臨 驚

匡 文 複 写 司

平成23年 度(2011年 度)学 位 論 文(修 士)

高周 波 放 電 式 イ オ ンス ラ ス タの 静 電 加 速 用 電 極 へ の 炭 素 複 合 材 適 用 に関す る研 究

FeasibilityStudyonApplicationofCarbon‑CarbonComposite toGridSystemforRFIonThruster

平 成24年(2012年)1月30日

首都 大学東京 大学院

システ ムデザイ ン研 究科 システムデザイ ン専攻 航空宇宙 システ ム工学域 博士前期課程

10891525中 林 拓 也 指 導 教 員 竹 ヶ 原 春 貴

高周波放電式 イオ ンス ラスタの静電加 速用電極 への 炭 素複合材適用 に関す る研 究

目次

第1章 序 論

1.1研 究 背 景 1.2研 究 目 的

1●

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● 13●●■

第2章 プ ラ ズ マ

2.1プ ラ ズ マ の 定 義 2.2プ ラ ズ マ 生 成

2.2.1直 流 放 電 2.2,2高 周 波 放 電 2.2.3マ イ ク ロ 波 放 電 2.3プ ラ ズ マ 診 断

2.3.1プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 2.3.2プ ラ ズ マ 診 断 の 概 要 2.3.3シ ン グ ル プ ロ ー ブ 法 2.3.4ダ ブ ル プ ロ ー ブ 法

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"・9

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…15

第3章 イ オ ン ス ラ ス タ 3.1概 要

3.2イ オ ン 生 成 部

3.2.1直 流 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ 3.2.2高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ

3.2.3マ イ ク ロ波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ 3.3静 電 加 速 部

3.4中 和 部 3.5電 子 源

3.5.1フ ィ ラ メ ン トカ ソー ド 3.5.2ホ ロ ー カ ソー ド

3.5.3誘 導 結 合 式 プ ラ ズ マ 電 子 源

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…Zo

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3.5.4マ イ ク ロ 波 放 電 式 電 子 源 3.6電 流 収 支

3.6イ オ ン ス ラ ス タ 性 能 計 算 式

第4章 実 験 装 置 概 要 4.1実 験 装 置

4.1.1真 空 環 境 模 擬 装 置 4.1.2ガ ス 供 給 系 4.L3直 流 電 力 供 給 系 4.1.4高 周 波 電 力 供 給 系 4.2高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ

4.2.1放 電 室 4.2.2C/Cグ リ ッ ド

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第5章 探 針 法 に よ る 内 部 プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 分 布 取 得 実 験 5.1実 験 目 的

5.2実 験 装 置

5.2.1ダ ブ ル プ ロ ー ブ 5.2.2模 擬 グ リ ッ ド 5.3実 験 方 法

5.4実 験 結 果

5.4.1各 測 定 位 置 で の プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 5.4.2プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ 分 布

5.5グ リ ッ ド電 位 変 更 実 験 55.1実 験 方 法 5.5.2実 験 結 果 5.6第5章 ま と め

第6章 ビ ー ム 軌 道 解 析 に よ る 性 能 予 測 6.1解 析 目的

6.2ソ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ ァ ル 6.2.1計 算 の 概 要

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6.2.2計 算 仮 定 と境 界 条 件 6.2.3上 流 境 界 条 件 6.2.4Particle‑in‑Ce11法 6.2.5電 界 計 算 6.2.6粒 子 運 動 の 計 算 6.2.7計 算 条 件

6.3グ リ ッ ド径 方 向 で の 軌 道 解 析 6.3.1入 力 パ ラ メ ー タ

6.3.2電 位 分 布,電 子 粒 子 分 布,イ オ ン粒 子 分 布 比 較 6.3.3各 イ オ ン 電 流 分 布

6.4ス ク リー ン グ リ ッ ド厚 さ変 更 時 の 軌 道 解 析 6.4.1入 力 パ ラ メ ー タ

6.4.2電 位 分 布,電 子 粒 子 分 布,イ オ ン粒 子 分 布 比 較 6.4.3各 イ オ ン 電 流

6.5予 想 性 能 6.6第6章 ま と め

第7章 結 論 お よ び 今 後 の 課 題

参考文献 謝辞

01347800156679015555556666666677 37

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●

■

…75

…79

記号表

以 下 に,記 号 の 一 覧 を 示 す.単 位 に つ い て は,本 文 中 で 用 い ら れ て い る も の を 示 し て い る.

単 位 が 複 数 あ る も の はOで 併 記 して い る.

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イ オ ン ビ ー ム 引 き 出 し の ア ス ペ ク ト比 ビー ム 断 面 積

厚 み の 無 い オ リ フ ィ ス の コ ン ダ ク タ ン ス ア ク セ ル グ リ ッ ドの コ ン ダ ク タ ン ス 模 擬 グ リ ッ ドの コ ン ダ ク タ ン ス

イ オ ン 生 成 コ ス ト 短 い 管 の コ ン ダ ク タ ン ス

ス ク リー ン グ リ ッ ドの コ ン ダ ク タ ン ス

ス ク リー ン グ リ ッ ド と ア ク セ ル グ リ ッ ドの 合 成 コ ン ダ ク タ ン ス プ ロ ー ブ 電 極 径

ア ク セ ル グ リ ッ ド孔 径 ビ ー ム 直 径

模 擬 グ リ ッ ド孔 径 プ ロ ー ブ 絶 縁 管 外 径 ス ク リ ー ン グ リ ッ ド孔 径 電 荷 素 量=1.602×10"19 電 界

格 子 点A〜D上 で の 電 界 半 径 方 向 電 界

計 算 格 子 点0上 で の 半 径 方 向 電 界 軸 方 向 電 界

計 算 格 子 点0上 で の 軸 方 向 電 界 ア ク セ ル グ リ ッ ド開 口 率 模 擬 グ リ ッ ド開 口 率 電 子 エ ネ ル ギ ー 分 布 関 数 イ オ ン エ ネ ル ギ ー 分 布 関 数

ス ク リー ン グ リ ッ ド開 口 率 重 力 加 速 度 ・'1

 屑鉱急ー→2‑4忽鰯九磐κる輪ら亀甑︒切・筑静 翻⁝囚⁝囚⁝圃⁝⁝⁝囚囚圃囲囚同圃圃悶

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各 計 算 格 子 間 距 離 1次 電 子 存 在 比

グ リ ッ ド1孔 当 りの ア ク セ ル グ リ ッ ド衝 突 イ オ ン 電 流 ビ ー ム 電 流

グ リ ッ ド1孔 当 り の ビー ム 電 流 放 電 電 流

電 子 電 流 飽 和 電 子 電 流 イ オ ン 電 流

グ リ ッ ド1孔 当 りの イ オ ン 電 流 飽 和 イ オ ン 電 流

キ ー パ ー 電 流 中 和 電 流 プ ロ ー ブ 電 流

グ リ ッ ド1孔 当 り の ス ク リー ン グ リ ッ ド衝 突 イ オ ン 電 流 グ リ ッ ド1孔 当 り の ス ク リー ン グ リ ッ ド衝 突 電 子 電 流 比 推 力

