JPS58157098A - Plasma device - Google Patents

Plasma device

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Publication number
JPS58157098A
JPS58157098A JP57038158A JP3815882A JPS58157098A JP S58157098 A JPS58157098 A JP S58157098A JP 57038158 A JP57038158 A JP 57038158A JP 3815882 A JP3815882 A JP 3815882A JP S58157098 A JPS58157098 A JP S58157098A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
anode
plasma
final stage
cathode
limiter
Prior art date
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Pending
Application number
JP57038158A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
影山 賀都鴻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority to JP57038158A priority Critical patent/JPS58157098A/en
Priority to US06/423,293 priority patent/US4584160A/en
Priority to DE8282109022T priority patent/DE3268687D1/en
Priority to EP82109022A priority patent/EP0075953B1/en
Publication of JPS58157098A publication Critical patent/JPS58157098A/en
Pending legal-status Critical Current

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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical field to which the invention pertains] The present invention relates to a plasma device that allows plasma to be confined for a long time using an open magnetic field.

〔従来技術及び其の問題点〕[Prior art and its problems]

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
マ発生装置の消費電力が少くて済み、プラズマの密度を
嵩くすることができ、更にプラズマを包囲する固体壁へ
の熱人力が軽減されるなど、大角な効果が得られる。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Kは、開放端におけるプラギングが会費とされ
ろうこのことは、たとえば、C1(シロrmegano
:Reductton  of  Losses  i
n  0pen −gndedMagnetic Tr
aps ; NucleaCFusion 、 19(
’ 79)、 81085などの文献に記載されている
0プラギングには高周波によるものと静電場によるもの
があり、静電場によるものには電極を用いる電極法と、
タンデム2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。該電極法には、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o * 
1図は電磁トラ、プの原理図で、文献T、J、Dola
n、B、L、8tansfieldand  J 、M
、Larsen:Plasma  Potential
  in  electroitattcmllypl
ugged cusps and mi rrors 
: The Phycics of Fluids。
It is well known that when confining plasma in an open magnetic field, it is necessary to increase the plasma confinement time in fusion reactors, but this also applies to plasma equipment used for purposes other than fusion reactors. By increasing the confinement time, the power consumption of the plasma generator can be reduced, the density of the plasma can be increased, and the thermal force applied to the solid wall surrounding the plasma can be reduced. It will be done. In order to prolong the confinement time by plasma confinement by an open system magnetic field, plugging at the open end of K will be considered as a membership fee.
:Reductton of Losses i
n 0pen -gndedMagnetic Tr
aps; NucleaCFusion, 19 (
'79), 81085, etc., there are two types of zero plugging: one using high frequency and the other using an electrostatic field.
There is bipolar potential confinement due to tandem 2-Ra magnetic fields, and both of these are still under research. The electrode method includes an electromagnetic trap using an electrostatic plug consisting of an anode and a cathode at the cusp magnetic field point and line cusp.
Figure 1 is a diagram of the principle of an electromagnetic tiger, published in the literature T, J, Dola.
n, B, L, 8tansfield and J, M
, Larsen: Plasma Potential
in electroitattcmllypl
hugged cusps and mi rrors
: The Physics of Fluids.

18(’ 75) 、10.1383に掲載されたもの
である。
18 ('75), 10.1383.

(1)は2個1組のコイルで2軸のまわりに軸対称に捲
かれ、カスプ磁場を形成する。(2)はポイントカスプ
に配設された中空円筒状の陽極、(3)はポイントカス
プに配設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
カスプに配設された2個1組の環状の陰極である02個
1組のコイル(1)に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、骸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設され、咳電子銃から射出
された電子雌蚊陰極(3)及び咳陽極(2)を貫通して
図示されない皺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。#陰極(3)及
び(5)の電位を零、陽極(2)及び(4)の電位をφ
人としたとき、2軸近傍の空間電位φは第2図に示す様
に分布する。
(1) is a set of two coils that are wound axially symmetrically around two axes to form a cusp magnetic field. (2) is a hollow cylindrical anode disposed at the point cusp, (3) is a hollow cylindrical cathode disposed at the point cusp, and (4) is a pair of annular anodes disposed at the line cusp. (5) is a set of two annular cathodes arranged at the line cusp, and a space sandwiched between a set of coils (1) and a cough coil (1).
A vacuum vessel (not shown) is disposed in the internal space of the body, and the vacuum vessel (not shown) is filled with gas to become plasma. An electron gun (not shown) is installed, and the electrons emitted from the cough electron gun pass through the female mosquito cathode (3) and the cough anode (2), move inside the wrinkled vacuum container (not shown), and ionize the filled gas. A plasma is formed. The dotted line (6) is
Indicates the boundary of the space where plasma exists. #The potential of cathodes (3) and (5) is zero, and the potential of anodes (2) and (4) is φ
In the case of a human being, the spatial potential φ near the two axes is distributed as shown in FIG.

