JPS58100396A - プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の属する技術分野 本発明は開放系磁場によるプラズマ閉じ込めを可能とす
るプラズマ装置に関する＠ 従来技術及び其の問題点 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デで必畳なことはよ
く知られているが、被鵬合炉以外の用途に使用されるプ
ラズマＩｉｌｌｌＫｍ）ても、ｊ１１９じ込め時間を長
くすればプラズマ発生装置Ｏ消費電力が少くて済み、プ
ラズマの会友を高くすることかで龜、更にプラズマを包
囲する―体壁への熱入力が壕滅されるなど、大龜な効果
が得られる〇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杜、開放端におけゐプラギン
グが必畳とされる。このことは、九とえば、Ｃ・（）・
ｒｍ＠ｇａｎｏ：Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　　ｏｆ　　Ｌｏ
ｌｌ＠Ｉ　　　ｉｎ　　０ｐｅｎ　−ｊｌｆａｄｅｄＭ
ａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｐｓ；ＮｕｃＪｅａｒ　ｉｉ’
ｕａｉｏｎ　、　１１１（’７Ｇ）、８゜１０８５など
の文献に記載されている〇プラギングには高周波によ４
４６と静電場によるものがＴｏｂ、静電場によるものに
杜電極を用いる電１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ジ、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＃Ｉｋ極からなる静電プラグを用
いた電磁トラップがある。第１図は電磁トラップの原珊
図で、文献Ｔ　、Ｊ　、ＤＯｌａｎ、Ｂ、Ｌ。

５−ｔａｎｓｔｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｊ、Ｍ、Ｌａｒｍｅ
ｎ：ｐＨａｓｍａ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｊ　１ｎＮｌｅｃ
ｔｒｏｓｔａｔ＋ｃａｌｌｙ　　Ｐｊｕｇｇｅｄ　　Ｃ
ｕ５ｐｓ　　ａｎｄ　Ｍｉｒｒｏｒｓ：ＴｈｅＰｈｙｃ
ｌｃｓ　ｏｆ　１ｉｆｊｕｉｄｓ、１ｌｌ（’　７５）
　、１０．１３８３に掲載されえものである。

―中Ｏ符号（１）１２個１組のコイルで２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
ントカスプに配設され丸中空円筒執の陽極。

（３）はポイントカスプに配設され丸中空円筒状Ｏ廁砺
、（４）はラインカスプに配設された２個ｉｌｌの環状
の陽極、（５）はラインカスプに配設された２個１親の
Ｓ状の一極である。この２個ｌ躯のコイル（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ｉ真空容器が配設され、この真空容器にはプラズ
マとなるべ電気体が充填され、一極（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。−極（３）及び陰極（５）の単位を零、陽極（２
）及び陽極（４）の電位をφ人としたと色、２軸近傍の
空間電位φはｉｓＺ図に示すＩＩＫ分布する０プラズマ
の存在する空間の電位はφ・で、Ｏ〈φ。〈φムである
。プラズマの存在する空間の両側には、陽＠（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線φ
。＋φ息となる。

イオンの電価を２・、電子の電価を−・とお−だと自エ
ネルギが２・φゑより小さいイオン′友び運動エネルギ
が６−０より小さい電子はプラズマの存在する空間から
畿鳩方向に脱出できず、イオンは矢印（７）に示す嶺に
、電子は矢印（８）ｋ示す様に反射されてプラグ−？に
１にされる◎すなわち、プラズマのイオン温度をＴｉ　
、電子温度をＴ、とすると龜。

φｉ　＞＞：　ｋＴ１／Ｚｅ　、φ＠　＞）　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、従来の電磁トラップの効果で
あった。

この電磁トラップに４％次の様な問題点かあつ九。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＋φ。となるが。

Δφ　二　−□　−（φ　血　＋　φ　。　）　　　　
　　　　　　　　　　・・・（２）で与えられる陽極電
位と空間電位の差Δφは零にならず、Δφ〉Ｏである。

Δφ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
が形成されるごとである。ΔφはＺ軸からの距離【の関
数であり、Δφ＝へφ（「）とあられすことができる。

