Ar-Xe 혼합 플라즈마의 쉬스와 프리쉬스 사이에 형성된 전이영역에서 이온의 운동

Abstract

Ar-Xe 혼합기체 방전 플라즈마의 쉬스 내에서 각 이온종의 거동을 레이저유도형광(LIF) 진단을 통해 관찰하였다. 실험은 비자화된 약한 충돌성의 DC 필라멘트 방전 플라즈마에서 이루어졌다. 이온 분률 조건의 설정의 위해 단일종 필라멘트 방전 플라즈마의 입자균형방정식을 각 기체종에 도입하여 예측하였고, Hala[60]가 제안한 이온음파진단을 이용해 측정하여 검증하였다. 플라즈마 쉬스의 전위분포는 전자방출 정전탐침(EP)을 이용하여 측정하였다. 우선 단일종 플라즈마 쉬스의 전위분포를 Oksuz[19]의 분석법에 기초하여 해석함으로써, 쉬스의 전위구조를 쉬스-전이영역-프리쉬스의 삼중구조로 구분하였고, 각 영역의 길이와 전위차이를 측정하였다. 실험적으로 구분한 쉬스의 길이는 Child Law 모델이 예측하는 길이에 비하여 디바이 길이의 약 2배 정도 작고, 전이영역은 Riemann[18]의 예측에 비례하며, 프리쉬스는 이온-중성종간 평균 충돌자유행정거리에 비례함을 관찰하였다. 전이영역과 프리쉬스에서의 전위차이는 각각 1.4Te, 0.6Te 이었다. 이종 혼합기체 방전 플라즈마 쉬스의 전위분포를 해석하기 위해 Child Law 모델을 이종 이온이 존재하는 경우로 확장하였고, 이종 이온과 이종의 중성종간의 충돌경로를 고려한 유효 충돌자유행정거리를 도입하였다. 해석 결과, 이온 종의 분률과 상관없이 프리쉬스의 길이는 유효 충돌자유행정거리에 비례하나 전이영역의 길이는 이온이 혼합된 경우 단일 종의 경우보다 큰 값을 가짐을 관찰했다. 전위차이 또한 프리쉬스에서는 약 0.5Te로 일정하나, 전이영역에서는 이온이 혼합된 경우 단일 종의 경우보다 큰 값을 가짐을 관찰했다. 단일 이온종 LIF 이온유속 진단결과, 아르곤과 제논 두 경우 모두 실험적으로 구분된 플라즈마 쉬스 경계에서 디바이 길이의 약 2배 떨어진 지점, 즉 전이영역에서 Bohm 조건이 만족함을 확인하였다. 이 지점은 Child Law 모델로서 계산한 값과 동일한 지점이었다. 이종의 이온 쉬스에서의 LIF 이온유속 진단결과, 실험적으로 구분한 쉬스 경계에서 디바이 길이의 약 2배 떨어진 지점에서 각 이온의 속도가 Baalrud[11]가 제안한 instability 모델의 예측값과 일치하였다. 이는 기존의 선행연구[13]와 일치하는 결과였다. Instability가 발생함을 확증하고, 각 이온 종이 instability에 의하여 어느 공간에서 어떻게 속도가 형성되는지를 확인하기 위하여 각 이온의 상대속도 분포를 전위분포와 함께 비교하였다. 그 결과, 프리쉬스에서 상대속도가 증가하다가 전위영역에서 일정하게 유지됨과 그 크기는 Baalrud의 예측값과 오차범위 내에서 일치함을 최초로 확인하였다. 이로써 이종 기체 방전 플라즈마 쉬스에서 일반화된 Bohm 조건을 만족시키는 단일한 해를 예측하는 Baalrud의 instability 모델을 확증 할 수 있었다. 추가적으로, 단일종/이종 기체 방전 플라즈마 쉬스 구조상에서 Bohm 조건을 만족하는 지점이 모두 전이영역에 존재하게 된 이유에 대한 현상적인 해석을 진행함으로써, 이온-중성종간의 충돌이나 이온종간의 instability가 존재할 경우 Bohm 조건을 만족시키기 위한 전이영역의 역할에 대하여 논하였다.