イ オ ン ビ ー ム 電 流 密 度

空 間 電 荷 制 限 に よ る ビー ム 電 流 密 度 の 上 限 ボ ル ツ マ ン 定 数=1.38×10‑23

ク ラ ウ ジ ン グ 係 数 有 効 グ リ ッ ド間 距 離

ダ ブ ル プ ロ ー ブ の 電 極 間 距 離 プ ロー ブ 電 極 長 さ

プ ラ ズ マ ース ク リー ン グ リ ッ ド間 距 離

ス ク リー ン グ リ ッ ドーア ク セ ル グ リ ッ ド間 距 離 イ オ ン 質 量

電 子 質 量=9.109×10引

高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ に 供 給 す る推 進 剤 流 量 イ オ ン の 質 量 流 量

推 進 機 に 供 給 され る 推 進 剤 流 量 気 体 の 分 子 量

電 子 密 度

嘱凡 艀怖柵p島島疏 動あ

撫軌俳9馬距飾研7職η震ろハろ姦η玲賑玲巧職臨ろ砿 謡囲麟⁝囲圓岡圓圏圃圃圃圃⁝圃岡圓岡岡團圃闘凹凹凹凹凹凹凹凹

イ オ ン 密 度 中 性 粒 子 密 度 プ ラ ズ マ 密 度

規 格 化 さ れ た パ ー ビ ア ン ス(NormalizedPerveanceperHole) パ ー ビ ア ン ス

全 消 費 電 力 放 電 電 力 孔 間 隔 高 周 波 電 カ グ リ ッ ド孔 数

各 計 算 格 子 上 に 配 分 され る 電 荷 量 粒 子 電 荷

放 電 室 径 方 向 位 置(グ リ ッ ド孔 位 置)

1計 算 セ ル 面 積 を 粒 子 位 置 で 分 割 した 各 面 積 プ ロ ー ブ の 表 面 積

1計 算 セ ル 面 積 推 カ

ア ク セ ル グ リ ッ ド厚 さ 模 擬 グ リ ッ ド厚 さ 電 子 温 度

ガ ス 温 度 イ オ ン 温 度

プ ラ ズ マ 温 度

ス ク リー ン グ リ ッ ド厚 さ 推 力 電 力 比

シ ー ス 端 で の 電 位 ア ク セ ル グ リ ッ ド電 圧 放 電 電 圧

浮 動 電 位 キ ー パ ー 電 圧

正 味 の 加 速 電 圧(VS、+vd) プ ロ ー ブ 電 圧

プ ラ ズ マ 空 間 電 位

塩鞠怖顎恥あ孚=堀∵鉱簾器 力凹岡岡岡岡岡圓圃圃圃圃圃岡隣M岡岡岡圃

ス ク リー ン グ リ ッ ド電圧 真 空 の誘 電 率=8.854×10‑'2 電 力 効 率

推 進 効 率 推 進 剤 利 用 効 率 デ バ イ 長

中性 粒 子 間 の 平均 自由行 程 イ オ ン速 度

イ オ ン速 度 の 半径 方 向成 分 イ オ ン速 度 の 軸 方 向成 分 イ オ ン速 度 の 周 方 向 成 分 イ オ ン の排 気 速 度 中性 粒 子 間の 衝 突 周 波 数 電 荷 密 度

各 格 子 点 上 の電 位 電 子 プ ラ ズマ 角 周 波 数 イ オ ン プ ラ ズマ 角 周 波 数 プ ラ ズマ 角 周 波 数 中性 粒 子 平均 熱 速 度

第1章 序 論

1.1研 究 背 景

宇 宙 開 発 を 行 う 上 で 姿 勢 制 御 や 軌 道 制 御,主 推 進 と し て 推 進 機 が 必 要 と な っ て く る.推 進 機 に 求 め ら れ る 性 能 は 宇 宙 機 が 行 う ミ ッ シ ョ ン に よ っ て 様 々 で あ る が,ロ ケ ッ トを 用 い て 宇 宙 空 間 ま で 運 ば な け れ ば な ら な い た め,重 量 が 制 限 さ れ る こ とや,無 補 給 で 長 期 間 の 作 動 が 要 求 さ れ る こ と か ら,一 般 的 に 高 い 比 推 力 が 求 め られ る.図1‑1に 各 推 進 機 の 推 力 密 度 と 比 推 力 の 関 係 を 示 す.こ の 図 か ら わ か る とお り,化 学 推 進 よ り も,電 気 推 進 の 方 が 高 い 比 推 力 が 出 せ る こ と が わ か る,最 も 高 い 比 推 力 を 持 つ イ オ ン ス ラ ス タ は 小 惑 星 探 査 衛 星 は や ぶ さ の 主 推 進 と し て 搭 載 され,4台 の イ オ ン ス ラ ス タ で 合 計40000時 間 近 い 作 動 を 行 っ た1‑1).ま た,こ の 図 に 示 さ れ て い る よ うに,イ オ ン ス ラ ス タ は 高 比 推 力 で あ る が,低 推 力 密 度 な 推 進 機 と な っ て い る.そ の た め,地 上 打 ち 上 げ の た め の 使 用 は 不 可 能 で あ り,俊 敏 な 推 力 が 求 め られ る ミ ッ シ ョ ン に は 向 か ず,長 時 間 の 作 動 に よ り所 定 の 速 度 増 分 を 得 る た め,有 人 宇 宙 機 の 軌 道 間 輸 送 も難 しい.し か し,イ オ ン ス ラ ス タ の 一 般 的 な 推 進 効 率 は50〜60%で あ り,そ の 他 の 推 進 機 と 比 べ て も 高 い 推 進 効 率 と な っ て い る.推 進 効 率 は,投 入 した 電 気 エ ネ ル ギ ー が 運 動 エ ネ ル ギ ー に ど の 程 度 変 換 され た か を 表 し,残 り の エ ネ ル ギ ー は 熱 損 失 と な る.宇 宙 空 間 に お い て,外 部 へ 熱 放 射 す る た め に は,放 射 を 行 う表 面 積 を 増 や さ な け れ ば な ら な い が,高 い 推 進 効 率 で あ る イ オ ン ス ラ ス タ は,そ の よ う な こ と を 行 う必 要 が な い た め,シ ス テ ム 重 量 の 増 大 を す る こ と無 く,高 い ミ ッ シ ョ ン の 実 現 性 を 有 し て い る.ま た,深 宇 宙 探 査 等 の 多 大 な 速 度 増 分 を 必 要 と す る 宇 宙 ミ ッ シ

ョ ン を 実 現 で き る の は,イ オ ン ス ラ ス タ 以 外 に は 現 在 の と こ ろ 存 在 して い な い.

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図1‑1電 気 推 進 お よ び 化 学 推 進 の 比 推 力 と 推 力 密 度 の 関 係

イ オ ン ス ラ ス タ に は 高 い 信 頼 性 が 求 め ら れ る と と も に,低 推 力 で あ る こ と か ら,所 定 の 速 度 増 分 を 得 る た め に 長 時 間 の 作 動 が 求 め ら れ る.イ オ ン ス ラ ス タ に お け る 故 障 原 因 お よ び 寿 命 制 限 要 因 は,以 下 の3つ が 主 な も の と して 挙 げ られ る.

