JPS58100398A - 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長時間のプラズマの必要なこ
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
プラズマ発生装置の消資電力が少くて済み、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
体壁への熱入力が幅減されるなど、大舞な効果が得られ
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（は、開放端におけるプラギングが必要
とされる。このことは、九とえば、ＣｌＧｏｒｍｅｚａ
ｎｏ：Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｏｓｓｅｓ　ｉｎ
　Ｏｐｅｎ−ＪｎｄｅｄＭａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｐｓ
：Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｆ’ｕｓｉｏｎ　、　１９　（’　
７９　）　ｅ８．１０８５などの文献に記載されている
。

プラギングには高同波によるものと静電場（よるものが
あり、静電肛よるものには電極を用いる電極法と、タン
デムＺラー形磁場による両極性電位閉じ色めかあり、こ
れらはいずれも研究途上にある。この電極法には、カス
プ磁場のポイント及びラインカスプ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、Ｄｏｌａｎ、Ｂ
、Ｌ、８ｔａｎ−ｓ−ｆｉｅ４ｄ　ａｎｄ　Ｊ、Ｍ、Ｌ
ａｒｓｅｎ　：　Ｐｌａｓｍａ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉ
ｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　Ｐｌｕｇｇｅ
ｄ　ｃｕｓｐｓ　ａｎｄ　ｍ１ｒｒｏｒｓ　：Ｔｈｅ　
Ｐｈｙｃｉｃｓ　ｏｆ　Ｉ’１ｕｉｄｓ、　１８（’７
５）、１０．１３８３に掲載され友ものである。

図中の符号１１）は２個１組のコイルで２軸のまわ抄に
軸対称に捲かれ、カスプ磁場を形成する。（２）はポイ
ントカスプに配役された中空円筒状の陽極、（，３）は
ポイントカスプに配役され九中空筒状の陰極、１４）は
ラインカスプに配役された２個１組の環状の陽極、１５
）はラインカスプに配役された２個１組の環状の陰極で
ある。この２個１組のコイル（１）に挾まれ九空聞及び
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、この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）の少なくとも一方の陽極（
２）の反対の側には図示されない電子銃が配役され、こ
の電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真空容器内部を運動し、充填
され九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）及び陰極（５）の電位を零、陽極（２）及び陽極
（４）の電位をφ人とし九とき、Ｚ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φｅで、０くφｅくφ人である。プラズマの存
在する空間の両側には、陽極１２）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φｅ＋φ量　とな
る。イオンの電価をＺＣ１電子の電価を一〇とおい友と
き、エネルギが”Ｚｅｄｒ　ｔより小さいイオン及び運
動エネルギがｅφｅより小さい電子はプラズマの存在す
る空間から磁場方向（脱出できず、イオンは矢印（力に
示す様に、電子は矢印１８）Ｋ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Ｔ
ｉ、電子温度をＴｃとするとき、φｉ＞＞ｋＴし／Ｚｅ
、φｅ　＞＞　ｋＴｅ／８　、　　　・−１１）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６つ九。

この電磁トラップにも、次の様な問題点が６つ九、ｔＩ
Ｉｉ２図に示す如く、陽極（２）の内部に於て、空間電
位は最大φｉ＋φｅとなるが、 −＝φＮ−（φ轟＋φＣ）　　　　　曲・曲（２）で与
えられる陽極電位と空間電位の差Δφは零にならず、へ
−〉０である。Δφが形成される原因は陽極の内部（電
子が捕獲されて電子群を形成されることである。Δφは
Ｚ軸からのＷｍｒの関数であり。

Δφ＝Δφ（ｒ） とあられすことができる。電子群の作る電場の向きを考
慮して。

であることがわかる。Ｚ軸上で電場のｒ成分は０である
から、Δφはｒ；ｏで最大値へφｍＨｚ。

Δφｍａｘ”Δφ（０） をとる。従って帰極内で、Ｚ軸上の電位は式（２）より
、 φｉ＋φｅ＝φＡ−Δφｍａｘ となる。φｉとφｅはプラズマの粒子数平衡等で定−ま
石が、概ね同様程度の大きさで、φｉ〜φｅであるから
、Ｚ軸上で、 となる。電磁トラップに於ては、Δφｍａｙが非常に大
きくなり、はとんどφ入に等しくなる結果、Ｚ軸上すな
わちｒ＝Ｑで、 φｉ〜φｅｇｏ、ｒ＝０　　−・曲−・ｆ３）となり、
式（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式（１）が成立し１式（３
）はｒの非常に小さい部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
る効果は大きいが、ｒ＝０で式（３）が成立する結果静
電プラグにロスパーチャが形成され、これを通してプラ
ズマが漏れる九め（、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 本発明はかかる事情Ｋｌ！みてなされ丸もので、その目
的とするところは、ロスアパーチャのない静電プラグを
設けることによシ、グツズ！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すること
である。

