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하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING HYPERTHERMAL BEAMS}
본 발명은 일반적으로 하이퍼서멀 빔(hyperthermal beams)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)는 거의 같은 수의 양이온과 음이온을 포함하는 낮은 밀도의 부분적으로 이온화된 기체이다. 다소간 독립적으로 이동하는 양전하와 음전하의 능력은 플라즈마를 전기적으로 전도성으로 만든다. 그러므로, 플라즈마는 고체, 액체 또는 기체와는 상당히 다른 특성을 가지고, 별개의 물질 상태로 고려된다. 플라즈마는 전형적으로 기체같은 구름(gas-like clouds) 형태를 가진다. 플라즈마는 원자빔의 다양한 타입을 생산하기 위한 것과 같이 다양한 용도로 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따라, 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 플라즈마 디스차지 소스(plasma discharge source), 방사 시스템(emssion system) 및 자기 소스(magnetic source)를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 디스차지 소스는 기본 소스를 수용하도록 형성될 수 있고, 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시키며, 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 발생시킨다. 상기 방사 시스템은 상기 플라즈마 디스차지 소스로부터 상기 플라즈마 디스차지 소스의 구멍(aperture)을 통해, 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 포함하는, 하이퍼서멀 빔을 방사하도록 형성될 수 있다. 상기 자기 소스는 자기장을 제공하고, 첫 번째 방향으로 상기 하이퍼서멀 빔을 평행하게 하며, 상기 하이퍼서멀 빔의 사이즈를 제어하기 위해 형성될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 기본 소스를 수용하는 단계, 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 자기장을 제공하는 단계와 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 발생시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 포함하고, 첫 번째 방향으로 평행하게 되며, 제어된 사이즈를 갖는 하이퍼서멀 빔을 방사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다양한 측면에 따라, 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 기본 소스를 수용하기 위한 수단과 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시키기 위한 수단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 장치는 자기장을 제공하기 위한 수단과 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 발생시키기 위한 수단을 포함한다. 또한, 상기 장치는 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 포함하고, 첫 번째 방향으로 평행하게 되며, 제어된 사이즈를 갖는 하이퍼서멀 빔을 방사하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 추가적인 특징과 장점은 아래 설명에 개진될 것이고, 각 부분은 그 설명으로부터 명백하거나 본 발명의 실행에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 장점은 첨부된 도면 뿐만 아니라 상세한 설명 및 청구항에 특별히 지적된 구조에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
상기 전술한 일반적인 설명과 아래의 상세한 설명은 모두 모범적이고 설명적이며, 청구된 대로 본 발명을 더 자세히 설명하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
수반되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 포함되고, 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하며, 본 발명의 측면들을 보여주고, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 상세한 설명과 함께 제공된다.
도 1은 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔(hyperthermal beam) 시스템의 일례를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일측면에 따라 소스 챔버(source chamber)의 일례를 나타낸다.
도 2b는 평행한 하이퍼서멀 빔의 일례를 나타낸다.
도 2c는 노즐 어셈블리(nozzle assembly)로부터 방사되는 중성 원자의 일례를 나타낸다.
도 3a은 본 발명의 일측면에에 따라 진단 챔버(diagnostic chamber)에서 이용될 수 있는 진단 장치의 일례를 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔에 대한 병진 운동 에너지(translational energy) 분배의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일측면에 따라 플라즈마 디스차지 소스의 절단 개략도를 보여준다.
도 5는 본 발명의 일측면에 따라 캐소드 어셈블리(cathode assembly)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일측면에 따라 캐소드 어셈블리의 소스 유입구(source inlet)의 일례를 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일측면에 따라 애노드 어셈블리(anode assembly)를 나타낸다.
도 7b는 본 발명의 일측면에 따라 애노드 어셈블리의 분해도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일측면에 따라 콘트롤러(controller)의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일측면에 따라 인터록(interlock)-조절 시스템의 작동 방법을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔을 제조하는 일례를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치 구성의 일례를 나타낸다.
아래 나와있는 상세한 설명은 본 발명의 다양한 구성의 일례로서 작성된 것이고, 본 발명이 적용될 수 있는 유일한 구성을 나타낸 것이 아니다. 첨부된 도면은 그 속에 포함되고, 상세한 설명의 일부를 구성한다. 상세한 설명은 본 발명의 철저한 이해를 제공하는 목적으로 구체적인 세부사항들을 포함한다. 그러나, 본 발명이 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실행될 수 있다는 것은 본 기술분야의 숙련자들에게 명백하다. 몇 가지 예에 있어서, 본 발명의 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 구조와 구성요소들을 블록 다이어그램 형태로 나타내었다.
일구현례에 따르면, 하이퍼서멀 빔은 시디드(seeded) 빔 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 무거운 종(heavy species)의 작은 농도(약 1~5%)는 가벼운(light), 불활성 캐리어 기체와 혼합될 수 있다. 무거운 종은 기체역학적으로 상기 가벼운 가스의 벌크 유동에 의해 가속화될 수 있다. 무거운 분자에 이용할 수 있는 에너지는 상기 가볍고 무거운 분자 사이의 중량비에 비례한다. 슬립의 일부(some of degree)는 상기 빛과 무거운 기체 분자들의 속도 사이에서 발생하기 때문에, 약 1sterad 및 1sec당 10 16 개 분자에 대한 분자 강도와 1eV의 에너지가 일반적으로 얻어진다. 그러나, 수소는 가장 가벼운 기체이기 때문에, 이 기술은 수소 원자에 대해서는 적용될 수 없다.
또다른 접근법에 따르면, 높은 에너지 빔은 전하 교환 프로세스(charge exchange process)를 통해 생산될 수 있다. 잘 포커싱된(well-focused) 이온 빔은 그 중성 모체의 기체 타겟을 통해 가속화될 수 있다. 공명 전하 트랜스퍼 프로세스(resonant charge transfer process)의 크로스 섹션(cross section)는 모멘텀 트랜스퍼(momentum transfer)보다 더 클 수 있기 때문에, 상기 발생한 중성 종은 그것의 고유 방향과 에너지 분포를 보유할 수 있다. 그러나, 공간 전하 효과(space charge effect)는 상기 이온 빔의 밀도와 가능한 포커싱의 양을 제한시킨다. 병진 운동 에너지(translational energy, 예를 들어, 운동 에너지)가 20eV 이하인 화학적으로 바람직한 체제에서, 1sterad 및 1sec당 10 16 개 분자들 주위에 대한 약한 강도가 이러한 접근법 하에서 얻어질 수 있다. 그 결과, 상기 상대적으로 약한 강도 때문에, 이러한 병진 운동 에너지 범위에서는 전하 교환 소스가 화학 반응을 위해 거의 사용되지 못한다.
또다른 접근법으로서, 쇼크-튜브(shock-tube)법이 병진 운동 에너지가 약 0eV에서 20eV까지의 체제에서 약 1sterad 및 1sec당 10 21 개 분자들의 오더(order)에 대한 강도를 달성할 수 있다. 상기 대상 기체 종은 노즐 그 자체가 너무 뜨겁게 되지 않도록 하기 위해 반사된 쇼크 웨이브를 수단으로 하여 상류로 가열될 수 있다. dlfjgks 일시적인 가열은 상기 기체에 있어서 분리(dissociation) 및 전기적 여기(excitation)를 발생시킬 수 있다. 그러나, 이러한 타입의 빔 소스는 연속적인 웨이브(CW)가 아니고, 나쁜 충격 계수(poor duty factor)를 가지지만, 수밀리세컨드(a few milliseconds)의 빔 펄스를 제공할 수 있다. 또한, 그러한 방법으로는 알칼리 금속과 수소 원자를 생산하는 간단한 방법이 없을 수 있다.
또다른 접근법으로서, 마이크로파 또는 라디오 진동 분사가 분자에서 원자로 분리시키는 데에 사용된다. 상기 소스는 분자가 전자 충격으로 분리되는 공명 캐버티(cavity) 내부에 진입될 수 있다. 그러나, 상기 방법은 상기 발생된 원자의 낮은 병진 운동 에너지 뿐만 아니라 마이크로파 발생에서의 불안정성은 그 접근법을 시시하게 만든다.
또다른 접근법으로서, 중성 원자의 하이퍼서멀 빔은 플라즈마 제트 기술을 사용하여 얻어질 수 있다. 노즐은 아크가 상기 노즐에서 발생되고, 효과적인 스태그내이션(stagnation) 온도가 10,000°K 또는 그 이상으로 올라갈 수 있도록 배열될 수 있다. 상기 소스는 아르곤 원자와 약 3eV의 병진 운동 에너지 및 1sterad, 1sec 당 10 19 개의 원자들의 강도를 가진 빔을 발생시키는 데 있어서 효과적이다. 이러한 아크-디분사 빔 소스의 장점에도 불구하고, 이러한 소스가 가진 난점은 애노드와 캐소드 표면의 부식과 높은 작동 온도에서 일어날 수 있는 치수 불안정성의 발생이다.
그러나, 하이퍼서멀 빔을 발생시키는 다양한 접근법의 존재에도 불구하고, 본 발명의 일측면에서, 요구된 중성 종을 바람직한 병진 운동 에너지까지 가속시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제조 목적을 위한 화학 반응에 있어서 사용될 수 있는 구역에 걸쳐 상기 종의 평행하게 된 빔을 발생시킬 수 있는 방법 및 장치가 요구된다. 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 본 발명은 상기 언급된 다른 접근법들에 의해 부과된 제약들을 가지지 않는다. 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 병진 운동 에너지가 약 0.5에서 20eV까지 연속적으로 조정될 수 있는 강한 단일에너지의 원자의 소스가 만들어질 수 있다. 그러한 빔 소스는 화합물의 화학적 환원을 통해 초고순도 물질의 생산을 가능하게 한다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 중성 원자의 강한 하이퍼서멀 빔을 생산하는 방법 및 장치들이 제공된다. 본 발명의 측면들은 기본 소스(하나 또는 그 이상의 알칼리 금속, 알칼리 토류금속 또는 수소 분자를 포함)가 원자로 분리될 수 있는 높은 온도(예를 들어, 약 10,000°K)의 플라즈마를 생산하기 위해 높은 파워 디스차지 소스를 사용하는 것을 수반한다. 약 10 22 atoms/sterad/sec의 오더(order)에 달하고, 약 0.5에서 20eV의 범위에 걸친 병진 운동 에너지를 가진 강한 하이퍼서멀 중성 원자 빔이 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 일례를 나타낸다. 하이퍼서멀 빔 시스템(10)은 제1 진공 시스템(1040), 소스 챔버(source chamber, 100), 배관(tubing, 107). 진단 챔버(diagnositcs chamber, 2000), 제2 진공 시스템(3050), 컨크롤러(controller, 5000) 및 유니스트러트(unistrut, 4000)를 포함할 수 있다. 제1 진공 시스템(1040)은 기계적 펌프(mechanical pump, 1020), 부스터 펌프(booster pump, 1030), 주 확산 펌프(main diffusion pump, 1000) 및 제1 이동식 스탠드(first movable stand, 1050)을 포함할 수 있다. 소스 챔버(100)은 창문(window, 101) 및 프랜지(flange, 105)를 포함할 수 있다. 진단 챔버(2000)는 창문(201)를 포함할 수 있다. 제2 진공 시스템(3050)은 제2 이동식 스탠드(3000), 게이트 밸브(gate valve, 3040), 트랩(trap, 3030), 배플(baffle, 3020) 및 펌프(3010)를 포함할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 제1 진공 시스템(1040)과 제2 진공 시스템(3050)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 위해 전체 진공 시스템을 포함한다.
주 확산 펌프(1000)는 예를 들어, 부스터 펌프(1030)가 기름 확산 부스터 펌프이면 기름 확산 펌프일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 직경이 약 12"에서 20"일 수 있는 주 확산 펌프(1000)는 직경이 약 6"에서 10"일 수 있는 부스터 펌프(1030)와 함께 사용된다. 양 펌프는 상기 소스 챔버(100)를 펌프하기 위한 공통된 오일 저장조를 공유할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 기계적 펌프(1020, 예를 들어 기계적 러핑 펌프)는 약 30ft 3 /min에서 40ft 3 /min의 속도로 펌프할 수 있고, 양 주 확산 펌프(1000)와 부스터 펌프(1030)를 러프(rough)하게 할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 주 확산 펌프(1000)와 부스터 펌프(1030)는 약 10 -4 torr의 압력에서 약 4000liter/sec의 결합된 속도로 펌프할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 주 확산 펌프(1000)와 부스터 펌프(1030)는 4000liter/sec보다 더 빠른 결합된 속도로 펌프할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 주 확산 펌프(1000)와 부스터 펌프(1030)에 의해 발생된 상기 압력은 10-4torr보다 낮을 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 주 확산 펌프(1000)와 부스터 펌프(1030)는 제1 이동식 스탠드(1050) 위로 올라갈 수 있다. 기계적 펌프(1020)는 유동식 배관을 통해 제1 이동식 스탠드(1050)에 연결될 수 있고, 또한 이동식 베이스 위에 있을 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 소스 챔버(100)는 제1 진공 시스템(1040)이 소스 챔버(100) 내로 진공을 제공할 수 있도록 주 확산 펌프(1000)에 연결될 수 있다. 또한, 소스 챔버(100)은 진단 챔버(2000, 예를 들어 작은 종형의 유리병)에 연결될 수 있다. 진단 챔버(2000)는 제2 진공 시스템(3050)이 진단 챔버(3050) 내로 진공을 제공할 수 있도록 제2 진공 시스템(3050)에 연결될 수 있다. 진단 챔버(2000)는 하나의 안전한 어셈블리를 형성하기 위해 유니스트러트(4000)를 통해 제1 이동식 스탠드(1050)에 물리적으로 부착될 수 있는 제2 이동식 스탠드(3000) 위로 위치할 수 있다.