(1)イ オ ン の 静 電 加 速 を 行 う加 速 電 極(グ リ ッ ドシ ス テ ム)の 作 動 に 伴 う損 耗 (2)不 純 物 の 堆 積 に よ る グ リ ッ ドシ ス テ ム の 各 電 極 間 の 電 気 的 短 絡

(3)プ ラ ズ マ 生 成 お よ び イ オ ン ビー ム 中 和 に 使 用 され る 電 子 源 の 寿 命 お よ び 故 障

(1)お よ び(2)に 関 し て は,静 電 加 速 を 行 うイ オ ン ス ラ ス タ に お い て 原 理 上 避 け る こ とが で き な い 現 象 で あ る.そ の た め,グ リ ッ ドの 寿 命 を 延 ば す た め に,材 質 を 変 更 し て 損 耗 量 を 減 ら す た め の 研 究 が 各 機 関 で 行 わ れ て い るi‑2).損 耗 量 を 減 ら す こ と が 可 能 な 材 質 と し て,注 目 を 集

め て い る の が 炭 素 複 合 材(Carbon‑CarbonComposite:C/C)を 用 い た グ リ ッ ドで あ る1‑3).CICグ リ ッ ドは,こ れ ま で 広 く使 用 さ れ て き た モ リブ デ ン 製 の グ リ ッ ド と比 べ,損 耗 率 が 低 く,200時 間 の 作 動 で1/3程 度 の 損 耗 量 ま で 抑 え た と い う報 告 も 上 が っ て い る1‑4).し か し,C/Cグ リ ッ ドは モ リ ブ デ ン グ リ ッ ドに 比 べ,機 械 的 強 度 が 低 い た め,厚 さ を 薄 く,開 口 率 を 高 く設 定 で き な い の で,モ リブ デ ン グ リ ッ ドを 適 用 した 際 よ り も低 い 性 能 に な っ て し ま う.そ の た め,CICグ リ ッ

ドの 加 工 に 関 す る 研 究 も 多 く 行 わ れ て い る1'5).

(3)に 関 し て は,こ れ ま で 広 く 使 用 さ れ て き た ホ ロー カ ソー ド と呼 ば れ る 傍 熱 型 熱 陰 極 が 抱 え る 問 題 で あ る.ホ ロ ー カ ソ ー ドは,内 部 に 含 浸 さ れ た 酸 化 剤(酸 化 バ リ ウ ム や 酸 化 ス トロ ン チ ウ ム 等)を 外 部 か ら ヒ ー タ ー で 加 熱 す る こ と で プ ラ ズ マ を 生 成 し,電 子 を 放 出 す る と い う原 理 で あ る.つ ま り,酸 化 剤 の 化 学 反 応 を 用 い た 電 子 源 で あ る.こ の よ う な 作 動 原 理 か ら 低 電 力, 低 ガ ス 流 量 で 大 き な 放 出 電 子 電 流 が 得 られ,イ オ ン ス ラ ス タ の み な らず,ホ ー ル ス ラ ス タ や エ レ ク ト ロ ダ イ ナ ミ ッ ク テ ザ ー,宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の よ うな 宇 宙 構 造 物 の 帯 電 制 御 に 使 用 さ れ て い る1‑6).し か し,作 動 に 酸 化 剤 を 消 費 して い く た め,寿 命 が 存 在 し て い る こ と と,酸 化 剤 自体 が 活 性 ガ ス(酸 素 等)と の 接 触 に よ り性 能 劣 化 す る こ と が 欠 点 と し て 挙 げ ら れ る.こ の 問 題 に 対 す る 解 決 策 と し て 提 案 され て い る の が,高 周 波 放 電 や マ イ ク ロ 波 放 電 を 用 い て プ ラ ズ マ 生 成 を す る こ と に よ り,ホ ロ ー カ ソ ー ドを 撤 廃 した 電 子 源 お よ び イ オ ン ス ラ ス タ を 構 築 す る こ とで あ る.実 際 に,マ イ ク ロ 波 放 電 を 用 い た イ オ ン ス ラ ス タ シ ス テ ム は,小 惑 星 探 査 機 は や ぶ さ に 搭 載 さ れ,ホ ロ ー カ ソ ー ドを 用 い な い こ と が,イ オ ン ス ラ ス タ に と っ て 非 常 に 有 益 で あ る こ と を 実 証 した1‑1).し か し,こ の マ イ ク ロ 波 放 電 式 の イ オ ン ス ラ ス タ は そ の 他 の プ ラ ズ マ 生 成 方 法 の イ オ ン ス ラ ス タ と 比 べ,性 能 が 低 い の が 欠 点 で あ る.こ れ は,マ イ ク ロ 波 放 電 が 抱 え る 原 理 的 な 問 題 に 起 因 す る と こ ろ が 大 き く,性 能 向 上 に 関 し て は 多 く の 研 究 が 行 わ れ て い る の が 現 状

で あ る1萌 ・そ れ に 対 し,高 周 波 放 電 を 用 い た イ オ ン ス ラ ス タ シ ス テ ム(△11RF工on旦ngineSystem=

ARIES)は,実 験 的 に 実 証 は され た が,実 運 用 ま で は 至 っ て い な い1‑8).

L2研 究 目的

本 研 究 で は,長 寿 命 かつ 高性 能 なイ オ ン ス ラ ス タ構 築 の た め,プ ラズ マ 生 成 に は 電 子 源 を 必 要 と しな い 高周 波 放 電 を,加 速 電 極 に は炭 素 複 合 材 を適 用 した 高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ に つ い て 検 討 す る.こ の 高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ の イ オ ン ビー ム軌 道 解 析 を行 うこ とで,高 周 波 放 電 と炭 素複 合 材 グ リ ッ ドの 組 み 合 わ せ の 有 用性 に つ い て確 認 す る こ と を 目的 とす る.

第2章 プ ラ ズ マ

2.1プ ラ ズ マ の 定 義2‑1),2‑2),2‑3)

プ ラ ズ マ は,広 い 意 味 で は"電 離 気 体"(正 負 の 荷 電 粒 子 を 含 み,全 体 と して 電 気 的 に 準 中 性 を 保 っ 粒 子 の 集 団)と 同 一 と 考 え て も よ い が,厳 密 に は,次 の 諸 条 件 を 満 た す よ う な 粒 子 の 集 合 体 を 指 す.す な わ ち

(a)プ ラ ス(正)と マ イ ナ ス(負)の 荷 電 粒 子 群 を 含 ん で い る こ と (b)全 体 と し て 電 気 的 に 準 中 性 が 保 た れ て い る こ と

(c)こ の 中 の 少 な く と も 一 種 の 荷 電 粒 子 群 が 不 規 則 な 運 動 を 行 っ て い る こ と

(d)二 つ の 荷 電 粒 子 が 力 を 及 ぼ し合 う平 均 距 離(デ バ イ 長)よ り大 き な 寸 法 を 有 す る こ と プ ラ ズ マ と 通 常 の 気 体 と を 比 べ た と き,は っ き り と 異 な る 点 は 電 磁 界 に 対 す る 振 る 舞 い で あ る.気 体 は 普 通 電 気 的 な 絶 縁 物 で あ る の に 対 し,導 電 性 を 有 す る プ ラ ズ マ は 電 磁 界 と 相 互 作 用 を 行 い,様 々 な 特 性 を 示 す.さ ら に,プ ラ ズ マ の 性 質 で 非 常 に 重 要 な 点 は,プ ラ ズ マ の 持 つ 二 面 性,す な わ ち,粒 子 的 性 質 と 集 団 的 性 質 で あ る.荷 電 粒 子 一 つ 一 つ は,荷 電 粒 子 相 互 間 で ク ー ロ ン 衝 突 を 行 っ た り,磁 界 中 で サ イ ク ロ トロ ン 運 動 と い っ た 個 別 運 動 を 行 う.一 方,集 団 と して は,一 個 の 荷 電 粒 子 に よ る ク ー ロ ン 電 界 を 異 符 号 の 電 荷 群 が そ の 周 り を 取 り 囲 ん で,電 気 的 に 遮 蔽 す る 現 象 や,プ ラ ズ マ 振 動 と い っ た 集 団 現 象 を 引 き 起 こ す.

