용이 고속 이온의 생성을 가능하게 하는 방사 빔과 기판 간의 효율적 커플링을 제공하도록 선택된다. 특히, 상기 방사 빔의 편광 방향은 기판의 배향 축과 관련하여, 방사 빔 (32)과 기판 (40) 사이의 상호 작용이 기판 고속 이온 생성을 가능하게 하는 방사 빔과 기판 간의 효율적 커플링을 제공하도록 선택된다. 고속 이온 에너지는 검출기에 의해, 생성된 플라즈마에 의해 방사되는 x 선의 라인 프로파일 (line profile) 측정을 수단으로 (예컨대 산소의 다중 충전 (multicharge)된 x 선 방출 스펙트럼을 통해) 측정될 수 있다. 검출기는 1.85 - 1.90 nm 파장 범위에서 연 (soft) x 선 스펙트럼을 측정하는, 휜 운모 결정 (bent mica crystal) (곡률 반경 R=I 50 mm)을 갖는 고 광도 (luminosity) 구형 FSSR 분광기일 수 있다. 상기 x 선 스펙트럼은 각 실험에 대해 다양한 노출 시간으로 안도 (Andor) 후방 조명된 x 선에 의해 기록될 수 있다.

도 1b는 본 발명의 교시에 따라 사용되는 플로우 챠트를 도시한다. 고속 이온 생성 방법은 고전력 편광 간섭성 전자기 방사 빔 (예컨대 적어도 1 TW의 전력을 갖는 고전력 레이저 소스)으로 OPT을 조사하는 단계와 전자기 방사 빔의 편광 방향과 OPT 배향 축 간의 각 및 전자기 방사의 빔을 위한 입사각 (즉, 스침각) 중 적어도 하나를 방사 빔과 OPT의 패터닝 된 표면 간의 상호 작용이 고속 이온 빔의 생성을 가져오는 방사 빔과 기판의 효율적 커플링을 제공하도록 선택/제어함으로써, OPT의 패턴과 적어도 하나의 전자기 방사의 변수를 최적화하는 단계를 포함한다.

도 2는 방사 빔과 3개의 상이한 레이저-타겟 스킴 (scheme) 간의 상호 작용을 그래프로 도시하는데, 여기서 사각 및 삼각형 점들은 짧은 레이저 펄스 (>100 fsec) 및 초단 (ultrashort) 레이저 펄스 (<100 fsec)에 의해 각각 조사된 고체 타겟에 의해 생성된 이온이며, 안이 채워진 원은 초단 레이저와 OPT 타겟에 의한 이온이다.

도면의 영역 D는 다양한 레이저 구성을 사용하는 이 분야 상식을 나타낸다. 양성자 에너지는 대략 레이저 강도 (즉, E proton~ I^{0 .6})의 제곱근의 값을 갖는다. 도면에 명백히 도시된 것과 같이, OPT 타겟 (안이 채워진 원)은 다른 타겟들 (사각 및 삼각형 점들)에 의해 얻는 결과를 넘어서는 크기를 제공한다.

특정한 비 제한적 예에서, 상기 OPT 타겟은 사파이어 기판 상에 놓인 H2O 나노 와이어에 의해 형성된다. 와이어의 직경은 약 100 nm이며, 길이는 수 마이크로미터이다. 따라서, 와이어는 서브-공진 (sub-resonant)된다. 예컨대 와이어의 직경은 약 0.8 μm인 조사된 레이저 전기장 파장보다 작다. 발명자들은 노출되면, 타겟이 입사광의 95% 이상을 흡수한다는 것을 발견했다, 나아가, 후술되는 바와 같이, 상기 타겟은 통상 타겟과 방사빔의 커플링을 감소시키는 프리 펄스에 덜 민감하다. 프리. 상기 타겟은 상호 작용과 관련된 전기장 및 충전된 입자의 가속도 강화한다. 몇몇 실시예들에서, 타겟들의 표면 패턴이 타겟과 상호 작용하는 전자기 방사 (예컨대 광 (light) 펄스)의 전기장을 위한 집중 장치 (concentrator)로 작용한다. 특히, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 상기 표면 패턴은 배향의 방향에 의해 특징지워지는 필라멘트/와이어 층을 포함한다. 이 경우, 전기장의 거시적 (macroscopic) 금속 바늘이 그 단부에서 강한 전기장을 발생시키듯이, 필라멘트가 그 단부에서 레이저 전기장을 집중 및 증폭하는 도전 바늘로 작용할 수 있다. 와이어 단부의 좁은 팁 (tip)의 형상의 크기는 전기장에 의해 조사되면, 대규모 전하 분리를 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 고 강도 레이저 펄스는 와이어를 이온화한다. 와이어 형상에 의해 유도되는 전하 분리는 개별 입자들 (전자 및 양성자)과 상호 작용하는 레이저 전기장에 국지적으로 추가된다.

