KR102635502B1 - 초음속 아크 플라즈마 발생 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 실시예들은 진공 챔버에 연결된 양극 장치 및 음극 장치에 전원을 공급하여 폐회로를 구성하고 음극에서 음극 플라즈마를 발생시키고 양극에서 재증발된 양극 플라즈마를 발생시킴으로써, 대기권의 비행체에서 발생하는 재진입 플라즈마를 재현하고 분석할 수 있는 초음속 플라즈마 발생 시스템을 제공한다.
Description
본 발명이 속하는 기술 분야는 재진입 플라즈마를 구현하는 초음속 아크 플라즈마 발생 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
지구 대기로 비행체가 재진입하는 과정에서 지구의 중력장(Gravity field)에 의해 높은 운동에너지(Kinetic energy)와 위치에너지(Potential energy)를 갖은 상태로 진입하며 이로 인하여 대기와의 충돌로 인하여 운동 에너지 및 위치에너지가 열에너지로 변환되는 과정(공력가열, Aerodynamic heating)이 발생한다. 열에너지는 대기내 공기 분자를 해리(Dissociation), 이온화(Ionization)시키며 이로 인하여 비행체 주변에 이온화 층이 발생한다. 이를 재진입 플라즈마(Re-entry plasma)라고 한다.
재진입 플라즈마에 의해 발생하는 통신 두절 및 추적 두절 현상은 플라즈마 내 하전입자들의 진동(Oscillation)에 의해 나타나는 플라즈마 주파수(Plasma frequency)와 통신 및 추적을 위해 외부에서 인가되는 전파 간 상호 간섭에 의해 나타난다.
재진입 플라즈마의 특성과 외부에서 인가되는 전파의 특성에 따라 전파의 감쇠(Attenuation), 반사(Reflection), 투과(Transmission)가 나타나며 이러한 플라즈마 내 전파의 특성으로 인하여 통신 두절 및 추적 두절 현상이 발생한다. 현재 초음속(Supersonic)을 넘어선 극초음속(Hypersonic) 미사일의 개발 양상에 따라 이러한 재진입 플라즈마가 발생하여 통신 및 추적 두절 현상이 더욱 두드러지게 나타날 것으로 예상된다.
우주 항공 및 군수 산업 분야에서 대기권으로 재진입하는 비행체 또는 미사일에서 발생하는 재진입 플라즈마의 특성을 분석하고 플라즈마 내 전파의 특성을 분석하기 위한 장비가 필요하다. 진입 플라즈마를 재현할 수 있는 플라즈마 풍동(Plasma wind tunnel)은 MW(Mega watt) 급 이상의 고출력을 이용하기 때문에 장치의 크기가 매우 크며 전력 사용량이 매우 크다는 단점이 존재한다.
본 발명의 실시예들은 진공 챔버에 연결된 양극 장치 및 음극 장치에 전원을 공급하여 폐회로를 구성하고 음극에서 음극 플라즈마(제1 플라즈마)를 발생시키고 양극에서 재증발된 양극 플라즈마(제2 플라즈마)를 발생시킴으로써, 대기권의 비행체에서 발생하는 재진입 플라즈마를 재현하고 분석하는 수단을 제공하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 초음속 플라즈마 발생 시스템에 있어서, 진공 챔버; 상기 진공 챔버의 내부 공간에 음극이 위치하며 상기 음극에서 제1 플라즈마를 발생시키는 음극 장치; 상기 진공 챔버의 내부 공간에 양극이 위치하며 상기 양극에서 제2 플라즈마를 발생시키는 양극 장치; 및 상기 음극 장치와 상기 양극 장치에 전기를 공급하는 전원 장치를 포함하는 초음속 플라즈마 발생 시스템을 제공한다.
상기 진공 챔버는, 진공 게이지를 통해 상기 내부 공간의 진공도를 측정하는 진공 측정부; 상기 진공 챔버의 외벽에 설치된 관측창과 장치 연결 케이블을 포함하는 다목적 포트; 상기 내부 공간을 진공 상태로 만드는 펌프에 연결되는 진공 라인; 및 상기 내부 공간에 가스를 공급하는 가스 공급 라인을 포함할 수 있다.
상기 음극 장치는, 전기 에너지에 의해 제1 플라즈마를 발생시키는 음극; 상기 음극이 삽입된 음극봉; 전자석으로 동작하여 상기 제1 플라즈마의 하전입자의 방향을 제어하는 보빈; 상기 보빈에 권선된 도전선; 상기 음극과 상기 보빈 사이에 삽입된 음극 절연체; 상기 음극봉의 위치를 조절하여 상기 진공 챔버에 고정시키는 음극 홀더; 상기 진공 챔버와 상기 음극 홀더를 결합시키는 진공 플랜지; 및 쿨러를 이용하여 상기 음극봉을 냉각시키는 냉각제를 순환시키는 쿨링 라인을 포함할 수 있다.