몇 가지 측면으로서, 진단 챔버(2000)는 펌프(3010, 예를 들어 수은 확산 펌프)의 상단까지 올라갈 수 있고, 배플(3020, 예를 들어 프레온 배플) 뿐만 아니라 트랩(3030, 예를 들어 액체 질소 트랩 또는 듀어)에 의해 고정될 수 있다. 펌프(3010)는 게이트 밸브(3040)에 의해 진단 챔버(2000)으로부터 분리될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 게이트 밸브(3040)는 직경이 6"일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 게이트 밸브(3040)는 직경 6"보다 더 크거나 더 작을 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 제2 진공 시스템(3050)의 펌프 속도는 약 100liter/sec일 수 있고, 약 10-6torr의 진공을 유도할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 제2 진공 시스템(3050)의 펌프 속도는 100liter/sec보다 더 크거나 더 작을 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일측면에 따라 소스 챔버(100)의 일례를 나타낸다. 소스 챔버(100)는 펌프 프랜지(pump flange, 105), 소스 어셈블리(source assembly, 108), 손잡이(knob, 105), 스키머(skimmer, 103), 소스 챔버 외벽(104) 및 출구 포트(106)를 포함할 수 있다. 소스 어셈블리(108)는 플라즈마 디스차지 소스(200, 아크-소스), 자기 소스(102) 및 하나 또는 그 이상의 융합 공급통로(conflate feed-through, 109, 각각 109a, 109b 및 109c)를 포함할 수 있다. 플라즈마 디스차지 소스(200)는 캐소드 어셈블리(cathode assembly, 202)와 애노드 어셈블리(anode assembly, 203)를 포함할 수 있다. 애노드 어셈블리(203)은 노즐 어셈블리(nozzle assembly, 204)를 포함할 수 있다. 또한, 플라즈마 디스차지 소스(200)와 그것의 구성요소는 예를 들어, 도 4, 5, 6, 7a 및 7b에 관련하여 후에 더 자세히 설명하기로 한다.
몇 가지 측면으로서, 소스 챔버(100)는 도 2a에서 보는 바와 같이 L자형의 모양을 가진다. 소스 챔버(100)는 직경 D1 및 D2를 포함할 수 있다. 예를 들어, D1이 12"일 때 D2는 24"일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 소스 챔버(100)는 스테인리스 스틸 튜브 또는 다른 적절한 금속으로 만들어질 수 있다. 펌프 프랜지(105)는 제1 진공 시스템(1040)에 소스 챔버(100)를 연결할 수 있다. 펌프 프랜지(105)는 예를 들어, 직경이 12"일 수 있고, 테플론 오링 씰(Teflon O-ring seal)을 포함한다. 손잡이(150)는 소스 어셈블리(108)를 소스 챔버(100) 내로 이동시키기 위해 사용될 수 있다. 일례로, 소스 어셈블리(108)는 소스 어셈블리(108)와 스키머(103) 사이의 수평 거리를 조절하기 위해 수평축 H에 평행한 방향을 따라 이동할 수 있다. 융합 공급통로(109)는 플라즈마 디스차지 소스(200)와 자기 소스(102)로 전기적 파워(예를 들어, 전류 및/또는 전압), 냉각수 및 하나 또는 그 이상의 기본 소스를 통과시키기 위해 사용될 수 있다.
기본 소스는 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속(alkali metal), 알칼리 토류금속(alkali earth ground metal), 수소(hydrogen) 또는 비활성 기체(noble gas)를 포함할 수 있다. 도시된 바에 따르나 한정되지 않게(By way of illustration and not limitation), 기본 소스는 하기 중 하나일 수 있다: (ⅰ) 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속, (ⅱ) 하나 또는 그 이상의 알칼리 토류금속, (ⅲ) 수소 기체, (ⅳ) 하나 또는 그 이상의 비활성 기체, (ⅴ) (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ) 및/또는 (ⅳ) 중 어느 조합. 예를 들어, 기본 소스는 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속과 하나 또는 그 이상의 비활성 기체를 포함할 수 있다. 일례로, 기본 소스는 수소 분자 및/또는 아르곤 분자를 포함할 수 있다. 또다른 예로, 기본 소스는 나트륨(sodium)분자와 아르곤 분자를 포함할 수 있다. 알칼리 금속은 예를 들어, 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프란슘을 포함하는 주기율표(예를 들어, Sargent-Welch VWR International에 기재된 원소 주기율표(Catalog number WLS-18806-10))의 그룹 Ⅰ(1족)을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 토류금속은 예를 들어, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 라듐를 포함하는 주기율표의 그룹 Ⅱ(2족)를 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체는 예를 들어, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 라돈을 포함하는 주기율표의 그룹 18(18족)을 포함할 수 있다.
상기 설명의 다양한 측면에 따라, 상기 빔 소스는 중성화와 표면에서의 이온 반사에 기초할 수 있다. 상기 설명의 일측면으로서, 플라즈마 디스차지 소스(200)는 공급통로(109b)를 통해 하나 또는 그 이상의 기본 소스를 수용할 수 있고, 상기 하나 또는 그 이상의 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 플라즈마는 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 이온을 포함할 수 있다. 플라즈마 디스차지 소스(200)는 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202) 사이에 아크를 발생시키고 상기 플라즈마를 형성하기 위해 상기 하나 또는 그 이상의 기본 소스(예를 들어, 분자)를 하나 또는 그 이상의 이온으로 분리되도록 야기할 수 있다. 음전극(예를 들어, 캐소드 어셈블리(202))으로부터 방출된 전자는 양전극(예를 들어, 애노드 어셈블리(203))으로 향하고 양 전위에 의해 가속될 수 있으며, 상기 전자는 상기 기본 소스와 충돌하고 자기 특성으로 빔에 속박된 더 많은 이온을 발생시킨다. 강렬한 원자 빔(예를 들어, 하이퍼서멀 빔)은 상기 분리 챔버 표면에서 이온에 영향을 주는 중성화와 반사에 의해 생산될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 상기 빔 소스와 디스차지 안정 저항기(discharge stabilizing resistor, 도면에 나타나지 않음)를 위한 전기적 파워 소스외에 빔 발생 구성요소(예를 들어, 소스 어셈블리(108), 플라즈마 디스차지 소스(200), 자기 소스(102), 스키머(103), 매개 챔버(117))는 진공 컨테이너(예를 들어, 소스 챔버(100))에 위치될 수 있다. 이 컨테이너가 충분히 진공화된 후에 본 예시에서 아르곤 기체와 같은 비활성 기체는 가스 유입구 튜브(예를 들어, 공급통로 (109b))를 통해 원통형 음전극으로 도입될 수 있다. 직류 전류(dc) 전압은 양전극(예를 들어, 애노드 어셈블리(203))이 양 전위에 있고, 음전극(예를 들어, 캐소드 어셈블리(202))이 음전위에 있도록 하기 위해 높은 전압 dc 소스(예를 들어, 공급통로 109a와 109b를 통해)로부터 인가될 수 있다. 그 결과, 상기 양전극과 음전극 사이에서 일어나는 전기적 디스차지는 플라즈마를 발생시키고, 이에 따라 아르곤 이온과 전자를 제공하게 된다. 상기 전극들 사이의 공간으로 주입되는 상기 아르곤 이온은 상기 전자들과 충돌/재결합함으로써 아르곤 원자로 되돌아갈 수 있다. 상기 전자들의 중량은 아르곤 이온에 비해 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에, 아르곤 이온의 운동에너지는 상기 전자와의 충돌 과정에 의해 거의 영향을 받지 않고, 상기 아르곤 이온의 운동에너지는 빠른 원자 빔(예를 들어, 하이퍼서멀 빔)을 생산하기 위해 상기 아르곤 원자들로 실질적으로 전이될 수 있다.
일측면으로서, 하나 또는 그 이상의 이온은 하나 또는 그 이상의 타입의 이온을 포함할 수 있다. 또다른 일측면으로서, 하나 또는 그 이상의 이온은 다수의 이온를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 일측면으로서, 하나 또는 그 이상의 중성 원자는 하나 또는 그 이상의 타입의 중성 원자를 포함할 수 있다. 또다른 일측면으로서, 하나 또는 그 이상의 중성 원자는 다수 중성 원자(multiple neutral atoms)를 포함할 수 있다. 일례로, 기본 소스가 다음의 방법으로 도입되면 - 먼저 아르곤 분자, 다음으로 아르곤 분자의 유입을 정지함으로써 후속하는 수소 분자- 플라즈마(예를 들어, 상기 하나 또는 그 이상의 이온)는 초기에 하나의 타입의 이온(예를 들어, 아르곤), 그리고나서 2가지 타입의 이온(예를 들어, 아르곤과 수소), 그리고나서 마지막으로 하나의 타입의 이온(예를 들어, 수소)을 포함할 수 있다. 상기 생산된 하나 또는 그 이상의 중성 원자는 초기에 하나의 타입의 중성 원자(예를 들어, 아르곤), 그리고나서 2가지 타입의 중성 원자(예를 들어, 아르곤과 수소), 그리고나서 마지막으로 하나의 타입의 중성 원자(예를 들어, 수소)일 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 방사 시스템은 플라즈마 디스차지 소스(200)로부터 노즐 어셈블리(204)를 통해, 하나 또는 그 이상의 중성 원자들을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 방사하도록 형성될 수 있다. 일측면으로서, 방사 시스템은 플라즈마 디스차지 소스(200)로부터 노즐 어셈블리(204)의 구멍(aperture)을 통해 스키머(103)를 향하여 매개 챔버(117)로 하이퍼서멀 빔을 방사하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 진공 시스템(1040)에 의해 소스 챔버(100)의 압력을 펌프 다운시키고, 상기 기본 소스를 플라즈마 디스차지 소스(200)의 내부로 주입시킴으로써, 플라즈마 디스차지 소스(200)의 내부와 상기 플라즈마 디스차지 소스(200)의 외부(본 예에서 매개 챔버(117)) 사이에서 압력의 차이를 발생시킬 수 있다. 본 예에서는, 상기 플라즈마 디스차지 소스(200)의 내부에서의 압력 레벨은 상기 플라즈마 디스차지 소스(200)의 외부에서의 압력 레벨보다 높다. 이 압력 차이는 상기 하나 또는 그 이상의 중성 원자가 하이퍼서멀 빔으로서 플라즈마 디스차지 소스(200)에서 매개 챔버(117)로 이동시킬 수 있게 한다.
일례로, 방사 시스템은 제1 진공 시스템(1040) 또는 그것의 일부분, 플라즈마 디스차지 소스(200)의 내부, 상기 플라즈마 디스차지 소스(200)의 외부, 노즐 어셈블리(204)의 구멍 및 공급 통로(109b)를 포함할 수 있다. 또다른 예로, 방사 시스템은 단지 전술한 구성요소들의 부분집합을 포함할 수 있다. 또다른 예로, 방사 시스템은 다른 추가적인 구성요소들을 포함할 수 있다. 또다른 예로, 방사 시스템은 플라즈마 디스차지 소스(200)로부터 하이퍼서멀 빔을 방사할 수 있는 다른 구조(예를 들어, 다른 구성요소 또는 배치)를 포함할 수 있다. 전술한 내용은 예시에 불과하고, 본 발명은 이러한 예시들에 한정되지 않는다. 몇 가지 측면으로서, 상기 압력의 차이는 예를 들어, 약 300에서 10 -1 torr일 수 있다.
몇 가지 측면으로서, 노즐 어셈블리(204)의 구멍 근처의 애노드 어셈블리(203)과 캐소드 어셈블리(202) 사이에 아크를 발생시킴으로써, 상기 하나 또는 그 이상의 기본 소스들은, 그들이 상기 압력 차이의 결과로서 노즐 내의 상기 구멍을 향해 이동하기 때문에, 상기 아크를 통해 통과할 수 있다. 일측면으로서, 자기 소스(102)는 자기장을 제공하고, 이러한 자기장은 첫 번째 방향(예를 들어, 수평방향 H에 평행하거나 수직방향 V에 직각)으로 하이퍼서멀 빔을 평행하게 하고, 노즐 어셈블리(204)의 상기 구멍을 빠져나가는 상기 하이퍼서멀 빔의 사이즈(예를 들어, 직경)를 제어하기 위해 상기 하이퍼서멀 빔을 포커싱하는 것을 용이하게 해준다. 이러한 자기장은 상기 하이퍼서멀 빔이 일반적으로 상기 수평축 H에 평행한 수평 방향으로, 또한 스키머(103)를 향해 노즐 어셈블리(204)의 상기 구멍의 레벨에서 수직으로 이동할 수 있게 해준다. 몇 가지 측면으로서, 자기 소스(102, 예를 들어 콘트롤러(5000)를 통해)에 인가된 상기 전류 및/또는 전압을 제어함으로써, 상기 자기장은 조정(tunable)하거나 조절(adjustable)할 수 있다. 도 2b는 평행하게 되고, 제어된 사이즈 X를 갖고, 노즐 어셈블리(204)의 구멍으로부터 스키머(103)로 이동하는 하이퍼서멀 빔(225)의 일례를 나타낸 것이다.
