본 연구에서는 수중 전기선 폭발을 활용하여 준열밀집물질(warm dense matter) 영역의 저온 부분에서 구리의 전기 전도도를 조사하였다. 구체적으로, 밀도 ∼0.01 정상 밀도에서 증기/플라즈마 영역과, 빈달(binodal) 곡선 아래의 액체–기체 2상 영역에 대해 온도는 최대 10 kK까지 고려하였으며, 그림자그래프(shadowgraph) 영상, 분광 및 전기적 측정을 통해 밀도와 온도의 함수로서 구리의 전기 전도도를 측정하였다. 이 영역에서는 상전이에 기인한 이상적인 온도의존성과 그 특성이 관찰되었다. 실험 및 모델 계산을 신중히 분석한 결과, 증기/플라즈마 영역에서는 자유 전자뿐 아니라 결합 전자도 전기 전도도에 상당한 기여를 하며, 해당 상전이의 동역학이 액체–기체 2상 영역에서의 거동을 적절히 설명하는 데 중요한 역할을 한다는 점이 밝혀졌다. 또한 본 연구의 결합된 실험 및 이론적 접근에서 도출된, 준열밀집물질의 저온 영역에서의 특성을 반영하는 개선된 전기 전도도 모델을 제시한다.

저에너지 전자의 생성은 반도체 및 디스플레이의 이온 주입(ion implanter) 공정에서 전하 중화기(charge neutralizer) 시스템의 플라즈마 소스에 필수적이다. 이는 이온 빔을 따라 전자가 효과적으로 수송될 수 있는 탁월한 능력 때문이다. 본 연구에서는 전자 추출 시스템 전반에 걸쳐, 특히 5 eV 미만의 저에너지-풍부 전자를 특징으로 하는 비-맥스웰(non-Maxwellian) 전자 에너지 확률함수(eepf s)를 생성하는 방법을 제안한다. 축 방향 자기장이 존재하는 전자 수송 영역에서, 방전 전압과 가스 유량이 높은 조건 하에 eepf에서 저에너지 전자가 유의하게 증가하는 현상을 관찰하였다. 이러한 결과를 분석하기 위해 제안된 단순 전역 모델은 수송 영역에서의 이온화율에 의해 영향을 받는 플라즈마 퍼텐셜의 상승을 통해 전자의 벽 손실(wall loss)을 감소시킬 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 실험적으로 측정된 플라즈마 퍼텐셜 및 전자 밀도와 일치한다. 또한 수송 영역 내에서의 벽 손실 감소와 이온화율 증가로 인해 플라즈마 퍼텐셜 구배(potential gradient)가 완화되었다. 이 현상은 eepf 내 저에너지 전자의 절단(cutting)을 효과적으로 억제하여, 결과적으로 이들이 표적(target)으로 수송될 수 있도록 하였다. 본 연구는 저에너지 전자를 생성하는 동시에 표적을 향해 이들을 유도하기 위한 이중 목적을 위해 이온화율을 증가시키고 퍼텐셜 구배를 최소화하는 것의 중요성을 강조한다.

액체–증기 2상 영역은 다양한 기초 연구 및 응용 분야에서 주목받아 왔다. 액체–증기 2상 영역을 탐구하기 위해, 수중 전기 와이어 폭발(UEWE)은 유용한 도구이다. 본 연구에서는 UEWE에서 액체–증기 전이의 두 가지 서로 다른 메커니즘, 즉 체적 증발과 스피노달 분해를 관찰하였다. 이러한 메커니즘이 발생하는 주요 요인은 UEWE 동안 시스템 내에서 축적되는 가열 동력과 압력이다. 전기적 특성과 섀도그래프 이미지를 통해 폭발하는 와이어의 상전이 과정이 분석되었다. 또한 액체–증기 상전이 동안 발생할 수 있는 불안정성의 영향에 대해서도 논의하였다. 우리는 상전이 과정에 대한 이해를 바탕으로 UEWE 기법을 이용하여 액체–증기 2상 영역의 열역학적 성질을 탐구할 수 있을 것으로 기대한다.

