8. 플라즈마 진단: 이온에너지분포 측정 - Retarding Potential Analyzer (RPA)

 

전기추력기, 즉, 플라즈마 추력기는 고에너지(=고속)의 이온을 분출함으로써 높은 비추력으로 추력을 발생시키는 우주추진 장치이다. 그렇다면 이온의 에너지는 얼마나 높을까? 분출되는 이온이 100개라면 100개 모두 같은 에너지를 가질까? 이러한 질문에 답하기 위해서는 이온에너지분포를 측정해야하는데, 이 때 쓰이는 플라즈마 진단장치가 바로 오늘 소개할 Retarding Potential Analyzer (RPA)다.

(진단장치 게시글은 다른 글보다 난이도가 높으니 유의)

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전기추력기는 이온을 분출하는만큼 전자 또한 방출한다. 따라서 이온의 물리적 특정을 파악하고자 할 때는 전자에 의한 효과를 배제해야하는데, 마찬가지로 이온에너지분포를 측정하는 RPA 또한 전자가 신호로 수집되는 것을 차단해 이온전류만을 선택적으로 측정한다.

 

1. RPA의 원리

모든 전하는 아래와 같이 electric potential 변화($\triangle V$)에 따라 운동에너지($\triangle W$)를 얻거나 잃는다.

$$\triangle W = - ke \triangle V$$

RPA는 전압을 걸어 이온의 진입장벽(ion retarding potential)을 만들어 전압에 해당하는 에너지 이상의 운동에너지를 갖는 이온전류를 선택적으로 수집한다. 측정된 "전압 vs. 이온전류" 데이터를 전압으로 미분하면 이온에너지분포를 얻게 되는데, Fig. 1이 이것을 보여준다. 미분이 낯설다면 아래 문단을 통해 이해해보자.🥲

 

전기추력기의 양이온들은 $k$가 양의 정수이므로 전압이 떨어지면 운동에너지를 얻고, 반대로 전압이 오르면 운동에너지를 잃는다. $k=1$ 인 1가 이온의 예시를 살펴보자. 진입장벽으로 100 V를 걸면 100 eV 이상의 에너지를 갖는 이온만 속도의 방향을 유지하고 장벽을 통과하므로 선택적인 이온전류 측정이 가능하다. 그리고 진입장벽으로 101 V를 걸면 101 eV 이상의 에너지를 갖는 이온전류가 측정된다. 다시 말해 우리가 100 V와 101 V를 걸어 이온전류를 측정했다면, 100 V에서 측정한 이온전류에서 101 V에서 측정한 이온전류를 뺌으로서 100 ~ 101 eV 범위의 에너지를 갖는 이온전류를 얻게된다. 따라서 RPA의 인가전압을 0 V에서 1000 V 까지 쭉 스캔하며 이온전류를 측정한다면 그 에너지 대역에 해당하는 이온에너지분포를 얻을 수 있다.

Fig. 1. RPA 측정데이터와 해석 예시 (양극전압 300 V 홀추력기 시험 예시)

Fig. 1의 이온에너지분포를 조금 더 면밀히 들여다보자. $x$축은 RPA에서 이온의 에너지를 분별하기 위해 인가한 전압을 의미한다. 일반적으로 전기추력기에서 우세종을 띄는 $k$=1인 단일하전이온(singly charge ion)의 경우 ion retarding potential 이상의 운동에너지를 가졌을 경우에만 RPA 신호로 기록된다. Fig. 1의 이온에너지분포는 양극에 300 V의 전압을 인가한 홀추력기에서 측정한 예시로, 270 eV를 갖는 이온이 가장 많고 300 eV를 넘는 이온은 소수라는 정보를 내포하고 있다. (다중전하를 고려하면 사소한 오류가 있는 설명입니다. 조금만 생각해보면 잘못된 점을 찾을 수 있을테니 고민해보고 궁금증이 풀리지 않는다면 댓글 남겨주세요ㅎㅎ)

 

2. RPA의 구조

일반적인 RPA의 구조는 Fig. 2와 같다. 이온을 측정할 때는 이온빔이 통과할 구멍을 만드는데, 구멍이 너무 작으면 통과하는 이온의 수가 적어지다보니 신호가 너무 작아져 noise에 취약해지고, 구멍이 너무 크면 이온이나 전자를 거르기 위해서 인가한 전압을 이온과 전자가 제대로 느끼지 못한다.