상기 양극 장치는, 상기 제1 플라즈마의 하전입자가 표면에서 증착된 후 온도가 높아지면 재증발시켜 상기 제2 플라즈마를 발생시키는 양극; 상기 양극과 상기 음극 간의 거리를 조절하는 무빙 장치; 상기 양극을 지지하는 양극봉; 상기 양극과 상기 진공 챔버를 전기적으로 분리시키는 절연체 어댑터; 및 상기 전원 장치와 상기 양극봉을 연결시키는 양극봉 플랜지를 포함할 수 있다.
상기 양극의 표면은 하전입자가 부착되지 않도록 고온으로 가열되고, 상기 양극은 상기 양극에 부착되어 상기 하전입자의 재증발에 필요한 온도에서 견디게 하는 내화 필름을 포함할 수 있다.
상기 양극은, 상기 양극의 내부에 삽입되어 플라즈마 주파수를 측정하는 측정 안테나; 및 상기 측정 안테나를 보호하는 내열 세라믹을 포함할 수 있다.
상기 양극은, 인가된 전압에 따른 전류의 변화를 측정하는 측정 프로브를 포함할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 초음속 플라즈마 발생 방법에 있어서, 음극에서 제1 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 음극에서 양극으로 상기 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 단계; 및 상기 양극에서 제2 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는 초음속 플라즈마 발생 방법을 제공한다.
상기 제1 플라즈마를 발생시키는 단계는, 음극봉에 전기 에너지가 인가되면 상기 음극봉에 연결된 음극의 온도가 상승하고, 상기 온도가 상승된 음극에 무빙 장치를 통해 상기 양극이 접촉하면 아크 전류가 흐르는 음극점이 생성되고, 열전자를 방출하며, 상기 열전자는 진공 챔버의 가스를 이온화시켜 상기 제1 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
상기 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 단계는, 보빈과 상기 보빈에 권선된 도전선이 전자석으로 동작하여 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의해 자화된 상기 제1 플라즈마의 하전입자의 흐름과 밀도를 조절할 수 있다.
상기 제2 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 양극의 표면의 온도가 상기 음극에서 증발한 후 상기 양극에 도달한 하전입자의 증발 온도보다 낮아서, 상기 하전입자가 상기 양극의 표면에 증착될 수 있다.
상기 제2 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 제1 플라즈마에 의해 상기 양극의 표면의 온도는 더 상승하고 상기 양극의 표면에서 상기 하전입자가 재증발하여 상기 제2 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면 진공 챔버에 연결된 양극 장치 및 음극 장치에 전원을 공급하여 폐회로를 구성하고 음극에서 음극 플라즈마를 발생시키고 양극에서 재증발된 양극 플라즈마를 발생시킴으로써, 대기권의 비행체에서 발생하는 재진입 플라즈마를 재현하고 분석할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템을 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 구조를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 양극 장치의 구조를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 양극을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 음극 장치의 구조를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법을 예시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제1 플라즈마를 발생시키는 것을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 것을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제2 플라즈마를 발생시키는 것을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 구조를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 양극 장치의 구조를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 양극을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 음극 장치의 구조를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법을 예시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제1 플라즈마를 발생시키는 것을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 것을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제2 플라즈마를 발생시키는 것을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명은 실험실 내에서 간단하게 고온/고속의 플라즈마를 발생시켜 초음속 비행 환경, 즉 대기권으로 진입하는 비행체에서 재진입 플라즈마 환경을 재현할 수 있는 발명에 관한 것이다. 본 발명은 열전자가 방출되는 순금속 또는 합금에 고전류를 인가함으로써 하전입자가 초음속(Supersonic)의 속도로 움직일 수 있는 초음속 아크 플라즈마(Supersonic arc plasma)를 구현한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템을 예시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 구조를 예시한 도면이다.
초음속 플라즈마 발생 시스템(10)은 진공 챔버(100), 양극 장치(200), 음극 장치(300), 전원 장치(400)를 통해 재진입 플라즈마를 생성한다. 고전류에 의해 음극 스팟(Cathode spot)을 형성하여 초음속 아크 플라즈마가 방출되는 음극 플라즈마 발생 장치, 비행체를 구현한 양극 강체(Anode refractory) 및 진공 챔버(Vacuum chamber)를 포함한다.
