본문 바로가기
영문 위키피디아 번역

(번역) Plasma (physics)

by 다움위키 2024. 3. 18.
Original article: w:Plasma (physics)

 

플라즈마(Plasma) (고대 그리스의 πλάσμα로부터, '변형 가능한 물질'을 의미함)는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나이며, 이온(ions) 또는 전자(electrons)의 임의의 조합에서 하전 입자의 상당 부분이 존재하는 것을 특징으로 합니다. 그것은 우주에서 가장 풍부한 형태의 보통 물질(ordinary matter)이며, 대부분 태양을 포함한 별과 관련이 있습니다. 희박한 은하단 내부 매질과 가능한 은하-사이 영역까지 확장하여, 플라즈마는 중성 가스를 가열하거나 강한 전자기 필드(electromagnetic field)에 노출시킴으로써 인공적으로 생성될 수 있습니다.

하전 입자(charged particles)의 존재는 개별 입자의 동역학 및 집합적 전자기 필드에 의해 지배되고 외부에서 적용되는 필드에 매우 민감한 거시적 플라즈마 운동으로 플라즈마를 전기 전도성(electrically conductive)으로 만듭니다. 전자기 필드에 대한 플라즈마의 반응은 플라즈마 TV(plasma televisions) 또는 플라즈마 식각(plasma etching)과 같은 많은 최신 장치와 기술에서 사용됩니다.

온도와 밀도에 따라, 특정 수의 중성 입자도 존재할 수 있으며, 이 경우에서 플라즈마는 부분적으로 이온화된(partially ionized) 것이라고 불립니다. 네온 사인(Neon signs)과 번개(lightning)는 부분적으로 이온화된 플라즈마의 예입니다. 물질의 다른 세 가지 상태 사이의 상 전이(phase transitions)와 달리, 플라즈마로의 전이는 상대적으로 잘 정의되어 있지 않고 해석과 맥락의 문제입니다. 주어진 이온화 정도가 물질을 '플라즈마'라고 부르기에 충분한지 여부는 고려 중인 특정 현상에 따라 다릅니다.

Early history

플라즈마는 윌리엄 크룩스 경(Sir William Crookes)에 의해 실험실에서 처음으로 확인되었습니다. 크룩스는 1879년 8월 22일 금요일 Sheffield에 있는, British Association for the Advancement of Science에서 자신이 "복사 물질"이라고 부르는 것에 대해 강의했습니다. 플라즈마에 대한 시스템적인 연구는 1920년대 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)와 그의 동료들의 연구로 시작되었습니다. 랭뮤어는 역시 1928년에 이온화된 기체를 설명하는 용어로 "플라즈마"라는 용어를 도입했습니다:

극소수의 전자를 포함하는 "외피"가 있는 전극 근처를 제외하고, 이온화된 기체는 결과적인 공간 전하가 매우 작도록 거의 같은 수의 이온과 전자를 포함합니다. 우리는 이온과 전자의 균형 잡힌 전하를 포함하는 이 영역을 설명하기 위해 플라즈마라는 이름을 사용할 것입니다.

1920년대에 랭뮤어와 함께 일했던 Lewi Tonks와 Harold Mott-Smith는 랭뮤어가 이 용어를 혈장(blood plasma)과 유추하여 처음 사용한 것을 기억합니다. Mott-Smith는, 특히, 열이온 필라멘트에서 전자를 수송하는 것이 랭뮤어에게 "혈장이 적혈구와 백혈구 및 세균을 운반하는 방식"을 상기시켰다고 회상합니다.

Definitions

The fourth state of matter

플라즈마는 고체, 액체, 및 기체 다음으로 물질의 네 번째 상태라고 불립니다. 그것은 이온화된 물질이 장거리 전기 필드와 자기 필드가 그 행동을 지배할 정도로 높은 전기 전도성을 갖게 되는 물질의 상태입니다.

