탄소 다가이온 빔 인출을 위한 14.5 GHz 전자 사이클로트론 공명 이온원 특성 최적화

Abstract

ECR 이온원은 발생되는 중이온 빔을 안정적으로 수송이 가능하며 사용자에 의해 운용 및 유지보수가 쉬운 장점을 가지고 있기 때문에 세계적으로 많이 연구되는 분야 중에 하나이다. 하지만, ECR 이온원은 제작을 한다고 해서 무조건적으로 고강도, 고순도 빔이 생성되는 것이 아니기 때문에 제작하는 기술뿐만 아니라 제작된 이온원에 의한 플라즈마 발생 및 다가이온 빔 인출 기술도 중요하기 때문에 이를 위한 ECR 설계 변수에 대한 특성을 분석하는 최적화 연구가 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 한국원자력연구원에 설치된 14.5 GHz ECR 이온원을 이용하여 이온원의 플라즈마에 영향을 줄 수 있는 변수에 대한 특성을 평가하고 결과로써 얻어진 실험 조건들을 이용하여 탄소 이온을 생성하여 전류를 측정함으로써 의료용 시설에 적용하기 위한 최적화 실험을 수행하였다. 이온원이 생성하는 플라즈마의 특성을 평가하기 위하여 NaI(Tl) 검출기를 이용하여 외부에서 X-ray 스펙트럼을 측정하였다. 플라즈마에서 생성되는 전자들의 움직임을 직접적으로 측정하기 어렵기 때문에 간접적으로 X-ray를 측정하여 플라즈마의 상태를 유추할 수 있는 전자 온도, 이온 제한 시간 등을 계산할 수 있다. 본 연구에서는 플라즈마 특성에 영향을 줄 수 있는 RF power, 기체 압력, Mirror-ratio, 그리고 최대 자장 변화에 대한 X-ray 스펙트럼을 측정하였다. 다양한 조건에서 실험을 수행한 결과, RF power와 솔레노이드 전류가 각각 500 W, 680/500/680A일 때 전자 온도가 최대 42.5 keV를 가지는 것을 확인하였다. 앞선 결과를 바탕으로 이온원이 생성하는 탄소 이온의 전류를 측정하기 위해 OPERA-3D 코드를 이용하여 탄소 이온 생성 전산모사를 수행하였다. 전산모사를 통해 이온원에서 탄소 이온이 생성되며 전류 분포를 간접적으로 계산하였다. 실험에서는 탄소 4가 이온의 전류를 최대한으로 높이기 위한 최적 조건을 도출하는 작업을 수행하였다. 이온 전류에 영향을 미치는 요소로는 기체 혼합 비율, Biased 디스크, 렌즈 등이 있다. 각각의 경우에 대한 조건을 변경하면서 인출 실험을 수행하였으며 결과로 얻은 최적 조건은 다음과 같다. 기체 혼합 비율로는 CO2/He이 1:8로 주입되며 압력이 5.04 x 10^(-7) mbar, 렌즈의 전압은 9.5 kV, Biased 디스크는 -150 V일 때 탄소 4가 이온이 최대 53 μA 인출되었다. 추가적으로 안정적으로 탄소 이온이 형성되는 것을 확인하기 위해 10분씩 총 5시간 동안 전류를 측정하였으며, 50 μA을 기준으로 8% 이내의 전류가 측정되어 안정적인 것을 확인하였다. 본 연구에서는 14.5 GHz ECR 이온원의 플라즈마 특성 평가를 위하여 외부에서 X-ray 측정 실험을 수행하여 플라즈마의 전자 온도가 최대값을 가지는 실험 조건을 구했다. 앞선 결과를 OPERA-3D 코드에 적용하여 탄소 이온의 전류 분포에 대한 전산모사를 수행하여 경향을 파악하였고, 탄소 이온 인출 실험을 통해 획득한 결과와 일치하는 것을 확인하였다. 앞선 실험 결과로 얻어진 이온원의 최적 조건은 향후 다른 이온원의 초기실험 조건을 위한 자료로써 이용할 수 있을 것이다.