진공 챔버(100)은 진공 상태를 실험하기 위한 용기이다. 진공 챔버(100)은 진공 측정부(110), 다목적 포트(120), 진공 라인(130), 가스 공급 라인(140)을 포함한다. 진공 측정부(110)는 진공 게이지를 통해 내부 공간의 진공도를 측정한다. 다목적 포트(120)은 진공 챔버의 외벽 또는 뚜껑에 설치된 관측창과 장치 연결 케이블 등을 포함한다. 진공 라인(130)은 내부 공간을 진공 상태로 만드는 펌프에 연결된다. 가스 공급 라인(140)은 내부 공간에 가스를 공급한다.
음극 장치(300)는 진공 챔버의 내부 공간에 음극이 위치하며 음극에서 제1 플라즈마를 발생시킨다. 음극 장치(음극 플라즈마 발생 장치)는 음극 플라즈마를 발생시키며, 고전류가 가해지는 음극봉(Cathode rod)과 음극(Cathode), 음극 홀더(Cathode holder), 플라즈마 핀칭을 위한 자기장이 발생되는 구리 코일이 감겨있는 보빈(Bobbin)을 포함한다. 또한 음극봉은 내부에 쿨링 라인을 만들어 고전류로 인해 발생한 고열을 외부에 연결된 쿨러로 냉각시킨다.
음극 플라즈마 발생 장치는 고전류가 가해지는 음극봉(Cathode rod)과 음극(Cathode), 음극 홀더(Cathode holder), 플라즈마 핀칭을 위한 자기장이 발생되는 구리 코일이 감겨있는 보빈(Bobbin), 음극 절연체(Cathode dielectric)을 포함한다.
양극 장치(200)는 진공 챔버의 내부 공간에 양극이 위치하며 양극에서 재증발된 제2 플라즈마를 발생시킨다. 양극 강체는 수직으로 움직일 수 있게 제작한 무빙 시스템과 결합하여 음극과의 거리를 조절함에 따라 플라즈마 파라미터(플라즈마 밀도, 온도)를 조절할 수 있다. 양극봉은 양극 강체에 연결되는 전도성 봉을 절연체를 사용하여 양극과 챔버를 전기적으로 분리시킬 수 있는 형태로 제작한다. 양극 강체의 높이를 조절할 수 있도록 전도성 봉이 결합된 플랜지를 벨로우즈 등을 이용한 무빙 장치로 움직일 수 있게 한다. 양극봉은 고전류가 인가됨에 따라 비저항이 낮으며 녹는점이 높은 금속 및 합금 재질을 사용한다.
전원 장치(400)는 음극 장치와 양극 장치에 전기를 공급하며 음극과 양극 간에 폐회로를 만든다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 양극 장치의 구조를 예시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 양극을 예시한 도면이다.
양극 장치(200)는 양극(210), 무빙 장치(220), 양극봉(230), 절연체 어댑터(240), 양극봉 플랜지(250)를 포함한다.
양극(210)은 제1 플라즈마의 하전입자가 표면에서 증착된 후 온도가 높아지면 재증발시켜 제2 플라즈마를 발생시킨다. 양극 강체(Anode refractory)는 음극 플라즈마 발생 장치와 함께 닫힌 회로(Closed circuit)을 구성한다. 아크 플라즈마가 직접적으로 닿는 부분으로 높은 온도가 발생하며 높은 온도로 인하여 양극 강체 표면에서 음극 물질이 재증발(Re-evaporation) 현상이 발생한다. 양극 강체 주변에서 플라즈마 밀도(Plasma density)가 증가하는 현상이 발생한다. 높은 플라즈마 밀도 및 높은 온도를 발생하기 위해 녹는점이 높으며 높은 비저항을 갖는 금속 및 합금으로 제작할 수 있다. 재진입 물체 형상의 양극 강체 형태로 제작 가능하다. 양극은 뽀쪽하면서 둥근 형상인 유선형으로 제작될 수 있고 구간별로 미리 설정된 곡률 값을 갖도록 설계될 수 있다.
무빙 장치(200)는 양극과 음극 간의 거리를 조절한다. 양극 강체의 높이를 조절하기 위해 양극봉이 결합된 관의 길이를 조절할 수 있는 형태로 제작하며 예시로 벨로우즈를 이용한 z축-리니어 시스템 등이 적용될 수 있다. 양극 강체와 음극 사이의 거리를 조절하여 양극 표면에서 형성되는 플라즈마 변수들(플라즈마 밀도, 플라즈마 온도, 하전 입자 속도 등)을 변화시킬 수 있다.
