VEST 장치에서 Bursting MHD 현상에 의한 이온 가열 및 회전 가속

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 에너지시스템공학부,2019. 8. 황용석.MHD instabilities in magnetically confined plasma significantly degrade the confinement and possibly leads to disruption. Plasma rotation and its shear have stabilization effects on various MHD instabilities such as NTMs (Neoclassical tearing modes) and RWMs (Resistive wall modes). On the other hand, MHD instabilities can have a significant influence on plasma rotation. While it is an important piece toward a thorough understanding of the interaction between MHD instabilities and plasma rotation, its experimental exploration has been limited to a few phenomena and still remains to be incomplete. In this thesis, detail dynamics of plasma rotation and ion temperature are investigated in bursting MHD activity on VEST (Versatile Experiment Spherical Torus). For this purpose, a novel ion Doppler spectroscopy (IDS) is newly developed with a superb temporal resolution ranging from 0.2-1 ms. This IDS capability permits to investigate the bursting MHD activity with fast crash time (~0.3ms). Interestingly, significant toroidal rotation acceleration as well as ion heating is observed in the bursting MHD activity. In order to explain the sudden spin-up phenomenon, several candidate mechanisms are discussed and compared with the experimental result. The fast IDS system is carefully designed and installed to measure the plasma rotation and ion temperature in VEST. A high throughput spectroscopic system is successfully developed by employing the transmission grating and by matching the etendue across the whole of the optical system. Fast temporal resolution can be attained to 1 ms for 10 spatial channels and 0.2 ms for one spatial channel. The diagnostic is based on the line emission of intrinsic carbon impurity and it can cover the R>0.5 m. The measured spectra by the IDS system are averaged spectra over the line-of-sight. Doppler tomographic inversion technique is employed to extract the local plasma rotation and ion temperature from the line integrated spectra. However, the inversion problem is a highly ill-posed problem and the reconstructed results sometimes have an unphysically oscillating feature. Second-order Tikhonov regularization method is utilized to properly estimate the local plasma properties which are believed to be continuous. This method is based on the minimization of the cost function which includes not only the accuracy of measurement but also the smoothness of the solution. Also, appropriate quantification of the uncertainties of the IDS system is analyzed by considering the propagation of errors of fitted parameters of spectra based on the numerical Monte Carlo (MC) method. Bursting MHD activities are usually observed in the low q Ohmic discharge with low prefill gas in VEST. These events are characterized by a spike in the plasma current, loop voltage and a burst of magnetic fluctuations with a high frequency above 10 kHz. Magnetic fluctuation shows a very fast exponential growth with a typical time constant of tens of microsecond (~100τA). Interestingly, fast IDS diagnostic reveals that significant toroidal rotation acceleration in the counter-Ip direction as well as ion heating are observed in the bursting MHD activity. The rotation and ion temperature are changed globally in the same manner in the entire of the plasma volume, which clearly shows that some kind of rotation torque and ion heating are acting on the plasma, instead of locally enhanced plasma transport. The rotation and ion temperature increase very fast with the time scale of < 300 μs and then recover slowly with the confinement time scale. Several physical mechanisms to account for the sudden spin-up are discussed in terms of temporal behavior, the direction of torque and torque amplitude. The considered mechanisms are reconnection outflows, toroidal electric field by reconnection process, enhanced electron loss, and NTV (Neoclassical toroidal viscosity) torque with offset rotation. Among them, NTV torque by non-axisymmetric magnetic fluctuation from the MHD activity seems to a most probable mechanism. Strong plasma rotation accelerations during the MHD activities are experimentally investigated for the first time. This observation will help us understand the effect of MHD event in plasma rotation and temporal dynamics of MHD event. In particular, this result suggests the possibility of the interplay between MHD instability and induced plasma rotation such as the self-organization process.Chapter 1. Introduction 1 1.1. Tokamak 3 1.2. MHD Stability and Plasma Rotation 6 1.3. Versatile Experiment Spherical Torus (VEST) 9 1.3.1. Ohmic Discharge 11 1.3.2. Diagnostics 13 1.4. Objectives of Research 15 Chapter 2. Ion Doppler Spectroscopy on VEST 16 2.1. Principle of Ion Doppler Spectroscopy (IDS) 17 2.2. Experimental Setup of IDS System 22 2.2.1. Viewing Geometry 24 2.2.2. Collecting Optics and Fibers 26 2.2.3. Spectrometer 29 2.2.4. Optical Characteristics 33 2.3. Calibration of the System 34 2.3.1. Wavelength Calibration 34 2.3.2. Intensity Calibration 37 2.3.3. Spatial Calibration 40 2.4. Data Processing and Uncertainty 43 2.4.1. Spectrum Fitting Algorithm 43 2.4.2. Doppler Tomographic Inversion 48 2.4.3. Phantom Test for the Doppler Tomography 55 2.4.4. Quantification of Uncertainty 61 Chapter 3. Bursting MHD Events on VEST 67 3.1. Tearing modes(TMs) on VEST 67 3.1.1. Characteristics of TMs on VEST 67 3.1.2. Locking Bifurcation 72 3.2. Bursting MHD Events on VEST 76 3.2.1. Characteristics of Bursting MHD Events on VEST 76 3.2.2. Comparison to the Tearing Mode 81 Chapter 4. Ion Heating and Torque from Bursting MHD Events 84 4.1. Spatio-temporal Behavior of Plasma Rotation and Ion Temperature during Bursting MHD Events 85 4.1.1. Spatial Profile Variation of Rotation and Ion Temperature 87 4.1.2. Detail Temporal Dynamics of Ion Properties in Bursting MHD 93 4.2. Ion Heating during the MHD Events 98 4.3. Possible Candidate Mechanisms for the Sudden Spin-up 105 4.3.1. Reconnection Outflows 105 4.3.2. Toroidal Electric Field by Reconnection Process 107 4.3.3. Enhanced Electron Loss Mechanism 110 4.3.4. NTV Torque with an Offset Rotation Velocity 111 Chapter 5. Conclusions and Future Work 116 5.1. Summary and Conclusions 116 5.2. Recommendations for Future Work 119 Bibliography 121 국 문 초 록 127Docto

