(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電室の内壁に複数の電極片を薄膜状の絶縁体を介して密着して固定し、
前記電極片を冷却する冷却手段と、
前記電極片表面に多極磁場を形成して放電を閉じ込める多極磁場形成手段と、を前記放電室の外周に設け、しかして各々の前記電極片に位相制御多出力交流電源を供給してなる位相制御多電極型交流放電装置。
【請求項２】
前記電極片を、薄い板状にし、かつ両端部を密に中央部を疎に配列することを特徴とする請求項１に記載の位相制御多電極型交流放電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度で大容量の弱電離低温プラズマを効率的に安定して発生する新しい放電装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
低ガス圧力下の弱電離低温プラズマにおいて、中性ガス温度が室温程度であることが、種々の材料に熱的な変形、変質を伴わせずにプラズマによる処理を可能ならしめている。この特徴は、繊維やプラスチックなどの特に熱に弱い材料の処理や表面への被膜形成において、大変有用である。
【０００３】
低温プラズマを利用するこれら被膜形成技術において、低温プラズマの高密度化は重要な位置を占める。高密度プラズマが得られれば、より低い圧力下での放電維持が可能となり、各種被膜の膜質改善や堆積速度の向上などを図ることができるからである。
【０００４】
そこで従来では、マグネトロン放電装置に見られるように、低温プラズマを高密度化するため、別途に磁界を加えることが行われていた。
マグネトロン放電装置は、電界と直交する磁界を加えることで電子にドリフト運動を起こさせ、ガス原子との衝突確率を上げてイオン化効率の向上を意図するものであり、これによって低圧力下でも安定して放電を維持することが可能となり、被膜形成の高速化と低温化を実現する。
【０００５】
このマグネトロン放電装置を含め、従来の放電装置における低温プラズマを発生させるための電極の形状や配置は、応用対象の要求によって異なるが、形状が平板あるいは円柱状の電極群を円周あるいは直線状に配置するのが一般的であった。
【０００６】
これらの電極は、その形状や配置のために冷却効率が低く、あまり冷却されないので大きなパワーを投入することができず、放電面積も小さいので電極間に高密度なプラズマを広範囲にわたって均一に発生させることが困難であった。
【０００７】
マグネトロン放電装置の場合は、電極に装着した磁石が放電によって電極が加熱されても、磁石の温度をキュリー温度以下に保つように冷却する必要がある。
また、磁石を移動させて円周状に配置した電極の外周を回転させたり、直線状に配置した電極の背後を摺動させるとプラズマを均一化する効果があるが、従来の電極に磁石を装着する方法では磁石を移動させることが困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、放電電極を複数の電極片に分割して位相制御多出力交流電圧を印加する位相制御多電極型交流放電電極の形状と配置を工夫することにより、電極の冷却効率を高めること、放電面積を大きくすること、磁石の利用を容易にすることなどを目的になされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成した。
【００１０】
すなわち、放電室の内壁に複数の電極片を薄膜状の絶縁体を介して密着して固定し、
前記電極片を冷却する冷却手段と、
前記電極片表面に多極磁場を形成して放電を閉じ込める多極磁場形成手段と、を前記放電室の外周に設け、しかして各々の前記電極片に位相制御多出力交流電源を供給してなる位相制御多電極型交流放電装置である。
また、前記電極片を、薄い板状にし、かつ両端部を密に中央部を疎に配列してもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１と図２に、本発明を実施した円筒形放電装置の部分横断面図（図２のＡ−Ａ´面）と部分縦断面図（図１のＢ−Ｂ´面）を示す。
放電装置１は、６片の断面円弧形分割電極２を縦方向に僅かな間隙２ａを空けて円周状に配列し、絶縁シート３を介して円筒状の真空容器４の内壁に後述する方法で密着して固定する。
