KR20230060100A - E×b 힘을 이용한 플라즈마 가속장치 - Google Patents

E×b 힘을 이용한 플라즈마 가속장치 Download PDF

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KR20230060100A
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이기용
장수욱
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한국핵융합에너지연구원
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Abstract

EㅧB 힘을 이용한 플라즈마 가속장치가 개시된다. 상기 EㅧB 힘을 이용한 플라즈마 가속장치는 제1 면, 제2 면, 제3 면 및 제4 면을 가진 4각 단면의 전자파 및 플라즈마를 전달하는 웨이브가이드; 상기 마주하는 제1 면 및 제3 면에 수직한 전기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 전극; 및 상기 마주하는 제2 면 및 제4 면에 수직한 자기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 자석체를 포함한다.

Description

E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치{PLASMA ACCELERATOR USING E×B FORCE}
본 발명은 플라즈마 가속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 수직으로 작용하는 전기장 및 자기장에 의해 플라즈마를 가속하는 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치에 관한 것이다.
입자가속기는 전통적으로 핵물리학 및 입자물리학 연구에 주로 이용되어 왔으나, 최근에 와서는 나노, 바이오, 에너지 등 다양한 분야의 연구에 활용될 뿐 아니라 의료진단 및 치료, 반도체 공정에 활용되는 등 그 활용범위가 넓어지고 있다.
입자가속이란 전하를 띄고 있는 하전입자(전자, 양성자, 이온 등)의 속력 또는 운동방향에 변화를 주는 것을 의미하며, 입자가속의 기분 원리는 전기장 혹은 자기장 내에서 하전입자에 가해지는 '로렌츠 힘'을 이용해 하전입자의 속력 또는 운동방향을 변화시킬 수 있다.
입자가속 기술의 한 종류로서 플라즈마 가속장치가 있다. 플라즈마 가속장치는 이온원에서 가속에 필요한 이온종을 효과적으로 발생시키고 이를 빔의 형태로 인출하는 기술이다.
상기 플라즈마 가속장치는 아래의 선행기술문헌들과 같이 다양한 구조로 제안되고 있다.
특허문헌 1: 한국등록특허 제10-0698618호 특허문헌 2: 한국공개특허 제10-2004-0083175호
본 발명은 웨이브가이드의 역할도 하면서 전자파에 의한 플라즈마를 높은 속도로 가속하여 인출할 수 있도록 한 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 입력되는 전자파에 의한 플라즈마의 생성시 전자파의 손실 없이 상시 안정적으로 플라즈마를 생성하여, 플라즈마의 생성 및 가속 과정이 안정적으로 진행될 수 있도록 한 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치는 제1 면, 제2 면, 제3 면 및 제4 면을 가진 4각 단면의 전자파 및 플라즈마를 전달하는 웨이브가이드; 상기 마주하는 제1 면 및 제3 면에 수직한 전기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 전극; 및 상기 마주하는 제2 면 및 제4 면에 수직한 자기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 자석체를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 한 쌍의 자석체는 상기 제2 면 및 제4 면의 외측에 상기 웨이브가이드의 길이방향에 평행하는 길이를 갖는 2개의 영구자석일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 한 쌍의 자석체는 상기 제2 면 및 제4 면의 외측에 일렬로 배치되는 복수의 영구자석일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 한 쌍의 전극은 각각 절연체로 감싸져서, 다른 전극 또는 전도체로의 전류의 이동을 차단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 한 쌍의 전극은 각각 상기 웨이브가이드의 제1 면 및 제3 면을 이룰 수 있다. 즉, 상기 한 쌍의 전극 중 어느 하나는 상기 제1 면을 구성하고, 다른 하나는 상기 제3 면을 구성할 수 있다.
상기 플라즈마 가속장치는 다른 웨이브가이드의 전자파 진행방향의 일말단에 전자파 소통 가능하도록 설치되어, 상기 다른 웨이브가이드로부터 전송되는 전자파가 상기 제1 내지 제4 면을 포함하는 웨이브가이드 내로 입력될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 웨이브가이드는 TE 모드이고, 상기 웨이브가이드 내의 전기장 방향이 상기 자기장 방향과 평행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 웨이브가이드는 WR340 웨이브가이드이며, 상기 웨이브가이드에는 2.45GHz 전자파가 전송되고, 상기 한 쌍의 전극에는 500V 이상의 전압이 인가되며, 상기 한 쌍의 자석체에는 0.3T 이상의 자기장이 인가될 수 있다.