전기장 강화를 계산하기 위한 변수는 형상 비 (geometrical ratio), g인데, 이것은 나노 스케일 특징의 직경과 길이 사이의 비이다.

필드 강화 인자 (FEF)는 g와 선형 관계이다, 즉,

여기서 E_laser는 조사된 레이저 펄스에 상응하는 전기장이며, E_enhanced는 이온 가속 과정에 포함된 유효 전기장이다.

이제 도 3a-3c가 참조되는데, 이 도면들은 상이한 입사각에서 입사 전자 빔과 OPT의 상호작용에 의해 생성된 양성자를 도시한다. 이 특정한 비 제한적 예에서, 이온 에너지는 특정 에너지 아래의 양성자를 차단하는 알루미늄 시트로 덮힌 CR39 플레이트에 의해 측정된다. 검은 점들은 CR39에서의 이온 흔적을 나타낸다. 도 3a는 참조 목적의 시스템의 배경 레벨을 도시한다. 도 3b는 45°의 입사각으로 패터닝 된 표면을 가열하는 입사 빕과 타겟 간의 상호작용을 도시한다. 양성자 에너지 컷 오프 (cut-off)는 0.5 MeV이다. CR39 플레이트에 의해 커버되는 이온 빔 입체각은 약 (34)°(타겟에 수직)이다. 도 3c는 60°의 입사각으로 패터닝 된 표면을 가열하는 입사 빕과 타겟 간의 상호작용을 도시한다 (즉, 스침각 30°). 양성자 에너지 컷 오프는 5 MeV이다. CR39 플레이트에 의해 커버되는 이온 빔 입체각은 약 5°(타겟에 수직)이다. 따라서, OPT의 사용은 입사 전자기 방사 변수, 본 예에서 입사각의 최적화를 위해, 높은 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 생성에 기여하는 OPT 방사 커플링 효율의 강화 (예컨대 에너지 컷 오프 및 입체각)을 허용한다는 것을 분명하게 보여준다. 도면들은 OPT 표면 상 전자 빔의 스침각 변화의 최적화를 도시한다. 빔 전파 축과 OPT 표면에 대한 법선 간의 각인 입사각은 45°보다 커야한다 (작은 스침각). 이 특정 예에서, 약 60°의 스침각에서의 OPT의 조사는 적어도 36 인자 (factor)만큼의 고속 이온 (예컨대 양성자)의 양을 생성한다. 고속 이온 빔 은 적어도 인자 10만큼 보다 높은 운동 에너지를 갖는다. 본 발명의 교시에 따르면, 스침각을 점진적으로 변화시키고 생성된 고속 이온 빔의 특성들을 측정함으로써 최적 각이 결정될 수 있다. 스침각의 실제 값은 무엇보다 예컨대 그루브의 높이와 같은 패턴 특징에 의존한다는 것이 이해되어야 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 전자기 방사와 상호 작용하는 배향된 패터닝 된 타겟 (OPT) (40)을 포함하는 고속 이온 발생 시스템 (20)의 일례를 간략 도시한다. 방사 빔 (32)은 원하는 스침각 (θ)에서 타겟 (40)을 향한다. 방사 빔 (32)은 화살표 ((34))로 표시되는 미리 정해진 편광 방향을 갖는다. 예컨대, 빔 유닛 (30)은 원 (60)에 의해 간략 도시된 OPT (40)의 초점 (focal) 영역에 집중된 편광된 레이저 빔 펄스를 제공하도록 제어될 수 있다.

이 특정, 비 제한적 예에서, OPT (40)의 표면 패턴은 타겟 받침대 (50) 상에 형성되며 이에 의해 지지되는 배향된 필라멘트를 포함한다. 화살표 (44)는 나노 스케일 특징 (42) 및 OPT (40)의 배향을 특징 지우는 배향의 방향을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서, 편광 방향 (34)은 OPT (40)의 배향 방향에 실질적으로 평행하다.

