3.1 序論
ECRによる プラズマの生成 は、 電磁波動の周波数と電子のサイクロトロン周波数がほぼ等 しくなる 共鳴領域において電子が加速され 、 プラズマを生成・維持する方法である。 一般に、 マ イクロ波の入射口から共鳴点(ECRpoint) までは離れているため、 入射さ れたマイクロ波のエ ネルギー は生成されたプラズマ中を 伝播可能な波動モードのエネルギーと なって共鳴点まで伝 播して行かなければならな い。 この可能なモードのlつがECWである34)35)0 ECWは右回り
円偏向の電磁波でホイッスラーモードに属する。ECWはその分散式から明らかなよう に、 高磁 場側(ωce >ω) から入射するとωce -ωの共鳴点まで伝播可能である。 また正常波( Ordinary
wave )36}37)38)と違ってカットオフが無いのでoverdenseプラズマの生成が可能である23)24}25)。
また、 電子に選択的に効率良くエネルギーが注入されるので、低圧力で電子温度が高く 、 ラジ カlレを生成させる必要がある場合などには適している。ECRプラズマ生成に関しては、 これまで にも多くの実験が行われ 、 その典型的なプラズマパラメータは、 プラズマ密度1011 rv 1012cm-3、
電子温度5 rv 10eVである13)0 ECRプラズマ生成では大口径 一様化が課題である。 こ れまでに も、 マイクロ波入射部分20)25)や磁場配位39)40) を改良する方法が考案されている。
第2章では、 マイクロ波の径方向放射分布を拡大する目的として、 マイクロ波凹レンズを製 作し、実際にプラズマ生成を行う前の予備実験として、 大気中及び真空容器内で、のマイクロ波 径方向放射分布の変化 について調べた。 この結果から、 マイクロ波凹レンズ によりマイクロ波 径方向放射分布 は拡大されて径方向に一様な分布を持 つプラズマが生成されると予想される。
ここでは、 製作したマイクロ波凹レンズを用いて実際にECR プラズマ生成を行う。
以下、3.2では実験装置と測定装置について説明する。3.3では測定原理について説明する。
3.4ではプラズマを生成した場合のマイクロ波 径方向放射分布の測定結果を示す。3.5では干渉 波形から得られた分散関係から、 生成されたプラズマ中にはECWが伝播していることを示す。
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3.6では生成されたプラズマのイオン飽和電流の分布に対するマイクロ波凹レンズの影響につ いて述べる。 3.7では生成されたプラズマの電子密度及び電子温度の測定結果を示し、 3.8では ECWの減衰とプラズマとの関係を考察し、 3.9で結論をまとめる。
3.2 実験装置及び測定装置
図3-1はECRプラズマを生成する実験装置 と実験に用いた磁場配位である。 プラズマ生成 用真空容器は直径45 cm、 長さ 170cmでステンレス製である。 その周りに、 11個の外部磁場 用コイルを設置 している。 ECWはマイクロ波入射口での磁場の強さが ω/ωceくlを満たすよ うにすると 励起き れやす いこと がこ れまでの実験で明らかにされている23)24)25)。 共鳴点の位置 は、 コイルに供給する電流値を変化さ せることにより変えること ができる。 本実験では、 コイ ル電流値は 320Af'.J 520Aの範囲で実験を行った。
真空容器はターボポンプ(排気容量1000l/s)により、 Basepressure が� 5
X
10-6 Torr にまで排気した後、 アルゴンガスをニ一ドルバルブを通して流す。 アルゴンガスは、 実験中常 にニードjレバルブから供給され、 ターボポンプにより 真空容器外へ排気されるように 流 れており、 真空容器内のアルゴンガス圧力は2
x
10-5Torrから2x
10-3Torr の範囲である。プラズマ生成のためのマイクロ波は、 マグネトロン発振器で発生され、 周波数は2.45GHz である。 発生したマイクロ波は、 矩形導波管により 矩形TElQモードで入射窓、近くまで伝送さ れた後、 円形TEl1モードに変換されテーパー導波管、 マイクロ波凹レンズ、 パイレックス製 入射窓を通って真空容器内へ放射される。 マイクロ波のパワーは 1f'.J 5kWの範囲で連続可変 である。
径方向に可動なループアンテナ及びLangmuirプロープは、 z = 60cmの所に挿入しであり、
これらによりマイクロ波径方向放射分布、 イオン飽和電流の径方向分布、 電子密度及び電子温 度の測定を行った。
ー回‘』
z軸方向に可動なループアンテナは図3-2に示すような鍵形をした構造にしてあり、 これを 真空容器の中心軸からはずれた位置い= 21cm) から挿入しているので、 これを回転させる ことによりγの値が違う場所での波動測定が可能である。 ループアンテナのループに波動磁場 により誘起される2.45GHzの信号はミキサー(doubl e-balanced mixer)に送られ、 マグネト ロンからの2.45 GHzのマイクロ波信号を参照信号としてホモダイン検波を行う。
z軸方向に可動なLangmuirプローブも図3-3に示すように鍵形をしていて、 真空容器の中 心軸から γ= 21cmの所から挿入し、 これを回転させることにより中心軸上以外でのz軸方 向分布を測定できるようにしている。 円筒形Langmuirプローブは、 径方向、 軸方向共に直径 lmm、 長さ2 mmの円筒形のタングステン線である。
図3-4(a)はイオン飽和電流分布測定の場合の回路図 である。 プローブを電池を使って-90V にバイアスし、 その時に流れる電流値をlkftの抵抗により電圧信号吟にして、X-yプロッ タのY端子につなぐ。 一方、X軸はフ。ローブの位置に比例した電圧信号Vx を入力する。 この ようにして、 イオン飽和電流の径方向分布及び軸方向分布を測定した。
図3-4(b)は電子密度及び電子温度を測定用の、 プロープの1 -V特性曲線を得るための回 路系である。 プローブバイアス電圧Vxはー100VI'.J 60VでこれをX-yプロッタのX端子に入 力する。 またフ。ローブに流れる電流は50ftの抵抗により電圧信号叫に変換し、Y端子に入力 する。 こうして得られるプローブの1 -V特性曲線によりプラズマの電子密度及び 電子温度を 測定した。
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0・ m u DB Ant--Etl o T
図 区図 図 図
回
( a)
Magnetic
ぬφ例
Tapered Waveguide
Axial Langmuir Probe / Loop Antenna
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図 回
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Radial Langmuir Probe / Loop Antenna
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1000
500 1500
(ωωコのの)
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100 150
( cm )
Z
。 50
。
実験装置(a)と磁場配位(b)
図3-1