한편, 상기 플라즈마 가속장치는 상기 자석체의 상단 및 하단으로 흐르는 냉각수 채널을 포함할 수 있다.
상기 냉각수 채널에는 냉각수가 공급되어 상기 자석체의 상단 및 하단에서 상기 웨이브가이드의 길이방향을 따라 냉각수가 순환할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 가속장치는 상기 웨이브가이드 내로 가스가 주입되도록 구성되는 가스 주입구를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 주입구는 상기 다른 웨이브가이드의 일말단에 연결되는 상기 웨이브가이드의 일단 측에 플라즈마 소스가스를 주입하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 웨이브가이드의 전자파가 뒤에서 앞으로 향하는 경우, 상기 전기장은 위에서 아래로 향하고, 상기 자기장은 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 전기장 및 상기 자기장은 서로 수직이고, 상기 웨이브가이드 내로 입력되는 전자파에 의해 상기 플라즈마 소스가스가 여기되어 플라즈마가 생성되고, 그 플라즈마는 상기 전기장 및 상기 자기장이 수직인 환경에 의해 상기 웨이브가이드의 밖으로 높은 속도로 빔 형태로 가속될 수 있다.
본 발명에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치에 따르면, 전자파의 입력 및 전송이 가능한 웨이브가이드 구조체를 이루면서 웨이브가이드 구조체 내에 전기장 및 자기장이 서로 수직으로 작용하도록 하여, 웨이브가이드 구조체 내에 웨이브가이드 구조체의 축방향으로 로렌츠 힘이 작용되도록 하고, 웨이브가이드 구조체 내에 입력되는 전자파에 의한 플라즈마가 형성되면 로렌츠 힘에 의해 플라즈마를 웨이브가이드 구조체의 축방향을 따라 가속하여, 플라즈마를 웨이브가이드 구조체 밖으로 높은 속도로 인출할 수 있다.
또한, 전자파에 의한 플라즈마의 생성시 전자파의 손실 없이 상시 안정적으로 플라즈마를 생성할 수 있어, 플라즈마의 생성 및 가속 과정이 안정적으로 진행될 수 있는 이점이 있다.
또한, 고전압 및 플라즈마에 의한 고열로 인한 영향 없이 플라즈마 가속장치의 장기적인 운영이 가능해지는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 횡방향을 따라 절단한 단면 모습을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 한 쌍의 자석체의 배열 모습을 나타내는 단면 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 한 쌍의 전극 위치에서 종방향을 따라 절단한 단면 모습을 나타내는 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치의 웨이브가이드 내에서 플라즈마가 가속되는 모습을 나타내는 단면 사시도이다.
도 6 내지 8은 본 발명에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치를 실시예 1를 따라 제작하고 그 제작된 플라즈마 가속장치에서 전기장의 형성모습, 자기장의 형성모습 및 전자기장(E×B) 형성모습을 COMSOL 3D 시물레이션을 통해 확인한 결과를 나타내는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 가속기를 이용한 전자파 플라즈마 생성 및 가속 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 횡방향을 따라 절단한 단면 모습을 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 한 쌍의 자석체의 배열 모습을 나타내는 단면 사시도이고, 도 4는 도 2에 도시된 한 쌍의 전극 위치에서 종방향을 따라 절단한 단면 모습을 나타내는 단면 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치의 웨이브가이드 내에서 플라즈마가 가속되는 모습을 나타내는 단면 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치는 웨이브가이드(100), 한 쌍의 전극(210, 220) 및 한 쌍의 자석체(310, 320)를 포함한다.
상기 웨이브가이드(100)는 전자파 및 플라즈마를 전달하는 구조체로서, 제1 내지 제4 면(104)을 포함하며, 제1 내지 제4 면(104)은 4각 단면, 일 예로, 직사각형 단면 구조를 갖는 구조체의 웨이브가이드(100)를 형성할 수 있다. 이때, 제1 면(101) 및 제3 면(103)은 가로 방향으로 배치되어 서로 마주할 수 있고, 제2 면(102) 및 제4 면(104)은 세로 방향으로 배치되어 서로 마주할 수 있다.