받침대 (50)는 기술 분야에 공지된 다양한 기술에 따라 구성된 냉각 유닛 (52)와 연결된 사파이어 기판 (51)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 냉각 유닛 (52)은 사파이어 기판 (51)으로부터 열을 제거하기 위해 열 교환기를 통해 액화 질소를 펌핑 (pumping) 하는 액화 질소 순환 시스템 (미도시)와 연결된 Cu 열 교환 블록 (54)을 포함한다. 상기 기판은 전력 공급 (55)과 연결된 바이어스 전극 (56)들 사이에 개재된다. OPT (40) 및 받침대 (50)는 진공 챔버 (미도시) 안에 위치한다. 본 발명의 일실시예에 따르면 OPT (40)를 생산하기 위해, 진공 챔버 내의 압력이 약 5 x 10^-4 mBar 내지 약 10^-5 mBar 사이로 감소되며, 냉각 유닛은 기판 (51)을 약 80°K로 냉각하기 위해 동작한다. 전력 공급 (55)은 배향의 방향 (44)과 평행한 기판 (51)에 바이어스 전기장을 생성하는 전극 (56)들 사이에 전압을 인가하도록 제어된다. 그 후 수증기가 진공 챔버 안으로 도입되어 기판 (51) 상에서 길게 연장된 아이스 (아이스) 필라멘트 (42) 형태로 응축된다. 물은 극성 분자이기 때문에, 분자가 기판에서 응축하여 아이스 필라멘트 (42)가 성장하면, 분자들 및 아이스 필라멘트가 ㅂ바이어스 전기장과 평행하게, 따라서 배향의 방향 (44)으로 배향되는 경향이 있다. 공통 축를 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노 스케일 패턴 특징을 갖는 패턴으로 패터닝 될 수 있는 다른 물질들, 예컨대 실시콘, 탄소, 또는 플라스틱 (즉, C-H 합성물)도 본 발명의 교시에 따른 실질적으로 균일한 배향의 방향을 갖는 타겟 기판를 형성하는데 사용될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 방사 빔 (32)은 빔 펄스를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 수증기는 프리 펄스 (33) 및 펄스 (32)의 실질적으로 모든 에너지를 흡수하기에 충분한 두께로 표면 패턴의 층 (41)을 성장시키기에 충분히 긴 시간 동안 진공 챔버로 도입된다. 프리 펄스 (33) 에너지는 층 (41)의 일부를 제거 및 이온화하고 제거된 물질 대신에, 상대적으로 얇은, 서브 임계적 (sub-critical) 밀도의 플라즈마를 펄스 (32)가 상기 층에 도달하기 전에 층 (41)의 남은 부분 위에 놓음으로써 소멸될 수 있다. 서브 임계적 밀도의 플라즈마는 펄스 (32) 에너지와 강하게 상호 작용하지 않으며, 그 결과, 펄스 (32) 에너지는 효율적으로 층 (41)의 남아 있는 제거되지 않은 부분의 나노 스케일 특징들 (42)에 커플링된다.

물론 기판 (51)에 생성된 전기장의 존재는 실질적으로 방향 (44)을 따라 정렬된, 기판상에 응축된 모든 나노 스케일 특징들 (42)을 낳는 것은 아니다. 하지만, 전기장은 배향 방향 (44)으로 층 (41) 및 OPT (40)를 특징 지우는 정렬된 표면 패턴 (예컨대 아이스 필라멘트)의 밀도를 낳는다. 본 발명의 일실시예에 따라, 타겟 배향 방향 (44)에 평행한 방향인 예컨대 방향 (34)과 같은 방향으로 편광된 빔의 펄스 (33)와 OPT (40)의 상호 작용이 비 배향성 타겟 T와 펄스의 상호 작용에 비해 강화되리라는 것이 예측된다. 따라서, 방사 빔 (예컨대 레이저 광 펄스)과 OPT (40)의 상호 작용에 의해 제공되는 이온 플럭스 및 에너지가 T 타겟과 광 펄스 간의 상호 작용에 의해 제공되는 플럭스 및 에너지에 비해 강화되리라는 것이 예상된다.

