JPS58157094A - 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閉じ込め
を可能とするプラズマ装置に関する。

〔従来技術及び其の問題点〕

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
マ発生装置の消費成力が少くて済み、プラズマの密度を
高くすることかで自、受にプラズマを包囲する固体壁へ
の熱人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間を長く
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。このことは、たとえば、ＣｏＧｏｒｍｅｚａｎｏ：
Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｏｓｓｅｓ　ｉｎ　０ｐ
ｅｎ−Ｅｎｄｅｄ　Ｍａｇ−ｎｅｌｉｃＴｒａｐｓ；Ｎ
ｕｃｌｅａｒ　　Ｆｕｓｉｏｎ、１３（’　　　７９）
、８．　１０８５などの文献に１繊されている。

プラギングには高層ｍＫよるｔのと静電場によるものか
あ抄、静電場によるものＫは電極を用いる電極法と、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０鍍電極法には、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九電磁トラップがある。第１図は
電磁トラップの原理図で１文献Ｔ、Ｊ、Ｄｏ鳳ａｎ、Ｂ
、Ｌ、８　ｔａｎｉｆｉｅｌｄａｎｄＪ　０Ｍ、Ｌａｒ
ｓａｎ：Ｐｌａｓｍａ　　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　　ｉｎ
　　ａｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａ鳳ｔｙｐｌｕｇｇ＠
ｄ　　ｃｕ＠ｐｓ　　ａｎｄ　　ｍ１ｒｒｏｒｓ：Ｔｈ
ｅ　　Ｐｈｙｃｉｃｓ　　ｏｆ　　Ｆｌｕｉｄｓ。

１８　（’　７５）　、１０．１３８３　Ｋ　４載され
たものである。

（１）は２個１組のコイルで２軸のまわりに軸対称ニ捲
カれ、カスプ磁場を形成する。（２）はポイントカスプ
に配設され丸中空円筒状の陽極、（３）はポイントカス
プに配役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
カスプに配役された２個１組の環状の陰極である０２個
１組のコイル（１）Ｋ挾まれた空間及び咳コイル（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、該真空容器にはプラズマとなるべき気体が充填され
、陽極（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設され、該電子銃から射出
された電子は咳陰極（３）及び皺陽極（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。陽極（３）及び（
５）の電位を零、陽極（２）及び（４）の電位をφムと
じたとき、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φｅで、Ｏ〈φＣ〈φ
Ａである。プラズマの存在する空間の両側には、該陽極
（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φｅ＋φｉとなる。イオンの電価をＺｅ、電子
の電価を−ｅとおいたと自、運動エネルギがＺｅφムよ
り小さいイオン及び運動エネルギがＣφＣ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に脱出できず
、イオンは矢印（７）に示す様Ｋ　　′電子は矢印（８
）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Ｔｉ鴫子一度をＴ、とすると
き。

φ４−＞＞ｋＴ７　／Ｚｅ　、φ、＞、）ｋＴｅ／ａ　
　、　　　　・（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
改養できることが、従来の電磁トラップの効果であ、＆
。

この電磁トラップにも１次の様な問題点があった。第２
図に示す如く、咳陽極（２）の内部に於て、空間電位は
最大φｉ＋φ６となるが、 Δφ＝φ人−（φ１＋φｅ）　　　　　　・・・（２）
で与えられる陽極電位と鋏空間電位の差Δφは零になら
ず、Δφ〉０である。Δφが形成される原因は誼陽極の
内部に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、Δφ＝Δφ（「） とあられすことができる０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。２軸上で電場のｒ成分は０である
から、Δφはｒ＝０で最大値Δφｎ１□、ΔφｍｍＮ　
”Δφ（０） をとる。従って皺陽極内で、２軸上の電位は（２）より
、 幻＋φ。ニー□−Δφｍ□ となる。φゑとφ。はプラズマの粒子数平衡等で定まる
が、概ね同様１度の大傘さで、φ五〜φ６であるから、
２軸上で、 一五〜φ。〜ｉ（φム−へφｍａＸ　）となる。電磁ト
ラップに於ては、Ａｍ１ＨＨ１が非常に大傘くなり、は
とんどφムに等しくなる結果、２軸上すなわち「＝０で
。

