KR100317135B1 - 플라즈마의전자온도측정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우주 공간을 이루는 플라즈마의 전자 온도를 측정하기 위한 전자온도 측정기에 관한 것으로서, 플라즈마 이온층의 전자온도를 세밀하고 정확하게 측정하는 고분해능의 전자온도 측정기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 본 발명은, 부동(floating)상태의 탐침으로부터 측정되는 부동전위와, 일정 진폭의 사인파가 인가되는 탐침으로부터 측정되는 이동전위를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하기 위한 전자온도 측정기에 있어서, 부동상태에 놓인 부동 탐침과, 서로 다른 크기의 진폭을 가지는 사인파가 각각 인가되는 적어도 2개 이상의 이동 탐침, 상기 부동 탐침으로부터 부동전위를 측정하는 부동전위 측정부, 상기 각각의 이동 탐침으로부터 각각의 이동전위를 측정하는 적어도 2개 이상의 이동전위 측정부, 및 상기 부동전위 측정부와 각각의 이동전위 측정부에서 측정된 부동전위와 각각의 이동전위를 이용하여 전자온도를 측정하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 플라즈마의 전자온도 측정기를 제공한다.

Description

플라즈마의 전자온도 측정기
본 발명은 우주 공간을 이루는 플라즈마의 전자 온도를 측정하기 위한 전자온도 측정기에 관한 것이다.
우주는 플라즈마, 즉 전자와 이온이 서로 분리되어 있는 물질들로 가득 차 있다. 이러한 우주 플라즈마의 특성을 아는 것은 오로라와 같이 우주에서 일어나는 여러 가지 자연 현상을 이해하는 데 도움을 준다. 뿐만 아니라, 우주에서 임무를 수행하는 인공위성의 원활한 운영을 위해서도 우주 플라즈마에 대한 정보가 필요하다.
예를 들어, 우주에서 인공위성은 양전하로 대전되는데, 이것이 평형상태를 이루고 있다면 인공위성은 정상적으로 동작한다. 하지만, 전자온도가 급격하게 변하는 지역에서 인공위성을 대전시킨 전하들은 평형상태를 이루고 있지 않으며 상황에 따라서는 인공위성에 치명적인 손상을 가할 수도 있다. 또한, 인공위성과 지상파 통신을 하기 위해서는 이온층이라고 불리는 우주 플라즈마 지역을 통해 전파를 송,수신해야 하는데, 플라즈마는 플라즈마 주파수 이상의 주파수를 갖는 전파만을 통과시킨다. 이때, 만일 플라즈마가 불안정한 현상을 보일 경우에는 전파가 제대로 전파되지 않아서, 통신 장애가 발생한다. 이와 같은 이유로, 우주 플라즈마의 특성을 연구하는 것은 학문적으로나, 또는 실용적인 측면에서 모두 중요한 의미를 갖는다고 할 수 있다.
우주 플라즈마의 특성을 파악하기 위하여 그 중요한 요소 중의 하나인 전자온도를 측정할 필요가 있는데, 전자온도란 전자가 가지고 있는 열 에너지를 의미한다. 전자온도를 구하기 위한 많은 실험장치들이 개발되어 인공위성이나 로켓에 실려 우주 플라즈마를 연구하는 데 기여하여 왔다.
이러한 종래의 전자온도 측정기는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 반원형 탐침(111,112)이 배치된 프로브(probe:110)와, 두 탐침(111,112)에 각각 연결된 이동전위 측정회로(120), 및 부동전위 측정회로(130)로 구성되어 있다. 여기서, 프로브(110)은 절연체 위에 전기적 전도성이 좋은 금속으로 도금한 원판이다.
프로브(110)가 플라즈마에 노출되어 있다고 가정하면, 부동전위측정회로(130)에서는 부동전위(VP)가 측정된다. 한편, 제1탐침(111)에 주파수가 30KHz 정도이고 진폭이 수백 mV 정도의 사인파(sine wave)가 인가되면, 이동전위 측정회로(120)는 부동전위가 음전위 쪽으로 약간 이동한 이동전위가 측정된다. 즉, 진폭이 a인 사인파가 인가되면, 이동전위 측정회로(120)는 이동전위(VP1)를 측정하고, 진폭이 2a인 사인파가 인가되면, 이동전위 측정회로(120)는 이동전위(VP2)를 측정한다.
이 부동전위(VP)와, 이동전위(VP1,VP2), 및 전자온도(Te)와의 관계는 수학식 1과 같이 표현된다.
