JPH0526320B2 - - Google Patents
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- JPH0526320B2 JPH0526320B2 JP57000100A JP10082A JPH0526320B2 JP H0526320 B2 JPH0526320 B2 JP H0526320B2 JP 57000100 A JP57000100 A JP 57000100A JP 10082 A JP10082 A JP 10082A JP H0526320 B2 JPH0526320 B2 JP H0526320B2
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明はプラズマ装置に係り、特に、一様磁場
により閉じ込められたプラズマ粒子の取出し流量
を制御し得るプラズマ装置に関する。 従来技術とその問題点 長い一様磁場はソレノイド等で、短い一様磁場
はヘルムホルツコイル等で、それぞれ容易に発生
することができ、導体の電磁応力も少くて済む。
コイル等の内部に配設される真空容器は外形を単
純な形状にできるから製作が容易で、分解再組立
等真空容器の取扱いも容易に行える。従つて一様
磁場によるプラズマ閉じ込め装置は実用価値が高
い。しかし、一様磁場は開放系であるから、開放
系に共通の問題点を持つ。すなわち、開放系磁場
でプラズマを閉じ込める場合、プラズマの閉じ込
め時間を長くすることが核融合炉で必要なことは
よく知られているが、プラズマを閉じ込める装置
の外部に導いて加工、処理等に利用する等の核融
合炉以外の用途に使用されるプラズマ装置に於て
も、閉し込め時間を長くすればプラズマ発生装置
の消費電力が少くて済み、プラズマの密度を高く
することができ、更にプラズマを包囲する固体壁
への熱入力が軽減されるなど、大きな効果が得ら
れる。開放系磁場によるプラズマ閉じ込めで閉じ
込め時間を長くするためには、開放端におけるプ
ラギングが必要とされる。このことは、たとえ
ば、C.Cormezano：Reduction of Losses in
Open−Ended Magnetic Traps；Nuclear
Fusion、19（′79）、８、1085などの文献に記載
されている。 プラギングには高周波によるものと静電場によ
るものがあり、静電場によるものには電極を用い
る電極法と、タンデムミラー形磁場による両極性
電位閉じ込めがあり、これらはいずれも研究途上
にある。この電極法には、カスプ磁場のポイント
及びラインカスプに陽極及び陰極からなる静電プ
ラグを用いた電磁トラツプがある。第１図は電磁
トラツプの原理図で、文献T.J.Dolan、B.L.
Stansfield and J.M.Larsen：Plasma Potential
in electrostatically Plugged cusps and
mirrors：The Phycics of Fluids、18（′75）、
10、1383に掲載されたものである。 図中の符号１は２個１組のコイルでＺ軸のまわ
りに軸対称に捲かれ、カスプ磁場を形成する。２
はポイントカスプに配置された中空円筒状の陽
極、３はポイントカスプに配設された中空円筒状
の陰極、４はラインカスプに配設された２個１組
の環状の陽極、５はラインカスプに配設された２
個１組の環状の陰極である。この２個１組のコイ
ル１に挾まれた空間及びコイル１の内部の空間に
は一つの図示されない真空容器が配設され、この
真空容器にはプラズマとなるべき気体が充填さ
れ、陰極３の少なくとも一方の陽極２の反対の側
には図示されない電子銃が配設され、この電子銃
から射出された電子は陰極３及び陽極２を貫通し
て図示されない真空容器内部を運動し、充填され
た気体をイオン化してプラズマが形成される。点
線６は、プラズマの存在する空間の境界を示す。
陰極３及び陰極５の電位を零、陽極２及び陽極４
の電位をφAとしたとき、Ｚ軸近傍の空間電位φ
は第２図に示す様に分布する。プラズマの存在す
る空間の電位はφeで、０＜φe＜φAである。プラ
ズマの存在する空間の両側には、陽極２の内部に
電位の山が形成され、電位の最も高い所で電位は
φe＋φiとなる。イオンの電価をZe、電子の電価を
−ｅとおいたとき、運動のエネルギがZeφiより小
さいイオン及び運動エネルギがeφeより小さい電
子はプラズマの存在する空間から磁場方向に脱出
できず、イオンは矢印７に示す様に、電子は矢印
８に示す様に反射されてプラズマに戻される。す
なわち、プラズマのイオン温度をTi、電子温度を
