JPS59112598A - 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シプラズマ閉じ込めを行なうプ
ラズマ装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

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α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（文献Ｃ３Ｇｏｒｍｅｚａｎｏ　：　Ｒｅｄｕｃｔ
ｉｏｎ　ｏ　ｆＬｏｓｓｅｓ　ｉｎ　０ｐｅｎ　−Ｅｎ
ｄｅｃｌ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｐｓ　；　Ｎｕｃ
ｌｅａｒ　Ｆｕｓｉｏｎ　。

１９（７９）、８．　１０８５　）。

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。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、５ｔａｎｓｆｉｅｌｄ　ａ
ｎｄ　Ｊ　、　Ｍ、　Ｌａｒｓｅｎ　；　Ｐｌａｓｍａ
Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉ
ｃａｌｌｙ　Ｐｊｌｕｇｇｅｄ　ｃｕｓｐｓ　ａｎｄ　
ｍ１ｒｒｏｒｓ　：Ｔｈｅ　Ｐｈｙｃｉｃｓ　ｏｆ　Ｆ
ｌｕｉｄｓ　、　１８　（７５）、　１０．１３８３に
掲載されたものである。

（１）は２個１組のコイルでＺ軸のまわシに軸対称に捲
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２１固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組の譲状の陰極である。

２個１組のコイル（１）に挾まれた空間及びコイル（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、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
電位を岑、陽極（２）及び（４）の′４位をφＡとした
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、Ｏ〈φｅ
く４人である。

プラズマの存在する空間の両側には、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ｉ電位はφ
ｅ＋φｉとなる。イオンの電価をＺｅ、１戎子の電価を
一〇とおいたとき、運動エネルギがＺｅφｉより小さい
イオン及び運動エーネルギがｅφｅよシ小さい電子はプ
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（力に示す様に、１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Ｔｌ、電子温朋をＴ
ｅとするとき、 φＨ、＞）　ｋＴｉ　／　Ｚｅ　、　　　φｅ″＞＞　
ｋＴ６　／　ｅ　　・・・・・（ＩＩとすることによシ
、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
の効果であった。

この゛―磁トラップにも、次の様な問題点があった。

第２図に示す如く、陽極（２）の内部に於て、空間電位
は最大φｉ十φｅとなるが、 Δφ　＝φ人−（φｉ　＋　φｅ）　　　　　　　　　
　　　・・・・・（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、Δφ〉Ｏである。Δφが形成
される原因は、陰極の内部に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シミ場が形成され
ることである。ΔφはＺ軸からの距離ｒの関数であシ、
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　＝　Ｑで最大値ΔφｍａＸ、Δφｍａ
ｘ　””Δφ（０） をとる。従って陽極内で、Ｚ軸上の電位は（２）よシφ
ｉ＋φｅ＝φ人−Δφｍａｘ となる。φｉとφｅはプラズマの粒子数平衡等で定まる
が、概ね同程度の大きさで、 φｌ〜φ８ であるから、２軸上で、 φｉ〜φｅ〜−（φＡ−Δφｍａｘ　）となる。電磁ト
ラップに於ては、Δφｍａｘが非常に犬きくな）、はと
んど４人に等しくなる結果、Ｚ軸上すなわちｒ　＝　Ｑ
で、 φｉ　〜　φｅ　〜　Ｏ，ｒ＝Ｑ　　　　　　　　　　
　　　　　　曲・田ンとなり、（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（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太きいが、ｒ〜０で（３）が成立
する結釆靜篭グ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。

〔発明の目的〕

本発明はかかる事情にかんがみてなされたもので、その
目的とするところは、開放系磁場によるプラズマ装置の
開放端に用いるロスアパーチャの）。

；り“静電７°５″を提供し・もバプラ″の閉じ込め時
間の長いプラズマ装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

その目的を達成するために本発明は、開放系磁場による
プラズマ装置の開放端に用いる静電プラグの少くともひ
とつは、プラズマを包囲する中空部を有するリミタと、
該リミタに離間かつ近接して配設されリミタの中空部を
貫通した磁力線が全て貫通する中空部を有する陽極と、
該陽極に離間かつ近接してその開口を覆うごとく配設さ
れたりベラと、該陽極の中空部に配設され該中空部の直
イの７０％以下の直径の、該陽極の中空部と同軸に穿設
され、リミタの中空部を貫通した磁力線が全て貫通する
貫通孔を有する陰極と、各電極等に、陽極、陰極、リミ
タ、リベラの順に高い電位を与える手段とを具備するも
のとしだ。