우리는 X-핀치에 의해 생성된 Cu 플라즈마의 매개변수를, 실험적으로 측정한 엑스선과 합성 데이터의 비교를 통해 추정한다. 여과된 절대 극자외선 다이오드 어레이(filtered absolute extreme ultraviolet diode array)를 이용하여 에너지 범위 1–10 keV에서 스펙트럼 분해능 ∼1 keV로 시간 분해 엑스선 스펙트럼을 측정한다. FLYCHK 코드를 사용하여 서로 다른 전자 온도, 전자 밀도 및 빠른 전자 분율을 갖는 Cu 플라즈마의 합성 스펙트럼을 계산한다. 측정된 스펙트럼과 정량적으로 비교하기 위해 서로 다른 스펙트럼 범위를 3개 사용한 두 가지 엑스선 전력 비를 계산한다. 전류 상승률이 ∼0.2 kA/ns인 조건에서 SNU X-핀치 상의 두 개의 Cu 와이어를 사용한 X-핀치 실험에서 세 번의 엑스선 버스트를 관측한다. 스펙트럼 분석 결과, 첫 번째 버스트는 핫 스팟과 전자 빔에서 방출된 엑스선을 포함하며, 다른 X-핀치에서 관측된 것과 유사한 특성을 보인다. 두 번째 및 세 번째 버스트는 모두 목(neck) 구조가 완전히 고갈된 이후 형성된 장시간 지속 전자 빔에 의해 생성된다. 두 번째 버스트에서는 전자 빔의 형성과 함께 배경 플라즈마의 전자 밀도가 증가한다. 따라서 장시간 지속 전자 빔은 엑스선 버스트를 추가로 강하게 생성하면서도 X-핀치의 중심 영역에 플라즈마 채널을 유지한다. 또한 이들은 다수의 하드 엑스선(HXRs)을 방출하여 SNU X-핀치를 HXR 소스로 사용할 수 있게 한다. 본 연구는 장시간 지속 전자 빔의 생성이 X-핀치의 동역학 및 강한 HXR 생성에 중요함을 확인한다.

본 연구에서는 수중 전기선 폭발을 활용하여 준열밀집물질(warm dense matter) 영역의 저온 부분에서 구리의 전기 전도도를 조사하였다. 구체적으로, 밀도 ∼0.01 정상 밀도에서 증기/플라즈마 영역과, 빈달(binodal) 곡선 아래의 액체–기체 2상 영역에 대해 온도는 최대 10 kK까지 고려하였으며, 그림자그래프(shadowgraph) 영상, 분광 및 전기적 측정을 통해 밀도와 온도의 함수로서 구리의 전기 전도도를 측정하였다. 이 영역에서는 상전이에 기인한 이상적인 온도의존성과 그 특성이 관찰되었다. 실험 및 모델 계산을 신중히 분석한 결과, 증기/플라즈마 영역에서는 자유 전자뿐 아니라 결합 전자도 전기 전도도에 상당한 기여를 하며, 해당 상전이의 동역학이 액체–기체 2상 영역에서의 거동을 적절히 설명하는 데 중요한 역할을 한다는 점이 밝혀졌다. 또한 본 연구의 결합된 실험 및 이론적 접근에서 도출된, 준열밀집물질의 저온 영역에서의 특성을 반영하는 개선된 전기 전도도 모델을 제시한다.

저에너지 전자의 생성은 반도체 및 디스플레이의 이온 주입(ion implanter) 공정에서 전하 중화기(charge neutralizer) 시스템의 플라즈마 소스에 필수적이다. 이는 이온 빔을 따라 전자가 효과적으로 수송될 수 있는 탁월한 능력 때문이다. 본 연구에서는 전자 추출 시스템 전반에 걸쳐, 특히 5 eV 미만의 저에너지-풍부 전자를 특징으로 하는 비-맥스웰(non-Maxwellian) 전자 에너지 확률함수(eepf s)를 생성하는 방법을 제안한다. 축 방향 자기장이 존재하는 전자 수송 영역에서, 방전 전압과 가스 유량이 높은 조건 하에 eepf에서 저에너지 전자가 유의하게 증가하는 현상을 관찰하였다. 이러한 결과를 분석하기 위해 제안된 단순 전역 모델은 수송 영역에서의 이온화율에 의해 영향을 받는 플라즈마 퍼텐셜의 상승을 통해 전자의 벽 손실(wall loss)을 감소시킬 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 실험적으로 측정된 플라즈마 퍼텐셜 및 전자 밀도와 일치한다. 또한 수송 영역 내에서의 벽 손실 감소와 이온화율 증가로 인해 플라즈마 퍼텐셜 구배(potential gradient)가 완화되었다. 이 현상은 eepf 내 저에너지 전자의 절단(cutting)을 효과적으로 억제하여, 결과적으로 이들이 표적(target)으로 수송될 수 있도록 하였다. 본 연구는 저에너지 전자를 생성하는 동시에 표적을 향해 이들을 유도하기 위한 이중 목적을 위해 이온화율을 증가시키고 퍼텐셜 구배를 최소화하는 것의 중요성을 강조한다.