발명자들은 고속 이온을 생산하기 위해, 비 배향성 아이스 필라멘트 층을 포함하는 T 타겟과 강한 800 nm 파장 레이저 광 펄스 간의 상호 작용으로 실험을 행했다. 발명자들에 행해진 실험은 위에 언급된 논문 "아이스 나노 튜브의 고전력 레이저의 효율적 커플링에 의한 고속 이온 생성"에 보고된다. 실험은 약 0.1 ps 보다 작은 펄스 폭 및 받침대 (50)와 유사한 타겟 받침대 상에 형성된 1 mm 두께의 T 아이스 필라멘트 타겟 상에 입사된 약 10¹⁶ W/cm²의 "중간 (moderate)" 강도를 갖는 레이저 광 펄스 당 150 KeV 양성자의 플럭스가 생산된다는 것을 보여준다. 동일한 에너지의 양성자를 종래의 레이저 광 펄스와 고체, 비 필라멘트 타겟의 상호 작용으로부터 생산하기 위해서는, 보통 레이저 펄스가 약 10¹⁷ W/cm²의 강도를 요하는데^,, 이것은 T 타겟을 사용할 때 요구되는 것보다 1 오더 (order) 정도 큰 크기이다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 빔 유닛 (30)은 빔 방사 (32) (예컨대 레이저 광 펄스)를 적어도 다음 중 하나와 동일하거나 큰 최대 강도에 집중시킨다: 10¹⁶ W/cm^2, 10¹⁷ W/cm², 10¹⁸ W/cm², 10¹⁹ W/cm², 10²⁰ W/cm^{2 .}

도 5는 본 발명의 시스템의 일례의 구성을 도시하는데, 여기서 상기 빔 유닛은 방사 빔을 초점 영역에 집중시키도록 구성되고 동작하는 유전체 거울 및 비축 (off-axis) 포물선 거울 (예컨대 금 코팅된)장치를 포함한다.

도 6a-6c는 본 발명의 일실시예에 따른 고속 양성자 생성 과정을 간략 도시한다. 이 특정, 비 제한적 예에서, 약 50 MeV의 에너지를 갖는 고속 양성자가 본 발명의 시스템 (20)에 의해 생산되는데, 이 시스템에서 방사 빔 (32) (예컨대, 레이저 광 펄스)은 초점 면에서 파장 800nm, 약 0.1 ps의 펄스 폭 및 약 5x10¹⁹ W/cm²의 강도를 갖는다고 가정된다 (타겟 OPT (40)의 초점 영역 (60)에 집중되면). 초점 영역 (60)에 집중되었을 때, 최대 10^-3W/cm²의 콘트라스트 비 (프리 펄스 강도 대 메인 펄스 강도의 비)를 가정하면, 프리 펄스 (33)는 최대 10¹⁶ W/cm²와 동일한 강도 를 갖는다. 프리 펄스의 에너지 및 초점 면의 위치는 원하는 한편으로는 에너지 빔에서 효율적 커플링을 위한 상호 작용을 제공하기 위해, 다른 한편으로서 초점 면 에너지가 패턴 특징을 파괴하지 않을 정도로 높지 않도록 적절히 조절되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

도 6a는 방사 빔과 PT (20) 간의 상호 작용 직전의 본 발명의 시스템 (20)을 간략 도시한다.

도 6b는 프리 펄스 (33)가 제거되고 이온화되어 그림자 영역 (62)으로 표시된 서브 임계적 밀도의 플라즈마를 남기고 초점 영역 (60)에서 패터닝 된 나노 스케일 특징들 (42)을 갖는 층의 태워 없앰 (burn off) 이 만들어진 후의 본 발명의 시스템 (20)을 간략 도시한다. 플라즈마 (62)는 나노 스케일 특징들 (42)의 초점 영역 (60)에서의 잔여, 제거되지 않은 영역 (64) 위에 놓인다 (overlay). 도면에서는 레이저 펄스 (32)각 막 초점 영역 (60)으로 들어간다. 플라즈마 (62)가 서브 임계적이기 때문에, 이것은 레이저 펄스 (32)에 실질적으로 영향을 끼치지 않는다.

도 6c는 본 발명의 일실시예에 따라, 점선 화살표 (68) 클러스터로 간략 표시된 양성자 플럭스를 생산하는, 비 제거 영역 (64)에서 나노 스케일 특징들 (42)과 상호 작용하는 레이저 펄스 (32)를 간략 도시한다.

