JPH06243991A

JPH06243991A - プラズマ計測装置

Info

Publication number: JPH06243991A
Application number: JP50A
Authority: JP
Inventors: Takao Abe; 阿部　　隆夫; Tatsuo Shiyouji; 多津男庄司
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、プラズマに非接触で瞬時にプラズマ
断面の電子密度および電子温度の空間分布を測定でき、
プラズマ特性を推定できるプラズマ測定装置を提供す
る。【構成】真空容器１１内部に発生するプラズマ１２から
放射される任意の波長のスペクトルを光学フィルタ１３
により選択するとともに、この光学フィルタ１４で選択
された任意波長のスペクトルの強度をＣＣＤカメラ１６
で検出し、このＣＣＤカメラ１６からの検出出力を演算
装置１７に与え、ここでの演算処理によりプラズマ電子
密度および電子温度の空間分布を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低温プラズマを利用し
た装置における、プラズマ生成、計測、制御などに適用
されるプラズマ計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、実用化されているプラズマ計測装
置には、プローグ法（探針法）、マイクロ波法、光計測
法などを適用したものが知られている。

【０００３】このうちプローグ法は、最も簡単で安価な
プラズマ計測方法であり、広く使用されているが、局所
的なプラズマ電子密度を計測するものであるから、例え
ば、密度分布を計測する場合には、プローグの位置を掃
引するような面倒な操作を必要となる。また、プローグ
を構成する導体、絶縁体をプラズマ空間に挿入すること
になるので、プラズマ場を乱すことがあり、さらに、反
応性プラズマに対しては、プローグのコーティングや汚
れが原因で計測不能になることもある。また、マイクロ
波法は、プラズマに対して非接触であるが、マイクロ波
を透過させる方向に平均化された電子密度がわかるだけ
のものである。

【０００４】さらに、光計測法は、プラズマに対して非
接触であるが、結果的にプラズマ局所から放射されるス
ペクトルを観察するため密度分布を計測する場合は、計
測機器の移動が必要となる。

【０００５】図４は、従来の光計測法を適用したプラズ
マ計測装置の一例を示すものである。この場合の光計測
法は、プラズマ中にレーザ光を入射し、その散乱光を観
察する場合も、自然放出光を観察する場合も、それぞれ
プラズマから放射される光を計測するようになる。

【０００６】まず、真空容器１中のプラズマ２に対し、
計測したい部分に、レンズ４の焦点を合わせる。この状
態で、プラズマ２からの放射光を真空容器１に設置され
ている窓３を通して取り出す。

【０００７】この取り出された放射光を、レンズ４を介
して分光器５に導入する。分光器５では、放射光より波
長掃引された反射光スペクトル信号を生成する。そし
て、この分光器５からの反射光スペクトル信号を、アン
プ６、ＡＤコンバータ（アナログ・デジタル変換器）７
を介して演算装置８に与え、ここで演算処理し、演算装
置８の出力として、プラズマ電子温度あるいは電子密度
を求めるようになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかして、従来のプラ
ズマ計測法によると、プローグ法の場合、局所的な計測
となるとともに、密度分布測定にプローグ位置を掃引す
るような面倒な操作を必要とし、計測に時間がかかり、
さらに、反応性プラズマに対して、プローグのコーティ
ングや汚れが原因で計測不能になることがある。また、
マイクロ波法の場合には、プラズマの体積に対して平均
化された密度しか計測できない。そして、光計測法の場
合、局所的な計測となり、密度分布計測には、計測機器
を移動するような面倒な操作が必要となり、計測に時間
がかかってしまう。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、プラズマに非接触で瞬時にプラズマ断面の電子密度
および電子温度の空間分布を測定でき、プラズマ特性を
推定することができるプラズマ測定装置を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、電子、イオン
および中性粒子からなるプラズマから放射される任意の
波長のスペクトルを選択する光学フィルタと、この光学
フィルタで選択された任意波長のスペクトルの強度を検
出する固体撮像素子と、この固体撮像素子の検出出力を
演算処理してプラズマ電子密度および電子温度の空間分
布を計測する手段により構成されている。

