Development of Hydrogen Cold Cathode Penning Ion Source in Pulsed Operation with High Monatomic Fraction

Abstract

수소(양성자 또는 중수소) 이온원은 양성자 가속기의 입사기, 핵융합의 중성입자빔 입사장치, 중성자 발생장치 등에서 핵심적인 부분을 차지한다. 이온원의 가장 대표적인 성능 요소는 이온 빔 전류로, 빔 전류가 클수록 목표하는 반응의 수율을 높일 수 있다. 수소 이온원의 경우 그와 함께 단원자 분율도 중요한 성능 요소가 된다. 수소 이온 빔은 단원자 이온(양성자, H+ 또는 중양자, D+) 뿐만 아니라 분자 이온(H2+(D2+), H3+(D3+))도 포함하고 있다. 이온 빔 내 단원자 이온은 분자 이온에 비해 핵자 당 가지는 에너지가 커서, 이온 빔이 목표로 하는 반응의 수율을 향상 시킬 수 이다. 그리하여 단원자 분율이 높을수록 이온원의 성능에 유리하다. 수소 이온원의 응용 분야 중, 휴대형 밀봉 튜브 중성자 발생장치에는 구조가 단순하고 전원 구성이 쉬운 페닝 이온원이 주로 사용된다. 페닝 플라즈마 방전은 양극과 음극의 구조 및 자기장으로 전자를 더 많이 구속하여, 낮은 압력에서도 높은 밀도의 플라즈마를 발생시키는 장점이 있다. 그러나 휴대형 밀봉 튜브의 경우, 이 방식이 가지는 제한으로 단원자 분율은 10% 정도 밖에 되지 않는다. 따라서 단원자 분율을 개선하면 그 이온 빔을 이용하는 장치의 성능 또한 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 단원자 분율의 한계를 개선하여 해당 이온원의 성능을 높이고자 한다.

수소 플라즈마 내에서 일어나는 전자와 수소 분자, 원자, 이온의 충돌 반응을 기반으로, 각 이온 종(種)과 원자 분자의 생성과 소멸을 반영한 입자균형방정식 등의 수식을 연립하여 계산하면, 플라즈마 조건에 따른 이온종 분율을 예측할 수 있다. 이러한 계산 모델을 통해, 플라즈마 밀도가 높을수록, 전자 온도가 낮을수록, 그리고 운전 압력이 낮을 수록 수소 이온 빔의 단원자 분율이 높아짐을 알 수 있다. 이런 플라즈마의 조건들을 조정하면 이온 빔의 단원자 분율을 향상시킬 수 있다.

단원자 분율에 영향을 주는 플라즈마의 조건 중 플라즈마 밀도가 가장 큰 역할을 한다. 플라즈마 밀도는 방전 시 전력을 많이 인가하면 쉽게 상승하지만, 비용이 많이 들고 기기의 손상을 가속화 시킨다. 특히 휴대형 기기의 경우, 구조와 전원 장치에 제약이 있어, 전력을 무한히 공급할 수 없다. 그리하여 페닝 이온원의 직류 방전 전원 시스템을 함께 이용할 수 있고, 구조 변경에도 간단한 공동 음극(hollow cathode) 구조를 페닝 이온원에 적용하였다. 공동 음극 효과(hollow cathode effect)로 인한 플라즈마 밀도 향상이 페닝 방전과 결합하면서 높은 단원자 분율을 얻을 수 있다. 이 외에, 공동 음극이 가진 음극 손상에 대한 내성으로 기기의 수명을 늘일 수 있는 장점도 있다.

수소 이온 빔의 이온 종 분율 측정을 위해서는 비행시간 측정 질량 분석기(time-of-flight mass analyzer)를 제작하여 측정하였다. 이온 빔의 질량 대 전하 비(mass-to-charge ratio)를 측정하는 데는 일반적으로 자기장을 이용하지만, 짧은 펄스로 생성되는 플라즈마의 이온 종 분율을 측정하는 데는 자기장의 변화 속도가 늦어서 적절하지 않다. 그래서 짧은 빔 펄스 패킷만으로도 이온 종 분율 측정이 가능한 비행시간 측정 질량 분석기를 개발하였다. 특히 이 연구에서는 이온 빔을 짧은 펄스 패킷으로 잘라내는 데 핵심 부품인 게이팅 장치(gating device) 를 개선하여 측정 신호의 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)를 50% 가량 향상시켰다.

