Collision 진공챔버내에서 플라즈마 발생 문의 [플라즈마의 형성 원리]
2013.07.17 17:19
안녕하세요~
저는 분석장비 판매 회사에 다니고 있습니다.
저희장비중에 3000도까지 올리는 유도가열로가있는데 이 장비는 챔버안에 유도코일이있고 그 가운데에 그라파이트 도가니를 넣습니다. 도가니 안에는 그라파이트 파우더가 들어가있구요.
그리고 챔버 커버를 다 닫은 후 처음에는 진공을 잡습니다. 약 2.8 x10-2까지 그리고 나서 아르곤 가스를 넣어주는데 약 30분정도 흘려주고 히팅을 시작하는데 이때 플라즈마 현상이 발생하고 파워가 현저히 떨어지는것을 볼수 있습니다.
정상동작이라면 이 플라즈마가 없어야 되는데...이 플라즈마가 발생하게되어 장비를 사용못하고 있는 상태입니다.
원인이 진공상태에서 히팅을 가해서 그런가 생각되어 챔버내 아르곤 가스 량을 측정해보았으나 아르곤 압력은 약 0.035Mpa정도 나왔습니다. 또한 그라파이트 파우더가 코일과 주변부를 오염시켜 쇼트 문제인가 해서 챔버도 닦아 봤지만 여전히 같은 현상이 발생합니다.
이 플라즈마 현상이 왜 발생하는지 원인을 알수있을까 해서 이렇게 문의를 드립니다.
감사합니다.
방전은 파센의 법칙에 따라서 방전 전압이 형성되면 방전이 개시됩니다. 여기서 방전의 개시는 형성된 전기장에서 가속된 전자가 입자(아르곤)과 충돌하면서 이온화되어 아르곤이온과 전자들이 만들어 지고 이렇게 만들어진 전자들이 다시 공간의 전기장에서 가속되면서 이온화 반응을 계속 일으켜 (산사태반응) 다량의 이온과 전자들이 공존하고 있는 상태, 즉 플라즈마 상태가 됩니다. 이 상태가 존속하려면 생성량이 손실량보다 커야 합니다. 여기서 손실은 이온이 전자와 재결합하는 반응에 의하거나, 전하들이 벽으로 손실되는 양을 의미하나, 대부분 공간 보다는 벽에서 재결합하거나 빠져나가게 됩니다. 이것이 균형을 이루면 플라즈마는 안정적으로 유지되게 됩니다.
따라서 질문에서와 같이 원하지 않은 플라즈마가 생겨 유지된다는 의미는 플라즈마가 형성되어 있는 공간에 이온화에 충분한 전기장, 다르게 표현하면 전자들이 이온화에 충분한 에너지를 갖도록 전기장이 충분히 생겨있다는 의미가 됩니다. 따라서 형성된 전기장을 줄이거나, 전자들이 얻는 에너지를 줄이는 방법이 최선일 것입니다. 전기장을 줄이려면 안테나 (코일) 전류를 줄여야 하겠지만 이렇게 되면 유도 가열 온도도 같이 낮아짐을 고려해야 할 것입니다. 아울러 전자가 얻는 에너지를 줄이는 방법은 전자가 에너지를 얻는 방법이 전기장 공간에서 이동하면서 에너지를 얻게 됩니다. 이동 거리를 평균한 충돌 평균 행정 거리 (mean free path)를 짧게 하는 것으로 압력을 높이면 자연히 MFP가 줄어 들게 됩니다. 하지만 가열온도가 쉽게 식는 효과도 있으니 같이 고려해야 하겠습니다. 따라서 진공 조건이 플라즈마를 만드는 이유는 맞는 것 같으며 우선하는 대체 방법은 운전 압력을 높이는 방법이 되겠습니다. 파우더의 벽면 오염 문제는 방전 보다는 스파크 현상을 야기할 것 같아 마치 불꽃 현상이 보이지 않는다면 벽면 오염은 크게 걱정하지 않아도 좋을 것 같습니다.