1차원 정전기(electrostatic) particle-in-cell code를 사용하여 전자-중성충돌과 이온-중성 충돌이 에너지에 상관없이 일정하다는 가정하에 충돌률에 따라 모의실험을 하였다. 이때 충돌에 의해 이온이나 전자가 열 속도로 운동을 한다는 가정을 하였기 때문에 이온 drift 속도는 충돌에 의해 방해를 받아서 충돌률이 커질수록 이온이 sheath로 들어오는 확률이 작아져도 전체 이온 flux를 일정하게 하기 유지시키기 위해서 이온 drift 속도를 증가 시킨다. 이로 인해 ...
1차원 정전기(electrostatic) particle-in-cell code를 사용하여 전자-중성충돌과 이온-중성 충돌이 에너지에 상관없이 일정하다는 가정하에 충돌률에 따라 모의실험을 하였다. 이때 충돌에 의해 이온이나 전자가 열 속도로 운동을 한다는 가정을 하였기 때문에 이온 drift 속도는 충돌에 의해 방해를 받아서 충돌률이 커질수록 이온이 sheath로 들어오는 확률이 작아져도 전체 이온 flux를 일정하게 하기 유지시키기 위해서 이온 drift 속도를 증가 시킨다. 이로 인해 플라즈마는 전반적으로 Potential drop을 증가시켜 sheath를 형성하도록 돕는 특성을 나타낸다. 자기장을 고려한 경우 자기장의 세기와 각도에 따라 플라즈마-sheath 형성을 연구하였다. 플라즈마-sheath 형성에 있어 자기장의 세기나 각도는 자기장의 세기가 상당히 큰 경우(B=100) 자기장의 각도에 대한 presheath potential 분포의 기울기에 대한 의존성이 점점 없어지는 것을 알 수 있다. 이것은 이온 gyro radius의 길이가 매우 작아져서 magnetic presheath potential drop을 하는 영역이 거의 없어져서 전체 presheath 분포가 일정하게 나타나는 경향을 보인 것이다. 그러나 자기장의 세기가 중간 정도 되는 크기(B=10)에 있어서는 자기장의 각도의 의존성을 보이는 데 자기장의 각도가 클 때 자기장에 묶여 이동하는 이온의 운동이 wall 수직방향으로 충분히 가속시키기 못하기 때문에 presheath에서 자기각도가 클 때 Potential drop이 약간 큰 경향을 보인다. 이때는 이온 gyro radius는 2λ_(De) 정도가 된다. 또한 이온이 sheath를 형성하기 충분하도록 이온이 가속해 들어가기 위해서 자기장의 각도가 작은 경우보다 sheath 쪽으로 들어오는 Potential drop을 더 크게 증가시키는 경향을 보이며 이온 drift속도를 통해 자기장의 각도가 작은 경우보다 sheath로 들어가기 훨씬 전부터 이온 drift속도의 크기가 가파르게 증가하는 것을 확인 했다. 이것은 자기장의 세기가 크고 자기각도가 커질수록 space charge를 형성하기 위해서 sheath region에서 electric field를 shielding 하기 위해서 sheath thickness를 크게 하는 경향이 보인다. 다음으로 자기장을 고려한 상태에서 전자-중성 충돌과 이온-중성 충돌에 따른 플라즈마-sheath 분포를 연구 하였다. 자기장의 세기와 관계없이 이온과 전자 충돌률이 커지면 전반적인 Potential drop은 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 플라즈마 시스템이 충돌에 의해 sheath region으로 들어오는 이온 밀도의 감소로 이온 flux와 전자 flux가 같게 들어오기 위해서 이온이 sheath edge에서 큰 속도를 가져야 하고 이로 인해 Potential drop을 증가시키기 때문이다. 자기장과 충돌률을 동시에 고려한 경우에는 자기각도가 wall normal에 평행할수록 unmagnetized plasma의 특성을 갖고 wall에 parallel할수록 자기장의 세기로 인한 plasma-sheath potential의 특성이 magnetized plasma의 특성을 갖게 된다. 또한 충돌률은 자기장의 세기와 더불어 floating potential을 더욱 증가시키는 특성을 보인다. 