[논문]충격파 내에서 형성되는 아르곤 기체의 운동 에너지 분포와 속도 분포에 대한 비평형 분자동역학 모의실험 연구

황현석; 이지혜; 권찬호; 김홍래; 박민규; 김성식

doi:10.9766/kimst.2011.14.1.147

충격파 내에서 형성되는 아르곤 기체의 운동 에너지 분포와 속도 분포에 대한 비평형 분자동역학 모의실험 연구
Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation Study of Kinetic Energy and Velocity Distribution Profiles of Argon Gases in Shock Waves 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.1, 2011년, pp.147 - 153

황현석 (강원대학교 화학과) , 이지혜 (강원대학교 화학과) , 권찬호 (강원대학교 화학과) , 김홍래 (강원대학교 화학과) , 박민규 (국방과학연구소) , 김성식 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

A series of nonequilibrium molecular dynamics(NEMD) simulations are performed to investigate the kinetic energy and velocity distributions of molecules in shock waves. In the simulations, argon molecules are used as a medium gas through which shock waves are propagating. The kinetic energy distribution profiles reveals that as a strong shock wave whose Mach number is 27.1 is applied, 39.6% of argon molecules inside the shock wave have larger kinetic energy than molecular ionization energy. This indicates that an application of a strong shock wave to argon gas can give rise to an intense light. The velocity distribution profiles in z direction along which shock waves propagate clearly represent two Maxwell-Boltzmann distributions of molecular velocities in two equilibrium regions and one bimodal velocity distribution profile that is attributed to a nonequilibrium region. The peak appearing in the directional temperature in z direction is discussed on a basis of the bimodal velocity distribution in the nonequilibrium region.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

. 또한, 얻어진 운동 에너지 분포를 이용하여 충격파 발생 시 충격파 내의 각 영역에 존재하는 분자들의 이온화 가능성에 대해 논의한다.
본 논문에서는 비평형 분자동역학 모의실험을 이용하여 아르곤 기체에 충격파를 가할 때 나타나는 평형 영역과 비평형 영역을 구분하고, 각 영역에서 형성되는 분자들의 운동 에너지 분포와 속도 분포에 대한 연구 결과를 발표한다^[10～14]. 또한, 얻어진 운동 에너지 분포를 이용하여 충격파 발생 시 충격파 내의 각 영역에 존재하는 분자들의 이온화 가능성에 대해 논의한다.

가설 설정

충격파에 의해 아르곤 기체에서 발생하는 섬광의 원인에 대해 크게 두 가지 메커니즘이 제안되고 있다. 두 메커니즘에서 공통적으로 큰 운동 에너지를 갖는 분자가 다른 분자와 비탄성 충돌을 할 때 충돌한 분자의 운동 에너지가 다른 분자의 전자 에너지로 전환되는 것을 가정한다. 두 메커니즘의 차이점은 첫 번째 메커니즘에서는 충돌하는 분자의 운동 에너지가 이온화 에너지보다 충분히 커서 다른 분자의 전자 에너지로 전환될 때 전자가 원자핵으로부터 분리되어 충격파 전선 후면에서 플라즈마 상태가 형성된다고 가정한다.
두 메커니즘에서 공통적으로 큰 운동 에너지를 갖는 분자가 다른 분자와 비탄성 충돌을 할 때 충돌한 분자의 운동 에너지가 다른 분자의 전자 에너지로 전환되는 것을 가정한다. 두 메커니즘의 차이점은 첫 번째 메커니즘에서는 충돌하는 분자의 운동 에너지가 이온화 에너지보다 충분히 커서 다른 분자의 전자 에너지로 전환될 때 전자가 원자핵으로부터 분리되어 충격파 전선 후면에서 플라즈마 상태가 형성된다고 가정한다. 이 메커니즘에서는 플라즈마 상태의 전자가 원자핵과 재결합한 후에 낮은 에너지 준위로 전이하는 과정에서 방출하는 빛이 섬광의 주된 발생 원인이 된다고 주장한다.

