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유체 모델을 이용한 유전체 장벽 방전 플라즈마와 전자기파 간의 시간 의존적 상호 작용 분석
Time Dependent Interaction between Electromagnetic Wave and Dielectric Barrier Discharge Plasma Using Fluid Model 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.8, 2014년, pp.857 - 863  

김유나 (연세대학교 전기전자공학과) ,  오일영 (연세대학교 전기전자공학과) ,  정인균 (연세대학교 전기전자공학과) ,  홍용준 (국방과학연구소) ,  육종관 (연세대학교 전기전자공학과)

초록
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전자기파와 플라즈마의 상호 작용을 결정하는 주요 변수는 플라즈마 주파수와 충돌 주파수이며, 이 둘은 각각 전자 밀도와 전자 온도로부터 계산할 수 있다. 이 두 값은 플라즈마 발생기 종류에 따라 결정되는 시간 의존적인 변수이다. 기존의 전파 흡수 특성 연구에서는 수치 해석적 모형의 부재로 인하여 플라즈마의 시간적/공간적 변화를 간략화하거나, 상수로 가정하여 수행하였다. 본 연구에서는 플라즈마 유체 모델을 도입하여 얻어진 시간 의존적 변수 값을 전자기파감쇠량 계산에 이용함으로써 해석의 정확도를 높이는 방식을 제안하였다. 해석 대상인 유전체 장벽 방전 플라즈마는 구조적인 단순함으로 인하여 1차원 분석만으로 플라즈마 분포의 시간적 변화를 반영할 수 있다. 본 논문은 한 주기 내에서 전자 밀도와 전자 온도를 추출하여 마이크로파 입사 시 시간적 흡수 특성 변화를 분석하였다. 또한, 전자 밀도와 전자 온도의 변화에 따라 감쇠량을 계산하여 감쇠 경향성을 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In determining interaction between plasma and electromagnetic wave, plasma frequency and collision frequency are two key parameters. They are derived from electron density and temperature, which vary in an extremely wide range, depending on a plasma generator. Because the parameters are usually unkn...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 플라즈마 유체 모델을 도입하여 얻어진 시간에 따른 플라즈마 분포 변화를 전파 감쇠량 계산에 반영하는 방식을 제안하였다. 이를 통해 전파 흡 수 특성 해석의 정확도를 향상시킬 수 있다.

가설 설정

  • 그러나 소수의 경우를 제외하고는 대부분 발생기 의 전자 밀도와 전자 온도 분포가 일반적으로 알려져 있 지 않다. 따라서 기존의 연구는 플라즈마 내 전자 밀도 분 포를 균일(uniform)[7] 혹은 앱스테인(Epstein) 분포와 같은 단순화된 모형으로 가정하여 계산을 수행하였다[8],[9]. 더 불어 시간에 따라 변화하는 변수 값들로 인한 특성 분석 은 거의 발표되지 않았다.
  • 이때, 평판에 수직 방향으로의 변화가 주된 현상이 며, 평판의 수평 방향으로의 변화는 미미하다. 따라서 평 판 수평 방향인 전자기파 진행 방향으로의 플라즈마 분 포는 일정함을 가정할 수 있다. 결과적으로 평판의 수직 방향에서 플라즈마가 시간에 따라 어떻게 변화하는 지를 계산하는 것으로, 발생기에서 발생된 플라즈마와 전자기 파와의 상호 작용 분석을 수행할 수 있다.
  • 본 모의실험에서는 평판의 길이가 충분하여 가장자리 로 인한 영향이 무시할 만큼 미미하다고 가정한다. 고전 압 발생기에 연결된 평판 전극 사이의 플라즈마의 변화 는 가해준 전압의 시간적 변화에 지배적인 영향을 받게 된다.
  • 본 유체 모델에서는 헬륨 기체를 가정하였으며, 이때 A ≒1.1, B=34 Vㆍcm-1ㆍTorr-1이다. 대기압 환경에서, 간 격 h는 5 mm로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전자기파와 플라즈마의 상호 작용을 결정하는 주요 변수는? 전자기파와 플라즈마의 상호 작용을 결정하는 주요 변수는 플라즈마 주파수와 충돌 주파수이며, 이 둘은 각각 전자 밀도와 전자 온도로부터 계산할 수 있다. 이 두 값은 플라즈마 발생기 종류에 따라 결정되는 시간 의존적인 변수이다.
플라즈마 발생기의 종류는? 플라즈마 발생기의 종류에는 플라즈마 제트(jet), 토치 (torch), 레이저 발생원 플라즈마 등 다양한 방식이 존재한 다. 전자 빔이나 이온 빔 혹은 X-ray 방사 등의 에너지원 을 통하여 얻어지는 방울(blob) 모양의 플라즈마의 전자 밀도는 가우시안(Gaussian)과 엡스테인(Epstein) 분포의 조 합으로 근사시킬 수 있다[3].
전파의 플라즈마와 상호 작용을 분석하기위해 발생기 종류 에 따른 주요 변수 추출이 필요한 이유는? 기체의 외부에서 가해준 높은 에너지는 내부의 분자나 원자를 이온화 시키며, 그 결과로 물질의 상태가 플라즈마로 전환된다. 이 때 발생된 플라즈마는 다수의 대전된 입자들을 포함한다. 플라즈마와 전자기파와의 상호작용 에는 이러한 입자들 중 주로 전자가 기여한다. 구체적으 로는 플라즈마의 상태를 기술하는 다양한 변수 중 전자 밀도(electron density)와 전자 온도(electron temperature) 분 포가 전자기파 변화량 계산에 이용된다[1]. 이 두 변수는 플라즈마 발생기에 따라 그 분포가 큰 차이를 보이며, 그 공간적/ 시간적 변화 범위가 매우 넓다[2]. 따라서 전파의 플라즈마와의 상호 작용을 분석하기 위하여 발생기 종류 에 따른 주요 변수 추출이 선결 과제가 된다.
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참고문헌 (18)

