JPH07153404A

JPH07153404A - 高周波によるプラズマからのイオン引き出し方法及び装置

Info

Publication number: JPH07153404A
Application number: JP30161793A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Matsui; 哲也松井; Kazuteru Tsuchida; 一輝土田; Shinji Tsuda; 申士津田; Kazumichi Suzuki; 一道鈴木
Original assignee: LASER NOSHUKU GIJUTSU KENKYU; LASER NOSHUKU GIJUTSU KENKYU KUMIAI; Hitachi Ltd
Current assignee: LASER NOSHUKU GIJUTSU KENKYU; LASER NOSHUKU GIJUTSU KENKYU KUMIAI; Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】電極間のプラズマに共鳴する周波数を常時電
極に印加できるイオン引き出し方法及び装置の提供。【構成】電界がプラズマに浸透する共鳴周波数であれ
ば電極間のインピーダンスが極小となり、かつインピー
ダンスの位相が０となるから、電極に印加する周波数を
変化させながら電極間のインピーダンスを検出する。電
極間のインピーダンスが極小、もしくはインピーダンス
の位相が０となるときの周波数を共鳴周波数として電極
に印加する。更に、電界がプラズマに浸透する共鳴周波
数であれば加速された電子によるプラズマ発光が生ずる
ので、電極に印加する周波数を変化させながらプラズマ
の発光を検出し、発光量が極大となるときの周波数をプ
ラズマに共鳴する周波数として電極に印加する。【効果】電極間のプラズマに共鳴する周波数が未知の
場合でも、また、共鳴周波数が変動しても、共鳴周波数
を電極に印加でき、効率よくイオンを引き出すことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー同位体分離装
置などにおいて、レーザー照射により生成された光電離
プラズマに高周波電圧を印加して該光電離プラズマから
イオンを回収する高周波によるイオン回収方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の高周波電界によるイオン引き出し
装置としては、プラズマをはさんだ平行平板電極に共鳴
する高周波をプラズマに印加し、プラズマ中に電界を浸
透させて、プラズマ中でもイオンを加速することにより
イオンの回収効率を向上させる方法が特開平４−３３４
８４７号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】共鳴する高周波の周波
数はプラズマ密度、電子温度、イオン温度、磁場強度、
電極長さ、電極間隔、プラズマと電極間の隙間の厚みな
どによって変動する。しかし、前記公報記載の従来技術
では、印加している周波数が共鳴からずれたり、或い
は、そもそも共鳴周波数が未知で、共鳴からずれた状態
の周波数を印加してしまうという問題があり、電極間の
プラズマに共鳴する周波数を検知し、印加する周波数を
制御する必要があった。

【０００４】本発明の目的は、レーザー同位体分離装置
で、電極間のプラズマに共鳴する周波数を常時電極に印
加できるイオン引き出し方法及び装置を提供することに
ある

【０００５】。

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、高周波により電極間のプラズマからイオ
ンを引き出す方法において、電極間のプラズマに共鳴す
る周波数を検知して、その周波数の高周波を印加して、
イオンを引き出すようにするものである。電極間のプラ
ズマに共鳴する周波数を検知する手段としては、まず、
電極間のインピーダンスを検出する方法がある。

【０００６】更に、電界がプラズマに浸透する共鳴周波
数であれば、プラズマ中の電界で加速された電子が中性
原子に衝突することによってプラズマ発光が生ずるの
で、その発光を検出して電極間のプラズマに共鳴する周
波数を検知することができる。

