JPS59112600A - 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
る。

〔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
ラズマ装置に於いても、閉じ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同を長
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：Ｒｅｄｕｃｔｉｏ
ｎｏｆ　Ｌｏｓｓｅｓ　ｉｎ　０ｐｅｎ−Ｅｎｄｅｄ　
Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｐｓ：Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｆｕ
ｓｉｏｎ、　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ＴＸ　４によるものには電極を用いる１は極法
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、
カスプ磁場のポイント及びラインカスプに＠極及び電極
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。

１）ｏｌａｎ、Ｂ、　Ｌ　５ｔａｎｓｆｉｅｌｄ　ａｎ
ｄ　Ｊ、、！ｖｉ、　Ｌａｒｓｓｅｎ：ＰｌａｓｍａＰ
ｏｔｅｎｔｉａｌ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ
ａｌｌｙ　Ｐｌｕｇｇｅｄ　ｃｕｓｐｓａｎｄ　ｍ１ｒ
ｒｏｒｓ：Ｔｈｅ　Ｐｈｙｃｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ
ｓ、　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Ｚ軸のまわりに軸対称に催
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、（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。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、１
吠極（３）の少くとも一方の陽極（２）の反対の側には
図示されない峰子銃が配設され、該α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４へ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φ人とし゛た
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はφ８で、０くφ８
く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、電位の最も高い所で電位はφ８
＋φ□となる。イオンの電価をＺ　ｅ　Ｈ’ｌ−Ｗ子の
電価を一〇とおいたとき、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′ｔ
ル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’Ｅ’ｉ、ｔｔ子温度をＴｅと
するとき、 φｉ　、二’＞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も、次の様な問題点があった。

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＋φ。となるが、 △φ＝φ人−（φｉ＋φ。）　　　　・・・・・・・・
・（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成子群を形成し、該′「
ｄ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。ΔφはＺ軸からの距離ｒの関数であり、 △φ＝Δφ（ｒ） とあられすことができる。１電子群の作る電場の向きを
考はして、 であることがわかる。Ｚ軸上で電場のｒ成分は０でめる
から、△φはｒ＝ｏで最大値△φｍａｘ。

△φｍａｘ　＝△φ（０） をとる。従って陽極内で、Ｚ軸上の電位は（２）よりφ
ｉ＋φ８−φ人−Δφｍａｘ 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、同程度の大きさで、 φｉ〜φ。

であるから、Ｚ軸上で、 となる。電磁トラップに於ては、△φｍａｘが非常に大
きくなり、はとんどφ人に等しくなる結果、２軸上すな
わちｒ＝０で、 φｉ〜φｅ〜Ｏ、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ｒの非常に小さいｆｌｌ；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
増加の効果が制限されていた。また、陽極の中空部を通
過したイオンは、陰極に向って高エネルギに加速され、
生成された高エネルギイオンにより陰極が損傷するとい
う問題もあった。

〔発明の目的〕

本発明はかかる事情にかんがみてなされたもので、その
目的とするところは、第一に、開放系磁場によるプラズ
マ装置の開放端に用いるロスアパーチャのない静電プラ
グを提供し、もって生成されたプラズマを閉じ込め時間
を長くできるプラズマ装置を提供するにある。第二の目
的は、イオン衝撃による固体表面の損傷を少なくできる
静電プラグの構成を有する開放系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ために本発明は、開放系磁場による
プラズマ装置の開放端に用いる静心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リミタの中空部を貫通した
磁力線が全て貫通する中空部を有する陽極と、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貫通孔を有する制御、Ｆｉ極と
、該制御電極に隣接して・その陽極と反対の側に配設さ
れ、制御電極の貫通孔と同軸の中空部を有する陰極と、
該陰極の上、記陽極と反対の側に該陰極の開口を覆うご
とく配設された端ｄ極と、各′ａ極等に、陽極、制御電
極、端４極、リミタ、陰極の順に高い電位を与える手段
とを具備するプラズマ装置である。

〔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
間の電位はリミタの電位で制御され、静電プラグはリミ
タ、陽極、制御電極及び陰極の作用でロスアパーチャの
ない電位分布を実現してプラズマを長い時間閉じ込める
ことができるようにするとともに、陽極の中空部番貫通
したイオンは、端【は極で減速して衝突させるようにし
、ももって固体壁の損傷を少なくできるようにした。

〔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
、第４図は本発明の主要部の一実施例を示すプラズマ装
置静電プラグ部の縦断面図、腑４図（ｂ）は静゛シブラ
グの対称軸上の電位分布を示す線図である。２個１組の
コイル（１）はＺ軸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あるラインカスプに
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、ラインカスプ
に於て出湯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組のコイル（１（
に挾まれた空間及び該コイル（Ｌｌの内部の空間には、
真空容器（＋３１が配設され、該真空容器にはプラズマ
境界面（６）を定めるリミタａ（イ）が固着されている
。該リミタ０４１は磁場方向に貫通した中空部を勺し、
プラズマに接している。プラズマの存在する空間の電位
φｐは、該リミタＩ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ｄ子及びイオンの伝導により、プラズマとリミタ
の電位差すなわちシース電圧φ、が定まるから、 φｐ＝φｌ＋φ８　　　　　　・・・・・・・・・・・
（４）により、φｐが定まる。

