Development of ionosphere plasma diagnostics and their applications

Abstract

이온층은 지표면에서부터 약 60~500km의 높이에 위치하여 태양에 의한 EUV, X선 등으로 인해 이온화된 입자들이 존재하는 층이며, 높이, 위도, 경도, 지방시 등에 따라 다양한 현상을 가지고 있다. 여러 현상을 관측하기 위해 Langmuir Probe, Retarding Potential Analyzer, Ion Drift Meter를 제작하였다. 세 관측기는 2017년 발사 예정으로 있는 한국의 차세대소형위성의 과학 관측기인 ISSS의 관측기들 이며, 태양 극소기에 태양풍에 의해 발생한 폭풍이 적도 지역 플라즈마에 주는 영향을 관측할 예정이다. Langmuir Probe는 위성 관측뿐 아니라 지상에도 널리 쓰이는 플라즈마 진단장치로 플라즈마에 삽입된 도체에 전압을 가해주고 그 영향으로 발생한 전류를 측정한다. 위성의 requirement에 만족하기 위해 Planar 형태의 probe를 제작하였고, 측정할때 입자들에 의한 contamination 효과를 감소하기 위한 sweep voltage 등의 전자부와 기계부 디자인을 수행하여 제작을 하였다. Retarding Potential Analyzer는 위성의 진행방향의 전면부에 부착이 되어 retarding voltage를 가해주었을 때 이를 넘어서는 energy를 가지는 ion들만 collector에 도달하여 전류를 측정하는 관측기이다. IRI 모델을 이용하여 위성의 운영기간 동안 발생하는 이온전류의 크기를 예측하고 이를 측정하기 위한 전자부, 기계부의 디자인 및 제작을 완료하였다. Ion Drift Meter는 위성의 진행방향의 전면부에 부착이 되어서 위성의 Frame에서 내부로 들어오는 ion의 drift velocity를 관측하는 관측기이다. RPA와 마찬가지로 IRI을 모델을 이용하여 운영기간동안 발생하는 이온전류의 크기를 예측하여 이를 측정할 수 있도록 전자부, 기계부의 디자인 및 제작을 완료하였다. 세 관측기는 대만의 National Cheng Kung University에서 보유하고 있는 Space Plasma Operational Chamber에서 Calibration을 수행하였다. 이 챔버는 전자 온도와 밀도가 이온층과 유사한 값을 가지도록 구성되며 질소 플라즈마를 발생 시킨며 챔버가 가지고 있는 고유한 값과 실험결과를 통해 얻은 값의 차이를 비교 하는 방식으로 calibration을 수행한다. Langmuir Probe를 이용한 Calibration 시험결과, 전류-전압 곡선이 이론적으로 예측되었던 형태와 비슷한 모습을 가지는 것을 확인 하였고, 이 곡선을 통해 계산한 전자 온도와 밀도의 값이 챔버가 발생시키는 값과 유사하게 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실제 위성에서 얻은 데이터를 활용하는 연구도 진행하였으며, 이를 통하여 전자 밀도를 관측하는 두 위성의 상관관계 및 고층 전리권의 전자 밀도 예측 모델을 개발하는 연구를 수행하였다.