Teとするとき、 φi≫kTi／Ze、φe≫kTe／ｅ ……(1) とすることにより、プラズマの開放端におけるプ
ラギングができ、閉じ込め時間を格段に改善でき
ることが、従来の電磁トラツプの効果であつた。 この電磁トラツプにも、次の様な問題点があつ
た。第２図に示す如く、陽極２の内部に於て、空
間電位は最大φi＋φeとなるが、 △φ＝φA−（φi＋φe） ……(2) で与えられる陽極電位と空間電位の差△φは零に
ならず、△φ＞０である。△φが形成される原因
は陽極の内部に電子が捕獲されて電子群を形成
し、この電子群が作る空間電荷により電場が形成
されることである。△φはＺ軸からの距離ｒの関
数であり、 △φ＝△φ(r) とあらわすことができる。電子群の作る電場の向
きを考慮して、 ∂（△φ）／∂r＜０、ｒ＞０ であることがわかる。Ｚ軸上で電場のｒ成分は０
であるから、△φはｒ＝０で最大値△φnax、 φnax＝△φ（０） をとる。従つて陽極内で、Ｚ軸上の電位は式(2)よ
り、 φi＋φe＝φA−△φnax となる。φiとφeはプラズマの粒子数平衡等で定ま
るが、概ね同様程度の大きさで、φi〜φeであるか
ら、Ｚ軸上で、 φi〜φe〜１／２（φA−△φnax） となる。電磁トラツプに於ては、△φnaxが非常に
大きくなり、ほとんどφAに等しくなる結果、Ｚ
軸上すなわちｒ＝０で、 φi〜φe〜０、ｒ＝０ ……(3) となり、式(1)が成立しないことが知られている。
しかし、陽極内の大部分では式(1)が成立し、式(3)
はｒの非常に小さい部分だけで成立するから電磁
トラツプでは静電プラグのプラズマ閉じ込め時間
を増加させる効果は大きいが、ｒ〜０で式(3)が成
立する結果静電プラグにロスアパーチヤが形成さ
れ、これを通してプラズマが漏れるために、プラ
ズマ閉じ込め時間の増加の効果が制限されてい
た。 発明の目的 本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、プラズマ導出の部分以
外に使うロスアパーチヤのない静電プラグを提供
し、もつて生成されたプラズマを有効に利用でき
るとともに、導出するプラズマの流量を高速かつ
広範囲に制御できる一様磁場によるプラズマ装置
を提供するにある。 発明の概要 第１の静電プラグおよび第２の静電プラグにそ
れぞれ陽極、制御電極、陰極の順に高い電位を与
え、第１の静電プラグの空間電位を一定とし、か
つ第２の静電プラグの空間電位を第１の静電プラ
グの空間電位以下に保つた状態で、第２の静電プ
ラグの電極の電位を変化させることによつて目的
を達成した。 発明の実施例 第３図は本発明の一実施例を示すプラズマ装置
主要部縦断面図である。９は内部がプラズマで満
たされるプラズマ第一壁、１０は絶縁管でプラズ
マ第一壁９及後述の静電プラグの各電極等を保持
するとともに各電極等への図示されない給電径路
を有し、プラズマ第一壁９への図示されない気体
径路を有する。 １１は絶縁管で接続金具１２，１３に気密に固
着され、該接続金具１２の開口は板１４で気密に
封じられ、接続金具１３はフランジ１５に気密に
固着される。絶縁管１１、接続金具１２，１３、
板１４、フランジ１５は、フランジ１６ととも
に、図示されない排気装置を有する真空装置のフ
ランジ１７に接続して使用される気密な容器を構
成する。 図示されない気体源から供給されたプラズマと
なるべき気体（以下作動気体と称す）は管１８を
経てフランジ１６及絶縁管１０に形成された図示
されない気体径路を通り、プラズマ第一壁９の内
部へ供給される。１９は電磁石で容器の大部分に
一様な磁場を印加する。２０は第一の静電プラグ
で一様な磁場内に配設され、後述の様に、磁場方
向の成分が零でない電場をプラズマとの間の空間
全体に形成する。第一の静電プラグ２０は磁場方
向に貫通した中空部２２を有する陽極２１、該陽
極２１の第二の静電プラグ３０と反対側に配設さ
れた陰極２３、該陰極２３に穿設された貫通孔２
４、該貫通孔２４を貫通して陽極の中空部に延在
する制御電極２５と、陽極２１、制御２５、陰極
２３の順に高い電位を与える図示されない電源と
から構成される。 ３０は第二の静電プラグで、一様な磁場内に配
設され、構成は前述の第一の静電プラグ２０と基
本的に同一であり、磁場方向の成分が零でない電
場を、既に述べた如く、プラズマとの間の空間の
大部分に形成する。第二の静電プラグ３０は、磁
場方向に貫通した中空部３２を有する陽極３１
と、該陽極３１の第一の静電プラグ２０と反対側
に配設された陰極３３と、該陰極に穿設された図
示されない貫通孔と、該貫通孔を貫通して陽極の