発明の概要 一本発明は陽極とその中空部を貫通する棒状部を有する
哨−陰極と、それより低電位の第二陰極を設け、各電極
の電位を制御することによ抄陽極の中空部の電位分布を
制御してプラズマの存在する空間の電位より＾〈保ち、
もってはスアペーチャのない静電プラグを設は九プラズ
マ装置である。

発明の実施例 ２１１３図は本発明の一実施例を示すプラズマ装置の構
成図であ条、２個１組のコイル１１１は２軸のまわ抄に
軸対称に喝かれ、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九２個１組の環状の陽
極、（５）はラインカスプに配設され九２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組の鋏コイル＋１）Ｋ挾まれ九空聞及び骸コイル
１１）の内部の空間くけ、一つの図示されない真空容器
が配設され、咳真空容器にはプラダ１塊界面（６）を定
める第一一が収容されている。プラズマの存在する空間
の電位φｐは、誼第一一の電位φＩで制御さ九る。すな
わち、＃第一一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抄、プラズマと咳
第一壁の電位差すなわちシース電圧φＳが定まるから、 φｐ＝φｊ＋φＳ　　　　　　　・・・・・・・・（４
）によ抄、φｐが定まる。

（９）は磁場方向に貫通し九中空部を有する陽極、ＯＩ
は板状部と棒状部で形成されゐ第一陰極、α劾は第二陰
極で、咳陽極（９）、第−陰極的、第二陰極ａ１）は一
部が図示される等−壁αりとともに静電プラグリを構成
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鍍静電プラグ（１１が配設され、
該静電プラグＩは以下に詳述する４１に磁場の方向と平
行な零でない成分を有する電場な彫成す為。

第４図は第３−に示す実施例の主要部の構成と作用を示
すもので、（１）は静電プラグ構成図、（ｂ）は空間電
位φ（ｒ、ｘ）のｒ依存を示す線図、（Ｃ）は空間電位
φ（ｒ、ｚ）の８依存を示す線図である。

陽極（９）Ｋは電源（Ｉ４及び−により最も高い正の電
位−１が与えられ、咳陽極（９）の中空部のプラズマ側
の開口部の一部を覆う様に配役され丸板状部（１０ｍ）
と陽極（９）の中空部を貫通し鋏板状部（ＩＯＪＩ）Ｋ
固着された棒状部（１０ｈ）で形成される第一陰極ＱＩ
Ｋは咳電源１４により正の電位φｋｔが与えられ、陽極
１９）の中空部のプラズマの反対側の開口部を覆う様に
配設され九第二陰極ａυには電源α・によりプラズマの
存在する空間の電位φｐよ）低い員の電位φに２が与え
られ、各電位の関には、 ４ｋｇ＜Ｏ＜φｋｌ　＜φ息　　　　　　・・・・・・
・・・（５）の喝係が成立する。第一一−ｑａは接地さ
れておシ、咳第一壁の内１１にはシースα力を介してプ
ラズｉ舖が接触している。プラズマの存在する空間の電
位φ０は（４）から、φｐ＝φＳである。各電位φｋｔ
ｅφｋｚｐφａの絶対値は靜踵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、１φｐ１（１φｋＩＬ
ＩφｋｚＬφ２である。すなわち、１５）を参照して。