プ ラ ズ マ は 自然 界 に 多 様 な 形 で 現 れ る.地 球 大 気 の 上 層 で 高 さ70〜500kmの 範 囲 に は 電 離 気 体 が い くつ か の 層 を 成 し て 存 在 し,電 離 層 と 呼 ば れ て い る(密 度1012m‑3,電 子 温 度0.2eV).ま た 太 陽 周 囲 の 惑 星 間 空 間 に は 太 陽 圏 と 呼 ば れ る プ ラ ズ マ の 流 れ が 吹 き 出 し て お り,そ の 密 度 は

106〜7m'3,電 子 温 度 は10eVく らい で あ る.

プ ラ ズ マ は 大 別 す る と強 電 離 プ ラ ズ マ と弱 電 離 プ ラ ズ マ の ふ た つ に 分 け る こ と が で き る.強 電 離 プ ラ ズ マ は 中 性 粒 子 が ほ と ん ど存 在 し な い イ オ ン と 電 子 の 粒 子 群 で あ り,イ オ ン,電 子, 中 性 粒 子 が 熱 的 に 平 衡 状 態 に な り,そ の 温 度 が 数 万 度 を 超 え る こ と か ら熱 プ ラ ズ マ と も 呼 ば れ る.弱 電 離 プ ラ ズ マ は,数 百Pa以 下 と い う非 常 に 低 い 圧 力 で の プ ラ ズ マ で あ り,プ ラ ズ マ の 大 半 を 中 性 粒 子 が 占 め,電 離,再 結 合 な ど の 中 性 粒 子 の 関 与 す る衝 突 過 程 が 重 要 な 役 割 を 担 う.

イ オ ン,電 子,中 性 粒 子 が 熱 的 に 非 平 衡 状 態,つ ま り,電 子 は 衝 突 に よ っ て あ ま り運 動 エ ネ ル ギ ー を 失 わ な い た め,イ オ ン,中 性 粒 子 に 比 べ て 電 子 の 温 度 が 非 常 に 高 い 状 態 に な る.そ の た め,こ の プ ラ ズ マ は 低 温 プ ラ ズ マ と呼 ば れ る.イ オ ン ス ラ ス タ で 用 い られ る プ ラ ズ マ は 低 温 プ ラ ズ マ で あ り,イ オ ン を 噴 射 す る 推 進 機 だ が,プ ラ ズ マ 生 成 や 閉 じ 込 め の 際 に は 電 子 に 着 目 し た 手 法 を 用 い る.

ま た 近 年,プ ラ ズ マ は 様 々 な 分 野 で 利 用 さ れ て い る.医 療 分 野 で は 細 胞 に 作 用 し て の が ん 治 療 や 創 傷 治 療,花 粉 症 や 鼻 炎 治 療 の た め の 細 胞 焼 灼 へ の 活 用 が 検 討 さ れ て い る24).

2.2プ ラ ズ マ 生 成2‑5)

気 体 を プ ラ ズ マ の 状 態 に す る た め に は,少 な く と も 一 部 の 電 子 を 原 子 か ら 取 り去 っ て,こ れ ら の 原 子 を イ オ ン に す る こ と が 必 要 で あ る.こ の よ う に 原 子 か ら電 子 を 取 り去 る こ と を 電 離(ま た は イ オ ン 化)と い う.自 然 や 技 術 工 程 に お い て 電 離 が 行 わ れ る 過 程 に は い ろ い ろ あ る が,そ れ ら の うち で 重 要 な の は,a)熱 に よ る 電 離b)放 射 線 に よ る 電 離c)放 電 に よ る 電 離 で あ る.

実 験 室 や 技 術 工 程 で 最 も 広 く使 わ れ て い る の は 気 体 放 電 中 で プ ラ ズ マ を 得 る 方 法 で あ る.放 電 に お け る 電 離 の 仕 組 み の 要 点 は 電 子 雪 崩 が つ く ら れ る こ と で あ る.電 子 雪 崩 が 発 達 す る た め に はr気 体 に か け られ た 電 場 か ら 自 由 に 運 動 す る 電 子 に,原 子 か ら も う1個 の 電 子 を は じ き 出 す の に 要 す る エ ネ ル ギ ー よ り さ ら に 大 き な エ ネ ル ギ ー が 伝 え ら れ な け れ ば な ら な い.こ の と き 気 体 中 に は,は じ め に 何 ら か の 副 次 的 な 原 因 か ら い く ら か の 自 由 電 子 が で き て い れ ば 十 分 で,こ れ が 電 場 に よ っ て 加 速 され て 新 しい 電 子 を は じ き 出 し,こ の よ う に し て 電 子 の 数 は 等 比 数 列 的

に 増 大 す る,以 下 に,放 電 に よ る プ ラ ズ マ 生 成 の 代 表 的 な も の を 示 す.

2.2.1直 流 放 電

直 流 電 圧 を 電 極 間 に 印 加 し,電 子 を 加 速 し て 気 体 を 衝 突 電 離 さ せ て 荷 電 粒 子 を 供 給 し,プ ラ ズ マ を 生 成 す る 方 式 を 直 流 放 電 と い う,図2‑1の よ うに,細 長 い ガ ラ ス 管 内 に 金 属 円 盤 で で き た 陰 極(cathode)と 陽 極(anode)を 取 り付 けa電 源 を 接 続 す る.

Cathode Anode

図2‑1直 流 放 電

空 間 に 存 在 す る 電 子 や イ オ ン は 加 え た 電 界 に よ っ て 加 速 し,運 動 エ ネ ル ギ ー を 増 大 す る が, 平 均 自 由 工 程 を 飛 行 す る と,分 子 や 原 子 に 衝 突 し て,そ の エ ネ ル ギ ー を 持 つ 前 に 衝 突 して し ま

う場 合 に は 放 電 は 起 き な い.電 離 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー は,ガ ス に よ っ て 異 な る が ,こ れ を電 圧 で あ ら わ し た も の が 電 離 電 圧 で あ る.

こ の よ うに 分 子 や 原 子 は 衝 突 に よ り電 離 電 圧 以 上 の エ ネ ル ギ ー を 受 け る と 電 子 と イ オ ン に 分 離 さ れ る が,こ の エ ネ ル ギ ー の 担 い 手 は 電 子 が 主 役 を な す.こ の よ う な 空 間 で の 衝 突 に よ る 電 離 は α作 用 と い い,こ の と き の 電 離 す る 割 合 をa係 数 とい う.