【００１３】
真空容器４は水冷式二重管を形成し、冷却水５を流して真空容器４の内壁に密着する６片の分割電極２を冷却する。
真空容器４の外壁には、隣り合う極性を逆にして配列した６本の棒状磁石６を、間隙２ａに沿って密着して固定し、さらにその外周を円筒状の磁気シールド管７で覆う。
【００１４】
６片の分割電極２には、位相が１／６周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの６個の交流電源（図示しない）を給電線（図示しない）を介して後述する方法で接続する。
【００１５】
本発明の放電装置は以上のような構成で、真空容器４内を排気装置（図示しない）によって真空排気し、６片の分割電極２に１ｋｗ以下の多相交流を給電して放電電気エネルギーを供給する。
これにより、図３に示すように、真空容器４の内壁に沿って安定な交流グロー放電が生じる。
【００１６】
図３は、本発明の円筒形放電装置の部分横断面（図２のＡ−Ａ´面）における磁力線と放電（プラズマ）の閉じ込めの様子を示す。
図中の矢印付き直線および上下方向を示す記号は、分割電極２中央部の近傍における円周方向の磁場と径方向の電場の向きを表し、ａは放電（プラズマ）領域を表す。
隣り合う磁石６の極性が反対なので、磁力線が分割電極２を覆うようにできる。
従って、放電は各々の分割電極２表面近傍の中央部に閉じ込められる。
分割電極２近傍における交流電界の向きは、対辺の位置にある分割電極２との電位差が最も大きいので、分割電極２表面に略垂直な正あるいは負の方向（径方向）になる。
【００１７】
図４と図５に、本発明を実施した他の例として、角筒形放電装置の部分横断面図（図５のＡ−Ａ´面）と部分縦断面図（図４のＢ−Ｂ´面）を示す。
放電装置１は、角筒状の真空容器４の内壁の対向する二面（電極面）に、それぞれ４片の平板状分割電極２を僅かな間隙２ａを空けて、縦方向に直線状に配列し、絶縁シート（層）３を介して真空容器４の内壁に後述する方法で密着して固定する。
【００１８】
真空容器４の電極面は水冷式二重壁を形成し、冷却水５を流して真空容器４の内壁に密着するそれぞれ４片の分割電極２を冷却する。
真空容器４の電極面外壁には、隣り合う極性を逆にして配列したそれぞれ５本の棒状磁石６を、電極面両端と間隙２ａに沿って密着して固定し、さらにその外側を磁気シールド板７で覆う。
【００１９】
８片の分割電極２には、位相が１／８周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの８個の交流電源（図示しない）を給電線（図示しない）を介して後述する方法で接続する。
【００２０】
本発明の角筒形放電装置は以上のような構成で、真空容器４内を排気装置（図示しない）によって真空排気し、８片の分割電極２に１ｋｗ以下の多相交流を給電して放電電気エネルギーを供給する。
これにより、図６に示すように、真空容器４の内壁に沿って安定な交流グロー放電が生じる。
【００２１】
図６は、本発明の角筒状放電装置の部分横断面（図５のＡ−Ａ´面）における磁力線と放電（プラズマ）の閉じ込めの様子を示す。
図中の矢印付き直線および上下方向を示す記号は、分割電極２中央部の近傍における磁場と電場の向きを表し、ａは放電（プラズマ）領域を表す。
隣り合う磁石６の極性が反対なので、磁力線が分割電極２を覆うようにできる。
従って、放電は各々の分割電極２表面近傍の中央部に閉じ込められる。
分割電極２近傍における交流電界の向きは、対辺の位置にある分割電極２との電位差が最も大きいので、分割電極２表面に略垂直な正あるいは負の方向（Ｘ方向）になる。
【００２２】
以下に、放電装置の適用対象に合わせた分割電極２の形状と配置について説明する。
図７に、分割電極２のいろいろな形状例を示す。
図（ａ）は、薄い板状の分割電極２で、放熱効率が良いので、放電による電極の加熱を極力抑えるときに有効である。
図（ｂ）は、一側を軸線に平行な平面で切除した円柱の分割電極２で、電極の放電面積を大きくしたり、隣接する電極間の放電を積極的に利用するときに有効である。
図（ｃ）は、表面に多数の小突起を形成した分割電極２で、小突起の先端に電界が集中するので、例えば雰囲気ガス圧力がかなり低いか高いときなど、放電が発生しにくい条件のときに有効である。
【００２３】
図８に、分割電極２のいろいろな配置例を示す。