액체–증기 2상 영역은 다양한 기초 연구 및 응용 분야에서 주목받아 왔다. 액체–증기 2상 영역을 탐구하기 위해, 수중 전기 와이어 폭발(UEWE)은 유용한 도구이다. 본 연구에서는 UEWE에서 액체–증기 전이의 두 가지 서로 다른 메커니즘, 즉 체적 증발과 스피노달 분해를 관찰하였다. 이러한 메커니즘이 발생하는 주요 요인은 UEWE 동안 시스템 내에서 축적되는 가열 동력과 압력이다. 전기적 특성과 섀도그래프 이미지를 통해 폭발하는 와이어의 상전이 과정이 분석되었다. 또한 액체–증기 상전이 동안 발생할 수 있는 불안정성의 영향에 대해서도 논의하였다. 우리는 상전이 과정에 대한 이해를 바탕으로 UEWE 기법을 이용하여 액체–증기 2상 영역의 열역학적 성질을 탐구할 수 있을 것으로 기대한다.

우리는 X-핀치에 의해 생성된 Cu 플라즈마의 매개변수를, 실험적으로 측정한 엑스선과 합성 데이터의 비교를 통해 추정한다. 여과된 절대 극자외선 다이오드 어레이(filtered absolute extreme ultraviolet diode array)를 이용하여 에너지 범위 1–10 keV에서 스펙트럼 분해능 ∼1 keV로 시간 분해 엑스선 스펙트럼을 측정한다. FLYCHK 코드를 사용하여 서로 다른 전자 온도, 전자 밀도 및 빠른 전자 분율을 갖는 Cu 플라즈마의 합성 스펙트럼을 계산한다. 측정된 스펙트럼과 정량적으로 비교하기 위해 서로 다른 스펙트럼 범위를 3개 사용한 두 가지 엑스선 전력 비를 계산한다. 전류 상승률이 ∼0.2 kA/ns인 조건에서 SNU X-핀치 상의 두 개의 Cu 와이어를 사용한 X-핀치 실험에서 세 번의 엑스선 버스트를 관측한다. 스펙트럼 분석 결과, 첫 번째 버스트는 핫 스팟과 전자 빔에서 방출된 엑스선을 포함하며, 다른 X-핀치에서 관측된 것과 유사한 특성을 보인다. 두 번째 및 세 번째 버스트는 모두 목(neck) 구조가 완전히 고갈된 이후 형성된 장시간 지속 전자 빔에 의해 생성된다. 두 번째 버스트에서는 전자 빔의 형성과 함께 배경 플라즈마의 전자 밀도가 증가한다. 따라서 장시간 지속 전자 빔은 엑스선 버스트를 추가로 강하게 생성하면서도 X-핀치의 중심 영역에 플라즈마 채널을 유지한다. 또한 이들은 다수의 하드 엑스선(HXRs)을 방출하여 SNU X-핀치를 HXR 소스로 사용할 수 있게 한다. 본 연구는 장시간 지속 전자 빔의 생성이 X-핀치의 동역학 및 강한 HXR 생성에 중요함을 확인한다.