자기 소스(102)에 의해 제공된 상기 자기장은 상기 노즐 어셈블리(204)의 구멍 또는 그 근처에 위치한 플라즈마의 이온에 작용하는 압축력을 방사상으로 발생시킬 수 있다. 이는 예를 들어, 상기 플라즈마 이온이 상기 노즐 어셈블리(204)의 구멍 또는 그 근처에 잔류하도록 할 수 있고, 중성 원자가 이 위치에서 상기 플라즈마로부터 형성되어 제어된 사이즈와 일방향을 갖는 하이퍼서멀 빔을 방사되도록 할 수 있다. 상기 노즐 어셈블리(204)의 구멍 또는 그 근처의 플라즈마를 방사상으로 압축하는 것은 상기 플라즈마 화염(flame)과 상기 애노드 어셈블리(203) 및/또는 노즐 어셈블리(204)를 둘러싸고 있는 벽의 접촉을 최소화하거나 방지할 수 있다. 그러한 접촉은 플라즈마 화염의 높은 온도로 인해 상기 둘러싸고 있는 벽에 손상을 줄 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 자기 소스(102)에 의해 제공된 상기 자기장은 상기 하이퍼서멀 빔의 사이즈를 제어하기 위해 상기 하이퍼서멀 빔에 작용하는 압축력을 방사상으로 발생시킬 수 있다.
상기 자기장을 이용하여 자기 소스(102)에 의해 발생된 방사상의 압축력은 자기 소스(102)에 인가된 전압 및/또는 전류의 양에 의존하여 변화할 수 있다. 예를 들어, 자기 소스(102)는 상기 플라즈마 화염이 조절가능한 직경, 예를 들어 약 0.5에서 4mm까지의 직경을 가질 수 있는 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기 소스(102)가 없으면 상기 플라즈마 화염이 예를 들어 약 30mm보다 더 큰 직경을 가질 수도 있다. 또다른 예로서, 자기 소스(102)는 하이퍼서멀 빔이 노즐 어셈블리(204)의 구멍을 빠져나갈 때 상기 빔이 조절가능한 직경, 예를 들어 0.5에서 2mm를 가질 수 있도록 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기 소스(102)가 없으면 상기 하이퍼서멀 빔은 예를 들어 약 15mm보다 더 큰 직경을 가질 수도 있다.
플라즈마 디스차지 소스(200)는 자기 소스(102)의 중심부로 이동될 수 있다. 예를 들어, 자기 소스(102)는 직경 6"의 전자석(electromagnet)일 수 있다. 또다른 측면으로서, 자기 소스(102)는 하나 또는 그 이상의 자석(magnet)을 포함할 수 있다. 또다른 측면으로서, 자기 소스(102)는 자기장을 발생시킬 수 있는 또다른 타입의 소스일 수 있다. 자기 소스(102)는 열을 발생시키기 때문에, 자기 소스(102)는 수냉될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 자기 소스(102)는 예를 들어, 20V와 20A에서 작동할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 이러한 레벨에서 자기 소스(102)를 작동시키는 것은 예를 들어, 가우스 미터로 측정된 대로 자기 소스(102)의 중심부에서 3-킬로가우스(kilogauss)에서 0.5-킬로가우스까지의 자력 사이에서 조정가능한 자기장을 발생시킨다. 본 발명의 다양한 측면에 따라, 이러한 자기장은 상기 빔을 떠나려고 시도하는 어떤 이온에 방사상으로 압축력(예를 들어, 수직의 힘)을 제공하고, 대신 그들을 자유 제트(free jet) 팽창의 중심부(본 예에서 노즐 어셈블리(204)의 구멍 또는 그 근처에 위치한)에 잔류하도록 디렉팅(directing) 함으로써 상기 플라즈마를 안정화시킬 수 있다. 도 2c에 나타난 바와 같이, 중성 원자(2225)는 노즐 어셈블리(2204)로부터 스키머(2103)을 향해 방출되기 때문에, 자기 소스(102)가 없으면 상기 중성 원자(2225)는 애노드 어셈블리(2203)를 제외한 모든 방향으로(예를 들어, 제어된 사이즈로 평행하게 된 빔을 형성하지 않으면) 자유롭게 퍼질 수 있다.
몇 가지 측면으로서, 출구 포트(406)는 예를 들어, 직경이 6" 일 수 있다. 스키머(103)는 수냉된 베이스(base)을 포함하고, 노즐 어셈블리(204)의 구멍과 스키머(103)가 상기 출구 포트(106)의 중심부와 일직선이 되도록 오링 씰을 통해 소스 챔버(100)의 끝에 위치할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 스키머(103)는 하이퍼서멀 빔을 더욱 포커싱한다. 스키머(103)에 도달한 상기 하이퍼서멀 빔의 사이즈는 노즐 어셈블리(204)와 스키머(103) 사이의 운행 거리로 인해 노즐 어셈블리(204)의 구멍에서의 하이퍼서멀 빔보다 잠재적으로 더 클 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 스키머(103)는 스키머(103)의 유입구에서의 하이퍼서멀 빔의 직경이 예를 들어, 약 0.5에서 2mm 사이가 될 수 있도록 하이퍼서멀 빔을 더욱 포커싱할 수 있다. 소스 챔버(100)가 배관(107)을 통해 진단 챔버(2000)와 결합될 수 있는 것은 출구 포트(106)에 의해서이다. 배관(107)은 유동식 배관일 수 있다. 소스 챔버 외벽(104)은 효율적인 냉각을 보장하기 위해 소스 챔버(100)의 외부 주위로 용접된 0.25인치(a quarter inch)의 구리 배관일 수 있다. 창문(101)는 소스 챔버(100)의 작동을 관찰할 수 있도록 석영 창문이 될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 창문(101)는 6" 프랜지 상에 맞춰질 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 플라즈마 디스차지 소스(200)로의 전압과 전류 투입량을 제어함으로써, 상기 병진 운동 에너지와 상기 하이퍼서멀 빔의 강도가 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서의 콘트롤러(5000)는 플라즈마 디스차지 소스(200)에 인가된 전류와 전압을 제어할 수 있다. 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지는 플라즈마 디스차지 소스(200)에 인가된 전류 및/또는 전압에 기초하여 조정될 수 있다. 상기 하이퍼서멀 빔의 강도는 플라즈마 디스차지 소스(200)에 인가된 전류 및/또는 전압에 기초하여 조정될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 병진 운동 에너지는 약 50-400V 사이의 작동 전압으로, 약 0.5에서 20eV로 조정될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 강도는 약 10 22 atoms/sterad/sec까지 조정될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 하이퍼서멀 빔은 연속적인 파동이거나 연속적인 빔이다(예를 들어, 하이퍼서멀 빔은 빔 펄스가 아니다).
많은 화학 반응은 약 20eV의 병진 운동 에너지(예를 들어, 운동 에너지)보다 작은 화학적으로 바람직한 체제에서 중성 원자의 하이퍼서멀 빔에 의해 촉진될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 하이퍼서멀 빔은 약 0.5에서 20eV 사이의 병진 운동 에너지를 가진 빔을 포함할 수 있다. 또다른 측면으로서, 하이퍼서멀 빔은 0.5eV보다 작고 0eV보다 큰 병진 운동 에너지를 가진 빔을 포함할 수 있다. 또다른 측면으로서, 하이퍼서멀 빔은 20eV보다 큰 병진 운동 에너지를 가진 빔을 포함할 수 있다.
도 1을 다시 참고하면, 진단 챔버(2000)은 소스 챔버(100)에서 발생된 상기 하이퍼서멀 빔을 분석하기 위해 하나 또는 그 이상의 진단 장치(예를 들어, 진단 장비)를 포함할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 진단 챔버(2000)는 예를 들어, 직경이 24"일 수 있다. 진단 챔버(2000)는 하나 또는 그 이상의 융합 프랜지(conflate flanges)를 가진다. 예를 들어, 하나의 융합 프랜지는 진단 챔버(2000)를 소스 챔버(100)에 연결시키기 위해 상기 진단 챔버(2000)를 배관(107)에 접합시키는 데에 사용된다. 또다른 융합 프랜지는 진단 챔버(2000)의 내부를 관찰할 수 있도록 창문(201)을 포함할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 창문(201)는 석영 창문일 수 있다. 또다른 융합 프랜지는 상기 들어가는 하이퍼서멀 빔의 바로 앞에 위치하고, 상기 들어가는 하이퍼서멀 빔의 분석을 위해 위치된, 예를 들면 EAI Qual 300 매스(mass) 분광계를 가질 수 있다. 진단 챔버(2000)는 그 베이스(예를 들어, 제2 이동식 스탠드(3000)) 상에 위치된 수직방향의 푸쉬(push)-풀(pull) 나사를 통해 그 베이스와 독립적으로 이동할 수 있다. 이는 소스 챔버(100)에서의 노즐 어셈블리(204) 및 스키머(103)와 상기 매스 분광계 차제 사이가 일직선이 되도록 상기 들어오는 하이퍼서멀 빔에 대한 상기 매스 분광계의 움직임을 허락할 수 있다. 상기 진단 챔버(2000)의 바닥(floor)은 상기 펌프 폴(pole)을 둘러싸고 있는 상기 펌프 챔버의 바닥 상의 가둬진 홀(trapped holes)의 원을 가질 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일측면에 따라, 진단 장치(2000)에 이용될 수 있는 진단 장치의 일례를 나타낸 것이다. 진단 챔버(2000)는 상기 하이퍼서멀 빔(120, 예를 들어 유일한 특정 병진 운동 에너지를 가진 원자를 선택한다)의 병진 운동 에너지를 선택하도록 형성된 속도 선택기(speed selector, 2010)를 포함할 수 있다. 일측면으로서, 속도 선택기(2010)는 단지 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 특정 부분(예를 들어, 특정 원자)이 입구 포트(2040)에서 출구 포트(2050)까지 전송되도록 함으로써, 이것을 수행할 수 있다. 속도 선택기(2010)는 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 일부분이 회전식 디스크(2020)의 회전 속도 ω(예를 들어, ωa와 ωb)와 상기 회전식 디스크(2020) 상의 슬릿(2030, 각각 2030a와 2030b)의 사이즈에 기초하여 상기 회전식 디스크(2020)를 통해 통과하도록 형성된 하나 또는 그 이상의 회전식 디스크(2020, 각각 2020a와 2010b)를 포함한다.
예를 들어, 도 3b를 참고하면, 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 원자들이 다른 속도로 이동할 수 있고, 따라서 상기 원자의 속도에 의존하여 다른 병진 운동 에너지를 가질 수 있다. 그 결과, 하이퍼서멀 빔(120)은 도 3b에 나타난 바와 같은 병진 운동 에너지 분포를 가질 수 있다. 속도 선택기(2010)는 상기 회전 속도 ω와 상기 슬릿(2030)의 사이즈를 조절함으로써, 하이퍼서멀 빔(120)의 단지 원하는 부분(160, 예를 들어 속도)이 출구 포트(2050)를 통해 통과하도록 필터로서 작용할 수 있다. 상기 출구 포트(2050)를 통해 통과하는 하이퍼서멀 빔(120)의 부분은 특별한 병진 운동 에너지를 가지는 것으로 간주할 수 있다. 따라서, 진단 챔버(2000)를 빠져나가는 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 부분은 예를 들어, 진단 챔버(2000)로 들어가는 하이퍼서멀 빔(120)보다 협소한 에너지 분산도(spread, 예를 들어 160-1)를 갖는 병진 운동 에너지를 가질 수 있다.
일례로, 상기 회전 속도 ω와 상기 슬릿(2030)의 사이즈는 단지 상기 출구 포트(2050)를 통해 통과하는 하이퍼서멀 빔(120)의 부분이 평균치로 대략 5eV의 병진 운동 에너지를 가지도록 조절될 수 있고, 그 에너지 분산도는 예를 들어, 약 ±0.5eV일 수 있다. 일측면으로서, 병진 운동 에너지의 평균치는 예를 들어 상기 회전 속도에 기초할 수 있고, 상기 에너지 분산도는 예를 들어 상기 슬릿의 사이즈에 기초할 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 측면에 따르면, 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 병진 운동 에너지는 속도 선택기(2010)를 이용함으로써 선택되거나 조절될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 병진 운동 에너지는 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 속도를 변화시키기 위해 자기 소스(102) 및/또는 플라즈마 디스차지 소스(200)에 인가되는 전압과 전류의 양을 변화시킴으로써 유사하게 선택되거나 조절될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 병진 운동 에너지나 하이퍼서멀 빔(120)의 강도는 연속적으로 조절되거나 조정되거나 선택될 수 있다.
도 3b에 나타난 바와 같이, 상기 하이퍼서멀 빔(120)의 강도(140)는 상기 병진 운동 에너지 분포 아래의 면적으로 주어질 수 있다. 따라서, 병진 운동 에너지를 정확하게 선택하는 것과 높은 강도(140)를 유지하는 것 사이에는 교환(tradeoff)이 있을 수 있다. 더 정확하고 협소한 범위의 선택된 병진 운동 에너지는 더 낮은 강도(140)를 발생시킨다. 반대로, 덜 정확하고 넓은 범위의 선택된 병진 운동 에너지는 더 높은 강도(140)를 발생시킨다. 본 발명의 특정 측면에 따르면, 약 0.5에서 20eV 사이의 병진 운동 에너지와 약 10 22 atoms/sterad/sec의 강도는 본 발명을 이용하여 달성될 수 있다. 일측면으로서, 상기 슬릿(2030)을 통과하지 않는 하이퍼서멀 빔(120)의 다른 부분은 회전식 디스크(2020)에 의해 정지된다. 몇 가지 측면으로서, 상기 하나 또는 그 이상의 회전식 디스크는 텅스텐 또는 하이퍼서멀 빔(120)에 의해 발생한 열과 에너지에 견딜 수 있는 다른 적절한 금속을 포함한다.