プラズマの存在する空間の電位はφCで、0〈φ6〈φ
ムである。プラズマの存在する空間の両側には、鍍陽極
(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φ6+φiとなる。イオンの電価をZe、電子
の電価を一〇とおいたとき、運動エネルギ  □がZe
φゑより小さいイオン及び運動エネルギがeφ。
The potential of the space where plasma exists is φC, and 0〈φ6〈φ
It is mu. On both sides of the space where the plasma exists, potential peaks are formed inside the anode (2), and the potential becomes φ6+φi at the highest potential point. When the charge of an ion is Ze and the charge of an electron is 10, the kinetic energy □ is Ze
The ion and kinetic energy are smaller than φゑ and eφ.

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)K示す様に電子は矢
印(8)に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T1゜電子温度をT8
とするとき。
Smaller electrons cannot escape from the space where the plasma exists in the direction of the magnetic field, and ions are reflected back into the plasma as shown by arrows (7) and K, and electrons are reflected back to the plasma as shown by arrows (8). Temperature: T1° Electron temperature: T8
When.

mi >> kTi/Ze 、φ、 >) kT、/a
 、    ・(1)とすることによや、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
教養てきることが、従来の電磁トラップの効果であつ九
mi >> kTi/Ze, φ, >>) kT,/a
・In addition to (1), the effect of conventional electromagnetic traps is that plugging can be performed at the open end of the plasma, and the confinement time can be significantly reduced.

この電磁トラップにも、次の様な問題点があった。會ず
、#I2図に示す如く、咳陽極(2)の内部に於て、空
間電位は最大φi+φ。となるが。
This electromagnetic trap also had the following problems. As shown in Figure #I2, the space potential inside the cough anode (2) is maximum φi+φ. But.

Δφ =φえ−(φi+φ、)      ・・・(2
)で与えられる陽極電位と該空間電位の差Δφは零にな
らず、Δφ20である。Δφが形成される原因は、骸陽
極の内部に電子が捕獲されて電子群を形成し、鋏電子評
が作る空間電荷により電場が形成されることである。Δ
φは2軸からの距@rの関数であり。
Δφ =φe−(φi+φ,) ・・・(2
The difference Δφ between the anode potential given by ) and the space potential does not become zero, but is Δφ20. The reason why Δφ is formed is that electrons are captured inside the skeleton anode to form an electron group, and an electric field is created by the space charge created by the scissor electrons. Δ
φ is a function of the distance @r from the two axes.

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、。
It can be expressed as Δφ=Δφ(r). Considering the direction of the electric field created by the electron group.

であることがわかる02軸上で電場の「成分は0である
から、Δφは「〜0で最大値Δφmax 。
Since the component of the electric field on the 02 axis is 0, Δφ is ~0 and the maximum value Δφmax.

Δφm□=Δφ(0) をとる。従って肢陽極内で、2軸上の電位は(2)より
Take Δφm□=Δφ(0). Therefore, within the limb anode, the potential on the two axes is from (2).