P1PP2P = 0e0e
여기서, VP1은 진폭이 a인 사인파가 인가되었을 때의 탐침의 이동전위를 나타내고, VP는 부동(floating) 상태에서의 탐침의 전위를 나타내며, VP2는 진폭이 2a인 사인인파가 인가되었을 때의 탐침의 이동전위를, I0는 0th변경된 바셀(bessel) 함수를, k는 볼츠만(boltzmann) 상수를 나타낸다.
이러한 종래의 전자온도 측정기에서, 제1탐침(111)으로 진폭이 0, a, 2a인 사인파를 순차적으로 인가한 후, 이동전위 측정회로(120)를 통해 부동전위(VP)와 이동전위(VP1,VP2)를 순차적으로 얻는다. 이때, 캐패시터(C1)와 저항(R1)에 의한 시상수 때문에, 사인파가 인가된 후 이동전위(VP1,VP2)를 얻기 위해서는 약 0.3초 정도의 지연시간이 필요하며, 이러한 시간 지연으로 인하여 이 전자온도 측정기는 약 1초 정도의 분해능을 갖는다.
즉, 종래의 전자온도 측정기의 분해능은 1초 이상이기 때문에, 인공위성의 속도가 대략 5km/sec인 경우에는 5km 이내에서 일어나는 여러 가지 우주 플라즈마의 현상을 충분히 연구할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 플라즈마 이온층의 전자온도를 세밀하고 정확하게 측정하는 고분해능의 전자온도 측정기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 플라즈마의 전자온도 측정기의 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마의 전자온도 측정기의 구성도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마의 전자온도 측정기의 구성도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
210, 220,240: 전위 측정부 230: 프로브
231,232,233: 탐침
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마의 전자온도 측정기는, 부동(floating)상태의 탐침으로부터 측정되는 부동전위와, 일정 진폭의 사인파가 인가되는 탐침으로부터 측정되는 이동전위를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하기 위한 전자온도 측정기에 있어서, 부동상태에 놓인 부동 탐침과, 서로 다른 크기의 진폭을 가지는 사인파가 각각 인가되는 적어도 2개 이상의 이동 탐침, 상기 부동 탐침으로부터 부동전위를 측정하는 부동전위 측정부, 상기 각각의 이동 탐침으로부터 각각의 이동전위를 측정하는 적어도 2개 이상의 이동전위 측정부, 및 상기 부동전위 측정부와 각각의 이동전위 측정부에서 측정된 부동전위와 각각의 이동전위를 이용하여 전자온도를 측정하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 부동 탐침과 각각의 이동 탐침은 모양, 크기, 그리고 표면 상태가 모두 동일하고, 상기 인접한 탐침들 사이의 거리는 적어도 데바이 길이(Debye length) 이상인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자온도 측정기의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자온도 측정기의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 우주 플라즈마의 전자온도 측정기는, 세 개의 탐침(231,232,233)이 배치된 원판의 프로브(probe:230)와, 각각의 탐침(231,232,233)으로부터 이동전위(VP1,VP2) 및 부동전위(VP)를 측정하는 제1 내지 제3전위 측정부(210,220,240)로 구성된다. 여기서, 각각의 탐침은 구리와 같이 전도성이 큰 물질을 사용하여 제조하고, 3개의 탐침은 모양, 크기, 표면상태, 그리고 회로적인 요소가 모두 일치하도록 한다.
제1탐침(231)에는 진폭이 a인 사인파(asinωt)가, 제2탐침(232)에는 진폭이 2a인 사인파(2asinωt)가 각각 인가되며, 제3탐침(233)은 부동(floating)상태에 놓인다. 따라서, 제1전위 측정부(210)는 제1이동전위(VP1)를 측정하고, 제2전위 측정부(220)는 제2이동전위(VP2)를 측정하며, 제3전위 측정부(230)는 부동전위(VP)를 측정한다. 도시되지 않은 제어부는 상기 제1이동전위(VP1), 제2이동전위(VP2), 그리고부동전위(VP)를 수학식 1에 적용하여 플라즈마의 전자온도(Te)를 계산한다.
제1전위 측정부(210)는 진폭이 a인 사인파를 제1탐침(231) 쪽으로 인가하는 캐패시터(C21)와, 제1탐침(231)을 통해 접지단으로 흐르는 전류를 제한하는 저항(R21), 및 저항(R21)과 병렬 접속된 캐패시터(C24)로 구성된다. 또한, 제2전위 측정부(220)는 진폭이 2a인 사인파를 제2탐침(232) 쪽으로 인가하는 캐패시터(C22)와, 제2탐침(232)에서 접지단으로 흐르는 전류를 제한하는 저항(R22), 및 저항(R22)과 병렬 접속된 캐패시터(C25)로 구성된다. 또한, 제3전위 측정부(240)는 상호 병렬 접속되어 제3탐침(233)으로부터 부동전위(VP)를 측정하는 캐패시터(C23,C26) 및 저항(R23)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.