中空部に延在する制御電極３５と、該陰極３３に
陽極の中空部３２の軸心と一致する軸心を有する
如く穿設された、制御電極３５が貫通する貫通孔
と別の貫通孔３６と、図示されない熱陰極と、陽
極３１、制御電極３５、陰極３３の順に高い電位
を与える図示されない電源と、から構成される。 第４図は第３図の実施例に於ける第二の静電プ
ラグ３０の陰極３３の近傍の詳細を示す断面図で
ある。３３ａはタングステン線を渦状に捲いて形
成された熱陰極で、陰極３３の一部をなし、支持
金具３３ｂと絶縁を施した支柱３３ｃにより固定
され、図示されない電源から給電加熱される。制
御電極３５は陰極３３に絶縁されて保持され、陰
極３３に穿設された貫通孔３４を貫通している。 第５図は第３，４図の実施例に適用されるプラ
ズマ装置の回路構成の一実施例を示す回路図であ
る。第一の静電プラグの陽極２１には直流電源４
０から正の高電位Va1が、陰極２３には直流電源
４１から負の高電位Vk1が、制御電極２５には直
流電源３７から正の高電位Vg1が、第二の静電プ
ラグの陽極３１には電源３８から正の高電位Va2
が印加され、陰極３３は接地されて電位Vk2は
０、熱陰極３３ａは直流電源３９により通電加熱
され、制御電極３５には電源４２から正の電位
Vg2が印加され、各給電径路は第３図に図示され
ない真空装置の内部から絶縁管１０の給電径路へ
形成されている。各電位の間には、 Va1＞Vg1＞０＞Vk1 ……(4) および、 Va2＞Vg2＞Vk2＝０ ……(5) の関係が成立する。本実施例ではVa1、Vg1、
Vk1、Va2、Vk2、は一定で、Vg2だけ可変にされ
ている。 以上述べた実施例を参照して本発明のプラズマ
装置の作用及び効果を述べると、熱陰極３３ａか
ら射出された電子は真空中ではプラズマ第一壁９
の内部を通り、(4)及び(5)式からわかるようにVk2
＞Vk1の関係があるから陰極２３の前面で反射さ
れ、再びプラズマ第一壁９の内部を通つて陰極３
３に帰る。プラズマ第一壁９の内部に作動気体が
供給されると、プラズマ第一壁９の内部を運動す
る電子はその分子をイオン化し、プラズマ第一壁
９の内部にプラズマが形成される。 形成されたプラズマに対する第一の静電プラグ
２０及び第二の静電プラグ３０の作用効果につい
て説明すると、陽極の中空部２２，３２には、電
磁トラツプのポイントカスプにおける静電プラグ
の陽極内部と同様、電子が捕獲されて電子群を形
成し、該電子群が作る空間電荷により電場が形成
される。本発明における静電プラグが電磁トラツ
プのポイントカスプにおける静電プラグと異なる
ところは、本発明の静電プラグにおいては、陽極
の中空部２２，３２に形成される電子群の密度は
制御電極２５，３５の電位Vg1、Vg2と陽極２１，
３１の電位Va1、Va2によつて制御され、その結
果陽極の中空部２２，３２における空間電位φ(r)
が制御されることで、電磁トラツプのポイントカ
スプにおける静電プラグの様に、(3)式に示される
様なｒ〜０における電位障壁の低下とそれによる
ロスアパーチヤの形成は、本発明における静電プ
ラグにおいては容易に回避することができ、必要
に応じてロスアパーチヤを形成することもでき
る。陽極の中空部２２，３２における空間電位φ
(r)は、陽極の内面の半径をRaとし、該制御電極
はｒ＝Rgにあるとすれば、 φ(r)＝Va−Vg／１−Rg 2／Ra 2・（ｒ／Ra）2＋φp、 φp＝Vg−（Rg 2／Ra 2）・Va／１−Rg 2／Ra 2、 φp＞φp、Va＝Va1またはVa2、Vg ＝Vg1またはVg2 ……(6) である。ここでφpはφ(r)の最小値でｒ＝０におけ
る電位であり、φpはプラズマ第一壁９の内部空
間の電位で、φp＞φpの条件は制御電極２５，３
５が空間電位を制御できるための必要条件であ
る。陽極の中空部２２，３２で、電場はｒ方向を
向いているから、電子群のＺ軸のまわりをドリフ
トしている。式(6)に示される電位分布の安定なこ
とは、仮に電位分布が変化しても、制御電極２
５，３５の作用で電位分布が式(6)に示されるもの
に戻ることでわかる。式(6)が成立しているとき、 φ（Rg）＝Vg ……(7) である。仮に、電子密度が増加すれば電場が強く
なり、φ（Rg）＜Vgとなる。この電位では、電子
は急速に制御電極に衝突し吸収されるから、式(7)
が成立するまで電子密度は減りつづけ、結局電位
は式(7)に戻る。また、仮に電子密度が減少すれ
ば、φ（Rg）＞Vgとなり、電子は制御電極に衝突
できなくなる。電子密度はプラズマから供給され
る電子等により増加する傾向が強く、電子密度増