φi+φ。=φえ一Δφmax となる。miとφ。はプラズマの粒子数平衡等で定まる
が、概ね同様種間の大−さで、φi〜φ。であるから、
2軸上で、 φ轟 〜φi 〜i  (φえ −ΔφmaX)となる
。電磁トラップに於ては、ΔφmmX’fi伸常に大き
くな9、はとんどφえに等しくなる結果、2軸上すなわ
ち「〜0で、 ′φ・i〜φ。〜o 、 r=o        ・・
・(3)となL(1)が成立しないことが知られている
。しかし、咳陽極内の大部分では(1)が成立し、(3
)は「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
る効果は大島いが、「〜0で(3)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
果が制限されていたOま九プラズマから射出されてプラ
ズマに戻される電子は、陽極中空部を飛行中に空間電荷
を形成して陽極中空部に電場を作るが、プラズマが高温
高密度になるに従ってこの電場は強くな9、非常に高温
高密度のプラズマに対しては静電プラギングが不可能に
なるという結果、閉じ込め得るプラズマ温賓及び密度が
比較的低い値に制限されるという問題もあった。
φi+φ. =φE1Δφmax. mi and φ. is determined by the particle number equilibrium of the plasma, etc., but it is generally the same size between species, and φi to φ. Because it is,
On the two axes, φi ~i (φe −Δφmax). In an electromagnetic trap, Δφmm・
・It is known that L(1) does not hold as in (3). However, in most parts of the cough anode, (1) holds, and (3
) is true only for a very small portion of , so the effect of increasing the plasma confinement time of the electrostatic plug in an electromagnetic trap is very small. Electrons that are ejected from the plasma and returned to the plasma form a space charge during their flight through the anode cavity, which limits the effectiveness of increasing the plasma confinement time due to the plasma leaking through this. This creates an electric field in the hollow part of the anode, but as the plasma becomes hotter and denser, this electric field becomes stronger.9 As a result, electrostatic plugging becomes impossible for extremely hot and dense plasma, and as a result, it becomes difficult to confine the plasma. There was also the problem that the number of guests and density were limited to relatively low values.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明はかかる事情に鑑みてなされ九もので、その目的
とするところは、第一に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
にあり、第二に、高−11iIIli密度のプラズマを
も閉じ′込めることができる開放系プラズマ装置を提供
するにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is, firstly, to provide an open system plasma device that can significantly increase plasma confinement time by providing an electrostatic plug without a loss aperture. The second object is to provide an open system plasma device that can confine even high-11iIIIi density plasma.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

斯かる目的を達成するために1本発明は開放系プラズマ
装置の開放端の静電プラグの少くともひとつの電極岬を
、磁場方向に貫通し丸中空部を有するりさ−と、咳リミ
タと同軸に配設された管状の最終段陽極と該最終段陽極
の17 iりと反対の側に誼最終段陽極の開口を覆うよ
うに配設された最終段陰極と、鋏最終段陰極に穿設され
た貫通孔を貫通して最終段陽極の中空部に延在する制御
電極とで最終縦電極組立体を形成し、最終段陽極とリミ
タとの間に、少くともひとつの陽極と、少くともひとつ
の陰極で形成されて+79りと同軸にかつ陽極と陰極を
交互に配役されてなり、陽極及び陰極にはIJ ミタの
中空部の軸心と同軸の貫通孔が穿設され骸貫通孔の直径
は最終段陽極の側の電極からリミタの側の電極に向って
大角〈なされて形成される中間電極組立体を配設した。
In order to achieve such an object, the present invention provides at least one electrode cape of an electrostatic plug at the open end of an open system plasma device, with a riser penetrating in the direction of the magnetic field and having a round hollow part, and a cough limiter coaxial with the cape. A tubular final stage anode disposed at the end, a final stage cathode disposed on the opposite side of the final stage anode to cover the opening of the final stage anode, and a scissors perforated in the final stage cathode. a control electrode extending through the through hole formed in the final stage anode and into the hollow part of the final stage anode to form a final vertical electrode assembly, and between the final stage anode and the limiter, at least one anode and at least one control electrode are formed. It is formed of one cathode, and the anode and cathode are arranged coaxially and alternately, and a through hole coaxial with the axis of the hollow part of the IJ mitter is bored in the anode and cathode. An intermediate electrode assembly was provided with a large angle in diameter from the electrode on the final stage anode side to the electrode on the limiter side.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

制御電極の空間電位制御作用によって最終段電極組立体
に口゛スアパーチャのない静電プラグを形成してプラズ
マ閉じ込め時間を大幅に増加させることがで−るように
するとともに、中空部が92りの側から最終段陽極の側
へ小さくなる電極で形成される中間゛成極組立体により
プラズマのプラギングを外側から内側に向って段階的に
行うことによって、高温高密度プラズマから多量の電子
が飛来してもプラギングが不可能にならないようにした
The space potential control action of the control electrode forms an aperture-free electrostatic plug in the final stage electrode assembly, greatly increasing the plasma confinement time, and reducing the hollow space by 92 mm. By plugging the plasma in stages from the outside to the inside using an intermediate polarization assembly formed by electrodes that become smaller from the side of the anode to the side of the final stage anode, a large amount of electrons fly from the high-temperature, high-density plasma. Plugging is no longer impossible even when