【０００７】

【作用】高周波により電極間のプラズマからイオンを引
き出す装置において、共鳴周波数検知装置は電極間のプ
ラズマに共鳴する周波数を検知し、検知したその周波数
を高周波印加装置に伝送する。高周波印加装置は検知し
たその共鳴周波数の高周波を電極に印加する。このよう
にして共鳴周波数の高周波電圧を電極に印加して、電極
間のプラズマからイオンを引き出す。ここで、共鳴周波
数検知装置としては、２つの装置が考えられる。１つ
は、電極間のインピーダンスを検出する装置を用い、電
極間のインピーダンスの大きさが極小となる周波数を検
出するか、或いは、電極間のインピーダンスの位相が０
となる周波数を検出するようにする。この方法は、電界
がプラズマに浸透する共鳴状態であれば、電極間のプラ
ズマのインピーダンスがコイルとコンデンサが直列で並
んだ状態の等価回路で表され、かつその回路が直列共鳴
の状態となることを利用する。すなわち、直列共鳴のと
き、プラズマを挟む電極間のインピーダンスの大きさは
極小となり、また、インピーダンスの位相は０となる。
したがって、インピーダンスを測定し、大きさが極小、
または、インピーダンスの位相が０となる周波数を検出
することにより、電極間のプラズマに共鳴する周波数を
検知することができる。

【０００８】もう１つの装置としては、プラズマの発光
を検出する装置を用いて、その発光強度が大きい周波数
を共鳴周波数として検知するようにする。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図１に本発明の第１の実施例であるレーザ同位体分
離装置の装置構成を示す。図示の装置は、真空容器３
と、該真空容器３に内装され互いに平行に配置された一
対の平板電極２と、同じく真空容器３に内装され前記平
板電極２の下方に配置された金属原子発生手段（図示せ
ず）と、前記一対の平板電極２の間にレーザ光を照射す
るプラズマ化手段（図示せず）と、前記平板電極２の一
方の側に整合器６を介して接続された高周波印加装置４
と、該整合器４の出力側と高周波印加装置４に接続され
た共鳴周波数検知装置８と、前記整合器６と平板電極２
を結ぶ電線に接続された直流電源７とを含んで構成され
ている。この例で用いた金属原子発生手段は、金属を加
熱して金属原子を蒸発させるものである。

【００１０】上記構成の装置における動作を次に説明す
る。金属原子発生手段で発生した金属原子は気体の形で
前記一対の平板電極２の間に送りこまれ、レーザ光によ
り前記気体のなかの特定の同位体がプラズマ化される。
生成されたプラズマ１からイオンを引き出すために、プ
ラズマ１をはさむように平板電極（以下、単に電極とい
う）２が配置されている。そして、この電極間のプラズ
マに共鳴する周波数と印加されている周波数の違いを共
鳴周波数検知装置８により検知し、印加する周波数を前
記検知された違いを無くす方向に変更する信号を高周波
印加装置４に伝送する。高周波印加装置４は受信信号に
したがって発生する周波数を増加もしくは減少させ、整
合器６を介して、電極２に高周波電圧を印加する。この
サイクルを繰り返すことにより、共鳴周波数に一致した
周波数の高周波電圧が発生され、電極２に印加される。
電極間のプラズマ中のイオンは、電極２に印加された共
鳴周波数の高周波電圧によって形成される電界に動かさ
れ、電極２に向かって引き出され、電極２の表面に回収
される。ここで、整合器６は伝送しようとする高周波電
圧を効率よく電極２に伝送できるようにインピーダンス
を整合させる装置である。

【００１１】よって、本実施例によれば、印加される周
波数が共鳴周波数になっているかどうかが常にモニター
されているので、プラズマ密度、電子温度、イオン温
度、磁場強度、電極長さ、電極間隔、プラズマと電極間
の隙間の厚みなどが変動することによって共鳴周波数が
変動しても、その変動に追随して印加する周波数を変え
ることができ、常に共鳴周波数が電極２に印加されるの
で効率よくイオンを回収できる。

