JPS59112596A - 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装置に関す
己。

［従来技術とその問題点］ 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
マ発生装置１？の消・け電力が少くて済み、プラズマの
密度を高くすると吉ができ、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（文献Ｃ、Ｇｏｒｍｅｚａｎｏ　：　Ｒｅｄｕ
ｃｔｉｏｎｏｆ　Ｉ、ｏｓｓｅｓ　ｉｎ　０ｐｅｎ　−
Ｂｎｄｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｐｓ　；　Ｎｕ
ｃｌｅａｒｐｕｓｉｏｎ　、　１９　（’　７９）　、
　８　、１０８５　）。

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。電極法には、カスブ
磁場のポイント及びラインカスブに陽極及び陰極からな
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理図で、文献Ｔ、Ｊ。

Ｔ）ｏｌａｎ、Ｈ、Ｌ　、　５ｔａｎｓｆｉｅｌｄ　ａ
ｎｄ　Ｊ　、Ｍ、Ｌａｒｓｅｎ　：　Ｐｌａｓｍａｐｏ
ｔｅｎｔｉａｌ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａ
ｌｌｙ　ｐｌｕｇｇｅｄ　ＣＵＳｐＳ　ａｎｄｍｉｒｒ
ｏｒｓ　：　Ｔｈｅ　Ｐｈｙｃｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｌｕｉ
ｄｓ　、　１８（’　７５）　、　１０　。

１３８３に掲載されたものである。

（１）は２個１組のコイルで２軸のまわシに軸対称に捲
かれ、カスブ磁場を形成する。（２）はポイントカスブ
に配設された中空円筒状の陽極、（３）はポイントカス
ブに配設された中空円筒状の陰極、（４）はラインカス
ブに配設された２個１組の環状の陽極、（５）はライン
カスブに配設された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
、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）の少くとも一方の陽極（２）の反対の側には図
示されないｉｚ子銃が配設され、該電子・疏から射出さ
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（５）の
電位を零、陽極（２）及び（４）の電位をφ６としだと
き、２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φ。で、０くφ。〈φ
人である。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、′ｔ１位の最も高い
所で直ｆ８ｒはφ８＋φ１七なる。イオンの′電価をＺ
ｅ、ｔｌ、子のｉＪｔ価を−ｅとシいたとき、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ｅ
φ。より小さい’＋ｆｆ。

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、４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Ｔｌ＋　’を子温度をＴｅとする
とき、 φ１　＞＞　ｋＴ　Ｉ／Ｚ！　ｅ　　ｒ　　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１ａ磁トラツプの
効果であった。

この４ｉ　４１　トラップにも、次の様な問題薇があっ
た。

１＜　２図に示す如く、陽極（２）の内部に於て、空間
′１４位ｌは最大φ１＋φ。となるが、Δφ＝φい−（
φｉ−φ。）　　　　・・・（２）で与えられる陽極１
に位と空間４位の差Δφは咎にならず、Δφ〉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、該１６子群が作る空間電荷により
１χ場が形成されることであるっ△φは２軸からの距離
「の関数であシ、Δφ二△φ（「） 吉あられすことができる。電子群の作る電場の向きを考
ｒばして、 であることがわかるｏｚ軸とで電場のｒ成分は０である
から、△φば「＝０で最大値Δφｍａｘ、Δφｍａｘ−
△φ（０） をとる。従って陽極内で、２軸上の４位は（２）よりφ
ｉ＋φ。＝φ人−ΔφＩｎａＸ となる。φ１とφ。はプラズマの粒子数平衡等で定まる
が、概ね同程度の大きさで、φｉ〜φ。であるから、Ｚ
軸上で、 φｉ　〜φ。〜ヲ　（φ人−Δφｍａｘ）となるワ電磁
トラップに於ては、△φｍａｘ’Ｊ’非常に大きくなり
、はとんどへに等しくなる結果、２軸上すなわちｒ＝ｏ
で、 φ１〜φｅ〜Ｑ、ｒ＝ｏ　　　　　・・（３）となり、
（１）が成立しないことが知られている０しかし、陽極
内の大部分では（１）が成立し、（３）はｒの非常に小
さい部分だけで成立するから１４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（３）が成立する結果静電プラグにロスア
ノく−チャが形成され、これを通してプラズマが漏れる
だめに、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＄債にかんがみてなされたもので、その
目的とする々ころは、開放系磁場によるグラズマ疾１１
τの開放端に用いるロスアパーチャのない静、１！プラ
グを提供し、もって生成されたプラズマを有効に利用で
きるプラズマ装置を提供するにある。