제1탐침(231)으로는 캐패시터(C21)를 통해 진폭이 a인 사인파(asinωt)가 인가되는데, 제1전위 측정부(210)는 제1이동전위(VP1)를 측정한다. 제1전위 측정부(210)의 캐패시터(C21)는 교류인 입력 사인파(asinωt)를 제1탐침(231) 쪽으로 인가하고, 제1탐침(231)의 직류성분 전위와 입력 사인파의 전위를 분리시킨다. 제1탐침(231)에서 접지단으로 흐르는 전류는 저항(R21)에 의해 흐름이 제한되며, 저항(R21)과 병렬 접속된 캐패시터(C24)에 의해 잡음 제거된다. 이와 같이 제1전위 측정부(210)의 저항(R21)에는 제1이동전위(VP1)가 인가된다.
제2탐침(232)으로는 캐패시터(C22)를 통해 진폭이 2a인 사인파(2asinωt)가 인가되며, 제2전위 측정부(220)는 상기 제1전위 측정부(210)와 동일한 구동에 의해제2이동전위(VP2)를 측정한다. 또한, 제3전위 측정부(240)는 부동상태에서의 부동전위(VP)를 측정한다. 여기서, 캐패시터(C21,C22,C23)는 모두 동일한 값을 가지고, 저항(R21,R22,R23)은 모두 동일한 값을 가지며, 캐패시터(C24,C25,C26)는 모두 동일한 값을 가진다. 또한, 세 개의 탐침(231,232,233)이 완전히 동일한 크기를 가지며 표면의 상태가 모두 동일하다.
이와 같이 얻어진 부동전위(VP)와 제1,제2이동전위(VP1,VP2)를 수학식 1에 적용하면, 플라즈마의 전자온도(Te)를 측정할 수 있다.
본 발명의 제2실시예가 도 3에 도시되어 있는 바, 이는 3보다 큰 n개의 탐침을 이용하여 플라즈마의 전자온도를 측정한다.
즉, 프로브(310)는 모양, 크기 그리고 표면 성질이 동일한 n개의 탐침으로 이루어지는데, 이 탐침은 구리와 같이 전도성이 큰 물질을 이용한다. 각각의 탐침 중 하나의 탐침은 부동상태에 놓이고, 나머지 탐침들 각각으로는 진폭이 a, 2a, 3a,…, (n-1)a의 진폭을 가지는 사인파가 인가된다.
부동상태의 탐침으로부터 부동전위(VP)를 측정하고, 나머지 탐침들 각각으로부터 이동전위(VP1,VP2,VP3, …,VP(n-1))를 측정하여 수학식 2에 적용시켜 (n-1)/2개의 전자온도를 계산한 다음, 이것을 평균한다.
P(n-1)PP(n-2)P = 0e0es s s P2PP1P = 0e0e
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 우주 플라즈마 및 실험실 플라즈마에 적용하여 플라즈마 이온층의 전자온도를 세밀하고 정확하게 측정할 수 있으며, 높은 분해능으로 인해 인공위성이 고속으로 운행하는 동안에도 불안정한 플라즈마의 특성을 정확하게 파악할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 부동(floating)상태의 탐침으로부터 측정되는 부동전위와, 일정 진폭의 사인파가 인가되는 탐침으로부터 측정되는 이동전위를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하기 위한 전자온도 측정기에 있어서,
    부동상태에 놓인 부동 탐침과, 서로 다른 크기의 진폭을 가지는 사인파가 각각 인가되는 적어도 2개 이상의 이동 탐침과, 상기 부동 탐침으로부터 부동전위를 측정하는 부동전위 측정부와, 상기 각각의 이동 탐침으로부터 각각의 이동전위를 측정하는 적어도 2개 이상의 이동전위 측정부, 및 상기 부동전위 측정부와 각각의 이동전위 측정부에서 측정된 부동전위와 각각의 이동전위를 이용하여 전자온도를 측정하는 제어부를 포함하며;
    상기 부동 탐침과 각각의 이동 탐침은 모양, 크기, 그리고 표면 상태가 모두 동일하고, 상기 인접한 탐침들 사이의 거리는 적어도 데바이 길이(Debye length) 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마의 전자온도 측정기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05129093A (ja) * 1991-10-31 1993-05-25 Nippon Koshuha Kk 空間電位誤差を補正するトリプルプローブ・プラズマ測定装置

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JPH05129093A (ja) * 1991-10-31 1993-05-25 Nippon Koshuha Kk 空間電位誤差を補正するトリプルプローブ・プラズマ測定装置

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