전류를 운반하는 고정선(line-tied) 플라즈마(스크루 핀치)의 방전 특성과 동적 거동을 실험적으로 연구하였다. 이 설계의 소형성 외에도, 아크 방전과 빔 추출을 모두 단일 플라즈마 소스를 이용하여 수행함으로써 새로운 점이 있다. 이를 통해 주입 전압 1.2 kV에서 최대 2 kA의 플라즈마 전류를 제공한다. 스크루 핀치 플라즈마의 전자 밀도와 온도는 작동 파라미터 및 자기장 토폴로지에 따라 각각 ∼1020 m−3 및 ∼6 eV로 측정되었다. 고속 카메라 측정으로 1.58 kA의 추정 크루스칼–샤프라노프(Kruskal–Shafranov) 불안정성 전류 한계가 확인되었다. 초기 실험 결과는 전류를 운반하는 고정선 플라즈마의 방전 특성과 동적 거동에 자기장의 강도 및 토폴로지가 결정적으로 중요한 역할을 한다는 점을 보여주었다.

이 연구는 저 전류 상승률($dI/dt$) 조건에서 구동되는 X-핀치 플라즈마의 특성을 소프트 엑스선 분광법과 Bennett 관계를 결합하여 조사한다. X-핀치 실험은 SNU X-pinch 장치에서 구리선을 사용하여 $dI/dt$를 0.2–0.3 kA/ns로 낮춘 조건에서 수행하였다. 그 결과로 얻어진 1–10 keV 범위의 소프트 엑스선 신호는 x-레이 필터를 적용한 AXUV 포토다이오드 어레이(XFPA)로 측정되었으며, 소프트 엑스선 펄스의 높은 강도에 기인하여 유의미한 비선형 효과를 나타낸다. 본 연구는 펄스 레이저를 사용하여 강한 펄스 방사 하에서 AXUV-HS5 Si PIN 포토다이오드의 비선형 거동을 특성화하였다. 우리는 시간적 프로파일이 왜곡되더라도, 총 수집 전하가 입사 펄스 에너지에 비례성을 유지한다는 전하 보존 성질을 확인하였다. 이러한 진단 결과를 바탕으로 플라즈마 매개변수 추정을 위한 새로운 프레임워크를 개발하고 적용하였다. 구형 방출 모델과 Bennett 평형을 결합함으로써, 이 접근법은 소프트 엑스선 광원의 플라즈마가 극도로 압축된 '핫 스팟(hot spot)'이 아니라, 플라즈마 밀도 $n_e sim 10^{21} ext{ cm}^{-3}$,크기$d sim 30-40m$,전자온도$T_e sim 1 ext{ keV}$,그리고방출지속시간$t_B sim 1 ext{ ns}$로 특징지어지는 '브라이트 스팟(bright spot)'임을 규정한다.

본 연구는 낮은 전류 상승률($dI/dt$) 조건에서 구동되는 X-핀치 플라즈마의 특성을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 소프트 엑스선 분광학을 베넷(Bennett) 관계식과 결합하여 분석하였다. X-핀치 실험은 SNU X-pinch 장치에서 구리 와이어를 사용하여 $dI/dt$가 0.2-0.3 kA/ns인 저 상승률 조건에서 수행되었다. 그 결과, 엑스선 여과 AXUV 포토다이오드 어레이(x-ray filtered AXUV photodiode array, XFPA)로 측정한 1-10 keV 범위의 소프트 엑스선 신호는 소프트 엑스선 펄스의 높은 강도에 기인하여 뚜렷한 비선형 효과를 보였다. 본 연구는 펄스 레이저를 사용하여 강한 펄스 방사 하에서 AXUV-HS5 Si PIN 포토다이오드의 비선형 거동을 규명하였다. 시간적 프로파일의 왜곡이 발생하더라도, 입사 펄스 에너지에 대해 총 수집 전하(total collected charge)가 비례성을 유지한다는 전하 보존 성질을 확인하였다. 이러한 진단 결과를 바탕으로 플라즈마 매개변수 추정을 위한 새로운 프레임워크를 개발하고 적용하였다. 구형 방출 모델과 베넷 평형을 결합함으로써, 소프트 엑스선 소스 플라즈마는 극도로 압축된 ‘핫 스팟(hot spot)’이 아니라 플라즈마 밀도 $n_e sim 10^{21} \text{ cm}^{-3}$,크기$d \sim 30-40\ μ\text{m}$,전자온도$T_e \sim 1 \text{ keV}$,방출지속시간$t_B \sim 1 \text{ ns}$로 특성화되는 ‘브라이트 스팟(bright spot)’임을 도출하였다.