電子群の作る電場の向自を考慮して。

Ｊｌ＝→」 ａ、　　＜Ｏｓｒ＞。

であることがわかる。２軸上で電場のｒ成分はＯである
から、Δφは「＝０で最大値Δφ。ＩＩＸ　ｅΔφｍｆ
ｉＸ　”Δφ（０） をとる。従って陽極内で２軸上の電位は式（２）よりφ
１＋φ６＝φ、−ΔφｍｍＮ となる０φｉとφ６はプラズマの粒子数平衡等で定まる
が概・同様程度の大きさで、φ１〜−８であるから、Ｚ
軸上で、 φｉ〜φ。〜Σ（φ。−Δφｍ□） となる。電磁トラップに於ては、Δφｍａｘ６’非常に
大きくなり、はとんどφ□に等しくなる結果、Ｚ軸上す
なわち「＝０で、 φｉ〜φ。〜ｏ、ｒ＝ｏ　　　　　　　　・・・（３）
となり、式＋１＞が成立しないことが知られている。

しかし、陽極内の大部分で線式（１）が成立し、式（３
）は「の非常に小さい部分だけで成立するからｌ１ｌＥ
ｆ＆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龜いが、ｒ〜０で式（３）が成立す
る結果静電プラグにロスアパーチャが形成され、これを
通してプラー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九０発明の目的 本発明はかかる事情に鑑みてなされた−ので、その目的
とするところは、ロスアパーチャのない静電プラグを提
供し、もって高温密度のプラズマを長い時間閉じ込める
ことので色る開放系プラズマｔ７＆１を実現することで
ある。

発明の概要 プラズマ境界の近くに磁場方向に貫通した中空部を有す
る第−一極を配設して制御電極への電子の流入を抑制し
、第−一極につづいて配設した陽極−の中空部に延在す
る制御電極を設け、その電位を制御することによって陽
極の中空部の電位分布をｍ＃ｔ、てプラズマの存在する
空間の電位より高く保ち、第二の一極の電位はプラズマ
の電位より低くり、、％、てロスアパーチャがなく制御
電極への電子流入の少ない静電プラグを提供できた０発
明の実施例 ＃Ｉ３図は本発明の一実施例を示すプラズマ装置構成図
である。２１１１−組のコイルｔ１）は２軸のまわりに
軸対称に１かれ、図示されない電源とともに、プラズマ
を収容する開放系磁場の一種のカスプ磁場を発生Ｃる装
置を構成する。（４）はカスプ磁場の開放端のひとつで
あるラインカスプに配設された２個一組の環状の陽極、
（５）はラインカスプに配設された２個一組の環状の陰
極で、ラインカスプに於て磁場の方向と平行な零でない
成分を有する電場を形成する静電プラグを構成し、２個
一組のコイル（１）に挾まれた空間及び咳コイル１１）
の内部の空間には、図示されない一つの真空容器が配設
され咳真空容器にはプラズマ境界（［（６）を定める図
示されない嬉−壁が収容されている。プラズマの存在す
る空間の電位φ、は、第−壁の電位φ。で制御される。

すなわち＃第−壁とプラズマの間に存在するシースを介
するプラズマ電子及びイオンの伝導により、プラズマと
咳第−壁の電位差すなわちシース電圧φ、が定まるから
、 φｐ＝φ６＋φ、　　　　　　　　　　　　・・・（４
）により、φ、が定まる。（９）は磁場方向に貫通した
中空部を有する嬉−陰極、　（１（Ｉは皺第−陰極（９
）のプラズマの存在する空間（点線（６）で示される面
の内部の空間）の反対側に該第−の１砺（９）と離間し
て配設され磁場方向に貫通した中空部を有する陽極、α
υは該陽極（１１のプラズマの存在する空間の反対側に
骸陽極−と離間して配設され九第二ｌｉＩ！砺、■は鋏
第二＃Ｉｋｆｉに穿設された貫通孔を該第二陰極と接触
せずに貫通し鍍陽極（１（Ｉの中空部に延在する制御電
極で、第−一極（９）、陽極四、第二陽極ａυ及び制御
域ｆｉａ湯は図示されない第−壁とともに静電プラグ０
を構−成し、本実施例ではカスプ磁場の開放端である二
つのポイントカスプに、それぞれ鋏静電プラグ０が配設
され、鋏静電プラグ轡は以下に詳述するように磁場の方
向と平行な零でない成分を有する電場を形成する。