（９）は該ＩＪ　ミラ圓に隣接゛して配設され、リミタ
］Ｊ４）の中空部を貫通した磁力、、線が全て貫通する
中空部を有する陽極０υは該陽極（９）に隣接して該陽
極（９）の開口の周辺部を覆うごとく配設され、該陽極
（９）の中空部と同軸に穿設され、リミタ（１４１の中
空部を貫通した磁力線が全て貫通する貫通孔を有する制
御電極、４１０１は該制御電極ｆｌｌ）に隣接してその
陽極（９）と反対側に配設され、該制御電極（１υの負
通孔と同軸の中空部を有する陰極、Ｑりは該陰極（１υ
め上記陽極（９）と反対の側に該陰極の開口を覆うごと
く配設された端電極、１４６）　ＣＩηＵ８１　＋ｌＪ
は電源で、陽極（９）、陰極００）、制御電極０υ、端
−極’＋、’Ｊ　ｓ　　リミタ（１４１，電源０６）　
〜ｔｔｃｊは、静電プラグ（Ｉ９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
れぞれ該静電プラグ霞が配設され、該静電プラグ（１９
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。陽極（９）には電源θ６）（
ｌη（１８１により電位φ８が与えられ、制御電極（＋
、１）には該電源（１７１ｆｌ、８１により電位φｇが
与えられ、端電極１１２は該電源（曙により電位φ。が
与えられ、陰極ｕＱには電源Ｕにより電位φｋが与えら
れ、各電位の間には、φにくＯくφＣくφｇくφｇ　　
　　・・・・・・・・（５）の関係が成立する。本実施
例ではリミタ■は接地され、φ１＝０である。該リミタ
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ｍ位φｐ２は式（４）から、φ
ｐ＝φ８である。

各電位φｋ・φＣ・φｇ・φｇ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、１φｐ
１クク１φｋｌ、φｃＩφｇＩφａである。すなわち、
（５）を参照して、 φにくφｐくφＣくφｇくψａ　　・・・・・・・・・
（６）・が成立する。

かくして構成された静電プラグ（！！の作用と効果を第
４図（ｂ）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′はプラグ
の陽極内部と同様、Ｉに子が捕獲されて電子群を形成し
、該成子群が作る空間電性により電場が形成される０本
発明におけるプラズマ製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電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、４場極の中空
部に形成きれる成子群の密度は制御電極（１υの電位φ
ｇと陶体（９）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が制御されることで、
′【Ｌ磁トラ゛ツブ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（９）の中空部における空間電位は、ｒ＝０におい
て最小値φ０をとり、図示したように、φリ　〉　φｐ
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・（
力φ０が陽極（９）の中空部における空間電位の最小値
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、ロスアパーチャが存在しないことがわかる
。プラズマはリミタＩの内部に存在し、陽極（９）の中
空部に形成された成子群とは隔離されている。イオンも
電子もポテンイヤル障壁により反射される。（１）に対
応する関係、φｏ　　＃ｐ　＞＞ｋＴｉ／Ｚｅ　、φｐ
−φｋ＞＞　ｋＴｅ　／　ｅ　　−−−（１０）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
放系プラズマ装置を実現できる。

これが本発明の第一の効果である。

プラズマから射出されたイオンのほとんど全ては、陽極
の中空部に到達できずに反射されてプラズマに戻される
。しかし、非常に高エネルギの一部のイオンは陽極の中
空部に到達してそれを貫通する。このイオンは制呻世極
の貫通孔をも貝ｊｊｌ　Ｌで、陰極に向って加速される
。この様にして加速されたイオンは、本発明においては
高エネルギのまま陰極に衝突することを避けることがで
き、陰極の中空部を飛行して端「電極に向う。端１電極
には正の電位が印加されているから、イオンは減速され
てそのエネルギは低くなり、低エネルギのイオンが端電
極に入射する。イオンのエネルギが低くなった結果、端
電極表面の損傷は少なくてすむ。

これが本発明の第二の効果である。

〔発明の他の実施例〕

第５図は本発明の主要部の他の実施例を示すプラズマ装
随静屯プラグ音囚の縦り１面図である。制御シ極圓がリ
ミラリ（イ）と陽極（９）の間に配設されている。

なお実施例ではカスプ磁場を用いたプラズマ装置につい
て説明しだが、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名うまで′。

なく、例えば一様磁場、ミラー磁場に適用して勾い。ま
たプラズマ装置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。

【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、第４図は本発
明の主要部の一実施例を示すプラズマ装誼静市プラグ部
の縦断と静電プラグの対称軸上の電位分布を示す説明図
、第５図は本発明の主壁部の他の実施例を示すプラズマ
装置静電プラグ部の縦断面図である。 （１）・・・コイル、（２１、（４）、（９）・・・陽
極・、ｔ３１１　ｔ５１　、（ＩＱ）・・・陰極、（（
υ・・・制御電極、（１り・・・端電極（１３１・・・
真空容器、（（沿・・・リミタ、　＋１５ｊ・・・静電
プラグ、（１０面＋ｔｇ　ｉｉｌ・・・屯源。 第１図 第３図 　５ 第４図 ５

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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制御する手段と、前
   記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との間の空間に形成する静電プラ
   グとを具備するプラズマ装置に於て、該静電プラグの少
   くともひとつは磁場方向に貫通した中空部を有するリミ
   タと、該リミタに隣接して配設されリミタの中空部を貫
   通し磁力線が全て貫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〈配設
   され、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貫通孔を有する制御
   電極と、該制御電極に隣接してその陽極と反対側に配設
   され、制御−極の貫通孔と同軸の中空部を有する陰極と
   、該陰極の上記陽極と反対の側に該陰極の開口を覆うご
   とく配設された端電極と、前記各電極等に、陽極、制御
   電極、端−極、リミタ、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。
2. （２）制御′ｄ極をリミタと陽極の間に配設したことを
   特徴とする特許８１１求の範囲第１項に記載のプラズマ
   装置。