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디바이 길이(Debye length) 및 플라즈마 쉬스(sheath)

2.1 디바이 길이(Debye length)

플라즈마의 가장 큰 특성은 전기적 중성이며, 이는 플라즈마 내 불평형 전하 분리에 의한 전위차(전기장) 발생 시 하전입자의 거동이 해당 전위 차를 상쇄시키는 방향으로 되돌아가는 성질에 있다. 디바이(Debye)란 이 러한 불평형 전하 분리에 의해 형성된 전위차를 전자에너지를 통해 평형 을 이루려는 미소 범위를 말하며, 디바이 차폐란 이러한 플라즈마 내 발 생한 전기장을 차폐하기 위한 하전입자의 움직임을 뜻한다. 디바이 길이 (Debye length)란 하전입자 군을 전기적 중성으로 볼 수 있는 최소 공간 적 거리로서, 플라즈마 내에 있는 하전입자 간 쿨롱력(쿨롱포텐셜)과 열 운동에 의한 상대적 배타력이 같아질 때까지의 상대적 거리이다.

디바이 길이는 식 (2.11) 로 정의되며, 기체의 종류에는 무관하지만, 플 라즈마 내 하전입자(전자)의 밀도와 온도에 따라 달라진다.

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디바이 길이는 플라즈마의 전기적 중성의 성질이 깨지는 영역의 길이를 의미하므로, 플라즈마 상태가 유지되기 위해선 플라즈마의 기하학적 크 기가 디바이 길이 보다 매우 커야 한다[7, 8].

2.2 플라즈마 쉬스(Sheath)

플라즈마와 접촉하는 기벽의 표면은 이온과 전자가 재결합 등으로 소실 돼, 이온과 전자는 기벽 표면으로 확산한다. 이때, 전자의 열속도가 이온 보다 매우 크기 때문에 전자는 이온보다 먼저 표면에 도달하며, 이에 따 라 표면 근처의 플라즈마는 양전하인 이온만 존재하여 전위가 형성된다.

한편, 표면에 모인 전자들 사이엔 전기적인 반발력이 생겨 새로운 전자 를 감속시키고, 이온은 가속하면서 표면에서는 전자의 유입은 적어지고 양이온의 이온은 증가로 인해 평형상태에 이르게 된다. 그 결과 표면에 남아있는 전자의 양 만큼 표면은 음 전위(플라스마에 대한 음의 자기 바 이어스)를 갖게 되며, 플라즈마는 접촉하고 있는 어떤 표면보다 항상 높 은 전위를 갖는다. 플라즈마 쉬스(Sheath)는 이러한 플라즈마 공간 중 음전하가 거의 없는 양전하 영역이며, 그 두께는 디바이 길이와 플라즈 마의 평균자유행로에 의해 달라진다.

플라즈마 쉬스에 걸리는 전압은 쉬스전압으로서 쉬스를 통과하는 전자 들의 선속과 이온의 선속이 같아지도록 형성되며, 그 값은 평판과 구형 각각의 경우에 따라 식(2.12) 와 식(2.13)으로 표현된다. 여기서 쉬스전압 은 부유(Floating) 전압과 동일한 의미를 갖는다.

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 (2.12)

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 (2.13)

그림 2-5. 플라즈마 쉬스 개념도[8].

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