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

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411部の構成と作用を示すもので、
(a)は静電プラグ構成図、(b)は空間電位φの2依
存を示す線図である。2′個1組のコイル(1)は2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電場を形成する静電プラグ
を構成し、2個1組のコイル(1)に挾まれた空間及び
該コイル(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、誼真空容器にはプラズマ境界面(
6)を定める磁場方向く貫通した中空部を有するリミタ
(9)が収容されている。プラズマの存在する空間の電
位りは、プラズマを包囲するり2り(9)の電位φ!で
制御される0すなわち、錬リミタ(9)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、プラズマと該り2り(9)の電位差すなわち
シース電圧φ3が定まるから、 φ、=φ!+φ、           ・・・(4)
・により、φ、が定まる。
FIG. 3 is a block diagram of a plasma device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows the structure and operation of the main 411 part thereof.
(a) is a configuration diagram of an electrostatic plug, and (b) is a diagram showing the dependence of space potential φ on 2. A set of 2' coils (1) are wound axially symmetrically around two axes, and together with an excitation power source (not shown) constitute a device that generates a kind of cusp magnetic field of an open system magnetic field that accommodates plasma. (4) is a set of two annular anodes arranged at the line cusp, which is one of the open ends of the cusp magnetic field, and (5) is a set of two annular cathodes arranged at the line cusp. It constitutes an electrostatic plug that forms an electric field with a non-zero component parallel to the direction of the magnetic field, and the space between the two coils (1) and the space inside the coil (1) is , one vacuum vessel (not shown) is provided, and the plasma boundary surface (
A limiter (9) having a hollow portion extending in the direction of the magnetic field defining the limiter (9) is housed. The potential of the space where the plasma exists is the potential φ! of the area surrounding the plasma (9). 0, that is, the conduction of plasma electrons and ions through the sheath existing between the limiter (9) and the plasma, determines the potential difference between the plasma and the limiter (9), that is, the sheath voltage φ3, so φ ,=φ! +φ, ...(4)
φ is determined by .

αりは磁場方向に貫通した中空部を有し、すiり(9)
と同軸に配設された管状の最終段陽極、α〔は鉄量終段
陽極aりの17 ミタ(9)と反対の側に鋏最終段陽極
13の開口を覆うように配設された最終段陰極、α値は
鋏最終段陰極に穿設され九貫通孔、aDは該貫通孔を貫
通して最終段陽極−の中空部(至)〈延在する制御電極
、 08は中間電極組立体の陽極、αηは中間電極組立
体の陰極で、陽極αeと陰極α力は中間電極組立体時を
形成し、#中間電極組立体(11はリミタ(9)と同軸
に、最終段陽極aりとリミタ(9)の間に、かつ4個の
陽極αeと4個の陰極α力を交互に配設されてなり、陽
極αeと陰極(17>にはIJ ミタの中空部の軸心と
同軸の貫通孔が穿設され咳貫通孔の直径は最終段陽極住
りの側の電極からIJ ミタ(9)の側の電極に向って
大傘〈なされている。峙α4α9は直流電源で、各電極
等に、各陽極UJ as、制御電極αυ、リミタ(9)
、各陰極鳴Qηの順に高い電位を与える0リミタ(9)
、最終段陽極lII、制御電極圓、最終段陽極03゜電
源αm(14) (1!9、中間電極組立体時は、静電
ブラグリを構成し、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核静電プラグOが
配設され、該静電プラグ1仲は以下に詳述する様に磁場
の方向と平行な零でない成分を有する電場を形成する。
The α slot has a hollow part that penetrates in the direction of the magnetic field, and the slot (9)
A tubular final stage anode arranged coaxially with the final stage anode 13 is located on the opposite side from the iron final stage anode 17 (9) to cover the opening of the scissors final stage anode 13. Stage cathode, α value is 9 through holes drilled in the final stage cathode of the scissors, aD is the hollow part (to) the final stage anode that passes through the through hole (extending control electrode), 08 is the intermediate electrode assembly The anode of , αη is the cathode of the intermediate electrode assembly, the anode αe and the cathode α force form the intermediate electrode assembly, # intermediate electrode assembly (11 is coaxial with the limiter (9), the final stage anode a and the limiter (9), and four anodes αe and four cathodes α are arranged alternately. A through hole is drilled, and the diameter of the through hole is a large umbrella from the electrode on the final stage anode housing side to the electrode on the IJ meter (9) side. For electrodes, each anode UJ as, control electrode αυ, limiter (9)
, 0 limiter (9) that gives a higher potential in the order of each cathode ring Qη
, final stage anode lII, control electrode circle, final stage anode 03° power supply αm (14) (1!9, When the intermediate electrode is assembled, it constitutes an electrostatic Bragli, and in this example, it is the open end of the cusp magnetic field. A nuclear electrostatic plug O is arranged at each of the two point cusps, and each of the electrostatic plugs forms an electric field having a non-zero component parallel to the direction of the magnetic field, as will be explained in detail below.