플라즈마는 전형적으로 결합되지 않은 양성 입자와 음성 입자의 전기적 준중성 매체입니다 (즉, 플라즈마의 전체 전하는 대략 영입니다). 비록 이들 입자는 결합되지 않았지만, 그것들은 힘을 경험하지 않는다는 의미에서 "자유"가 아닙니다. 움직이는 하전된 입자는 전류를 생성하고, 하전된 플라즈마 입자의 임의의 움직임은 다른 전하에 의해 생성된 필드에 영향을 미치고 영향을 받습니다. 차례로, 이것은 다양한 정도의 변화로 집단적 행동을 지배합니다.

플라즈마는 물질의 다른 상태와 구별됩니다. 특히, 높은-밀도 플라즈마를 단순히 "이온화된 기체"로 설명하는 것은 비록 둘 다 명확한 모양이나 부피를 가정하지 않는다는 점에서 기체 상과 유사하지만 잘못된 것이고 오해의 소지가 있습니다. 다음 테이블에는 몇 가지 주요 차이점이 요약되어 있습니다:

Ideal plasma

세 가지 요소가 이상적인 플라즈마를 정의합니다:

  • 플라즈마 근사(The plasma approximation): 플라즈마 근사는 디바이 구(Debye sphere) 내의 전하 캐리어 수를 나타내는 플라즈마 매개변수 Λ가 1보다 훨씬 높을 때 적용됩니다. 이 기준은 플라즈마 정전기 밀도와 열 에너지 밀도의 비율이 작은 것과 같다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 그러한 플라즈마는 약하게 결합된 것이라고 불립니다.
  • 벌크 상호 작용(Bulk interactions): 디바이 길이(Debye length)는 플라즈마의 물리적 크기보다 훨씬 작습니다. 이 기준은 플라즈마의 벌크에서 상호 작용이 경계 효과가 발생할 수 있는 가장자리에서 상호 작용보다 더 중요하다는 것을 의미합니다. 이 기준이 충족될 때, 플라즈마는 준중성입니다.
  • 무충돌성(Collisionlessness): 전자 플라즈마 주파수 (전자의 플라즈마 진동을 측정)는 전자-중성 충돌 주파수보다 훨씬 큽니다. 이 조건이 유효할 때, 정전기적 상호 작용은 보통의 기체 운동학 과정에 걸쳐 지배적입니다. 그러한 플라즈마는 충돌성이라고 불립니다.

Non-neutral plasma

전기적 힘의 강도와 범위 및 플라즈마의 우수한 전도성은 보통 임의의 크기가 큰 영역에서 양전하와 음전하의 밀도가 같음 ("준중성")을 보증합니다. 전하 밀도가 상당히 높거나 극단적인 경우에서 단일 종으로 구성된 플라즈마는 비-중성 플라즈마(non-neutral plasma)라고 불립니다. 그러한 플라즈마에서, 전기 필드는 지배적인 역할을 합니다. 예를 들면 하전된 입자 빔(particle beams), 페닝 트랩에서 전자 구름, 및 양전자 플라즈마가 있습니다.

Dusty plasma

티끌 플라즈마(dusty plasma)는 먼지의 작은 하전 입자를 포함하고 있습니다 (전형적으로 우주에서 발견됩니다). 먼지 입자는 높은 전하를 획득하고 서로 상호 작용합니다. 더 큰 입자를 포함하는 플라즈마는 낟알 플라즈마(grain plasma)라고 불립니다. 실험실 조건 아래에서, 티끌 플라즈마는 복합 플라즈마(complex plasmas)라고도 불립니다.

Properties and parameters

Density and ionization degree

플라즈마가 존재하려면, 이온화(ionization)가 필요합니다. "플라즈마 밀도"라는 용어 자체는 보통의 전자 밀도 \(\displaystyle n_e\), 즉, 단위 부피당 전하-기여 전자의 수를 의미합니다. 이온화의 정도 \(\displaystyle \alpha\)는 이온화된 중성 입자의 비율로 정의됩니다:

\(\quad\displaystyle \alpha = \frac{n_i}{n_i + n_n},\)

여기서 \(\displaystyle n_i\)는 이온 밀도이고 \(\displaystyle n_n\)은 중성 밀도 (단위 부피당 입자 수)입니다. 완전히 이온화된 물질의 경우에서, \(\displaystyle \alpha = 1\)입니다. 플라즈마의 준중성도(quasineutrality) 때문에, 전자와 이온 밀도는 \(\displaystyle n_e = \langle Z_i\rangle n_i\)로 관련되며, 여기서 \(\displaystyle \langle Z_i\rangle\)는 (기본 전하의 단위에서) 평균 이온 전하입니다.