【００１２】ここで、共鳴周波数検知装置８としてイン
ピーダンス計測を用いる例について図２を用いて説明す
る。図示のＲＦ電源９は図１に示す高周波印加装置４に
相当し、整合器６、直流電源７は図１に示す整合器６、
直流電源７と同等のものである。図１の共鳴周波数検知
装置８は、図２において、ＲＦ電源９と整合器６を結ぶ
電線に接続されて電極２に印加される高周波のパワーＰ
を測定するパワーモニター５と、電極２に印加される高
周波の電流、電圧をそれぞれ測定する電流プローブ１２
及び電圧プローブ１３と、該電流プローブ１２及び電圧
プローブ１３の出力を用いて電極に印加される高周波の
電流振幅（実効値）Ｉrms、電圧振幅（実効値）Ｖrms、
及び電圧波形に対する電流波形の位相差θを計測する電
流電圧計測器１１と、計測されたパワーＰ、Ｉrms、Ｖr
ms、及び電流波形の位相差θから電極間のプラズマのイ
ンピーダンスの大きさ｜Ｚ｜および位相Θをそれぞれ所
定のサンプリング間隔で算出するインピーダンス演算器
２０と、入力側を該インピーダンス演算器２０に出力側
を前記ＲＦ電源９にそれぞれ接続され、算出された前記
｜Ｚ｜および位相Θに基づいて周波数の増減信号を所定
の時間間隔ごとに出力する周波数制御装置１０とを含ん
で構成されている。パワーモニタ５は、整合器６でＲＦ
電源９側に反射される電力を測定し、該反射を小さくす
るように整合器を制御する役目をも果たしている。

【００１３】電極間のプラズマのインピーダンスの大き
さ｜Ｚ｜および位相Θはそれぞれ

【００１４】

【数１】

【００１５】

【数２】

【００１６】で求められる。上記の式の演算をインピー
ダンス演算器２０で行う。ここで、このようにして電極
間のプラズマのインピーダンスを測定した１例を、横軸
にＲＦ周波数（ＭＨz）を、縦軸にインピーダンスＺ
(Ω)及び位相Θ（度）をとって図３に示す。この図はＸ
ｅのプラズマを生成してインピーダンスを測定したもの
で、プラズマ密度は約１０の１０乗個毎立方センチメー
ター、プラズマ温度が約８ｅＶで、磁束密度５０ガウ
ス、電極長さ３０ｃｍ，電極間隔５ｃｍの実験条件での
結果である。この図から、｜Ｚ｜は約１０ＭＨｚでほぼ
０で最小となり、このときΘも０となっていることがわ
かる。これは、この周波数のとき、電極間のプラズマの
インピーダンスがコイルとコンデンサが直列で並んだ状
態の等価回路で表され、いわゆる直列共鳴の状態にある
ことを示している。

【００１７】この実験条件でのイオンの引き出し特性を
図４に示すが、印加される高周波が約１０ＭＨｚの共鳴
周波数のときに引き出されたイオン電流が最大になって
いることがわかる。すなわち、｜Ｚ｜が最小になり、Θ
が０になるような周波数を印加すれば、最大のイオン電
流が得られることがわかる。したがって、｜Ｚ｜および
Θの双方またはそのいずれかをインピーダンス演算器２
０で求め、その値が共鳴状態、つまり｜Ｚ｜が最小、Θ
が０の状態からずれていれば周波数を変化させて共鳴周
波数に近づけるように周波数制御装置１０によりフィー
ドバック制御することにより、その時点における共鳴周
波数を電極２に印加できる。具体的には、周波数制御装
置１０は、Θ（＝θ）が負の値のときは周波数を予め設
定されている値だけ増加させる信号を出力し、Θ（＝
θ）が正の値のときは周波数を前記予め設定されている
値だけ減少させる信号を出力する。但し、周波数制御装
置１０は、Θ（＝θ）が零であっても、｜Ｚ｜の値が予
め設定された値、例えば１０Ωをこえている場合は、周
波数が共鳴周波数を超えていると判断し、周波数を減少
させる信号を出力する。