鍛#1%ffl陽極へ4及び中間電極組立体の4個の陽
極αeには電s03及びα4により電位φ8が与えられ
、制御電極a刀には峡電ilIにより電位りが与えられ
、最終段陽極(II及び中間電極組立体の4個の陰極α
ηには電源α9により電位φkが与えられ各電位の間に
は。
A potential φ8 is applied to the forged #1%ffl anode 4 and the four anodes αe of the intermediate electrode assembly by the electric currents s03 and α4, and a potential is applied to the control electrode a by the isthmus electric current ilI. Anode (II and four cathodes α of the intermediate electrode assembly)
A potential φk is applied to η by a power source α9, and between each potential.

φk〈0くφg〈φ3        ・・・(5)の
関係が成立する。リミタ(9)は接地されており、その
内部にはシースを介してプラズマ@が接触している。プ
ラズマの存在する空間の電位φ、は(4)から、φ、=
φ、である。各電位φに、φ、、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(1φ蔽1.φ、、φ8である。すなわち、(
5)を参照して、 φk〈φ、〈φ、〈φ8        ・・・(6)
が成立する。
φk〈0×φg〈φ3...The following relationship (5) holds true. The limiter (9) is grounded, and the plasma@ is in contact with the inside thereof through the sheath. From (4), the potential φ in the space where plasma exists is φ,=
φ. For each potential φ, the absolute value of φ, φ1 is set large so that the electrostatic plug acts effectively.
1φ, 1 (1φ coverage 1.φ,, φ8. That is, (
5), φk〈φ,〈φ,〈φ8...(6)
holds true.

かくして構成された第4図(a)に実施例を示した静電
プラグりの作用と効果を第4図(b)を参照して再び説
明すると、最終段陽極の中空部■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、該電子群が作る空間
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のひとつは、本発明によ
る静電プラグにおいては、最終段陽極の中空部(至)に
形成される電子群の密度は制御電極αυの電位φ、と最
終敵陽fia1Jの電位φ、によって制御され、その結
果、最終段陽極の中空部(7)Kおける空間電位φ(r
、g)が制御されることで、電磁トラップのポイントカ
スプにおけろ静電プラグの様に、(3)式に示される様
なr〜O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、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。最終段陽極の中空部ぐめにシける空
間電位φは、鉄量終段陽極の内面の半径をRaとし、咳
制御電極はr=RgKあるとすれば、 である。ここでφ0はφの最小値でr=0における電位
であり、φ0〉φpの条件は制御電極a1が空間電位を
制御できるための必要条件である。最終段陽極の中空部
(2)で、電場は「方向を向いているから、電子群は2
軸のまわりをドリフトしている。
The operation and effect of the electrostatic plug constructed in this manner and shown in FIG. 4(a) as an example will be explained again with reference to FIG. 4(b). As well as inside the anode of the electrostatic plug at the point cusp of the trap.
Electrons are captured to form a group of electrons, and the space charge created by the group of electrons creates an electric field. One difference between the electrostatic plug of the plasma device according to the present invention and the electrostatic plug at the point cusp of an electromagnetic trap is that in the electrostatic plug according to the present invention, a group of electrons is formed in the hollow part of the final stage anode. The density of is controlled by the potential φ of the control electrode αυ and the potential φ of the final enemy anode fia1J, and as a result, the space potential φ(r
, g), the lowering of the potential barrier at r~O as shown in equation (3) and the formation of a loss aperture due to this, as in the case of an electrostatic plug at the point cusp of an electromagnetic trap, are , can be easily avoided in the electrostatic plug according to the present invention. The space potential φ in the hollow part of the final stage anode is as follows, assuming that the radius of the inner surface of the final stage anode is Ra and the cough control electrode is r=RgK. Here, φ0 is the minimum value of φ, which is the potential at r=0, and the condition φ0>φp is a necessary condition for the control electrode a1 to be able to control the spatial potential. In the hollow part (2) of the final stage anode, the electric field is oriented in the direction, so the electron group is
Drifting around the axis.