Temperature

공통적으로 켈빈 또는 전자볼트(electronvolts)로 측정되는 플라즈마 온도는 입자당 열 운동 에너지의 측정입니다. 높은 온도는 보통 플라즈마의 특징을 정의하는 것인 이온화를 유지하기 위해 요구됩니다. 플라즈마 이온화의 정도는 이온화 에너지에 관한 전자 온도에 의해 (및 보다 약하게 밀도에 의해) 결정됩니다. 열 평형( thermal equilibrium)에서, 관계는 Saha 방정식으로 제공됩니다. 낮은 온도에서, 이온과 전자는 결합 상태—원자—로 재결합하는 경향이 있고 플라즈마는 결국 기체가 됩니다.

대부분의 경우에서, 전자와 무거운 플라즈마 입자 (이온과 중성 원자)는 각각 상대적으로 잘 정의된 온도를 갖습니다; 즉, 그것들의 에너지 분포 함수는 강한 전기 필드 또는 자기 필드가 있더라도 맥스웰(Maxwellian)에 가깝습니다. 어쨌든, 전자와 이온 사이의 질량 차이가 크기 때문에, 그것들의 온도가 다를 수 있으며, 때때로 크게 다를 수 있습니다. 이것은 전자가 수천 켈빈에 도달하는 동안 이온이 종종 주변 온도 근처에 있는 약한 이온화 기술 플라즈마에서 특히 공통적입니다. 반대의 경우는 이온 온도가 전자의 온도를 초과할 수 있는 z-pinch 플라즈마입니다.

Plasma potential

플라즈마는 매우 우수한 전기 전도체이기 때문에 퍼텐셜은 중요한 역할을 합니다. 하전된 입자 사이의 공간에서 평균 퍼텐셜은, 그것들이 측정될 수 있는 방법과 관계없이, "플라즈마 퍼텐셜" 또는 "공간 퍼텐셜"이라고 불립니다. 만약 전극이 플라즈마에 삽입되면, 그것의 퍼텐셜은 일반적으로 Debye sheath라고 이름-지은 것으로 인해 플라즈마 퍼텐셜보다 상당히 낮을 것입니다. 플라즈마의 우수한 전기적 전도성은 전기 필드를 매우 작게 만듭니다. 이것은 "quasineutrality"라는 중요한 개념을 낳는데, 이는 음 전하의 밀도가 많은 양의 플라즈마에 걸쳐 양 전하의 밀도와 거의 같지만 (\(\displaystyle n_e = \langle Z\rangle n_i\)), 디바이 길이의 스케일에서, 전하 불균형이 있을 수 있습니다. 이중 층(double layers)이 형성되는 특수한 경우에서, 전하 분리는 수십 디바이 길이로 확장될 수 있습니다.

퍼텐셜과 전기 필드의 크기는 단순히 알짜 전하 밀도(charge density)를 찾는 것 이외의 방법으로 결정되어야 합니다. 공통적인 예제는 전자가 볼츠만 관계(Boltzmann relation)를 만족한다고 가정하는 것입니다:

\(\quad\displaystyle n_c \propto \exp(e\Phi/k_\text{B} T_e).\)

이 관계를 미분하면 밀도에서 전기 필드를 계산하는 수단을 제공합니다:

\(\quad\displaystyle \vec{E} = \frac{k_\text{B} T_e}{e} \frac{\nabla n_e}{n_e}.\)

준-중성적이지 않은 플라즈마를 생성하는 것이 가능합니다. 예를 들어, 전자 빔은 음 전하만 가집니다. 비-중성 플라즈마의 밀도는 일반적으로 매우 낮거나 매우 작아야 합니다. 그렇지 않으면, 반발하는 정전기 힘(electrostatic force)에 의해 소멸됩니다.

