KR101018395B1 - 플라스마 증폭장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지원을 필요한 상태로 전환함에 있어 불필요한 다른 상태로 전환되는 것을 방지, 즉, 의도하지 않은 상태로 전환된 에너지를 다시 플라스마에 부과시켜 불필요한 상태로의 에너지 전환의 가능성을 최소화시켜 에너지 효율성을 높일 수 있는 플라스마 증폭장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 플라스마 증폭장치는, 밀폐공간을 갖는 챔버; 상기 밀폐공간에 상호 대향되어 설치되는 한 쌍의 제1반사경; 상기 한 쌍의 제1반사경 사이에서 플라스마가 발생되게 하는 플라스마발생부; 및 상기 플라스마발생부에 의해 발생된 플라스마를 가두기 위해 자기장을 형성하는 자기장형성부;를 포함하여 구성된다.

플라스마, 반사경, 자기장, 증폭, 냉각

Description

플라스마 증폭장치{Apparatus for amplifing a plasma}

본 발명은 플라스마 증폭장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지원을 필요한 상태로 전환함에 있어 불필요한 다른 상태로 전환되는 것을 방지, 즉, 의도하지 않은 상태로 전환된 에너지를 다시 플라스마에 부과시켜 불필요한 상태로의 에너지 전환의 가능성을 최소화시켜 에너지 효율성을 높일 수 있는 플라스마 증폭장치에 관한 것이다.

플라스마를 이용하는 기술 및 장치는 플라스마의 특성에 따라 분류될 수 있으며, 플라스마의 특성 중 플라스마의 열에너지를 이용하는 분야와 플라스마의 광자에너지를 이용하는 분야는 플라스마를 이용하는 기술 및 장치의 큰 비중을 가지고 있다. 하지만, 이러한 플라스마의 열에너지 및 광자에너지를 사용하는 것은 에너지를 많이 낭비하는 한계가 있어 에너지 효율성에서 볼 때 비효율적이다.

플라스마의 열에너지를 이용하는 대표적 사례는 추진기, 엔진, 화력 발전 등이 있으며, 플라스마를 넓게 볼 때는 불과 같은 연소 작용도 포함된다.

상술한 추진기는 정확히 말해서 제트추진기를 의미하는데, 제트추진기는 항공연료가 점화에 의해 기화되며 급속도로 부피가 팽창하는 점을 이용한다.

이렇게 항공연료가 기화됨과 동시에 압축된 공기가 기화된 항공연료에 의해 가열된다.

항공연료의 연소 작용으로부터 발생한 열에너지가 항공연료와 공기와 같은 기체들의 분자들의 운동을 활발하게 하여 부피를 팽창시킴과 동시에 노즐과 같은 배출구로 배출되면서 주위의 공기들을 밀어내어 작용반작용법칙으로 추진력을 갖게 된다.

이러한 제트추진기의 원리에는 항공연료의 연소가 필수 조건인데, 항공연료가 연소되면서 발생하는 열에너지의 양은 항고연료가 가진 에너지보다 적다.

그 이유는 항공연료가 연소하면서 발생하는 에너지전환은 열에너지만이 아니기 때문이다. 즉, 항공연료가 연소하면서 항공연료가 가진 에너지는 열에너지뿐만 아니라 다른 에너지로도 전환을 하는데, 그 대표적인 에너지가 바로 광자에너지이다.

제트추진기가 가동될 때 제트추진기 노즐에서 강력한 광자가 방출되는 것을 볼 수 있는데, 이것은 항공연료가 가진 에너지의 일부가 광자에너지로 전환된 것이다.

광자에너지는 제트추진기의 추진력 생성에 도움이 되지 못하므로 항공연료의 에너지 일부가 열에너지가 아닌 광자에너지로 전환된다는 것은 그만큼 에너지를 비효율적으로 사용한다는 것을 의미한다.

한편, 자동차 엔진 속에서 추진력을 생성하는 핵심 장치인 실린더, 피스톤도 이러한 제트추진기의 비효율성을 똑같이 가지고 있다. 피스톤이 압축되었을 때 휘 발유는 점화되어 순간적으로 공기와 휘발유의 부피가 팽창한다.

이렇게 휘발유와 공기가 팽창하면 실린더 속의 피스톤을 밀어내게 되고 피스톤을 밀어내는 힘은 자동차의 동력으로 활용된다.