【００１８】例えば図３において、周波数が２２．５Ｍ
Ｈｚを超える付近でθが零になっている点があるが、こ
の位置では｜Ｚ｜の値が１０をこえているので、周波数
制御装置１０に入力されたΘの値が零であっても、周波
数制御装置１０は印加されている周波数は共鳴周波数を
超えていると判断し、周波数を減少させる信号を出力す
る。

【００１９】上記説明においては、Θ＝０のときに印加
されている周波数が共鳴周波数であるとしたが、実際の
制御においては制御の精度や誤差を考慮してごく微小な
値ａを設定し、−ａ≦Θ≦ａであれば共鳴周波数である
と見做すようにしてもよい。また、通常の運転状態にお
ける共鳴周波数を検知しておき、最初に電極２に印加す
る高周波電圧の周波数を該検知された周波数とするよう
に、高周波印加装置４を制御するようにしておけば、共
鳴周波数に安定するまでの時間を短縮できる。

【００２０】本実施例によれば、電気信号により共鳴周
波数を検知できるので、比較的高速に周波数の制御が可
能になるという効果がある。

【００２１】上記実施例において、周波数制御装置１０
に、インピーダンス演算器２０から入力された｜Ｚ｜及
びΘを記憶する記憶手段を備え、周波数を低減させる信
号もしくは増加させる信号を出力した場合は、所定時間
後に入力される｜Ｚ｜の値と記憶している｜Ｚ｜の値を
比較し、周波数変更後の｜Ｚ｜の値が変更前に比べて減
少しているか増加しているかを判断できるようにしてお
いてもよい。周波数変更後の｜Ｚ｜の値が変更前に比べ
て減少している場合はそのまま制御を継続し、周波数変
更後の｜Ｚ｜の値が変更前に比べて増加している場合は
警報を出力して操作員に異常を表示する等の処置が可能
となる。

【００２２】本発明の第２の実施例を図５を用いて説明
する。この実施例は共鳴周波数を検知する方法として、
プラズマ発光を用いた例である。プラズマに共鳴周波数
の高周波電圧が印加されているとき（共鳴状態）にはプ
ラズマ中に電界が浸透し、その電界によってイオンだけ
でなく電子も加速される。その加速された電子が中性原
子やイオンに衝突し、中性原子やイオンが励起され次い
で励起準位から光を放出して基底準位に復帰する。した
がって、その発光を検出するようにして周波数をサーベ
イすれば共鳴周波数を検知することができる。

【００２３】図示の装置は、真空容器３と、該真空容器
３に内装され互いに平行に配置された一対の平板電極２
と、同じく真空容器３に内装され前記平板電極２の下方
に配置された金属原子発生手段（図示せず）と、前記一
対の平板電極２の間にレーザ光を照射するプラズマ化手
段（図示せず）と、前記平板電極２の一方の側に整合器
６を介して接続された高周波印加装置であるＲＦ電源９
と、前記真空容器３の壁面に配置され電極２間のプラズ
マ発光１４を取り出す集光レンズである集光用光学系１
５と、該集光用光学系１５で取り出された光が導かれる
分光機能付き光学系１６と、該分光機能付き光学系１６
に導かれた光を電気信号に変換する発光検出器１７と、
該発光検出器１７に接続され発光検出器１７の出力を入
力としてプラズマの発光量を算出する発光量演算器２１
と、該発光量演算器２１の出力を入力として周波数の増
減信号を前記ＲＦ電源９に出力する周波数制御装置１０
と、前記整合器６と電極２を結ぶ電線に接続された直流
電源７と、を含んで構成されている。分光機能付き光学
系１６としては、例えば、回折格子により光を分散させ
る分光器や特定の波長（本発明では共鳴によるプラズマ
発光波長）のみを透過させる波長フィルタなどが用いら
れる。