(7)式に示される電位分布の安定なことは、仮に電位
分布が変化しても、制御電極αυの作用で電位分布が(
7)弐に示されるものに戻ることでわかる。(7)式が
成立していると龜、 φ(〜)=リ             ・・(8)で
ある。仮に、電子密度が増加すれば電場が強くなり、φ
(Rg)<φ、となる。この電位では、電子は急速に制
御電極に衝突し吸収されるから、(8)式が成立するま
で電子密度は減りつづけ、結局電位は(8)式に戻る。
The stability of the potential distribution shown in equation (7) means that even if the potential distribution changes, the potential distribution will remain (
7) You can understand this by going back to what is shown in 2. If formula (7) holds true, then φ(~)=ri...(8). If the electron density increases, the electric field becomes stronger and φ
(Rg)<φ. At this potential, electrons rapidly collide with the control electrode and are absorbed, so the electron density continues to decrease until equation (8) is established, and eventually the potential returns to equation (8).

また、仮に電子密度が減少すれば、φ(Rg)>φ、と
なり、電子は制御電極に衝突で−なくなる。電子密度は
プラズマから供給される電子等により増加する傾向が強
く、電子密度増加により、結局電位は(8)式に戻る。
Furthermore, if the electron density decreases, φ(Rg)>φ, and the electrons collide with the control electrode and disappear. The electron density has a strong tendency to increase due to electrons supplied from the plasma, and as the electron density increases, the potential eventually returns to equation (8).

すなわち、空間電位は、制御電極の作用により、(7)
式に示される分布に、安定に保たれる。
That is, due to the action of the control electrode, the space potential becomes (7)
The distribution is maintained stably as shown in Eq.

次にプラズマ(2)の存在する空間の電位φを考える。Next, consider the potential φ in the space where plasma (2) exists.

プラズマ(2)の存在する空間では、電場は非常に弱い
から、電位φは一定と考えてよい。即ちφ=φ、である
。上述の如く、シース電圧φ、とφ、は等しい。すなわ
ちφ、=φ3である。シース電圧φ3は、プラズマを構
成するイオンと電子のラーマ半径の相異によって負の値
をとり、その大!さは静電プラグの各電極に与える電位
の大傘さ1φkl 、14.。
In the space where plasma (2) exists, the electric field is very weak, so the potential φ can be considered to be constant. That is, φ=φ. As mentioned above, the sheath voltages φ and φ are equal. That is, φ,=φ3. The sheath voltage φ3 takes a negative value due to the difference in the Rahma radius of the ions and electrons that make up the plasma, and its large value! The diameter is the large umbrella of the potential applied to each electrode of the electrostatic plug, 1φkl, 14. .

φ1に比べて伸常に小さい。すなわち、1φ、1(1φ
kl、φg、φ8        ・・・(9)である
The extension is smaller than φ1. That is, 1φ, 1(1φ
kl, φg, φ8 (9).

第4図(b)には、Z軸上すなわち直線C−C上の電位
φ。及び最終段陽極内面に接しZ軸に平行な直線B−B
上の電位φ8が示されている。最M段陽極の中空部jで
φ0がφの最小値であることから、全てのrについて、
第2図に示される様なイオン及び電子の両方についての
電位障蓋が形成されていて、ロスアパーチャが存在しな
いことがわかる。
FIG. 4(b) shows the potential φ on the Z axis, that is, on the straight line C-C. and a straight line B-B that is in contact with the inner surface of the final stage anode and parallel to the Z axis.
The upper potential φ8 is shown. Since φ0 is the minimum value of φ in the hollow part j of the Mth-stage anode, for all r,
It can be seen that a potential barrier for both ions and electrons as shown in FIG. 2 is formed, and there is no loss aperture.

イオンはポテンシャル障壁(φ−φ、)zにより反射さ
れ、電子はポテンシャル障壁φ2−φkにより反射され
る。(1)に対応する関係、 −0−φp >> kT 4 /Ze 、φ、−φ* 
>> kTe/e  −(11は、(9)が成立するか
ら、容易に実現で趣る。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開放系プラズマ装置
を実現で自る。
Ions are reflected by the potential barrier (φ-φ, )z, and electrons are reflected by the potential barrier φ2-φk. The relationship corresponding to (1), −0−φp >> kT 4 /Ze, φ, −φ*
>> kTe/e −(11) can be easily realized because (9) holds. Therefore, it is possible to realize an open system plasma device that can significantly increase the plasma confinement time.