こ れ ら 新 た に 発 生 した 電 子 や イ オ ン は,ま た 次 々 と衝 突 を 繰 り返 す .こ の 衝 突 で 発 生 した イ

オ ン は 電 子 と反 対 の 方 向 へ 加 速 さ れ,陰 極 に 激 し く衝 突 し,二 次 電 子 を 発 生 す る.こ の 現 象 を γ 作 用 と い い,こ の と き に イ オ ン ー 個 あ た り電 子 の 飛 び 出 す 割 合 を γ係 数 ま た は タ ウ ン ゼ ン トの 第 二 係 数 と い う,こ こ で 発 生 し た 電 子 が ま た 電 界 に よ っ て 加 速 さ れ,十 分 な エ ネ ル ギ ー を も っ て 他 の 粒 子 と衝 突 し,a作 用 で 電 子 と イ オ ン が 発 生 す る.こ の 繰 り返 し に よ り電 子,イ オ ン が 雪 崩 的 に 発 生 し,放 電 が 持 続 す る.

2.2.2高 周 波 放 電2昌6)

電 極 間 に 加 え る 電 流 電 圧 の 周 波 数 が き わ め て 低 け れ ば,直 流 電 圧 の 時 と 同 様 の 機 構 で 放 電 が 起 こ る.周 波 数 が 非 常 に 高 く な る と,電 子 が 陽 極 に 到 達 す る 前 に 極 性 が 変 わ る.こ の た め 電 子 は 空 間 内 で 電 界 方 向 に 振 動 し,α 作 用 を 繰 り返 す.こ の た め 低 い 電 圧 で 放 電 が 起 こ る.ま た,γ 作 用 が な く て も 電 子 の 増 殖 が 進 む の で,電 極 を 外 に 出 して も,あ る い は 電 極 を 絶 縁 物 で 覆 っ て も 放 電 が 起 こ り,電 極 物 質 の な い きれ い な プ ラ ズ マ が 得 られ る.

高 周 波 放 電 は 放 電 電 流 を 形 成 す る 電 子,イ オ ン の 働 き が 印 加 さ れ た 電 界 の 周 波 数 に 応 じ て イ オ ン 捕 捉,電 子 捕 捉 の 影 響 を 受 け,放 電 開 始 電 圧 が 直 流 の 放 電 開 始 電 圧 と は 異 な る こ と が 知 ら れ て い る.

高 周 波 電 源 を 用 い て の プ ラ ズ マ に は 容 量 結 合 プ ラ ズ マ(CapacityCoupledPlasma:CCP),誘 導 結 合 プ ラ ズ マ(lnductivelyCoupledPlasma:ICP)が あ る.以 下 で そ れ ぞ れ の 説 明 を す る.

(D容 量 結 合 プ ラ ズ マ

容 量 結 合 プ ラ ズ マ の 基 本 形 を 図2‑2に 示 す.容 量 結 合 プ ラ ズ マ は,一 方 の 電 極 に 通 常 は 13.56MHzの 高 周 波 電 力 を 同 軸 ケ ー ブ ル,ブ ロ ッ キ ン グ コ ン デ ン サ を 通 し て 注 入 し,他 方 の 電 極 を 接 地 し て 生 成 さ れ る.こ の 場 合 の 高 周 波 プ ラ ズ マ の 生 成 機 構 は,直 流 放 電 で 見 ら れ る 陰 極 か ら の 二 次 電 子 放 出 に 基 づ く γ 放 電 に 加 え て 電 極 シ ー ス に か か る 振 動 電 圧 に よ る 電 子 の 繰 り返 し 加 速 に 基 づ い た 放 電 も 伴 い,複 雑 に な る 、 ま た,二 枚 の 電 極 の 大 き さ が 異 な る と 非 対 称 放 電 を 起 こ し,負 の セ ル フ バ イ ア ス 電 圧 が 高 周 波 電 極 に 生 じ る.

BlockingCapacitor

劉

』

RFGenerator

図2‑2容 量 結 合 プ ラ ズ マ

(2)誘 導 結 合 プ ラ ズ マ2'7)

誘 導 結 合 プ ラ ズ マ で は コ イ ル に 高 周 波 電 流 を 流 し た と き に 発 生 す る 磁 束 の 時 間 変 化 に よ る 誘 導 電 界 を 用 い る.電 界 の 方 向 は 常 に 高 周 波 電 流 を 打 ち 消 す 方 向 に な る.こ の 誘 導 電 界 に よ っ て 電 子 を 加 速 し プ ラ ズ マ が 生 成 ・維 持 さ れ る.誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の 基 本 的 な 三 種 の ア ン テ ナ の 構 造 を 図2‑3に 示 す.

(a)HelicalAntenna (b)SpiralAntenna (c)ImmersedAntenlla 図2‑3誘 導 結 合 プ ラ ズ マ

一 般 的 な 高 周 波 放 電 式 イ オ ン ス ラ ス タ で は 先 の 図2 ‑3の(a)の 形 を 使 用 し て い る の で そ れ に つ い て 詳 し く説 明 す る.図2‑4に 誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の 生 成 の 原 理 を 示 す.絶 縁 体 の 放 電 室 の 周 囲 に コ イ ル が 巻 か れ,こ の コ イ ル に 交 流 電 流 を 流 す こ と で,放 電 室 内 に は 軸 方 向 に 誘 導 磁 界 が 生 じ る.コ イ ル に 流 れ る 電 流 は 交 流 電 流 で あ る た め,電 流 の 向 き が 変 わ る た び に 誘 導 磁 界 は 正 負 の 増 減 を 繰 り返 す.こ の 磁 界 の 増 減 に よ り,放 電 室 内 に は 周 方 向 に 誘 導 起 電 力 が 生 じ ,電 子 は エ ネ ル ギ ー を 得 て 加 速 し,巨 視 的観 点 で見 れ ば放 電 室 内 は加 熱 され る.放 電 室 内 に供 給 され た 中 性 粒 子 は,誘 導 磁 界 に よ り加 速 さ れ た 電 子 と 衝 突 ・電 離 し,イ オ ン と電 子 に 分 か れ る.電 子 は 再 び 加 速 さ れ,中 性 粒 子 と衝 突 ・電 離 す る.こ の 過 程 が 繰 り返 され る こ と で ,定 常 的 に イ オ ン 生 成 は 行 わ れ る.ひ と た び 放 電 が 起 こ り,放 電 室 内 に プ ラ ズ マ が 生 成 され る と ,今 度 は こ の 導 体 が コ イ ル と し て 機 能 す る よ うに な る.そ の 結 果,RF電 源 が 接 続 さ れ た コイ ル が トラ ン ス の 一 次 巻 線

,プ ラ ズ マ が 二 次 巻 線 の 役 割 を 果 た し,プ ラ ズ マ に エ ネ ル ギ ー が 与 え られ る.