공동 음극 적용 페닝 이온원의 운전을 최적화 시켜 축 방향 자기장 700 G 에서 운전하였다. 음극의 손상 방지를 고려하여 약 2 A 방전 전류로 운전했을 때, 기존의 기기의 성능인 약 10% 단원자 분율에 비해, 5 – 6 배 향상된 성능인 60%에 가까운 단원자 분율을 얻을 수 있었다. 빔 전류에 있어서도 함께 실험한 일반 평면 음극 페닝 이온원에 비해 2배 이상의 빔 전류 밀도를 보였다.

이 연구의 성과를 적용하면 향후 페닝 이온원 응용 분야의 발전에 도움을 줄 수 있을 것이며, 특히 휴대형 밀봉 튜브 중성자 발생장치 분야에서 향상된 성능을 보여 줄 것으로 기대된다.

The hydrogen (proton or deuteron) ion source is an important part of the injector of the accelerator, the neutral beam injector of nuclear fusion, and the neutron generator. One of the most important performance factors of the ion sources is the ion beam current. The larger the beam current, the higher the yield of the target reaction. In the case of the hydrogen ion sources, the monatomic fraction is also an important performance factor. The hydrogen ion beam also contains molecular ions (H2+ (D2+) or H3+ (D3+)) as well as monatomic ions (protons, H+ or deuterons, D+). The monatomic ions in the ion beam have a larger energy per a nucleon than the molecular ions, so the ion beam can improve the yield of the target reaction. Thus, the higher the monatomic fraction, the better the ion source performance. Among the type of hydrogen ion sources, Penning ion source, which is simple in structure and easy to configure power source, is mainly used for a portable sealed tube neutron generator. Penning plasma discharge has high plasma density even at low pressure due to confining more electrons in the discharge volume, which consists of the anode, the cathodes and the axial magnetic field. However, in the case of the portable sealed tubes, the limit of the structure makes the monatomic fraction only about 10%. Therefore, improving the monatomic fraction can improve the performance of the device which uses the ion beam from the ion source. In this study, I try to improve the performance of Penning ion source by enhancing the limit of the monatomic fraction.

As the equations, such as the particle balance equations describing the generation and the destruction of each ion species, atoms, and molecules, are calculated in parallel, based on the collision reactions of electrons, hydrogen molecules, atoms, and ions in the hydrogen plasma, the ion species fraction can be predicted according to the plasma parameters. From this numerical model, it can be seen that the higher the monatomic fraction of the hydrogen ion beam is acquired at the higher the plasma density, the lower electron temperature, and the lower the operating pressure. Adjusting the parameters of plasmas can improve the monatomic fraction of the ion beam.

The plasma density plays a major role among the plasma parameters affecting the monatomic fraction. The plasma density increases easily when a large amount of power is applied. However, it requires more cost, and damages the device quickly. Particularly, in the case of a portable device, there is a limitation in the structure and the power supply, so the power cannot be supplied infinitely. A hollow cathode structure, which can be used together with a DC power supply system of Penning ion source and which is simple in structure change, is proposed to modify Penning ion source. The plasma density enhancement due to the hollow cathode effect combining with Penning discharge makes the monatomic fraction higher. In addition, there is also an advantage that the lifetime of the device can be increased due to the resistance to the cathode degradation of the hollow cathode.

A time-of-flight mass analyzer is constructed and measured for the ion species fraction of the hydrogen ion beam. The mass analyzer utilizing magnetic field is generally used to measure the mass-to-charge ratio of the ion beam, but it is not appropriate to measure the ion species fraction of ion beam generated in a short pulse because the scanning speed of the magnetic field is slow. Therefore, I developed a time-of-flight mass analyzer capable of measuring the ion species fraction with only a short beam pulse packet. In particular, this study improved the signal-to-noise ratio of the measured signal by 50% through improving the gating device, which is a key component in cutting the ion beam into a short pulse packet.

The Penning ion source with hollow cathodes is operated with a magnetic field of 700 G after the optimization. When operating at a discharge current, about 2 A, considering the prevention of the damage of the cathodes, it was possible to obtain a monatomic fraction close to 60%, which is 5 – 6 times better than that of the conventional device, which is about 10%. Moreover, the beam current density was more than twice as high as that of the general plane cathodes Penning ion source.

The result of this study will contribute to the future development of applications of Penning ion sources, and it is expected to show improved performance especially in the field of portable sealed tube neutron generator.