상술한 바와 같은 휘발유의 연소에서도 휘발유가 가진 에너지가 열에너지뿐만 아니라 다른 에너지인 광자에너지로 전환된다는 점에서 항공연료에서와 동일하게 효율성을 저해하게 된다.

이러한 문제점은 연소를 이용하여 열에너지를 얻는 모든 기술 및 장치에 적용된다. 화력 발전소도 이러한 문제점이 있다.

이러한 문제점은 미래의 에너지원으로 각광받고 있는 핵융합 발전에도 많은 걸림돌이 된다.

핵융합의 조건 중 하나가 1억도 이상의 고온 상태를 일정한 시간 동안 지속하는 것이다. 그런데 핵을 융합하는 플라스마를 발생 및 보관하면서 동시에 고온으로 올리는 장비인 토카막의 내부에 불순물이 있으면 플라스마에 에너지를 주입해도 가열되지 않고 광자에너지로 전환되어 버려 조건 온도까지 올리지 못한다. 이를 극복하기 위해서는 현재로서는 토카막의 내부를 초진공 상태로 만드는 수밖에 없다.

플라스마의 광자에너지를 이용하는 사례로는 대표적으로 전구, 레이저가 있으며, 상기 레이저의 종류 중에는 기체 방전 레이저가 플라스마의 광자에너지를 유도방출복사시키는 레이저가 있다.

그러나 기체 방전 레이저는, 도 1에 도시된 바와 같이, 플라스마의 광자에너지의 극히 일부만을 사용하는 한계점이 있다. 즉, 양측의 반사경에 도달하는 광자 를 제외한 모든 광자에너지는 쓸모없이 소비되고 있는 것이다.

따라서, 기존의 플라스마 활용을 대체하여 에너지에 대한 활용의 효율성을 높이기 위한 방안이 요구된다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 에너지원을 필요한 상태로 전환함에 있어 불필요한 다른 상태로 전환되는 것을 방지하고, 의도하지 않은 상태로 전환된 에너지를 다시 플라스마에 부과시켜 불필요한 상태로의 에너지 전환의 가능성을 최소화시켜 에너지 효율성을 높일 수 있는 플라스마 증폭장치를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 플라스마 증폭장치는, 밀폐공간을 갖는 챔버; 상기 밀폐공간에 상호 대향되어 설치되는 한 쌍의 제1반사경; 상기 한 쌍의 제1반사경 사이에서 플라스마가 발생되게 하는 플라스마발생부; 및 상기 플라스마발생부에 의해 발생된 플라스마를 가두기 위해 자기장을 형성하는 자기장형성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 제1반사경의 외측면에 근접 또는 부착되어 설치된 제1냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 제1반사경 중 일측의 제1반사경은 전체반사경이고, 타측의 제1반사경은 부분반사경인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 챔버의 밀폐공간은 진공상태 또는 저기압상태인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 챔버의 밀폐공간은 충진가스로 충진된 상태인 것을 특징으 로 한다.

바람직하게, 상기 플라스마발생부는 열전리, 직류방전, 고주파가열, 입자빔가열 중 어느 하나를 이용하여 플라스마를 발생하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 플라스마발생부에 의해 발생되고 상기 자기장형성부에 의해 가둬진 플라스마를 사이에 둔 상태로, 상기 밀폐공간에 상호 대향되어 설치되는 다수 쌍의 제2반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 다수 쌍의 제2반사경 중 일측의 제2반사경은 전체반사경이고, 타측의 제2반사경은 부분반사경인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 다수 쌍의 제2반사경의 외측면에 근접 또는 부착되어 설치된 제2냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 자기장형성부는 한 쌍의 자계코일과 상기 자계코일에 전류를 인가하는 전류인가수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 플라스마발생부는 한 쌍의 전극과 상기 한 쌍의 전극에 직류를 인가하는 전압인가수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 에너지원을 필요한 상태로 전환함에 있어 불필요한 다른 상태로 전환되는 것을 방지, 즉, 의도하지 않은 상태로 전환된 에너지를 다시 플라스마에 부과시켜 불필요한 상태로의 에너지 전환의 가능성을 최소화시켜 에너지 효율성을 높일 수 있다.