第４図は１１３図に示す実施例の主１部の構成と作用を
示すもので、（１Ｎは静電プラグ構成図、（呻は空間電
位φ（ｒ、ｘ）の２依存を示す線図、（Ｃ）は空間電位
φ（ｒ、ｚ）のｒ依存を示す−１である０陽ｆ＆鱒には
電ｆｉａ尋（至）により電位φａが与えられ、制御電極
Ｉには鋏電＃ａ４により電位φ、が与えられ、第一陰極
（９）には電ＩＩＩ［ａｌｌによυ電位φｋｌが、第二
陽極ａｌｌには電＃Ｑｆｌより電位φｋｌがそれぞれ与
えられる。各電位の間には、 φｋｌ　９φに！＜ｏ＜φ、〈φ３　　　　　・・・（
５）の関係が成立する。鱈は第−壁で接地されておシ咳
第−壁の内部にはシースｌを介してプラズマ■が接触°
している０プラズマの存在する空・間の電位φ　は、式
（４）から、φ、＝φ、であるＯ各電位φ８゜’ｇ＊’
ｋ１ｍ１ｋｇの絶対値は静電プラグが有効に作用す石よ
うに大−くとられているから、１φｐｌ＜＜ｌφｋｌｌ
。

１φｋｓｌ　Ｉφ２．φ８であるｏ（５）を参照して。

φｋｔ　ｏφに２＜φ９〈す〈φ８　　　　・・・（６
）が成立する。

第二陰極ａυには貫通孔ＱＤが穿設され、制御電極Ｉは
錬貫通孔Ｑ１）を該第二陰極Ｑｌｌと接触せずに貫通し
、陽極員の中空部＠に延在する。

かくして構成され九嬉４図（→に実施例を示し九静電プ
ラグ嗜の作用と 発明の効果 を第４図（ｂ）及び（Ｃ）を参照して説明すると　＊極
の中空部（２）には、電磁トラッ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Ｏ 本発明における静電プラグが電磁トラップのボインドカ
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（２）に形成される
電子群の密度は制御電極α湯の電位φ、と陽極ａ・の電
位φ８によって制御され、その結果陽極の中空部＠にお
ける空間電位φ（ｒ、ｘ）＝φ（ｒ。

１１）が劃−されることで、電磁トラップのポイントカ
スブにおける静電プラグの様に、（３）弐に示される様
なｒ〜０における電位障壁の低下とそれによるロスアパ
ーチャの形成は１本発明における静電プラグにおいては
容易に回避できる０鋏陽極の中空部（２）における空間
電位φ（ｒ、ｚｌ）は、＃１Ｉｌｉの内面の半極をＲ１
とし、該制御電極は「＝几、にあるとすれば、 である。ここでφ０はφ（ｒ４１）の最小値でｒ＝ｏに
おける電位であり、φ。〉φ、の条件は制御電極ａノが
空間電位をｆｌＨ４できるための必１条件である。

空間電位分布φ（ｒ７ｚＢ）は第４図（→に示されてい
る。

°陽極の中空部（２）で、電場はｒ方向を向いているか
ら、電子群は２軸のまわりをドリフトしている。

（７）式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αりの作用で電位分布が（
１）式に示されるものに戻ることでわかる。（力式が成
立していると趣、 φ（Ｒｇ、Ｚ、）＝φ、　　　　　　　　　　・・・（
８）である。仮に１電子帯度が増加すれば電場が強くな
り、φ（Ｒｇ、　Ｚｌ）　＜φ、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、（８
）式が成立するまで電子密度は滅シつづけ、結局電位線
（８）式に戻る。また、仮に電子密度が減少すれば、φ
（Ｒｇ、　ｚｌ）　＞φ、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（８）弐に戻る。すなわち。