상기 한 쌍의 전극(210, 220)은 상기 마주하는 제1 면(101) 및 제3 면(103)에 평행하여, 상기 제1 면(101) 및 제3 면(103)에 수직한 전기장을 형성할 수 있다.
상기 한 쌍의 자석체(310, 320)는 상기 마주하는 제2 면(102) 및 제4 면(104) 방향에 배치되어, 상기 제2 면(102) 및 제4 면(104)에 수직한 자기장을 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 면(102) 및 제4 면(104)은, 세로 방향의 수직부(111), 상기 수직부(111)의 상단으로부터 외측 수평 방향으로 연장되는 제1 수평부(112) 및 상기 수직부(111)의 하단으로부터 외측 수평 방향으로 연장되는 제2 수평부(113)를 포함하는, 각각 'ㄷ'자 형상의 단면 구조를 갖는 한 쌍의 웨이브가이드 프레임(110)이 서로 대칭되게 배치되어, 상기 제1 수평부(112) 및 상기 제2 수평부(113) 각각의 안쪽면이 상기 제2 면(102) 및 제4 면(104)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 전극(210, 220)이 상기 제1 면(101) 및 제3 면(103)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 한 쌍의 전극(210, 220)은 각각 절연체로 감싸진 상태로 상기 제1 면(101) 및 제3 면(103)을 형성할 수 있다. 상기 한 쌍의 전극(210, 220)을 감싸는 각각의 절연체(400)는 상기 한 쌍의 전극(210, 220)이 접하는 상기 제2 면(102) 및 상기 제4 면(104)으로의 전류 이동 및 타 전극으로의 전류 이동을 차단한다.
한편, 상기 웨이브가이드(100)는 상기 한 쌍의 자석체(310, 320) 각각의 두께보다 긴 길이를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 웨이브가이드(100)는 상기 한 쌍의 자석체(310, 320) 각각의 두께의 2배 이상의 길이를 가질 수 있다. 이러한 경우, 상기 한 쌍의 자석체(310, 320)는 그 한 쌍이 1군을 이루는 형태로, 도 3과 같이 다수 군이 상기 웨이브가이드(100)의 제2 면(102) 및 제4 면(104)의 외측에 상기 웨이브가이드(100)의 길이 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있고, 상기 웨이브가이드(100)의 제1 면(101) 및 제2 면(102)을 이루는 상기 한 쌍의 전극(210, 220) 각각의 길이는 상기 웨이브가이드(100)의 길이에 대응하는 길이로 구비될 수 있다.
일 예로, 상기 한 쌍의 자석체(310, 320) 각각은 영구자석일 수 있고, 한 쌍을 이루는 영구자석은 그 마주하는 극이 서로 반대극이 되게 배치될 수 있다. 따라서, 상기 한 쌍의 자석체(310, 320)를 1군으로 하여 상기 웨이브가이드(100)의 제2 면(102) 및 제4 면(104)의 외측에 일렬로 배열될 때 제2 면(102)에 접하는 영구자석과 제4 면(104)에 접하는 영구자석은 서로 반대극이 되게 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치는 냉각수 채널(510) 및 가스 주입구(600)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 채널(510)은 상기 한 쌍의 자석체(310, 320)의 상단 및 하단으로 흐르도록 구성될 수 있다. 일 예로, 냉각수 채널(510)은 상기 한 쌍의 웨이브가이드 프레임(110) 각각의 제1 수평부(112) 및 제2 수평부(113)에 상기 웨이브가이드 프레임(110)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 또한, 상기 냉각수 채널(510)을 통한 냉각수의 순환을 위해, 한 쌍의 웨이브가이드 프레임(110) 각각의 냉각수 채널(510)에 연결되는 복수의 냉각수 순환배관(520), 한 쌍의 웨이브가이드 프레임(110) 중 어느 하나의 웨이브가이드 프레임(110)의 제1 수평부(112) 및 제2 수평부(113) 일측에 연결되는 냉각수 주입관(530) 및 냉각수 배출관(540)을 포함할 수 있고, 도시하지는 않았지만 상기 냉각수 주입관(530) 및 상기 냉각수 배출관(540)의 말단은 냉각수가 저장되는 냉각수 공급원에 연결될 수 있다.