Magnetization

하전된 입자의 존재로 인해 플라즈마가 자기 필드(magnetic fields)을 생성하고, 그것에 의해 영향을 받습니다. 하전된 입자의 운동에 영향을 미칠 만큼 충분히 강한 자기 필드를 갖는 플라즈마는 자기화되었다고 말합니다. 공통적인 정량적 기준은 평균적으로 입자가 충돌하기 전에 자기-필드 선 주위에서 적어도 하나의 회전을 완료한다는 것, 즉, \(\displaystyle \nu_{\mathrm{ce}} / \nu_{\mathrm{coll}} > 1\)이며, 여기서 \(\displaystyle \nu_{\mathrm{ce}}\)는 전자 지이로-주파수(gyrofrequency)이고 \(\displaystyle \nu_{\mathrm{coll}}\)는 전자 충돌 율입니다. 전자는 자기화되고 이온은 자기화되지 않는 경우가 종종 있습니다. 자기화된 플라즈마는 이방성(anisotropic)이며, 자기 필드에 평행한 방향에서 그것들의 속성이 그것에 수직인 방향에서 속성과 다름을 의미합니다. 플라즈마에서 전기 필드는 플라즈마의 높은 전도성으로 인해 보통 작지만, 자기 필드 \(\displaystyle \mathbf{B}\)에서 속도 \(\displaystyle \mathbf{v}\)로 이동하는 플라즈마와 결합된 전기 필드는 보통 로렌츠 공식 \(\displaystyle \mathbf{E} = -\mathbf{v}\times\mathbf{B}\)에 의해 제공되고, Debye shielding에 의해 영향을 받지 않습니다.

Mathematical descriptions

플라즈마 상태를 완전히 설명하기 위해, 플라즈마 영역에서 전자기 필드를 설명하는 모든 입자 위치와 속도가 기록되어야 합니다. 어쨌든, 일반적으로 플라즈마에서 모든 입자를 추적하는 것은 실용적이지 않거나 필요하지 않습니다. 그러므로, 플라즈마 물리학자들은 공통적으로 덜 상세한 설명을 사용하며, 여기에는 두 가지 주요 유형이 있습니다:

Fluid model

유체 모델은 밀도와 각 위치 주변의 평균 속도와 같은 매끄러운 수량의 측면에서 플라즈마를 설명합니다 (Plasma parameters 참조). 하나의 간단한 유체 모델, 자기유체역학(magnetohydrodynamics)은 플라즈마를 맥스웰의 방정식(Maxwell's equations)과 나비에-스토크스 방정식(Navier–Stokes equations)의 조합에 의해 지배되는 단일 유체로 취급합니다. 보다 일반적인 설명은 이온과 전자가 별도로 설명되는 2-유체 플라즈마입니다. 유체 모델은 종종 플라즈마 속도 분포를 맥스웰-볼츠만 분포(Maxwell–Boltzmann distribution)에 가깝게 유지하기 위해 충돌성이 충분히 높을 때 정확합니다. 유체 모델은 보통 각 공간 위치에서 특정 온도에서 단일 흐름의 관점에서 플라즈마를 설명하기 때문에, 그것들은 빔 또는 이중 층(double layers)과 같은 속도 공간 구조를 포획할 수도 없고, 파동-입자 효과를 해결할 수도 없습니다.

Kinetic model

운동 모델은 플라즈마의 각 지점에서 입자 속도 분포 함수를 설명하고 따라서 맥스웰-볼츠만 분포를 가정할 필요가 없습니다. 운동 설명은 종종 비-충돌 플라즈마에 대해 필요합니다. 플라즈마의 운동 설명에 대한 두 가지 공통적인 접근 방식이 있습니다. 하나는 속도와 위치의 그리드에 매끄러운 분포 함수를 나타내는 것을 기반으로 합니다. 다른 하나는, particle-in-cell (PIC) 기술로 알려져 있으며, 다수의 개별 입자의 궤적을 따라 운동 정보를 포함합니다. 운동 모델은 일반적으로 유체 모델보다 계산 집약적입니다. 블라소프 방정식(Vlasov equation)은 전자기 필드와 상호 작용하는 하전된 입자 시스템의 동역학을 설명하기 위해 사용될 수 있습니다. 자기화된 플라즈마에서, 자이로키네틱(gyrokinetic) 접근법은 완전한 운동 모의실험의 계산 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

