Helicon plasmas are known to offer higher plasma density and better input power efficiency than other types of low temperature plasmas such as capacitively- or inductively-coupled plasma, or microwave-based electron cyclotron resonance plasma. Aiming at the application to an efficient ion source for high current accelerators, a novel high-density, compact plasma source was successfully developed at very high radio-frequency (98MHz) which is commonly used for radio communication. It was designed and fabricated to be modular for accommodating easy connection to other applicable devices. A detailed study of the characteristics of the generated helicon plasma was also performed. It includes the identification of the operation parameter window such as radio-frequency (RF) power, applied magnetic field, and neutral gas pressure, and the observation of multiple wave-mode transitions inside the helicon plasma.
As in the plasmas generated at conventional frequency such as 13.56 MHz, E-H-W mode transitions were observed. In the helicon mode, a bright column was produced at the central part of the cylindrical plasma. Experiments using Nagoya type III antennas with different leg length showed that the antenna having the shortest legs produced the highest density, which suggests the importance of the antenna ring section. A study on the operation window of the helicon plasma at 98MHz demonstrated that the H-W mode transition occurs at lower magnetic field at higher gas pressure with the the RF power fixed. It was also observed that the transition arises at lower magnetic field at higher RF power with the gas pressure fixed, indicating the correlation between the three important operating parameters on helicon plasma generation and sustainment.
By wavenumber measurements using the heterodyne double B-dot probe, additional wave-mode changes inside the helicon plasma were observed as increasing the external magnetic field. It was also observed that the wavelength of the helicon wave varies in the discrete fashion with respect to the plasma length indicating the strong correlation of the parallel wavelength to the plasma length. Explanation of the continuous plasma density increase as the mode change within the helicon plasma were attempted by considering the ionization rate coefficient.
A compact and simple ion beam source was developed using the helicon plasma generated at 98MHz to perform the feasibility study of the ion beam extraction. Preliminary experimental results support the possible application of the helicon plasma source as an efficient ion source for high current accelerators.
지금까지 플라즈마에 대한 연구는 토카막으로 대변되는 고온 핵융합 플라즈마를 비롯하여 산업적으로 널리 응용되고 있는 저온 플라즈마 분야까지 폭넓게 물리적, 공학적으로 연구되어 왔으며, 활발히 산업현장에서 응용되어 오고 있다. 헬리콘 플라즈마는 다양한 플라즈마 분야 중에서 저온 플라즈마에 속하며, 일반적으로 저온 플라즈마 중에서 가장 고밀도, 고효율을 획득할 수 있음이 알려져 있다. 헬리콘 플라즈마는 Aigain에 의하여 고체물리 분야에서 처음으로 명명되었으며, 1970년에 호주의 Boswell에 의해서 기체방전을 통하여 그 특성이 관찰되었다. 이러한 헬리콘 플라즈마의 가장 중요한 특성은 외부에서 인가된 자장에 비례하여 플라즈마의 밀도가 선형적으로 증가하며, 경우에 따라서는 중성기체가 100% 이온화되어 수 mTorr의 압력조건에서 약 $10^{13}cm^{-3}$의 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 점이다.
지금까지의 헬리콘 플라즈마에 대한 연구는 실험적 발견에서 시작하여 이론적 해석에 이르기까지 다양한 각도에서 활발히 수행되어 오고 있다. 1985년에 이르러 미국 UCLA의 Chen에 의하여 헬리콘 플라즈마의 가열기제가 란다우 감쇄 이론을 통하여 설명된 것을 필두로, 구 소련의 Shamrai와 Taranov에 의한 TG-mode에 의한 플라즈마 가열 모델이 등장하여 현재까지 가장 우세하게 받아들여 지는 이론들이 되고 있다. 그러나, 란다우 감쇄 모델의 경우 란다우 감쇄에 의한 이온화율이 높은 실험치를 설명할 수 있을 정도로 크지 못하고, 다른 이론들 역시 플라즈마 내에서 일어나는 현상들을 모두 설명하지는 못하고 있는 상태로 이론적 연구가 더욱 요구되는 시점에 있다.
본 연구는 헬리콘 플라즈마의 여러 장점들을 이용하여 산업적으로 이용하려는 목적에서 출발하였다. 특히, 가속기 분야에서 동위원소의 생산이나 핵파쇄를 통한 방사성 동위원소의 소멸처리 등에 헬리콘 플라즈마의 고밀도 특성을 십분 활용하려 하였다. 따라서, 제작된 플라즈마원은 다양한 응용성을 확보하기 위하여 탈착이 용이하게 모듈화하였고, 소형 장치에 효율적인 초단파 (VHF) RF전원을 사용하였다. 이러한 동기에서 한걸음 더 나아가,기존에 널리 사용되던 13.56MHz 보다 훨씬 높은 초단파 영역(98MHz)에서 발생된 헬리콘 플라즈마의 특성을 물리적으로 고찰하였다.