DischargeVessel

RFGenerator

図2‑4誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の 生 成

2.2.3マ イ ク ロ 波 放 電

マ イ ク ロ 波 放 電 は,直 流 高 周 波 に 並 ん で,プ ラ ズ マ 生 成 に 広 く用 い られ て い る .マ イ ク ロ 波 放 電 は,周 波 数 はGHz帯 で あ る た め,無 電 極 放 電 が 可 能 で あ り,振 動 電 界 に よ り電 子 が 捕 捉

され る な ど,高 周 波 放 電 と 同 様 の 特 長 を も つ 一 方,周 波 数 が 高 く 波 長 が 短 い こ と に よ る 著 し い 差 異 を 示 す 揚 合 も あ る.日 本 の"は や ぶ さ"に 搭 載 さ れ た イ オ ン ス ラ ス タ は,こ の マ イ ク ロ 波 放 電 で 発 生 す るECRプ ラ ズ マ を 利 用 して い る.ECR型 は 比 較 的 低 い 圧 力(0.05〜0.5Pa),電 力lkW で 〜1017㎡3程 度 の プ ラ ズ マ 密 度 を 得 る こ と が で き る.し か し,ECR型 は,マ イ ク ロ 波 の カ ッ ト オ フ に よ る プ ラ ズ マ 密 度 制 限 と い う 問 題 を 抱 え て い る.つ ま り,使 用 す る マ イ ク ロ 波 の 周 波 数

に よ っ て 必 然 的 に 電 子 密 度 の 上 限 が 決 ま っ て しま う.こ の 対 策 は マ イ ク ロ 波 周 波 数 を 上 昇 さ せ る 以 外 に 存 在 し な い た め,カ ッ トオ フ に よ る 密 度 制 限 はECR型 に お い て 重 要 な 問 題 と な っ て い る.

2.3プ ラ ズ マ 診 断2‑3),2‑8) 2.3.1プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ

プ ラ ズ マ パ ラ メ ー タ と は プ ラ ズ マ の 持 つ 特 徴 を 表 す た め の 指 標 で あ り,主 な も の と し て は, プ ラ ズ マ の 濃 さ を 表 す プ ラ ズ マ 数 密 度Np,プ ラ ズ マ の 持 つ エ ネ ル ギ ー 状 態 を 表 す プ ラ ズ マ 温 度 TP,プ ラ ズ マ の 電 位 を 表 す 空 間 電 位vs等 が 挙 げ られ る.ま た プ ラ ズ マ を イ オ ン 源 と し て 用 い る 場 合,イ オ ン飽 和 電 流 密 度 も 重 要 な パ ラ メ ー タ で あ る.

(1)プ ラ ズ マ 密 度Np

あ る 瞬 間,プ ラ ズ マ 中 の 単 位 体 積 内 に 確 率 的 に 存 在 す る 荷 電 粒 子 数 を プ ラ ズ マ 密 度 と い う.

単 位 は 通 常[m‑3]が 用 い ら れ,電 子 に 関 し て は 電 子 密 度Ne,イ オ ン に 関 し て は イ オ ン 密 度N;

と い う.大 抵 の 場 合,電 子 密 度=イ オ ン 密 度 で あ る.プ ラ ズ マ 中 の 電 子 数 密 度 は 単 位 時 間 に 電 離 に よ っ て 生 ず る 電 子 の 数 と,再 結 合 に よ っ て 消 滅 す る 電 子 の 数 の 差 し 引 き で 決 ま る.

(2)プ ラ ズ マ 温 度Tp

プ ラ ズ マ 中 の エ ネ ル ギ ー 分 布 に 対 応 す る 温 度 を プ ラ ズ マ 温 度 と い う.単 位 は[eV]で あ り, 1eV=11600Kで あ る.電 子 の エ ネ ル ギ ー 分 布 に 対 応 す る の が 電 子 温 度T,で あ り,イ オ ン に 対 応 す る の が イ オ ン 温 度T;で あ る.

プ ラ ズ マ 中 の 電 子 と イ オ ン は,そ れ ぞ れ 運 動 エ ネ ル ギ ー を 持 ち,互 い に 絶 え 間 な く衝 突 を 繰 り 返 して い る.そ の 大 部 分 が 弾 性 衝 突 で あ れ ば,理 想 気 体 に お い て 熱 運 動 と して 取 り扱 う こ と が 可 能 で あ る.従 っ て,十 分 な 衝 突 を 繰 り返 した 後 、 粒 子 の 持 つ 速 度 分 布 は 一 定 と な る.こ の 時 の 速 度 分 布 は マ ク ス ウ ェ ル の 速 度 分 布 を 示 し,古 典 統 計 学 に よれ ば 個 々 の 粒 子 がEな る エ ネ

ル ギ ー 状 態 に 存 在 す る確 率 はexp(‑E/kT)に 比 例 す る こ と が わ か っ て い る.こ こ で,こ の こ と か ら,プ ラ ズ マ 温 度 は プ ラ ズ マ 中 の 荷 電 粒 子 が マ ク ス ウ ェ ル 分 布 を 成 し て い る と き に の み に 定 義 され る こ と が わ か る.

電 子 温 度 は 単 位 時 間 に 電 界 加 速 に よ っ て 得 た 運 動 エ ネ ル ギ ー と,原 子 ま た は 分 子 と の 衝 突 で 失 っ た エ ネ ル ギ ー 差 に よ っ て 決 ま る.

(3)デ バ イ 長 λD

荷 電 粒 子 間 の相 互 作 用 が及 ぶ 最 大 の距 離 、 あ る い は プ ラ ズ マ が 巨視 的 な 電 気 的 中性 を 維 持 し 得 る最 小 の 空 間 的 距 離 の こ と をデ バ イ 長 とい う.ク ー ロ ンカ に よ っ て 正 負 の 電 荷 が持 っ 相 対 的 距 離 の 平均 値 が ほ ぼデ バ イ 長 に相 当す る と考 え て良 い.デ バ イ 長 は,電 子 数 密 度Neと 電 子 温 度 Teの 関 数 で 以 下 の よ うに 書 き表 せ る.

㌔ 一(1/2sokTeN eel(2‑1)

(4)プ ラ ズ マ 角 周 波 数 ωp

プ ラ ズ マ 中 に 非 平 衡 な 空 間 電 荷 が 発 生 した 場 合,そ の 静 電 界 を 遮 蔽 す る た め に 荷 電 粒 子 の 移 動 が 起 こ る.し か し,荷 電 粒 子 は 質 量 を 持 っ て い る た め,平 衡 状 態 に 達 し て も 慣 性 に よ り通 り 過 ぎ,逆 の 方 向 へ の 非 平 衡 状 態 を 作 り 出 す.従 っ て 荷 電 粒 子 は 逆 向 き の 移 動 に 移 る.こ の よ う な 荷 電 粒 子 に よ る 慣 性 と 静 電 界 に よ る 復 元 力 か ら な る 振 動 を プ ラ ズ マ 振 動 と 呼 ぶ.そ の 振 動 数 を 荷 電 粒 子 が 電 子 の 場 合 は 電 子 プ ラ ズ マ 角 周 波 数 ω,,イ オ ン の 場 合 は イ オ ン プ ラ ズ マ 角 周 波 数 砺 と 呼 ぶ.電 子 プ ラ ズ マ 角 周 波 数 は 荷 電 粒 子 の 質 量 〃z。と プ ラ ズ マ 数 密 度 か ら次 式 で 表 され る.

w=2=e2NP(2‑2)P̲」P i'iZe￡U

(5)イ オ ン飽 和 電 流la

プ ラ ズマ か らの イ オ ン抽 出 を 考 え る.プ ラ ズマ 電 位 に対 して負 の 電 位 を持 つ 電 極 が 存 在 す る 場 合,プ ラ ズ マ 中 の 空 間 電 荷 のバ ラ ンス が 崩 れ,電 子 は反 発 され て 正 イ オ ンだ けが 存 在 す るイ オ ン シー ス が で き,正 イ オ ンが 電 極 に 向 か っ て 加 速 され る.こ の と き,プ ラズ マ か ら取 り出 せ る イ オ ン電 流 の こ とを イ オ ン飽 和 電 流 とい う.ま た,イ オ ン の飽 和 電 流 密 度 は イ オ ン シ ー ス が 安 定 に 存在 す る条 件 か ら求 め る こ とが で き る.

