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문제 정의
- 오늘날 대부분의 공진 공동은 내부 구성이 균질물질인 것을 가정하고 설계 제작되지만 본 논문의 실험결과를 통해 내부 구성물질들의 불균질성으로 인한 유효유전율의 변화가 마이크로웨이브 공진 공동에서 플라즈마의 방전과 유지에 상당한 영향을 미침을 확인하였다. 균질물질을 가정한 공동 설계는 내부 유전체의 존재로 인해 더 이상 최적 공진 구조가 아니지만 공동길이의 변화를 통해 석영관내부로 전기장을 다시 집중시킬 수 있음을 본 논문을 통해 논하였다. 하지만 고밀도 플라즈마 영역의 확장시에는 공진 조건이 파괴되고 플라즈마로의 직접적인 에너지 흡수가 지배적이 되므로 더 이상의 공동 최적화는 무의미하며 공동길이의 조절은 오로지 매칭의 문제에서만 고려할 대상으로 남는다고 할 것이다.
- Yu A Lebedev의 논문은 공동의 한축의 길이 조절을 통해서 방전 후 플라즈마에 전달되는 마이크로웨이브 에너지의 효율을 높일 수 있다고 결론을 맺고 있지만 방전 발생전, 공동내부의 석영관에 전기장이 최대로 집중되기 위한 공동길이 최적화에 대한 구체적인 언급은 없었다. 본 논문에서는 Yu A Lebedev의 연구에 대한 보완으로써 방전을 위한 공동구조의 구체적인 최적화 조건을 설명하고, 추가적으로 마이크로웨이브가 투과할 수 없는 고밀도 플라즈마 영역의 확장으로 인해 300W이상의 입력 전력에서는 공동에서 공진의 발생 여부가 공동구조에 크게 영향을 받지 않게 됨을 통해 공동의 한축 길이 변화로써 마이크로웨이브 에너지 전달 효율을 높일 수 있다는 Lebedev의 결론이 수정되어야 함을 논하고자 한다.
- 하지만 약 100W의 낮은 전력 인가시 공진 공동의 최적화에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마의 밀도는 약 10배의 차이가 나는 것에 비해 입력전력이 300W로 증가하였을 때는 25%의 차이에 그치는 것을 확인함으로써 입력 전력 증가시 플라즈마 밀도의 공진 공동길이에 대한 경향성이 감소한다는 판단을 내릴 수 있었다. 본 논문에서는 실험을 통해 도출한 방전 전과 후 공동의 최적 길이와 입력 전력 증가시의 공동내 공진 파괴 현상에 대해 플라즈마의 발생을 결정짓는 직접적인 인자인 석영관 내의 전기장분포를 통해 설명하는 것을 최종목표로 한다.
- 1)을 통해 계산한 공진 공동의 내부는 균질물질로 구성됨을 전제로 하기 때문에 내부 구성 물질들과 플라즈마의 발생여부로 인해 균질성이 깨어질 경우에는 공동의 유효유전율이 바뀌므로 공진에 적합한 공동의 구조 또한 변한다. 유효유전율을 고려한 공진 공동 길이의 최적화는 마이크로웨이브 플라즈마의 방전과 운전시에 에너지 전달효율을 결정짓는 중요한 문제이므로 방전시작전력과 플라즈마 밀도 측정 실험을 통해 방전시작 전과 후 각각에 최적화된 공진 공동의 길이를 찾고자 하였다. 하지만 약 100W의 낮은 전력 인가시 공진 공동의 최적화에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마의 밀도는 약 10배의 차이가 나는 것에 비해 입력전력이 300W로 증가하였을 때는 25%의 차이에 그치는 것을 확인함으로써 입력 전력 증가시 플라즈마 밀도의 공진 공동길이에 대한 경향성이 감소한다는 판단을 내릴 수 있었다.
가설 설정
- 식 (5.1)을 통해 도체로 가정한 고밀도 플라즈마의 전도성을 약 20 [siemens/m]로 지정하였고 안테나와 석영관을 연결하는 중심 축에 수직한 방향의 밀도분포는 중심축에서 최대가 되며 중심축을 기준으로 대칭성을 가지고, 석영관과 나란한 축은 모드를 0으로 지정하였으므로 균일한 밀도 분포를 가정하였다. 이러한 가정하에서 공동길이가 160mm인 공동에 100W의 마이크로웨이브를 인가하였을 때 형성되는 전기장 분포를 모사한 HFSS의 결과는 Figure 8과 같다.
- 이 때 μr과 εr는 공동의 내부를 채우고 있는 물질에 따라 결정이 되는데 공동 내부를 균질한 물질로 가정한다.
- 플라즈마의 밀도가 7.47 × 1016[m-3]인지점에서 마이크로웨이브는 더 이상 투과를 하지 못하고 반사가 이루어지고 플라즈마 내부에서의 전기장은 존재하지 않는다는 가정하에 경계층의 내부는 일정한 전도성을 가지는 도체로 설정을 하였는데 플라즈마의 전도성은 다음과 같다.
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