The ground simulation of the ionosphere plasma environment is important particularly for test and validation of the low Earth orbit (LEO) satellite plasma probes. The ion density and electron temperature of the ionosphere plasma is typically $10^{5-6} cm^{-3}$ and 0.1 – 1 eV, respectively, and therefore generation of such plasma in the laboratory is challenging due to its low density and temperature.
In this study, we developed a plasma source, which has a ring-cusp magnetic field geometry, for the ground simulation of ionosphere plasmas. Plasma condition was controlled by operation variables such as anode current, cathode keeper current, and argon flow rate. Within a stable discharge conditions, we measured the ion density in the range of $10^{5-7}cm^{-3}$ and electron temperature of about 1 eV using a guarded planar Langmuir probe. Two optimized conditions of the ion density and electron temperature were achieved, resulting in $n_{i} = 9.8 × 10^{5}cm^{-3}$ and $T_e$ = 1.3 eV, respectively. In addition, we developed a retarding potential analyzer to measure the ion streaming energy, which is usually seen in the ionosphere plasma. The most probable ion streaming energy was about 2 – 3 eV and the full width at half maximum of the ion energy distribution functions were 0.75 – 1.25 eV.
In this thesis, details of the plasma source and its diagnostics using Langmuir probe and RPA will be discussed.
저궤도 위성이 운용되는 80 – 1000 km의 지구 대기에는 밀도 $10^{4} – 10^{6}cm^{-3}$, 전자온도 0.1 – 1 eV 수준의 플라즈마가 존재한다. 저궤도 플라즈마 특성 연구는 통신, 지구 및 우주 환경 연구에 있어서 전제조건으로 작용한다. 또한 플라즈마의 전기적 성질은 위성 전자장비에 복구 불가능한 손상을 초래하기에, 위성 운용에서의 위험방지 및 대응방안을 위해서는 위성과 플라즈마 사이의 상호작용 예측을 위한 플라즈마 진단이 필수적이다. 따라서 위성 탑재 진단장비 검증 및 시험을 위해서는 넓은 범위의 저궤도 환경 모사가 가능한 플라즈마 발생장치가 반드시 필요하다.
따라서 본 연구에서는 진단장비 지상시험용 저 전자 밀도 및 온도 발생을 목적으로 하는 반지름 100 mm, 길이 300 mm 의 원통형 플라즈마 발생장치를 설계 및 개발하였다. 장치 내부에는 플라즈마를 가두기 위하여 장치 상단과 중단, 그리고 하단에 각각 15, 20, 10개의 영구자석을 배치함과 함께, 강자성 물질로 링-커스프 자기장 형상을 마련하였다. 이 자기장 형상은 원통 경계로부터 약 60 mm까지 30 – 40 G 수준의 자기장을 생성하여 원통 중앙 축으로부터 반지름 약 30 mm 크기의 전자 구속 영역을 만든다. 이때 본 연구실에서 개발한 전자 공급용 저전류 할로우 냉음극으로 플라즈마 방전을 개시 및 유지하였으며, 전자와 달리 자화되지 않는 소수의 이온만이 마련된 자기장을 통과하여 장치 외부로 빠져나갈 수 있도록 설계하였다.
이때 쉬스의 영향을 최소화 하기 위한 가드링 원형 평면 랭뮤어 탐침과 새롭게 설계된 전위 지연 탐침을 사용하여 생성된 플라즈마의 이온밀도, 전자온도, 이온에너지분포를 측정하였다. 이를 통해 운전변수 변화에 따라 장치 입구로부터 57 cm 떨어진 곳에서 이온밀도 $n_{i} = 9.8×10^{5} - 4.1×10^{7} cm^{-3}$, 전자온도 $T_e$ = 1.3 - 5.1 eV의 넓은 플라즈마 발생이 확인되었으며, 장치 입구로부터 50 cm에서 2.4, 2.8 eV의 평균이온에너지가 측정되었다. 이에 전리층 플라즈마 모사를 위한 최적 장치 방전조건을 확립, 개발된 장치의 최적 이온밀도 조건과 최적 전자온도 조건을 제시하였다.
본 논문에서는 저궤도 플라즈마 환경 모사를 위한 플라즈마 발생장치 상세 구성 및 구동 원리, 그리고 장치 운전변수에 따른 플라즈마 특성 변화와 최적 조건 확립에 따른 플라즈마 진단 결과를 살펴본다.