제안 방법

결론적으로 본 분자동역학 모의실험의 총 모의실험 시간은 150ps이며, 처음 100ps 동안은 NVT 평형 분자동역학 모의실험을, 충격파가 발생하는 나중 50ps 동안은 NVE 비평형 분자동역학 모의실험을 실행하였다. 통계적으로 의미 있는 열역학 값들을 얻기 위하여 평형 분자동역학 모의실험에서 얻은 분자 구성 중 30개를 임의 추출하여 각 분자 구성에 대하여 비평형 분자동역학 모의실험을 실행하였고, 이를 평균하여 결과로 이용하였다.
이 메커니즘에서는 플라즈마 상태의 전자가 원자핵과 재결합한 후에 낮은 에너지 준위로 전이하는 과정에서 방출하는 빛이 섬광의 주된 발생 원인이 된다고 주장한다. 두 번째 메커니즘에서는 운동 에너지가 다른 분자의 전자 에너지로 전환되어 전자가 들뜬 상태로 전이된 후에 다시 바닥 상태나 낮은 들뜬 상태로 전이할 때 방출하는 빛을 광원의 주된 원인으로 제안한다. 기체에 충격파를 가했을 때 발생하는 빛의 스펙트럼 형태는 위의 두 메커니즘 모두가 섬광의 발생 원인이 될 수 있음을 암시한다^[8].
0221g/cm³이며, 비평형 분자동역학 모의실험 시간 동안 기체 상태를 유지한다. 모의실험의 초기 구성을 정한 후에 먼저 NVT 평형 분자동역학 모의실험을 100ps 동안 실행하여 아르곤 기체들이 충격파가 발생하기 전의 평형 상태에 도달하도록 한다. 본 평형 분자동역학 모의실험에서 사용한 시간 간격(time step)은 4fs이고, 200fs마다 velocity scaling 방법을 이용하여 평형 상태에서 온도를 298K로 일정하게 유지한다.
본 논문에서는 비평형 분자동역학 모의실험을 이용하여 아르곤 기체와 같은 비활성 기체에 충격파가 진행할 때 나타나는 충격파 내의 분자들의 운동 에너지 분포와 속도 에너지 분포를 구하였다. 비평형 분자 동역학 모의실험에서 폭발 시의 폭속과 유사한 8.
본 논문에서는 비평형 분자동역학 모의실험을 이용하여 아르곤 기체와 같은 비활성 기체에 충격파가 진행할 때 나타나는 충격파 내의 분자들의 운동 에너지 분포와 속도 에너지 분포를 구하였다. 비평형 분자 동역학 모의실험에서 폭발 시의 폭속과 유사한 8.73km/s 속도를 갖는 충격파를 발생시켰으며, 아르곤 분자들의 밀도 분포 곡선과 방향적 온도를 이용하여 저온 평형 영역, 고온 평형 영역, 그리고 비평형 영역을 구분하였다. 분자들의 운동 에너지와 이온화 에너지를 비교하여 충격파가 발행한지 50ps 후에 이온화가 가능한 분자들의 수를 구하였으며, 고온 평형 영역에서는 약 46.
8bar이다^[17]. 아르곤 기체들이 평형 상태에 도달한 후에 NVE 비평형 분자동역학 모의실험을 실행한다. 비평형 분자동역학 모의실험에서는 50ps 동안 피스톤을 +z 방향으로 6.
1의 충격파가 발생한 지 50ps 후에 전 영역과 각 영역에서 구한 아르곤 분자들의 x 방향 속도 분포. 영역 0에서 최대값을 1.0으로 했을 때에 대한 상대적인 값들을 다른 영역에서의 값으로 정하였다.
이온화 에너지 이상의 운동 에너지를 갖는 분자 수를 각 영역 별로 알아보기 위해 비평형 분자 동역학 모의실험을 이용하여 아르곤 분자들의 운동 에너지 분포를 구하였다. Fig.
피스톤의 속도가 6.5km/s일 때 발생하는 충격파의 속도를 구하기 위해 먼저 충격파가 발생한 후에 5ps 마다 z 방향의 함수로 아르곤 분자의 밀도 분포를 계산하였다. Fig.

대상 데이터

분자의 운동 에너지 분포와 속도 분포를 얻기 위해 사용되는 모의실험 상자는 150Å × 150Å × 6500Å의 크기를 가지며, 모의시험 상자 속에 총 48750개의 분자가 존재한다.