다음으로 helium 원자를 모델로 PIC-Monte-Carlo 기법을 이용하여 전자-중성 충돌 시 탄성, 여기, 이온화를 에너지에 대한 산란 단면적을 구해 임의의 수(random number)를 발생시켜 이때의 충돌에 의한 에너지단면적 대 전체 에너지단면적의 비를 비교하고 이때의 에너지가 여기 에너지 또는 이온화 에너지의 값보다 큰 경우에 대하여 충돌이 발생한다는 가정하에 충돌 mechanism을 설정하여 모의실험을 하였다. 이온-중성 충돌의 경우 에너지에 대한 에너지 산란 단면적대 전체 에너지 산란 단면적의 비를 구하여 임의의 수(random number)를 발생시켜 비교하여 충돌을 모델화 시켰다. 이때의 플라즈마-sheath 특성은 에너지에 관계없이 일정한 충돌주파수에 대한 모델화한 경우와 다른 데 가장 큰 요인은 전자-중성 충돌 시 중성입자의 이온화에 의한 전자와 양이온의 생성이 플라즈마-sheath 특성을 크게 바꾸는 요인이 된 것으로 보인다. 마지막으로 이온층 플라즈마를 대상으로 plasma-sheath potential을 모의 실험한 결과는 실제 floating potent기 의 크기가 전자온도, 이온 온도 대 전자온도비에 의존한다는 것이다. 전산 모의 실험에서는 이온 질량 대 전자 질량의 비를 정확한 비율로 할 수 없는데 전산 모의 실험하는 데 이온과 전자의 운동을 구하는 데 시간차가 너무 많이 발생하기 때문에 100이나 그것보다 작은 값으로 정하는 게 일방적이다. 따라서 이온층 플라즈마 환경에서 정확한 floating potential 의 크기를 예측하기 보다는 고도에 따른 floating potential 의 변화와 이온층 플라즈마 환경의 어떤 factor가 plasma와 sheath에 어떤 영향을 미치는 것을 아는 것이 중요하다. 이온 전리층 영역 140km∼400km에서는 충돌이 거의 무시되는 지역으로 이온 온도 대 전자 온도비와 전자온도가 실제 floating potential drop을 좌우 했고 80km, 100km 영역에서는 충돌률이 클수록 floating potential drop이 증가하는 특성을 보였다.
1차원 정전기(electrostatic) particle-in-cell code를 사용하여 전자-중성충돌과 이온-중성 충돌이 에너지에 상관없이 일정하다는 가정하에 충돌률에 따라 모의실험을 하였다. 이때 충돌에 의해 이온이나 전자가 열 속도로 운동을 한다는 가정을 하였기 때문에 이온 drift 속도는 충돌에 의해 방해를 받아서 충돌률이 커질수록 이온이 sheath로 들어오는 확률이 작아져도 전체 이온 flux를 일정하게 하기 유지시키기 위해서 이온 drift 속도를 증가 시킨다. 이로 인해 플라즈마는 전반적으로 Potential drop을 증가시켜 sheath를 형성하도록 돕는 특성을 나타낸다. 자기장을 고려한 경우 자기장의 세기와 각도에 따라 플라즈마-sheath 형성을 연구하였다. 플라즈마-sheath 형성에 있어 자기장의 세기나 각도는 자기장의 세기가 상당히 큰 경우(B=100) 자기장의 각도에 대한 presheath potential 분포의 기울기에 대한 의존성이 점점 없어지는 것을 알 수 있다. 이것은 이온 gyro radius의 길이가 매우 작아져서 magnetic presheath potential drop을 하는 영역이 거의 없어져서 전체 presheath 분포가 일정하게 나타나는 경향을 보인 것이다. 그러나 자기장의 세기가 중간 정도 되는 크기(B=10)에 있어서는 자기장의 각도의 의존성을 보이는 데 자기장의 각도가 클 때 자기장에 묶여 이동하는 이온의 운동이 wall 수직방향으로 충분히 가속시키기 못하기 때문에 presheath에서 자기각도가 클 때 Potential drop이 약간 큰 경향을 보인다. 이때는 이온 gyro radius는 2λ_(De) 정도가 된다. 또한 이온이 sheath를 형성하기 충분하도록 이온이 가속해 들어가기 위해서 자기장의 각도가 작은 경우보다 sheath 쪽으로 들어오는 Potential drop을 더 크게 증가시키는 경향을 보이며 이온 drift속도를 통해 자기장의 각도가 작은 경우보다 sheath로 들어가기 훨씬 전부터 이온 drift속도의 크기가 가파르게 증가하는 것을 확인 했다. 