ICP skin depth에 대한 이해
2024.04.02 16:59
안녕하십니까, 교수님. 플라즈마에 관심이 많은 전자과 학부생입니다.
ICP에서의 skin depth에 대해 알아보고 있는데, 궁금한 점이 있어 질문 드리고 싶습니다.
skin depth는 전자기파가 챔버 내로 침투할 수 있는 길이로, 플라즈마 밀도가 높아질수록 해당 길이는 짧아진다고 알고 있습니다.
고밀도 플라즈마에서는 quartz window 근방에 형성된다고 알고 있는데, 그렇다면 icp는 주로 해당 부근에서 전자가 가속된다고 생각해도 될까요?(CCP가 Cathode fall 부근에서 주로 가속되는 것과 비슷하게).
비슷한 방면으로, icp에서 E-mode->H mode로 전환되며 플라즈마 밀도가 커지면서 skin depth 또한 줄어들 것이니, 플라즈마 형성 초기에는 전자가 흡수하는 에너지가 커지다가, 이후 점차 작아질 것이라고 생각하는데, 이러한 태생적인 특징이 icp 플라즈마 밀도 증가의 한계에 영향을 끼친다고 볼 수 있을까요?
감사합니다.
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Skin depth는 플라즈마 전자밀도의 1/2에 반비례 하는 것은 맞습니다. skin depth 내에서 RF energy는 전자가열에 쓰여 플라즈마를 생성 유지하는 가열조건이 됩니다. 따라서 skin depth 내의 전기장 에너지를 전자 가열에 효율적으로 쓰인다면 밀도는 점차 높아지면서 skin depth는 점차 얇아져 플라즈마내로 침투가 어려워질 것입니다.
예로서, 메탈박스 내에서는 무선 송/수신이 잘 안되는 현상이 발생하겠지요. 전면 반사파가 되니, 에너지가 투입될 공간이 없고, 이렇게 되면 플라즈마 생성은 요원해 질 것입니다.
따라서 질문은 흥미롭게도, 플라즈마 상태는 메탈같이 전자밀도가 높아진다면 당연히 전자기파는 침투할 수 없는 skin depth가 거의 0 에가까워 지게 됩니다. 하지만 플라즈마는 기체 상태에서 이온화된 가스 상태이므로 메탈의 전자밀도에 도달하기 매우 힘듧니다. (핵융합 플라즈마에서는 거의 가능합니다.) 따라서 일반 저온 플라즈마에서는 RF가 침투할 깊이는 존재하고, 그 공간에서 RF 전력이 전자 가속에 필요한 에너지를 전달하고, 전자 충돌 이온화 반응으로 플라즈마를 생성시키게 됩니다. 따라서 플라즈마 생성 효율을 논의할 때 skin depth의 공간 예측은 투입에너지 총량을 추척할 때 매우 유효한 인자가 됩니다.
Skin depth 내에서의 가열을 RF 전자기파로 H 모드 전력의 입사 공간이라 생각하면 좋겠고, 반드시 수반되는 E 모드 전력은 stochastic heating 특성을 가지는 공간이 공존하니, iCP 플라즈마 전력은 E모드 전력+H모드 전력의 가정을 가지고 해석하는 것이 좋습니다.