空間電位は、制御電極の作用により、（７）弐に示され
る分布に、安定に保たれる。

次にプラズマ（至）の存在する空間の電位φ（ｒ、ｚ）
＝φ（ｒ、ｘｌ）を考える。プラズマ■の存在する空間
では、ｍ場は非常に弱いから、電位φ（ｒ、ｚ３）は一
定と考えてよい、即ちφ（ｒ、す）＝φ、である。上述
の如く、シース電圧φ、とφ、は等しい。すなわち、φ
、＝φ、である。シース電圧φ、は、プラズマを構成す
るイオンと電子のラーマ半径の相異によって負の値をと
り、その大急さは静電プラグの各電極に与える電位の大
きさ１φｋｔｌ、ｌφｋｚｌ　ｅφ、、φ１にくらべて
非常に小さい。すなわち。

１φ、１（１φに、ｌ、ｌφｋ１１．す、φ８　・・・
（９）である。ＪＩ４Ｍ！ＩＩ（→には、２軸上の電位
φ（ｏ、ｚ）及び陽極内面に接し２軸に平行な直線上の
電位φ（Ｒ，、Ｚ）が示されている。φ。＝φ（’＃”
ｌ）がφ（ｒ、ｓｌ）の最小値であること及びφに２＜
φ、であることから全てのｒ４Ｃついて、イオン及び電
子の両方についての電位障−が形成されていて、陽極の
中空部（２）にはロスアパーチャが存在しないことがわ
かる。プラズマ（至）は嬉−鐘−の内部に存在し、陽極
の中空部四に形成された電子群とは隔離されている。イ
オンはポテンシャル障壁（φ（ｒ、ｚｌ）−φ、）ｚに
より反射され、電子はポテンシャル障壁φ、−φに！に
より反射される。ｔｌ）に対応する関係。

φ。−φｐ＞＞ｋＴｉ／Ｚｅ　、φ、−φに鵞））ｋＴ
−・・・Ｑ＠は、（９）が成立するから、容易に実現で
−る、従って、プラズマの閉じ込め時間を大幅に増加さ
せることのできる開放系プラズマ装置を実現できる。

次に第一陰極（９）の作用とプラズマ閉じ込めに関する
効果を説明する。第−陰１ｉ　（９）の中空部（至）の
電位は、鋏中空部（至）に空間電荷が存在しないとき、
第一陰極（９）の電位φｋｌに近い負の高電位になる。

実１１には負の高電位の部分へは、プラズマ電子は反射
さ−れて到達で自ないが、プラズマイオンは加速されて
到達で自る。従って、第一陰極の中空部（至）には−正
の空間電荷が存在し、皺中空部の電位φ（ｒ、ｇｌ）は
空間電荷がないと仮定し九ときの電位より、０に近い値
をとる。第一＠極の中空部−を飛行するイオンの一部は
捕獲されてイオン群を形成する。該イオン群の粒子損失
が少いときにはイオン密度は上昇して、その最大値であ
るφ（０１ｇ、）はプラズマ（至）の存在する空間の電
位φ、に達するがφｐを越えることはない。この場合の
第一陰極の中空部（至）における電位分布φ（ｒ、ｘｌ
）が、第４図（Ｃ）に示されている。制御電極はｒ　”
＝　Ｒｇにあり、その位置での嬉−陽極の中空部（２）
Ｋおける電位φ（Ｒｇ、ｘｌ）はプラス１電位φ、よプ
負になるようになされている。すなわち。

