Feasibility of a high current density ion source is studied through the simulation of ion extraction system and the basic experiments of a high density plasma source.
Numerical simulation of extraction system is performed by using a free boundary ion source code of IGUN？. The possibility of a high current density ion source is confirmed at relatively low extraction electric field, and the required plasma density for this kind of ion source is estimated to be high. For example, a proton ion source of 414mA/㎠ current density with 50kV extraction voltage needs the plasma density of up to $8.9 \times 10^{11}#/cm^3$. To get the high-density plasma satisfying high plasma density requirement, a compact microwave plasma source using permanent magnets is developed by imposing axially much higher B-field than that of electron cyclotron resonance, which may limit to the plasma density due to the existence of density cut-off.
The plasma can be initiated in this plasma source when the microwave energy is delivered via the coaxial feedthrough by applying sufficient Helium gas puffing of 200mTorr. The maximum microwave absorption is observed near 15mTorr and the plasma density is above $10^{12}#/cm^3$ in such region. The compact microwave plasma source shows the possibility as a high density plasma source for high-current density ion sources at relatively low extraction voltage.
시뮬레이션을 통한 이온인출계통의 설계와 고밀도 플라즈마 발생의 기초실험으로 고전류 밀도 이온원의 타당성을 평가하였다.
자유 경계 조건을 가정한 이온원 코드인 IGUN？을 이용하여 수치적 계산에 의해 이온원 인출계통을 설계하였다. 시뮬레이션 결과로 낮은 전기장 하에서도 고전류 밀도 이온원이 가능성이 확인되었으며, 고전류밀도 이온원의 경우 요구되는 플라즈마 밀도는 높은 수준을 유지하고 있었다.
50kV의 인출 전압이 부하된 414mA/㎠ 전류밀도 양성자 이온원의 경우 $8.9 \times 10^{11}#/cm^3$ 이상의 플라즈마 밀도가 필요하였다. 시뮬레이션이 요구하는 고밀도 플라즈마를 얻기 위한 기초 실험으로 영구자석을 이용한 소형 고밀도 플라즈마가 개발되었다. 이용된 자기장의 세기는 ECR의 밀도 cut-off을 극복하기 위해 Electron cyclotron resonance영역 이상으로 설계 되었다.
발생된 플라즈마의 특징은 200mtorr이상으로 충분한 양의 헬륨기체가 공급되어 초고주파의 에너지가 Coaxial feedthrough을 통해 플라즈마원에 전달 되었을 때 초기발생이 가능 하였다. 최대 초고주파 에너지가 전달되는 기체압력은 약 15mtorr였으며 그 영역에서 $10^{12}#/cm^3$의 플라즈마 밀도를 얻을 수 있었다. 이 값은 시뮬레이션 결과를 만족시켰으므로 소형 초고주파 플라즈마 원이 상대적으로 낮은 인출 전압에서의 고 전류밀도 이온원으로 가능하리라 본다.