【００１１】

【作用】この結果、本発明のプラズマ測定装置によれ
ば、測定対象のプラズマに非接触で、つまりプラズマ場
を乱すことなくプラズマ電子密度を測定できる。また、
２次元のスペクトル強度分布からは、プラズマ密度分布
のその場を計測できる。また、円柱状プラズマの径方向
からスペクトル強度分布を計った場合、アーベル変換を
利用して円柱断面方向のプラズマ密度、電子温度分布を
瞬時に計測できる。そして、光学フィルタを変えること
によって、電子密度および電子温度あるいはその分布だ
けでなく、中性粒子密度あるいはその分布も瞬時に計測
できるようになる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従い説明す
る。（第１実施例）

【００１３】図１は、第１実施例の概略構成を示してい
る。図において、１１は真空容器で、この真空容器１１
は紙面と直角方向にある長さを持った円筒状をなしてい
る。そして、この真空容器１１の内部には、電子、イオ
ンおよび中性粒子からなるプラズマ１２が発生している
ものとする。この場合、真空容器１１内部に発生してい
るプラズマ１２も円筒状である。また、真空容器１１に
は、プラズマ１２からの放射光を取り出すための窓１３
が設置されている。

【００１４】真空容器１１の窓１３を透過して出力され
る放射光のプラズマ１２のイオンから放射する任意の波
長のスペクトルを光学フィルタ１４、カメラレンズ１５
を介してＣＣＤカメラ１６に取り込むようにしている。
ここで、光学フィルタ１４は、目的とする放射光スペク
トルを選択するためのものである。また、ＣＣＤカメラ
１６は、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇＣｏｕｐｌｄＤｅｖｉ
ｃｅ）素子を２次元配置したもので、スペクトル強度を
２次元分布で得るようにしている。そして、ＣＣＤカメ
ラ１６からの出力信号を、真空容器１１内の円筒状プラ
ズマ１２を側面から見た映像信号として演算装置１７に
取り込むようにする。

【００１５】演算装置１７では、予め用意された画像処
理プログラムに従ってスペクトル強度を求めるととも
に、そのスペクトル強度と、そのスペクトルに対する励
起速度係数および電子密度の関係式から電子密度および
電子温度を求めるようにしている。ここで、求められる
スペクトルは、そのプラズマ１２から放射されるものの
中で比較的強いものを予め選んでおく。また、そのスペ
クトルによって異なる励起速度係数も予め計算してお
く。

【００１６】しかして、円柱状プラズマ断面方向の電子
密度分布は、ＣＣＤカメラ１６により取り込んだ映像信
号から、観察したい断面位置のスペクトル強度分布を求
め、これをアーベル変換によって同心円状の放射密度分
布に変換することにより求める。この放射密度は、励起
速度係数と電子密度の積で決まることから、電子密度分
布を求めることができる。

【００１７】ここで、励起速度係数は、電子温度に依存
するので、プラズマ断面方向の電子温度分布を予め求め
ておくことにより、放射密度分布と断面方向位置の対応
を取ることができる。また、電子温度は、図１におい
て、光学フィルタ１４を変えて異なる波長の２本のスペ
クトル強度を得ることで、その強度比と電子温度の関係
から算出することができる。

【００１８】そして、スペクトル強度は、アーベル変換
によって放射密度に変換するが、これは前述したように
電子密度と励起速度係数の積に比例するので、電子温度
を求める場合、未知の電子密度の項を消去する必要があ
る。そこで、異なる波長の２本のスペクトル強度、つま
り放射密度の比を取って電子密度の項を消去すると、残
った各波長に対する励起速度係数の比は電子温度に依存
するので、これより電子温度を求めることができる。

【００１９】これにより、スペクトル強度を空間分布と
して観察しておけば、アーベル変換後の放射密度分布、
さらには放射密度比の分布から電子温度分布を求めるこ
とができる。（第２実施例）