도 5에 도시된 상기 가스 주입구(600)는 상기 웨이브가이드(100)의 양단 중 어느 일단 방향에 연결되어 상기 웨이브가이드(100) 내로 가스가 주입되도록 구성된다. 상기 가스 주입구(600)를 통해 주입되는 가스는 전자파에 의한 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 소스 가스이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 다른 웨이브가이드(2414)의 전자파 진행방향의 일말단에, 전자파 소통 가능하게 설치된다.
이때, 웨이브가이드(100)는 상기 가스 주입구(600)가 위치하는 방향이 상기 다른 웨이브가이드(2414)의 일말단에 전자파 소통 가능하게 설치된다. 이에 따라, 플라즈마는 상기 다른 웨이브가이드(2414)에 연결되는 웨이브가이드(100)의 일단부 방향에서 생성이 시작된다.
상기 플라즈마의 가속을 위해, 상기 웨이브가이드(100)는 TE 모드이고, 상기 TE 모드의 웨이브가이드(100) 내의 전기장(E), 즉 상기 다른 웨이브가이드(2414)로부터 상기 웨이브가이드(100)로 전송되는 전자파에 의한 웨이브가이드(100) 내의 전기장 피크를 형성하는 전기장(E)의 방향은 상기 웨이브가이드(100)의 제2 면(102) 및 제4 면(104)에 수직한 자기장(B) 방향과 평행하고, 상기 전기장 피크의 연속 방향은 상기 다수의 영구자석의 배열 방향과 평행하도록 설계된다.
여기서, 상기 모드(mode)란 도파관이나 전송선로의 경우 특정 주파수대역의 전자파가 진행하는 형태를 의미하며, 상기 TE 모드는 구형 도파관 내의 전자파 진행 방향에 전기장(E-field)만 수직인 경우의 모드를 의미한다.
일 실시예에서, 상기 다른 웨이브가이드(2414)로부터 전송되는 전자파가 상기 웨이브가이드(100)의 내에서 뒤에서 앞으로 향하는 경우, 상기 한 쌍의 전극(210, 220)에 의해 구성되는 상기 웨이브가이드(100)의 제1 면(101) 및 제3 면(103) 사이에 형성되는 전기장은 위에서 아래로 향하고, 상기 영구자석들에 의해 상기 웨이브가이드(100)의 제2 면(102) 및 제4 면(104) 사이에 형성되는 자기장은 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 구성될 수 있다.
이러한 상기 웨이브가이드(100)의 설계 구조에 의해 로렌츠 힘이 적용될 수 있다. 즉, 플라즈마는 전도체로서 전하를 포함하고, 제1 면(101) 및 제3 면(103) 사이에 형성되는 전기장과 제2 면(102) 및 제4 면(104) 사이에 형성되는 자기장은 수직이되므로 도 5와 같이 상기 플라즈마는 빔 형태로 웨이브가이드(100)의 축 방향으로 가속된다.
실시예 1
웨이브가이드(100)의, 제1 면(101) 및 제3 면(103)을 이루는 한 쌍의 전극(210, 220) 간의 수집 방향의 거리를 86.4mm로 하고, 제2 면(102) 및 제4 면(104)을 이루는 한 쌍의 웨이브가이드 프레임(110) 각각의 안쪽면 간의 수평 방향의 거리를 43.2mm로 하고, 상기 한 쌍의 웨이브가이드 프레임(110)의 장축의 길이를 300mm로 설계하여, 가로 43.2mm, 세로 86.4mm, 축 길이 300mm로 형성된 WR340 웨이브가이드 형태의 플라즈마 가속장치를 제작하였다.
