고전리 이온 빔 연구

2022-10-18

초고진공 기술로 가장 높은 대 전 상태 생성

우리는 주변 환경, 예를 들어 촛불의 불꽃이나 뇌우 번개 등에서 낮게 대전된 이온을 주로 접합니다. 그러나 자연적으로 발생하는 고전리 이온, 즉 원자 껍질에 많은 누락 전자가 있는 이온도 있습니다.예를 들어 우리는 태양 코로나와 같은 진기한 상태 또는 초신성 현상에서 이를 경험합니다 이러한 이유 때문에 실험실에서 행하는 고전리 이온 연구는 천체 물리학에서 중요한 역할을 합니다.

그러나 실험실에서 생성된 고전리 이온은 다른 분야에서도 매우 중요합니다. 고전리 이온의 분광 분석은 융합 플라즈마의 프로세스를 연구하는 데 사용됩니다. 고전리 이온과 고체 표면의 상호 작용에 대한 기본 연구는 예를 들어 미래의 양자 컴퓨터 시스템에 대한 흥미로운 관점을 제공합니다.

“지금까지 원자 반지름의 분광 측정은 단일 전자를 가지는 수소와 같은 시스템에서만 수행되었으며, 이는 이 경우에만 이론이 충분히 정확하기 때문입니다. 하지만 이러한 단순한 원자 시스템은 사용되는 파장이 광학 스펙트럼의 자외선 범위에서 멀리 떨어져 있어 현재 레이저 시스템으로는 접근이 힘들다는 단점이 있습니다.”라며 다름슈타트 공대 핵물리학 연구소의 LaserSpHERe(Laser Spectroscopy of Highly Charged Ions and Exotic Radioactive Nuclides, 고전리 이온 및 외래 방사성 핵종의 레이저 분광 분석) 연구 그룹 책임자인 빌프리드 뇌르터스호이저 교수(Prof. Dr. Wilfried Nörtershäuser)는 설명합니다. “그러나 현재 두 개의 전자를 가지는 더 복잡한 헬륨과 같은 시스템에서도 필요한 정확성을 달성하기 위한 전도유망한 노력이 있습니다. 이들의 파장은 레이저 시스템으로 접근하기가 훨씬 수월하므로 미래에는 헬륨에서 질소까지의 원자핵 반경을 현재 가능한 정도보다 훨씬 더 정확하게 결정할 수 있습니다.

EBIS-A 이온 소스가 있는 이온 빔 시설을 설치함으로써 COALA 장치는 이에 대한 이상적인 조건을 제공합니다.” 뇌르터스호이저 교수(Prof. Dr. Nörtershäuser)와 그의 팀은 레이저 분광 분석 및 응용 과학 공선 장치(COALA, Collinear Apparatus for Laser Spectroscopy and Applied Sciences)를 이용해 원자, 핵 및 입자 물리학의 최전선에서 정밀 실험을 행합니다. 그들의 연구는 원자핵의 전하 반경을 정확히 결정하는 것을 목표로 하여 고전리 이온과 외래 단수명 동위 원소의 레이저 분광 분석에 중점을 두고 있습니다.

EBIS 이온 소스
EBIS 이온 소스

고전리 이온 생성 기술

다름슈타트에서 사용되는 전자 빔 이온 소스(EBIS, Electron Beam Ion Source)는 고전리 이온 생성을 위한 여러 기술 중 하나일 뿐입니다. 레이저 및 전자 사이클로트론 공명 이온 소스(ECRIS, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources) 와 같이 EBIS는 고전리 이온의 직접적인 소스로 간주됩니다. 또한 고에너지 가속기 및 가스 또는 포일 스트리퍼 대상을 이용해 낮게 대전된 이온을 고전리 이온으로 변환할 수 있습니다.

이온화에 필요한 에너지 전달은 레이저 이온 소스의 방사선에 의해 구현됩니다. 다른 기술 모두 이온화 구동 프로세스가 전자 충돌에 기반한다는 공통점을 가지고 있습니다. 고에너지 가속기에서 단일 전리 이온은 고에너지의 준 휴지 상태 전자 충돌 상대를 향해 발사됩니다. 전자 사이클로트론 공명 및 전자 빔 이온 소스에서는 이 과정이 역으로 진행됩니다. 처음에 기체 상태였던 중성 분자 또는 원자는 움직이지 않는 상태입니다. 전자 빔 이온화의 경우 전자가 가속되어 원자의 껍질 전자와 충돌합니다. 빠르게 이동하는 전자에서 껍질 전자로의 운동 에너지 전달은 그들에게 원자 껍질의 결합에서 떨어져 나가기에 충분한 에너지를 제공합니다.

고전리 이온의 모든 직접적인 소스 중에서 가장 높은 대전 상태가 전자 빔 이온 소스로 생성되어 다름슈타트의 COALA 에서 사용하기에 최적인 선택지를 만들어 냈습니다. 사용된 진공 기술이 충분한 일반 조건을 제공하는 한 이 기술은 높은 대전 상태를 달성하기에 이상적인 조건을 제공합니다.

전자 빔 이온 소스의 작동 원리

다름슈타트 공대에서 사용되는 Dresden-EBIS-A 유형의 전자 빔 이온 소스에서 고방출 음극은 진공에서 약 2200K로 가열됩니다. 이는 양극 역할을 하는 드리프트 튜브 앙상블을 향해 전자 총에서 가속되는 자유 전자 빔을 생성합니다. 이 프로세스 도중 전자 빔은 강한 자기장에 의해 압축되며, 이로 인해 전자 전류 밀도 값이 cm² 당 몇십 암페어에 도달하게 됩니다. 이 고밀도, 고속 전자 빔은 드리프트 튜브 영역에서 열 가스 원자를 만나 그 껍질 전자와 충돌합니다. 그 결과로 발생하는 이온은 전자 빔 이온 트랩(EBIT, Electron Beam Ion Trap)으로 알려져 있는 드리프트 튜브 영역의 정전기장에 갖히게 됩니다.

전자 빔의 에너지가 결합 에너지를 초과하는 한, 더 많은 껍질 전자가 연속적인 전자 충돌 이온화에 의해 제거되어 이온을 한층 더 높은 대전 상태로 만듭니다. 이는 껍질 전자가 모두 제거되고 맨 원자핵만 남을 때까지 계속될 수 있습니다.

드리프트 튜브를 통과한 후 전자는 리펠러 전압에 의해 냉각된 전자 컬렉터로 정전기적으로 보내집니다. 고전리 이온은 이온 트랩을 벗어날 수 있으며 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

전자 빔 이온 소스
전자 빔 이온 소스

이것은 발췌일 뿐입니다.
전체 지원 보고서는 PDF 파일로 다운로드할 수 있습니다.

소셜 네트워크