［発明の概要］ その目的を達成するだめに本発明は、開放系磁場による
プラズマ装置の開放端に用いる静電プラグの少くともひ
とつは、プラズマを包囲する中空部を有するリミタと、
該リミタに隣接して配設されＩＪ　ミタの中空部をぼ佃
した磁力線が全て直通する中空部を有する陽（・箕と、
該陽極に隣接してその開口の周辺部を覆うごとく配設さ
れ、該陽極の中空部の直径の７０φ以下の直径の、該陽
極の中空部と同軸に穿設され、リミタの中空部を貫通し
た磁力線が全て■血する４１通孔を有する陰極と、該陰
極の貫通孔の内部にリミタの中空部と同軸に配設された
りベラと各電甑等に、陽極、Ｉ８極、リミタの順に高い
電位を与える手段とを具備するものとしたプラズマ装置
ｄを提供する。

［発明の効果］ 本発明のプラズマ装置において、プラズマの存在する空
間のｄ位はリミタの４位で制ｊ’ｉＩｌ］され、静１よ
プラグはＩＪ　ミタ、陽極、陰極及びリペラの作用でロ
スアパーチャのないα位分布を実現してプラズマを長時
間閉じ込めることができるようにしだ。

［発明の実ｆＪ１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１．１（１のコイル（１）はｚｌｌｌＩＩ
のまわりに軸対称に捲かれ、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ブ磁
場を発生する装置ｐ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ブに配設された２個１
組の環状の陽極、（５）はラインカスプに配役された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
上平行な零でない成分を有する電場を形成する静？にプ
ラグを構成し、２１１ｄ１組の咳コイル（１）に挾まれ
た空間及び該コイル（１）の内部の空間には、一部が図
示された真空容器（９）が配設され、該真空容器にはコ
イル（旬が発生する磁場の方向には１屯した中空部を有
し、プラズマを包囲してプラズマ境界間（６）を定める
リミタ００）が固着されている。プラズマの存在する空
間のｄ位φ２は、ＩＪ　ミタの電位φｌで制御される。

すなわち、該リミタ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／−スＬＪ圧φ、が定まる
から、 φ、＝φｌ十φ５　　　　　・・・（４）により、φ、
が定まる。

０υは磁場方向に［Ｔ面し、ＩＪ　Ｓ夕の中空部を貫通
しだ磁力線が全て１１通する中空部をリミタαＱに隣接
して配設される陽極、αりは該陽極αＤに隣接して該陽
極ａＤの開口の周辺部を覆うごとく配設され、該陽極の
中空部の直径の５０係の直径の該陽極の中空部と同軸に
穿設され、リミタの中空部を貫通した磁力線が全て貫通
する霞通孔を有する陰極、（１３Ｊは該陰極（ｌりの貫
通孔の内部に上記リミタ０Ｑの中空部と同軸に配設され
たりベラで、リミタ（１Ｇ、陽極ａＩＪ、＠極（Ｉ汎　
リベラ（１３）は図示されないα源とともに静電プラグ
０４）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ブにそれぞれ該静電プラグ（２
）が配設され、該静電プラグ（兜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＠３図に示す実施例の主要部の構成上作用を示
すもので、（ａ）は静１１プラグ摺成図、（１））はプ
ラグの対称軸上の空間電位φの２依存を示す線図である
。

陽極０υには電源（］ω及び（１υによりＩイ位φ３が
辱えられ、陰極（１乃には該′ｄ源（Ｉ５によりＬ１位
φｋが惇えられリペラ（１３）には電源（１７）によ、
りα位φ「が与えられ、各電位の間には、 φ、〈φｚ　＝　Ｑ　（φにくφ８　　　　・・・（５
）の関係が成力する。ここでφぎはリミタ「１位で、リ
ミタ（ＩＧは接地されており、φｇ　＝　０である。該
リミタα０の内部にはシースを介してプラズマが接触し
ている。プラズマの存在する空間のＬ区位φ、は（４）
から、φ、＝φ３である。各４位φ１．φに、φ３の絶
対値は静「ヱ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（１φｒ１．φに、φ８である
。

すなわち、（５）を参照して、 φ、〈φ、〈φｋ〈φ８　　　　　　・・（６）が成立
する。

かくして構成された静電プラグＱ４）の作用と効果を第
４図（Ｆ＋）を参照して説明すると、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
におけるプラズマ装置の静電プラグが電磁トラップのポ
イントカスプにおける静′１１プラグと異なるところは
、本発明による静電プラグにおいては、陽極の中空部に
形成される電子群の密度は陽極αυの電位φ３及び陰極
ａカの電位φｋによって制御され、その結果、陽極の中
空部における空間α位がｔｌｉ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。