イ オ ン シ ー ス の 簡 単 な モ デ ル を 図 に 示 す.平 板 導 体 をプ ラ ズマ 中 に 挿 入 し,プ ラズ マ 空 間 電 位VSに 対 して 負 の電 位vを 与 え る と,導 体 にイ オ ン電 流 が 流 れ 込 み,導 体 近 傍 で は 図 の よ うな 3つ の 領 域 を構 成 す る.

A

空 間 電 荷1浸透 電界1

藻 欝 警

T

% ^{一 一 一 一teri}

Il

I中 性1プ ラズ マ 1プラズ マ1領 域 Ne《 絹 領 域1

イオン鞘lNe≒N.1凡=〜i

● 領 域ll

o●

V⁷

図2‑5イ オ ン シ ー ス の 構 造 と電 位 分 布

導 体 か ら 十 分 は な れ た と こ ろ で は,電 界 に よ る 握 乱 が 無 い た め プ ラ ズ マ 状 態 で あ る が,C点 付 近 か ら徐 々 に 導 体 電 位 の 影 響 が 出 始 め,負 の 電 界 を 形 成 す る.こ の 電 界 に よ り電 子 は 減 速,イ オ ン は 加 速 され る.し か し,こ の 領 域 で の 負 の 電 界 は 大 き く な い た め 電 子 密 度N,は わ ず か ば か

り減 少 す る.一 方,イ オ ン 密 度N;も 加 速 に よ り あ る 程 度 減 少 す る.従 っ て,Ne≒N;の 状 態 が 保 た れ る.こ の 部 分 は 準 中 性 プ ラ ズ マ 領 域 と呼 ば れ る.準 中 性 プ ラ ズ マ はB点 ま で 続 き,B点 よ

り近 い 領 域 で は 急 激 に 電 位 勾 配 が 生 じ,強 い 負 の 電 界 を 形 成 す る,こ の 電 界 に よ っ て 大 部 分 の 電 子 は 排 除 さ れ,Ne《N;と な りイ オ ン シ ー ス が 形 成 され る.シ ー ス 端 に あ た るB点 で の 電 位va は 電 子 温 度Teに よ っ て 決 ま り,そ の 値 は 常 に 以 下 の 値 と な る.

Vo=kTe(2‑3)2 e

vaは ボ ー ム の イ オ ン シ ー ス 生 成 条 件 と 呼 ば れ,電 子 温 度 の 半 分 の 値 に 相 当 す る 電 位 の 点 か ら安 定 し た イ オ ン シ ー ス が 生 成 さ れ る.導 体 の 負 電 位 が 増 大 す る と,イ オ ン シ ー ス の 厚 み も増 す が, v。に 相 当 す る 電 界 の 一 部 が 常 に シ ー ス 外 へ 洩 れ て い る.こ の 洩 れ 電 界 は 浸 透 電 界 と も 呼 ぶ.

以 上 の よ うな シ ー ス モ デ ル を も と に,導 体 に 流 れ 込 む イ オ ン 電 流 に つ い て 考 え る.プ ラ ズ マ 領 域 で は,イ オ ン は ラ ン ダ ム な 熱 運 動 を 行 っ て い る の で,熱 拡 散 電 流1;(0)がC点 を 通 る 面 に 流 入 す る.C点 の 面 に 入 っ た イ オ ン 電 流 は,BC間 の 浸 透 電 界 に よ り加 速 され,急 速 に 増 大 してB 点 の シ ー ス 端 を 通 過 し,シ ー ス 内 に 流 入 す る.こ の 浸 透 電 界 加 速 電 流toは 中 性 ガ ス 粒 子 と の 衝 突 が 無 視 出 来 る場 合,以 下 の よ う に 求 め る こ と が で き る.イ オ ン 温 度T;がVoに 比 べ 小 さ く 無 視 出 来 る な ら ば,シ ー ス 端 に お け る イ オ ン の エ ネ ル ギ ー がVoの み で 決 ま り,シ ー ス 端 で の イ オ ン 速 度v;は 、 以 下 の よ う な イ オ ン の 質 量m;と 電 子 温 度T,の 関 数 で 表 せ る.

v;̲(2詳 圏 ρ(2‑4)

電 子 の エ ネ ル ギ ー が マ ク ス ウ ェ ル 分 布 で あ れ ば,シ ー ス 端 に お け る 電 子 密 度Ne(Vo)は プ ラ ズ マ 状 態 で の 電 子 密 度N.,(0)に 対 し 以 下 の よ う に な る.

凡 眠(・eVoexp‐kT

e)Ne(・1eXP‐2)廻 α61凡(・)(2‑5)

シ ー ス 端 で は 準 中 性 が 保 た れ て い る た めN;(vo)≒N,(Vo)で あ り,プ ラ ズ マ 中 で は 鑑(Vo)=N,(Vo)で あ る こ と か ら,結 局N;(vo)=0.61N,(Vo)と な り,

100.61N;(0}ev;SO.61N;(0)

m;

が 得 られ る.シ ー ス 内 の 電 流 は 引 き 続 き 電 界 に 加 速 さ れ 導 体 に 入 る が,シ ー ス 内 で は ほ ぼ イ オ ン で あ る た め,こ の 電 流 値 は 空 間 電 荷 制 限 電 流 に 等 し く な る.

2.3.2プ ラ ズマ 診 断 の概 要

プ ラ ズ マ の 性 質 や 振 る舞 い を知 る上 で 重 要 な プ ラ ズマ パ ラ メ ー タ を調 べ る こ とを プ ラ ズマ 診 断 と呼 ぶ.大 別 す る とプ ラズ マ の 診 断 方 法 に は探 針 法 と電 磁 波 法 の2種 類 が あ る.前 者 は プ ラ ズ マ 中 に 直 接 電 極 等 を挿 入 し,電 流 電 圧 特 性 を取 得 し,そ れ を解 析 す る こ とで プ ラ ズマ パ ラ メ ー タ を調 べ る方 法 ,後 者 はプ ラズマか ら放射 され る光 を分 光で直接検知,ま たはマイ ク ロ波,

レー ザ ー な ど を プ ラズ マ 中 に 入 射 し,そ れ らの相 互 作 用 の結 果 か らプ ラ ズ マ パ ラ メー タ を調 べ る方 法 で あ る.探 針 法 は電 極 を プ ラ ズマ 中 に挿 入 す る た め 比 較 的 低 密 度,低 温 の プ ラ ズ マ診 断 に適 用 され る.光 領 域 の 波長 を用 い る電 磁 波 法 は比 較 的 高密 度,高 温 の プ ラズ マ 診 断 に適 して い る.図2‑6に 各 診 断 方 法 で の 測 定 範 囲 を示 す.本 研 究 で は,探 針 法 を用 い て い るの で,探 針 法

につ い て詳 細 を 述 べ て い く.

