Understanding the flux of charged particles toward the wall is crucial as it affects the global properties of the plasma and serves as the basis for diagnostics using electric probes. However, recent theoretical studies suggest that the conventional theories regarding ion and electron flux may not be valid when ions or electrons have sufficient collisionality. In this dissertation, the effects of ion-neutral and electron-electron collisions on ion and electron flux towards the wall, respectively, are experimentally investigated. A versatile plasma device MAXIMUS (Magnetic X-point Simulator System) is utilized for the experiments in this study. We generated plasmas using hot filament cathodes in a cylindrical multidipole vacuum chamber. To advance plasma diagnostics, a new Langmuir probe diagnostic method is developed in this study, which applies power law parametrization of the effective ion collecting area. It is confirmed that our new method exhibits the best fit results among the existing methods. The edge effect area, which refers to the additional surface area of the sheath edge resulting from the finite sheath thickness, is found to be dependent on the neutral gas pressure. Theoretical works related to the modified Bohm criterion and edge-to-center density ratio (h-factor) indicate that ion-neutral collisions reduce the ion flux at the sheath edge. We discover that this ion flux reduction factor can be expressed as a function of the edge effect area, which we systematically scan using our planar Langmuir probe diagnostic method. The experiments are conducted for low to intermediate neutral gas pressures (< 100 mTorr). The experimental results demonstrate that the estimated ion flux at the sheath edge is consistent with predictions in accordance with works using particle-in-cell simulation within the margin of error for He discharges, and the dependence of the reduction rate on species is also discussed. The reduction of ion flux at the sheath edge at intermediate gas pressures highlights the importance of taking into account ion-neutral collisions in plasma applications concerned with plasma-wall interaction. Recent theoretical works on ion-acoustic instability and fluid approach to electrons suggest that the electron-electron collisions can be enhanced to the point where the mean free path of electrons falls within the sheath or presheath length scale, resulting in larger electron flux towards the wall compared to predictions from conventional theories. We employed an edge-effect reduced, guard-ringed Langmuir probe to investigate the unique features in the I-V characteristics that are anticipated to appear with collisional electrons. Additionally, emissive and cutoff probes are utilized to obtain accurate reference parameters for bulk plasma properties. However, the predicted modifications in the electron flux towards the probe, as postulated by the electron fluid theory, are not observed. The absence of these anticipated modifications suggests the absence of enhanced electron-electron collisions resulting from the instability. Therefore, it is suggested that further experimental observations be conducted to test these theories.
벽으로 향하는 전하 입자의 유동은 플라즈마의 전체적인 특성에 영향을 미치며 전기 프로브를 사용한 진단의 기초가 되기 때문에 이를 이해하는 것이 매우 중요하다. 플라즈마와 고체 또는 액체 표면 사이에 항상 존재하는 비중성 영역인 쉬스와 이온이나 전자가 전기장이나 압력 구배로 가속되는 준중성 영역인 프리쉬스는 입자 유동 결정에 핵심적인 역할을 한다. 그러나 이온과 전자가 충분한 충돌성을 가질때는 기존 이론들이 적용되지 않을 수 있다는 새로운 이론적인 연구들이 제시되었다. 본 박사학위 논문에서는 이온-중성 충돌과 전자-전자 충돌이 각각 벽으로 향하는 이온과 전자의 유동에 미치는 영향을 실험적으로 조사한다. 실험은 다용도 플라즈마 장치인 MAXIMUS에서 진행되었으며, 플라즈마는 원통형 다중자기쌍극자 진공 챔버에서 필라멘트 열음극을 사용하여 발생시켰다. 보다 정확한 플라즈마 진단을 위해, 실질 이온 수집 면적에 멱법칙 방법을 적용한 새로운 랑뮈어 프로브 진단 방법을 개발했고, 새로운 방법이 기존 방법들 중 가장 정확한 결과를 보여주는 것을 확인했다. 또한 본 진단법의 개발 과정에서 유한한 쉬스 두께로 인한 쉬스 엣지의 추가 표면 면적인 엣지 효과 면적은 가스 압력에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 수정-봄 기준과 가장자리에서 중심까지의 밀도 비율(h-팩터)과 관련된 이론적인 연구들은 이온-중성종 충돌이 쉬스 가장자리에서 이온 유동을 감소시킨다고 예측한다. 이러한 이온 유동 감소 인자는 우리가 평면 랑뮈어 프로브 진단법을 사용해 얻을 수 있는 엣지 효과 면적의 함수로 표현할 수 있다. 실험은 낮은 가스 압력에서 진행하였다. 실험 결과, 예상되는 헬륨 방전에 대한 PIC 시뮬레이션을 통한 예측과 우리의 측정 값은 오차 범위 내에서 일치하는 것을 보여주었으며, 이러한 이온 유동 감소 인자의 서로 다른 이온에 따른 종속성에 대해서도 논의되었다. 이온-어쿠스틱 불안정성과 함께 전자에 대한 유체적인 접근과 관련된 최근 이론적 연구들을 살펴보면 전자-전자 충돌이 전자의 평균 자유 경로가 쉬스나 프리쉬스의 길이보다 작은 정도로 감소하면 전통적 이론에서 예측된 것보다 벽으로 향하는 전자 유동이 다소 증가할 수 있다는 것을 알 수 있다. 우리는 충돌성을 가진 전자와 관련된 예상되는 I-V 특성의 독특한 특징을 조사하기 위해 엣지 효과가 감소된 랑뮈어 프로브를 사용하여 실험을 진행하였다. 또한 중심 플라즈마 특성에 대한 정확한 정보를 얻기 위해 방출 및 컷오프 프로브를 사용했다. 그러나 전자 유체 이론에서 예측한 전자 유동의 변화는 관측되지 않았다. 이렇게 예측과 엇나간 실험 결과는 불안정성으로 인해 유도되는 전자-전자 충돌 향상이 존재하지 않을 수도 있다는 것을 시사한다. 이에, 본 논문에서 기술한 이론을 검증하기 위해 추가적인 실험이 진행되어야 하며 그 방법을 간략히 소개한다.