Plasma science and technology

플라즈마는 우주 플라즈마 물리학과 같은 하위-분야를 포함하여 플라즈마 과학(plasma science) 또는 플라즈마 물리학(plasma physics)의 학문 분야의 연구 대상입니다. 그것은 현재 다음 분야의 활발한 연구와 많은 저널에 대한 특색을 포함하고 있으며, 관심 분야는 다음과 같습니다:

플라즈마는 자연에서 다양한 형태와 위치로 나타날 수 있으며, 다음 테이블에 요약되어 있습니다:

Space and astrophysics

플라즈마는 질량과 부피 면에서 우주에서 가장 공통적인 보통 물질의 상입니다.

지구 표면 위에서, 전리층은 플라즈마이고, 자기권은 플라즈마를 포함합니다. 우리 태양 시스템 내에서, 행성-사이 공간은 태양풍을 통해 방출된 플라즈마로 채워져 있으며, 태양 표면에서 태양권계면(heliopause)까지 뻗어 있습니다. 게다가, 모든 멀리 있는 별들과 별-사이 공간 또는 은하-사이 공간의 대부분은 밀도가 매우 낮지만 플라즈마로 채워져 있을 가능성이 있습니다. 천체물리 플라즈마는 별 주변의 강착 원반이나 백색 왜성, 중성자 별, 또는 가까운 쌍성(binary star) 시스템의 블랙홀과 같은 밀집 물체에서도 관찰됩니다. 플라즈마는 5,000광년까지 확장될 수 있는 M87의 제트와 같은 활성 은하 또는 강착하는 블랙홀과 함께 관찰되어 온 천체-물리학적 제트(astrophysical jets)에서 물질의 방출과 관련이 있습니다.

Artificial plasmas

대부분의 인공 플라즈마는 기체를 통해 전기 필드 및/또는 자기 필드의 응용에 의해 생성됩니다. 실험실 환경과 산업용으로 생성된 플라즈마는 일반적으로 다음과 같이 분류될 수 있습니다:

  • 플라즈마를 생성하기 위해 사용되는 전원 유형—DC, AC (전형적으로 무선 주파수 (RF)를 가짐) 및 마이크로파
  • 그것들이 작동하는 압력—진공 압력 (< 10 mTorr 또는 1 Pa), 중간 압력 (≈1 Torr 또는 100 Pa), 대기 압력 (760 Torr 또는 100 kPa)
  • 플라즈마 내의 이온화 정도—완전히, 부분적으로, 또는 약하게 이온화됨
  • 플라즈마 내의 온도 관계—열 플라즈마 (\(\displaystyle T_e = T_i = T_\text{gas}\)), 비-열 플라즈마 또는 "차가운" 플라즈마 (\(\displaystyle T_e \gg T_i = T_\text{gas}\))
  • 플라즈마를 생성하기 위해 사용되는 전극 구성
  • 플라즈마 내 입자의 자기화—자기화된 (이온과 전자 모두 자기 필드에 의해 라모어 궤도(Larmor orbits)에 갇힘), 부분적으로 자기화된 (이온이 아닌 전자는 자기 필드에 의해 갇힘), 비-자기화된 (자기 필드 입자를 궤도에 가두기에는 너무 약하지만 로렌츠 힘을 생성할 수 있음)

Generation of artificial plasma

플라즈마의 많은 용도와 마찬가지로, 그것의 생성을 위한 여러 수단이 있습니다. 어쨌든, 한 가지 원칙은 그것들의 모두에게 공통적입니다: 그것들을 생산하고 유지하기 위해서 에너지 입력이 있어야 합니다. 이러한 경우에 대해, 간단한 예제로 (단순화를 위해 DC가 사용됨) 방전 관(discharge tube)을 보여주는 인접한 이미지에서 볼 수 있는 것처럼, 플라즈마는 유전체 기체 또는 유체 (전기적으로 비-전도 물질)에 전류가 가해질 때 생성됩니다.