양극봉(230)은 양극(양극 강체)를 지지하고 DC 전원과 양극 간 연결된다. 고전류가 흐르는 부분이므로 낮은 비저항과 높은 녹는점을 갖는 금속 및 합금으로 제작한다. 양단을 스크류(Screw) 형태로 제작할 수 있고, 상단은 진공 플랜지, 하단은 양극 강체와 결합한다.
절연체 어댑터(240)은 양극과 진공 챔버를 전기적으로 분리시킨다. 양극과 음극 간에 닫힌 회로를 구성한다. 접지(Earth) 상태인 진공 챔버와 음극 및 양극을 전기적으로 분리한다. 높은 절연 내압 및 비열(Specific heat), 고온에서 변형되지 않는 성질을 갖는 절연체 또는 유전체를 사용한다.
양극봉 플랜지(250)은 전원 장치와 양극봉을 연결시킨다. 챔버 내부를 진공상태로 유지한 상태로 금속 진공 플랜지와 양극봉(Anode rod)을 스크류(Screw) 형태로 결합하고 외부 DC 전원(Direct current power supply)와 전기적으로 연결된다. 높은 전류가 인가되는 부분으로 비저항이 낮고 높은 녹는점을 갖는 금속 또는 합금을 사용한다.
양극의 표면은 하전입자가 부착되지 않도록 고온으로 가열되고, 양극은 양극에 부착되어 하전입자의 재증발에 필요한 온도에서 견디게 하는 내화 필름을 포함한다. 음극의 금속물질에서 증발된 입자들이 양극 강체 표면에 증착이 되는 것을 방지하기 위해 강체 표면에 내화물질 필름이 부착되며, 또는 내화물질로 강체를 제작하여 표면의 온도를 높이고 증착된 입자를 재증발시켜 강체 표면이 코팅되는 것을 방지할 수 있다.
양극은 양극의 내부에 삽입되어 플라즈마 주파수를 측정하는 측정 안테나(270) 및 측정 안테나를 보호하는 내열 세라믹(260)을 포함한다.
양극 내부에 플라즈마 측정을 위해 추가적으로 삽입할 수 있는 안테나를 고온에 의한 변형으로부터 보호하기 위하여 내열 세라믹을 삽입할 수 있다. 양극 강체는 최대 3,000 ℃까지 온도가 상승하므로 해당 온도에 대해 내열성을 갖는 세라믹을 사용한다. 사용 예로는 질화붕소(Boron Nitride) 등이 존재한다.
양극 내부에 플라즈마 특성 분석을 위해 추가적으로 삽입하는 안테나는 혼 안테나(Horn antenna), 세라믹 안테나(Ceramic antenna) 등이 적용될 수 있다. 플라즈마 측정을 위해 사용되는 주파수 범위는 1 GHz ~ 70 GHz 내외의 주파수를 사용할 수 있다. 양극 내 측정 안테나의 위치는 목적에 따라 다양하게 정할 수 있다.
양극은 인가된 전압에 따른 전류의 변화를 측정하는 측정 프로브(280)를 포함한다. 양극 내부에 측정 안테나 또는 측정 프로브를 삽입 가능하다. 측정 프로브에 -100 V ~ 100 V 전압을 인가, 전압-전류 곡선을 이용하여 플라즈마 특성을 분석할 수 있다. 측정 프로브의 지름은 0.5 mm ~ 0.05 mm 내외의 값을 갖으며 길이는 1 ~ 5 mm 내외의 값을 가질 수 있다. 측정 프로브 주변의 온도는 매우 높은 온도를 가지므로 녹는점이 높은(≥ 2000 ℃) 금속 또는 합금을 사용한다. 사용 예로는 텅스텐(Tungsten) 혹은 몰리브덴(Molybdenum) 금속 또는 텅스텐-몰리브덴 합금 등이 존재한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 시스템의 음극 장치의 구조를 예시한 도면이다.
음극 장치(300)는 음극(310), 보빈(320), 도전선(330), 음극 절연체(340), 음극 홀더(350), 진공 플랜지(360), 음극봉(370), 쿨링 라인(380)을 포함한다.