〔発明の効果〕

本発明のプラズマ装置において、プラズマの存在する空
間の電位はリミタの電位で制御され、静電プラグはリミ
タ、陽極、陰極の作用でイオンに対してロスアパーチャ
のない電位分布を実現し、リベラによ）電子に対し、て
ロスアノく−チャのない電位分布を実現してプラズマを
長い時間閉じ込めることができるようにした。

〔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
である。２個１組のコイルｔｌ）はＺ軸（対称軸）のま
わシに軸対称に捲かれ、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パのカスプ磁場
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組の譲状の陽極、（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苓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、２個１組の該コイル
（１）に挾まれた空間及び該コイル（１）の内Ｎｉｌ！
の空間には、一部が図示された真空容器（９）が配設さ
れ、該真空容器（９）にはコイル（１）が発生する磁場
の方向に貫通した中空部を有し、プラズマを包囲してプ
ラズマ境界面（６）を定めるリミタ（ＩＱが固着されて
いる。プラズマの存在する空間の電位φ、は、該リミタ
の電位φヱで制御される。すなわち、リミタとプラズマ
の間にイメ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、プラズマと該第−壁の電位差すなわち
シースＣ上圧φ。

が定まるから、 φｐ二φ１＋φ８　　　　　　　　　・・・・・（４）
により、φｐが定まる。

（１１１は磁場方向に貫通しだ中空部を有し、リミタ（
１（Ｉに離間かつ近接して配設された陽極、Ｕ々は該陽
極圓に離間かつ近接して、該陽極の開口を覆うごとく配
設されたりベラ、０３）は該陽極Ｕυの中空部に配設さ
れ、該中苧部の直径の１／２の直径の該陽極の中空部と
同軸に穿設され、リミタの中空部を貫通した磁力線が全
て貫通する貫通孔を有する陰極でリミタαＱ、陽極αυ
、リベラｕｚ、Ｉｓ極ＯＪは図示されない電源とともに
静電プラグ（１４）を４１４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該
静電プラグ（【力が配設され、該静電プラグ（１４）は
以下に詳述する様に（１へ場の方向と平行な零でない成
分を有する１ｄ陽を形成する。

第４図は第３図に示す実施向の主安部の＜Ａ成と作用を
示すもので、（ａ）は静電プラグ構成図、（ｂ）はプラ
グの対称軸（Ｚ軸）上での壁間電位φの２依存を示す線
図である。

陽極ａυには電源ｕ９及び（１１）ｌにより電位φａが
与えられ、陰極０漕には該電源Ｕωにより電位φｋが与
えられ、リベラｕりには１区源（１７ｉにより電位φｒ
が与えられ、各電位の間には、 φｒくφＪ−０〈φｋ〈φａ　　　　　　曲へ５）の関
係が成立する。ここでリミタ（１ｑ）は接地されている
から、その【１１位はφ１＝Ｑである。該リミタ（１０
）の内部にはソースｕ’ｌＪ　全弁して７ラズマ賭が接
触している。プラズマの存在する空間の電位φｐは（４
）から、φｐ−φＳである。各電位φｒ、φに、φａの
絶対値は静電グジ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（１φｒ１．φに、φ８である
。すなわち、（５）を参照して、 φｒ〈φｐ〈φｋ〈φａ　　　　　　　　・・・・・（
６）が成立する。

