(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場とプラズマが存在する真空に排気された容器内における磁場強度を求める磁場計測装置であって、
上記容器内に多価原子の中性粒子ビームを入射させる手段と、
該中性粒子ビームを照射することにより光電離するレーザービームを照射する手段と、を備えており、
上記光電離することにより、発生した多価原子の1価のイオンがサイクロトロン回転運動する際に発生する上記イオンの線発光のドップラー偏移量から磁場の傾きを求めるとともに、上記サイクロトロン回転運動の軌道径から磁場強度を求めることを特徴とする磁場計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁場計測装置に関し、特に、強力な磁場とプラズマの両者が存在する装置内の磁場の空間分布を測定する必要のある分野において用いられる磁場計測装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
従来のプラズマ中の磁場の計測法としては、小さなピックアップコイルをセラミック等の高耐熱性の絶縁物で覆った、いわゆる磁気プローブをプラズマ中に挿入し、磁場変動によって同コイルに発生する誘導電場を測定して磁場を求める方法が一般的に用いられている。
【０００３】
又、高速大容量の水素原子ビームをプラズマ中に入射して、水素原子が電離するまでの間にプラズマとの衝突により発光する線発光の、運動論的効果から発生する電場のシュタルク効果による波長の変化を測定する方法がある。
【０００４】
この測定方法では、磁場をB、水素原子ビームの速度をｖとすると、運動論的シュタルク効果による電場EはE=vxBとなり、この電場の強度とシュタルク効果による波長変化には一定の関係があるので、波長変化から電場の強度が求まり、ビーム速度は入射条件で与えられているので電場強度から磁場を求めることができる。
【０００５】
さらに、磁場中を伝播するレーザービームの偏光面が磁場により回転するファラデイ効果を利用して磁場分布を計測する方法も用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
磁気プローブを用いる方法は、最も簡単にプラズマ中の磁場を測定できる方法であるが、磁気プローブをプラズマ中に挿入するため、プローブからの不純物の発生などプラズマに影響を与えることが問題である。さらに、プラズマの温度が高くなるとプローブ自体がプラズマ粒子による損傷を受け破壊され計測ができなくなることが問題である。また、測定原理として電磁誘導作用を利用しているので、磁場変動がない場合には測定は不可能である。
【０００７】
運動論的シュタルク効果を用いる方法は、高エネルギーの大容量水素ビームを必要とするため、特殊な大型装置でないと利用が難しい。また、装置が大掛かりなものとなるため計測装置が非常に高価となることが問題である。
【０００８】
ファラデイ効果を用いる方法では、光の偏光面という測定の難しい量の計測が必要となることに加えて、計測される量がレーザービームの光路に沿った磁場強度分布の積分値となるため、磁場の空間分布を得るには多数の位置のレーザービームを用いるか、あるいは磁場分布の性質について特別の仮定を設けるなど、複雑な処理が必要となることが問題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、磁場とプラズマが存在する真空に排気された容器内における磁場強度を求める磁場計測装置であって、上記容器内に多価原子の中性粒子ビームを入射させる手段と、該中性粒子ビームを照射することにより光電離するレーザービームを照射する手段と、を備えており、上記光電離することにより、発生した多価原子の1価のイオンがサイクロトロン回転運動する際に発生する上記イオンの線発光のドップラー偏移量から磁場の傾きを求めるとともに、上記サイクロトロン回転運動の軌道径から磁場強度を求めることを特徴とする磁場計測装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る磁場計測装置実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
【００１１】
（本発明の原理）
本発明では、磁化プラズマ中に多価原子の中性粒子ビームを入射し、その中性粒子ビームに強力なレーザー光ビーム（単に、レーザービームという。）を照射して、中性粒子ビームを構成する多価原子を光電離により1価に電離する。電離により生成された多価原子イオンは完全電離ではないので、プラズマ電子との衝突励起による線発光が起こる。
【００１２】
一方、多価原子イオンはプラズマ中の磁場により磁力線に巻付く回転円運動（サイクロトロン運動）を行うが、この回転運動の回転軸の方向は回転運動円の中心点での磁力線の方向に一致する。
【００１３】
即ち、回転面は磁力線に垂直な平面内にあるので、観測点から見て磁力線が傾いていると、回転面も傾くことになる。サイクロトロン回転運動中のイオンからの線発光は回転運動の方向に従ってその波長がドップラーシフトを受ける。即ち、回転運動中に観測点方向に進む場合は波長が短くなり遠ざかる場合には波長が長くなる。
【００１４】
この回転による運動方向の変化で生じる波長変化の幅は、原子ビームイオンのエネルギー、ならびに、回転運動の中心点における磁力線の方向と回転運動の中心点と観測点を結ぶ直線とがなす角度によって決まる。波長の変化幅はこの角度が90度の場合に最も大きく、角度が小さくなるに従って小さくなり、角度0度、即ち、観測点から見て回転面が垂直となる場合にはゼロとなる。
【００１５】