음극봉(370)에 음극(310)이 삽입된다. 음극봉(370)은 외부 DC전원에 연결되어 고전류를 공급하고 음극에 고전류를 전달한다. 음극봉(370)은 고 전류가 인가되는 부분으로 비저항(Resistivity)이 낮으며(<10-8 Ωm이하) 녹는점(melting point)이 높은(>2500 ℃ 이상) 금속 및 합금 재질로 제작하며 음극 아크 플라즈마를 안정화시키기 위하여 일정 온도를 유지할 수 있는 쿨링 라인이 포함되어야 한다. 아크 플라즈마의 안정성 확보를 위하여 음극 전극봉 내부에 쿨링 라인을 만들어 외부의 쿨러와 연결한다. 전극봉의 상단은 도가니 형태로 만들어져 음극을 삽입할 수 있는 형태로 제작한다.
음극(310)는 전기 에너지에 의해 제1 플라즈마를 발생시킨다. 음극봉보다 비저항이 높고 녹는점이 낮은 금속 또는 합금 재질을 사용하며 강한 전기 에너지에 의해 침식/증발이 발생한다. 플라즈마 발생에 필요한 전자(Electron), 이온(Ion)을 방출한다. 음극으로 사용되는 금속 및 합금 재질에 따라 플라즈마 파라미터(플라즈마 밀도, 플라즈마 온도, 하전 입자 속도) 등을 변화시킬 수 있다.
보빈(320)은 보빈에 권선된 도전선(330)과 함께 전자석으로 동작하여 제1 플라즈마의 하전입자의 방향을 제어한다. 플라즈마 핀칭을 위한 자기장을 발생하기 위한 전자석으로 동작한다. 보빈과 구리선을 이용하여 전자석 형태로 사용할 수 있다. 플라즈마 내 하전입자의 방향성을 인가하기 위하여 자기장을(Magnetic field) 형성한다. 아크 플라즈마와 음극봉에서 발생하는 고온에 의해 변형되지 않는 내열성이 높은 물질로 제작한다. 자기장을 발생시켜 음극 표면의 플라즈마 발생을 안정화시킨다. 자기장 핀칭 효과로 넓은 각도로 분사되는 플라즈마를 양극으로 집중시켜 양극 표면에 도달하는 플라즈마 플럭스를 증가시키낟. 코일에 흐르는 전류에 따라 자기장의 세기를 조절할 수 있고, 자기장의 세기를 증가시켜 양극에 도달하는 입자의 손실을 최소화한다.
음극 절연체(340)는 음극과 보빈 사이에 삽입된다. 아크 플라즈마에서 발생하는 고전류에 의해 전자석 내 전류가 간섭되는 현상을 방지하기 위하여 전기적으로 절연시킨다. 음극에서 방출되는 열 및 전류로부터 보빈을 보호하기 위해서 보빈과 음극 사이에 공간을 내어 튜브를 삽입한다. 높은 DC 전류로부터 절연이 가능하도록 유전율이 높은 유전체 및 절연체를 사용한다.
음극 홀더(350)는 음극봉의 위치를 조절하여 진공 챔버에 고정시킨다. 진공 챔버 내 음극봉 위치를 고정할 수 있는 역할을 하며 음극과 진공 챔버 간 전기적 절연을 위해 절연성 물질 사용 또한 일정 수준 이상의 온도가 발생하므로 온도에 의한 변형이 적은 물질을 사용한다. 플랜지 형태로 제작되어 진공 챔버 내 음극봉 위치를 고정할 수 있는 역할을 하며 음극과 진공 챔버 간 전기적 절연을 위해 절연성 물질 사용 또한 일정 수준 이상의 온도가 발생하므로 온도에 의한 변형이 적은 물질을 사용한다.
진공 플랜지(360)는 진공 챔버와 음극 홀더를 결합시킨다.
쿨링 라인(380)은 쿨러(390)를 이용하여 음극봉을 냉각시키는 냉각제를 순환시킨다. 전극봉에 발생하는 고온의 열을 식히기 위해 전극봉 내부에 라인을 뚫고 쿨러와 절연튜브로 연결하여 냉각제로 냉각시킨다. 전극봉에 흐르는 고전류가 쿨러로 들어가는 것을 보호하기 위해 냉각제는 절연 액체를 사용하며 예시로는 증류수, 부동액, 절연유 등이 있다. 쿨링 라인에 흐르는 냉각제의 순환과 냉각을 위해 사용하며 예시로는 칠러(Chiller), 저온순환식항온수조(Refrigerated Bath Circulator) 등이 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법을 예시한 흐름도이다.
초음속 플라즈마 발생 시스템에 의한 초음속 플라즈마 발생 방법은 음극에서 제1 플라즈마를 발생시키는 단계(S10), 음극에서 양극으로 상기 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 단계(S20), 극에서 제2 플라즈마를 발생시키는 단계(S30)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제1 플라즈마를 발생시키는 것을 예시한 도면이다.