加により、結局電位は式(7)に戻る。すなわち、空
間電位は、制御電極の作用により、式(6)に示され
る分布に安定に保たれる。 第一の静電プラグ２０のφpをφp1、第二の静電
プラグ３０のφpをφp2とおくと、本発明では、 φp1≧φp2＞０ となるように、Va1、Vg1、Va2、Vg2が与えられ
る。φp＞φp2の場合、プラズマに対する第二の静
電プラグ３０の電位障壁は小さくなり、プラズマ
のイオンと電子は陰極の貫通孔３６を通り抜けて
プラズマ装置の外部へ流出する。このときプラズ
マの存在するプラズマ第一壁９の内部空間の電位
φpは、第二の静電プラグの各電極の電位、熱陰
極３３ａからの電子電流、生成されているプラズ
マの密度と温度等で定まり、 φp2＞φp＞０ である。貫通孔３６を通り抜ける粒子を減少さ
せ、プラズマの閉じ込めを良くするためには、
φp2〜φp1とすればよい。逆に貫通孔を通り抜ける
粒子を増加させるためには、φp2を零に近づけれ
ばよく、φp2を非常に少さくすれば、電磁トラツ
プの静電プラグに形成されるようなロスアパーチ
ヤを第二の静電プラグ３０の軸心近傍に形成する
ことも可能である。このように、貫通孔３６を通
り抜ける粒子の流量は、φp2を制御することによ
り広い範囲で制御できる。第５図に示す実施例で
は、φp2の制御は電源４２の出力電位Vg2の制御に
より行われる。本発明で用いる静電プラグの特徴
は、Vg2を変化させたとき、式(6)に示す電位分布
を形成する時間が非常に速いことで、プラズマ粒
子の流量を高速で制御できる。また、第一の静電
プラグでは、φp1は高くされているから、φp1−φp
が大きな値をとり、ロスアパーチヤは存在しな
い。 イオンはポテンシヤル障壁｛φ(r)−φp｝Ｚに
より反射され、電子はポテンシヤル障壁φp−Vk1
により反射される。式(1)に対応する関係、 φp1−φp≫kTi／Ze、φp−Vk1≫kTe／ｅ ……(10) は、容易に実現できる。従つて、第二の静電プラ
グからだけプラズマ粒子の流出のある一様磁場の
プラズマ装置を実現できる。なおプラズマ装置の
外部に流出したプラズマ粒子の利用方法について
本発明は何らの制御も課すものではない。 発明の効果 以上説明したように、本発明のプラズマ装置に
よれば、第１の静電プラグおよび第２の静電プラ
グにそれぞれ陽極、制御電極、陰極の順に高い電
位を与え、第１の静電プラグの空間電位を一定と
し、かつ第２の静電プラグの空間電位を第１の静
電プラグの空間電位以下に保つた状態で、第２の
静電プラグの電極の電位を変化させるように構成
したので、プラズマ取出し孔からのプラズマ粒子
の流量を高速かつ広範囲に制御することができる
ようになる。
により閉じ込められたプラズマ粒子の取出し流量
を制御し得るプラズマ装置に関する。 従来技術とその問題点 長い一様磁場はソレノイド等で、短い一様磁場
はヘルムホルツコイル等で、それぞれ容易に発生
することができ、導体の電磁応力も少くて済む。
コイル等の内部に配設される真空容器は外形を単
純な形状にできるから製作が容易で、分解再組立
等真空容器の取扱いも容易に行える。従つて一様
磁場によるプラズマ閉じ込め装置は実用価値が高
い。しかし、一様磁場は開放系であるから、開放
系に共通の問題点を持つ。すなわち、開放系磁場
でプラズマを閉じ込める場合、プラズマの閉じ込
め時間を長くすることが核融合炉で必要なことは
よく知られているが、プラズマを閉じ込める装置
の外部に導いて加工、処理等に利用する等の核融
合炉以外の用途に使用されるプラズマ装置に於て
も、閉し込め時間を長くすればプラズマ発生装置
の消費電力が少くて済み、プラズマの密度を高く
することができ、更にプラズマを包囲する固体壁
への熱入力が軽減されるなど、大きな効果が得ら
れる。開放系磁場によるプラズマ閉じ込めで閉じ
込め時間を長くするためには、開放端におけるプ
ラギングが必要とされる。このことは、たとえ
ば、C.Cormezano：Reduction of Losses in
Open−Ended Magnetic Traps；Nuclear
Fusion、19（′79）、８、1085などの文献に記載
されている。 プラギングには高周波によるものと静電場によ
るものがあり、静電場によるものには電極を用い
る電極法と、タンデムミラー形磁場による両極性
電位閉じ込めがあり、これらはいずれも研究途上
にある。この電極法には、カスプ磁場のポイント
及びラインカスプに陽極及び陰極からなる静電プ
ラグを用いた電磁トラツプがある。第１図は電磁
トラツプの原理図で、文献T.J.Dolan、B.L.