RPA는 전자를 차단하여 이온만 선택적으로 측정해야 하므로 이온을 통과시키기 위해 만든 구멍을 통과하는 전자는 최소화해야 한다. 전자를 막아내려면 구멍이 작아햐 하므로 방충망처럼 촘촘한 grid를 쓰고 최종적으로 이온을 측정하는 collector는 평면의 금속을 사용한다. 주요 부품의 역할은 아래 표에 정리하였다.

 

Fig. 2. RPA의 구조

구분	역할
(1) Floating grid	RPA를 전기추력기 플라즈마로부터 구분.
		RPA로 들어오는 전자와 이온의 유입량을 제한하여 내부에서 플라즈마가 발생하지 않도록 하며, 전기추력기 플라즈마 요동의 영향을 완화한다.
(2) Electron repelling grid-1	전기추력기 플라즈마에서 오는 전자를 차단.
		전자온도의 4-5배 이상의 음전압을 걸면 대부분의 전자가 차단된다. 시험환경에 따라 전자온도가 다르지만 환경이 나쁘지 않다면 -25 V 또는 -30 V로 충분하다.
(3) Ion retarding grid	Collector에 수집될 이온에너지 하한을 스캔.
		Electrostatic type의 경우, 양극전압보다 높은 전압까지 스캔한다.
(4) Electron repelling grid-2	RPA 내부에서 발생한 전자를 다시 한 번 차단해 noise 최소화. (때에 따라 생략)
		Electron repelling grid와 ion retarding grid 간의 전압차로 인해 RPA 내부에서 미세하게나마 플라즈마가 발생하거나, 고에너지의 이온이 grid에 때려박으며 grid에서 전자가 튀어나올 수 있다. (4)는 그로부터 기인한 전자가 collector에 들어오지 않도록 한다.
(5) Collector	최종적으로 걸러진 이온전류를 측정.
		Collector에서 나가는 신호를 절연 잘해서 동축선으로 뽑아낸다.

 

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RPA는 전기추력기가 만들어낸 이온이 얼마만큼 높은에너지로 분출되고 있는가를 판별하는 핵심적인 진단장치이다. Electrostatic type 전기추력기의 경우, 300 V를 걸었을 때 모든 1가 이온이 300 eV를 가지는 이상적인 상황이 가능하면 좋겠지만 실제로 그런 일은 일어나지 않는다... 전기추력기 구동에 적합하지 못한 운용조건에서는 100 eV가 될 수도 있는데, RPA를 사용하면 빠르고 손쉽게 현 상황을 파악할 수 있다.

 

하지만 RPA는 태생적으로 두 가지 한계가 존재한다.

• Grid로 인한 이온에너지분포는 손실된 이온전류로부터 추정된 값이므로, 전기추력기가 만들어낸 이온전류량은 grid를 쓰지 않는 다른 장치로 측정해야 한다.
  • ⇒ Faraday probe 사용
• 2+(2가 이온), 3+(3가 이온) 과 같은 다중이온을 1가 이온으로부터 분별하지 못한다.
  • ⇒ Velocity-meter 사용 (주로 ExB probe)

다음 게시글에서는 전기추력기가 만들어낸 이온전류량을 측정하는 장치, Faraday probe에 대해 알아본다.

 

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*. References

[1] D. M. Goebel and G. Becatti, “Compact scanning retarding potential analyzer,” Rev. Sci. Instrum. 92, 013511 (2021), https://doi.org/10.1063/5.0035964