레이저유도형광 진단을 통한 홀추력기 Xe 플라즈마 속도분포 연구

Abstract

레이저유도형광(Laser Induced Fluorescence) 진단법은 레이저에 의해 여기된 전자의 에너지 준위가 떨어지면서 발생되는 형광을 측정하는 진단법으로, 형광을 방출하는 입자의 속도분포를 도플러 효과에 기반하여 측정하는 유용한 진단법이다. 본 연구에서는 레이저유도형광 진단을 이용해 홀추력기 플라즈마에서 Xe+ 이온의 축방향 속도분포의 공간변화를 측정하였다. 홀추력기는 자기장에 자화된 전자로 연료기체를 방전시켜 자화되지 않은 이온을 방출시킴으로써추진력을 얻는 이온빔 소스로, 본 실험에서는 기존의 고리형홀추력기와 자기장 구조가 상이하여 이온빔 특성 또한 크게 다르게 나타나는 원통형 홀추력기가 사용되었다. 추력기 크기는 방전채널 지름이 50mm이고, 방전전압 300 V, 양극유량 4-10 sccm, 음극유량 1 sccm의 조건에서 실험을 수행하였다. LIF 진단에 활용한 레이저는 파장영역이 834.72 nm로서, 측정 플라즈마 영역에서 레이저 빔의 밀도가 10 mW/mm²이었다. 준 안정상태인 5d²F7/2 를 목표 준위로 설정하여 6p²D05/2 준위로 여기를 유도했으며, 6s²P3/2로 전이할 때 발생하는 형광(~541.9 nm) 세기를 수집하여, 방전채널 출구면으로부터 0-100 mm 거리에서 10 mm 간격으로 속도분포를 측정하였다. 측정의 결과, 방전채널 밖에서 Xe+ 이온에너지는 약 250 eV였으며, 방전채널 안에서 얻은 에너지는 30%에 불과하였다. 양극유량4 sccm조건에서 측정된 속도분포는 Maxwellian 속도분포와 차이를 보였으며, 출구면으로부터의 거리에 따른 속도분포 변화가 미미했던 반면, 10 sccm의 양극유량 조건에서는 정점 속도를 넘어서는 속도의 이온분포가 지배적인 속도분포를 보였고, 출구면으로부터 멀어짐에 따라 속도분포가 뚜렷하게 변화되는 것을 확인했다. 이온의 가속이 추력기 외부에서도 크게 발생하는 본 진단 결과는, 이온의 가속이 방전채널내에서 주로 일어나는 기존의 고리형 홀추력기의 이온 가속구조와 매우 다른 결과로서, 관련 연구분야에 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다