図（ａ）は、同形の薄い板状の分割電極２を等間隔に配置する例で、放電およびプラズマ生成が各電極で同じように行われるので、電極を円周状に配置するときに有効である。
この場合、円周方向から中心に向けて一様な放電が発生する。
図（ｂ）は、同形の薄い板状の分割電極２を不等間隔に配置する例で、両端部が密で、中央部を疎に配置する。
電極を密に配置した部分でプラズマ生成が盛んになるので、電極を平面状に配置するときに有効である。
この場合、等間隔に配置するときに比べ、両端部におけるプラズマ密度が高くなるので、プラズマが平面上に一様に分布するからである。
【００２４】
以下に、分割電極２を真空容器４の内壁に密着して固定する方法について説明する。
密着方法の第一は、接着剤による方法である。
この方法は、接着剤を使って絶縁シート３を真空容器４の内壁に貼付し、次にまた、接着剤を使って分割電極２を絶縁シート３の上に貼付する方法である。
この方法は、制作が簡単なことが利点であるが、接着剤の耐熱温度が高くない、減圧下や高温下でガスを放出する、剥すのが難しいので分割電極２や絶縁シート３の一部に不具合が生じても全部を交換することになる、などの欠点がある。
【００２５】
真空容器４の内壁に絶縁シート３や分割電極２を直接貼らずに、ベースとなる薄い金属板などに一旦貼付したものを、圧接リングなどを使って真空容器４の内壁に密着して固定してもよい。
この場合は、電極部の着脱が可能なので、電極の数、形状、配置などが異なるいくつかのセットを用意しておけば、用途に応じて電極部を交換できる。
【００２６】
接着剤による方法の工作上の難点は、接着剤が固まるまで所要の圧力をかけて形を保持する機械的工夫と、これらの機械装置を含めた電極部全体を恒温槽などに入れて接着剤の固化温度まで昇温しなければならないことである。
【００２７】
接着剤による具体例として、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３０４磨きステンレスのベース薄板の上に、熱伝導性と電気絶縁性が共に良い厚さ０．８ｍｍの窒化ボロン絶縁シートを耐熱温度が３５０°Ｃの高温硬化タイプ（１５０°Ｃ、１分）エポキシ系接着剤を用いて貼り付け、さらに、その上に厚さ０．３ｍｍの６分割チタン電極を同じ接着剤により貼り付けて、内径１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒形放電装置を構成する。
【００２８】
密着方法の第二は、ねじ止めによる方法である。
この方法は、ねじ穴あるいは取り付けフランジなどを真空容器４の内壁にあらかじめ用意し、絶縁シート（層）３を介して分割電極２をねじ止めして機械的に密着して固定する。
この方法の利点は、耐熱温度の高い絶縁シートを用いれば接着剤による方法より高温で利用可能なこと、絶縁シートと電極を一体化してパーツ化すれば、一部の絶縁シートや電極の特性が劣化しても、ねじ止めを外して一部を交換できること、などである。
この方法の欠点は、ねじ止め箇所が少ないと壁への密着が十分でないこと、あらかじめ用意したねじ穴によって、装着できる電極の数、形状、配置が限定されること、などである。
【００２９】
密着が十分でないと、電極から絶縁シートを介して壁への熱伝導が低下して冷却効率が落ちる。
また、壁、絶縁シート、電極との間にガスが入り込み、減圧下で放電するとき排気に時間が掛かるようになる。
【００３０】
ねじ止めねじについて工夫する点は、ねじをねじ穴に挿入するときに閉じ込められるガスを抜くために、ねじの軸線に沿って通孔を穿つことである。
【００３１】
ねじ止めによる具体例として、厚さ０．８ｍｍの６分割した窒化ボロン絶縁シートと、厚さ５ｍｍの６分割したグラファイト電極を、それぞれ重ねて一組の電極を構成し、装置内壁と同じ内径の２本のテフロンリングを装置内壁の上端部と下端部に挿嵌し、このテフロンリングの内側にねじ穴を明けてねじ止めして、内径１００ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒形放電装置を構成する。
【００３２】
密着方法の第三は、溶射による方法である。
この方法は、装置内壁にアルミナ・セラミックなどを溶射して必要な電気絶縁特性を持つ層厚を形成し、さらに、その上にチタンなどの導電性物質を溶射して適当な厚さの電極を形成する。