또한, 플라스마를 증폭시켜 사용할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 플라스마 증폭장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(10), 제1반사경(100), 복수의 제2반사경(400), 플라스마발생부(200), 자기장형성부(300)를 포함하여 구성된다.

<챔버(10)>

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 챔버(10)는 내부에 소정 크기의 밀폐공간을 갖는 구성요소로서, 상기 밀폐공간은 상기 플라스마발생부(200)에 의해 플라스마(P)가 발생될 수 있도록 진공상태 또는 저기압상태 또는 충진가스로 충진된 상태이다. 즉, 진공 또는 충진가스로 충진됨에 따라 플라스마(P)가 발생될 수 있는 공간을 제공하는 것이다. 상기 충진가스는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N) 등이 사용될 수 있다.

여기서, 플라스마(plasma)란, 아주 높은 온도에서 기체분자가 전자와 이온으로 분리된 상태를 의미한다. 물질의 상태는 온도를 올려 줌에 따라서 그 상태가 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 변화하는데, 기체에 계속 열을 가하면 기체분자는 결국, 전자와 이온으로 분리되고, 이러한 물질의 새로운 상태를 일컬어 "물질의 제4의 상태"라고 하며, 바로 이것이 플라스마 상태이다.

다시 말하면, 플라스마는 전기전도성을 가지는 전하를 띈 입자들의 집합체 로, 물리학이나 화학 분야에서 디바이 차폐(Debye Shielding)를 만족하는 이온화된 기체를 말하며 물질의 기본적인 세 가지 상태인 기체, 액체, 고체 상태와 더불어 또 하나의 상태로 여겨진다. 플라스마는 외부 전자기장에 집합적으로 반응한다. 또한, 자유롭게 움직이는 전하들 때문에 플라스마는 높은 전기 전도성을 띄며 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을 갖는다. 이러한 플라스마는 이온·전자·중성원자·분자·광자가 혼합체를 이루고 있으면서 내부의 전자가 이온과 결합해 중성 입자를 이루며 광자가 흡수·방출되고 있는 혼합체다.

<플라스마발생부(200)>

한편, 상술한 바와 같이 밀폐공간을 제공하는 챔버(10)의 내부에 플라스마(P)를 발생하기 위해 플라스마발생부(200)가 설치된다.

상기 플라스마발생부(200)는 종래의 플라스마 발생장치를 사용할 수 있으며, 예컨대, 열전리, 직류방전, 고주파가열, 입자빔가열 중 어느 하나를 이용하여 플라스마(P)를 발생하게 된다.

a) 상기 연전리 플라스마를 이용한 것에는, 화염(火炎) 플라스마, 압축가열 플라스마 등이 있다.

b) 상기 직류방전 플라스마는 음극에서 발생한 전자가 전계에 의해서 가속되어, 기체 속을 비행하는 도중에 기체 분자와 충돌하여, 전리가 진행되어 발생하며, 이를 이용한 것에는 그로(glow) 방전 플라스마, 코로나(corona) 방전 플라스마, 아크(arc) 방전 플라스마 등이 있고, 직류방전 플라스마의 전압·전류의 관계를 도 6에 도시하였다.

상기 그로 방전 플라스마에 대해 설명하면 다음과 같다.

방전은 보통, 기체 압력이 0.01~10Torr(토르: 1기압은 760Torr), 전류가 수십~몇백 mA정도의 범위 내에서 관측되어, 약(弱)전리 플라스마를 발생시킨다. 가장 가까운 방전 플라스마의 예는, 형광등이나 네온사인 속에서 볼 수 있다. 그로 방전의 기구는 상세하게 보면 상당히 복잡하지만, 간단하게는, 전계에서 가속된 전자에 의해서 원자·분자가 전리하여 이온이 발생하는 과정과, 이것이 다시 재결합하여 소멸하는 2개의 과정이 균형을 이뤄서 정상적으로 지속하는 방전이라고 말할 수 있다. 다만, 전자와 이온의 재결합은 그로 방전 내부에서는 거의 일어나지 않고, 플라스마 속의 이온이 확산되어 방전관의 측면 위에서 생긴다. 전자는 플라스마에서 음극으로 향하여 입사하는 이온의 충격으로 2차적으로 방출되어, 정상적으로 보급된다. 고온으로 가열한 열음극을 이용하면, 이온 충격이 없어도 열 전자 방출에 의해서 전자 보급이 유지된다.