표면 패턴은 서브 공진 나노 스케일 특징들 (42)을 갖기 때문에, 예컨대 표면 패턴의 폭이 펄스 (32)의 광 파장보다 많이 작기 때문에, 임의의 주어진 순간에 펄스의 전기장은 인접 표면 패턴에서 그리고 내부에서 실질적으로 변함이 없다. 전술한 바와 같이, 어떤 특정 이론에도 구속되지 않고, 발명자들은 표면 패턴이 전기장에서 그리고 전기장과 평행하게 도전 바늘과 유사하게 행동하며, 그 팁에 전기장을 집중시키고, 복수의 배향된 나노 스케일 특징들 (42)의 집중된 전기장이 상대적으로 대규모인 고속 양성자 플럭스 생산에 특히 유리하다고 생각한다. 삽도 (70: inset)은 펄스 광의 파장보다 작은 펄스 (32)의 일부 영역의 전기장의 나노 스케일 특징들 (42)을 간략 도시한다. 블록 화살표 (72)는 특징 (42) 및 특징의 팁 (74)를 향해 수렴하는 점선 전기장 선 (field line) (76) 근처의 광 펄스 (32)의 전기장을 도시하며, 팁에 집중된 전기장을 간략 도시한다.

집중 전기장 (76)은 원 (80)에 의해 간략하게 도시된 뜨거운 전자의 플럼 (plume)을 생성하는데, 특징들의 수소 및 산소 원자 (미도시)를 이온화 함으로써 이것은 팁 (74) 근처에 특징 (42)을 남긴다. 전자 및 이온화된 원자의 플럼은 강한 2층 전기장 (미도시)를 생성하는데, 이것은 화살표 클러스터 (68)로 표시된 양성자 플럭스를 생산하는 상대적인 고 에너지로 수소 이온을 가속한다.

OPT (40)의 상호 작용에 의해 광 펄스 (32)가 고속 이온 (68)을 생산하는 효율성 (도 3)은 OPT (40)의 나노 스케일 특징 배향 방향 (44)에 대한 펄스 (32) 광의 편광 방향 (34)에 민감하다는 것이 언급되어야 한다. 예컨대, 전술한 바와 같이, 광 펄스는 뱌ㅇ향 (34)과 특징 배향의 방향 (44)이 평행하거나 그들 사이에 작은 각을 가지면 양성자와 같은 고속 이온 플럭스 생산에 특히 효과적이다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 본 발명의 시스템 (20)에 의해 생산되는 이온의 크기 및/또는 에너지는 특징 배향 방향에 대한 편광 방향 (34)의 각을 제어함으로써 제어될 수 있다. 편광 (34)과 필라멘트 배향의 방향 (44) 간의 적절한 각으로부터 멀어지도록 편광 (34)을 회전함으로써, 양성자 에너지가 감소된다. 따라서, 편광 방향과 패턴의 배향 축 간의 각이 최적의 값으로 적절히 조절될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라, 특징 배향 방향 (44)으로부터 멀어지도록 회전된 펄스 (32)의 편광을 간략 도시한다.

Claims (21)