φ五　〜φ６〜０．ｒ＝Ｑ　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（３）となり、（１）が成立しないこと
が知られている。１゜かじ、該陽極内の大部分では（１
）が成立し、（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１３）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九〇〔発明の目的〕 本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、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
けることにより、プラズマ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提供するにある
〇 〔発明の概畳〕 本発明は、静電プラグを具備する開放系プラズマ装置に
於て、該静電プラグの少くともひとつはプラズマを包囲
するリミタと、峡り２夕の中空部を＊、ｉｉした磁力線
が全て貫通する中空部を有する陽極と、陽極の開口を覆
うごと角形状の板状部とそれと一体に形成された陽極の
軸上の一部に延在する管状部からなる第一陰極と、鋏第
−陰極の管状部を貫通して陽極の中空部の一部に延在す
る棒−状部と鉄棒状部の陽極の中空部内の先端に固着さ
れた板状部とよ妙形成される第二陰極を具備させ更に各
電極等に、陽極　ｇ−陰極、ＩＪ　ｊり、第二陰極の順
に高い電位を与える手段を具備させてなるものであるり 〔発明の効果〕 陽極と第一陰極とリミタと、該りＳりに包囲されたプラ
ズマにより第二陰極とプラズマの間の空間にイオンに対
するロスアパーチャのない電位障壁を形成し、第二陰極
は電子に対するロスアパーチャのない電位障壁を形成し
、もってプラズマに対するロスアパーチャのない静電プ
ラグを構成したことくより、プラズマ閉じ込め時間を大
幅に増加させることができる効果を奏する。

〔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図はその主豐部の構成と作用を示すもので、（→
け静電プラグ構成図、（呻は空間電位の２依存を示す線
図である。２個１組のコイル（］）Ｈｚ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磁場の方向と平行な零でない成分を
有する磁場を形成する静電プラグを構成し２ｆｊＩＡ１
組の咳コイル（１）に挾まれた空間及び絨コイル１１）
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、咳真空容器にはプラズマ境界面（６）を定める磁
場方向に貫通した中空部を有するすｉり特が収容されて
いる。プラズマの存在する空間の電位φ、はプラズマを
包囲するリオタ翰の電位φＩで制御される。すなわち、
該リミタ０・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り、プラズマと峡り
２夕ＯＱの電位差すなわちシース電圧−３が定まるから
、φ、＝φｌ＋φ、　　　　　　　　　　　・・・（４
）により、φ、が定まる。

（９）は磁場方向に貫通した中空部（１９を有する陽極
で、りンタａ呻の中空部を貫通した磁力線は全て咳陽極
（９）の中空部ａＩを貫通する。５　（ｘｌａ）は鍍陽
極（９）の中空部ａ優と同軸に配設され、鍍陽極（９）
の中空部０のリミタと反対側の一部に延在する管状部、
　（ｌｌｂ）は鍍管状部（ｌｌａ）に陽極（９）の開口
を覆うごとく陽極（９）と−関して固着された板状部で
、管状部（ｌｌａ）と板状部（Ｉｌｂ）は嬉−繍ｍａｎ
を形成する。（１２ｍ　＞は第一陰極の管状部（ｔｉｌ
ｌ）を貫通して陽極（９）の中空部（ＩＩＪに延在する
棒状部、（１２ｂ　）は鍍欅状部（１２ｍ）の陽極（９
）の中空部ａｓ内の先端に固着された板状部で棒状部（
１２ｍ）と板状部（１２ｂ　）は第二陰極０を形成する
。すを夕傾は接地されその電位は一１＝０である。