  1. A. P. Zilinskij, I. E. Sacharov, and V. E. Golant, Fundamentals Plasma Physics, Moscow: MIR, 1983. 

  2. A. Schutze, J. Y. Jeong, S. E. Babayan, J. Park, G. S. Selwyn, and R. F. Hicks, "The atmospheric-pressure plasma jet: A review and comparison to other plasma sources", Plasma Science, IEEE Transactions on, vol. 26, no. 6, pp. 1685-1694, 1998. 

  3. B. Chaudhury, S. Chaturvedi, "Study and optimization of plasma-based radar cross section reduction using threedimensional computations", Plasma Science, IEEE Transactions on, vol. 37, no. 11, pp. 2116-2127, 2009. 

  4. B. Chaudhury, S. Chaturvedi, "Three-dimensional computation of reduction in radar cross section using plasma shielding", Plasma Science, IEEE Transactions on, vol. 33, no. 6, pp. 2027-2034, 2005. 

  5. B. Chaudhury, S. Chaturvedi, "Comparison of wave propagation studies in plasmas using three-dimensional finite- difference time-domain and ray-tracing methods", Physics of Plasmas, vol. 13, no. 12, pp. 123302, 2006. 

  6. B. Chaudhury, S. Chaturvedi, "Study and optimization of plasma-based radar cross section reduction using threedimensional computations", Plasma Science, IEEE Transactions on, vol. 37, no. 11, pp. 2116-2127, 2009. 

  7. O. Il-Young, H. Yongjun, and Y. Jong-Gwan, "Extremely low dispersion higher order (2,4) 2-D-FDTD scheme for maxwell-boltzmann system", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 61, no. 12, pp. 6100-6106, 2013. 

  8. G. Cerri, F. Moglie, R. Montesi, P. Russo, and E. Vecchioni, "FDTD solution of the maxwell-boltzmann system for electromagnetic wave propagation in a plasma", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 56, pp. 2584-2588, 2008. 

  9. H. W. Yang, "A FDTD analysis on magnetized plasma of Epstein distribution and reflection calculation", Computer Physics Communications, vol. 180, no. 1, pp. 55- 60, 2009. 

  10. J. Boeuf, L. Pitchford, "Electrohydrodynamic force and aerodynamic flow acceleration in surface dielectric barrier discharge", Journal of Applied Physics, vol. 97, no. 10, pp. 103307-103307-10, 2005. 

  11. COMSOL, Comsol multiphysics modeling guide 4.3b (COMSOL AB, Stockholm, 2013). 

  12. D. B. Graves, K. F. Jensen, "A continuum model of DC and RF discharges", Plasma Science, IEEE Transactions on, vol. 14, no. 2, pp. 78-91, 1986. 

  13. A. A. Fridman, L. A. Kennedy, Plasma Physics and Engineering, CRC, 2004. 

  14. A. K. Srivastava, M. K. Garg, K. G. Prasad et al., "Characterization of atmospheric pressure glow discharge in helium using Langmuir probe, emission spectroscopy, and discharge resistivity", Plasma Science, IEEE Transactions on, vol. 35, no. 4, pp. 1135-1142, 2007. 

  15. A. Srivastava, G. Prasad, P. Atrey, and V. Kumar, "Attenuation of microwaves propagating through parallel-plate helium glow discharge at atmospheric pressure", Journal of Applied Physics, vol. 103, no. 3, pp. 033302- 033302-7, 2008. 

  16. G. Cerri, F. Moglie, R. Montesi et al., "FDTD solution of the Maxwell-Boltzmann system for electromagnetic wave propagation in a plasma", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 56, no. 8, pp. 2584- 2588, 2008. 

  17. P. Baille, J. -S. Chang, A. Claude, R. Hobson, G. Ogram, and A. Yau, "Effective collision frequency of electrons in noble gases", Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics, vol. 14, no. 9, p. 1485, 1981. 

  18. Y. Kim, I-. Y. Oh, Y. Hong, and J-. G. Yook, "Numerical investigation of interaction between argon glow discharge and electromagnetic waves", Isromac-15, Feb. 2014. 

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