該陽極の中空部における空間電位φは、該陽極ＯＤの内
面の半径をＲａとし、陰極（ｌりの買血孔の半径をＲｋ
（！：すれば、 である。ここでφ。はφの最小値でｒ−０における電位
である。陽極（１Ｄの中空部で、電場はｒ方向を向いて
いるから、電子群はＺ軸のまわりをドリフトしている。

（力式に示される電位分布の安定なことは、陰極（１の
への電子の流入を調べればわかる。

すなわち、（７）式が成立しているとき、「＝Ｒｋ（こ
おける電位φ（ＦＬｋ）は、 φ　（几ｋ）＝φｋ　　　　　　　　　　　　・・・（
８）である。仮に、電子密度が増加すれば電場が強くな
り、φ（Ｒｋ）＜φにとなる。この電位では、電子は急
速に陰極に衝突し吸収されるから、（８）式が成立する
まで電子密度は減りつ６け、結局電位は（８）式に戻る
。また、仮に電子密度が減少すれば、φ（販）〉φにと
なり、電子は陰極に衝突できなくなる。′ｒＬ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）式に戻る。す
なわち、空間電位は、陰極への電子の流入過程により、
（７）式に示される分布に、安定に保たれる。

次にプラズ゛マの存在する空間の′電位を考える。

プラズマの存在する空間では、゛１場は非常に弱いから
、電位は一定と考えてよい。即ちα位はφｐである。上
述の如く、シース電圧φ５吉φ、は等しい。

すなわち１二φ５である。ンース電圧φ５ば、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
の値を吉り、その大きさは静電プラグの各′１１極に与
える電位の大きさ１φｒ１．φに、φ８に比べて非常に
小さい。すなわち、 １φ、１（１φｒ１．φに、φ８　　　　・・・（９）
である。プラズマの存在する空間のα位φ、も、第４図
（ｂ）に示されている。第４図（ｂ）には、Ｚ軸上の１
毘位φが示されている。陽極の中空部でφ。が電位の量
小値であることから、全てのｒについて、第２図に示さ
れる様なイオン及び電子の両方についての電位障壁が形
成されていて、ロスアノく−チャが存在し遅いことがわ
かる。プラズマはリミタ（１０）の内部に存在し、１陽
極の中空部に形成された１１子群と１．２隔離されてい
る。イオンもＴ′ｌ子もポテンシャル障壁により反射さ
れる。（１）に対応する関係、φ。−φｐ　＞＞　ｋＴ
　ｉ／Ｚｅ　、φ、−φ、＞＞ｋＴ８／／ｅ　　　＝ｉ
ＩＯ）は、（９）が成立するから、容易に実現できる。

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吋を実現できる１１これ
が本発明の効果である。

［発明の他の実施例］　一 本発明は開放系プラズマ装置に関するものである。実施
例ではカスブイ社場を用いたプラズマ装置について説明
したが、磁場はカスプに限定せず、開放系なら本発明を
適用できることに言うまでもなく、例えば一様磁場、ミ
ラー磁場に適用してよい。またプラズマ装置ｎの用途は
限定しない。例えば核融合炉、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０

【図面の簡単な説明】

第１図はＩよ磁トラップの原理図１，４２図はシ磁トラ
′ツブのＺ軸近傍の空間螺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、ｉｌ
（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）は静心プラグ構成図、（ｈ＞　！ｉプ
ラグの対称軸上の空間′ｔヨ位のＺ依存を示す線１４で
ある。 （１）・・コイル、（２１、（４）　、αυ・陽極、（
：ｕ　、　ｔ５）　、　（＋Ｊ・・・陰極、α＠・・・
リミタ、（を国・リベラ。 （１■・・静、毬プラグ、（１５）　、　、１６）　、
α力・・・電源。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 （ほか１名） 第１図 第２図 第３図 ４６９ 第　　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空容器き、該真空容器に開放系磁場を印加する手段と
   、開放系磁場の開放端に配設され、磁場方向の成分が零
   でない電場をプラズマ吉の間の空間に形成する静心プラ
   グとを具備するプラズマ族（直に於て、該静電プラグの
   少くともひとつは磁場方向Ｋｉｔ通した中空部を有する
   リミタと、核リミタに隣接して配設されＩＪ　ミタの中
   空部を四面した磁力線が全て司通する中空部を有する陽
   極と、該陽極に隣接して該陽極の開口の周辺部を覆うご
   とく配設され、該陽極の中空部の直径の７０チ以下の直
   径の、該陽極の中空部と同軸に穿設され、リミタの中空
   部を四面した磁力線が全て直通ずる直通孔を有する陰極
   と、該陰極の貫通孔の内部に前記リミタの中空部と同軸
   に配設されたりベラと、前記各電極等に、陽極、陰極、
   リミタ、リベラの順に高い屯イ〜ｔを与える手段とを具
   備するこ吉を特徴とするプラズマ装置。