KR100821354B1 - 전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 장치 및 조사 방법 - Google Patents
전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 장치 및 조사 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전자석을 이용한 이온빔 균일조사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빔라인의 진행방향을 따라 사극전자석과 이극전자석을 순차적으로 설치한 후, 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배를 유지하여, 상대적으로 이온빔이 밀집되는 경계영역에서는 빔을 발산시키고, 중심영역에서는 빔을 집속시킴으로써 별도의 제어장치 없이도 이온빔이 균일하게 조사될 수 있도록 구성한 이온빔 조사 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 조사되는 이온빔의 집속/발산 정도를 조절하기 위한 사극전자석과; 수직방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수직방향 자기장을 형성하는 한 쌍의 수평방향 이극전자석과; 수평방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수평방향 자기장을 형성하는 한 쌍의 수직방향 이극전자석과; 상기 사극전자석, 수평방향 이극전자석 및 수직방향 이극전자석에 연결되는 전원부;를 포함하여 구성되며, 상기 전원부는 상기 사극전자석과 상기 수평방향 이극전자석에 교류전류를 공급하되, 상기 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 상기 수평방향 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배로 유지시켜 공급하는 것을 특징으로 한다.
이온빔, 균일조사, 교류전류, 이극전자석, 사극전자석, 래스터 스캐닝, 주파수조절
Description
도 1은 이극전자석만으로 구성된 종래의 이온빔 조사 장치를 이용하여 입력빔을 조사하는 경우 조사되는 빔의 형태를 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 이온빔 조사 장치를 이용하여 이온빔을 표적에 조사하였을 경우 조사된 이온빔의 공간적 분포를 보여주고 있는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 사극 및 이극전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 장치를 이용하여 입력빔을 조사하는 경우 조사되는 빔의 형태를 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 교류전류의 한 주기 동안 8개의 입력빔을 조사할 경우 표적 면에 조사된 빔을 조사순서에 따라 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 조사장치를 이용하여 이온빔을 표적에 조사하였을 경우 조사된 이온빔의 공간적 분포를 보여주고 있는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 이극전자석 112 : 수평방향 이극전자석
114 : 수직방향 이극전자석 120 : 전원부
310 : 사극전자석 312 : 자유공간
본 발명은 전자석을 이용한 이온빔 균일조사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빔라인의 진행방향을 따라 사극전자석과 이극전자석을 순차적으로 설치한 후, 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배를 유지하여, 상대적으로 이온빔이 밀집되는 경계영역에서는 빔을 발산시키고, 중심영역에서는 빔을 집속시킴으로써 별도의 제어장치 없이도 이온빔이 균일하게 조사될 수 있도록 구성한 이온빔 조사 장치에 관한 것이다.
이온원(ion source)이나 가속기에서 얻어지는 이온빔(ion beam)은 양전하 또는 음전하를 갖는 이온의 흐름으로서, 원자, 분자 또는 원자핵 등의 물질 구조에 대한 분석을 비롯하여 방사성 동위원소의 제작이나 집적회로 등의 가공에 폭넓게 이용되고 있다.
특히, 입자 가속기를 이용하여 대전류 양성자로 동위 원소를 생산하는 동위 원소 생산 시스템 등에서는 대면적인 표적에 균일한 밀도 분포를 가지도록 이온빔을 조사하기 위하여 전자석 등으로 이온빔의 진행 각도를 편향시켜 조사한다.
도 1은 이극전자석만으로 구성된 종래의 이온빔 조사 장치를 이용하여 입력빔을 조사하는 경우 조사되는 빔의 형태를 보여주기 위한 도면이고, 도 2는 종래의 이온빔 조사 장치를 이용하여 이온빔을 표적에 조사하였을 경우 조사된 이온빔의 공간적 분포를 보여주고 있는 도면이다.
도 1을 참고하면, 이극전자석으로 구성된 종래의 이온빔 조사 장치는, 조사되는 빔을 좌우로 편향시켜주는 수평방향 이극전자석(112), 조사되는 빔을 상하로 편향시켜주는 수직방향 이극전자석(114), 및 상기 수평 및 수직방향 이극전자석에 전류를 공급해주는 전원부(120)로 구성되어 있다. 이러한 구성을 통해 이온빔을 표적에 조사하는 경우, 상기 전원부(120)를 통해 수평방향 이극전자석(112)에 교류전류를 공급하여 빔을 좌우로 이동시키면서, 수직방향 이극전자석(114)에 인가되는 전류를 선형적으로 변화시킴으로써 표적의 상부로부터 하부로 빔을 스캐닝하면서 조사하게 된다.