안정된 헬리콘 플라즈마의 발생에 필요한 균일한 축방향 자장을 얻기 위하여 그림3.1과 같이 8단의 솔레노이드 코일을 사용하였으며, 자기장 리플이 2% 이내의 균일한 자장을 획득하였다. 전체적인 장치의 크기는 직경 6 인치, 길이 30 cm이며, 플라즈마 발생 용기의 크기는 낮은 RF 입력전원에서도 높은 전력밀도를 얻기 위하여 가급적 작은 직경의 파이렉스 관을 사용하였다. 이때, 플라즈마 진단의 효율성을 고려하여 파이렉스 관은 2 인치 크기를 사용하였다.
헬리콘 플라즈마는 플라즈마 내에서 생성되는 헬리콘파에 의해서 전자가 가열되고, 가열된 전자에 의하여 이온화가 이루어져서 높은 밀도의 플라즈마를 생성한다. 따라서, 헬리콘파를 측정함으로써 헬리콘 플라즈마의 물리적 해석에 대한 접근을 도모할 수 있고, 실시간으로 변화하는 파수를 측정하여 여러 플라즈마 변수의 변화에 따른 급격한 플라즈마의 변화를 관찰할 수 있다. 이를 위하여 이중자장탐침을 제작, 헬리콘파의 세기 및 위상을 측정하였다. 헬리콘파의 신호는 위상 검출을 용이하게 하기 위해 주파수혼합기를 통하여 낮은 주파수로 변환되어 TTL 신호로 가변된 후에 위상비교기를 통하여 위상차를 획득하였다. 이 방식은 일반적으로 마이크로파 진단에 사용되는 헤테로다인 간섭계의 원리와 자장탐침법의 접합으로서 간단한 방법으로 연속적인 위상차를 획득할 수 있는 장점을 가지고 있다.
헬리콘 플라즈마의 발생 실험을 통하여, 통상적으로 사용되는 13.56MHz RF에 의해 발생된 플라즈마에서와 같이 98MHz에서도 E-H-W 전이 현상을 관찰할 수 있었으며, 헬리콘 모드에서 원통형 플라즈마의 중심축 상에서 밝은 플라즈마 칼럼을 관찰하였다. 나고야 III형 안테나를 이용한 실험에서 안테나 링 부분의 크기는 고정하고 안테나의 길이를 달리하면서 실험한 결과, 헬리콘파의 발생은 안테나의 링부분이 주도적인 기능을 한다는 것을 확인할 수 있었다. H-W 전이는 같은 입력전력 조건에서 중성기체의 압력이 높을수록 낮은 자기장에서 일어난다는 것을 확인하였으며, 일정압력 이상에서 헬리콘파의 특성이 다른 가열기제와 혼융된 형태로 변해감에 따라서 흐려진다는 것을 통해 헬리콘파의 발생을 위한 중성기체의 압력영역이 존재함을 관찰하였다. 또한, 헬리콘파의 발생 및 유지와 관련하여 자장과 입력전력뿐만 아니라 기체압력 또한 중요한 변수임을 확인하였다.
헬리콘파의 측정결과로 부터 외부인가자장의 변화에 따라서 헬리콘파가 일정한 모드에서 새로운 모드로 전이해가는 현상을 관찰하였다. 이때, 각각의 헬리콘 모드는 플라즈마 발생부의 길이에 따라서 특정한 길이의 파장을 가지는 파로 변하는 것을 관찰하였다. 이러한 헬리콘파의 전이현상은 이온화율의 계산을 통하여 설명하였으며, 헬리콘파에 의한 플라즈마의 발생은 입자감금 효과에 의한 란다운 감쇄로 설명하였다.
이온원으로서의 적용가능성을 살펴보기 위하여 간단한 구조의 이온추출기를 설치하였으며, VHF RF를 이용하여 발생된 헬리콘 플라즈마에서 인출된 빔의 전류를 측정하였다. 이와같은 간단한 실험을 통하여 헬리콘 플라즈마로 부터 이온빔의 인출가능성을 확인하였으며, 이온 가속기 및 플라즈마 추진, 이온주입기 등에 응용할 수 있는 가능성을 확인하였다.