상기 코로나 방전 플라스마에 대해 설명하면 다음과 같다.

코로나 방전은 고전압을 더한 침 끝이나 가는 선 주위에서 관측되고, 극단적으로 불평등한 전계 부분에서 국부적으로 발생하는 일종의 그로 방전이다. 배의 범주 선단에서 생기는 센트엘모의 빛으로 알려져 있는 것은, 이 코로나 방전이다. 또한, 때때로 고압송전선에서도 볼 수 있다. 코로나 방전 플라스마는 기체 중에서 쉽게 하전 입자를 발생시킬 수 있기 때문에, 정전기를 이용하여 기기류에서 널리 응용되고 있다. 한편, 고전압 기기에서 코로나 방전이 생기면, 절연물의 악화를 불러일으킨다. 이와 같은 플라스마에서는 전자를 통해서 에너지가 주입되기 때문에, 전 자끼리는 신속하게 열평형에 달하고, 전자 온도는 수만 ℃가 되지만, 이온과 중성 입자의 온도는 상온 정도에 머무르고 있다. 다만, 이온이나 중성 입자에 속박된 전자는 자유 전자와 평형상태에 있고, 그 전자적인 여기상태는 전자온도로 결정된다. 분자 회전이나 진동상태는 상온에 가까운 분자 온도로 주어진다. 즉, 전자와 이온·중성입자는, 열적으로는 서로 비평형 상태에 있다.

아크 방전 플라스마에 대해 설명하면 다음과 같다.

그로 방전에서 전류를 증가시키면, 이윽고 아크 방전으로 이행된다. 이 전류는 수십만 A에 도달하고, 기본적으로는 상한선은 없다. 한편, 기압 쪽은 10-4 Torr정도를 하한으로 하고, 임의의 압력에서 발생할 수 있다. 아크 방전에서는, 전극물질이 증발하여 방전기체 속에 혼입되어 있고, 이것인 양 이온이 되어 음극에서 충돌하여 전자 방출을 촉진하고 있다. 아크 방전에서는 전자뿐만 아니라, 이온이나 중성 입자도 수천℃에서 수만℃에 달하고 있다. 이 경향은 방전기체의 압력이 높을수록 현저하다. 아크 방전은 전지 발명 직후에 발견되고 있고, 휘도가 높은 광원(光源) 또는 고온원(高溫源)으로서 이용되어 왔다. 또 차단기(스위치)에 의해서 대전류를 개방하는 경우에도, 전극 간에서 과도하게 발생한다.

c) 고주파 가열 플라스마에 대해 설명하면 다음과 같다.

방전관의 전극에서 교류를 인가한 경우에도, 그 주파수가 낮고, 예를 들면, 100kHz정도 이하이면, 음극과 양극의 역할이 시간과 함께 교환되는 것뿐으로 본질적으로는 직류 방전과 같다. 그러나 주파수가 높아지고, 플라스마 안의 전자가 전극 간을 완전히 이동하지 않는 동안에 전계의 방향이 역전되면, 전극 간에는 전류 가 흐르지 않게 된다. 즉, 전극은 전계를 인가하는 것만으로, 전류의 출입구가 없어진다. 전극은 방전관의 외부에 설치해도 좋고, 전극 대신에 코일을 안테나로 이용해도 좋다. 여기에서 전자파를 에너지 공급원으로 하면 무전극의 방전이 가능하게 되는 것을 알 수 있다. 보통 주파수가 1MHz(106Hz)이상의 전자파를 이용할 수 있다. 방전 플라스마의 크기와 전자파의 파장이 같은 정도가 되는 1GHz(109Hz)이상의 고주파 방전을, 특히 마이크로파 방전이라고 부른다.

d) 입자 빔 가열 플라스마에 대해 설명하면 다음과 같다.

방전에서는, 방전관의 내부에서 전계에 가속된 전자에 의해서 전리가 진행되지만, 미리 외부에서 충분히 가속된 고속 입자 빔을 중성 기체 속으로 입사해도 플라스마를 발생시킬 수 있다. 특히 고온의 플라스마를 발생하는 수단으로서, 전자, 이온, 중성 원자·분자 빔에 의한 가열이 행해진다.