かくして（１４成された靜延プラグＵ復の作用と効果を
第４図（ａ）及び（ｂ）を参照して説明すると、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、電子が捕謹されてＩル子
件を形成し、該電子群が作る窒間東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靜嶋グラグが電
磁トラップのポイントカスプにおける静′１−ａグラグ
と異なるところは、本発明による静１ｄプラグにおいて
は、陽極の中空部に形成される電子群の密度は陰極ａ階
の電位φにと陽極圓の電位φａによって制御され、その
結果、陽極の中空部における空間′電位が制御されるこ
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ｒ〜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、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
陽極の中空部の電子群（１’Ｊの存在する場所における
空間電位φは、該陽極０υの内面の半径をＲａとし、該
陰極α四の貫通孔の半径をｆＬｋであるとすれば、 である。ここでφ。はφの最小値でｒ　＝　０における
電位である。陽極の中空部で、電場はｒ方向を向いてい
るから、電子群四は２軸の゛まわシをドリフトしている
。（９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、陰極αＪへの電子流入過程で電位分
布が（９式に示されるものに戻ることでわかる。（９式
が成立しているとき、φ（几ｋ）＝φｋ　　　　　　　
　　　°曲（８）で・ある。仮に、電子密度が増加すれ
ば電場が強くなシ、φ（Ｒｋ）＜φにとなる。この電位
では、電子は急速に陰極に衝突し吸収きれるから、（８
）式が成立するまで電子密度は減シつづけ、結局電位は
（８）式に戻る。また、仮に電子密度が減少すれば、φ
（Ｒｋ）＞φにとなり、電子は陰極に衝突できなくなる
。電子密度はプラズマから供給される電子等によシ増加
する傾向が強く、電子密度増加によシ、結局電位は（８
）式に戻る。すなわち、空間電位は、制御電極の作用に
より、（９式に示される分布に、安定に保たれる。

次にプラズマ四の存在する空間の電位を考える。

プラズマＵ樽の存在する空間では、電場は非常に弱いか
ら、電位は一定と考えてよい。即ち電位はφ。

である。上述の如く、シース電圧φ、とりは等しい。す
なわちφｐ＝φＳである。シース電圧φＳは、プラズマ
を構成するイオンと電子のラーマ中径の相異によって負
の値をと９、その大きさは靜祇グラグの各電極に与える
電位の大きさ１φｒｌ、φに、φ８に比べて非常に小さ
い。すなわち、 １φｐ＋＜＜ｌφｒ１．φに＝−（９）である。プラズ
マ賭の存在する空間の電位φｐも、第４図（ｂ）に示さ
れている。第４図（ｂ）には、Ｚ軸上の電位φが示され
ている。

電子群（ＩＪが存在する位置でφ。が゛ば位の最小値で
ちることから、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ｒａ、位障′壁が形
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。プラズ、マ賭はリミタａｏ）の内部に存在し、陽極
の中空部に形成された醒子群ＩＩ譜とは隔離されている
。イオンも電子もポテンシャル障壁によシ反射される。

（１）に対応する関係、φ０−φｐ　＞＞　ｋＴ　ｉ　
／　Ｚｅ　、　　φｐ−φｒ、＞＞　ｋＴｅ／　ｅ”’
　Ｑｏ）は、（９）が成立するから、容易に実現できる
。従っテ、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きる。

これが本発明の効果である。

〔発明の他の実施レリ〕

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。例えば核融合炉７表向加工・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
の対称軸（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　−− （１）・・・コ　イ　ル、　　　　　（２Ｌ　（４）、
　（ｌυ・・・陽　極、（３）、　（５）、　（ｌり・
・・隘　極、　　　　α１・・・リ　ミ　タ、ｕカ・・
・リ　ベラ、　　　　　圓・・・静電プラグ、（１５１
，ｕ６）、　（１７）−１ｔ　　源、　　　ＵＳ−・・
グラ、（−ｒ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 プラズマを閉じ込める開放系磁場を発生する手段と、プ
   ラズマの存在する空間の電位を制御する手段と、開放系
   磁場の開放端に配設され、磁場方向の成分が零でない電
   場をプラズマとの間の空間に形成する静電プラグとを具
   備するプラズマ装置に於て、該静電プラグの少くともひ
   とつは磁場方向に貫通した中空部を有するリミタと、該
   リミタに離間かつ近接して配設され磁場方向に貫通した
   中空部を有する陽極と、該陽極に離間かつ近接して該陽
   極の開口を覆うごとく配設されたりベラと、該陽極の中
   空部に配設され、該中壁部の直径の７０％以下の直径の
   、該陽極の中空部と同軸に穿設され、リミタの中空部を
   貫通した磁力線が全て貫通する貫通孔を有する陰極と、
   前記各電極等に、陽極。 陰極、リミタ、リベラの順に高い電位を与える手段とを
   具備したことを特徴とするプラズマ装置。