JPS58140998A - 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長時間のプラズマの閉じ込め
を可能とするプラズマ装置に関する。

〔従来技術及びその問題点〕

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炉で必要なことはよ
く知られているが、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、閉じ込め時間を長くすればプラズ
マで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，Ｇｏｒｍｅｚａｎｏ
　：　Ｒｅ市ｔｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｏｓｓｅｓ　　ｉ
ｎ　０ｐｅｎ　−ＥｎｄｅｄＭａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａ
ｐｓ　；Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｆｕｓｉｏｎ、　１９（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」易によるもの
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９ｅ’ｌｓ上にある。この′４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
及び陰極からなる靜′亀ゾラグを用いた′−極ヒトラッ
プある。第１図は電（１剋トラツプの原理図で、文献’
ｌ’、Ｊ、　Ｄｏｌａｎ、　１３．　Ｌ、　５ｔａｎｓ
ｆｉｅｌｄａｎｄ　ＪｌＭ、　Ｌａｒｓｅｎ　：　Ｐｌ
ａｓｍａ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏ
ｓｔａｔｉｃａｌｌｙｐｌｕｇｇｅｄ　ｃｕｓｐｓ　ａ
ｎｄ　ｍ１ｒｒｏｒｓ　：　Ｔｈｅ　Ｐｈｙｃｉｃｓ　
ｏｆ　ｌ＋’１ｕｉｄｓ、　Ｉ８（１ｇ７５　）。

１０、１３８３に掲載されたものである。

（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
に配設さ□れた中空円筒状の陽極、ＦＸ１＋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。

２個１組のコイル（１）に挾まれた空間及び該コイル（
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、この真壁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一子銃が配設され、との′１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きれる。点ｌｆＭ
（６１は、プラズマの存在する空間の境界を示す。陰極
（３）及び（５）の電位を岑、陽極（２）及び（４）の
電位を転としたとき、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φで、０〈φ８〈φえ
である１、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φ。十φ１となる。イオンの電価をＺｅ、Ｈ電子
の電価を−ｅとおいたとき、運動エネルギがＺｅφｉよ
り小さいイオン及び運動エネルギがｅφ。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（力に示す様に、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１゛１．電子　　　　１湖度をＴｅ
とするとき、 φＨ＞）　ｋｉ’７　／　Ｚｅ　、　　φ、＞＞ｋＴｅ
／ｅ、　　・−・＝ｌ＋）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も、次の様な問題点があった３、第
２図に示す如く、陽極（２）の内部に於て、空間電位は
最大φ１＋φ。となるが、 △φ＝φ、−（φｉ十φｅ）　　　　　　・・・・・・
・ｔ２）で与えられる陽極電位と空間電位の差△φは零
にな、らす、△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、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、Δφ＝△φ（ｒ） とあられすことができる。電子群の作る電場の向きを考
慮して、 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ばｒ　＝　Ｏで最大値△φｍａＸ　＋△φｍ
ａｘ−△φ（０） をとる。従って陽極内で、Ｚ軸」−の電位は（２）より
、φｉ十φ６＝φえ−△φｒｎａｘ となる１、φｉとφ８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〜φ８であるから
、Ｚ軸−ヒで、 となる。′電磁トラップに於ては、Δφｍａｘが非常に
大きくなり、はとんどφえに等Ｌ　くなる結果、Ｚ軸上
すなわちｒ　＝　０で、 φｉ〜φ６〜０　、　　　　ｒ　＝　０　　　　　・・
・・・・・（３）となり、（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（１）が成立
し、（３）は「の非常に小さい部分だけで成立するから
電磁トラップでは静電プラグのプラズマ閉じ込め時間を
増加させる効果は太きいが、ｒ〜０で（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
してプラズマが漏れるために、プラズマ閉じ込め時間の
増７ＪＤの効果が制限されていた、。

〔発明の目的〕

本発明はが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、ロスアパーチャのない静電プラグを設
けることにより、もってプラズマ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１ｉを実現
することである。。