본 실시예에서는 한 쌍의 전극에 직류를 인가하여 플라스마(P)를 발생시키는 직류방전 플라스마를 이용한다. 즉, 상기 플라스마발생부(200)는 한 쌍의 전극(202)과 상기 한 쌍의 전극(202)에 직류를 인가하는 전압인가수단(204)을 포함하여 구성된다.

<제1반사경(100), 복수의 제2반사경(400)>

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 제1반사경(100)은 상기 챔버(10)에 의해 제공되는 밀폐공간, 즉, 플라스마(P)가 발생될 수 있는 공간에 상호 대향되도록 설치되는 구성요소로서, 상술한 플라스마발생부(200)에 의해 발생된 플라스마(P)의 양측에 위치되어 플라스마(P)로부터 발생되는 광자를 상호방향으로 반사시키게 된다.

상세하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1반사경(100)의 반사부분이 서로 마주보도록 평행하게 배치되어 설치되며, 플라스마(P)에서 방출되는 광자가 지속적으로 반사된다.

한편, 상기 한 쌍의 제1반사경(100)의 외측면에 근접 또는 부착되어 제1냉각부(150)가 설치되는 것이 바람직하다. 이는, 플라스마(P)에 근접하여 위치됨과 동시에 플라스마(P)에서 방출되는 광자가 지속적으로 반사됨에 따른 과열을 방지하기 위함이다.

그리고 상기 한 쌍의 제1반사경(100) 중 일측의 제1반사경(100)은 전체반사경이고, 타측의 제1반사경(100)은 부분반사경으로 구성되며, 이와 같은 구성에 따르면, 플라스마(P)에서 발생한 광자가 한 쌍의 제1반사경(100)의 사이에서 반복적으로 반사되어 증폭된 상태에서 부분반사경의 구멍을 통해 외부로 조사될 수 있다.

한편, 상술한 한 쌍의 제1반사경(100) 이외에도, 상술한 플라스마발생부(200)에 의해 발생된 플라스마(P)의 또 다른 양측에 위치되어 플라스마(P)로부터 발생되는 광자를 상호방향으로 반사시키는 복수의 제2반사경(400)이 더 구비될 수 있다.

즉, 상기 플라스마발생부(200)에서 발생되는 플라스마(P)를 사이에 둔 상태로, 상기 밀폐공간에 상호 대향되어 다수 쌍의 제2반사경(400)이 더 구비될 수 있으며, 여기서, 상기 다수 쌍의 제2반사경(400) 중 일측의 제2반사경(400)은 전체반사경이고, 타측의 제2반사경(400)은 부분반사경으로 구성되어, 플라스마(P)에서 발 생한 광자가 각각의 쌍의 반사경 사이에서 반복적으로 반사되어 증폭된 상태에서 부분반사경의 구멍을 통해 외부로 조사될 수 있다. 다시 말하면, 제1반사경(100)과 동일하게 구성된 제2반사경(400)을 2개 이상 구비하여, 증폭된 광자가 다수의 방향으로 조사될 수 있도록 하는 것이다.

이때, 상기 제1반사경(100)에 의해 제1반사경(100)의 사이에서 반복적으로 반사되는 광자와 상기 제2반사경(400)에 의해 제2반사경(400)의 사이에서 반복적으로 반사되는 광자는 서로 중첩되어 광자의 에너지가 약해지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이처럼 상기 제1반사경(100)에 의해 제1반사경(100)의 사이에서 반복적으로 반사되는 광자(1)와 상기 제2반사경(400)에 의해 제2반사경(400)의 사이에서 반복적으로 반사되는 광자(4)가 서로 간섭되지 않도록 하는 것은, 중첩에 의해 서로 약해지는 것을 방지하기 위함이다.

한편, 상기 다수 쌍의 제2반사경(400)의 외측면에도 제2냉각부(450)가 근접 또는 부착되어 설치되며, 이는, 제1냉각부(150)와 마찬가지로 플라스마(P)에 근접하여 위치됨과 동시에 플라스마(P)에서 방출되는 광자가 지속적으로 반사됨에 따른 과열을 방지하기 위함이다.

<자기장형성부(300)>

자기장형성부(300)는 상기 플라스마발생부(200)에 의해 발생된 플라스마(P)를 가두기 위해 자기장을 형성하는 구성요소로서, 자기병(magnetic bottle)을 형성하게 된다.