これが本発明の第一の効果である。This is the first effect of the present invention.

静電プラグにはまた、リミタに包囲されたプラズマから
射出されて陰極の作るポテンシャル障壁で反射されプラ
ズマに戻される電子は、陽極の中空部を飛行中に空間電
荷を形成して陽極中空部にr方向の電場を作るが、プラ
ズマが高温高密度になるとプラズマから射出される電子
が多くなって陽極中空部に形成される電場が強くな9、
陽極中空部付近では陽極電位が遣蔽されて静電プラギン
グが不可能になる。という結果、閉じ込め得るプラズマ
の温度及び密度が比較的低い値に制限されるという問題
もあった。本発明はこれに対し、最終段陽極とリミタの
間に、少くともひとつの陽極と少くともひとつの陰極で
形成されてリミタと同軸にかつ陽極と一極を交互に配設
されてなり、陽極及び陰極にはリミタの中空部の軸心と
同軸の貫通孔が穿設され骸貫通孔の直径は最終段陽極の
側の電極からリミタの側の電極に向って大島〈なされて
いる中間電極組立体を配設することによって高温高密度
のプラズマをも閉じ込めることができるよりにした。こ
れを再び第4図(→に示す実施例を参照して説明すると
、プラズマが高温高密度でリミタ(9)に包囲されたプ
ラズマ@から射出されたイオン及び電子が多い場合、中
間電極組立体の陽ti霞及び陽極Q?)の電位は対称軸
の近くでは上述の如く遣蔽される結果、プラズマは点線
で示す如く陽極11e及び陰極αηの貫通孔を貫通する
。しかしプラズマのr方向の境界の外側には電場が形成
されて、イオン及び電子に対するポテンシャル障壁が形
成されるから、−組の陽極と陰極を貫通した位置でのプ
ラズマの太さは、貫通ずる前の位置でのプラズマの太さ
より細くなる0必豐に応じて、中間電極組立体の陽極と
陰極の組の数を選定することによって、最終段陽極に於
1は、プラズマの太さを充分に細くして最終段の陽陰極
及び制御電極によ妙ロスアパーチャのない静電プラグが
実現できるようにしている。この高温高密度プラズマを
も閉じ込めることができることが、本発明の第二の効果
である。
Electrostatic plugs also have the advantage that electrons ejected from the plasma surrounded by the limiter, reflected by the potential barrier created by the cathode, and returned to the plasma form a space charge while flying through the hollow part of the anode and enter the hollow part of the anode. An electric field is created in the r direction, but as the plasma becomes hot and dense, more electrons are ejected from the plasma and the electric field formed in the anode hollow becomes stronger9.
The anode potential is scattered near the anode hollow part, making electrostatic plugging impossible. As a result, there is a problem in that the temperature and density of plasma that can be confined are limited to relatively low values. In contrast, the present invention is formed of at least one anode and at least one cathode between the final stage anode and the limiter, and the anode and the one pole are arranged coaxially with the limiter and alternately. A through hole coaxial with the axis of the hollow part of the limiter is drilled in the cathode and the intermediate electrode assembly. By arranging the three-dimensional structure, we were able to confine high-temperature, high-density plasma. To explain this again with reference to the embodiment shown in FIG. The potentials of the anode 11e and the anode Q?) are dispersed near the axis of symmetry as described above, and as a result, the plasma penetrates the through holes of the anode 11e and the cathode αη as shown by the dotted line. However, an electric field is formed outside the boundary of the plasma in the r direction, creating a potential barrier for ions and electrons. By selecting the number of pairs of anodes and cathodes in the intermediate electrode assembly according to the thickness of the plasma at the position of 0, the thickness of the plasma at the position of By making it thinner, an electrostatic plug without a loss aperture can be realized in the final stage anode and cathode and control electrode. The second effect of the present invention is that this high-temperature, high-density plasma can also be confined.