이 경우, 수평방향 이극전자석(112)에 공급되는 교류전류가 사인파를 그리기 때문에, 상기 도 1의 하단에 표시된 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8로 구성된 입력빔(100)을 교류전류의 한 주기 동안 순차적으로 조사하면 상기 도 1의 상단에 표시된 1~8번과 같은 분포로 조사되게 된다. 다시 말해서, 교류전류를 구성하는 사인파의 특성에 따라, 조사되는 이온빔의 밀도가 도 2에 나타난 바와 같이 표적의 경계영역에서 중심영역보다 상대적으로 크게 나타나게 된다. 종래 기술에 있어서는 이를 해결하기 위해 팔극전자석과 같이 복잡한 자석을 추가하기도 하지만, 장치가 복잡할 뿐만 아니라 빔을 적절하게 제어하는 것도 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이극전자석 앞에 사극전자석을 더하는 방법이 미국 공개특허공보 제2004-0104354호에 제안되었다. 상기 제2004-0104354호에서는 이극전자석의 전방에 사극전자석을 배치하고 상기 이극전자석과 사극전자석에 인가되는 전류를 제어하는 제어기를 구비하여 상기 이극 및 사극전자석에 인가되는 전류를 정밀하게 제어함으로써 원하는 부위에 균일한 양의 이온빔을 정확하게 조사하는 방법에 대해 기술하고 있다.
그러나 이 발명은 정밀한 제어장치가 수반되어 방사선 치료와 같이 이온빔을 정밀하게 조절할 필요가 있는 경우에는 대단히 효과적이라 할 수 있으나, 그 장치 및 동작방식이 복잡하고, 비용이 많이 든다는 단점이 있어 연구용 및 산업용으로 광범위하게 사용하기에는 그리 효율적이지 못하다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 빔라인의 진행방향을 따라 사극전자석과 이극전자석을 순차적으로 설치한 후, 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배를 유지하여, 상대적으로 이온빔이 밀집되는 경계영역에서는 빔을 발산시키고, 중심영역에서는 빔을 집속시킴으로써 별도의 제어장치 없이도 이온빔이 균일하게 조사될 수 있는 이온빔 조사 장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 조사되는 이온빔의 집속/발산 정도를 조절하기 위한 사극전자석과; 수직방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수직방향 자기장을 형성하는 한 쌍의 수평방향 이극전자석과; 수평방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수평방향 자기장을 형성하는 한 쌍의 수직방향 이극전자석과; 상기 사극전자석, 수평방향 이극전자석 및 수직방향 이극전자석에 연결되는 전원부;를 포함하여 구성되며, 상기 전원부는 상기 사극전자석과 상기 수평방향 이극전자석에 교류전류를 공급하되, 상기 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 상기 수평방향 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배로 유지시켜 공급하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 장치를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기하였다.
도 3은 본 발명에 따른 사극 및 이극전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 장치를 이용하여 입력빔을 조사하는 경우 조사되는 빔의 형태를 보여주기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이온빔 균일 조사 장치는 이온빔의 집속/발산 정도를 조절하는 사극전자석(310)과 상기 사극전자석 후방에 직렬로 배치되어 이온빔의 방향을 변환시켜주는 이극전자석(110), 및 상기 사극전자 석(310)과 이극전자석(110)에 전류를 공급해주는 전원부(120)로 구성된다.
이극전자석(110)은 이온빔을 편향시키기 위해 일반적으로 사용되는 래스터 스캐너로서, 인가되는 전류를 조절하여 그 중심부를 통과하는 이온빔의 편향 각도를 제어함으로써, 외부의 수요처로 정확하게 이온빔을 인출시킨다.
이극전자석(110)은 수직방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수직방향 자기장을 형성하는 수평방향 이극전자석(112)과 수평방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수평방향 자기장을 형성하는 수직방향 이극전자석(114)으로 구성된다. 각각에 인가되는 전류의 변화에 따라 수평방향 이극전자석(112)은 이온빔을 좌우로 편향시키며, 수직방향 이극전자석(114)은 이온빔을 상하로 편향시킨다.
다시 말해서, 전원부(120)를 통해 수평방향 이극전자석(112)에 교류전류를 공급하면, 생성되는 자장의 영향으로 빔이 표적의 좌우방향으로 이동하면서 조사되게 되고, 이에 맞추어 수직방향 이극전자석(114)에 인가되는 전류를 선형적으로 변화시킴으로써 표적의 상부로부터 하부로 스캐닝하면서 빔을 조사할 수 있게 된다.
사극전자석(310)은 중심부를 통과하는 이온빔에 이온빔의 중심 방향으로 자기력을 가하여 이온빔의 집속/발산 정도를 조절한다. 여기서, 이온빔의 집속/발산 정도는 이온빔이 통과하는 사극전자석(310) 내부의 자유공간(312)에 인가되는 자기장의 세기에 따라 달라지게 된다.
이 때, 사극전자석(310)에 공급되는 교류전류의 주파수를 수평방향 이극전자석(112)에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배가 되도록 조절함으로써, 도 3에 나타 난 바와 같이 수평방향 이극전자석(112)에 의해 빔이 표적의 경계영역을 지나갈 때에는 이온빔의 발산정도를 증가시키고, 표적의 중심영역을 지나갈 때에는 이온빔의 발산정도를 줄여줌으로써 조사되는 이온빔의 양을 조절할 수 있게 된다.
