[논문 리뷰] Axial momentum gains of ions and electrons in magnetic nozzle acceleration

Kazuma Emoto, Kazunori Takahashi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 20.

Plasma Diagnostics and Applications참고 문헌 39인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 완전한 운동적 PIC-MCC 시뮬레이션을 사용하여 자기 노즐 RF 플라즈마 추진기에서 전자가 주로 비자성 이동 전류에 의한 루프르 힘을 통해 축방향 운동량을 획득함을 입증한다. 전기력보다는 자기력이 주요 원인이다. 자기장 강도가 증가함에 따라 전자의 축방향 운동량 획득이 이온보다 우세해지며, 이는 반경방향에서 축방향으로의 운동량 전환을 통해 효율적인 추진력을 생성하고, 배기 속도와 총 추진력을 향상시킨다.

ABSTRACT

The fully kinetic simulations of magnetic nozzle acceleration are conducted to investigate the axial momentum gains of ions and electrons with the electrostatic and Lorentz forces. Axial momentum gains per ion and electron are directly calculated from the kinetics of charged particles, indicating that electrons in the magnetic nozzle obtain the net axial momentum by the Lorentz force even though they are decelerated by the electrostatic force. Whereas ions are also accelerated by the electrostatic force, the axial momentum gain of electrons increases significantly with increasing the magnetic field strength and becomes dominant in the magnetic nozzle. In addition, it is clearly shown that the axial momentum gain of electrons is due to the electron momentum conversion from the radial to axial direction, resulting in the significant increase in the thrust and the exhaust velocity.

연구 동기 및 목표

• 자기 노즐 플라즈마 추진기에서 축방향 운동량 획득의 기원을 조사하고, 루프르 힘과 전기력의 역할을 규명한다.
• 전극이 없는 자기 노즐 시스템에서 이온과 전자가 축방향 운동량 획득을 누가 지배하는지에 대한 해결되지 않은 질문을 다룬다.
• 루프르 힘을 통해 전자 운동량이 반경방향에서 축방향으로 어떻게 전환되는지 메커니즘을 명확히 한다.
• 고자기장 자기 노즐에서 전자 운동량 획득이 총 추진력과 배기 속도에 기여하는 정도를 정량화한다.
• 전자 손실을 방지하면서 이온 가속도를 향상시키기 위해 플라즈마 잠재력이 어떻게 조절되는지 설명한다.

제안 방법

• 입자-장점법 시뮬레이션(PIC-MCC)을 사용하여 이온과 전자의 운동학적 거동을 모델링하기 위해 2차원 대칭 시뮬레이션을 수행한다.
• RF 안테나, 유전체, 솔레노이드를 포함한 이중 방향 자기 노즐 RF 플라즈마 추진기를 시뮬레이션하여 자석장(static magnetic field)을 생성한다.
• 루프르 힘 법칙을 사용하여 전기력과 루프르 힘을 별도로 계산한다: 𝒇e = −𝑒𝑛e𝑬 + 𝒋e × 𝑩.
• 입자 속도 변화를 시간에 따라 직접 계산하여 이온과 전자 각각의 축방향 운동량 획득을 도출한다.
• 디리클레 경계 조건(𝑥=2.5 cm, 𝑦=0.56 cm에서 𝜙 = 0)을 사용하여 포아송 방정식을 풀어 전기적 잠재력을 구한다.
• 시료 영역 1.5 cm < 𝑥 < 2.3 cm 및 −0.35 cm < 𝑦 < 0.35 cm에서 운동량 획득을 통합하여 경계층 효과를 배제하고 총 추진력을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 노즐 가속에서 이온과 전자가 축방향 운동량 획득에 기여하는 비율은 어떻게 되는가?
• RQ2 비자성 이동 전류에 의한 루프르 힘이 전자의 축방향 운동량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전자 운동량이 자기 노즐에서 반경방향에서 축방향으로 어떻게 전환되는가?
• RQ4 자기장 강도가 증가함에 따라 전자와 이온의 운동량 획득 우세도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 전자 손실로 인해 플라즈마 잠재력이 얼마나 상승하는가? 이는 이온 가속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고자기장 조건에서 전기력에 의해 감속되더라도 전자가 루프르 힘을 통해 유의미한 축방향 운동량을 획득한다.
• 솔레노이드 전류가 2.0 kA turn일 때 전자의 축방향 운동량 획득은 47.1 μN/m에 도달하여 이온의 34.6 μN/m를 초월하며, 전자가 주요 운동량 기여자로 작용한다.
• 비자성 이동 전류에 의한 루프르 힘이 증가함에 따라 자기장 강도가 증가할수록 전자의 축방향 운동량 획득이 급격히 증가한다.
• x축 방향의 순 축방향 운동량 획득은 루프르 힘을 통해 전자의 y축 운동량이 x축 방향으로 전환됨에 의해 발생한다.
• 솔레노이드 전류가 증가함에 따라 플라즈마 잠재력이 상승한다(예: 0에서 2.0 kA turn으로), 전자 손실을 방지하고 이온을 추가로 가속화함으로써 배기 속도를 향상시킨다.
• 2.0 kA turn에서 총 순 축방향 운동량 획득은 81.7 μN/m에 도달하여 전자 기반의 운동량 전환이 추진력 향상에 크게 기여함을 입증한다.