이것은 자기장의 세기가 크고 자기각도가 커질수록 space charge를 형성하기 위해서 sheath region에서 electric field를 shielding 하기 위해서 sheath thickness를 크게 하는 경향이 보인다. 다음으로 자기장을 고려한 상태에서 전자-중성 충돌과 이온-중성 충돌에 따른 플라즈마-sheath 분포를 연구 하였다. 자기장의 세기와 관계없이 이온과 전자 충돌률이 커지면 전반적인 Potential drop은 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 플라즈마 시스템이 충돌에 의해 sheath region으로 들어오는 이온 밀도의 감소로 이온 flux와 전자 flux가 같게 들어오기 위해서 이온이 sheath edge에서 큰 속도를 가져야 하고 이로 인해 Potential drop을 증가시키기 때문이다. 자기장과 충돌률을 동시에 고려한 경우에는 자기각도가 wall normal에 평행할수록 unmagnetized plasma의 특성을 갖고 wall에 parallel할수록 자기장의 세기로 인한 plasma-sheath potential의 특성이 magnetized plasma의 특성을 갖게 된다. 또한 충돌률은 자기장의 세기와 더불어 floating potential을 더욱 증가시키는 특성을 보인다. 다음으로 helium 원자를 모델로 PIC-Monte-Carlo 기법을 이용하여 전자-중성 충돌 시 탄성, 여기, 이온화를 에너지에 대한 산란 단면적을 구해 임의의 수(random number)를 발생시켜 이때의 충돌에 의한 에너지단면적 대 전체 에너지단면적의 비를 비교하고 이때의 에너지가 여기 에너지 또는 이온화 에너지의 값보다 큰 경우에 대하여 충돌이 발생한다는 가정하에 충돌 mechanism을 설정하여 모의실험을 하였다. 이온-중성 충돌의 경우 에너지에 대한 에너지 산란 단면적대 전체 에너지 산란 단면적의 비를 구하여 임의의 수(random number)를 발생시켜 비교하여 충돌을 모델화 시켰다. 이때의 플라즈마-sheath 특성은 에너지에 관계없이 일정한 충돌주파수에 대한 모델화한 경우와 다른 데 가장 큰 요인은 전자-중성 충돌 시 중성입자의 이온화에 의한 전자와 양이온의 생성이 플라즈마-sheath 특성을 크게 바꾸는 요인이 된 것으로 보인다. 마지막으로 이온층 플라즈마를 대상으로 plasma-sheath potential을 모의 실험한 결과는 실제 floating potent기 의 크기가 전자온도, 이온 온도 대 전자온도비에 의존한다는 것이다. 전산 모의 실험에서는 이온 질량 대 전자 질량의 비를 정확한 비율로 할 수 없는데 전산 모의 실험하는 데 이온과 전자의 운동을 구하는 데 시간차가 너무 많이 발생하기 때문에 100이나 그것보다 작은 값으로 정하는 게 일방적이다. 따라서 이온층 플라즈마 환경에서 정확한 floating potential 의 크기를 예측하기 보다는 고도에 따른 floating potential 의 변화와 이온층 플라즈마 환경의 어떤 factor가 plasma와 sheath에 어떤 영향을 미치는 것을 아는 것이 중요하다. 이온 전리층 영역 140km∼400km에서는 충돌이 거의 무시되는 지역으로 이온 온도 대 전자 온도비와 전자온도가 실제 floating potential drop을 좌우 했고 80km, 100km 영역에서는 충돌률이 클수록 floating potential drop이 증가하는 특성을 보였다.
Spacecraft platforms and systems interact sometimes strongly with the space plasma environment. Due to their mobility, charged particles(electrons, ions) hit external surfaces and, in synergy with the ionization effect by solar UV or high energy Particles, lead to the accumulation of a net electrica...