Stansfield and J.M.Larsen：Plasma Potential
in electrostatically Plugged cusps and
mirrors：The Phycics of Fluids、18（′75）、
10、1383に掲載されたものである。 図中の符号１は２個１組のコイルでＺ軸のまわ
りに軸対称に捲かれ、カスプ磁場を形成する。２
はポイントカスプに配置された中空円筒状の陽
極、３はポイントカスプに配設された中空円筒状
の陰極、４はラインカスプに配設された２個１組
の環状の陽極、５はラインカスプに配設された２
個１組の環状の陰極である。この２個１組のコイ
ル１に挾まれた空間及びコイル１の内部の空間に
は一つの図示されない真空容器が配設され、この
真空容器にはプラズマとなるべき気体が充填さ
れ、陰極３の少なくとも一方の陽極２の反対の側
には図示されない電子銃が配設され、この電子銃
から射出された電子は陰極３及び陽極２を貫通し
て図示されない真空容器内部を運動し、充填され
た気体をイオン化してプラズマが形成される。点
線６は、プラズマの存在する空間の境界を示す。
陰極３及び陰極５の電位を零、陽極２及び陽極４
の電位をφAとしたとき、Ｚ軸近傍の空間電位φ
は第２図に示す様に分布する。プラズマの存在す
る空間の電位はφeで、０＜φe＜φAである。プラ
ズマの存在する空間の両側には、陽極２の内部に
電位の山が形成され、電位の最も高い所で電位は
φe＋φiとなる。イオンの電価をZe、電子の電価を
−ｅとおいたとき、運動のエネルギがZeφiより小
さいイオン及び運動エネルギがeφeより小さい電
子はプラズマの存在する空間から磁場方向に脱出
できず、イオンは矢印７に示す様に、電子は矢印
８に示す様に反射されてプラズマに戻される。す
なわち、プラズマのイオン温度をTi、電子温度を
Teとするとき、 φi≫kTi／Ze、φe≫kTe／ｅ ……(1) とすることにより、プラズマの開放端におけるプ
ラギングができ、閉じ込め時間を格段に改善でき
ることが、従来の電磁トラツプの効果であつた。 この電磁トラツプにも、次の様な問題点があつ
た。第２図に示す如く、陽極２の内部に於て、空
間電位は最大φi＋φeとなるが、 △φ＝φA−（φi＋φe） ……(2) で与えられる陽極電位と空間電位の差△φは零に
ならず、△φ＞０である。△φが形成される原因
は陽極の内部に電子が捕獲されて電子群を形成
し、この電子群が作る空間電荷により電場が形成
されることである。△φはＺ軸からの距離ｒの関
数であり、 △φ＝△φ(r) とあらわすことができる。電子群の作る電場の向
きを考慮して、 ∂（△φ）／∂r＜０、ｒ＞０ であることがわかる。Ｚ軸上で電場のｒ成分は０
であるから、△φはｒ＝０で最大値△φnax、 φnax＝△φ（０） をとる。従つて陽極内で、Ｚ軸上の電位は式(2)よ
り、 φi＋φe＝φA−△φnax となる。φiとφeはプラズマの粒子数平衡等で定ま
るが、概ね同様程度の大きさで、φi〜φeであるか
ら、Ｚ軸上で、 φi〜φe〜１／２（φA−△φnax） となる。電磁トラツプに於ては、△φnaxが非常に
大きくなり、ほとんどφAに等しくなる結果、Ｚ
軸上すなわちｒ＝０で、 φi〜φe〜０、ｒ＝０ ……(3) となり、式(1)が成立しないことが知られている。
しかし、陽極内の大部分では式(1)が成立し、式(3)
はｒの非常に小さい部分だけで成立するから電磁
トラツプでは静電プラグのプラズマ閉じ込め時間
を増加させる効果は大きいが、ｒ〜０で式(3)が成
立する結果静電プラグにロスアパーチヤが形成さ
れ、これを通してプラズマが漏れるために、プラ
ズマ閉じ込め時間の増加の効果が制限されてい
た。 発明の目的 本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、プラズマ導出の部分以
外に使うロスアパーチヤのない静電プラグを提供
し、もつて生成されたプラズマを有効に利用でき
るとともに、導出するプラズマの流量を高速かつ
広範囲に制御できる一様磁場によるプラズマ装置
を提供するにある。 発明の概要 第１の静電プラグおよび第２の静電プラグにそ
れぞれ陽極、制御電極、陰極の順に高い電位を与
え、第１の静電プラグの空間電位を一定とし、か
つ第２の静電プラグの空間電位を第１の静電プラ
グの空間電位以下に保つた状態で、第２の静電プ
ラグの電極の電位を変化させることによつて目的
を達成した。 発明の実施例 第３図は本発明の一実施例を示すプラズマ装置
主要部縦断面図である。９は内部がプラズマで満
たされるプラズマ第一壁、１０は絶縁管でプラズ
マ第一壁９及後述の静電プラグの各電極等を保持
するとともに各電極等への図示されない給電径路