또한, 상기 한 쌍의 전극(210, 220)은 각각 절연체로 감싸고, 제작된 웨이브가이드(100)의 장축 방향을 따라 한 쌍의 자석체(310, 320)가 수평 방향으로 반대극이 마주하는 형태로 1군을 이루어 배치하되 한 쌍의 자석체(310, 320) 사이에 0.3T 이상의 자기장이 인가되도록 배치하고, 1군을 이루는 한 쌍의 자석체(310, 320)를 제작된 웨이브가이드(100)의 장축 방향을 따라 다수 배열하였다.
이와 같이 제작된 플라즈마 가속장치의 상기 한 쌍의 전극(210, 220) 중 어느 하나에 500V의 전원을 인가하고 나머지 하나의 전극은 접지 연결하고, 제작된 웨이브가이드(100)에는 2.45GHz 전자파를 인가하여, COMSOL 3D 시물레이션을 통해 웨이브가이드(100)의 내부에 전기장(E) 및 자기장(B)이 형성되는 것을 확인하였다.
이때, 전기장(E)은 웨이브가이드(100)의 제1 면(101) 및 제3 면(103)을 장축 방향을 따라 절단한 도 6의 Y-Z 단면에서 나타나듯이 Y축과 평행하게 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 자기장(B)은 웨이브가이드(100)의 제2 면(102) 및 제4 면(104)을 장축 방향을 따라 절단한 도 7의 X-Z 단면에서 나타나듯이 X축과 평행하게 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 도 8의 X-Z 단면에서 나타나듯이 전자기장(E×B)의 방향은 Z축을 향하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 시물레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 웨이브가이드(100) 내에서 전기장(E) 및 자기장(B)이 서로 직교되는 방향으로 형성되어, E×B에 의한 힘의 방향은 웨이브가이드(100)의 장축 방향에 평행하므로 웨이브가이드(100) 내에 형성되는 플라즈마는 웨이브가이드(100)의 장축 방향을 따라 가속되어 웨이브가이드(100)의 밖으로 인출될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치는 전자파 발생장치에 연결되어 전자파에 의한 전자파 플라즈마를 생성하고 그 생성된 전자파 플라즈마를 가속시키는데 활용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 가속기를 이용한 전자파 플라즈마 생성 및 가속 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 생성 및 가속 시스템은 마그네트론(2100), 방향성 결합기(2200), 스터브 튜너(2300), 마이크로웨이브 전송라인(2400), 플라즈마 가속장치(1000)를 포함할 수 있다.
마그네트론(2100)은 10 ㎒ ~ 10 ㎓ 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용되며, 바람직하게는 2.45㎓ 전자파를 발진하도록 구성된다.
상기 방향성 결합기(2200)는 전송된 전자파를 출력함과 더불어 입사파와 반사파의 세기를 모니터링하는 기능을 제공하게 된다. 상기 언급된 모니터링이란 입사파와 반사파의 세기를 측정하는 기능을 의미한다.
상기 스터브 튜너(2300)는 방향성 결합기(2200)로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도한다.
마이크로웨이브 전송라인(2400)은 상기 스터브 튜너(2300)로부터 입력되는 전자파를 상기 플라즈마 가속장치(1000)로 전송하도록 구성된다. 일 예로, 마이크로웨이브 전송라인(2400)은 제1 구형 웨이브가이드(2411), 이벤드 웨이브가이드(E bend waveguide)(2412), 제2 구형 웨이브가이드(2413), 제3 구형 웨이브가이드(2414)를 포함할 수 있다.
제1 구형 웨이브가이드(2411)는 직사각형 단면 구조를 갖는 도파관으로서, 일단이 상기 스터브 튜너(2300)에 연결되어 상기 스터브 튜너(2300)로부터 전자파가 입력된다.
이벤드 웨이브가이드(2412)는 일단이 전자파의 진행 방향을 바꾸고자 하는 방향으로 구부러진 도파관으로서, 일단은 상기 제1 구형 웨이브가이드(2411)의 말단에 연결되고 타단은 직각으로 구부러져서 연장되어, 전자파의 진행 방향을 직각으로 꺽인 방향으로 전환한다.
제2 구형 웨이브가이드(2413)는 직사각형 단면 구조를 갖는 도파관으로서, 일단이 상기 이벤드 웨이브가이드(2412)의 말단에 연결되며, 이벤드 웨이브가이드(2412)로부터 입력되는 전자파를 축방향을 따라 전송한다.
