8. Plasma sheath에 대하여

 

 

표면에 도달한 이온과 전자는 재결합하여 중성으로 변한다

 

이온보다 열 속도가 매우 큰 전자들은 표면에 먼저 도달하여 표면 근처 플라즈마는 양전하를 띠게 된다

 

이렇게 생긴 전위는 표면으로 부터 빠져 나가는 전자를 감속시키고 이온을 가속시키면서 전체 전류가 0 이 되게 한다

 

그 결과 표면은 플라즈마에 대해 음전위를 갖게 되는데, 다시 말해 플라즈마에 대한 음의 자기 바이어스(self-bias)가 된다.

 

그러므로 플라즈마는 접촉하고 있는 어떤 표면보다도 항상 높은 전위를 갖게 된다

 

플라즈마와 접촉하는 표면에 생기는 이러한 양전하 공간을 플라즈마 쉬스(Plasma sheath) 라고 한다.

 

 

쉬스(Sheath)는 음전하가 거의 없는 양전하 영역이며, 그 두께는 전자밀도가 무시할 수 있는 영역, 또는 Vs로 전위가 떨어지는 영역의 두께를 정의한다

 

높은 압력 (\( \lambda \ll \lambda_D \)) 일 때 \( ds \approx \eta^{2/3} \times \lambda_D \)

\( \eta = \frac{kT_e}{e(V_p - V_B)} \)

 

ds : 플라즈마 쉬스의 두께

\( V_B \) : 표면에 인가된 전압

\( V_p \) : 플라즈마 전위

 

낮은 압력 (\( \lambda \gg \lambda_D \)) 일 때 \( ds \approx 1.1 \eta^{3/4} \times \lambda_D \)

 

0.05 Torr 이하의 압력에서는 쉬스전압이 수십에서 수백 볼트 정도이며, 쉬스 두께도 늘어난다.

 

쉬스를 통과하는 이온전류 밀도 Ji는 차일드-랑 뮤어 법칙에 의해

\( J_i = 27.3\left(\frac{m_i}{40}\right)^{1/2} \frac{1}{V_s^{3/2} d_s^2} \)

 

전류밀도는 mA/cm² 단위이고, \( K = \frac{J_0}{V_s} \), 고 ds는 mm이다.

플라즈마 쉬스를 통과하는 이온의 흐름(flow)은 봄(Bohm)의 쉬스기준에 의해 결정된다.

\( v_i > v_B = \left(\frac{kT_e}{m_i}\right)^{1/2} \)

 

\( v_i \) : 이온속도

\( V_B \) : 불 속도(Bohm velocity), 임계 속도값

 

표면에 이온이 도달하기 위해 쉬스에 입사할 때 이온 최소의 속도는 전자온도에 의해 결정됨을 알 수 있는데 이것은 플라즈마 에서의 전자와 이온의 연관성을 나타낸다.