を有し、プラズマ第一壁９への図示されない気体
径路を有する。 １１は絶縁管で接続金具１２，１３に気密に固
着され、該接続金具１２の開口は板１４で気密に
封じられ、接続金具１３はフランジ１５に気密に
固着される。絶縁管１１、接続金具１２，１３、
板１４、フランジ１５は、フランジ１６ととも
に、図示されない排気装置を有する真空装置のフ
ランジ１７に接続して使用される気密な容器を構
成する。 図示されない気体源から供給されたプラズマと
なるべき気体（以下作動気体と称す）は管１８を
経てフランジ１６及絶縁管１０に形成された図示
されない気体径路を通り、プラズマ第一壁９の内
部へ供給される。１９は電磁石で容器の大部分に
一様な磁場を印加する。２０は第一の静電プラグ
で一様な磁場内に配設され、後述の様に、磁場方
向の成分が零でない電場をプラズマとの間の空間
全体に形成する。第一の静電プラグ２０は磁場方
向に貫通した中空部２２を有する陽極２１、該陽
極２１の第二の静電プラグ３０と反対側に配設さ
れた陰極２３、該陰極２３に穿設された貫通孔２
４、該貫通孔２４を貫通して陽極の中空部に延在
する制御電極２５と、陽極２１、制御２５、陰極
２３の順に高い電位を与える図示されない電源と
から構成される。 ３０は第二の静電プラグで、一様な磁場内に配
設され、構成は前述の第一の静電プラグ２０と基
本的に同一であり、磁場方向の成分が零でない電
場を、既に述べた如く、プラズマとの間の空間の
大部分に形成する。第二の静電プラグ３０は、磁
場方向に貫通した中空部３２を有する陽極３１
と、該陽極３１の第一の静電プラグ２０と反対側
に配設された陰極３３と、該陰極に穿設された図
示されない貫通孔と、該貫通孔を貫通して陽極の
中空部に延在する制御電極３５と、該陰極３３に
陽極の中空部３２の軸心と一致する軸心を有する
如く穿設された、制御電極３５が貫通する貫通孔
と別の貫通孔３６と、図示されない熱陰極と、陽
極３１、制御電極３５、陰極３３の順に高い電位
を与える図示されない電源と、から構成される。 第４図は第３図の実施例に於ける第二の静電プ
ラグ３０の陰極３３の近傍の詳細を示す断面図で
ある。３３ａはタングステン線を渦状に捲いて形
成された熱陰極で、陰極３３の一部をなし、支持
金具３３ｂと絶縁を施した支柱３３ｃにより固定
され、図示されない電源から給電加熱される。制
御電極３５は陰極３３に絶縁されて保持され、陰
極３３に穿設された貫通孔３４を貫通している。 第５図は第３，４図の実施例に適用されるプラ
ズマ装置の回路構成の一実施例を示す回路図であ
る。第一の静電プラグの陽極２１には直流電源４
０から正の高電位Va1が、陰極２３には直流電源
４１から負の高電位Vk1が、制御電極２５には直
流電源３７から正の高電位Vg1が、第二の静電プ
ラグの陽極３１には電源３８から正の高電位Va2
が印加され、陰極３３は接地されて電位Vk2は
０、熱陰極３３ａは直流電源３９により通電加熱
され、制御電極３５には電源４２から正の電位
Vg2が印加され、各給電径路は第３図に図示され
ない真空装置の内部から絶縁管１０の給電径路へ
形成されている。各電位の間には、 Va1＞Vg1＞０＞Vk1 ……(4) および、 Va2＞Vg2＞Vk2＝０ ……(5) の関係が成立する。本実施例ではVa1、Vg1、
Vk1、Va2、Vk2、は一定で、Vg2だけ可変にされ
ている。 以上述べた実施例を参照して本発明のプラズマ
装置の作用及び効果を述べると、熱陰極３３ａか
ら射出された電子は真空中ではプラズマ第一壁９
の内部を通り、(4)及び(5)式からわかるようにVk2
＞Vk1の関係があるから陰極２３の前面で反射さ
れ、再びプラズマ第一壁９の内部を通つて陰極３
３に帰る。プラズマ第一壁９の内部に作動気体が
供給されると、プラズマ第一壁９の内部を運動す
る電子はその分子をイオン化し、プラズマ第一壁
９の内部にプラズマが形成される。 形成されたプラズマに対する第一の静電プラグ
２０及び第二の静電プラグ３０の作用効果につい
て説明すると、陽極の中空部２２，３２には、電
磁トラツプのポイントカスプにおける静電プラグ
の陽極内部と同様、電子が捕獲されて電子群を形
成し、該電子群が作る空間電荷により電場が形成
される。本発明における静電プラグが電磁トラツ
プのポイントカスプにおける静電プラグと異なる
ところは、本発明の静電プラグにおいては、陽極
の中空部２２，３２に形成される電子群の密度は
制御電極２５，３５の電位Vg1、Vg2と陽極２１，
３１の電位Va1、Va2によつて制御され、その結
果陽極の中空部２２，３２における空間電位φ(r)
が制御されることで、電磁トラツプのポイントカ
スプにおける静電プラグの様に、(3)式に示される
様なｒ〜０における電位障壁の低下とそれによる
ロスアパーチヤの形成は、本発明における静電プ