ａｓ　ａ４１ａｓは電ｇで、陽ｗ（９）ｉｃＩＩＥ位＊
、ヲ、ｇ−陰極ａｖＫ電位−１を、第二陰極ＱＪＫ電位
−２を与える０各電極等の電位の関には、 φ３〈φ１＝０〈φ１くφ８　　　　　・・・（５）の
関係が成立する。リミタα呻、陽４１　（９１、第一陰
極り、第二陰極り及び電源（１３（１４）　（ｌｓは静
電プラグ轡を構成し、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ヤれ峡靜電プラグ四
が配設され、鋏靜電プラグ［株］は以下に詳述する襟に
磁場の方向と平行な零でない成分を有する磁場を形成す
る。リミタａ呻の内部にはシースａカを介してプラズマ
ａ樽が接触している。プラズマの存在する空間の電位り
は（４）から、φ、＝φ、である。各電位φ２．φｌ、
φ１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、１φ、１（１φ２１゜φ１．φａ
である。すなわち、（５）を参照して、−２〈φ、〈φ
１くφ８　　　　　　　・・・（６）が成立する。

かくして構成された１１４図（ａ）に実施例を示した静
電プラグ嗜の作用と効果を第４図（→を参照して再び説
明すると、陽極の中空部ｌ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、皺電子群が作る空間電荷に
より電場が形成される。

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ｔｉ、陽極の中
空部＜１１３に形成される電子群の密度は第一陰極Ｉの
電位φ１と陽極（９）の電位φ１に呵って制御され、そ
の結果、陽極の中空部αｌの＋７　ｉりＱｌ側の開口近
傍における空間電位φ（ｒ、ｘ）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）式に示される様なｃ〜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１本発明にお
ける静電プラグにおいては容墨に回避できる０咳陽極の
中空部！１１における電子群の密度は第一陰極りの管状
部（１１ｍ　”）の周辺部及び第二陰極りの板状部（１
２ｂ）の外周部の陽極（９）に近い部分及び第二陰極＠
が延在しないＩＪ　ｉりａ〔に面する開口部の近傍とで
ほぼ等しく、すＺり鵠に包囲されたプラズマ特に面する
陽極の中空部α値の部分で、電子群の存在する空間の電
位は全ての轍でプラズマ電位φ、より高くなる。一方第
二隘極りの表面近傍では、第二陰極に与えられた負の高
電位のために電子群は存在できず、空間電位はプラズマ
電位より低くなる。第４図（→の対称軸Ｃ−Ｃと、それ
に平行でプラズマａ絆１する直線Ｗ−Ｗに沿った電位分
布が、第４図（ｂ）にＣ及びＷとして示されている。同
図に示されるようＫ、この静電プラグにはロスアパーチ
ャは存在しないからプラズマの長い時間の閉じ込めが可
能となる。

〔発明の他の実施例〕

本発明は開放系プラズマ装置に関するものであも。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
たが、磁場はカスプに限定せず、開放系なら本発明を適
用できることに言うまでもなく、例えば−檄磁鳩、２ラ
ー磁場に適用してよい。またプラズマ装置の用途は限定
しないＯ例えば核融合Ｐ１表面加工ｉ−娼埋、溶接、イ
オン源等のプラズマ装置に適用できる０

【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（１）・・・コイル
、１２１　、１４）　、　＋９ノ・・陽極、＋３）　、
　（５）・・・電極。 ＋１１・・すＳり、０υ・・・第一＃に極、（ｉｌａ）
・・管状部、（＋３・、！ＩＥ二陽極、（１２ａ　）−
・・棒状部、（ｕｂ）　、　Ｑ２ｂ）　−・・板状部、
（１３、１１４１、（Ｌ９・・・電源、ＩＩ・・・静電
プラグ。 ０１・・・プラズマ、α優・・・陽極（９）の中空部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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上膜と、鍍開放系
   磁場の開放端に配設され該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。 帥紀靜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し、プラズマを包囲する
   リミタと、該リミタの中空部を貫通し九磁力線は全て［
   通する中空部を有する陽極と、該陽極の中空部と同軸に
   配設され該陽極の中空部のｌＪミタと反対側の一部に延
   在する管状部と＃管状部に陽極の開口を覆うごとく陽極
   と離間して固着された板状部により形成される第一陽極
   と、該第−一極の・Ｉ状部を貫通して陽極の中空部の一
   部に延在する棒状部と該棒状部の陽極の中空部内の先端
   に固着された板状部とより形成される第二陰極と、各電
   極等に、陽極、第一陽極、リミタ、第二陰極の順に高い
   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。