자기병(magnetic bottle)이란, 두 개 이상의 자기장이 중첩되어 공간에 따른 자기장의 세기가 불균일하며 대칭일 때 그 안의 하전된 입자는 자기장이 센 곳에서 약한 곳으로 반사되어 갇히게 되는데, 플라스마(P)와 같은 하전된 입자를 가둘 수 있는 자기장에 의한 공간을 의미한다.

즉, 플라스마(P)와 같은 하전입자가 불균일하지만 양쪽이 대칭인 자기장 안에 있을 때, 자기장이 센 양쪽 끝에서 자기장이 약한 중심으로 반사된다. 자기장이 센 양쪽 끝에서 자기선속선이 수렴하여 자기거울을 형성하는데, 이때 하전입자가 접근하면 자기거울에서 반발력을 받아 중심 방향으로 운동하게 된다. 결국, 입자는 자기력선(M)을 따라 나선운동하며 양끝을 오가는 진동운동을 하게 되어 자기장 안에 갇히게 되는 것이다.

상세하게는, 균일한 자기장 안에서 자기장에 수평한 성분과 함께 수직한 성분의 속도를 갖는 하전입자는 자기장의 방향으로 나선운동을 한다. 이때 나선운동의 반지름은 자기장의 크기에 반비례하고 입자의 속도에 비례하는 값을 갖는다.

즉, r=mv/(qB)에 의해 궤도 반지름이 결정된다. 여기서, m은 입자의 질량, v는 입자의 속도, q는 입자의 전하량, B는 자기장이다. 따라서 자기장의 크기가 셀수록 궤도 반지름은 작아지게 된다. 불균일한 자기장 안에서는 하전입자가 자기장의 방향을 따라갈 때 입자의 운동 궤도가 변하게 된다. 자기장이 센 곳에서 궤도 반지름이 작아지므로 양쪽에서 하전입자가 반사되어 왕복하며 진동하게 되고 결국 궤도 반지름이 변하는 나선운동을 하게 된다. 즉, 하전입자가 자기장 공간 안에 갇히게 된다.

본 실시예의 자기장형성부(300)는, 한 쌍의 자계코일(302)에 전류를 흘려서 자기병을 형성하는 밀러방식을 이용한다. 즉, 상기 자기장형성부(300) 한 쌍의 자계코일(302)과 상기 한 쌍의 자계코일(302)에 전류를 인가하는 전류인가수단(304)을 포함하여 구성된다.

<플라스마의 증폭과정>

1. 챔버 (10) 내의 플라스마발생부(200)에 의해 밀폐공간에 플라스마(P)가 발생

플라스마는 여기상태이므로 다시 바닥 상태로 되돌아가며, 이때 광자를 방출한다. 플라스마는 전기전도성을 가지는 전하를 띈 입자들의 집합체로, 물리학이나 화학 분야에서 디바이 차폐를 만족하는 이온화된 기체를 말하며 물질의 기본적인 세 가지 상태인 기체, 액체, 고체 상태와 더불어 또 하나의 상태로 여겨진다. 플라스마는 외부 전자기장에 집합적으로 반응한다. 또한, 자유롭게 움직이는 전하들 때문에 플라스마는 높은 전기 전도성을 띄며 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을 갖는다. 이러한 플라스마는 이온·전자·중성원자·분자·광자가 혼합체를 이루고 있으면서 내부의 전자가 이온과 결합해 중성 입자를 이루며 광자가 흡수·방출되고 있는 혼합체다.

2. 챔버(10)의 밀폐공간에 설치된 한 쌍의 제1반사경(100)에 의해 플라스마(P)에서 방출되는 광자가 지속적으로 반사되어 증폭

보통의 광원에서는 여기된 원자 및 분자들이 독립적으로 여러 가지 다른 파 장의 광자를 방출한다. 그런데 원자가 여기된 그 짧은 순간에 어떤 파장을 갖는 광자가 그 원자에 충돌하면 원자는 자신을 자극한 파동과 같은 위상을 갖는 복사선을 방출하도록 유도된다. 따라서 새 복사선은 지나는 광자를 감소시키거나 증폭시킨다. 이 현상이 어느 정도 반복되면 완전히 간섭성빛 즉, 모든 구성성분이 같은 위상을 가지는 단일주파수 또는 단색의 빛으로 이루어진 최종 광속은 상당히 강한 세기를 갖게 된다. 이는 즉, 유도방출복사에 의한 빛의 증폭이 발생함을 뜻한다. 그러므로 이는 레이저의 원리와 같다.