ラグにおいては容易に回避することができ、必要
に応じてロスアパーチヤを形成することもでき
る。陽極の中空部２２，３２における空間電位φ
(r)は、陽極の内面の半径をRaとし、該制御電極
はｒ＝Rgにあるとすれば、 φ(r)＝Va−Vg／１−Rg 2／Ra 2・（ｒ／Ra）2＋φp、 φp＝Vg−（Rg 2／Ra 2）・Va／１−Rg 2／Ra 2、 φp＞φp、Va＝Va1またはVa2、Vg ＝Vg1またはVg2 ……(6) である。ここでφpはφ(r)の最小値でｒ＝０におけ
る電位であり、φpはプラズマ第一壁９の内部空
間の電位で、φp＞φpの条件は制御電極２５，３
５が空間電位を制御できるための必要条件であ
る。陽極の中空部２２，３２で、電場はｒ方向を
向いているから、電子群のＺ軸のまわりをドリフ
トしている。式(6)に示される電位分布の安定なこ
とは、仮に電位分布が変化しても、制御電極２
５，３５の作用で電位分布が式(6)に示されるもの
に戻ることでわかる。式(6)が成立しているとき、 φ（Rg）＝Vg ……(7) である。仮に、電子密度が増加すれば電場が強く
なり、φ（Rg）＜Vgとなる。この電位では、電子
は急速に制御電極に衝突し吸収されるから、式(7)
が成立するまで電子密度は減りつづけ、結局電位
は式(7)に戻る。また、仮に電子密度が減少すれ
ば、φ（Rg）＞Vgとなり、電子は制御電極に衝突
できなくなる。電子密度はプラズマから供給され
る電子等により増加する傾向が強く、電子密度増
加により、結局電位は式(7)に戻る。すなわち、空
間電位は、制御電極の作用により、式(6)に示され
る分布に安定に保たれる。 第一の静電プラグ２０のφpをφp1、第二の静電
プラグ３０のφpをφp2とおくと、本発明では、 φp1≧φp2＞０ となるように、Va1、Vg1、Va2、Vg2が与えられ
る。φp＞φp2の場合、プラズマに対する第二の静
電プラグ３０の電位障壁は小さくなり、プラズマ
のイオンと電子は陰極の貫通孔３６を通り抜けて
プラズマ装置の外部へ流出する。このときプラズ
マの存在するプラズマ第一壁９の内部空間の電位
φpは、第二の静電プラグの各電極の電位、熱陰
極３３ａからの電子電流、生成されているプラズ
マの密度と温度等で定まり、 φp2＞φp＞０ である。貫通孔３６を通り抜ける粒子を減少さ
せ、プラズマの閉じ込めを良くするためには、
φp2〜φp1とすればよい。逆に貫通孔を通り抜ける
粒子を増加させるためには、φp2を零に近づけれ
ばよく、φp2を非常に少さくすれば、電磁トラツ
プの静電プラグに形成されるようなロスアパーチ
ヤを第二の静電プラグ３０の軸心近傍に形成する
ことも可能である。このように、貫通孔３６を通
り抜ける粒子の流量は、φp2を制御することによ
り広い範囲で制御できる。第５図に示す実施例で
は、φp2の制御は電源４２の出力電位Vg2の制御に
より行われる。本発明で用いる静電プラグの特徴
は、Vg2を変化させたとき、式(6)に示す電位分布
を形成する時間が非常に速いことで、プラズマ粒
子の流量を高速で制御できる。また、第一の静電
プラグでは、φp1は高くされているから、φp1−φp
が大きな値をとり、ロスアパーチヤは存在しな
い。 イオンはポテンシヤル障壁｛φ(r)−φp｝Ｚに
より反射され、電子はポテンシヤル障壁φp−Vk1
により反射される。式(1)に対応する関係、 φp1−φp≫kTi／Ze、φp−Vk1≫kTe／ｅ ……(10) は、容易に実現できる。従つて、第二の静電プラ
グからだけプラズマ粒子の流出のある一様磁場の
プラズマ装置を実現できる。なおプラズマ装置の
外部に流出したプラズマ粒子の利用方法について
本発明は何らの制御も課すものではない。 発明の効果 以上説明したように、本発明のプラズマ装置に
よれば、第１の静電プラグおよび第２の静電プラ
グにそれぞれ陽極、制御電極、陰極の順に高い電
位を与え、第１の静電プラグの空間電位を一定と
し、かつ第２の静電プラグの空間電位を第１の静
電プラグの空間電位以下に保つた状態で、第２の
静電プラグの電極の電位を変化させるように構成
したので、プラズマ取出し孔からのプラズマ粒子
の流量を高速かつ広範囲に制御することができる
ようになる。
第１図は電磁トラツプの原理図、第２図は電磁
トラツプのＺ軸近傍の空間電位の分布を示す線
図、第３図は本発明の一実施例を示すプラズマ装
置主要部縦断面図、第４図は第３図の実施例に於
ける第二の静電プラグの陰極近傍の詳細を示す断
面図、第５図は第３図、第４図の実施例に適用さ
れるプラズマ装置の回路構成の一実施例を示す回
路図である。 １……コイル、２，４，２１，３１……陽極、
３，５，２３，３３……陰極、９……プラズマ第
一壁、１０，１１……絶縁管、１２，１３……接