데이터처리

결론적으로 본 분자동역학 모의실험의 총 모의실험 시간은 150ps이며, 처음 100ps 동안은 NVT 평형 분자동역학 모의실험을, 충격파가 발생하는 나중 50ps 동안은 NVE 비평형 분자동역학 모의실험을 실행하였다. 통계적으로 의미 있는 열역학 값들을 얻기 위하여 평형 분자동역학 모의실험에서 얻은 분자 구성 중 30개를 임의 추출하여 각 분자 구성에 대하여 비평형 분자동역학 모의실험을 실행하였고, 이를 평균하여 결과로 이용하였다.

이론/모형

비평형 분자 동역학 모의실험을 이용하면 평형 영역인 영역 0과 영역 1에서의 밀도, 온도, 그리고 압력을 구할 수 있다. Table 2에 각각 비평형 분자 동역학 모의실험과 충격파에 대한 이론인 Rankine-Hugoniot 식들^[4,15,16]을 이용하여 평형 영역인 영역 0과 영역 1에서 얻어진 밀도, 온도, 그리고 압력에 대한 비가 나와 있다. 얻어진 값들로부터 비평형 분자동역학 모의실험 결과가 Rankine-Hugoniot 식들로부터 얻어진 값들과 잘 일치함을 알 수 있다.

성능/효과

(1) 식을 이용하여 얻어진 충격파의 속도는 8.73km/s이며, 이는 고성능 화약 폭발 시의 폭속과 매우 유사함을 알 수 있다. 아르곤 기체 속을 통과하는 음파의 속도는 298K에서 0.
6% 정도의 아르곤 분자들이 이온화 될 수 있음을 보여준다. 각 영역 별로 비교를 해보면 충격파가 지나간 후에 형성되는 고온 평형 영역인 영역 1에서는 약 46.7%의 분자들이 이온화가 가능하고, 충격파 전선 바로 후면의 비평형 영역인 영역 2에서는 약 30.9%의 분자들이 이온화가 가능함을 알 수 있다. 충격파가 도달하기 전의 영역인 영역 0에서는 이온화가 가능한 분자들이 존재하지 않는다.
모의실험 결과는 모의실험 상자 내에 존재하는 분자들 중 약 31.4%의 분자들이 이온화 에너지 이상의 운동 에너지를 갖고 있음을 보여준다. 충격파 내에 존재하는 아르곤 분자 38679개 중에 이온화 에너지 이상의 운동 에너지를 갖는 분자의 수는 15303개로써, 약 39.
73km/s 속도를 갖는 충격파를 발생시켰으며, 아르곤 분자들의 밀도 분포 곡선과 방향적 온도를 이용하여 저온 평형 영역, 고온 평형 영역, 그리고 비평형 영역을 구분하였다. 분자들의 운동 에너지와 이온화 에너지를 비교하여 충격파가 발행한지 50ps 후에 이온화가 가능한 분자들의 수를 구하였으며, 고온 평형 영역에서는 약 46.7%, 그리고 비평형 영역에서는 30.9%의 분자들이 이온화가 될 가능성이 있음을 알 수 있었다. 비평형 분자동역학 모의실험으로부터 구한 x 방향 속도 성분은 모든 영역에서 v_x = 0을 중심으로 좌우 대칭으로 분포되어 있고, 평형 상태인 영역 0과 영역 1에서 Maxwell-Boltzmann 속도 분포식의 예측과 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
9%의 분자들이 이온화가 될 가능성이 있음을 알 수 있었다. 비평형 분자동역학 모의실험으로부터 구한 x 방향 속도 성분은 모든 영역에서 v_x = 0을 중심으로 좌우 대칭으로 분포되어 있고, 평형 상태인 영역 0과 영역 1에서 Maxwell-Boltzmann 속도 분포식의 예측과 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. z 방향 속도 성분은 x 방향 속도 성분과 달리 영역 1에서는 v_z = 6.
Table 2에 각각 비평형 분자 동역학 모의실험과 충격파에 대한 이론인 Rankine-Hugoniot 식들^[4,15,16]을 이용하여 평형 영역인 영역 0과 영역 1에서 얻어진 밀도, 온도, 그리고 압력에 대한 비가 나와 있다. 얻어진 값들로부터 비평형 분자동역학 모의실험 결과가 Rankine-Hugoniot 식들로부터 얻어진 값들과 잘 일치함을 알 수 있다.
5km/s와 연관되어 있음을 알 수 있었다. 영역 2에서 z 방향 속도 성분은 v_z = 0km/s과 vz = 6.5km/s 두 값을 중심으로 비대칭으로 분포되어 있고, 이로 인해 z 방향의 방향적 온도인 T_z가 영역 2에서 큰 값을 갖는 봉우리가 형성됨을 알 수 있었다.
위에서 언급한 섬광 발생 메커니즘으로부터 유추할 수 있듯이 충격파 내 분자들의 운동 에너지는 섬광의 세기와 밀접한 관계가 있다. 즉, 분자의 이온화 에너지 이상의 운동 에너지를 갖는 분자들의 수가 많을수록, 그리고 전자들을 들뜬 상태로 전이시킬 수 있는 운동 에너지를 갖는 분자들이 많을수록 섬광의 세기는 증가하게 될 것이다. 그러므로 충격파 내에서 분자들의 운동 에너지 분포를 정확하게 이해하는 것은 효과적인 섬광발생장치를 설계함에 있어서 매우 중요하다.