Spacecraft platforms and systems interact sometimes strongly with the space plasma environment. Due to their mobility, charged particles(electrons, ions) hit external surfaces and, in synergy with the ionization effect by solar UV or high energy Particles, lead to the accumulation of a net electrical of charge build up an electrostatic potential difference between the satellite and the plasma, able to reach many kV negative or a few tens volts positive. We investigated characteristics of ionosphere plasmas and spacecraft surface voltage. The ionosphere has a nearly bell-shaped electron density profile with a gradient length between 10 and 40km. In the polar region the density profile is nearly aligned along the magnetic field. Ifs maximum density usually occurs at a height of 200-300km, where the ionization is typically 1-10%. Since the neutral density decrease exponentially with a scale height of 7km, the electron-neutral and ion-neutral collisions decrease with heights above 75km and electron cyclotron motion and collisionless behavior become important while the ions become collisionless at approximately 125km. In the low ionosphere, an object in space plasma tends to a few V negative on the surface. Due to contact and electrostatic interaction, a spacecraft in the ionosphere plasma environment will collect a large number of charged particles(electrons, ions). Adding to the ionization effects, these various currents will define an electrical balance for the spacecraft-plasma system. The charged spacecraft will repel particles of the same sign(electrostatic barrier) and attract particles of opposite sign. The result will be the creation of a non neutral plasma region around the vehicle called the sheath. The sheath has been investigated by many lab plasma researchers and fusion research laboratory. We employ a one-dimensional electrostatic particle-in-cell code, with collisions incorporated using the Monte Carlo method. While it has been reported previously that the presheath potential drop increases with the ion collision frequency, the effects of electron collisions were not explored. In the collisional case, we investigated floating potential variation with ion-neutral collision frequency. The effects of electron collisions in the plasma sheath are also investigated. We compared plasma sheath formation with only ion-neutral collision effect with one considering ion-neutral collision and electron-neutral collision effect. We note that the reduced electron flux, caused by electron collisions, make the presheath potential shallower as the required ion drift motions to balance the electron current are smaller. Secondly, We researched into plasma sheath formation with the dependence of the plasma parameters on the external magnetic field intensity and magnetic field angle grazing on plasma system. We also studied plasma-sheath relation with collision effect and magnetic field effect. Thirdly, our simulation system treated with collisional plasma sheath structure considering lab plasma system parameters. Finally, We studied plasma floating potential and plasma drift velocity and temperature between 80km and 400km ionosphere region. We compared observed satellite surface voltage with PIC simulation result of space plasma environment from 140km to 400km. The numerical approximation of floating potentials with altitude has been calculated. The data of ionosphere plasma environment of 80km and 100km altitude shows nearly collisional case of plasma. From this region, presheath potential drop increase with collisional frequency due to plasma neutral interactions. Collisionless plasma environment should be formed above 125km region. In this area, floating potential drop has dependence on ion to electron temperature ratio. Electron temperature has a good influence on floating potential drop with the altitude between 140km and 400km. The atmospheric electrical conductivity is nearly isotropic below 70km, but above that altitude the electron-neutral collision frequency becomes smaller than the electron gyro frequency and above 140km, ion-neutral collision frequency becomes smaller than the ion gyro frequency, so that the electrical conductivity becomes anisotropic. Above 140km, ion gyro frequency becomes larger than ion neutral collision frequency and magnetic field effects are dominant over above this altitude. We included magnetic field effect on plasma sheath formation from 140km to 400km ionosphere region. The inclusion of magnetic field shows sheath thickness and sheath potential variation are significantly affected by magnetic field intensity, especially in the case when the magnetic field is parallel to the surface or intersects the surface at small angles. When magnetic angle θ is large ,magnetic field becomes almost perpendicular to the acoustic motion. Therefore, the magnetic force on charged particles will be more, which in turn makes(due to gyration) the particles deviate from the propagation direction, so a less number of charged particles can move to the sheath. Since the density of charged particles will be required lo shield the electric field of the electrode. Hence, the sheath thickness will be more in this case. On the other hand, as S decreases, the effect of the magnetic field on plasma motion becomes weak. Hence , the sheath thickness will decrease. The formation of the sheath and the characteristic variation of the sheath potential and thickness can be obtained from the result of PIC simulation on ionospheric plasma environment using non magnetized plasma and magnetized plasma system.