도 4는 본 발명의 일측면에 따라, 플라즈마 디스차지 소스(200)의 절단면의 개략도를 보여준다. 플라즈마 디스차지 소소(200)는 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202)를 포함할 수 있다. 애노드 어셈블리(203)은 노즐 어셈블리(204), 애노드 냉각 구역(anode cooling area, 1003), 애노드 몸체(anode body, 1002) 및 절연체(insulator, 1110)을 포함할 수 있다. 캐소드 어셈블리(202)는 캐소드 로드(cathode rod, 1010), 캐소드 냉각 구역(cathode cooling area, 1009), 캐소드 몸체(cathode body, 1107) 및 캐소드 로드(cathode rod, 1010)에 연결된 하나 또는 그 이상의 압축 맴버(compression member, 1007)를 포함할 수 있다. 캐소드 몸체는 캐소드 지지 구조(cathode support structure, 1103), 캐소드 튜브(cathode tube, 1101) 및 캐소드 외부 케이싱(cathode outside casing, 1105)을 포함할 수 있다.
애노드 어셈블리(203)과 노즐 어셈블리(204)도 예를 들어 도 7a와 7b와 관련하여, 후에 자세하게 설명하기로 한다. 캐소드 어셈블리(202)도 예를 들어 도 5와 6과 관련하여, 후에 자세하게 설명하기로 한다.
몇 가지 측면으로서, 하나 또는 그 이상의 압축 멤버(1007)는 캐소드 로드(1010)가 수평축 H에 평행하고 수직축 V에 직각인 애노드 어셈블리(203)에 대해 이동하도록 형성시키기 위해 압축하거나 팽창할 수 있다. 노즐 어셈블리(204)와 캐소드 로드(1010)의 캐소드 팁 사이의 분리 거리(seperation distance, 220)는 상기 캐소드 로드(1010)의 움직임에 기초하여 조절될 수 있다. 플라즈마 디스차지 소스(200)는 노즐 어셈블리(204)와 상기 구별 거리(220)에 기초한 상기 캐소드 팁 사이에 아크(예를 들어, 전압 펄스)를 발생시킬 수 있다.
일측면으로서, 절연체(1110)은 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분에 인접할 수 있고, 절연체(1110)에 인접한 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분으로부터 애노드 어셈블리(203)를 전기적으로 절연하도록 형성된다. 또다른 측면으로서, 절연체(1110)은 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분을 둘러쌀 수 있다. 또다른 측면으로서, 절연체(1110)는 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분에 마주보는 애노드 몸체(1002)의 표면에 바로 부착될 수 있다. 또다른 일측면으로서, 절연체(1110)는 빈(hollow) 공간(예를 들어, 1004)에 의해 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분으로부터 분리될 수 있다. 또다른 일측면으로서, 절연체(1110)는 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분의 외표면 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분의 외표면과 마주볼 수 있다. 또다른 일측면으로서, 절연체(1110)는 캐소드 로드(1010)의 적어도 일부분 및/또는 캐소드 몸체(1107)의 적어도 일부분과 직접적으로 접촉해 있지는 않다. 또다른 일측면으로서, 절연체(1110)은 캐소드 로드(1010)에 마주보는 상기 노즐 어셈블리(204)의 표면을 덮지 않는다. 몇 가지 측면으로서, 상기 캐소드 로드(1010)의 캐소드 팁은 절연체(1110)에 인접하지 않는다. 또다른 일측면으로서, 상기 캐소드 팁은 절연체(1110)에 의해 노즐 어셈블리(204)로부터 절연되지 않는다. 또다른 배치로서, 절연체(1110)는 노즐 어셈블리(204)의 출구 지점(도 7a와 7b의 노즐 디스크(1130))을 제외하고 노즐 어셈블리(204)로 확장될 수 있다. 상기 제공된 설명은 예시에 불과하고, 본 발명은 이러한 예시들에 한정되지는 않는다.
본 발명의 특정 측면에 따르면, 플라즈마 디스차지 소스(200)는 하나 또는 그 이상의 기본 소스(예를 들어, 기체의 형태로)가 소스 유입구(1006, 각각 1006a와 1006b)를 통해 고정된 애노드 몸체(1002)와 이동가능한 캐소드 로드(1010) 사이의 구역(1004)으로 도입되도록 할 수 있다. 소스 챔버(100, 예를 들어 진공 챔버) 내에 플라즈마 디스차지 소스(200)와 매개 챔버(117)(도 2a)룰 위치시키는 것과 기체를 구역(1004)로 주입하는 것은 구역(1004)와 매개 챔버(117) 사이의 압력 차이를 발생시킬 수 있고, 발생한 하나 또는 그 이상의 중성 원자들이 하이퍼서멀 빔으로서 매개 챔버(117)로 이동하게 해준다. 노즐 어셈블리(204)와 캐소드 로드(1010)의 캐소드 팁 사이의, 하나 또는 그 이상의 기본 소소와 결합된 아크(예를 들면, 높은 전압 펄스)는 노즐 어셈블리(204)와 상기 캐소드 팁 사이의 플라즈마 화염을 발생시킬 수 있다. 노즐 어셈블리(204)를 통한 기체의 팽창 때문에, 상기 플라즈마 화염은 애노드 어셈블리(203) 자체를 넘어 매개 챔버(117)에까지 확장될 수 있고, 따라서 발생한 열의 일부를 가져가버린다. 이러한 아크는 플라즈마 디스차지 소스(200)의 금속 표면의 악화를 방지하기 위해 효율적인 냉각을 필요로 하는 매우 높은 온도(약 1000°K 이상)를 발생시킬 수 있다.
몇 가지 측면으로서, 애노드 몸체(1002)는 애노드 냉각 구역(1003)을 제공하기 위해 비어있고, 캐소드 몸체(1107)은 캐소드 냉각 구역(1009)을 제공하기 위해 비어있다. 물 통로는 플라즈마 디스차지 소스(200)에 대한 냉각을 제공하기 위해 애노드 냉각 구역(1003)과 캐소드 냉각 구역(1009)으로 물을 투입하는 데에 사용될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 전기적으로 전도성이 없는(예를 들어, 플라스틱) 호스(hose)가 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202)를 냉각하기 위한 상기 물 통로에 대해 냉각수(cooling water)를 제공할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따라, 캐소드 어셈블리(202)가 도 5에 나타나있다. 캐소드 지지 구조(1103)를 포함할 수 있는 캐소드 몸체(1107), 캐소드 튜브(1101, 예를 들어 빈 튜브) 및 캐소드 외부 캐이싱(1105)은 다양한 물질, 예를 들어 구리, 활동, 스테인리스 강 또는 다른 적절한 물질로 만들어질 수 있으나, 상기 예에 한정되지 않는다. 상기 캐스도 로드(1010)은 다양한 물질, 예를 들어 텅스텐 또는 높은 온도에서 잘 견딜 수 있는 다른 적절한 물질로 만들어질 수 있으나, 상기 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 캐소드 로드(1010)는 2% 토륨 텅스텐으로 만들어질 수 있고, 3000K를 초과하는 온도에서 결딜 수 있다. 압축 멤버(1007)는 노즐 어셈블리(204)를 향하거나 또는 떨어져있는 캐소드 로드(1010)를 이동시킬 수 있는 하나 또는 그 이상의 벨로우(bellows), 스프링 또는 다른 장치를 포함할 수 있다. 대안의 구성으로서, 다른 타입의 메커니즘이 캐소드 로드(1010)를 이동시키는 데에 적용될 수 있다.
몇 가지 측면으로서, 캐소드 로드(1010)의 상기 팁의 직경이 약 1.125"일 수 있다. 또다른 구성으로서, 캐소드 로드(1010)의 상기 팁의 직경이 약 1.125"보다 클 수도 있고 작을 수도 있다. 몇 가지 측면으로서, 캐소드 로드(1010)의 상기 팁의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 로드(1010)의 상기 팁은 둥글게 된 엔드(end)나 날카로운 엔드를 가질 수 있다. 캐소드 로드(1010)는 캐소드 로드(1010) 뿐만 아니라 캐소드 튜브(1101)의 수냉을 허용하는 방식으로 세트 나사(1102)에 의해 캐소드 튜브(1101)의 베이스에 부착될 수 있다. 캐소드 튜브(1101)는 캐소드 튜브(1101)가 후자에 대하여 이동할 수 있도록 캐소드 지지 구조(1103)의 내부에 들어맞을 수 있다. 예를 들어, 몇 가지 측면으로서, 캐소드 튜브(1101)는 캐소드 지지 구조(1103)에 대해 0.75"를 이동할 수 있다. 압축 멤버(1007, 예를 들어 황동 벨로우)는 진공 타이트(tight) 어셈블리를 유지하기 위해 캐소드 튜브(1101)와 캐소드 지지 구조(1103) 사이에서 은 남땜될 수 있다. 일단 세팅되면(Once set), 캐소드 튜브(1101)의 상기 위치는 캐소드 외부 캐이싱(1105)에 의해 제자리에 고정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일측면에 따라, 캐소드 어셈블리(202)의 소스 유입구(1006, 각각 1006a, 1006b, 1006c, 1006d)의 일례를 나타낸다. 캐소드 어셈블리(202)는 단면도로 나타낸 것이다. 플라즈마 디스차지 소스(200)는 다수의 기본 소스를 수용할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 디스차지 소스(200)의 캐소드 어셈블리(202)는 하나 또는 그 이상의 기본 소스를 수용하도록 형성된 하나 또는 그 이상의 소스 유입구(1006)를 포함할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 소스 유입구(1006)는 기체 유입구일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 소스 유입구(1006)는 캐소드 어셈블리(202)가 상기 하나 또는 그 이상의 기본 소스를 소용돌이 형태의 분포(swirl-like distribution)로 수용하도록 형성된 캐소드 어셈블리(202)의 벽(270, 예를 들어 캐소드 지지 구조(1103))에 실질적으로 접선 방향으로 기울여질 수 있다. 예를 들어, 2개의 소스 유입구(1006, 각각 1006a와 1006b)는 캐소드 어셈블리(202)와 애노드 어셈블리(203) 사이에 위치한 소스 챔버(100)의 반대 쪽 벽(270)을 통해 급격한 각도로 구멍이 뚫릴 수 있다. 이는 상기 기본 소스(예를 들어, 기체)가 플라즈마 디스차지 소스(200) 내부 주위를 소용돌이치고, 노즐 어셈블리(204)를 통해 더 안정적인 유동을 발생시키는 효과를 가지며, 이에 따라 상기 아크를 안정화시킨다. 몇 가지 측면으로서, 상기 소스 유입구(1006)의 한 쪽이 막힐 때, 상기 아크는 작동하지 않을 수 있다. 이는 기체 유동에서의 경사도가 상기 디스차지 매개체를 불균일하고 불안정적으로 만들 수 있기 때문이다.
본 발명의 다양한 측면에 따라, 도 7b는 애노드 어셈블리(203)의 분해도를 나타낸 반면, 도 7a는 조립된 애노드 어셈블리(203)를 나타낸다. 노즐 어셈블리(204)는 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더(예를 들어, 1120과 1140)와 노즐 디스크(130)를 포함한다. 상기 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더는 노즐 디스크(1130)을 고정시킨다. 상기 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더는 예를 들어, 구리, 황동, 스테인리스 강 또는 다른 적절한 물질로 만들어지나, 상기 예에 한정하지 않는다. 노즐 디스크(1130)은 예를 들어, 텅스텐 또는 매우 높은 온도(예를 들어, 약 3500°K를 초과)에서 견딜 수 있는 다른 적절한 물질로 만들어지나, 상기 예에 한정하지 않는다. 몇 가지 측면으로서, 노즐 디스크(1130)는 쉽게 대체되거나 제거될 수 있다. 노즐 어셈블리(204)는 하이퍼서멀 빔이 플라즈마 디스차지 소스(200)로부터 도 2a의 매개 챔버(117)로 방사될 수 있는 구멍(1145)을 만들 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 애노드 몸체(1002)는 예를 들어, 구리, 황동, 스테인리스 강 또는 다른 적절한 물질로 만들어질 수 있으나, 상기 예에 한정하지 않는다. 절연체(1110)는 예를 들어, 세라믹 또는 애노드 어셈블리(203)의 적어도 일부분을 캐소드 어셈블리(202)의 적어도 일부분으로부터 절연하기에 적절한 다른 물질로 만들어질 수 있으나 상기 예에 한정하지 않는다. 일측면으로서, 절연체(1110)는 고체일 수 있고, 빈 공간이 아니다(구역(1004)는 아니다).