Design of plantar fascia stretching robot and the relationship between plantar fascia thickness and metatarsophalangeal joint stiffness

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학과, 2019.2,[x, 67 p. :]족저근막염은 염증으로 인해 족저근막이 두꺼워지면서 발바닥 통증이 유발되는 질환이며, 병원에서 진행하는 치료로는 완치되지 않기 때문에 꾸준한 관리가 필요하다. 비수술적 치료 방법 중에서 가장 추천되는 방법은 스트레칭이지만, 자신의 힘을 이용하여 정해진 동작을 반복해야 한다는 점은 환자가 스트레칭을 꾸준히 유지하는 것을 방해하는 요인이다. 본 연구에서는 족저근막을 효과적으로 스트레칭 할 수 있는 프로토콜을 찾고 커플링 메커니즘과 각 관절 위치 조정 및 강성 측정 기능이 포함된 족저근막 스트레칭 로봇을 설계함으로써, 환자의 힘을 사용하지 않고 반복적인 스트레칭이 가능한 방법을 기계공학적인 관점에서 제시했다. 또한, 족저근막염의 진단이나 경과는 주로 초음파 검사를 통해 측정되는 족저근막 두께로 평가하는데, 중족지관절은 해부학적으로 족저근막과 연관이 있다. 로봇을 통해 측정되는 중족지관절의 배측굴곡 강성이 기존의 진단 방법을 대체할 수 있는 정량적인 지표로써 사용될 수 있는지를 확인하고자, 중족지관절의 배측굴곡 강성을 측정하고 족저근막 두께와의 상관관계를 분석하였다. 건강한 성인 그룹에 대해서는 별다른 상관관계가 보이지 않았지만, 족저근막염 환자 그룹에서는 족저근막이 두꺼울수록 중족지관절의 초반 강성이 낮아지고 발바닥 아치의 압흔 강성은 높아지는 상관관계를 볼 수 있었다. 이러한 결과는 중족지관절의 강성으로 족저근막염 환자의 상태 호전을 평가할 수 있다는 것을 의미하며, 본 연구에서 개발한 족저근막 스트레칭 로봇을 이용한다면 중족지관절의 강성은 염증의 정량적 지표로써 실제로 임상에서 사용될 수 있을 것으로 기대한다.한국과학기술원 :기계공학과

