JPH07263179A - プラズマ計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、異なるスペクトルについても、それ
ぞれに対応した計測結果が得られるプラズマ測定装置を
提供する。 【構成】真空容器２１内部のプラズマ２２の電子、イオ
ンまたは中性粒子からの放射光が入射される回析格子２
７の、放射光のスペクトルによって反射角度が変わる性
質を利用して、目的とする放射光スペクトル線の反射角
度に合わせた位置にレンズ２８、空間フィルタ２９、レ
ンズ３０を介してＣＣＤカメラ３１を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを利用した装
置における、プラズマ生成、計測および制御などに適用
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。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。

【０００３】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。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。

【０００４】図２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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】しかして、このような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になる。

【０００８】そこで、最近、このような緒問題を解決す
べく、図３に示すようなプラズマ計測装置が考えられて
いる。この場合、真空容器１１のプラズマ１２中のイオ
ンまたは中性粒子から放射される光を窓１３を通して取
り出し、この取り出した光を光学フィルタ１４に透過し
て目的とするスペクトル線だけを選び出し、さらに、こ
の透過した光をＣＣＤカメラ１５で検知し、ここでプラ
ズマ反射光のうち選択されたスペクトル線の映像信号を
生成して演算装置１６に取り込み、この演算装置１６で
画像プログラムによってスペクトル線強度分布を生成す
るとともに、このスペクトル線強度から電子密度、電子
温度などを演算し、最終的に、これらの空間分布を測定
できるようにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
プラズマ１２からの放射光の任意のスペクトル線を光学
フィルタ１４で選択し、ＣＣＤカメラ１５によりスペク
トル線の映像信号を生成するものでは、選択できるスペ
クトル線が光学フィルタ１４を透過できるスペクトル範
囲が限られてしまい、スペクトル範囲外のスペクトル線
を検出するには、光学フィルタ１４を対応するものに交
換するなどの作業が必要となり、それだけプラズマ計測
に時間がかかってしまうという問題点があった。

【００１０】また、計測対象となるプラズマ媒質が変わ
ったような場合、あるいは同一プラズマ媒質で電子温度
を推定する時のように２種類のスペクトル線強度の比較
を必要とするような場合には、それぞれ複数のスペクト
ル線を同時に扱うことになるが、このような場合も、光
学フィルタ１４を透過できるスペクトル範囲が限られる
ことから、それぞれの場合に対処できないという問題点
があった。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、異なるスペクトルについても、それぞれに対応した
計測結果が得られるプラズマ測定装置を提供することを
目的とする。また、

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマから
の放射光から平行光を検出する手段と、前記平行光を反
射もしくは透過させることでスペクトル分布毎に分散さ
せる波長選択素子と、前記波長選択素子で分散した光の
うち所望のスペクトルの光を取り込む撮像手段と、前記
波長選択素子で分散した所望のスペクトルの光の経過に
前記撮像手段が位置するように前記波長選択素子もしく
は前記撮像手段の位置もしくは向きを調整する手段によ
り構成されている。

【００１３】また、本発明によれば、前記波長選択素子
は、回析格子からなり、該回析格子での目的のスペクト
ルの光の反射角度に合わせた位置に前記撮像手段を配置
するように構成されている。

【００１４】さらに本発明によれば、前記波長選択素子
は、回析格子からなり、該回析格子を回動可能にし、所
望のスペクトルに対し前記回析格子を回動することで一
定の光の経過を得られるように構成されている。

【００１５】

【作用】この結果、本発明のプラズマ測定装置によれ
ば、プラズマからの放射光から検出される平行光を、波
長選択素子で反射もしくは透過させることでスペクトル
分布毎に分散させ、この分散された光のうち所望のスペ
クトルの光を撮像手段に取り込むのに際し、波長選択素
子で分散した所望のスペクトルの光の経過に撮像手段が
位置するように前記波長選択素子もしくは撮像手段の位
置もしくは向きを調整するようにしているので、任意の
複数の異なるスペクトルについても、これらスペクトル
の光を撮像手段に取り込むようにできる。

【００１６】また、本発明によれば、波長選択素子とし
て回析格子を用い、この回析格子での目的のスペクトル
の光の反射角度に合わせた位置に撮像手段を配置するよ
うにしたので、撮像手段の位置を調整することで、任意
の複数の異なるスペクトルについて、これらスペクトル
の光を撮像手段に取り込むようにできる。

【００１７】さらに本発明によれば、波長選択素子とし
て回析格子を用い、この回析格子を所望のスペクトルに
対し回動することで一定のスペクトルの光の経過を得ら
れるようにしたので、回析格子の回動を調整すること
で、任意の複数の異なるスペクトルについて、これらス
ペクトルの光を撮像手段に取り込むようにできる。

【００１８】

【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）図１は、第１実施例の概略構成を示して
いる。図において、２１は真空容器で、この真空容器２
１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。

【００１９】そして、この真空容器２１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２２が発生
しているものとする。この場合、真空容器２１内部に発
生しているプラズマ２２も円筒状である。