제1 플라즈마를 발생시키는 단계(S10)는, 음극봉에 전기 에너지가 인가되면 상기 음극봉에 연결된 음극의 온도가 상승하고, 상기 온도가 상승된 음극에 무빙 장치를 통해 상기 양극이 접촉하면 아크 전류가 흐르는 음극점이 생성되고, 열전자를 방출하며, 상기 열전자는 진공 챔버의 가스를 이온화시켜 상기 제1 플라즈마를 발생시킨다.
플라즈마 발생 장치의 기본 원리는 음극봉에 DC전원으로 고전류를 인가하면 음극봉 상단 도가니에 연결된 음극에 고온과 고전류가 전달된다. 이때 양극에 연결된 트리거 전극이나 양극 자체를 무빙 시스템을 이용하여 음극에 일시적으로 접촉하면 순간적으로 아크 전류가 흐르는 음극점(Cathode spot)이 생성되며 방전이 시작된다. 이 음극점은 매우 높은 전류밀도(Current density)와 온도를 가지며 음극의 침식(Erosion)과 증발(Evaporation)이 일어나 열전자(Thermal electron)를 방출한다. 고전류로 인해 방출된 열전자는 챔버 내에 있는 가스를 이온화시켜 플라즈마를 방전, 음극과 양극에 의해 생성되는 전기장에 의해 양극 방향으로 전자가 가속된다.
발생된 플라즈마는 높은 열역학적 압력에 의해 확산된다. 또한 이때, 진공 아크에 의해 발생한 플라즈마의 이온(Ion)은 음극지점에서 높은 가속을 받아 초음속(Supersonic)에 비교되는 매우 높은 속도를 가진다. 이런 초음속의 특성을 가지는 이온속도를 이용, 비행체가 재진입할 때의 환경을 구성하고 실험할 수 있다. 또한 플라즈마의 이온속도(Ion velocity)는 음극에서 가열되는 금속물질에 따라 변동된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 것을 예시한 도면이다.
제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 단계(S20)는, 보빈과 보빈에 권선된 도전선이 전자석으로 동작하여 자기장을 발생시키고, 자기장에 의해 자화된 제1 플라즈마의 하전입자의 흐름과 밀도를 조절한다.
아크 플라즈마 발생 시에 일반적으로 자기장이 없는 경우, 음극표면에서 발생하는 음극 스팟(Cathode spot)이 바깥쪽으로 움직여 아킹(Arcing), 즉 플라즈마의 발생이 불안정해진다. 발생한 플라즈마는 내부의 높은 온도와 압력으로 확산되어 양극방향으로 갈수록 넓게 퍼지게 된다. 플라즈마 발생을 안정화시키고(Stable) 플라즈마를 양극 강체로 집중시켜 비행체에서 발생하는 고밀도의 플라즈마를 재현하기 위해서 자기장을 이용한다.
플라즈마 발생 장치가 플라즈마를 제어하는 기본 원리는 보빈에 구리 도선을 감아 플라즈마 발생장치에 결합한 후, 도 8에 나온 방향으로 전류를 흘려 음극에서 양극의 축 방향(axial direction)으로 자기장을 발생한다. 발생된 축자기장의 영향으로 음극 표면에서의 음극스팟은 외곽으로 움직이지 않고 음극 표면 안에 제한되어 안정적인 플라즈마를 발생한다. 자기장이 자화된 플라즈마의 운동을 제한시켜 음극에서 양극으로 플라즈마의 흐름을 유도하고 양극 강체에 도달하는 입자의 플럭스(flux)를 크게 증가시킨다. 플라즈마 내 하전입자(Charged particle)이 확산(Diffusion)에 의해 단위 부피 당 플라즈마 밀도가 감소하게 되는데 자기장 내 하전입자를 가둬두는 효과로 인하여 단위 부피 당 플라즈마 밀도가 증가시키는 효과도 발생한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음속 플라즈마 발생 방법이 제2 플라즈마를 발생시키는 것을 예시한 도면이다.
제2 플라즈마를 발생시키는 단계(S30)는, 양극의 표면의 온도가 음극에서 증발한 후 상기 양극에 도달한 하전입자의 증발 온도보다 낮아서, 하전입자가 양극의 표면에 증착된다.
제2 플라즈마를 발생시키는 단계(S30)는, 제1 플라즈마에 의해 양극의 표면의 온도는 더 상승하고 양극의 표면에서 상기 하전입자가 재증발하여 제2 플라즈마를 발생시킨다.