【００２４】上記構成の装置は、プラズマ発光１４が集
光用光学系１５を通して分光機能付き光学系１６へ導か
れる。プラズマには、共鳴状態でなくとも光っている背
景光成分があり、その背景光と共鳴による発光とを分離
する必要がある。背景光と共鳴による発光とを波長で分
離するようにするために、分光機能付き光学系１６を用
いる。分離された共鳴による発光成分は、発光検出器１
７で所定のサンプリング間隔で発光量を示す電気信号に
変換され、得られた発光量を示す電気信号は発光量演算
器２１に伝送される。発光量演算器２１は発光量が最大
となる周波数を求め、その周波数を周波数制御装置１０
に伝送して、その周波数を電極に印加する。発光量演算
器２１の具体的な処理としては、例えば、入力された発
光量Ｌnを記憶し、次いで前回のサンプリング時に入力
された発光量Ｌmと今回入力された発光量をＬnを比較す
る。Ｌm＜Ｌnであれば、前回の周波数制御装置１０が出
力した周波数増減信号は正しいことになるから、発光量
演算器２１は周波数制御装置１０に対し、前回の周波数
増減信号と同じ信号を出力するように指示する信号を出
力する。Ｌm＞Ｌnであれば、前回の周波数制御装置１０
が出力した周波数増減信号は逆ということになるから、
発光量演算器２１は周波数制御装置１０に対し、前回の
周波数増減信号と逆の信号（前回の周波数増減信号が周
波数増加信号だったときは今回は周波数減少信号）を出
力するように指示する信号を出力する。Ｌm＝Ｌnもしく
はＬm−Ｌnの絶対値が予め設定されたある微小な値より
小さい場合は、周波数を維持する信号を出力するよう指
示する信号を出力する。

【００２５】本実施例によればプラズマの内部状態を検
出できるので、プラズマが共鳴状態にあることをより確
実に検知でき、また、光を検出するので非接触で共鳴状
態を検知できるという効果がある。

【００２６】本発明の第３の実施例を図６を用いて説明
する。この実施例が前記第２の実施例と相違する点は、
プラズマ発光１４を集光する集光用光学系として、真空
容器３の壁面に配置された集光レンズに代えて電極２の
開孔に接続された光ファイバを用いた点にある。光ファ
イバに取り込まれたプラズマ発光１４は、前記真空容器
３外に配置された分光機能付き光学系１６へ伝送され
る。その後の処理は前記第２の実施例の場合と同様であ
る。本実施例によれば光ファイバを用いるので真空装置
と制御系が離れた位置にあっても容易にプラズマ発光を
伝送できるという効果がある。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、電極間のプラズマに共
鳴する周波数が未知の場合でも、また、共鳴周波数が変
動しても、プラズマを挟む電極に印加する高周波電圧の
周波数を共鳴周波数に維持することができ、プラズマか
ら効率よくイオンを引き出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の要部構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明の第１の実施例の一部を詳細に示すブロ
ック図である。

【図３】電極間のインピーダンスの周波数特性の例を示
すグラフである。

【図４】プラズマから引き出されるイオン量の周波数特
性の例を示すグラフである。

【図５】本発明の第２の実施例の要部構成を示すブロッ
ク図である。

【図６】本発明の第３の実施例の要部構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１プラズマ２電極３真空容器４高周波印加装
置５パワーモニター６整合器７直流電源８共鳴周波数検
知装置９ＲＦ電源１０周波数制御
装置１１電流電圧計測器１２電流プロー
ブ１３電圧プローブ１４プラズマ発
光１５集光用光学系１６分光機能付
き光学系１７発光検出器２０インピーダ
ンス演算器２１発光量演算器