【００２０】図２は、第２実施例の概略構成を示してい
る。この場合、光学フィルタ１８として、フィルタ上下
部分において波長透過特性の異なるものを使用し、電子
温度計測のために異なる波長のスペクトル強度分布を同
時に計測できるようにしている。その他は、図１と同一
部分には、同符号を付して示している。このようにして
も、上述した第１実施例と同様な効果が期待できる。（第３実施例）

【００２１】図３は、第３実施例の概略構成を示してい
る。この場合、異なる波長のスペクトル強度分布を計測
するために、ハーフミラー１９を介してプラズマ放射光
を２方向に分け、２台のＣＣＤカメラ２０１、２０２へ
取り込むようにする。そして、それぞれのＣＣＤカメラ
２０１、２０２の前には、透過特性の異なる光学フィル
タ２１１、２１２を設置するようにしている。その他
は、図１と同一部分には、同符号を付して示しているこ
のようにしても、上述した第１実施例と同様な効果が期
待できる。

【００２２】なお、本発明は上記実施例にのみ限定され
ず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
例えば、光学フィルタにより目的とするスペクトルをプ
ラズマの中性粒子から放射されるものを選択するように
すれば、スペクトル強度から中性粒子密度、あめいはそ
の分布を計測することもできる。また、上述では、ＣＣ
Ｄ素子を使用したＣＣＤカメラの場合を述べたが、ＭＯ
Ｓ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ
ｏｒ）型素子、ＣＰＤ（ＣｈａｒｇＰｒｉｍｉｎｇ
Ｄｅｖｉｃｅ）型素子を適用しても同様な機能を得られ
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明のプラズマ計測装置によれば、非
接触で、かつ瞬時にプラズマ電子密度および電子温度分
布を計測できる。これは第１に、時間的にプラズマ電子
密度および電子温度分布が変化するような現象を観察す
る場合に有効である。また、第２に、一様性の要求され
る大体積、大面積のプラズマを利用する場合、これらの
一様性の制御を行うモータとして有効である。

【００２４】また、計測対象と離れて計測機器を設置で
きるとともに、構成機器が光学フィルタ、ＣＣＤカメラ
および演算装置だけからなるので、可搬性に優れ、簡易
に使える利点もある。

【００２５】さらに、各種のガスに対して、前述した電
子温度に依存する励起速度係数をデータベース的に演算
装置に用意しておけば、汎用のプラズマモータとしても
利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の概略構成を示す図。

【図２】本発明の第２実施例の概略構成を示す図。

【図３】本発明の第３実施例の概略構成を示す図。

【図４】従来のプラズマ測定装置の一例を示す図。

【符号の説明】

１１…真空容器、１２…プラズマ、１３…窓、１４、１
８、２１１、２１２…光学フィルタ、１５…カメラレン
ズ、１６、２０１、２０１…ＣＣＤカメラ、１７…演算
装置、１９…ハーフミラー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子、イオンおよび中性粒子からなるプ
ラズマから放射される任意の波長のスペクトルを選択す
る光学フィルタと、この光学フィルタで選択された任意波長のスペクトルの
強度を検出する固体撮像素子と、この固体撮像素子の検出出力を演算処理してプラズマ電
子密度および電子温度の空間分布を計測する手段とを具
備したことを特徴とするプラズマ計測装置。
【請求項２】固体撮像素子は、２次元配置されスペク
トル強度を２次元分布で検出するものである請求項１記
載のプラズマ計測装置。
【請求項３】光学フィルタは、プラズマの中性粒子か
ら放射されるスペクトルを選択するものである請求項１
記載のプラズマ計測装置。
【請求項４】光学フィルタは、波長透過特性の異なる
部分を有していて、種類異なるの波長スペクトルを同時
に選択可能にしたものである請求項１乃至３記載のプラ
ズマ計測装置。
【請求項５】プラズマより放射される光の方向を異な
る方向に分けるハーフミラーを設け、異なる波長のスペ
クトル強度を検出可能にした請求項１乃至３記載のプラ
ズマ計測装置。