【００２０】また、真空容器２１には、プラズマ２２中
の電子、イオンまたは中性粒子から放射される光を取り
出すための窓２３を設置している。そして、この窓２３
より取り出した放射光に対してレンズ２４、空間フィル
タ２５、レンズ２６を配置している。この場合、空間フ
ィルタ２５を、レンズ２４、２６のそれぞれの焦点位置
に設け、レンズ２４より収束した放射光を空間フィルタ
２５に透過し、さらにレンズ２６に入射するようにし
て、窓２３からの放射光のうち、平行光成分のみを取り
出すようにしている。

【００２１】レンズ２６に対向させて回析格子２７を配
置している。この回析格子２７は、レンズ２６を通して
入射する放射光のスペクトルによって反射角度が変わる
ような性質を有するものである。

【００２２】そして、この回析格子２７からの目的の放
射光スペクトル線の反射角度に合わせた位置にレンズ２
８、空間フィルタ２９、レンズ３０を配置している。こ
の場合、空間フィルタ２９を、レンズ２８、３０のそれ
ぞれの焦点位置に設け、レンズ２８より収束した反射光
を空間フィルタ２９に透過し、さらにレンズ３０に入射
するようにして、回析格子２７からの放射光のうち、平
行光成分のみを取り出すようにしている。

【００２３】ここで、レンズ２８、空間フィルタ２９、
レンズ３０を設ける理由は、回析格子２７からの放射光
以外の光、例えば、真空容器２１中のプラズマ２２から
漏れる光などが後述するＣＣＤカメラ３１に直接入射す
るのを防止するためである。従って、回析格子２７から
ＣＣＤカメラ３１までの光の経路をパイプなどで覆え
ば、レンズ２８、空間フィルタ２９、レンズ３０などを
設ける必要はない。

【００２４】レンズ３０に対向させてＣＣＤカメラ３１
を配置している。このＣＣＤカメラ３１は、ＣＣＤ（Ｃ
ｈａｒｇ Ｃｏｕｐｌｄ Ｄｅｖｉｃｅ）素子を２次元
配置したもので、放射光強度を２次元分布の信号で得る
ようにしている。

【００２５】そして、ＣＣＤカメラ３１からの出力信号
を、演算装置３２に与えるようにしている。演算装置３
２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、中性子密度および電子温度を
求めるとともに、それぞれの空間分布を出力するように
している。

【００２６】次に、以上のように構成した実施例の動作
を説明する。いま、真空容器２１内部で、電子、イオン
および中性粒子からなるプラズマ２２を発生すると、こ
のプラズマ２２中の電子、イオンまたは中性粒子からの
光が窓２３より放射光として出力される。

【００２７】この窓２３からの放射光は、レンズ２４に
入射し収束され、レンズ２４の焦点位置に設けた空間フ
ィルタ２５を透過され、さらにレンズ２６を通して窓２
３からの放射光のうち平行光成分のみが出力される。

【００２８】そして、レンズ２６を通した放射光は、回
析格子２７に入射される。この場合、回析格子２７は、
放射光のスペクトルによって反射角度が変わることか
ら、回析格子２７より反射された放射光は、目的の放射
光スペクトル線の反射角度に合わせた位置に設けられた
レンズ２８に入射し収束され、レンズ２８の焦点位置に
設けた空間フィルタ２９を透過され、さらにレンズ３０
を通して放射光のうち平行光成分のみが出力される。

【００２９】レンズ３０を通した放射光は、ＣＣＤカメ
ラ３１に入射される。ここで、レンズ２８、空間フィル
タ２９、レンズ３０により放射光のうち平行光成分のみ
を出力するのは、ＣＣＤカメラ３１での放射光の検出を
確実にするためである。

【００３０】そして、ＣＣＤカメラ３１で放射光強度の
２次元分布信号が生成され、この信号が演算装置３２に
与えられる。これにより、演算装置３２では、予め用意
された画像処理プログラムに従って電子密度、中性子密
度および電子温度を求め、それぞれの空間分布の計測結
果が得られることになる。

【００３１】従って、このような第１実施例によれば、
真空容器２１内部のプラズマ２２の電子、イオンまたは
中性粒子からの放射光が入射される回析格子２７の放射
光のスペクトルによって反射角度が変わる性質を利用し
て、目的とする放射光スペクトル線の反射角度に合わせ
た位置にレンズ２８、空間フィルタ２９、レンズ３０を
介してＣＣＤカメラ３１を配置するようにしているの
で、予めスペクトルと回析格子２７での反射角度の関係
を把握しておき、スペクトルに応じてＣＣＤカメラ３１
の位置を変えるようにすれば、異なるスペクトルについ
ても、確実にＣＣＤカメラ３１に取り込むことができ、
それぞれに対応した電子密度、中性子密度および電子温
度の空間分布の計測結果を得られることになる。

【００３２】（第２実施例）第１実施例では、回析格子
２７を固定にし、回析格子２７が入射スペクトルによっ
て反射角度が変わる性質を利用して、目的とする放射光
スペクトル線の反射角度に合わせた方向にＣＣＤカメラ
を配置するようにしたが、図１に示すように回析格子２
７の中間位置を、紙面と垂直方向の軸２７１で支持し、
この軸２７１を回転し回析格子２７を回動することによ
り、異なるスペクトルに対しても、常に一定の反射方向
を得られるようにすることもできる。