〔発明の概要〕

プラズマを包囲するりご夕を設け、静電プラグ゛の少く
ともひとつは磁場方向に貫ノ０１シた中空部を有する陽
極と、陽極のプラズマの存在する空間の反対側に配設さ
れた第一陰極と、陽極には第一陰極よりも高＜リミタに
は第一陰極よりも低い′−位を与える手段を設け、陽極
の中空部の一部に延在して、そのプラズマ側の開口部に
延在した第二陰極を設けそれにＩＪ　ミタより低い電位
を与える手段を設け、もってプラズマに対するロスアノ
；−リヤのない＊亀プラグを形成し、ブシスマ閉じ込め
時間を大幅に増加させることができる開放、ｒプラズマ
装置を実現した。

〔発明の効果〕

陽極と第一陰極とリミタに包囲されたプラズマは陽極の
中空部の第二陰極の存在し、ない部位にイオンニ対する
ロスアパーチャのない電位障壁を形成し、陽極の中空部
の一部に延在する第二陰極と前記第−陰極及び陽極は電
子に対するロスアパーチャのない電位障壁を形成し、も
ってプラズマに対するロスアバ・〜チャのない静電プラ
グを形成し、プラズマ閉じ込め時間を大幅に増加させる
ととができる開放系プラズマ装置を実現した。

〔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の構成図
である。２個１組のコイル（１）はＺ軸のまわυに軸対
称に捲かれ、図示されない励磁電源とともに、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する装
置を構成する。（４）はカスプ磁場の開放端のひとつで
おるラインカスプに配設された２個１４１１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、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１組の該コイル（１）に挾まれた空間及び該コイル
（１）の内部の空間には、一つの図示されない真≦と容
器が配設され、真空容器にはプラズマ境界部（６）を定
めるリミタＯＱが収容されている。プラズマの存在する
空間の電位φ、はプラズマを包囲するリミタｔ＋ｔ６の
電位φＬで制御きれる。すなわち、リミタ（１（υとプ
ラズマの間に存在するシースを介するプラズマ′「ｄ子
及びイオンの伝導によシ、プラズマとリミタ（１（υの
電位差すなわちシース′−圧φ、が定するから、φｐ−
φ２＋φ３　　　　　　　　　　・・・・・・・（４）
により、φ、が定まる。

（９）は磁場方間に貫通した中空部を廟する陽極、住υ
は陽極（９）のプラズマの存在する空間の反対側に陽極
（９）と離間して配設きれた第一陰極、（１カは第一陰
極０υに穿設された貫通孔を第一陰極と絶縁されて貫通
し陽極（９）の中空部の一部に延在して陽極（９）の中
空部のプラズマ側の開口部には延在しない第二陰極で、
陽極（９）、リミタ（Ｔｉｌｌ、給−陰極（＋１）、第
二陰極（１２ｊは図示されない電源とともに静電プラグ
０３）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静電プラグ（１３）
が配設され、静電プラグ（ｌ、９は以下に詳述する様に
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図は紀３図にボす実施例の主要部の構成と作用を示
すもので、（ａ）は静畦グラグ構成図、（ｂ）１１空間
電位φ（ｒ、ｚ）の２依存を示す線図である。

陽極（９）には電源（１・υ及び（１つによシミ位φ３
が与えられ、第一１緘極０１）には電源（１４１により
電位φに１が与えられ、第二陰極（１２）には電源０（
シにより電位φに２が与えられ、リミタ（（（１は接地
され、各′電位の間には、φｋｚ＜φ工〈φに＋＜φ８
　　　　　・・・・・・・（５）の関係が成立する。リ
ミタ（１１の内部にはシース（１７）を介してプラズマ
０印が接触している。プラズマの存在する空間の′載位
φ、は（４）から、φ、＝φ、である。

各電位φに２．φｋｓ＋φ８の絶対値は静電プラグが有
効に作用するように大きくとられているから、１φ、１
（１φに２１．φｋｔ＋φ３である。すなわち、（５）
を参照して、 φに２＜φ、〈φｋｔ　＜φ８　　　　　　・・・・・
・（（））が成立する。

