A new analysis technique for the inference of degree of dissociation of weekly collisional DC hydrogen plasmas is developed and tested with an experiment. There are neutrals, namely hydrogen atoms and molecule, present in hydrogen plasmas. These neutrals are utilized in many technological fields, and thus, it is important to investigate the information of neutrals in hydrogen plasmas. The most important physical parameters about hydrogen neutrals is the degree of dissociation. Therefore, the technique to infer the degree of dissociation is newly developed in this work. To improve the accuracy of the analysis technique, the collisional-radiative models for hydrogen atom and molecule are newly constructed and modified so that they can handle bi-Maxwellian electron energy distribution and radiation trapping effect. Also, there is an additional analysis for the Fulcher-alpha transitions in order to obtain gas temperature and ground vibrational temperature from rotational-vibrational distribution of an excited molecule. Various steps are involved in the technique to produce calculated excited state distribution from the information obtained from the experiment, and the calculated distribution is compared to the measured distribution to infer the most reasonable degree of dissociation of the measured plasma. In order to test and verify the analysis technique, an experiment is conducted. Hydrogen plasmas are generated in a large cylindrical chamber named MAXIMUS, with a hot cathode, and the gas pressure ranged from 3~6mTorr. Various diagnostics including the optical absorption & emission spectroscopy, and the Langmuir probe measurement are performed to obtain spectra and electron parameters. With the measured data and the analysis technique, the degrees of dissociation for the generated plasmas are inferred to be around 1%, and increase with the gas pressure. There are some problems found for the analysis technique, due to lack of accurate atomic data and imperfect optical measurement, and possible causes are discussed.
저충돌 직류 수소 플라즈마의 해리도 추론을 위한 새로운 분석기법을 개발하고 실험을 통해 이를 검증하였다. 수소 플라즈마에는 수소 원자와 분자 같은 중성종 들이 존재한다. 이런 중성종 들은 많은 기술 분야에서 활용되기 때문에, 플라즈마 내 중성종의 정보를 조사하는 것은 중요하다. 수소 중성종 들의 가장 중요한 물리적 변수는 해리도다.
따라서 본 연구에서 해리도를 추론하는 기법을 새로 개발하였다. 수소 원자와 분자에 대한 충돌-방사모델 들을 새로 구성하고, 바이-맥스웰 전자 에너지 분포와 복사 트래핑 영향을 다룰 수 있도록 모델들을 개선하여 계산의 정확도를 상승시켰다. 또한, 펄처-알파 상전이를 추가적으로 분석하여 여기 상태 분자의 회전-진동 분포를 통해 가스 온도와 기저 상태 분자의 진동 온도를 얻어 내었다. 본 분석기법은 다양한 절차를 통해 계산된 여기 상태 분포를 얻어내고, 이를 측정된 여기 상태 분포와 비교하여, 플라즈마의 가장 적합한 해리도를 찾아낸다. 본 분석기법을 확인하고 검증하기 위해, 실험을 진행하였다. 막시무스라는 대형 원통 챔버안에 수소 플라즈마를 생성하였다. 열음극을 통해 직류 플라즈마를 생성하였고, 가스 압력은 3~6mTorr로 조절하였다. 광학 방사 분광법, 광학 흡수 분광법과 랭뮤어 탐침 측정법을 포함한 다양 진단법으로 플라즈마의 스펙트럼과 전자 변수를 획득하였다. 측정한 데이터와 분석기법을 이용해 추론한 플라즈마의 해리도는 약 1% 정도였으며, 해리도 값은 가스 압력에 비례하였다. 원자 분자 데이터의 부정확함과 측정법의 문제 때문에 본 분석기법을 이용해 얻은 결과에 몇 가지 결함이 있었고, 이의 잠재적 원인을 논하였다.