【００３３】このようにすれば、レンズ２８、空間フィ
ルタ２９、レンズ３０を介してＣＣＤカメラ３１の位置
を固定したままでも、入射されるスペクトルによって回
析格子２７を回動を調整すれば、これらスペクトルの光
を連続してＣＣＤカメラ３１に取り込むようにできる。

【００３４】これにより、複数の異なるスペクトルに対
して回析格子２７を回動するのみで、それぞれのスペク
トルを時間的に連続して選択することができ、それぞれ
に対応した電子密度、中性子密度および電子温度の空間
分布の計測結果を得られることになる。

【００３５】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、上述では、回析格子２７を用いたが、入射光の
スペクトルに応じて反射もしくは透過する光の照射角度
が変わるものならば、回析格子２７に限らず、プリズ
ム、エタロンなどの波長選択素子を用いることもでき
る。また、上述では、ＣＣＤ素子を使用したＣＣＤカメ
ラの場合を述べたが、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型素子、ＣＰＤ（Ｃｈ
ａｒｇ Ｐｒｉｍｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）型素子を適用
しても同様な機能を得られる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のプラズマ計
測装置によれば、プラズマからの放射光から検出される
平行光を、波長選択素子で反射もしくは透過させること
でスペクトル分布毎に分散させ、この分散された光のう
ち所望のスペクトルの光を撮像手段に取り込むのに際
し、波長選択素子で分散した所望のスペクトルの光の経
過に撮像手段が位置するように前記波長選択素子もしく
は撮像手段の位置もしくは向きを調整するようにしてい
るので、任意の複数の異なるスペクトルについても、こ
れらスペクトルの光を撮像手段に取り込むようにでき、
それぞれ対応した電子密度、中性子密度および電子温度
の空間分布を時間的に連続的に計測できる。このこと
は、第１にプラズマ媒質を変えたような場合、また、複
数のプラズマ媒質が混在するような場合に、それぞれの
電子密度、中性子密度および電子温度の空間分布を観測
するための測定装置として有効であり、第２に電子温度
を推定する場合で、２本以上のスペクトル線強度が必要
の場合も、計測対象の状態が変化してしまう前に、つま
りほぼ同一条件のもとで、時間をおかないでプラズマを
観測できるので、精度の高い結果が得られる。

【００３７】また、本発明によれば、波長選択素子とし
て回析格子を用い、この回析格子での目的のスペクトル
の光の反射角度に合わせた位置に撮像手段を配置するよ
うにしたので、プラズマ媒質を変えたような場合でも、
撮像手段の位置を調整することで、それぞれのスペクト
ルについて、これらスペクトルの光を撮像手段に取り込
むようにでき、それぞれの電子密度、中性子密度および
電子温度の空間分布を計測することができる。

【００３８】さらに本発明によれば、波長選択素子とし
て回析格子を用い、この回析格子を所望のスペクトルに
対し回動することで一定のスペクトルの光の経過を得ら
れるようにしたので、例えば、複数のプラズマ媒質が混
在するような場合、２本以上のスペクトル線強度を、計
測対象の状態が変化してしまう前に、つまりほぼ同一条
件のもとで入手したいような場合も、回析格子を回動を
調整するだけで、それぞれのスペクトルについて、これ
らスペクトルの光を連続して撮像手段に取り込むように
でき、的確な測定結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成を示す図。

【図２】従来のプラズマ測定装置の一例を示す図。

【図３】従来考えられているプラズマ測定装置の一例を
示す図。

【符号の説明】

２１…真空容器、 ２２…プラズマ、 ２３…窓、 ２４…レンズ、 ２５…空間フィルタ、 ２６…レンズ、 ２７…回析格子、 ２８…レンズ、 ２９…空間フィルタ、 ３０…レンズ、 ３１…ＣＣＤカメラ、 ３２…演算装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマからの放射光から平行光を検出
   する手段と、 前記平行光を反射もしくは透過させることでスペクトル
   分布毎に分散させる波長選択素子と、 前記波長選択素子で分散した光のうち所望のスペクトル
   の光を取り込む撮像手段と、 前記波長選択素子で分散した所望のスペクトルの光の経
   過に前記撮像手段が位置するように前記波長選択素子も
   しくは前記撮像手段の位置もしくは向きを調整する手段
   とを具備したことを特徴とするプラズマ計測装置。
2. 【請求項２】 前記波長選択素子は、回析格子からな
   り、該回析格子での目的のスペクトルの光の反射角度に
   合わせた位置に前記撮像手段を配置することを特徴とす
   る請求項１記載のプラズマ計測装置。
3. 【請求項３】 前記波長選択素子は、回析格子からな
   り、該回析格子を回動可能にし、所望のスペクトルに対
   し前記回析格子を回動することで一定の光の経過を得ら
   れるようにしたことを特徴とする請求項１記載のプラズ
   マ計測装置。