Spacecraft platforms and systems interact sometimes strongly with the space plasma environment. Due to their mobility, charged particles(electrons, ions) hit external surfaces and, in synergy with the ionization effect by solar UV or high energy Particles, lead to the accumulation of a net electrical of charge build up an electrostatic potential difference between the satellite and the plasma, able to reach many kV negative or a few tens volts positive. We investigated characteristics of ionosphere plasmas and spacecraft surface voltage. The ionosphere has a nearly bell-shaped electron density profile with a gradient length between 10 and 40km. In the polar region the density profile is nearly aligned along the magnetic field. Ifs maximum density usually occurs at a height of 200-300km, where the ionization is typically 1-10%. Since the neutral density decrease exponentially with a scale height of 7km, the electron-neutral and ion-neutral collisions decrease with heights above 75km and electron cyclotron motion and collisionless behavior become important while the ions become collisionless at approximately 125km. In the low ionosphere, an object in space plasma tends to a few V negative on the surface. Due to contact and electrostatic interaction, a spacecraft in the ionosphere plasma environment will collect a large number of charged particles(electrons, ions). Adding to the ionization effects, these various currents will define an electrical balance for the spacecraft-plasma system. The charged spacecraft will repel particles of the same sign(electrostatic barrier) and attract particles of opposite sign. The result will be the creation of a non neutral plasma region around the vehicle called the sheath. The sheath has been investigated by many lab plasma researchers and fusion research laboratory. We employ a one-dimensional electrostatic particle-in-cell code, with collisions incorporated using the Monte Carlo method. While it has been reported previously that the presheath potential drop increases with the ion collision frequency, the effects of electron collisions were not explored. In the collisional case, we investigated floating potential variation with ion-neutral collision frequency. The effects of electron collisions in the plasma sheath are also investigated. We compared plasma sheath formation with only ion-neutral collision effect with one considering ion-neutral collision and electron-neutral collision effect. We note that the reduced electron flux, caused by electron collisions, make the presheath potential shallower as the required ion drift motions to balance the electron current are smaller. Secondly, We researched into plasma sheath formation with the dependence of the plasma parameters on the external magnetic field intensity and magnetic field angle grazing on plasma system. We also studied plasma-sheath relation with collision effect and magnetic field effect. Thirdly, our simulation system treated with collisional plasma sheath structure considering lab plasma system parameters. Finally, We studied plasma floating potential and plasma drift velocity and temperature between 80km and 400km ionosphere region. We compared observed satellite surface voltage with PIC simulation result of space plasma environment from 140km to 400km. The numerical approximation of floating potentials with altitude has been calculated. The data of ionosphere plasma environment of 80km and 100km altitude shows nearly collisional case of plasma. From this region, presheath potential drop increase with collisional frequency due to plasma neutral interactions. Collisionless plasma environment should be formed above 125km region. In this area, floating potential drop has dependence on ion to electron temperature ratio. Electron temperature has a good influence on floating potential drop with the altitude between 140km and 400km. The atmospheric electrical conductivity is nearly isotropic below 70km, but above that altitude the electron-neutral collision frequency becomes smaller than the electron gyro frequency and above 140km, ion-neutral collision frequency becomes smaller than the ion gyro frequency, so that the electrical conductivity becomes anisotropic. Above 140km, ion gyro frequency becomes larger than ion neutral collision frequency and magnetic field effects are dominant over above this altitude. We included magnetic field effect on plasma sheath formation from 140km to 400km ionosphere region. The inclusion of magnetic field shows sheath thickness and sheath potential variation are significantly affected by magnetic field intensity, especially in the case when the magnetic field is parallel to the surface or intersects the surface at small angles. When magnetic angle θ is large ,magnetic field becomes almost perpendicular to the acoustic motion. Therefore, the magnetic force on charged particles will be more, which in turn makes(due to gyration) the particles deviate from the propagation direction, so a less number of charged particles can move to the sheath. Since the density of charged particles will be required lo shield the electric field of the electrode. Hence, the sheath thickness will be more in this case. On the other hand, as S decreases, the effect of the magnetic field on plasma motion becomes weak. Hence , the sheath thickness will decrease. The formation of the sheath and the characteristic variation of the sheath potential and thickness can be obtained from the result of PIC simulation on ionospheric plasma environment using non magnetized plasma and magnetized plasma system.
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