あるいは、装置内壁に粘土状の未燒結のアルミナ・セラミックなどを吹き付けて電気絶縁層を形成し、さらに、その上に粘土状のチタンなどの導電性物質を吹き付けて電極を形成し、装置全体を加熱炉に入れて熱溶融処理（ホーロー引き）する。
【００３３】
溶射による方法の利点は、絶縁層の耐熱温度が高いこと、各層間の密着度が高いので壁への熱伝導が大きく冷却効率が良いこと、また、各層間にガスがほとんど残留しないこと、などである。
溶射による方法の欠点は、装置内壁や絶縁層へ溶射するときや、ホーロー引きするときに、相当な熱負荷が装置全体に掛かること、一部の絶縁層や電極の特性が劣化しても装置全体を交換しなければならないこと、などである。
【００３４】
以下に、分割電極２へ多相交流を給電する方法について説明する。
通常の放電は、２つの電極間で発生させるので、２本の給電線（１つの電極をアース電位とする場合は、１本の給電線）を装置内部に導入して電極に接続すればよい。
本発明の放電装置の分割電極２は、多電極間で放電を発生させるので、多数の給電線を装置内に導入し、それぞれの分割電極２に位相制御（調整）された多出力の交流電源を接続しなければならない。
給電線の本数が多くなるほど、電気絶縁性と減圧下では真空気密性を保ちながら、装置内部に給電線を導入し（ブッシング）、それらをそれぞれの電極に接続するのが難しくなる。従って、分割電極２へ簡単に給電するための適当な工夫が必要になる。
【００３５】
図９に、分割電極２へ多相交流を給電する装置の断面図を示す。
給電装置は、位相制御電源の出力数と同数か、あるいはその倍数の電気絶縁性と真空気密性を兼ね備えたブッシング８を真空容器４に取り付け、そこからそれぞれの分割電極２へ給電線９を接続する。
従来の放電装置の電極は、装置内壁から離れて設置されるので、装置の適当な箇所にブッシングを取り付け、そこから電極へ接続する給電線を導入していた。
本発明の放電装置１の分割電極２は、薄い絶縁シート３を介して真空容器４の内壁に密着しているので、それぞれの分割電極２の裏面からブッシング８を通して給電線９の接続が可能である。
【００３６】
すなわち、セラミックなどで形成する絶縁性外管８ａと、銅などで形成する導電性内管８ｂを持つブッシング８を、磁気シールド外套７、真空容器４外壁、冷却水５、真空容器４内壁、および絶縁シート３で構成する放電装置１の壁面に貫通する。そして、導電性内管８ｂの一端に給電線９を接続し、導電性内管８ｂの他端を分割電極２の裏面に当接して給電線９と分割電極２を電気的に接続する。
このとき、真空容器４の外壁や内壁における防水性や気密性を保持する。
また、絶縁シート３を貫通するときの、導電性内管８ｂの電気絶縁性を保持する。
【００３７】
分割電極２に導電性内管８ｂを接続する方法は、分割電極２を真空容器４の内壁に密着して固定する方法によって異なる。
接着剤による方法では、導電性内管８ｂの先端に雄ねじ加工を施し、分割電極２の裏面にねじ穴を明け、これに導電性内管８ｂの先端をねじ込んで接続する。
このとき、接着剤でねじとねじ穴の間隙を封じるようにする。
【００３８】
ねじ止めによる方法では、後述するように、給電線９を接続した導電性内管８ｂの先端に雌ねじ加工を施し、このねじでおもて面からねじ止めして分割電極２を真空容器４内壁に密着して固定する。これにより、１本のねじで分割電極２への給電と分割電極２の真空容器４内壁への固定を行う。
【００３９】
溶射による方法では、溶射の前にあらかじめブッシング８を真空容器４に取り付けておく。そして、真空容器４の内壁に絶縁層を吹き付け、その後で、真空容器４の内壁に突出するブッシング８の絶縁性外管８ａを取り除いて導電性内管８ｂを露出し、これに導電性の分割電極２を吹き付ける。
これにより、分割電極２と導電性内管８ｂを電気的に接続する。
【００４０】
以上の方法は、多芯ブッシングなどを用いて給電線９を真空容器４内部に一旦導入して各分割電極２に接続する場合に比べ、内部配線を省略できる実用上の利点がある。電極の数が多く、配線数が多いほど、この効果は大きい。
【００４１】
図１０、図１１および図１２に、ねじ止めにより分割電極２の給電とその上端部の固定を行う円筒形放電装置１を示す。