퍼텐셜 차이와 그에 따른 전기 필드는 결합된 전자 (음극)를 애노드 (양극) 쪽으로 끌어당기는 반면 캐소드 (음극)는 핵을 끌어당깁니다. 전압이 증가함에 따라, 전류는 재료의 유전 한계 (강도라고 함)를 넘어 재료에 응력을 가하여 (전기 분극에 의한) 전기 스파크로 표시되는 전기 파괴 단계로 들어가게 하며, 여기서 재료가 절연체에서 (점점 이온화되면서) 전도체로 변환됩니다. 놓여있는 과정은 전자와 중성 기체 원자 사이의 충돌이 더 많은 이온과 전자를 생성하는 타운센드 눈사태(Townsend avalanche)입니다 (오른쪽 그림에서 볼 수 있음). 원자에 대한 전자의 첫 번째 충돌은 하나의 이온과 두 개의 전자를 생성합니다. 그러므로, 하전된 입자의 수는 주로 작은 평균 자유 경로 (충돌 사이에 이동한 평균 거리)로 인해 "약 20번의 연속적인 충돌 후"에만 (수백만 개로) 빠르게 증가합니다.


Electric arc

충분한 전류 밀도와 이온화와 함께, 전극 사이에 발광 전기 아크 (번개와 유사한 연속 방전)를 형성합니다. 연속 전기 아크를 따라 전기 저항은 열을 생성하며, 더 많은 기체 분자를 해리하고 생성된 원자를 이온화하고 (여기서 이온화 정도는 온도에 의해 결정됩니다), 고체-액체-기체-플라즈마 순서에 따라, 기체는 점차적으로 열 플라즈마로 변합니다. 열 플라즈마는 열 평형 상태에 있으며, 이는 무거운 입자 (즉, 원자, 분자 및 이온)와 전자 전체에 걸쳐 온도가 비교적 균일하다는 것을 말합니다. 이것은 열 플라즈마가 생성될 때, 전자에 전기 에너지가 주어지고 전자는 이동성이 크고 수가 많기 때문에 무거운 입자와 탄성 충돌 (에너지 손실 없이)을 통해 전자를 빠르게 분산시킬 수 있기 때문입니다.

Examples of industrial/commercial plasma

상당한 온도와 밀도 범위로 인해, 플라즈마는 많은 연구, 기술과 산업 분야에서 응용 분야를 찾습니다. 예를 들어, 산업과 추출 야금, 플라즈마 분무 (코팅), 마이크로 전자 공학에서의 에칭, 금속 절단과 용접과 같은 표면 처리; 뿐만 아니라 일상적인 차량 배기가스 정화와 형광등/발광 램프, 연료 점화, 심지어 항공 우주 공학용 초음속 연소 엔진에도 사용됩니다.