〔発明の他の実施例〕[Other embodiments of the invention]

本発明は開放系プラズマ装置に関するものである。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、磁場にカスプに限定せず、開放系なら本発明を適
用できることに言うまでもなく、例えば一様磁場、ミラ
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0例え −ば核融合炉、表面加工・処瑚1m接、
イオン源等のプラズマ装置に適用できる。
The present invention relates to an open plasma device. In the embodiment, a plasma apparatus using a cusp magnetic field has been described, but the present invention is not limited to a cusp magnetic field, and it goes without saying that the present invention can be applied to any open system, and may be applied to, for example, a uniform magnetic field or a mirror magnetic field. In addition, there are no limitations on the use of plasma equipment. For example, nuclear fusion reactors, surface processing/processing, 1m contact, etc.
It can be applied to plasma devices such as ion sources.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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4I!部の構成と作用を示すもので
、(a)は静電プラグ構成図、(b)は空間電位φの2
依存を示す線図である。 (1)・・・コイル、(2) 、 (4)・・・陽極、
f3) 、 (5)・・・陰極、(9)・・・リミタ、
(II・・・最終段陰極、Oυ・・・制御電極。 Ql・・・最終段陽極、I、0m)、Qj・電源、αe
・・・中間電極組立体の陽極。 ■・・・中間電極組立体の陰極、 轡・・・中間電極組立体、al・・・貫通孔、(廊・・
・最終段階liaり・・・の中空部、す・・・静電プラ
グ、@・・・プラズマ。 代理人 弁理士  則 近 憲 佑 (ほか1名)
Figure 1 is a diagram showing the principle of an electromagnetic trap. Figure 2 is a diagram showing the distribution of space potential near the two axes of an electromagnetic trap. Figure 3 is a configuration diagram of a plasma device showing an embodiment of the present invention. Figure 4 is the third
Main 4I of the embodiment shown in the figure! (a) is an electrostatic plug configuration diagram, (b) is a space potential φ of 2.
It is a diagram showing dependence. (1)...Coil, (2), (4)...Anode,
f3), (5)... cathode, (9)... limiter,
(II... final stage cathode, Oυ... control electrode. Ql... final stage anode, I, 0m), Qj, power supply, αe
...anode of the intermediate electrode assembly. ■... Cathode of intermediate electrode assembly, 轡... Intermediate electrode assembly, al... Through hole, (corridor...
・Final stage lia...hollow part, electrostatic plug, @...plasma. Agent: Patent attorney Kensuke Chika (and 1 other person)

Claims (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手段と、該開放系
磁場の開放端に配設され咳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、帥記開放系磁場の
磁場方向に貫通した中空部を有するリミタと、咳リミタ
と同軸に配設された管状の最終段陰極と、咳蟻終段陽極
のIJ j夕と反対の側に蚊最終繊陽極の開口を覆うよ
うに配設された最終段陰極と、#最終段陰極に穿設され
た貫通孔と、骸賓通孔を貫通して最終段陽極の中空部に
延在する制御電極と、少くともひとつの陽極と少くとも
ひとつの陰極で形成されて最終段陽極とIJ ミタの間
にリミタと同軸にかつ陽極と陰極を交互に配設されてな
い、陽極及び#に他にはりj夕の中空部の軸心と同軸の
貫通孔が穿設され核貫通孔の直径は最終段陽極の側の電
極からリミタの側の電41に向って大きくなされている
中間電極組立体と、各電極等に各陽極、制御電極、リミ
タ、各陰極の顧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。
[Claims] A device for generating an open magnetic field containing plasma, a means for controlling the electric potential of a space where the plasma exists, and a device disposed at the open end of the open magnetic field parallel to the direction of the cough magnetic field. and an electrostatic plug forming an electric field with a non-zero component. At least one of the electrostatic plugs includes a limiter having a hollow portion penetrating in the magnetic field direction of the open system magnetic field, a tubular final stage cathode disposed coaxially with the cough limiter, and a cough ant final stage anode. A final stage cathode arranged to cover the opening of the mosquito final fiber anode on the side opposite to the IJ j side, a through hole drilled in the final stage cathode, and a final stage A control electrode extends into the hollow part of the anode, and is formed of at least one anode and at least one cathode, and the anode and cathode are arranged coaxially with the limiter and alternately between the final stage anode and the IJ limiter. In addition, a through hole coaxial with the axis of the hollow part of the anode and # is bored in the anode and #, and the diameter of the core through hole is from the electrode on the final stage anode side to the electrode 41 on the limiter side. 1. A plasma device comprising: a large intermediate electrode assembly; and means for applying a high potential to each anode, control electrode, limiter, and cathode to each electrode, etc.
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