후속연구

아르곤 분자의 전자 구조와 비평형 분자동역학 모의실험으로부터 얻어진 아르곤 분자들의 운동 에너지 분포를 이용하여, 후속 연구에서는 분자들의 운동 에너지가 전자 에너지로 전달되어 들뜬 전자들이 더 낮은 에너지 준위로 전이할 때 발생할 수 있는 방출 스펙트럼의 파장과 세기를 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격파 내 분자들의 운동 에너지는 무엇과 연관되어 있는가?	위에서 언급한 섬광 발생 메커니즘으로부터 유추할 수 있듯이 충격파 내 분자들의 운동 에너지는 섬광의 세기와 밀접한 관계가 있다. 즉, 분자의 이온화 에너지 이상의 운동 에너지를 갖는 분자들의 수가 많을수록, 그리고 전자들을 들뜬 상태로 전이시킬 수 있는 운동 에너지를 갖는 분자들이 많을수록 섬광의 세기는 증가하게 될 것이다.
	방향적 온도는 무엇과 연관있는가?	방향적 온도(directional temperature)는 각 분자의 속도 벡터를 구성하는 방향 성분의 표준 편차와 연관되어 있으며, 그 정의는 다음과 같다.
	충격파에 의해 아르곤 기체에서 발생하는 섬광의 원인에 대한 두가지 메커니즘의 차이점은?	두 메커니즘에서 공통적으로 큰 운동 에너지를 갖는 분자가 다른 분자와 비탄성 충돌을 할 때 충돌한 분자의 운동 에너지가 다른 분자의 전자 에너지로 전환되는 것을 가정한다. 두 메커니즘의 차이점은 첫 번째 메커니즘에서는 충돌하는 분자의 운동 에너지가 이온화 에너지보다 충분히 커서 다른 분자의 전자 에너지로 전환될 때 전자가 원자핵으로부터 분리되어 충격파 전선 후면에서 플라즈마 상태가 형성된다고 가정한다. 이 메커니즘에서는 플라즈마 상태의 전자가 원자핵과 재결합한 후에 낮은 에너지 준위로 전이하는 과정에서 방출하는 빛이 섬광의 주된 발생 원인이 된다고 주장한다. 두 번째 메커니즘에서는 운동 에너지가 다른 분자의 전자 에너지로 전환되어 전자가 들뜬 상태로 전이된 후에 다시 바닥 상태나 낮은 들뜬 상태로 전이할 때 방출하는 빛을 광원의 주된 원인으로 제안한다. 기체에 충격파를 가했을 때 발생하는 빛의 스펙트럼 형태는 위의 두 메커니즘 모두가 섬광의 발생 원인이 될 수 있음을 암시한다[8].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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