Magnetic mirror device is a machine that traps plasma through mirror forces, generated by changes in axial magnetic field intensity. This device has been widely used in early nuclear fusion research due to its convenience of construction and comfort of accessibility to diagnostics from its simple structure, and is suitable for experimental research at the university level. For the analysis of plasma instability that could occur in mirror geometry and the study related to applications of mirror device to fusion and industrial fields, linear magnetic mirror plasma device has been constructed in the laboratory.
Structure of vacuum chamber for this device is a cylindrical structure with a diameter of 0.5 m and a length of 2.48 m. The chamber is composed of three sub-chambers (source, center, and expander chamber) with the mirror nozzles connecting the sub-chambers. The primary rotary pump and the secondary turbo molecular pump were utilized to maintain a high vacuum of base pressure $~2×10^{-7}$ Torr, and the injection of gas required for discharge was controlled through piezoelectric valve instantaneously. To form a magnetic field of the mirror structure, 4 solenoid coils and 4 mirror coils are installed in the center chamber and the mirror nozzle to generate a magnetic field of up to 0.1 T in the center and 0.4 T in the mirror nozzle region. As a plasma source, a plasma washer gun was used, and it was designed to generate $10^{20} m^{-3}$ high-density pulsed plasma during 5 ms and via a Pulse Forming Network (PFN) power system.
To construct the device, test of magnetic field system was conducted initially. Magnetic field intensity was measured in axial and radial locations by Gauss meter calibrated by Helmholtz coil. Generation of steady magnetic field was also confirmed by measuring coil voltage, current value and magnetic field by time. PFN power system was tested with dummy load, and the waveform was similar to the simulated value considering internal resistance of inductor and stray resistance. Experimental facilities were controlled and diagnostic data was obtained by implementing data acquisition and control system (DAQ).
For plasma diagnostics, ion saturation current which is affected by electron density and temperature $(I_{sat}∝n_{e} \sqrt{T_{e}})$ has been measured with Langmuir probe diagnostics. Electron density and temperature were estimated from these measurements. It was confirmed that maximum 0.46 MW power was applied to the plasma source, and ion saturation current up to 0.45 A was measured at the center of the plasma. From the repeated experiments, current-voltage curve of Langmuir probe was measured, and the electron density $1.1×10^{20} m^{-3}$ and electron temperature 10 eV were estimated based on the measurements.
Change of ion saturation current intensity by PFN voltage, magnetic field intensity and mirror ratio was observed to find variables to control plasma performance. Increase of ion saturation current was observed by increasing PFN voltage and magnetic field, but change of ion saturation current by mirror ratio was not shown clearly. Higher PFN voltage increases ion saturation current because plasma density generated in the plasma gun will be increased with higher PFN voltage. The reasons of ion saturation current increase by magnetic field intensity are likely to be enhancement of magnetization of plasma and suppression of instability. Mirror ratio was also expected to increase the ion saturation current by improving plasma confinement performance, but clear tendency was not observed, which could be due to degradation of mirror confinement efficiency by too frequent collision events in this experiment.
자기 거울 장치는 축 방향 자기장 세기 변화에 따라 발생하는 거울 힘을 통해 플라즈마를 가두는 장치로, 간단한 구조로 인한 건설의 편리함과 진단 장치 접근성의 용이함으로 인해 초기 핵융합 연구에 널리 활용되어 왔으며, 대학 수준의 실험 연구에 적합하다. 자기 거울 구조에서 발생할 수 있는 플라즈마 불안정성에 대한 분석과 거울 장치를 활용한 핵융합 및 산업 분야로의 응용 연구를 위해, 본 연구실에 선형 자기 거울 플라즈마 장치를 구축하였다.
장치의 진공 챔버 구조는 지름 0.5 m, 길이 2.48 m의 원통형 구조이다. 챔버는 3개의 부속 챔버 (소스, 중심 그리고 확장(Expander) 챔버)와 부속 챔버 사이를 연결하는 거울 노즐로 구성되어 있다. 1차측 로터리 펌프, 2차측 터보 분자 펌프를 사용해, $~2×10^{-7}$ Torr의 기저 압력을 가지는 높은 진공을 유지했고, Piezoelectric valve를 통해 플라즈마 방전에 필요한 기체의 유입을 수 밀리 초 내로 제어했다. 거울 구조의 자기장 형성을 위해 4개의 솔레노이드 코일과 4 개의 거울 코일이 각각 중심 챔버와 거울 노즐부에 설치되어 중심부 최대 약 0.1 T, 거울 노즐 부 최대 0.4 T의 자장 생성이 가능하다. 플라즈마 소스로는 플라즈마 와셔 건을 사용했고, 펄스 형성 네트워크 (Pulse Forming Network, PFN) 파워 시스템을 통해 5 ms 간 ~$10^{20} m^{-3}$의 고밀도 펄스 플라즈마를 생성하는 것을 목표로 설계되었다.
장치의 구축을 위해 우선 자기장 시스템의 시험을 진행했다. 헬름홀츠 코일을 통해 교정된 가우스 미터를 통해 축 방향과 방사 방향 위치에 따른 자기장 세기를 측정했고, 그 값을 전산 모사를 통해 얻은 값과 비교했다. 시간에 따라 코일 전압, 전류 값과 자기장을 측정해 일정한 자기장의 생성 또한 확인되었다. 더미 부하를 통한 PFN 파워 시스템의 시험을 했고, 그 파형 또한 인덕터 내부 저항 및 기생 저항 등을 고려한 전산 모사 값과 유사함을 확인했다. 데이터 수집 및 제어 시스템 (Data Acquisition and control system, DAQ) 시스템을 도입해 실험 장비들을 제어하고 진단 데이터를 획득했다. 진단 장치로는 랑뮈어 탐침 진단을 사용하여 전자의 밀도와 온도에 영향을 받는 물리량인 이온 포화 전류 ($(I_{sat}∝n_{e} \sqrt{T_{e}})$)를 측정하고 이 값을 통해 전자의 밀도와 온도를 추정하였다. 초기 플라즈마 실험에서 최대 0.46 MW의 파워가 인가되어 플라즈마를 생성하였으며, 플라즈마 중심에서 최대 0.45 A의 이온 포화 전류가 측정되는 것을 확인하였다. 반복 실험을 통해, 랑뮈어 탐침의 전류-전압 곡선을 측정하였으며, 측정을 기반으로 전자 밀도 $1.1×10^{20} m^{-3}$, 온도 10 eV가 추정되었다.
플라즈마 성능을 제어하기 위한 변수를 찾기 위하여, PFN 전압, 자기장 세기, 거울비에 따른 이온 포화 전류 크기 변화를 관찰하였다. PFN 충전 전압과 자기장 세기는 증가시킬수록 이온 포화 전류가 증가함을 관찰하였지만 거울비 변화에 따른 이온 포화 전류의 변화는 명확히 보이지 않았다. PFN 충전 전압은 플라즈마 건에서 생성되는 플라즈마의 밀도를 증가시켜 이온 포화 전류를 증가시켰을 것으로 추정되며, 자기장 세기의 증가는 자화 정도 증가 및 불안정성 완화가 이온 포화 전류 증가의 원인이었을 것으로 보인다. 거울 비 역시 플라즈마 가둠 성능을 향상시켜 이온 포화 전류를 증가시킬 것으로 예상하였으나 실제 측정에서는 명확한 경향성을 보이지 않았다. 이는 높은 플라즈마 충돌 빈도로 인한 거울 가둠 효율의 저하로 예상된다.