ZnO/Ag/SnO2 투광성 전기전도막의 효율 극대화 및 전자빔 표면개질에 관한 연구

현재 디스플레이 산업에서 투광성 전기전도막으로 가장 널리 응용되며 사용되는 소재는 미량의 Sn이 첨가된 In2O3(Indium Tin Oxide ; ITO)이다. 하지만 희소금속인 인듐(Indium)의 한정적 자원으로 인해 재료비용의 상승, 수급의 불안정, 유연성의 부족으로 새로운 대체재료에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 200℃이상 열처리 공정이 필수적인 점은 차세대 플렉시블 디스플레이에 적용하기에는 한계가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 제시된 Oxide/Metal/Oxide(OMO) 구조의 투명전극은 중간 금속층으로 인한 높은 전자밀도와 상, 하부 산화물층의 반사방지막 역할에 의한 높은 가시광 투과율이 확보되어 기존 ITO 전극과 유사한 전기광학적 특성을 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 OMO 적층구조의 박막재료로 상온에서 높은 결정성을 갖는 ZnO 하부층, 비저항이 낮은 Silver(Ag) 중간층, 넓은 광학적 밴드갭과 화학적으로 안정하며 기계적 특성이 우수한 SnO2 상부층을 선정하여 Indium Free ZnO/Ag/SnO2 적층박막을 별도의 열처리 공정 없이 상온에서 제작하여 적층구조에 따른 전기광학적 특성 평가와 전자빔을 이용한 표면개질을 통한 전기광학적 특성 최적화 방안을 고찰하였다. OMO 적층박막의 두께를 110 nm로 유지하고 ZnO 박막과 SnO2 박막의 두께를 조절하여 층간 Ag 금속층 위치에 따른 전기광학적 특성을 측정한 결과, ZnO 50 nm /Ag 10 nm /SnO2 10 nm의 적층구조 박막에서 상대적으로 높은 평균 가시광 투과율(80.8 %)과 우수한 전기광학적 완성도(Figure of Merit ; FoM)가 측정 되었다. 상층막(SnO2)과 하층막(ZnO)의 두께를 50 nm로 유지하고 층간 Ag 금속층의 두께 변화에 따른 전기광학적 특성 연구에서는 금속층의 두께가 증가할수록 면저항은 69에서 2.2 Ω/ㅁ으로 향상되었으나 평균 가시광 투과율이 Ag층의 두께가 10 nm 일 때 가장 높으며, 그 외의 경우에는 투과율이 감소하였다. 상온에서 제작되어진 ZnO/Ag/SnO2 적층박막은 중간 Ag 금속층이 다결정구조로 성장하기 시작하는 10 nm 일때와 상, 하부층의 반사방지 특성이 최대가 되는 50 nm일 때 평균 가시광 투과율 80.8 %, 면저항 11 Ω/ㅁ으로 FoM 값이 1.08 X 10-2 Ω-1 으로 가장 우수한 전기광학적 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 실온 증착후 ZnO/Ag/SnO2 (50/10/50 nm) 적층박막의 전기광학적 특성을 최적화시키기 위해 2분간 전자빔을 조사하였다. 300, 600, 900 eV으로 전자빔 조사에너지가 증가할수록 상온에서 결정성을 보이는 ZnO(002), Ag(111) 회절패턴의 강도(Intensity)가 더욱 커지며 결정립 크기도 증가하였다. 특히 전자빔 조사에너지 900 eV 조건에서는 SnO2(211) 면이 새로이 생성이 되며 높은 결정성을 보였다. 또한 조사에너지에 의해 표면이 평탄화되어 평균 표면거칠기(Root Mean Square ; RMS)가 2.2 에서 1.3 nm 로 크게 감소하였다. 