몇 가지 측면으로서, 애노드 몸체(1002)는 그 속에 구멍이 뚫린(bored) 다수의 수냉 채널을 가질 수 있다. 예를 들어, 애노드 몸체(1002)는 그 속에 구멍이 뚫린 6개의 수냉 채널을 가질 수 있다. 애노드 어셈블리(203)의 전면은 기본 소스가 통과하고 아크가 발생하는 노즐 어셈블리(204)를 고정할 수 있다. 일단 아크가 캐소드 로드(1010)의 캐소드 팁과 노즐 디스크(1130) 사이에서 발생하면 상기 아크는 플라즈마 디스차지 소스(200)에 후속적으로 손상을 줄 수 있는 내부 아크를 발생시키는 애노드 몸체(1002)로 이동할 수 있다. 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 이러한 문제점을 회피하기 위해, 플라즈마 디스차지 소스(200)의 애노드 어셈블리(203)는 노즐 어셈블리(204)의 출구 지점(예를 들어, 노즐 디스크 (1130))을 제외한 모든 곳의 캐소드 어셈블리(202)로부터 전기적으로 전열될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 이는 다른 직경을 갖는 한 쌍의 동축의 실린더와 유사한 마코르(Macor) 세라믹(1110)의 한 부분을 가공하는 것을 수반할 수 있다. 절연체(1110)의 작은 직경를 갖는 실린더는 캐소드 로드(1010)을 둘러쌀 수 있고, 더 큰 직경을 갖는 실린더는 캐소드 로드(1010)을 고정하는 캐소드 튜브(1101)를 둘러쌀 수 있다. 그 결과, 캐소드 어셈블리(202)는 애노드 어셈블리(203)로부터 보호될 수 있고, 작은 부피에 대한 아크는 캐소드 로드(1010)의 팁과 노즐 디스크(1130) 사이에 속박될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면으로서, 많은 열이 노즐 어셈블리(204)의 출구 구멍 또는 그 근처에서 발생하기 때문에, 노즐 디스크(1130)은 간단한 대체로 고안될 수 있다. 예를 들어, 1mm 홀이 텅스텐으로 만들어진 0.375" 직경의 디스크에 의해 0.125" 두께의 중심부에서 구멍이 뚫릴 수 있다. 상기 노즐 디스크(1130)은 노즐 디스크(1130)와 수냉된 애노드 몸체(1002)의 베이스 사이에서 우수한 열적 접촉을 제공할 수 있는 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더(예를 들어, 1120과 1140)에 의해 제자리에 고정될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따라, 도 4, 5, 7a 및 7b를 참고하면, 애노드 어셈블리(203)과 캐소드 어셈블리(202)는 나사에 의해 접합될 수 있다. 예를 들어, 애노드 어셈블리(203)과 캐소드 어셈블리(202)는 6개의 테플론 나사에 의해 접합될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 나사는 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202)를 함께 접합하기 위해 나사 홀(280) 내로 삽입될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 나사 홀(280)은 테플론 나사 홀일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 애노드 어셈블리(203)과 캐소드 어셈블리(202)는 스페이서(spacer, 예를 들어 테플론 스페이서)와 오링(1005, 예를 들어 비톤 오링)에 의해 전기적으로 분리될 수 있다. 오링(1005)도 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202) 사이에 진공 씰을 제공할 수 있다. 일단 애노드 어셈블리(203)과 캐소드 어셈블리(202)가 같이 조립되면 캐소드 로드(1010)의 캐소드 팁과 노즐 어셈블리(204) 사이의 공간이 하나 또는 그 이상의 기본 소스가 소스 주입구(1006)과 같은 소스 주입구 라인을 통해 도입될 수 있는 구역(1004, 예를 들어 작은 챔버)을 형성한다. 캐소드 어셈블리(202)가 소스 챔버(100, 예를 들어, 애노드 어셈블리 (203))의 나머지로부터 절연되는 것을 보장하기 위해, 캐소드 어셈블리(202)에 대한 모든 물 라인은 폴리에틸렌 배관, 플라스틱 배관 또는 다른 적절한 비전도성 질로 만들어질 수 있다. 소스 주입구(1006)은 그것을 애노드 어셈블리(203)과 소스 챔버(100)의 나머지로부터도 절연시키기 위해 유리 스페이서를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 측면으로서, 애노드 어셈블리(203)과 캐소드 어셈블리(202)가 조립되고, 분리 거리(220)은 캐소드 로드(1010)의 팁으로부터 한 세트의 캘리퍼스(calipers)로 제거된 노즐 디스크(1130)을 갖는 나사이음된 노즐 홀더(1120)까지의 거리를 측정하고, 캐소드 어셈블리(202)를 나사 홀(280)에서 삽입되는 테플론 리테이너(retainer) 나사와 같은 나사로 적절한 위치에서 고정시키는 압축 멤버(1007)를 압축함으로써 조절될 수 있다. 본 발명의 일측면으로서, 분리 거리(220. 예를 들어 (노즐 디스크 1130에 마주보는) 캐소드 로드(1010)의 팁과 (상기 팁에 마주보는) 노즐 디스크 (1130)의 표면 사이의 차이)는 약 0.4에서 0.8mm 사이일 수 있다. 하나의 바람직한 측면으로서, 분리 거리(220)는 약 0.5mm일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 분리 거리(220)이 너무 작으면, 노즐 구멍이 캐소드 로드(1010)로 즉시 단락(short out)될 수 있다. 그러나, 분리 거리(220)이 너무 크면 아크가 첫 번째 기본 소스에서 다른 기본 소스로 전환하는 동안 소멸될 수 있다. 예를 들어, 상기 아크는 캐리어 기체(예를 들어, 아르곤)에서 서비스 기체(예를 들어, 수소)로 전환하는 동안 소멸될 수 있다. 몇 가치 측면으로서, 약 0.4에서 0.8mm의 분리 거리(220)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 안정적인 작동을 제공할 수 있다.
도 1, 2a, 4 및 7a를 참고하면, 캐소드 로드(1010)의 팁은 상기 캐소드 로드(1010)의 팁이 인접하고 또는 노즐 홀더(1120)에 의해 둘러싸일 수 있는 절연체(1110)를 지나 수평축 H를 따라 이동할 수 있다. 본 발명의 다양한 측면으로서, 아크는 캐소드 로드(1010)의 팁과 아크 구역(1008)에서의 노즐 어셈블리(204) 사이에서 형성될 수 있다. 아크 구역(1008)은 노즐 어셈블리(204)에서의 구멍 또는 그 근처에 위치할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 아크 구역(1008)은 플라즈마 디스차지 소스(200)의 출구 지점(예를 들어, 노즐 어셈블리(204)에서의 구멍) 바로 앞에 있는 플라즈마 디스차지 소스(200) 내에 위치할 수 있다. 일례로, 분리 거리(220)가 정해질 수 있고, 아크는 캐소드 로드(1010)와 노즐 어셈블리(204) 사이의 아크 구역(1008)에서 형성될 수 있다. 제1 진공 시스템(1040)은 플라즈마 디스차지 소스(200)에 대한 외부 압력이 플라즈마 디스차지 소스(200) 내부의 압력보다 낮은 곳에서 압력 차이를 발생시킬 수 있고, 상기 소스 주입구(1006)를 통해 수용된 기본 소스는 아크 구역(1008)로 이동할 수 있는데, 상기 기본 소스를 상기 아크를 통해 지나갈 수 있도록 해준다. 그 결과, 상기 기본 소스는 이온으로 분리되고, 아크 구역(1008)에서 플라즈마 화염을 발생시킨다. 일측면으로서, 상기 플라즈마의 이온은 중성화를 전이시키는 충돌 모멘텀과 분리(dissociation) 챔버 표면에서 이온에 영향을 주는 반사에 의해 구역(1008)에서 중성 원자로 전환될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면으로서, 자기 소스(102)는 플라즈마 화염과 노즐 어셈블리(204, 노즐 홀더 1120과 1140)의 둘러싸고 있는 벽 사이의 접촉을 최소화하거나 방지하기 위해 아크 구역(100, 플라즈마 화염이 발생되는 곳) 및/또는 노즐 어셈블리(204)에서 상기 플라즈마를 방사상으로 압축(예를 들어, 수직축 V를 따라)할 수 있는 자기장을 제공할 수 있다.
본 발명의 측면들에 따르면, 가변 전류 아크 용접 공급기는 플라즈마 디스차지 소스(200)을 파워시키는 데에 사용된다. 예를 들어, 도 2a를 참고하면, 파워는 하나 또는 그 이상의 융합 공급통로(109)를 통해 플라즈마 디스차지 소스(200)로 전송될 수 있다. 몇 가지 측면을로서, 플라즈마 디스차지 소스(200)에 공급되는 최대 전류는 약 200A이다. 몇 가지 측면으로서, 플라즈마 디스차지 소스(200)에 공급된 개방 회로 전압은 약 90V DC(VDC)이다. 게다가, DC 전류계는 상기 전류를 모니터하는 데 사용되고, DC 전압계는 외부 전압을 모니터하는 데 사용될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 전류계는 0에서 300A DC(ADC) 미터이고, 상기 전압계는 0에서 150 VDC 미터일 수 있다. 이는 단지 예시에 불과하고, 본 발명은 이러한 예시들에 한정되지는 않는다.
도 8은 본 발명의 일측면에 따라, 콘트롤러(5000)의 일례를 나타낸다. 콘트롤러(500)는 예를 들어, 컴퓨터일 수 있다. 콘트롤러(500)는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)를 모니터하고, 하이퍼서멀 빔 시스템(10)과 관계된 다양한 기능과 프로세스가 제대로 작동하는 것을 보장해준다. 몇 가지 측면으로서, 콘트롤러(5000)는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 걸쳐 물 유동, 가스 유동, 온도 또는 압력을 모니터하도록 형성된다. 콘트롤러(5000)은 누수가 감지되거나 가스 누출이 감지되거나 온도가 적절한 작동 온도범위를 벗어날 때나 압력이 적절한 작동 압력범위를 벗어날 때, (예를 들어, 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 다양한 구성요소들에 제공된 파워를 중단시킴으로써) 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 전부 또는 부품들을 키는 것(turning on)을 폐쇄시키거나 막을 수 있다.
도 1, 8에 나타나지는 않지만, 콘트롤러(5000)는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 전체 또는 다양한 부품들에 연결된다. 일례로, 콘트롤러(5000)은 도 1에 나타난 구성요소들의 전부 또는 일부를 제어(제어 신호를 제공, 모니터함으로써 외부 신호를 수용)한다. 예를 들어, 콘트롤러(5000)는 기계적 펌프(1020), 부스터 펌프(1030), 주 확산 펌프(1000), 소스 챔버(100), 진단 챔버(2000), 게이트 밸브(3040), 트랩(3030), 배플(3020) 및 펌프(3010)에 연결될 수 있다.
일측면으로서, 콘트롤러(5000)는 압력 모듈(5010), 전압과 전류 모듈(5020), 파워 온/오프 모듈(5040), 냉각수 모듈(5050), 자기 소스 모듈(5060) 및 유동 미터 모듈(5070)을 포함할 수 있다. 상기 모듈의 부품들은 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 양자의 결합으로 실행될 수 있다. 다양한 측면에 따른 이러한 모듈의 특징과 기능은 하기에서 더 자세히 기술하기로 한다.
몇 가지 측면으로서, 압력 모듈(5010)는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 특정 챔버의 압력을 모니터한다. 압력 모듈(5010)은 또한, 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 각 펌프가 발생시키고 있는 압력을 모니터한다. 예를 들어, 압력 모듈(5010)은 기계적 펌브(1020), 주 확산 펌프(1000), 소스 챔버(100) 또는 심지어 하이퍼서멀 빔이 다양한 목적으로 사용되고 있는 작동 구역 챔버(2012)에서의 압력을 모니터할 수 있다. 일구성으로서, 작동 구역 챔버(2012)는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 부품이 아니라 하이퍼서멀 빔 시스템(10)에 부착될 수 있는 유닛일 수 있다. 또다른 구성으로서, 작동 구역 챔버(2012)는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 부품일 수 있다. 압력 모듈(5010)은 챔버에서의 압력이 적절한 작동 압력범위를 벗어남들을 결정하면, 압력 모듈(5010)이 상기 압력이 제대로 수정될 때까지 관계된 작동기를 키는 것을 폐쇄시키거나 방지하도록 파워 온/오프 모듈(5040)과 커뮤니케이트할 수 있다. 예를 들어, 압력 모듈(5010)은 소스 챔버(100)에서의 압력을 모니터할 수 있고, 압력이 적절한 작동 압력범위를 벗어나면(감지된 압력이 10 -4 torr보다 클 수 있다) 상기 압력이 적절히 조정될 때까지 플라즈마 디스차지 소스(200)가 작동하는 것을 차단하거나 방지하도록 파워 온/오프 모듈(5040)과 커뮤니케이트할 수 있다.
몇 가지 측면으로서, 전압과 전류 모듈(5020)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 걸쳐 상기 전압 및/또는 전류를 모니터하고, 하이퍼서멀 빔 시스템(10)에 공급된 전압 및/또는 전류의 양을 제어한다. 예를 들어, 전압과 전류 모듈(5020)은 플라즈마 디스차지 소스(200) 또는 자기 소스(102)에서의 전압 및/또는 전류의 양을 모니터하고, 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지 또는 강도를 제어하기 위해 플라즈마 디스차지 소스(200) 또는 자기 소스(102)에 대한 전압 및/또는 전류의 적절한 양을 조절하거나 공급한다. 몇 가지 측면으로서, 사용자는 플라즈마 디스차지 소스(200) 또는 자기 소스(102)에 공급된 전압 및/또는 전류를 조절함으로써 상기 하이퍼서멀 빔의 바람직한 병진 운동 에너지 또는 강도를 설정하거나 변화시키 위해 콘트롤러(5000)를 이용할 수 있다.
냉각수 모듈(5050)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)에서 현재 사용되고 있는 냉각수의 양을 모니터할 수 있다. 또한, 냉각수 모듈은 얼마나 많은 냉각수가 필요한지 또는 언제 냉각수가 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 특정 부품들을 냉각시키는 데에 필요한지를 제어할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 냉각수 모듈(5050)은 냉각수가 특정 부품을 냉각시키는 데에 필요한지 여부를 결정하기 위해 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 특정 부품의 온도를 모니터할 수 있다. 예를 들어, 냉각수 모듈(5050)은 캐소트 어셈블리(202)의 온도가 상대적으로 높은 것을 감지하면 냉각수 모듈(5050)은 캐소트 어셈블리(202)를 냉각시키기 위해 더 많은 물이 캐소스 냉각 구역(1009)로 들어가도록 해줄 수 있다.