3. 증폭된 광자가 플라스마(P)를 통과하여 플라스마(P)가 팽창함

유도방출복사에 의해 증폭된 광자들은 제1반사경(100) 사이에 있는 플라스마(P)를 통과하게 된다. 이와 같이, 강한 세기의 광자를 통과시키는 플라스마(P)는 역 브렘스트랄룽(Brehmsstrahlung) 현상으로 격렬하게 팽창한다. 여기서, 브렘스트랄룽 현상이란 움직이는 전자의 속도가 줄어들 때 전자 에너지의 일부가 광자로 방출되는 현상을 의미하고, 역 브렘스트랄룽 현상이란 그 반대로 전자가 광자 에너지를 흡수하면서 속도가 증가하는 현상을 의미한다.

따라서 브렘스트랄룽 현상으로 플라스마(P)에서 방출된 광자들이 서로 마주보는 제1반사경(100)에 의해 유도방출복사되어 에너지가 증폭된 상태에서 다시 플라스마(P)를 구성하는 전자들이 이러한 광자들의 고에너지를 흡수하여 속도가 증가하게 된다.

플라스마(P)의 입자인 전자가 활발해졌다는 것은 곧 플라스마(P)가 가열되어 급속히 부피 팽창하였음을 의미한다.

4. 팽창하는 플라스마(P)를 자기장형성부(300)를 이용해 자기병에 가둠

플라스마(P)는 자기장에 가둘 수 있다. 자기장으로 플라스마(P)를 가둘 수 있다는 것은 플라스마(P)의 부피 팽창을 억제할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 광자의 고(高)에너지를 흡수하여 활발해지는 전자의 운동을 억제한다는 것을 말한다.

자기병에 의해 부피의 팽창을 억제받는 플라스마(P)는 전자의 운동이 억제되고, 이에 따라 전자 에너지의 일부가 광자로 방출되는 브렘스트랄룽 현상에 의해 더욱더 많은 광자를 방출하게 된다.

이는 증가된 전자 에너지가 운동 에너지로 전환되지 못하고 억제됨에 따라 전자 에너지의 일부가 광자로 방출될 수 있다는 것이다.

광자로부터 일정량의 에너지를 받은 전자가 받은 에너지의 양만큼 가속이 완전하게 이루어지지 않으면, 상기 전자가 받은 일정량의 에너지 중 일부가 광자로 방출하게 되며, 이는, 전자의 속도가 줄어들 때 전자 에너지의 일부가 광자로 방출되는 현상인 브렘스트랄룽 현상으로 설명이 된다. 따라서 이를 다르게 생각해 보면 전자의 움직이는 속도가 줄어들었다고 볼 수 있고, 이는 다시 브렘스트랄룽 현상에 의해 더 많은 광자를 방출하게 된다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 플라스마(P)를 가두는 자기력선(M) 그물망은 자기거울(magnetic mirror)장치를 통해 자기병(magnetic bottle)으로 만들 수 있다.

자기거울(본실시예에서의 "자기장형성부(300)"에 해당됨)이란, 접근해오는 하전입자가 접근 경로를 따라 되돌아갈 수 있는 형태로 특정 지역에 형성되어 있는 자기장을 의미하고, 대개 자기장을 기술할 때는 거의 평행이며 서로 작용을 하지 않는 자기력선(M)을 이용한다. 이와 같은 자기력선(M)의 방향은 자기장의 방향을 나타내며 자기력선(M)의 밀도(근접도)는 자기장의 세기를 나타낸다. 전자와 같은 하전 입자는 자기장 내에서 자기력선(M) 주위에서 나선운동을 하면서 운동한다. 따라서 입자의 운동 경로 상에 있는 자기력선(M)이 수렴을 하면 입자는 세기가 점차 커지는 자기장의 영역으로 들어가게 된다. 이때, 하전 입자는 자기력선(M)의 주위를 계속 선회하게 되며 앞쪽으로의 운동은 점차 감속되어 마침내 정지해 원래의 경로 쪽으로 되돌아온다. 이와 같은 자기거울 2개를 이용하면 하전 입자를 내부에 가두어둘 수 있는 자기병을 만들 수 있다. 참고로 자기거울로 만든 자기병은 핵융합발전에서 플라스마를 담는 장치인 토카막 이전에 플라스마를 담는 장치의 후보로 올랐던 것이다.