原子ビームのエネルギーはビームの入射時に決めているので、波長の最大変化幅は計算で容易に求めることができる。この波長の最大変化幅と計測した波長の変化幅との比の大きさから、発光点における磁力線の傾斜角度を求めることができる。
【００１６】
この原理に基づく本発明に係る磁場計測装置では、プローブなどの測定機器をプラズマ中に挿入する必要はないので、測定によるプラズマへの悪影響、あるいは測定機器のプラズマによる損傷は原理的にありえない。また、電磁誘導作用に依存しないので変動のない磁場でも計測が可能である。
【００１７】
従来の運動論的シュタルク効果を用いる方法では、高いエネルギーの強力な中性粒子ビームを入射する必要があるが、ビーム入射装置が非常に高価なものになるため、磁場計測の目的だけに装置を導入することが困難である。特に小規模の装置では実際上不可能であるということができる。
【００１８】
これに対して本発明に係る磁場計測装置では、強力な中性粒子ビーム装置を必要としないので、機動的かつ経済的な計測が可能である。さらに、本発明に係る磁場計測装置では、レーザービームによる局所的なイオン化現象を利用するため、空間内の限定された位置近傍の狭い領域での磁場計測が可能であり、レーザービームが通過する線上の磁場の積分量が得られるファラディー回転を用いる方法と違って、磁場分布を求めるために複雑な解析を必要としない点が大きな利点である。
【００１９】
（実施例）
本発明の実施例を図1に示す。図1の容器１内は、図示されていない排気装置により真空排気され、図示されていない磁場コイルにより磁場が加えられている。この容器１内に、図示されていないプラズマ供給装置により、数十万℃以上の高温のプラズマが供給され、磁場により容器壁２から隔離されて閉じ込められている。
【００２０】
このプラズマ中に図１に示すように、中性粒子ビーム発生装置３で発生した多価原子の中性粒子ビーム４を中性粒子ビーム入射装置５で入射する。さらに、レーザー光パルス発生装置６で発生したレーザービーム７を、レーザービーム照射装置８で、上記中性粒子ビーム４中に該中性粒子ビームと所定の角度をなして入射する。
【００２１】
図１では、所定の角度として直角の角度で入射する場合が示されている。レーザービーム７を中性粒子ビーム４上に集光し、この集光する点（集光点）９で中性粒子ビームを構成する多価原子を光電離する。
【００２２】
光電離した多価原子イオンはその点９の磁場に直角な平面上を磁力線に巻きつく旋回運動（サイクロトロン運動）を行いながらプラズマ中の電子と衝突して励起され線発光する。この線発光を図に示すように容器の外側に設けた受光装置１０により集光し、分光計測装置１１へと導く。
【００２３】
多価原子イオンの線発光のスペクトルはサイクロトロン運動によりドップラー偏移を受けるので、このドップラー偏移量を分光計測装置１１を用いて測定することにより、計測点と発光点を結ぶ線と磁力線のなす角度を求めることができる。
【００２４】
他の手段により磁力線の存在する平面が知られている場合には、中性粒子ビームをその平面に垂直に入射することにより、この角度の計測により磁力線の角度を求めることができる。そうでない場合には、適当な他の２箇所の計測点を設けて同様の計測により角度を求め、三つの角度の値を総合的に解析することにより、実験室座標軸におけるの磁力線の角度を求めることができる。
【００２５】
また、荷電粒子の磁場中のサイクロトロン回転運動の半径は、粒子エネルギーと粒子の質量の積の平方根に比例し、磁場強度と粒子の電荷数に反比例することが知られている。粒子エネルギーと粒子の質量は計測に用いる中性粒子ビームにより決まっており、また、イオン化した粒子の荷電数は線発光の波長で選択が可能である。本発明ではレーザービームによる局所的な電離を利用しているので、荷電粒子はほぼ単一のサイクロトロン回転運動をする。
【００２６】
従って、回転運動による線発光の空間的な広がりから、サイクロトロン回転運動の半径を求めることが可能であり、このサイクロトロン回転運動の半径の値から、回転運動の円内の平均磁場の強度を求めることができる。
【００２７】
さらに、単発のレーザー光パルス発生装置ではなく、繰り返しの早いマルチパルスレーザー光発生装置を使用すれば、本発明により磁力線方向と磁場強度の時間的な変化を追跡することも可能となる。
【００２８】
以上、本発明に係る磁場計測装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、このような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明によれば次の効果が生じる。
（１）本発明により、小電力で小型の中性粒子ビーム発生装置とレーザー光パルス発生装置、ならびに分光計測装置の組み合わせで、高温プラズマ中の磁力線の方向と磁場の強度を、プラズマに大きな影響を与えることなく測定することが可能となる。
【００３０】
（２）局所的な磁場計測が可能となる。
（３）高繰り返しマルチパルスレーザー光パルス発生装置を用いることにより、磁力線方向と磁場強度の時間変化が測定可能となる。
（４）磁場計測のため、大掛かりな強力中性粒子ビーム装置を必要としないので、計測の機動性と経済性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁場計測装置の実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
１    容器
２    容器壁
３    中性粒子ビーム発生装置
４    中性粒子ビーム
５    中性粒子ビーム入射装置
６    レーザー光パルス発生装置
７    レーザービーム
８    レーザービーム照射装置
９    レーザービームの中性粒子ビーム上への集光点
１０    受光装置
１１    分光計測装置
【図１】
0003677545.tif 000002