フロントページの続き (72)発明者津田申士茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者鈴木一道茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向して配置された一対の電極間
にプラズマを生成し、該電極に高周波電圧を印加して前
記プラズマからイオンを引き出す方法において、前記電
極に印加された高周波電圧の周波数がプラズマに共鳴す
る周波数よりも高いか低いかを検知し、検知した結果に
基づいて電極に印加される高周波電圧の周波数を増減す
ることを特徴とする高周波によるプラズマからのイオン
引き出し方法。
【請求項２】請求項１に記載の高周波によるプラズマ
からのイオン引き出し方法において、電極間のインピー
ダンスの大きさとその位相を検出し、検出したインピー
ダンスの大きさとその位相に基づいて前記電極に印加さ
れた高周波電圧の周波数がプラズマに共鳴する周波数よ
りも高いか低いかを検知することを特徴とする高周波に
よるプラズマからのイオン引き出し方法。
【請求項３】互いに対向して配置された一対の電極間
にプラズマを生成し、該電極に高周波電圧を印加して前
記プラズマからイオンを引き出す方法において、電極に
印加する高周波電圧の周波数を変化させつつ電極間のイ
ンピーダンスを検出して電極間のプラズマに共鳴する周
波数を検知し、該検知された周波数の高周波電圧を電極
に印加することを特徴とする高周波によるプラズマから
のイオン引き出し方法。
【請求項４】請求項３に記載の高周波によるプラズマ
からのイオン引き出し方法において、電極に印加する高
周波電圧の周波数を変化させつつ電極間のインピーダン
スを検出し、電極間のインピーダンスの大きさが極小と
なる周波数を検出して、該検出した周波数を電極間のプ
ラズマに共鳴する周波数とすることを特徴とする高周波
によるプラズマからのイオン引き出し方法。
【請求項５】請求項３または４に記載の高周波による
プラズマからのイオン引き出し方法において、電極間の
インピーダンスの位相が０となる周波数を検出して、該
検出した周波数を電極間のプラズマに共鳴する周波数と
することを特徴とする高周波によるプラズマからのイオ
ン引き出し方法。
【請求項６】互いに対向して配置された一対の電極間
にプラズマを生成し、該電極に高周波電圧を印加して前
記プラズマからイオンを引き出す方法において、電極に
印加する高周波電圧の周波数を変化させつつプラズマの
発光量を検出して、電極間のプラズマに共鳴する周波数
を検知し、該検知した周波数の高周波電圧を前記電極に
印加することを特徴とする高周波によるプラズマからの
イオン引き出し方法。
【請求項７】対向して配置された一対の電極と、該電
極に高周波電圧を印加する高周波発生手段とを備え、前
記電極に高周波電圧を印加して電極間のプラズマからイ
オンを引き出すイオン引き出し装置において、電極間の
プラズマに共鳴する周波数を検知する手段と、前記高周
波発生手段が発生する高周波電圧の周波数を検知した周
波数に制御する手段とを有することを特徴とする高周波
によるプラズマからのイオン引き出し装置。
【請求項８】請求項７に記載の高周波によるプラズマ
からのイオン引き出し装置において、電極間のプラズマ
に共鳴する周波数を検知する手段は、電極間のインピー
ダンスを検出する手段を含んでなることを特徴とする高
周波によるプラズマからのイオン引き出し装置。
【請求項９】請求項７または８に記載の高周波による
プラズマからのイオン引き出し装置において、電極間の
プラズマに共鳴する周波数を検知する手段は、電極間の
インピーダンスの大きさが極小となる周波数を検出する
手段を含んでなることを特徴とする高周波によるプラズ
マからのイオン引き出し装置。
【請求項１０】請求項７または８に記載の高周波によ
るプラズマからのイオン引き出し装置において、電極間
のプラズマに共鳴する周波数を検知する手段は、電極間
のインピーダンスの位相が０となる周波数を検出する手
段を含んでなることを特徴とする高周波によるプラズマ
からのイオン引き出し装置。
【請求項１１】請求項７に記載の高周波によるプラズ
マからのイオン引き出し装置において、電極間のプラズ
マに共鳴する周波数を検知する手段は、プラズマの発光
を検出する手段を含んでなることを特徴とする高周波に
よるプラズマからのイオン引き出し装置。