플라즈마 발생 장치는 음극에서 발생한 하전입자로 인해 발생한 플라즈마(제1 플라즈마)와 양극에서 재증발된(Re-evaporation) 물질의 이온화(Ionization)에 의해 발생하는 플라즈마(제2 플라즈마)가 합쳐진 형태로 플라즈마를 구현한다.
음극에서 발생된 음극 스팟 아크 플라즈마는(Cathode spot arc plasma) 양극으로 입사되면서 양극에 에너지를 전달해주어 양극 표면을 서서히 가열시키고 양극에 도달한 입자들은 양극표면에 증착(deposition)된다.
음극 플라즈마 발생 초기 단계에는 음극 스팟 아크가 플라즈마를 유지시키고 양극 표면 온도가 양극에 도달한 물질의 증발 온도보다 낮아 재증발이 일어나지 않으며 음극에서 증발된 금속물질이 양극에 증착된다. 음극 플라즈마가 계속 유지되어 양극 표면의 온도가 증착된 물질의 증발 온도보다 높아지게 되면 양극 표면에서 재증발이 일어나게 되고 재증발된 물질은 다시 이온화 과정을 거치며 양극 표면에서 플라즈마가 발생된다. 양극의 온도가 더 높아지면 음극에서 증발된 물질은 고압 플라즈마에 의해 방향이 틀어져 양극에 도달하지 못하거나 양극 표면에 아주 짧게 시간 증착된 후 재증발하게 된다.
추가적인 양극 재증발 플라즈마로 인해 양극 표면에서의 플라즈마 밀도는 음극 플라즈마만 존재할 때보다 증가하며 양극 플라즈마로 인해 양극 표면에서의 플라즈마 밀도는 실제 초음속 비행의 플라즈마 밀도와 유사해지며 양극 강체에서의 온도는 재진입 시 비행체 표면 온도와 유사한 온도를 갖는다.
초음속 비행에서와 같이 플라즈마 밀도를 높이고 양극 강체에 입자가 부착되지 못하게 하기 위해 양극 표면은 높은 온도로 가열되어야 한다. 양극이 재증발에 필요한 높은 온도에도 견딜 수 있게 하기 위해서 양극 표면에 내화물질 필름(refractory film)을 부착한다.
이러한 원리로 초음속 플라즈마 발생 시스템은 음극 스팟에 의해 발생된 플라즈마가 초음속(Supersonic)에 해당하는 속도와 매우 높은 밀도를 가지며 양극 표면이 실제 재진입 환경과 유사하게 높은 온도로 가열됨을 이용한다. 유동 입자가 양극 강체에 증착되지 않는 것을 특징으로 하여 실제 초음속 비행에서와 비슷한 환경을 상대적으로 낮은 전력과 소형 장비로 구현할 수 있다.
기존 플라즈마 발생장치에 비해 낮은 전력이 사용되고 장치의 비용이 저 렴하며 전체 실험 장비의 부피가 작은 장점이 있다. 비행체와 유사한 모양의 강체를 사용하여 초음속 환경과 유사한 재진입 환경을 분석할 수 있는 장점이 있다. 음극이 전극봉에 탈부착이 가능하여 음극 물질에 따른 다양한 플라즈마 소스를 사용할 수 있는 장점이 있다. 양극 무빙 장치를 사용하여 강체가 닿는 플라즈마의 밀도 및 온도를 조정할 수 있는 장점이 있다. 양극에 내화물질 필름을 부착하여 추가적인 양극 플라즈마 발생으로 강체에 입자가 증착되지 않고 강체 표면의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다.
소형 장비로 구현하기 어려운 재진입 플라즈마를 실험실 내에서 구현하여 마하의 속도를 가진 고온/고속의 플라즈마에 대한 분석이 가능하다. 이를 이용하여 비행체에 발생하는 플라즈마의 유동 해석 및 변수를 측정하여 우주 항공 산업과 군수 산업에서 발생하는 통신 및 추적 두절 현상과 같은 플라즈마로 인해 발생하는 문제에 대한 해결에 이바지할 수 있다.
초음속 플라즈마 발생 시스템에 포함된 구성요소들이 도 1에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다.