적층박막의 결정성 향상과 표면거칠기 감소로 인해 평균 가시광 투과율은 80.1 에서 83.6 %로 향상되었으며 면저항은 11 에서 4.32 Ω/ㅁ으로 향상되었다. 전기광학적 특성을 종합적으로 평가해보면 전자빔을 이용한 표면개질 전 박막의 FoM 값은 1.08 x 10-2 Ω-1이었으며 조사에너지 900 eV에서 2분간 표면개질 후 3.86 x 10-2 Ω-1으로 약 3.6배 향상되었다. 따라서 전자빔 조사를 통한 ZAS 박막의 표면개질은 결정성 향상과, 표면거칠기 감소, 전기광학적 특성 향상이라는 장점을 주어 효율이 우수한 표면개질 공정임을 확인하였다. 최근 플라스틱 기판을 이용한 Flexible 디스플레이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 따라서 PET(Poly(Ethylene-Terephthalate)) 필름의 젖음성 특성을 향상시키기 위해 300, 500, 700 eV의 조사에너지로 10초간 전자빔 표면개질을 실시하고 앞서 최적화 되어진 ZAS 박막을 증착하여 굽힘시험을 실시하였다. PET 필름을 전자빔으로 표면개질을 하게되면 극성 작용기에 해당되는 C=O, C-O 결합의 밀도가 상승하며 특히 300 eV의 에너지로 조사했을 때 가장 큰 증가를 보였다. 3차 증류수를 이용한 접촉각 측정 시, 49.8°(전자빔 조사 전, 74.3°)으로 감소하여 젖음성이 향상되었으며, 전자빔 조사에너지가 증가할수록 극성 작용기의 밀도가 감소하여 접촉각이 49.8, 52.6, 53.6°으로 증가하였다. 또한 300 ∼ 400 nm 파장 영역에서의 흡수선은 미세하게 장파장 쪽으로 이동하며 탄소 cluster가 증가하는 경향을 보이나 증가폭은 크지 않으며 기존의 PET 필름의 평균 가시광 투과율(88.9 %)은 전자빔 표면개질 이후에도 유지되고 있음을 확인하였다. 표면거칠기는 조사에너지가 증가할수록 평탄화 되어 Rpv(Peak to Valley) 거칠기가 3.6 에서 2.6 nm로 감소하였다. 전자빔 표면개질된 PET 필름에 ZAS 박막을 증착하면 PET 필름의 화학구조 변화에 의해 ZAS 박막의 전하밀도가 1.2 X 1022 cm-3에서 최대 2.33 X 1022 cm-3으로 증가되었으며 면저항은 7.8 에서 4.5 Ω/ㅁ 으로 향상되었다. 전기광학적 특성을 FoM을 이용하여 평가해 보면 전자빔 조사 전 1.4 X 10-2 Ω-1에서 전자빔 조사에너지가 700 eV로 증가할수록 2.2 X 10-2 Ω-1으로 향상 되었다. 전자빔 300 eV의 조사에너지로 표면개질된 PET 필름의 ZAS 박막이 Bending Radius가 약 9.5 mm에서 저항변화가 시작되고 저항변화율이 가장 작으며 굽힘에 대해 가장 우수한 특성을 나타내었다. 조사에너지가 증가함에 따라 ZAS　박막의 저항변화가 일어나는 Bending Radius는 10.7, 12.7 mm으로 증가하였으며 저항변화율도 증가하였다. 따라서 전자빔을 이용한 PET 필름의 표면개질은 10초의 짧은 공정시간 동안 표면의 화학구조를 변화시킴으로서 젖음성, 굽힘저항 특성을 향상시켜 ZAS 투명전극의 유연성이 제고됨을 확인하였다.Docto

Wolfgang Amadeus Mozart의 성악곡에서의 Ornamentation에 관한 연구 : Opera "Cosi fan tutte"를 중심으로

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :음악과 성악전공,1997.Maste