Development of Langmuir Probes for CubeSat

Abstract

The ionosphere has been studied since the 20th century and the result of the study has contributed to the development of modern communications. As the ionosphere is a region of the atmosphere ionized by the solar radiation of short wavelengths, it is composed of electrons, ions, and neutral particles. Hence, the ionospheric constituents vary according to the altitudes, latitudes, longitudes, solar activities, seasons, and time, etc. The profiles of the electron density and temperature are important not only for the communication but also for the operation of space vehicles. While the physical parameters of the upper ionosphere can be obtained by in-situ measurements, the lower ionosphere is generally inaccessible by satellites due to the serious drag effects. Sounding rockets have been used to observe the lower ionosphere, but the observations are limited by the flight time and range. To solve these problems, observations utilizing CubeSats have been proposed. Furthermore, if the observations are made simultaneously from a number of CubeSats, they will provide spatial variations of ionospheric events, which cannot be accomplished by a single satellite. The QB 50 project is a mission to observe the lower ionosphere region at altitudes of 200 - 380 km using 50 CubeSats, one of which is being developed in Korea. The present study is on the development of a Langmuir probe system for this CubeSat. The CubeSat LP system is expected to observe the electron density of 10^4 -10^5 /cm^3 and the electron temperature of ~1000 K in the lower ionosphere. It consists of two Langmuir probes, designed to detect the currents of the electron density of 10^4 - 10^5 /cm^3 and 10^5 - 10^6 /cm3. Limitation on the downloadable data, ~0.3 Mbit/day in the present case, was overcome by adopting a modified version of the fixed voltage probe in the electron saturation region: the currents are sampled at 13 data points in the electron saturation region. With a 1 Hz sampling rate, the amount of data is 208 bits/sec, enabling 24 minute operation per day. In addition to this density measurement mode, electron temperature can also be measured with a different mode in which the currents are sampled in the electron retardation region. The problem of probe contamination effect was solved with a high frequency (10 Hz) voltage sweep: data sampling is made once in 10 sweeps. Details of the development, functional and interface tests of the probe system are presented. The results of the probe calibration using the plasma chamber, which simulates the plasmas in the lower ionosphere, are also discussed.;전리층은 단파장의 태양 복사 에너지에 의해 이온화된 대기층으로, 전자나 이온, 중성 입자로 구성되어 있다. 전리층의 구성 성분은 고도, 위도, 경도, 태양 활동, 계절, 시간 등에 따라 다양한 분포를 갖는다. 20세기에 비로서 연구되어 온 전리층은 현대 통신의 발전에 크게 기여해 왔다. 특히 전자의 밀도 및 온도에 대한 프로파일은 통신뿐만 아니라 우주선의 발사, 운영에도 밀접한 관련이 있기에 그 정보를 축적하고 특성을 파악하는 것이 중요하다. 상부 전리층의 물리적 파라미터들은 현장 관측으로 얻을 수 있으나, 하부 전리층에서는 극심한 제동 효과(drag effect)에 의해 위성 자체의 접근이 어려워 현장관측을 이용한 물리적 파라미터를 얻기가 어렵다. 대부분 탐사 로켓(sounding rocket)을 사용하여 하부 전리층을 관찰해 왔으나, 오직 발사 지점 상공에서 수 분 정도의 관측만이 가능하다는 단점이 있다. 이러한 관측의 어려움을 해결하기 위해, 여러 개의 CubeSat을 이용한 관측 방법이 제안되었다. 특히 여러 개의 CubeSat을 사용하여 동시에 관측을 수행한다면 단일 위성으로는 달성할 수 없는 전리층에서 발생하는 현상들의 공간적 변화 정보를 제공할 수 있다. QB 50 프로젝트는 세계 각지에서 개발되고 있는 총 50개의 CubeSat을 이용하여 200 - 380 km의 고도에 해당하는 하부 전리층 지역을 관찰하는 임무이다. 본 연구는 CubeSat LP라고 불리는, 50개의 CubeSat 중 하나에 탑재되는 랭뮤어 탐침(Langmuir probe) 시스템의 개발에 대한 것으로, 하부 전리층에서 전자 밀도 10^4 - 10^6 /cm^3 영역, 전자 온도 ~ 1,000 K 영역을 관측할 것으로 기대한다. CubeSat LP는 10^4 - 10^5 /cm^3 영역을 관측하기 위한 한 개의 랭뮤어 탐침과 10^5 - 10^6 /cm^3 영역을 관측하기 위한 다른 한 개의 랭뮤어 탐침으로 구성되어 있다. CubeSat LP에 할당된 ~ 0.3 Mbit/day의 다운로드 데이터의 제한조건은 전자 포화 영역(electron saturation region)에서 고정 전압 탐침을 이용한 관측방법을 수정하여, 전자 포화 영역에서 13개의 변동 전압 지점에서 데이터를 샘플링 하는 방법으로 극복하였다. 따라서 208 bit/sec, 1 Hz 정보 습득율(sampling rate)로 하루에 24분 동안 관측을 수행할 수 있다. 이와 같은 전자 관측 모드 외에도 전자 지체 영역(electron retardation region)에서의 관측을 이용한 전자 온도 관측 모드도 보유하여 하부 전리층의 전자 온도를 관측할 수 있다. 또한 랭뮤어 탐침에서 발생할 수 있는 탐침의 오염 문제는 10 Hz의 높은 주파수를 갖는 쓸기전압(sweep voltage)을 적용하여 해결하였다. 이 논문에는 랭뮤어 탐침 시스템의 개발과 기능시험, 위성과의 통신 시험과 각 시험 성능에 대한 자세한 사항이 서술되어 있다. 또한 개발된 CubeSat LP의 최종 검증을 위해 하부 전리층의 플라즈마 상태를 모의할 수 있는 플라즈마 챔버를 사용하여 실험하였고, 그 검증 결과도 논의한다.