Low-pressure discharges

Atmospheric pressure

  • 아크 방전(Arc discharge): 이것은 매우 높은 온도(≈10,000K)의 높은 전력 열 방전입니다. 그것은 다양한 전력 공급 장치를 사용하여 생성될 수 있습니다. 그것은 공통적으로 야금 공정에 사용됩니다. 예를 들어, \(\rm Al_2 O_3\)를 함유한 광물을 제련하여 알루미늄을 생산하기 위해 사용됩니다.
  • 코로나 방전(Corona discharge): 이것은 날카로운 전극 끝에 높은 전압을 인가하여 발생하는 비-열 방전이다. 그것은 공통적으로 오존 발생기와 입자 집진기에 사용됩니다.
  • 유전체 장벽 방전(Dielectric barrier discharge, DBD): 이것은 작은 틈에 걸쳐 높은 전압을 적용하여 생성되는 비-열 방전으로, 비-전도하는 코팅이 플라즈마 방전이 아크로 전환되는 것을 방지합니다. 그것은 종종 업계에서 '코로나' 방전으로 잘못 표기되기도 하고 코로나 방전과 유사하게 적용됩니다. 이 방전의 공통적인 용도는 차량 항력 감소를 위한 플라즈마 액추에이터입니다. 그것은 역시 직물의 웹 처리에도 널리 사용됩니다. 합성 섬유와 플라스틱에 방전의 적용은 표면을 기능화하고 페인트, 접착제, 및 유사한 재료를 부착할 수 있습니다. 유전체 장벽 방전은 1990년대 중반에 낮은 온도 대기 압력 플라즈마가 박테리아 세포를 비활성화하는 데 효과적이라는 것을 보여주기 위해 사용되었습니다. 이 연구와 이후 포유류 세포를 사용한 실험은 플라즈마 의학으로 알려진 새로운 연구 분야의 확립으로 이어졌습니다. 유전체 장벽 방전 구성은 낮은 온도 플라즈마 제트 설계에도 사용되었습니다. 이들 플라즈마 제트는 플라즈마 탄환으로 알려진 빠르게 전파되는 유도 이온화 파동에 의해 생성됩니다.
  • 용량성 방전(Capacitive discharge): 이것은 전원이 공급되는 하나의 전극에 RF 전력 (예를 들어, 13.56 MHz)을 적용하여 생성되는 비-열 플라즈마이며, 접지된 전극은 1cm 정도의 작은 분리 거리에 유지됩니다. 그러한 방전은 공통적으로 헬륨 또는 아르곤과 같은 귀족 가스를 사용하여 안정화됩니다.
  • "압전 직접 방전 플라즈마(Piezoelectric direct discharge plasma):"는 압전 변압기 (PT)의 높은-쪽에서 생성되는 비-열 플라즈마입니다. 이 세대 변형은 별도의 높은 전압 전력 공급 장치가 필요하지 않은 높은 효율과 소형 장치에 특히 적합합니다.

MHD converters

1960년대에 새로운 종류의 상용 발전소를 통해 높은 속도 플라즈마의 운동 에너지를 높은 효율로 움직이는 부품 없이 전기로 변환하는 MHD 전력 변환을 시장에 출시하기 위해 자기유체역학 변환기를 연구하려는 세계적인 노력이 촉발되었습니다. 초음속과 극초음속 공기역학 분야에서 자기 필드와의 플라즈마 상호 작용을 연구하여 차량이나 발사체 주변의 수동 및 심지어 능동 흐름 제어를 달성하여 충격파를 누그러뜨리고 완화하기 위해 열 전달을 낮추고 항력을 줄이기 위한 연구도 수행되었습니다.

"플라즈마 기술" ("기술적" 또는 "공학적" 플라즈마)에 사용되는 그러한 이온화된 기체는 보통 기체 분자의 극히 일부만이 이온화된다는 점에서 약하게 이온화된 기체입니다. 이들 종류의 약하게 이온화된 기체는 역시 비-열 "차가운" 플라즈마입니다. 자기 필드의 존재에서, 그러한 자기화된 비열적 약하게 이온화된 기체에 대한 연구는 낮은 자기 레이놀즈 숫자를 갖는 저항성 자기유체역학을 포함하며, 계산에는 7-차원 상 공간에서 이항 텐서가 필요한 플라즈마 물리학의 도전적인 분야입니다. 높은 홀 매개변수(Hall parameter)와 조합으로 사용될 때, 임계 값은 이들 기술 개발을 제한하는 문제가 있는 전열 불안정성을 유발합니다.