초음속 플라즈마 발생 시스템은 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 초음속 플라즈마 발생 시스템
100: 진공 챔버
200: 양극 장치
300: 음극 장치
400: 전원 장치
100: 진공 챔버
200: 양극 장치
300: 음극 장치
400: 전원 장치
Claims (12)
- 초음속 플라즈마 발생 시스템에 있어서,
진공 챔버;
상기 진공 챔버의 내부 공간에 음극이 위치하며 상기 음극에서 제1 플라즈마를 발생시키는 음극 장치;
상기 진공 챔버의 내부 공간에 양극이 위치하며 상기 양극에서 제2 플라즈마를 발생시키는 양극 장치; 및
상기 음극 장치와 상기 양극 장치에 전기를 공급하는 전원 장치를 포함하되,
상기 양극 장치는, 상기 제1 플라즈마의 하전입자가 표면에서 증착된 후 온도가 높아지면 재증발시켜 상기 제2 플라즈마를 발생시키는 양극; 상기 양극과 상기 음극 간의 거리를 조절하는 무빙 장치; 상기 양극을 지지하는 양극봉; 상기 양극과 상기 진공 챔버를 전기적으로 분리시키는 절연체 어댑터; 및 상기 전원 장치와 상기 양극봉을 연결시키는 양극봉 플랜지를 포함하며,
상기 양극은, 인가된 전압에 따른 전류의 변화를 측정하는 측정 프로브를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 진공 챔버는,
진공 게이지를 통해 상기 내부 공간의 진공도를 측정하는 진공 측정부;
상기 진공 챔버의 외벽에 설치된 관측창과 장치 연결 케이블을 포함하는 다목적 포트;
상기 내부 공간을 진공 상태로 만드는 펌프에 연결되는 진공 라인; 및
상기 내부 공간에 가스를 공급하는 가스 공급 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 음극 장치는,
전기 에너지에 의해 제1 플라즈마를 발생시키는 음극;
상기 음극이 삽입된 음극봉;
전자석으로 동작하여 상기 제1 플라즈마의 하전입자의 방향을 제어하는 보빈;
상기 보빈에 권선된 도전선;
상기 음극과 상기 보빈 사이에 삽입된 음극 절연체;
상기 음극봉의 위치를 조절하여 상기 진공 챔버에 고정시키는 음극 홀더;
상기 진공 챔버와 상기 음극 홀더를 결합시키는 진공 플랜지; 및
쿨러를 이용하여 상기 음극봉을 냉각시키는 냉각제를 순환시키는 쿨링 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 양극의 표면은 하전입자가 부착되지 않도록 고온으로 가열되고,
상기 양극은 상기 양극에 부착되어 상기 하전입자의 재증발에 필요한 온도에서 견디게 하는 내화 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 양극은,
상기 양극의 내부에 삽입되어 플라즈마 주파수를 측정하는 측정 안테나; 및
상기 측정 안테나를 보호하는 내열 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 시스템. - 삭제
- 초음속 플라즈마 발생 방법에 있어서,
음극에서 제1 플라즈마를 발생시키는 단계;
상기 음극에서 양극으로 상기 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 단계; 및
상기 양극에서 제2 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하되,
상기 제2 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 제1 플라즈마의 하전입자가 표면에서 증착된 후 온도가 높아지면 재증발시켜 상기 제2 플라즈마를 발생시키며,
상기 양극은 측정 프로브를 포함하며, 상기 측정 프로브를 이용하여 인가된 전압에 따른 전류의 변화를 측정하되,
상기 제1 플라즈마를 발생시키는 단계는, 음극봉에 전기 에너지가 인가되면 상기 음극봉에 연결된 음극의 온도가 상승하고, 상기 온도가 상승된 음극에 무빙 장치를 통해 상기 양극이 접촉하면 아크 전류가 흐르는 음극점이 생성되고, 열전자를 방출하며, 상기 열전자는 진공 챔버의 가스를 이온화시켜 상기 제1 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 방법. - 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 제1 플라즈마의 흐름을 제어하는 단계는,
보빈과 상기 보빈에 권선된 도전선이 전자석으로 동작하여 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의해 자화된 상기 제1 플라즈마의 하전입자의 흐름과 밀도를 조절하는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 방법. - 제8항에 있어서,
상기 제2 플라즈마를 발생시키는 단계는,
상기 양극의 표면의 온도가 상기 음극에서 증발한 후 상기 양극에 도달한 하전입자의 증발 온도보다 낮아서, 상기 하전입자가 상기 양극의 표면에 증착되는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제2 플라즈마를 발생시키는 단계는,
상기 제1 플라즈마에 의해 상기 양극의 표면의 온도는 더 상승하고 상기 양극의 표면에서 상기 하전입자가 재증발하여 상기 제2 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음속 플라즈마 발생 방법.
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| KR101999692B1 (ko) | 2017-10-27 | 2019-07-12 | 광운대학교 산학협력단 | 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법 |
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- 2020-12-23 KR KR1020200182327A patent/KR102635502B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220091121A (ko) | 2022-06-30 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
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