제3 구형 웨이브가이드(2414)는 직사각형 단면 구조를 갖는 도파관으로서, 일단이 상기 제2 구형 웨이브가이드(2413)의 말단에 연결되어 상기 제2 구형 웨이브가이드(2413)와 평행하고, 상기 제2 구형 웨이브가이드(2413)로부터 입력되는 전자파를 축방향을 따라 전송한다.
플라즈마 가속장치(1000)는 웨이브가이드(100)의 일단이 상기 제3 구형 웨이브가이드(2414)의 말단에 연결된다. 이때, 상기 웨이브가이드(100)의 일단은 가스 주입구(600)가 위치하는 방향이고, 전자파가 내부로 입력되면 상기 가스 주입구(600)를 통해 내부로 주입된 플라즈마 소스가스는 여기되어 전자파 플라즈마가 발생된다. 그 발생된 전자파 플라즈마는 플라즈마 가속장치(1000)의 웨이브가이드(100)의 제1 면(101) 및 제3 면(103)을 이루는 한 쌍의 전극(210, 220) 사이에 형성되는 전기장 및 다수의 영구자석에 의해 웨이브가이드(100)의 제2 면(102) 및 제4 면(104) 사이에 형성되어 상기 전기장과 수직하는 자기장에 의해 웨이브가이드(100)의 말단 방향으로 가속되어 웨이브가이드(100)의 밖으로 인출될 수 있다.
이러한 플라즈마 가속장치(1000)는 본 발명의 일 실시예에 따른 E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치의 설명에서 구체적으로 설명하였으므로 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따르면, 전자파의 입력 및 전송이 가능한 웨이브가이드 구조체를 이루면서 웨이브가이드 구조체 내에 전기장 및 자기장이 서로 수직으로 작용하도록 하여, 웨이브가이드 구조체 내에 웨이브가이드 구조체의 축방향으로 로렌츠 힘이 작용되도록 하고, 웨이브가이드 구조체 내에 입력되는 전자파에 의한 플라즈마가 형성되면 로렌츠 힘에 의해 플라즈마를 웨이브가이드 구조체의 축방향을 따라 가속하여, 플라즈마를 웨이브가이드 구조체 밖으로 높은 속도로 인출할 수 있다.
또한, 마그네트론으로부터 발진되는 전자파를 전송하는 전송라인의 웨이브가이드의 모드와 동일한 형태의 웨이브가이드 구조체를 형성할 수 있고, 그 웨이브가이드 구조체를 상기 전송라인의 웨이브가이드와 평행하게 연속 배치할 수 있으므로 전자파의 전송 모드의 피크가 유지되면서 전자파가 입력될 수 있고, 이에 따라 전자파에 의한 플라즈마의 생성시 전자파의 손실 없이 상시 안정적으로 플라즈마를 생성할 수 있어, 플라즈마의 생성 및 가속 과정이 안정적으로 진행될 수 있는 이점이 있다.