103

 01 つ01  01 401

﹀︒詩.︒﹂=超︒き︒↑⊆￡

﹀︒爵︑︒詣︒﹂︒α∈︒↑⊆︒﹂も︒函

電 磁 波 法(レ ー ザ ー,分 光 等) 測 定 内 容:〜 。,Te,T

探 針 法

測 定 内 容:〜 。,TQ,VS エ ネ ル ギ ー 分 布 10‑2

101010121014101610'$1020102210241026 ElectronNumberDensity,N,/m3

図2‑6プ ラ ズ マ 診 断 法 の 測 定 内 容 と測 定 範 囲

2.3.3シ ン グ ル プ ロ ー ブ 法

プ ロ ー ブ は 小 さ な 金 属 電 極 で,プ ラ ズ マ 中 に挿 入 し た プ ロ ー ブ に 外 部 か ら電 圧[f

t,を 印 可 す る こ と で,電 子 あ る い は イ オ ン が 流 入 す る,図2‑7に シ ン グル プ ロ ー ブ の 概 要 を 示 す .プ ロー ブ 電 圧vpを 変 化 させ,プ ロー ブ 電 流11,を 測 定 す る と 図2‑8の よ う な 電 流 電 圧 特 性 が 得 られ る .こ の 電 流 電 圧 特 性 は プ ラ ズ マ 空 間 電 位vsと プ ロ ー ブ 電 流 が ゼ ロ と な る 浮 動 電 位ofを 境 に3つ の 部 分, (D飽 和 電 子 電 流 領 域,(2)減 速 電 界 領 域,(3)飽 和 イ オ ン 電 流 領 域 に 分 け る こ と が で き る.

図2‑7シ ン グ ル プR￣ 一一ブ 概 要

一ノ P」

ノ

CS

(1}

i (2)_'

1'し＼ ノ i i

」 μ

' ' 一

!

レア

「

(3) ^ノ1^{7一 一}

耽̲司

「+1

1㌧

呪s I p

図2‑8シ ン グル プ ロ ー ブ 電 流 電 圧 特 性

プ ラ ズ マ 粒 子 群 の エ ネ ル ギ ー 分 布 が マ ク ス ウ ェ ル 分 布 で あ り,プ ロ ー ブ が 空 間 電 位VS,即 ち 周 囲 の プ ラ ズ マ と 同 電 位 に あ る 場 合,プ ロ ー ブ に は プ ラ ズ マ の 熱 運 動 に よ る 熱 拡 散 電 流 が 流 入

し,電 子 に 関 して は,

IC5=1NeeveS4一 去M謝 ㌔(}7) イオンに関しては,

結 順3一 去卵 醐 ㌔(2‑8)

で 表 さ れ る.プ ロ ー ブ に は ノ,、と ノi、の 両 方 が 流 入 す る が,111,《117,で あ る た め,fe、 》1;Sと な り,プ ロ ー ブ に は 負 の 電 流(電 子 電 流)一 ノ(Vp)=‑/,、+11、が 流 れ る.

(D飽 和 電 子 電 流 領 域

プ ロ ー ブ 電 位 がVSよ り も 正 の 場 合,イ オ ン は プ ロ ー ブ 表 面 か ら 追 い 返 され,電 子 が 引 き 寄 せ ら れ る た め,プ ロ ー ブ 表 面 に は 電 子 シ ー ス が 形 成 さ れ 正 電 圧 の 増 加 と と も に 電 子 電 流 が 増 大 す る.電 子 シ ー ス と プ ラ ズ マ の 境 界 面 を 考 え る と,プ ラ ズ マ 側 か ら シ ー ス に 飛 び 込 ん で く る 電 子 束 は で あ る か ら,全 て が プ ロ ー ブ に 捕 集 され る と し て も,電 子 電 流 は あ る 値 で 飽 和 す る.し か し正 電 圧 を 極 端 に 増 や す と,シ ー ス 内 で 電 子 衝 突 電 離 が 生 じ,プ ロ ー ブ を 電 極 と して 放 電 が 始

ま り,電 子 が 急 激 に 増 大 す る.こ の 現 象 は プ ロー ブ の 焼 損 破 壊 に つ な が る.

(2)減 速 電 界 領 域

プ ロ ー ブ に よ りvsよ り も 負 の 電 圧 を 印 可 した 場 合,電 子 は プ ロ ー ブ 表 面 か ら 追 い 返 さ れ,電 子 電 流 の 流 入 が 減 少 す る.一 方,イ オ ン は プ ロ ー ブ 表 面 に 引 き 寄 せ られ イ オ ン シ ー ス が 形 成 さ れ イ オ ン 電 流 が 増 大 す る.し か し,電 子 電 流 は イ オ ン 電 流 に 比 べ 遥 か に 大 き い た め,プ ロ ー ブ に は 見 か け 上,依 然 と し て 電 子 電 流 が 流 れ る.負 電 圧 の 増 加 に 伴 い,負 の プ ロ ー ブ 電 流 も急 激 に 減 少 し,電 子 電 流 とイ オ ン 電 流 の 流 入 量 が 等 し く な るVfで ゼ ロ と な る.

電 子 の 平 均 自 由 行 程 が プ ロ ー ブ の 寸 法,イ オ ン シ ー ス の 厚 み に 比 べ て 十 分 大 き く,電 子 の エ ネ ル ギ ー が マ ク ス ウ ェ ル 分 布 で あ る 場 合,イ オ ン シ ー ス 内 で の 衝 突 が 無 視 で き る の で,こ の 領 域 で の 電 子 電 流 は 以 下 の よ う に 表 せ る.

i/z

le‐1NeeBkTeSP・exp‐eVp=leSexp‐eVP(2‑9)4 ,nmekTekTe

(3)飽 和 イ オ ン 電 流 領 域

プ ロ ー ブ 電 位 をVfよ り も 負 に 印 可 した 場 合,電 子 電 流 は 減 少 し イ オ ン 電 流 は 増 加 す る.プ ロ ー ブ 電 位 が 十 分 に 負 に 印 可 され る と

,電 子 は 全 て 追 い 返 さ れ,プ ロ ー ブ へ は イ オ ン 電 流 の み が 流 れ る よ う に な る.こ の と き の 電 流 値 は 式(2‑8)で 示 した 熱 速 度 に 依 存 し た 電 流 値 で は な く, 前 述 の 式(2‑4)で 表 さ れ る 電 子 温 度 に 依 存 した 値 と な る.

図2‑8中 の 実 線 部 分 が 測 定 され る 測 定 され る プ ロ ー ブ の 電 流 電 圧 特 性 で あ り,次 式 の よ う に 表 せ る.

±1,一 一1。+1;(2‑10)

即 ち,プ ロ ー ブ 電 流IPは 電 子 電 流1,と イ オ ン 電 流1;に 分 離 で き る.実 際 に は ,プ ロー ブ 電 圧 が 浮 動 電 位 よ り も 十 分 負 で あ る 領 域 に お い て,電 子 電 流 は プ ロ ー ブ に 入 り得 な い こ とか ら,こ の 領 域 でIpに 接 線 を 引 き,延 長 し た も の を イ オ ン 電 流1;と 見 な しIpを 外 挿 補 正 す る こ と に よ り電 子 電 流1。 を 得 る.

庵 子 温度Teの 算 出 法1

式(2‑9)の 両 側 で 自 然 対 数 を と り,さ ら にvで 微 分 し て 変 形 す る と,式(2‑9)は , dlnl̲ee

dV=一 π(2‑11)

と な る.す な わ ち,測 定 で 得 られ た 電 子 電 流1,を,対 数 表 示 す る と ,直 線 とな り,そ の 傾 きか らTeが 求 ま る.