φｋｘ＜φｐくφｋｌ＜φａ　　　　　　・・・・・・
・・・（６）が成立する。

発明の効果 かくして構成され九第４図（１）Ｋ実施例を示した静電
プラグＩの作用と発明の効果を第４図（ｂ）及び（Ｃ）
を参照して説明すると、陽極の中空ＳａＷ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、誼電子群が
作る空間電荷及び外部から各電極に与えた電位によ）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（おけ為静電プラ
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、陽極の中空部（ＩＩＫ形成される電子群の密度は第
一陰極ａｌｌの電位φｋｌと陽極（９）の電位φａＫよ
って制御され、その結果、陽極の中空部舖における空間
電位φｌが制御されることで、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）弐に示され様
なｒ〜０における電位障壁の低下とそれにロスアパーチ
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５１１９における空間電位
φ１は、琳に磁場方向への電子の脱出を阻止する電位障
壁を形成する第一陰極の板状ｍｌ（１０ｍ）と第二陰極
Ｏυの形状等にはほとんど影響されず、磁場に平行な対
称軸を有し回転に配役されている第一陰極の棒状部（１
０ｂ）及び陽極（９）によって軸対称と麿り、電位φ１
は第４図（ｂ）に示されるごとく棒状部表面で最小値φ
ｋｘｓ陽極内表面で蝋大値φａをとる。ここで棒状部（
１０ｂ）の軸心からのＷｍをｒとしである。第−Ｗａａ
の内部に存在するプラズマａ・は、第４図（ａ）に示さ
れる様に、ａｔ＜ｒくＲｓに存在する。Ｒ１≦ｒ≦Ｒ３
にシける陽極の中空ＩＩａ−における空間電位φｌ、は
、第４ＷＡ（ｂ）に示されるように、プラズマ舖の存在
する空間の電位φｐよやけるかに高い。

第４図（Ｃ）　Ｋは、プラズマ舖の存在する空間の軸心
（ｒｚＥＬ２）及び二つの境界線（’　＝　”１　ｅ　
Ｒｓ）　Ｋ　Ｇ　つ九電位分布が示されている。プラズ
マを質通しあるいはプラズマ（接する磁力線に沿って陽
極の中空部−における電位φｌｏｉ＆小値はｒ＝ＲＩＫ
おけるφ１であり、その磁力線に宿っても嬉４園（Ｃ）
に示される如く陽極の中空部ｆｉｌＫイオンに対する電
位障壁が形成され、第（６）式から電子（対しては第二
陰極が電゛子障曖を形成するから、プラズマα口を貫通
しあるいはプラズマＩ′ｌＩＫ接する全ての磁力線に沿
って、電子及びイオンの両方に対し第２図に示される様
な電位障壁が形成され、ロスアパーチャは存在しない。

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
のできるプラズマ装置が構成される。

発明の応用例 本発明は開放系ブラズーｗ装置に関するものである。実
施例ではカスプ磁場を用い九プラズマ装置について説明
し九が、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１５までもなく、
例えば一様磁場、ミラー磁場に適用してよい。を九プラ
ズ！装置の用途は限定しない。例えば核融合炉％＊ｔｉ
ｉｒ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２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）は静電プラグ構成図、（ｂ）は空間−位のｒ依存を
示す線図、（Ｃ）は空間電位の２依存を示す線図である
。 ｆｌｌ＝［Ｅ−ａｊｌｔｉｉｌ（１０ｍ）　・−・板状
部、（１０ｂ）−・・棒状部、ａυ・・・第二陰極、α
り・：・第−壁、０・・・静電プラグ、（Ｊ４　Ｉｔｓ
　ｌｉｅ・・電源、Ｉｌｌ・・・プラズマ、Ｉ・・・陽
極の中空部。 代理人　弁理士　則　近　麿　佑 （ほか１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ブラズｉ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、該開放系
   磁場の開放端に配設され骸磁場の方−向と平行な零でな
   い成分を有する電場を形成する静電プラグとを具備する
   プラズマ装置に於て、前記静電プラグの少くともひとつ
   は、前記開放系磁場の磁場方向に貫通した中空部を有す
   る陽極と、該陽極の中空部のプラズマ側の開口部の一部
   を覆う様（配役された板状部と陽極の中空部を貫通し該
   板状部に固着された棒状部で形成される第−陰−極と、
   陽極の中空部のプラズマの反対側の開口部を覆う様に配
   設され九第二陰極と、陽極には最も高い正の電位を、第
   二陰極にはプラズマの存在する空間の電位より低い電位
   を、第一陰極には陽極の電位と第二陰極の電位の中間の
   電位を、それぞれ与える手段を具備することを特徴とす
   るプラズマ装置。