자기거울 2개 이상을 조합하여 만든 자기병도 플라스마를 가둘 수 있지만 나머지 핵융합발전 연구에서 고안된 다른 플라스마를 가두는 장치 및 기술들도 유효하다. 강한 축방향 자기장으로 플라스마를 압축하기도 한다. 축방향 자기장이 "조임의 안정화(stabilization of a pinch)"에 기여하는 것을 이용하는 것인데, "조임"은 자기장이 플라스마를 압축하는 것이고, 자기장이 축방향인지 방위각 방향인지의 여부에 따라서 플라스마 전류가 방위각 또는 축방향으로 흐르는데 이를 압축하는 것이다.

5. 위의 4단계의 연속적인 작용으로 플라스마(P)는 자기병의 억제력의 크기에 대등한 에너지를 갖도록 증폭됨

플라스마(P)가 증폭됨에 따라 증폭된 플라스마(P)를 가두기 위해 더욱 강력 한 자기병이 요구된다. 광자의 유도방출복사와 역 브렘스트랄룽 현상의 상호 작용은 플라스마(P)를 증폭시키지만 또 하나의 조건은 플라스마(P)의 부피 팽창률이 플라스마(P)가 받는 광자 에너지량의 증가율보다 상대적으로 낮아야 한다. 그래서 자가징형성부를 이용해 자기병을 만들어서 플라스마(P)의 부피 팽창률을 낮추려는 것이다.

플라스마(P)의 부피 팽창률이 플라스마(P)가 받은 광자의 증가량과 같을 경우 플라스마(P)의 증폭은 중지한다. 또한, 플라스마(P)의 부피 팽창률이 플라스마(P)가 받은 광자의 증가량보다 높으면 반대로 플라스마(P)는 에너지를 잃게 된다.

따라서 플라스마(P)를 증폭시키려면 자기장의 세기를 높여야 한다. 자기장의 세기를 높이려면 자연적으로 전류의 양이 많아져야 한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

도 1은 종래의 기체방전레이저의 개략적인 구성을 보여주는 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라스마 증폭장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략사시도.

도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라스마 증폭장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략사시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라스마 증폭장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라스마 증폭장치의 제1반사경과 제2반사경을 보여주는 개략도.

도 6은 직류방전 플라스마의 전압·전류의 관계를 보여주는 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10:챔버

100:제1반사경

150:제1냉각부

200:플라스마발생부

300:자기장형성부

400:제2반사경

450:제2냉각부

Claims (11)

1. 밀폐공간을 갖는 챔버;

   상기 밀폐공간에 상호 대향되어 설치되는 한 쌍의 제1반사경;

   상기 한 쌍의 제1반사경 사이에서 플라스마가 발생되게 하는 플라스마발생부; 및

   상기 플라스마발생부에 의해 발생된 플라스마를 가두기 위해 자기장을 형성하는 자기장형성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 제1반사경의 외측면에 근접 또는 부착되어 설치된 제1냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 제1반사경 중 일측의 제1반사경은 전체반사경이고, 타측의 제1반사경은 부분반사경인 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 챔버의 밀폐공간은 진공상태 또는 저기압상태인 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 챔버의 밀폐공간은 충진가스로 충진된 상태인 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 플라스마발생부는 열전리, 직류방전, 고주파가열, 입자빔가열 중 어느 하나를 이용하여 플라스마를 발생하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 플라스마발생부에 의해 발생되고 상기 자기장형성부에 의해 가둬진 플라스마를 사이에 둔 상태로, 상기 밀폐공간에 상호 대향되어 설치되는 다수 쌍의 제2반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 다수 쌍의 제2반사경 중 일측의 제2반사경은 전체반사경이고, 타측의 제2반사경은 부분반사경인 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 다수 쌍의 제2반사경의 외측면에 근접 또는 부착되어 설치된 제2냉각부 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 자기장형성부는 한 쌍의 자계코일과 상기 한 쌍의 자계코일에 전류를 인가하는 전류인가수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 플라스마발생부는 한 쌍의 전극과 상기 한 쌍의 전극에 직류를 인가하는 전압인가수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 증폭장치.

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