第一陰極θ１）は、図に示される如く、陽極（９）の、
プラズマ（１）９の存在する空間の反対側に、陽極（９
）と離間して配設され、第一陰極（１１）には貫通孔Ｕ
→が穿設されている。第二陰極（１乃は貫通孔０を陰極
（１１）と接触せずに貫通し、陽極（９）の中空部０（
浄に延在する。

かくして構成された第４図（ａ）に実施例を示１７た静
電プラグ（１３１の作用を述べ発明の効果を第・１図（
ｂ）を参照して再び説明すると、陽極の中空部−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、電子が捕獲されで′Ｉ↓Ｌ子４１ｆ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。３本発明におけるプラズマ装置の静′屯プラグがＴ
［（ａ）ランプのボ・インドカスプにおける静電プラグ
と異なるところは、本発明に１．７）静′峡プラグにお
いては、陽極の中空一部（瀾に形成される電子群の密度
は第一陰極（ｌυの電位φｋｔ　＋第二陰極ｕ′ｌＪの
電位φに２．陽極（９）の電位及び第二陰極（１２１と
陽極（９）の半径によって定まり、陽極の中空部（２旬
のプラズマ０樽側の開口部近傍における空間電位φ（ｒ
、ｚ）が制御されることで、電磁トラップのポイントカ
スプにおける静′醒プラグの様に、（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
アパーチャの゛形成は、本発明における静電プラグにお
いては容易に回避できる。陽極の中空部−における電子
群の密度は第二陰極（１２１の外周部と、第二陰極が延
在しないプラズマに而する開口部の近傍とでほぼ等ｌ〜
く、プラズマに面する開口部の近傍で、電子群の存在す
る空間の電位は全ての場所でプラズマ電位φ、より高く
なる。一方第二陰極表面近傍では第二電極に与えられた
負の高電位のために電子群が存在できず、空間電位はプ
ラズマ電位りより低くなる。、第４図（ａ）の対称軸０
と、それに平行でプラズマ（］８の外部境界上にある直
Ｍ　（Ｗ）に沿った電位分布が＋４４図（Ｃ）に示され
る。同図に示されるように、この静電プラグに於てはプ
ラズマのロスアパーチャは存在しないから、プラズマの
長い時間の閉じ込めが可能となる。

〔発明の他の実施例〕

本発明は開放系プラズマ装置に関するもので、らる。実
施例ではカスプ磁場を用いたプラズマ装置べについて説
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汀う゛までもなく、例えば−電磁」
易あるいはミラー磁」揚に適用してよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は電磁トラップの原理図、第２図は電磁トラップ
のｚ、１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挟置構成図、第４図は第
３図に示す実施例の主要部の構成と作用を示すもので、
（ａ）は靜′ジグラグ構成図、（ｂ）は空間電位のＺ依
存を示す線図である。 （１）・・・コイル、（２）、　＋４１．　（９）・・
・陽極、＋３１．　ｔ５）・・・・・陰極、（ＩＩＩＧ
・・・リミタ、（ｌυ・・・第一陰極、叫・・・第二陰
極、０３１・・・靜′岨プラグ、（１４）、　＋１５１
．　（１６）−１ｉＥ　［、（Ｉ８−７’　ラスマ、（
１■・・・直通孔、（至）・・・陽極（９）の中空部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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副側１する手段と、該開
   放系磁場の開放端に配設され該磁場の方向と平行な零で
   ない成分を有する電場を彰成する静電プラグとを具備す
   るプラズマ装置に於て、前記静電プラグの少くともひと
   つは、前記開放系磁場の磁場方向に貫通した中空部を鳴
   する陽極と該陽極のプラズマの存在する空間の反対側に
   該陽極と離間して配設された第一陰極と、前記陽極の中
   空部の一部に延在して該陽極の中空部のプラズマ側の開
   口部には延在しない第二陰極と、プラズマを包囲するリ
   ミタと、前記各′電極及びリミタに、陽極、第一陰極、
   リミタ、第二陰極の順に高い電位を与える手段とを具備
   することを特徴とするプラズマ装置。