냉각수 모듈(5050)이 챔버에서의 상기 온도가 적절한 작동 온도범위를 벗어난 것으로 결정하면 냉각수 모듈(5050)은 상기 온도가 제대로 수정될 때까지 관계된 작동기를 키는 것을 폐쇄시키거나 방지하도록 파워 온/오프 모듈(5040)과 커뮤니케이트할 수 있다. 예를 들어, 냉각수 모듈(5050)은 소스 챔버(100)에서의 온도를 모티너할 수 있고, 상기 온도가 적절한 작동 온도범위를 벗어나면(감지된 온도가 500°K보다 클 수 있다) 냉각수 모듈(5050)은 상기 온도가 적절히 조절될 때까지 플라즈마 디스차지 소스(200)이 작동하는 것을 중단하거나 방지하도록 파워 온/오프 모듈(5040)과 커뮤니케이트할 수 있다.
자기 소스 모듈(5060)은 자기 소스(102)의 자기장을 모니터할 수 있고, 자기 소스(102)에 더 많거나 적은 전압 및/또는 전류를 공급하도록 전압과 전류 모듈(5020)과 커뮤니케이트함으로써 상기 자기장을 제어할 수 있다. 또한, 자기 소스 모듈(5060)은 특정 사이즈의 하이퍼서멀 빔을 제조하기 위해 필요한 자기장을 결정할 수 있다.
유동 미터 모듈(5070)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 걸쳐 어떤 파이프 및/또는 라인의 유동을 감지할 수 있다. 예를 들어, 유동 미터 모듈(5070)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 걸쳐 기체나 액체의 유동을 모니터할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 유동 미터 모듈(5070)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10) 내에 어떤 누출이 있는 여부를 감지하기 위해 하이퍼서멀 빔 시스템(10) 내의 물 라인을 걸쳐 상기 물 유동을 모니터할 수 있다. 예를 들어, 유동 미터 모듈(5070)은 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 빠져나가는 물의 양 뿐만 아니라 하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 들어가는 물의 양을 모니터할 수 있다. 상기 빠져나가는 물의 양이 상기 들어오는 물의 양보다 적으면 누수가 감지될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 유동 미터 모듈(5070)은 또한, 어떤 가스 누출이 있는 여부를 결정하기 위해 소스 주입구(1006), 구역(1004) 또는 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 다른 구역들을 모니터한다. 만약 유동 미터 모듈(5070)이 어떤 누수 또는 가스 누출을 감지하면 유동 미터 모듈(5070)은 상기 누수 또는 가스 누출이 제대로 고쳐질 때까지 관계된 작동기를 키는 것을 폐쇄시키거나 방지하도록 파워 온/오프 모듈(5040)과 커뮤니케이트할 수 있다.
파워 온/오프 모듈(5040)은 콘트롤러(5000)에서 상기 모듈에 의해 어떤 불안전한 상태가 감지되면 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 전부 또는 부분들에 대한 파워를 폐쇄시킬 수 있다. 파워 온/오프 모듈(5040)은 상기 불안전한 상태가 고쳐지면 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 전부 또는 부분들에 파워를 후속적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 다양한 진공 펌프를 손상 또는 돌발의 잘못된 사용으로부터 보호하기 위해서, 인터록(interlock)-제어 시스템(예를 들어, 콘트롤러(5000))이 하이퍼 빔 시스템(10)을 보호하는 데에 사용될 수 있다. 만약 하이퍼 빔 시스템(10)의 다른 구성요소에서 어떤 실패가 발생하면 콘트롤러(5000)는 상기 빔 파워 소스 또는 상기 펌프를 폐쇄시키도록 고안될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 인터록의 각 단계는 상기 일련의 단계들이 가동상태로 놓여질 때만 실행될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면으로서, 콘트롤러(5000)는 먼저, 기계적 펌프(1020)의 적절한 기능성을 모니터한다. 일단 기계적 펌프(1020)가 작동하고 물이 주 확산 펌프(1000)를 통해 유동하면 그것의 확산 펌프에 대한 가열기 파워가 켜질 수 있다. 파워 온/오프 모듈(5040, 예를 들어 열적 컷-아웃 스위치(cut-out switch)와 오버-압력 스위치(over-pressure switch))는 주 확산 펌프(1000)를 보호하기 위해 제공될 수 있고, 불안전한 상태나 실패가 발생하면 상기 가열기 파워를 끌 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 사용되는 압력 센서는 슐츠-펠프스(Schulz-Phelps) 측정기와 콘트롤러일 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 기계적 펌프(1020)와 주 확산 펌프(1000)가 켜진 다음에야 비로서 상기 플라즈마 디스차지 소스(200) 파워가 켜질 수 있다.
소스 챔버(100) 내에서는, 다수의 분리된 수냉 라인이 있을 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 수냉 라인은 폴리에틸렌 배관 또는 다른 적절한 타입의 비전도성 물질을 포함한다. 몇 가지 측면으로서, 하나의 라인은 (예를 들어, 애노드 냉각 구역(1003)과 캐소드 냉각 구역(1009)에 냉각수를 공급함으로써) 단지 플라즈마 디스차지 소스(200)의 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202)만 냉각시키고, 두 번째 라인은 플라즈마 디스차지 소스(200)를 고정할 수 있는 자기 소스(102)의 중심부를 냉각시키고 그 후 상기 자기 소스(102) 자체를 냉각시키며 마지막으로 스키머(103)의 알루미늄 베이스를 냉각하는, 2개의 분리된 수냉 라인일 수 있다. 누수를 방지하고 사고를 최소화하기 위해, 양 물 라인 밖으로의 유동은 유동 미터 모듈(5070, 예를 들어 맥도넬(McDonnell) 유동 스위치)에 의해 감지될 수 있다. 하이퍼서멀 빔 시스템(10) 또는 물의 전체 유동의 감소에 의해 유동이 약해지면 경보음이 울릴 수 있고, 이에 따라 상기 언급한 인터록-제어 시스템을 작동시킬 수 있다. 그리고나서 플라즈마 디스차지 소스(200)와 다른 확산 펌프는 상기 구성요소들에 제공된 파워를 차단으로써 중단될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일측면에 따라, 상기 인터록-제어 시스템의 작동의 S900법을 나타낸다. 도 1, 9를 참고하면, S902단계에서, 기계적 펌프(1020)가 켜질 수 있다. S904단계에서는, 기계적 펌프(1020)가 적절한 작동을 위해 체크될 수 있다. 예를 들어, 기계적 펌프(1020)의 압력이 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 작동에 적합한 압력범위와 비교될 수 있다. 일단 기계적 펌프(1020)가 적절한 압력을 발생시키면 S906단계에서 확산 펌프(예를 들어, 주 확산 펌프(1000)와 부스터 펌프(1030))로의 유동을 위해 물 유동이 작동될 수 있다. S908단계에서는, 상기 확산 팔프가 켜질 수 있다.
하이퍼서멀 빔 시스템(10)을 걸친 압력이 모니터될 수 있다. 예를 들어, S910단계에서, 소스 챔버(100)에서의 압력이 감지될 수 있다. 만약 소스 챔버(100)에서의 압력이 적절한 레벨(10 -4 torr보다 작은)에 있으면 S912단계에서 냉각수가 소스 챔버(100)을 위해 켜질 수 있다. 상기 냉각수는 플라즈마 디스차지 소스(200), 자기 소스(102), 스키머(103) 또는 소스 챔버(100) 내의 다른 구성요소를 냉각시키는 데에 사용될 수 있다. 그리고나서 S914단계에서는, 상기 기본 소스가 예를 들어, 공급통로(109b)를 통해 플라즈마 디스차지 소스(200)로 방사될 수 있다. 아르곤, 수소와 같은 다양한 기체들은 공급통로(109b)를 통해 플라즈마 디스차지 소스(200)로 방사될 수 있다. S916단계에서는, 소스 챔버(100) 내의 상기 압력이 플라즈마 디스차지 소스(200) 내의 압력이 하이퍼서멀 빔 시스템(10)의 작동을 위해 적절한 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 다시 모니터될 수 있다. 그렇다면, 그 다음 S918단게에서는, 플라즈마 디스차지 소스(200)를 위한 상기 파워는 상기 하이퍼서멀 빔을 생산하기 위해 켜질 수 있다.
다음은 본 발명의 일측면에 따라 하이퍼서멀 빔을 생산하는 예에 대한 설명이다. 도 2a와 관련하여, 플라즈마 디스차지 소스(200)는 기본 소스를 수용할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 기본 소스는 단지 하나의 요소만을 포함할 수도 있다. 몇 가지 측면으로서, 기본 소스는 하나보다 많은 요소들을 포함할 수도 있다. 본 예에서는, 하이퍼서멀 빔을 발생시킨 상기 기본 소스는 수소(예를 들어, 수소 분자)일 수 있다. 순수한 수소 기체에서 상기 디스차지를 시작하기 위한 어떤 시도는 플라즈마 디스차지 소스(200)와 녹는 것에 의해 그 근처에 있는 어떤 것을 손상시키거나 파괴시킬 수 있다. 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 수소 빔을 발생시키기 위한 안정하고 믿을 만한 방법은 먼저, 다른 기본 소스를 갖는 플라즈마를 개시하고, 그 다음 서서히 수소로 바꿔가는 것이다. 예를 들면, 상기 다른 기본 소스는 비활성 기체 중 하나일 수 있다. 상대적으로 풍부하고 저비용인 아르곤이 상기 개시 기본 소스로 사용될 수 있다. 상기 챔버(예를 들어, 소스 챔버(100))를 펌프 다운시킨 후, 아르곤(예를 들어, 아르곤 분자)의 유동이 발생할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 상기 유동은 소스 주입구(1006) 라인의 유동 미터에 의해 측정된 대로 약 시간당 5 표준 큐빅 피트(5 SCFH)의 일정한 공기 유동이 달성될 때까지 누출 밸드에 의해 조절될 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 전형적인 노즐에 대해서는, 이것이 소스 주입구(1006) 라인의 상기 압력 측정에 의해 측정된 대로 약 340torr의 스태그네이션(stagnation) 압력에 대응된다. 이러한 점에서, 소스 챔버(100)에서의 압력이 약 10 -4 torr까지 낮아지는 동안 진단 챔버(2000)의 상기 압력은 약 50마이크론(또는 50×10 -3 torr)까지 낮아질 수 있다. 그리고나서, 플라즈마 디스차지 소스(200), 자기 소스(102), 스키머(103) 및 소스 챔버의 외부(100, 예를 들어 소스 챔버 외벽(104))에 대한 상기 물 라인이 켜질 수 있고, 상기 압력은 소스 챔버(100) 내에 어떤 사소한 누수가 있는지를 증명하기 위해 주의깊게 모니터될 수 있다. 일단 상기 기체 압력이 안정화되면 자기 소스(102)와 아크 용접기에 대해 상기 전류가 켜질 수 있다. 서보-모터(servo-motor) 및/또는 콘트롤러(5000)에 의해 제어된 상기 용접기의 파워 공급기의 2차적인 와인팅 탭(winding tap)의 상기 부분은 한번 아크가 발생하면 100A 전류를 생산할 수 있는 위치로 설정될 수 있다. 상기 아르곤 아크는 상기 디스차지를 개시하는 애노드 어셈블리(203)와 캐소드 어셈블리(202) 사이의 전압 펄스를 제공할 수 있는 개시기상의 스위치를 돌림으로써 현재 개시될 수 있다. 상기 디스차지가 성공적으로 개시되면 상기 용접기는 약 15V 및 100A를 공급할 수 있다. 안정적이고 강하며 가볍고 푸른 플럼(plume)이 관측될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따르면, 일단 상기 디스차지가 안정적인 것으로 보이면 수소 기체는 천천히 아르곤 유동으로 혼합될 수 있다. 상기 기체는 가변적인 누출 밸브(예를 들어, 공급통로(109b))를 통해 하이퍼서멀 빔 시스템(10)으로 도입될 수 있다. 대략 24torr의 수소 분압이 도입될 때까지 상기 플라즈마에서 어떠한 시각적인 변화도 나타나지 않을 수 있다. 상기 수소 분압이 도입되면 상기 플럼의 외관에 있어서 극적인 변화가 있을 수 있다. 예를 들어, 사이즈가 상당히 감소되고 강도가 약해지며 아름다운 새빨깐(beautiful crimson red) 색으로 변할 수 있다. 상기 수소 유동은 상기 수소 압력이 약 150torr에 도달할 때까지 계속적으로 증가될 수 있다. 상기 플라즈마 방사의 강도는 상기 수소 유동이 증가하는 만큼 감소가 이어질 수 있다. 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 일단 수소 압력이 도달하면, 상기 아르곤 유동은 천천히 꺼질 수 있고, 그렇지 않으면 아크 전류의 감소와 아크 전압의 증가를 야기시킬 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 이와 같이 변화가 이루어지는 동안 상기 전류는 약 100A의 일정한 값을 유지할 필요가 있거나 상기 디스차지는 소멸할 수 있다. 이는 상기 서보 모터 및/또는 콘트롤러(5000)에 의해 상기 용접기의 2차적인 와인딩 탭의 위치 변화시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기 아르곤 유동이 이와 같이 감소하는 동안 상기 냉각수는 급진적으로 뜨거워지는 반면에, 상기 방사는 급진적으로 밝아질 수 있다.
일단 상기 아르곤 유동이 꺼지고, 상기 전기적 전류와 수소 기체 유동이 안정화되면, 아름다게 확산된 새빨간 플럼(beautiful diffuse crimson red flume)이 약 150torr 스태크내이션 압력에서 관측될 수 있다. 일단 상기 빔이 이러한 모드에 있으면, 수소 원자의 높은 플럭스(flux)가 관측될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 상기 빔은 상당히 안정적일 수 있고, 현재 모드에서 제한없이 작동될 수 있다.