続金具、１４……板、１５，１６，１７……フラ
ンジ、１８……管、１９……電磁石、２０……第
一の静電プラグ、２２，２３……陽極の中空部、
２４，３４，３６……陰極の貫通孔、２５，３５
……制御電極、３０……第二の静電プラグ、３３
ａ……熱陰極、３７，３８，３９，４０，４１，
４２……電源。
トラツプのＺ軸近傍の空間電位の分布を示す線
図、第３図は本発明の一実施例を示すプラズマ装
置主要部縦断面図、第４図は第３図の実施例に於
ける第二の静電プラグの陰極近傍の詳細を示す断
面図、第５図は第３図、第４図の実施例に適用さ
れるプラズマ装置の回路構成の一実施例を示す回
路図である。 １……コイル、２，４，２１，３１……陽極、
３，５，２３，３３……陰極、９……プラズマ第
一壁、１０，１１……絶縁管、１２，１３……接
続金具、１４……板、１５，１６，１７……フラ
ンジ、１８……管、１９……電磁石、２０……第
一の静電プラグ、２２，２３……陽極の中空部、
２４，３４，３６……陰極の貫通孔、２５，３５
……制御電極、３０……第二の静電プラグ、３３
ａ……熱陰極、３７，３８，３９，４０，４１，
４２……電源。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 気密な容器の少なくとも一部に一様な磁場を
印加する手段と、 前記気密な容器内の気体をイオン化してプラズ
マを発生する手段と、 前記一様な磁場内に配置され、磁場方向の成分
を有する電場を形成することによつてプラズマを
閉じ込める第１および第２の静電プラグと、 を具備するプラズマ装置において、 前記第１および第２の静電プラグのそれぞれ
は、磁場方向に貫通した中空部を有する陽極と、 前記陽極に対して、他の静電プラグとは反対側
に配設された陰極と、 前記陰極を貫通し、かつ前記陽極の中心軸から
離間した状態で前記陽極の中空部に延在する制御
電極と、 前記陽極、前記制御電極、前記陰極の順に高い
電位を与える手段とを備えるとともに、 前記第２の静電プラグの陽極の中心軸とほぼ同
軸となるようにプラズマ取出し孔が設けられ、 前記第１の静電プラグの空間電位を一定とし、
かつ前記第２の静電プラグの空間電位を前記第１
の静電プラグの空間電位以下に保つた状態で、前
記第２の静電プラグの電極の電位を変化させるこ
とによつて前記プラズマ取出し孔からのプラズマ
粒子の流量を制御するように構成されてなること
を特徴とするプラズマ装置。 ２ 前記第２の静電プラグの制御電極の電位を変
化させることによつて前記プラズマ取出し孔から
のプラズマ粒子の流量を制御するように構成され
てなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のプラズマ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57000100A JPS58117695A (ja) | 1982-01-05 | 1982-01-05 | プラズマ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57000100A JPS58117695A (ja) | 1982-01-05 | 1982-01-05 | プラズマ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58117695A JPS58117695A (ja) | 1983-07-13 |
| JPH0526320B2 true JPH0526320B2 (ja) | 1993-04-15 |
Family
ID=11464675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57000100A Granted JPS58117695A (ja) | 1982-01-05 | 1982-01-05 | プラズマ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58117695A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS586258B2 (ja) * | 1980-03-26 | 1983-02-03 | 株式会社東芝 | イオン発生装置 |
-
1982
- 1982-01-05 JP JP57000100A patent/JPS58117695A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58117695A (ja) | 1983-07-13 |
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