−（Ｒ，，１２）＜−、・Ｕ である０プラズマ（至）から射出された電子は、静電プ
ラグ０の中では電場の０方向成分が実際１零であるから
、「方向には変化しない。従って、仮に箒−陰極が鍼い
としたとき制御成極Ｑ謙に衝央する電子は、蘂−陽極が
存在するために、α９式であられされる電位障壁φ、−
φ（Ｒｇ、！３）に出会う。プラズマの電子温度Ｔ６に
対応する電位差ｋＴＪｅ　（ｋはボルツマン定＊）Ｋ対
し、−２−φ・（Ｒｇ　、　ｚ　２　）を、充分大−く
することにより、すなわち、 ｋＴａ／ａ　＜＜φ、−φ（Ｂｇ、！２）　　とするこ
とによ）プラズマ（至）から射出されて、制御電極ａ湯
に遣する電子数を、嬉−一極がないと仮定した場合より
数桁少くすること唸容易にできる。制御電極へ入射する
電子は、制御電極を加熱するが、その熱入力を数桁少く
することが、嬉−陰極（９）の作用であるＯプラズマか
ら射出される電子の密度はプラズマ密度と電子温度の平
方根の積に比例するから、蘂−陰極の上述の作用は、本
発明のプラズマ装置の静電プラグにより、高温高密度の
プラズマを閉じ込め得るという効果を奏する。

次に、イオン群の粒子損失が大きいときＫは。

第−陰極の中空部（至）の電位φ（ｒ、ｓりは、’＝Ｒ
ａだけで＃ｉ４図（Ｃ）に示す電位に一致し、ｒ　（Ｒ
１では第４図（Ｃ）　Ｋ示す電位より負の値をとる。こ
の場合、制御電極に向う電子に対する電位障壁φ、→（
Ｒｇ、！２）は第４図（Ｃ）に示すものよシ大−くなり
、第一＃Ｉｋ極の上述の作用は一層有効に働くことにな
る。

発明の他の１！１例 本発明は開放系プラズマ装置に関するものである。実施
例ではカスプ磁場を用いたプラズマ装置につ匹て説明し
たが、磁場はカスプに限定せず、開放系なら本発明を適
用できることは言うまでもなく１例えば一様磁場、ンラ
ー磁場に適用してよい。またプラズマ装置の用途は限定
しない。例えば被融合炉、表面加工・処理、溶接、イオ
ン源等のプラズマ装置に適用できる。

【図面の簡単な説明】

３４１図は電磁トラップの原場図、第２図は電磁トラッ
プの２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構成図、＠４図紘第
３図に示す実施例の主畳部の構成と作用を示すもので、
（４は静電プラグ構成図、（ｂ）は空間電位の２依存を
示す線図、（Ｃ）は空間電位の「依存を示す線図である
。 １１）・・コイル、　１２）　、　（４）　、αの・・
・陽極、（３）　、　（５）：・頗、　（９）−・・第
−陰極、　ａυ・・・第二陰極、働・・・制御電極、　
α】・・・静電プラグ。 Ｔａ２．ｔｉＳ、Ｑｌ！、ｌＩ’ｌｊ・１ｌｌｆｌ、　
ｕｓ　・＃Ｅ−ＩＩ、四・・・プラズマ、　　ＱＢ−・
・第二陰極の貢−通孔。 （２）・・・陽極（１（１・・・の中空部、（２）・・
・第−陽極（９）・・・の中空部。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 （ほか１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 プラズマを収容する開放系磁場を発生する装置と、プラ
   ズマの存在する空間の電位を制御する手段と、該開放形
   磁場の開放端に配設され磁場の方向−と平行な零でない
   成分を有する電場を形成する静電プラグとを具備するプ
   ラズマ装置に曽て、静電プラグの少くともひとつは磁場
   方向に貫通した中”１部を有する嬉−陰極と、磁場方向
   に貫通した中空部を有し、鋏嬉−陰極のプラズマの存在
   する空間の反対側に鍍嬉−陰極と離間して配設された陽
   極と、皺陽極のプラズマの存在する空間の反対側に該陽
   極と時間して配設された纂二鴫極と、咳嬉＝鴫極に穿設
   された貫通孔と、皺貫通孔を皺第二１ｍ１ｉ＠と接触せ
   ずに貫通し鋏陽極の中空１１に蝿在する制御電極と、各
   電極に陽極、制御電極、第−及び嬉二鳴＠０１［Ｋ高い
   電位を与える手段と、を７°ラス′。 具備することを特徴とする”％Ｇｂマ装！。