아크 디스차지에 의해 생산된 빔에서의 중성 원자를 감지하는 하나의 방법은 예를 들어 진단 챔버(2000)의 진단 장치에 의해 실행된 중량 분광기(mass spectroscopy)에 의할 수 있다. 사용될 수 있는 장치는 이온화 지역으로 들어가는 어떤 종들을 이온화시키고 중량 분석하는 EAI Quad 300 잔여 가스 분석기이다. 상기 장치 어셈블리는 이온화, 중량 필터링 및 이온 감지의 기능을 수행할 수 있다. 전체 중성 원자 빔 강도의 추정치는 m/e=1 DC 이온 전류를 상기 4중의(quadruple) 중량 분광기의 전자 멀티플라이어(multiplier) 감지기로 측정함으로써 만들어질 수 있다. 이는 매뉴얼 모드에서 작동하는 상기 중량 분광기로 행해지고, interest의 상기 중량 피크로 조정될 수 있다. 상기 피크를 끄고 강도의 감소를 노팅(noting)하는 것 또는 기계적 프래그(flag)를 상기 빔의 경로로 삽입하는 것은 배경으로 정정했다. 상기 빔에서의 수소 분자의 강도는 작을 수 있고, 상기 관측된 m/e=1 이온 전류에 중대하게 기여하지는 않는다. 이러한 수소 원자의 상기 병진 운동 에너지 분포 기능은 리타데이션(retardation) 포텐셜 측정으로 측정될 수 있고, 20eV보다 더 큰 에너지로 확장할 수 있다. 상기 작동 파라미터로부터 얻을 수 있는 것은 하기의 중량 분광기의 이온나이저(ionizer)로 들어가는 중성 수소 원자의 전류이다.
I H = (πvd)/(4σ)*(I+/I e ) = 9.0*1016 H-atoms/sec
I + 는 측정된 이온 전류이고, d는 상기 이온나이저 지역(3.2mm)에서의 중성 빔의 직경이며, I e 는 전자 빔 전류(70μA)이고, I e 는 전자 빔 에너지(80eV)이며, v는 상기 수소 원자의 평균속도(3.9×10 6 cm/sec)이고, σ는 전자 충격에 의한 수소 원자의 이온화를 위한 단면적(0.66×10 -16 ㎠)이다. 일례로, 유닛 솔리드 앵글(unit solid angle)당 도출되는 수소 원자 빔의 플럭스는 1.3×10 22 개의 수소원자수/sterad/sec이다. 이러한 규모의 플럭스가 시스템적으로 얻어질 수 있다.
도 10은 본 발명의 일례에 따라 하이퍼서멀 빔을 생산하는 또다른 예를 나타낸다. 상기에서 언급된 바와 같이, 플라즈마 디스차지 소스(200)는 기본 소스를 수용할 수 있다. 본 예에서, 플라즈마 디스차지 소스(200)에 의해 수용된 상기 기본 소스는 하나보다 더 많은 원소를 포함할 수 있다. 몇 가지 측면으로서, 이러한 원소는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 수소 및/또는 비활성 기체들 중 선택된 원소일 수 있다. 예를 들어, 제1 원소(240)는 기화된 제1 원소(245)를 생산하기 위해 가열된 콘테이너(230)에 위치될 수 있다. 기화된 제1 원소(240)를 기화시키기 위해 필요한 상기 온도는 그 원소가 무엇인지에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 원소(240)는 나트륨(Na)일 수 있다. 그리고나서, 콘테이너(230)는 Na를 기화시키기 위해 약 500℃와 동등하거나 그 이상인 온도를 얻도록 가열될 수 있다. 그리고나서, 결합된 원소의 소스(247)를 생산하기 위해 제2 원소(250)가 기화된 제1 원소(245)와 혼합되도록 제2 원소(250)를 콘테이너(230)에 첨가시킬 수 있다. 제2 원소(250)은 예를 들어, 아르곤과 같은 비활성 기체일 수 있다. 그러므로, 결합된 원소의 소스(247)는 제2 원소(250)와 기화된 제1 원소(245)(예를 들어, 나트륨과 아르곤)를 포함할 수 있다. 그리고나서, 몇 가지 측면으로서, 결합된 원소 소스(247)가 상기 설명한 기술에 따라 하이퍼 빔을 생산하기 위한 플라즈마 디스차지 소스(200)에 의해 수용될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면에 따라, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 수소의 중성 원자의 강한 하이퍼서멀 빔을 생산하기 위한 장치가 제공된다. 몇 가지 측면으로서, 상기 빔 장치는 진공 시스템과 안정적인 플라즈마 디스차지 소스를 포함할 수 있다. 상기 진공 시스템은 상대적으로 높은 압력으로 높은 펌핑 속도를 가질 수 있다. 상기 안정적인 플라즈마 디스차지 소스는 상기 분자를 원자로 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 빔 장치는 상기 플라즈마를 개시시키기 위해 캐리어 기체(예를 들어, 아르곤)를 플라즈마 디스차지 소스로 투입시키기 위한 수단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 빔 장치는 소스 기체(예를 들어, 수소)를 상기 캐리어 기체로부터 스위칭(swithching)하는 상기 플라즈마 디스차지 소스로 통과시키기 위한 수단을 포함할 수 있다. 또한, 상기 빔 장치는 상기 빔을 포커싱하고 평행하게 하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일측면에 따라, 하이러서멀 빔을 생산하기 위한 S1100법을 나타낸 것이다. S1100법은 기본 소스를 수용하는 단계(S1102)와 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시키는 단계(S1104)를 포함할 수 있다. 또한, S1100법은 자기장(S1106)을 제공하는 단계와 상기 기본 원소의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 발생시키는 단계(S1108)를 포함할 수 있다. 또한, S1100법은 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 포함하고, 첫 번째 방향으로 평행하게 되며, 제어된 사이즈를 갖는 하이퍼서멀 빔을 방사하는 단계(S1110)를 포함할 수 있다.
도 12은 본 발명의 일측면에 따라, 하이퍼서멀 빔을 생산하기 위한 장치(1200)의 구성의 일례를 나타낸다. 장치(1200)는 기본 소스를 수용하기 위한 모듈(1202)과 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시키기 위한 모듈(1204)을 포함할 수 있다. 또한, 장치(1200)는 자기장을 제공하기 위한 모듈(1206)과 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 발생시키기 위한 모듈(1208)을 포함할 수 있다. 또한, 장치(1200)는 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 포함하고, 첫 번째 방향으로 평행하게 되며, 제어된 사이즈를 갖는 하이퍼서멀 빔을 방사시키기 위한 모듈(1210)을 포함할 수 있다.
전술한 설명은 본 기술분야의 숙련자가 여기에 기재된 다양한 구성들을 실시할 수 있게 하기 위하여 제공된다. 본 발명은 특히 다양한 도면과 형태에 관하여 기재되어 있는데, 이는 단지 설명의 목적일 뿐 본 발명의 범위를 한정하지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 기술분야의 숙련자는 상기 다양한 설명적인 블록, 모듈, 원소, 구성요소, 방법 및 알고리즘이 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어 또는 양자의 결합으로 실행될 수 있음을 인식할 수 있다. 예를 들어, 도 8의 콘트롤러(5000)는 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어 또는 양자의 결합으로 실행될 수 있다. 이러한 하드웨어와 소프트웨어의 교환성, 다양한 설명적인 블록, 모듈, 원소, 구성요소, 방법 및 알고리즘을 설명하는 것은 일반적으로 그것들의 기능성과 관련하여 상기에서 설명된 것이다. 그러한 기능성이 하드웨어나 소프트웨어로서 실행될 수 있는지 여부는 전체 시스템에 부과된 특별한 적용와 디자인의 제약에 의존한다. 숙련자들은 각 특별한 적용를 위한 방법을 변화시킴에 있어서 상기 설명된 기능성을 실행할 수 있다. 다양한 구성요소와 블록은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도 모두 다르게 배열시킬 수 있다(다른 순서로 배열시키거나 다른 방법으로 나눌 수 있다). 예를 들어, 상기 도 9의 S900법이나 도 11의 S1100법의 구체적인 순서는 재배열될 수 있고, 다양한 도면(예를 들어, 도 1, 2a, 2b, 2c, 3a, 4, 5, 7a, 7b, 8, 10 및 12)에 나타난 모듈이나 구성의 전부 또는 일부가 다른 방법들로 배열되거나 나누어질 수 있다.
본 발명은 예를 들어 하기 설명된 다양한 측면에 따라 나타날 수 있다. 하기에서 넘버링된 절이 편의를 위해 제공된다. 이는 예시에 불과하고, 본 발명을 한정하지는 않는다.
1. 기본 소스를 수용하고, 상기 기본 소스를 기초로 한 플라즈마를 발생시키고, 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자들을 발생시키도록 형성된 플라즈마 디스차지 소스; 상기 플라즈마 디스차지 소소로부터 상기 플라즈마 디스차지 소스의 구멍을 통해, 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자들을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 방사하도록 형성된 방사 시스템; 및 하이퍼서멀 빔을 첫번째 방향과 평행하게 하고, 상기 하이퍼서멀 빔의 사이즈를 조절하고, 자기장을 제공하기 위해 형성된 자기 소스를 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
2. 상기 1절에 있어서, 상기 기본 소스는 알칼리 금속, 알칼리 토류금속, 수소 또는 비활성 기체의 하나 또는 그 이상을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
3. 상기 1절에 있어서, 상기 기본 소스는 아르곤 분자와 수소 분자를 포함하고, 상기 플라즈마 디스차지 소스는 수소 분자의 수용을 시작하기 전에 아르곤 분자의 수용을 시작하도록 형성되고, 상기 하나 또는 그 이상의 중성 원자들은 중성 수소 원자들을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
4. 상기 1절에 있어서, 상기 기본 소스는 첫번째 기본 소스와 두번째 기본 소스를 포함하고, 상기 플라즈마 디스차지 소스는 상기 두번째 기본 소스, 상기 첫번째 기본 소스, 또는 상기 두번째 기본 소스와 상기 첫번째 기본 소스를 기초로 플라즈마를 발생시키도록 형성되고, 상기 두번째 기본 소스의 중량은 상기 첫번째 기본 소스의 중량보다 적고, 상기 첫번째 기본 소스는 비활성 가스를 포함하고, 상기 두번째 기본 소스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토류금속을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
5. 상기 1절에 있어서, 상기 플라즈마 디스차지 소스는 상기 기본 소스를 수용하기 위해 형성된 하나 또는 그 이상의 소스 유입구를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 소스 유입구는 상기 플라즈마 디스차지 소스가 소용돌이 형상의 분포로 상기 기본 소소를 수용하도록, 상기 플라즈마 디스차지 소스 벽에 실질적인 접선방향으로 경사져 있는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
6. 상기 1절에 있어서, 상기 플라즈마 디스차지 소스는 애노드 어셈블리와 캐소드 어셈블리를 포함하고, 상기 애노드 어셈블리는 노즐 어셈블리, 애노드 몸체와 절연체를 포함하고, 상기 캐소드 어셈블리는 캐소드 로드(rod), 캐소드 몸체와 상기 캐소드 로드 에 부착된 하나 또는 그 이상의 압축 맴버를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 압축 멤버는, 상기 캐소드 로드가 상기 첫번째 방향과 평행한 방향으로 상기 애노드 어셈블리에 대하여 움직이도록, 압축 또는 팽창하도록 형성되고, 상기 노즐 어셈블리와 캐소드 로드의 캐소드 팁 사이의 분리 거리는 상기 캐소드 로드의 움직임에 기초하여 조절될 수 있고, 상기 절연체는 상기 캐소드 로드의 적어도 일부분과 인접해 있고, 절연체에 인접한 상기 캐소드 로드의 적어도 일부분으로부터 상기 애노드 어셈블리를 전기적으로 절연하도록 형성되고, 상기 캐소드 팁은 절연체에 의해 노즐 어셈블리로부터 절연되지 않고, 상기 플라즈마 디스차지 소스는 추가적으로, 상기 분리 거리에 기초한 상기 노즐 어셈블리와 상기 캐소드 팁 사이에 전압 펄스를 발생하도록 형성되어 있는 것을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
7. 상기 1절에 있어서, 상기 노즐 어셈블리는 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더와 노즐 디스크를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더는 상기 노즐 디스크를 고정하도록 형성되고, 상기 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더는 구리, 황동 또는 스테인리스 강을 포함하고, 상기 노즐 디스크는 텅스텐을 포함하고, 상기 노즐 디스크는 제거될 수 있고, 상기 애노드 몸체는 구리, 황동 또는 스테인리스 강을 포함하고, 상기 절연체는 세라믹을 포함하고, 상기 캐소드 몸체는 구리, 황동 또는 스테인리스 강을 포함하고, 상기 캐소드 로드는 2% 토륨 텅스텐을 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 압축 멤버는 하나 또는 그 이상의 벨로스(bellows) 또는 하나 또는 그 이상의 스프링을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
8. 상기 1절에 있어서, 상기 장치는 추가적으로 상기 하이퍼서멀 빔을 수용하도록 형성된 매개 챔버를 포함하고, 상기 방사 시스템은 상기 플라즈마 디스차지 시스템의 내부 압력과 상기 매개 챔버의 압력을 펌프 다운(pump down)하도록 형성된 진공 시스템; 및 기본 소스를 상기 플라즈마 디스차지 소스의 내부로 주입하도록 형성된 하나 또는 그 이상의 소스 유입구를 포함하고, 상기 방사 시스템은 상기 하이퍼서멀 빔을 상기 플라즈마 디스차지 소스로부터 방사되도록 상기 플라즈마 디스차지 소스의 내부 압력을 상기 매개 챔버의 압력보다 더 높게 제공하도록 형성되는 것을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는 추가적으로 진단 챔버(diagnosics chamber)와 상기 구멍(aperture)과 일직선상에 배열된 스키머(skimmer)를 포함하고, 상기 스키머는 상기 하이퍼서멀 빔을 포커싱하도록 형성되고, 상기 진단 챔버는 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지를 선택하도록 형성된 속도 선택기(speed selector)를 포함하고, 상기 속도 선택기는 상기 하나 또는 그 이상의 회전가능한 디스크의 회전 속도와 상기 하나 또는 이상의 회전가능한 디스크 슬릿의 크기에 기초하여, 상기 하나 또는 이상의 회전가능한 디스크를 통과하도록 상기 하이퍼서멀 빔의 일부분을 수용하도록 형성된 하나 또는 그 이상의 회전가능한 디스크를 포함하고, 상기 하이퍼서멀 빔의 일부는 상기 선택된 병진 운동 에너지를 포함하고, 상기 하나 또는 이상의 회전가능한 디스크는 텅스텐을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