1. 고속 이온 빔 생성 시스템에 있어서,
   패터닝된 (patterned) 표면을 갖는 타겟 (target) 기판;
   공통의 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 (oriented) 나노 스케일 (nanoscale) 패턴 특징을 포함하는 패턴; 및
   고전력 간섭성 (coherent) 전자기 방사 빔을 수신하고 이 방사 빔을 상기 타겟 기판의 상기 패터닝된 표면에 집중 (focusing)시켜, 고속 이온 생성을 가능하게 하는, 상기 방사 빔과 상기 기판 사이의 상호 작용 (interaction)을 야기하도록 적응된 빔 유닛을 포함하는, 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 빔 유닛은 상기 전자기 방사를 상기 타겟 기판의 상기 패터닝된 표면 상에 미리 정해진 스침각 (grazing angle)으로 향하도록 적응되며;
   상기 스침각은 상기 상호작용이 상기 패턴에 따라 원하는 높은 운동 에너지의 고속 이온 생성을 가능하게 하는, 상기 방사 빔과 상기 기판 사이의 효과적 (efficient) 커플링 (coupling)을 제공하도록 선택되는, 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 스침각은 45°보다 작은, 시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 스침각은 약 20°- 40° 범위에 있는, 시스템.
5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 빔은 미리 정의된 (pre-defined) 편광 방향을 가지며, 상기 편광 방향은 상기 타겟 기판의 상기 패턴 특징의 배향 축과 상기 편광 방향과의 사이의 특정 각을 정의하고, 상호 작용이 원하는 높은 운동 에너지를 갖는 고속 이온의 생성을 가능하게 하는, 상기 방사 빔과 상기 기판 사이의 효과적 커플링 (coupling)을 제공하도록 선택되는, 시스템.
6. 제 5항에 있어서, 상기 편광 방향과 상기 배향 축 사이의 각은 0°- 30°범위에 있는, 시스템.
7. 제 5항에 있어서, 상기 편광 방향은 상기 배향 축에 실질적으로 평행한, 시스템.
8. 제 1항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 타겟 기판의 상기 패터닝된 표면은 연속적 (continuous) 면이며 상기 패턴은 그루브 (groove)를 포함하는, 시스템.
9. 제 1항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 스케일 특징은 불연속적 (discrete) 나노 구조를 포함하는, 시스템.
10. 제 9항에 있어서, 상기 나노 구조는 길게 연장된 (elongated), 시스템.
11. 제 10항에 있어서, 상기 나노 구조는 필라멘트 또는 나노 와이어 (nanowire)인, 시스템.
12. 제 11항에 있어서, 상기 필라멘트는 아이스 (ice) 필라멘트인, 시스템.
13. 제 1항 내지 제 11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 타겟 기판은 사파이어, 실리콘, 탄소 또는 플라스틱 물질 중의 적어도 하나로 만들어진, 시스템.
14. 제 1항 내지 제 13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 타겟 기판은 상기 기판에 걸쳐 바이어싱 (biasing) 전기장이 인가된 가운데, 진공 챔버에서 수증기와 상기 기판을 상호작용 시킴으로써 만들어지며, 이에 의해 전기장을 따라 배향된 나노 스케일 특징이 생성되는, 시스템.
15. 제 1항 내지 제 14항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 유닛은 타겟에 점 사이즈 (spot size)에 상기 방사 빔을 집중시키도록 구성되고 동작 가능하며, 상기 점 사이즈는 상기 방사 빔이 10¹⁶ W/cm^{2 ,} 10¹⁷ W/cm², 10¹⁸ W/cm², 10¹⁹W/cm², 10²⁰ W/cm^{2 .}중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 최대 강도를 갖도록 하는, 시스템.
16. 제 1항 내지 제 15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고속 이온은 5 MeV, 50 MeV, 100 MeV, 150 MeV, 200 MeV 중의 적어도 하나와 같거나 이보다 큰 운동 에너지를 갖는, 시스템.
17. 제 1항 내지 제 16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고속 이온은 양성자를 포함하는, 시스템.
18. 제 1항 내지 제 17항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고속 이온은 산소 이온을 포함하는, 시스템.
19. 고속 이온 생성 방법에 있어서,
    고전력 편광 간섭성 전자기 방사 빔을 타겟 기판에 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 타겟 기판은 공통의 배향 축을 따라 실질적으로 균일하게 배향된 나노 스케일 패턴 특징을 포함하는 패턴으로 패터닝된 (patterned) 표면을 갖고;
    상기 패턴과 상기 전자기 방사의 적어도 하나의 변수의 관계는 상기 방사 빔과 상기 기판의 패터닝 된 표면 간의 상호 작용이 고속 이온 빔을 얻는, 상기 방사 빔과 상기 기판 간의 효율적 커플링을 제공하도록, 상기 전자기 방사 빔의 편광 방향과 상기 배향 축 간의 각, 상기 전자기 방사 빔의 입사각을 선택함으로써 최적화되는, 방법.
20. 제 19항에 있어서, 상기 고전력 간섭성 편광 전자기 방사 빔을 수신하고, 상기 방사 빔을 원하는 스침각으로 상기 타겟 기판의 상기 표면을 향햐도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
21. 제 19항 내지 제 20항에 있어서, 상기 기판에 걸쳐 바이어싱 (biasing) 전기장이 인가된 가운데, 진공 챔버에서 수증기와 상기 기판을 상호작용 시킴으로써상기 타겟 기판을 제조하여, 이에 의해 패터닝된 기판 형태의 타겟을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 패턴은 상기 전기장을 따라 미리 정해진 실질적으로 균일한 방향으로 배향된 나노 스케일 특징을 갖는, 방법.
    
    
    
    

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