放電プラズマのマイクロ波減衰量について
押山保常
中沢章
Measurement of the Attenuation of
Discharge plasma at S. H. F
TamotsuneOshiyama AkiraNakazawa
Synopsis We measured the attenuation of plasma in discharge tube which was inserted in a waveguide． When the discharge current is smaller than 100 milliamperes， the attenuation coincides with the theory of Montogomery． We knew that the attenuation was varied by− the frequency of the discharge current．1 緒 言
プラズマ中を伝搬する電磁波にはローレンツの理論 を適用できるが、プラズマをプラズマ減衰器として使 用する場合、設計の基礎となるものはまだ明瞭ではな い。そこでわれわれは実験の手始めとして、プラズマ が導波管の中ではどのような減衰量を示すか、市販蛍 光灯をプラズマ源としてマイクロ波減衰量を測定し若 干の資料を得たので報告する。2 本
論 単位体積当りの電子の数を11とすれば放電プラズマ の高周波に対する単位体積の複素導電率は・一÷一誓 （・）
であるから ・一瓢、i。、）一ノ（，C。，） 一＿6葺η・）（η一ノ）一…元・・（2） であたえられる（1）。こsでη＝〃／ω…荒・、嵩・，…篭・、毒（3）
7：電子の衝突周波数、ω：高周波角周波数である。 すなわち放電プラズマの呈するアドミタンスはコンダ クタンス分とサセプタンス分とからなり両者の比は電 子と気体分子との毎秒当りに衝突する頻度すなわち 衝突周波数および高周波の周波数によって変化する。 式（2）はすべての電子が均一なエネノレギーと自由行 程を有しており、したがって衝突周波数は一定である と仮定して成立っている。次にプラズマのような損失100
を有する誘電体を封入した導波管の伝搬定数γは電子 密度が均一であるとすれば r＝α一F元β 2・2−｜c・1・Lt・i−（2丁入9）2＋」・州＋｛・・砺一㈲2｝（4＞ 2β2−｜ω声一（驚）2＋元・μ・・i−｛・・…（驚）2｝（5） であたえられている②。こsでα：ネーパr−／Mで表 わした減衰定数、β：ラジアン／mを単位とする位相 定数、λg：空気を誘電体とする導波管の管内波長、 μ：媒質の透磁率である。式（2）よりわかるように 複素導電率はプラズマの電子密度と衝突周波数で変わ る。それ故複素導電率の大きさを変えると減衰定数と 位相定数の大きさを加減することになる。複素導霞 率の実数部の最大値はη＝1のときにおこりそのとき σ・＝ai ＝＝ ne2／2mc・となる。電子密度を変化したとき の減衰定数の変化を周波数9400MC（λg＝4．45）とし て式（4）から求めた結果を第1図に示す。 tO ぷ。 ご § き ξo．1 aol 1・t η‘°・ 1・ひ゜｜ 940。％ o町 Ioの ‘06 lo己 lo Fig．1 〈● n（￠1・ctv。wsβめ Theoretical attenuation as functlon of electron density．放電プラズマのマイクロ波減衰量について
3 測定方法
測定装置は第2図のごとくである。被測定用放電管 は導波管のE面に10°の傾斜で挿入し（スタップ調整 により定在波比ρ＜1．2におさえた）その放電管の減 衰量を標準抵抗減衰器に置換して測定を行った。尚電 力の測定には自動平衡式サーミスタブリッジを使用し た。放電管減衰器としての目的のためには導波管中の プラズマの体積は大きく且つ反射は少ないことが望ま しい。 Starding Wqve detecteT ft−erSCUtta Fig．2 Block diagrame of measurement for attenuation of plasma 22 ヲo 2s 26 24 。：1 ’9、e き16 皇R ゆ 4 2 PC Ois（hare？ Curreit（UA） Fig・4 Attenuation of Discharge tube （when discharge current is DC）4 測定結果及び考察
第3図はAC50c／sで放電させた場合の減衰量であ り、第4図はDCで放電させた場合の減衰量である。 以上の結果から例えば周波数9400MCで放電管の有効 長を約50mm，プラズマ断面積を1．55cm2として放電 々流を100mAで放電させた時の単位面積、単位長当 りの減衰量はDC放電の時、0．46dbとなり、図1よ りη＝0．1とすればn＝6．4×10i1個／cm 3となり、AC 放電の時には0．49dbであるからη＝0．1とするとη＝ 6．8×1011個／cm3となる。周波数9600MC放電々流250mAの時の単位長当りの減衰量はDC放電のとき
4．03db， AC放電の時0．95dbとなる。この値を図1 の理論曲線と比較すると電子密度はη＝0．1ととれば それぞれn＝3．6×1013，n＝1．9×1012となって実測 § ξ § ‘ Fig．3 AC P ischarle CUITent 〈pmA） Attenuation of Discharge tube（when discharge curreut is AC）．101
の電子密度と比較して矛盾する。すなわち上記の理論 値が満足されるのは放電々流が100mA以内までと考 えられる。以上の結果を検討するために放電管を点孤 する周波数を変えて減衰量を測定したものを第5図に 示す（伝搬周波数9400MC）。この測定結果からわか るように放電管の点孤周波数が高くなると減衰量が増 大することがわかる。直観的には周波数を上げて行け ば実効的な電子密度は管壁への拡散や再結合などを考 えると増大するように思われる。 さてこの問題に関して恰好な解決の目安を与えるも のにS．E．Yussuf（3）等の研究がある。第6図に示す ものはその結果でこれは管壁への拡散現象を説明して いる。この現象は管の中心部へ△ξε仰なる電子密度 P2 19 l6 §i・t tl、2 竃 ミ…1° 9 4 Fig．5 。iS・h・rse c・rrent《領A） Attenuation of Discharge tube （Parameter：Discharge frequeucy）．昭和38年2月