이를 위해 상기 전원부(120)는 수평방향 이극전자석(112)과 사극전자석(310)에 교류전류를 공급해주되, 사극전자석(310)에 공급하는 교류전류의 주파수를 수평방향 이극전자석(112)에 공급하는 교류전류의 주파수의 2배로 유지한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 교류전류의 한 주기 동안 8개의 입력빔을 조사할 경우 표적 면에 조사된 빔을 조사순서에 따라 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 교류전류의 한 주기 동안 수평방향 이극전자석에 공급되는 교류전류의 세기가 0일 경우 표적의 중심, 1일 경우 표적의 좌측, -1일 경우 표적의 우측에 이온빔이 주사되며, 사극전자석에 공급되는 교류전류의 세기가 1에 가까워질 경우 이온빔이 최대한으로 집속되게 되고, -1에 가까워질 경우 이온빔의 발산정도가 가장 커지게 된다.
즉, 사극전자석에 인가되는 교류전류의 주파수를 이극전자석에 인가되는 교류전류의 주파수의 2배로 유지하면서, 이극전자석에 인가되는 교류전류의 세기가 0에 가까워질수록 사극전자석에 인가되는 전류의 크기가 최대값을 가질 수 있도록 위상차를 조절함으로써, 표적의 경계영역에서는 이온빔이 발산되고 표적의 중심영역에서는 이온빔이 집속되도록 조절할 수 있다.
이와 같은 방법으로 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8로 구성된 입력 빔을 교류전류 한 주기 동안 사극전자석과 이극전자석을 통과하여 표적에 주사하면 조사된 이온빔의 형태가 도 4의 하단부에 나타난 바와 같게 되고, 이에 따라 조사대상 표적에 균일한 이온빔을 조사할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 조사장치를 이용하여 이온빔을 표적에 조사하였을 경우 조사된 이온빔의 공간적 분포를 보여주고 있는 도면으로서, 좌측인 y방향은 표적의 수직거리, 우측인 x방향은 표적의 수평거리, 수직의 z방향은 표적면에서 단위 면적당 이온빔 조사량 즉 이온빔 밀도를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이온빔 균일 조사 장치를 이용하여 수평방향 이극전자석과 사극전자석에 연결된 전원부의 교류전류의 위상만 맞춰주면 별도의 제어장치 없이 일정한 영역의 표적에 균일한 밀도를 가지는 이온빔 조사를 할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 빔라인의 진행방향을 따라 사극전자 석과 이극전자석을 순차적으로 설치한 후, 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배를 유지하여, 상대적으로 이온빔이 밀집되는 경계영역에서는 빔을 발산시키고, 중심영역에서는 빔을 집속시킴으로써 별도의 제어장치 없이도 이온빔이 균일하게 조사할 수 있다.
또한 기존의 발명에 비해 동작방식이 간단하고 복잡한 제어시스템을 사용하지 않기 때문에 단순한 구조를 가지는 동시에 비용적인 측면에서도 커다란 장점이 있으며, 적절한 교류전원을 사용하는 경우에는 연속빔 뿐만 아니라 펄스빔에도 적용할 수 있기 때문에 연구용 및 산업용 이온빔 조사 장치에 널리 이용될 수 있다.
Claims (3)
- 이온빔 균일 조사 장치에 있어서,조사되는 이온빔의 집속/발산 정도를 조절하기 위한 사극전자석과;수직방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수직방향 자기장을 형성하는 한 쌍의 수평방향 이극전자석과;수평방향으로 서로 대항하는 한 쌍의 자극으로 이루어져 수평방향 자기장을 형성하는 한 쌍의 수직방향 이극전자석과;상기 사극전자석, 수평방향 이극전자석 및 수직방향 이극전자석에 연결되는 전원부;를 포함하여 구성되며,상기 전원부는 상기 사극전자석과 상기 수평방향 이극전자석에 교류전류를 공급하되, 상기 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수를 상기 수평방향 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배로 유지시켜 공급하는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 장치.
- 이온빔의 진행방향을 따라 사극전자석, 수평방향 이극전자석 및 수직방향 이극전자석을 순차적으로 구비하여 표적에 조사되는 이온빔의 세기를 조절하는 이온빔 조사 방법에 있어서,상기 사극전자석과 상기 수평방향 이극전자석에 교류전류를 공급하되, 상기 사극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수가 상기 수평방향 이극전자석에 공급되는 교류전류의 주파수의 2배가 되도록 유지하여 공급하는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 수평방향 이극전자석에 인가되는 교류전류의 세기가 0에 가까워질수록 상기 사극전자석에 인가되는 교류전류의 크기가 최대값을 갖도록 상기 수평방향 이극전자석 및 사극전자석에 인가되는 교류전류의 위상차를 조절하는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 이온빔 균일 조사 방법.
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Cited By (1)
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| CN110786620A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-02-14 | 安徽裕佳铝塑科技有限公司 | 一种全自动口红管 |
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