또한, 웨이브가이드 구조체는 한 쌍의 전극(210, 220)에 인가되는 고전압 및 웨이브가이드 구조체 내에 생성되는 플라즈마에 의해 가열되더라도 냉각수 채널(510)에 의해 냉각수가 상기 웨이브가이드 구조체의 축방향을 따라 순환되어 웨이브가이드 구조체를 냉각하므로 플라즈마 가속장치의 장기적인 운영이 가능해지는 이점이 있다.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 플라즈마 가속장치는 플라즈마 가속이 요구되는 다양한 장치들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이온 발생원, 이온 임플란트, 중성 입자빔 조사 장치, 플라즈마 표면 처리 등에 사용될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 면, 제2 면, 제3 면 및 제4 면을 가진 4각 단면의 전자파 및 플라즈마를 전달하는 웨이브가이드;
    상기 마주하는 제1 면 및 제3 면에 수직한 전기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 전극; 및
    상기 마주하는 제2 면 및 제4 면에 수직한 자기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 자석체를 포함하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은 각각 절연체로 감싸져 있음을 특징으로 하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극이 각각 상기 웨이브가이드의 제1 면 및 제3 면을 이루는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 면 및 제4 면의 외측에 복수의 영구자석이 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자석체의 상단 및 하단으로 흐르는 냉각수 채널을 포함하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 가속장치는, 다른 웨이브가이드의 전자파 진행방향의 일말단에, 전자파 소통 가능하도록 설치되는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 웨이브가이드 내로 가스가 주입되도록 구성된 가스 주입구를 포함하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브가이드는 TE 모드이고,
    상기 웨이브가이드 내의 전기장 방향이 상기 자기장 방향과 평행한,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브가이드의 전자파가 뒤에서 앞으로 향하는 경우, 상기 전기장은 위에서 아래로 향하고, 상기 자기장은 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 구성됨을 특징으로 하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브가이드는 WR340 웨이브가이드이며,
    상기 웨이브가이드에는 2.45GHz 전자파가 전송되고,
    상기 한 쌍의 전극에는 500V 이상의 전압이 인가되며,
    상기 한 쌍의 자석체에는 0.3T 이상의 자기장이 인가됨을 특징으로 하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  11. 제1 면, 제2 면, 제3 면 및 제4 면을 가진 4각 단면의 전자파 및 플라즈마를 전달하는 웨이브가이드;
    상기 마주하는 제1 면 및 제3 면에 수직한 전기장을 형성하고, 절연체로 감사져 있는, 마주하는 한 쌍의 전극;
    상기 제2 면 및 제4 면의 외측에 일렬로 배치되는 복수의 자석체;
    상기 자석체의 상단 및 하단으로 흐르는 냉각수 채널; 및
    상기 웨이브가이드 내로 가스가 주입되도록 구성된 가스 주입구를 포함하고,
    상기 웨이브가이드는 다른 웨이브가이드의 전자파 진행방향의 일말단에, 전자파 소통 가능하도록 설치되는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 웨이브가이드의 전자파가 뒤에서 앞으로 향하는 경우, 상기 전기장은 위에서 아래로 향하고, 상기 자기장은 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 구성됨을 특징으로 하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 웨이브가이드는 TE 모드이고,
    상기 웨이브가이드 내의 전기장 방향이 상기 자기장 방향과 평행한,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 웨이브가이드는 WR340 웨이브가이드이며,
    상기 웨이브가이드에는 2.45GHz 전자파가 전송되고,
    상기 한 쌍의 전극에는 500V 이상의 전압이 인가되며,
    상기 한 쌍의 자석체에는 0.3T 이상의 자기장이 인가됨을 특징으로 하는,
    E×B 힘을 이용한 플라즈마 가속장치.
  15. 전자파를 발진하는 마그네트론;
    상기 마그네트론 후단에 연결되고, 상기 마그네트론으로부터 전송된 전자파를 전자파를 출력함과 더불어 입사파와 반사파의 세기를 모니터링 하는 방향성 결합기;
    상기 방향성 결합기 후단에 연결되고, 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도하는 스터브 튜너;
    상기 스터브 튜너 후단에 연결되고, 상기 스터브 튜너로부터 입력되는 전자파를 상기 스터브 튜너의 반대 방향으로 전송하는 마이크로웨이브 전송라인; 및
    상기 마이크로웨이브 전송라인의 후단에 연결되는 플라즈마 가속기를 포함하고,
    상기 플라즈마 가속기는,
    상기 마이크로웨이브 전송라인의 후단에 연결되고, 제1 면, 제2 면, 제3 면 및 제4 면을 가진 4각 단면의 전자파 및 플라즈마를 전달하는 웨이브가이드;
    상기 마주하는 제1 면 및 제3 면에 수직한 전기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 전극; 및
    상기 마주하는 제2 면 및 제4 면에 수직한 자기장을 형성하는 마주하는 한 쌍의 자석체를 포함하는,
    전자파 플라즈마 생성 및 가속 시스템.
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040083175A (ko) 2003-03-21 2004-10-01 아텍엔지니어링 주식회사 폐쇄된 전자표류를 이용한 플라즈마 가속기
KR100698618B1 (ko) 2005-07-12 2007-03-22 삼성전자주식회사 플라즈마 가속장치 및 그것을 구비하는 플라즈마 처리시스템

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