10. 상기 1절에 있어서, 상기 장치는 추가적으로, 상기 자기 소스 또는 상기 플라즈마 디스차지 소스에 인가된 전류 또는 전압을 조절하도록 형성된 콘트롤러를 포함하고, 상기 자기장은 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지는 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 하이퍼서멀 빔의 강도(intensity)는 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 병진 운동 에너지는 약 0.5에서 20eV이고, 상기 강도는 약 10 22 atoms/sterad/sec 이하인 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
11. 상기 1절에 있어서, 상기 장치는 추가적으로, 하나 또는 그 이상의 수냉라인(water-cooling line)과 콘트롤러를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 수냉라인은 상기 플라즈마 디스차지 소스와 상기 자기 소스를 냉각하도록 형성되고, 상기 하나 또는 그 이상의 수냉라인은 폴리에틸렌 배관을 포함하고, 상기 콘트롤러는 물 흐름, 가스 흐름, 온도 또는 장치의 압력을 관찰하도록 형성되고, 상기 콘트롤러는 추가적으로 누수가 발생되거나, 가스 누출이 발생되거나, 온도가 적절한 작동 온도 범위를 벗어나거나, 압력이 적절한 작동 압력 범위를 벗어나는 경우에 장치를 키는 것(turning on)을 방지하거나 차단하도록 형성되어 있는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
12. 기본 소스를 수용하는 단계; 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생하는 단계; 자기장을 제공하는 단계; 상기 기본 소소의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 발생하는 단계; 및 상기 기본 소스의 하나 또는 그 이상의 중성 원자를 포함하고, 첫번째 방향과 평행하고, 조절된 사이즈를 포함하는 하이퍼서멀 빔을 방사하는 단계 를 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
13. 상기 12절에 있어서, 상기 기본 소스는 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속, 알칼리 토류금속, 수소, 또는 비활성 가스를 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
14. 상기 12절에 있어서, 상기 기본 소스는 아르곤 분자와 수소분자를 포함하고, 상기 아르곤 분자는 상기 수소 분자가 수용되는 것이 시작되기 전에 우선적으로 수용되고, 상기 하나 또는 이상의 중성 원자는 중성 수소 원자를 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
15. 상기 12절에 있어서, 상기 기본 소스는 첫번째 기본 소스와 두번째 기본 소스를 포함하고, 상기 플라즈마를 발생하는 단계는 상기 두번째 기본 소스, 상기 첫번째 기본 소스, 또는 상기 두번째 기본 소스와 상기 첫번째 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생시키는 것을 포함하고, 상기 두번째 기본 소스의 중량은 상기 첫번째 기본 소스의 중량보다 적고, 상기 첫번째 기본 소스는 비활성 가스를 포함하고, 상기 두번째 기본 소스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토류금속을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법. 16. 상기 12절에 있어서, 상기 기본 소스를 수용하는 단계는 상기 기본 소스를 소용돌이 형태의 분포로 수용하는 것을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
17. 상기 12절에 있어서, 추가적으로, 노즐 어셈블리와 캐소드 팁 사이의 분리 거리에 기초한 캐소드 로드의 캐소드 팁과 애노드 어셈블리의 노즐 어셈블리 사이에 전압 펄스를 발생하는 단계를 포함하고, 상기 애소드 어셈블리는 전기적으로 상기 캐소드 로드의 적어도 일부분으로부터 절연되는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
18. 상기 17절에 있어서, 상기 노즐 어셈블리는 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더와 노즐 디스크를 포함하고, 상기 방법은 추가적으로 상기 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더로 상기 노즐 디스크를 고정하는 단계를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 노즐 홀더는 구리, 황동 또는 스테인리스 강을 포함하고, 상기 노즐 디스크는 텅스텐을 포함하고, 상기 노즐 디스크는 제거될 수 있고, 상기 캐소드 로드는 2% 토륨 텅스텐을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
19. 상기 12절에 있어서, 상기 수용하는 단계는 플라즈마 디스차지 소스로 상기 기본 소스를 수용하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 추가적으로: 매개(intermediary) 챔버로 하이퍼서멀 빔을 수용하는 단계; 상기 플라즈마 디스차지 소스 내부의 압력과 상기 매개 챔버의 압력을 펌프 다운하는 단계; 및 상기 하이퍼서멀 빔이 상기 플라즈마 디스차지 소소로부터 방사되도록, 상기 플라즈마 디스차지 소스 내부의 압력을 상기 매개 챔버의 압력보다 높게 제공하는 단계 를 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
20. 상기 12절에 있어서, 추가적으로, 상기 하이퍼서멀 빔을 포커싱하는 단계; 및 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지를 선택하는 단계를 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
21. 상기 12절에 있어서, 추가적으로, 자기 소스 또는 플라즈마 디스차지 소스에 인가된 전류와 전압을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 자기장은 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지는 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 하이퍼서멀 빔의 강도(intensity)는 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 병진 운동 에너지는 약 0.5에서 20eV이고, 상기 강도는 약 10 22 atoms/sterad/sec 이하인 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
22. 상기 12절에 있어서, 추가적으로 플라즈마 디스차지 소스와 자기 소스를 하나 또는 그 이상의 수냉 라인으로 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 수냉 라인은 폴리에틸렌 배관을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 방법.
23. 기본 소스를 수용하기 위한 수단; 상기 기본 소스에 기초하여 플라즈마를 발생하기 위한 수단; 자기장을 제공하기 위한 수단; 하나 또는 그 이상의 상기 기본 소스의 중성 원자를 발생하기 위한 수단; 및 상기 하나 또는 그 이상의 기본 소스의 중성 원자를 포함하고, 첫번째 방향과 평행하고, 조절된 사이즈를 갖는 하이퍼서멀 빔을 방사하기 위한 수단을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
24. 상기 23절에 있어서, 상기 기본 소소는 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속, 알칼리 토류금속, 수소 또는 비활성 가스를 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
25. 상기 23절에 있어서, 상기 기본 소스는 아르곤 분자와 수소 분자를 포함하고, 상기 수용하기 위한 수단은 상기 수소 분자의 수용을 시작하기 전에 아르곤 분자를 수용하는 것이 시작하도록 형성되고, 상기 하나 또는 그 이상의 중성 원자는 중성 수소 원자를 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
26. 상기 23절에 있어서, 상기 기본 소소는 첫번째 기본 소스와 두번째 기본 소스를 포함하고, 상기 플라즈마를 발생하기 위한 수단은 상기 두번째 기본 소스, 상기 첫번째 기본 소스 또는 상기 두번째 기본 소스와 상기 첫번째 기본 소스에 기초하여 상기 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 포함하고, 상기 두번째 기본 소스의 중량은 상기 첫번째 기본 소스의 중량보다 적고, 상기 첫번째 기본 소스는 비활성 가스를 포함하고, 상기 두번째 기본 소스는 알칼리 금속 또는 알칼리 토류금속을 포함하는 하이퍼서멀 빔 제조 장치.
27. 상기 23절에 있어서, 상기 기본 소스를 수용하기 위한 수단은 상기 기본 소스를 소용돌이 형상의 분포로 수용하기 위한 수단을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
28. 상기 23절에 있어서, 추가적으로, 캐소드 로드의 적어도 일부분으로부터 애노드 어셈블리를 전기적으로 절연하기 위한 수단을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
29. 청구항 23에 있어서, 추가적으로, 상기 하이퍼서멀 빔을 수용하기 위한 수단; 상기 기본 소스를 수용하기 위한 수단의 내부의 압력과 상기 하이퍼서멀 빔을 수용하기 위한 수단의 압력을 펌프 다운하기 위한 수단; 및 상기 하이퍼서멀 빔이 상기 기본 소스를 수용하기 위한 수단으로부터 방사되도록, 상기 기본 소스를 수용하는 수단의 내부 압력을 상기 하이퍼서멀 빔을 수용하는 수단의 압력보다 더 높게 제공되도록 하기 위한 수단; 을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
30. 상기 23절에 있어서, 추가적으로 상기 하이퍼서멀 빔을 포커싱하기 위한 수단; 및 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지를 선택하기 위한 수단을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
31. 상기 23절에 있어서, 추가적으로 상기 자기장을 제공하기 위한 수단 또는 상기 기본 소스를 수용하기 위한 수단에 인가된 전류와 전압을 조절하기 위한 수단을 포함하고, 상기 자기장은 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 하이퍼서멀 빔의 병진 운동 에너지는 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 하이퍼서멀 빔의 강도(intensiity)는 상기 전류와 전압에 기초하여 조정될 수 있고, 상기 병진 운동 에너지는 약 0.5에서 20eV이고, 상기 강도는 약 10 22 atoms/sterad/sec 이하인 것을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
32. 상기 23절에 있어서, 추가적으로 상기 기본 소스를 수용하기 위한 수단과 자기장을 제공하기 위한 수단을 냉각하기 위한 수단; 물흐름, 가스흐름, 온도 또는 상기 장치의 압력을 관찰하기 위한 수단; 및 누수가 발생되거나, 가스 누출이 발생되거나, 온도가 적절한 작동 온도 범위를 벗어나거나, 압력이 적절한 작동 압력 범위를 벗어나는 경우에 상기 장치를 키는 것(turning on)을 방지하거나 차단하기 위한 수단을 포함하는 하이퍼서멀 빔을 제조하는 장치.
본 발명을 실시하기 위한 많은 다른 방법들이 있다. 본 명세서에 기재된 다양한 기능과 요소들은 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고도 상기 내용으로부터 다르게 분할될 수 있다. 이러한 구성들에 대한 다양한 조정은 본 기술분야의 숙련자들에게 자명하고, 본 명세서에 한정된 포괄적인 원리는 다른 구성들에도 적용될 수 있다. 따라서, 많은 변화와 수정이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 본 기술분야의 일반적인 기술에 의해 본 발명에 행해질 수 있다. 청구범위는 거기에 나타난 상기 측면이나 구성들에 제한되는 것을 의도하는 것이 아니라 청구범위 기재와 부합되는 전체 범위로 볼 수 있다. 상기 프로세스에서의 단계들의 구체적인 순서나 체계는 모범적인 접근법의 예시로 이해될 수 있다. 디자인 선호에 기초하여, 상기 프로세스에서의 단계들의 구체적인 순서나 체계는 재배열될 수 있다. 상기 단계의 일부는 동시에 실행될 수 있다. 상기 수반하는 방법 청구항은 샘플 순서에서의 다양한 단계들의 요소들을 나타내고, 상기 제시된 구체적인 순서나 체계에 한정되지는 않는다.
'상단', '바닥', '전면, 앞', '후면, 뒤', '수평의', '수직의' 및 본 명세서에 이와 같이 사용된 용어들은 일반적인 중력의 프레임보다는 중력의 프레임을 언급하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상면, 하면, 전면, 후면, 수평방향 및 수직방향은 중력의 프레임으로 위로, 아래로, 대각선으로 또는 수평으로로 확장될 수 있다.
단수인 요소에 대한 언급은 구체적으로 언급되지 않는 한 '하나 그리고 유일한 하나'를 의미하는 것이 아니고, 오히려 '하나 또는 그 이상'을 의미한다. '일부'라는 용어는 하나 또는 그 이상을 의미한다. 몇 가지 측면으로서, 본 명세서에 사용된 바와 같이 '기체'라는 용어는 하나 또는 그 이상의 기체를 의미한다. 몇 가지 측면으로서, '홀', '노즐' 및 '구멍'이라는 용어들은 혼용하여 사용될 수 있다.
'측면'와 같은 용어는 그러한 측면이 본 발명에 필수적이거나 그러한 측면이 본 발명의 모든 구성에 적용된다는 것을 의미하지는 않는다. 측면에 관계된 설명은 모든 구성 또는 하나 또는 그 이상의 구성에 적용할 수 있다. 하나의 구성은 하나 또는 그 이상의 예들을 제공할 수 있다. 구성과 같은 구절은 하나 또는 그 이상의 구성 및 그 역을 나타낸다.
본 명세서에 사용된 '모범적인'이라는 단어는 예시 또는 설명으로서 제공되는 것을 의미한다. '모범적인'으로 본 명세서에 기재된 어떤 측면이나 디자인은 필수적으로 다른 측면이나 디자인을 걸쳐 선호되거나 유리한 것으로 이해되는 것은 아니다.
공지되어 있거나 후에 본 기술분야의 숙련자들에게 자명하게 되는 것으로 본 명세서를 걸쳐 기재된 다양한 측면들의 요소들에 대응하는 구조적이고 기능적인 모든 것은 참고로 본 명세서에 특별히 포함되고, 청구범위에 의해 포함되는 것으로 볼 수 있다.
게다가, 본 명세서에 기재된 어떤 것도 그러한 기재가 청구범위에 명확하게 나열되었는지 여부와 관계없이 공중에 바치려는 것이 아니다. 게다가, '포함하다', '가지다'와 같은 용어는 모두 '포함하다'의 의미로 해석될 수 있다. |