Complex plasma phenomena

비록 플라즈마를 지배하는 놓여있는 방정식은 상대적으로 단순하지만, 플라즈마 동작은 유난히 다양하고 미묘합니다: 간단한 모델에서 예기치 않은 동작이 나타나는 것은 복잡한 시스템(complex system)의 전형적인 특색입니다. 그러한 시스템은 어떤 의미에서 순서화된 행동과 비-순서화된 행동 사이의 경계에 있고 전형적으로 단순하고, 매끄럽고, 수학적 함수, 또는 순수한 무작위성으로 설명될 수 없습니다. 광범위한 길이 스케일에서 흥미로운 공간 특색의 자발적인 형성은 플라즈마 복잡성의 한 징후입니다. 그 특색은, 예를 들어, 그것들이 매우 날카롭거나 공간적으로 간헐적이거나 (특색 사이의 거리가 특색 자체보다 훨씬 큼), 프랙탈 형태를 가지기 때문에 흥미롭습니다. 이들 특색 중 많은 부분이 실험실에서 처음 연구되었고, 이후 우주 전체에서 인식되어 왔습니다. 플라즈마의 복잡성과 복잡한 구조의 예는 다음을 포함합니다:

Filamentation

버켈랜드 전류(Birkeland currents)로도 알려진 줄무늬 또는 끈과-같은 구조는 플라즈마 공, 오로라, 번개, 전기 아크, 태양 플레어, 및 초신성 잔해와 같은 많은 플라즈마에서 볼 수 있습니다. 그것들은 때때로 더 큰 전류 밀도와 관련이 있고, 자기 필드와의 상호 작용은 자기 로프 구조를 형성할 수 있습니다. (역시 플라즈마 핀치(Plasma pinch)를 참조하십시오)

필라멘트화는 역시 높은 전역 레이저 펄스의 자체 초점 조정을 의미합니다. 높은 전력에서, 굴절률(index of refraction)의 비선형 부분이 중요해지고 레이저 빔의 중심에서 더 높은 굴절률이 발생하며, 여기서 레이저는 가장자리보다 더 밝아, 레이저를 훨씬 더 집중시키는 피드백이 발생합니다. 더 조밀하게 집중된 레이저는 플라즈마를 형성하는 더 높은 피크 밝기 (조도)를 가집니다. 플라즈마는 1보다 낮은 굴절률을 가지고, 레이저 빔의 디포커싱을 유발합니다. 포커싱 굴절률과 디포커싱 플라즈마의 상호 작용으로 길이가 마이크로미터에서 킬로미터에 이르는 긴 플라즈마 필라멘트가 형성됩니다. 필라멘트 생성 플라즈마의 한 가지 흥미로운 측면은 이온화된 전자의 디포커싱 효과로 인해 상대적으로 낮은 이온 밀도입니다. (역시 필라멘트 전파(Filament propagation)를 참조하십시오)

Impermeable plasma

불침투성 플라즈마는 기체나 낮은 온도 플라즈마에 대해 불침투성 고체처럼 작용하고 물리적으로 밀어낼 수 있는 일종의 열 플라즈마입니다. 낮은 온도 기체와 열 플라즈마의 상호 작용은 1960년대와 1970년대에 Hannes Alfvén이 이끄는 그룹에서 원자로 벽에서 융합 플라즈마 절연에 적용할 수 있는 가능성에 대해 간단히 연구했습니다. 어쨌든, 나중에 이 구성의 외부 자기 필드가 플라즈마의 꼬임 불안정성을 유발할 수 있고 결과적으로 벽에 예상치 못한 높은 열 손실을 초래할 수 있음이 밝혀졌습니다. 2013년에, 한 그룹의 재료 과학자들은 낮은 온도 기체의 극단적으로-높은 블랭킷만을 사용하여 자기 구속이 없는 안정적인 불침투성 플라즈마를 성공적으로 생성했다고 보고했습니다. 플라즈마의 특성에 대한 분광 데이터는 높은 압력으로 인해 얻기 어렵다고 주장했지만, 서로 다른 나노 구조의 합성에 대한 플라즈마의 수동적 효과는 효과적인 구속을 명확하게 제시했습니다. 그들은 역시 수십 초 동안 불침투성을 유지하면 플라즈마-기체 계면에서 이온을 스크리닝하면 강력한 2차 가열 모드 (점성 가열로 알려짐)가 발생하여 반응의 다른 운동학과 복잡한 나노물질이 형성될 수 있음을 보여주었습니다.

Gallery

External links

관련글

티스토리툴바