図１０は、装置の上側フランジ１ａの横断面図（図１１のＡ−Ａ´面）であり、図１１は、真空容器４の縦断面図である。図１２は、ねじ止めにより分割電極２の下端部の固定を行う下側フランジ１ｂの横断面図（図１１のＢ−Ｂ´面）である。
上側フランジ１ａは、耐熱性の絶縁物（テフロン、セラミックなど）で形成し、真空容器４の内壁に密着する各分割電極２に向けて放射状のブッシング８が真空気密性を保ちながら貫通する。
【００４２】
上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂは、Ｏリング（図示しない）により真空気密性を保ちながら真空容器４の上端部と下端部に取り付ける。
このとき、上側フランジ１ａと真空容器４および下側フランジ１ｂの内径を厳密に同じにすると共に、ブッシング８の内壁側先端部が内側に突出しないようにする。
【００４３】
ブッシング８の内壁側先端部には雌ねじ８ｃを形成し、雌ねじ８ｃにねじ１０を螺合して分割電極２の上端部を絶縁シート３を挟んで上側フランジ１ａの内壁に固定する。
ここで、ブッシング８の外壁側先端部は上側フランジ１ａの外周まで伸びているので、ブッシング８の外壁側先端に露出する導電性内管８ｂに給電線９を接続すれば、分割電極２と給電線９は電気的に接続されることになる。
【００４４】
分割電極２は、真空容器４の内壁に直接ねじで固定しないで、上端部と下端部をそれぞれ上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂの内壁にねじ１０で固定する。
このとき、上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂおよび真空容器４の内径が同じなので、分割電極２は絶縁シート３を介して真空容器４の内壁に密着する。
【００４５】
下側フランジ１ｂは、耐熱性の絶縁物で形成し、真空容器４と同じ内径を持ち、真空容器４の下端部をシールすると共に、中心に可動リング１１を内接し、この可動リング１１の内壁に各分割電極２を取り付けるねじ１０のねじ穴を放射状に配置する。
この可動リング１１は、放電による発熱で分割電極２が膨脹し、長さ方向に伸びたとき、可動リング１１が下降して、この伸びを吸収することができる。
【００４６】
可動リング１１の外周に位置する下側フランジ１ｂは、可動リング１１の移動空間を確保するのと、可動リング１１外周の真空気密性と電気絶縁性を保つために設けられたもので、可動リング１１より内側を少し大きくしている。
【００４７】
図１３に、分割電極２を取り付けるねじ１０の縦断面図を示す。
ねじ１０は、雌ねじ穴に挿入したとき、ねじ穴の底に取り残されるガスを抜くために、ねじ１０の軸線に沿って通孔を穿つ。
あるいは、ねじ１０の一側を軸線に平行な平面で切除してもよい。
【００４８】
実際の装置においては、図１１の上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂの上および下に放電予備室や真空排気部分を取り付ける。
また、複数の真空容器４の上側フランジ１ａと下側フランジ１ｂを連結して、適用対象を長くすることができる。
【００４９】
図１４、図１５およに図１６に、ねじ止めにより分割電極２の給電と上端部の固定を行う角筒形放電装置１を示す。
図１４は、上蓋部１ａの横断面図（図１５のＡ−Ａ´面）であり、図１５は、真空容器４の縦断面図である。図１６は、ねじ止めにより分割電極２の下端部の固定を行う下蓋部１ｂの横断面図（図１５のＢ−Ｂ´面）である。
上蓋部１ａは、耐熱性の厚板の絶縁物で形成し、真空容器４の内壁に密着する各分割電極２に向けてブッシング８が真空気密性を保ちながら貫通する。
【００５０】
上蓋部１ａと下蓋部１ｂは、真空気密性を保ちながら真空容器４の上端部と下端部に取り付ける。
このとき、上蓋部１ａと真空容器４および下蓋部１ｂの内壁面を厳密に同一平面上に位置させると共に、ブッシング８の内壁側先端部が内側に突出しないようにする。
【００５１】
ブッシング８の内壁側先端部には雌ねじ８ｃを形成し、雌ねじ８ｃにねじ１０を螺合して分割電極２の上端部を絶縁シート３を挟んで上蓋部１ａの内壁に固定する。
ここで、ブッシング８の外壁側先端部は上蓋部１ａの外側まで伸びているので、ブッシング８の外壁側先端に露出する導電性内管８ｂに給電線９を接続すれば、分割電極２と給電線９は電気的に接続されることになる。
【００５２】
分割電極２は、真空容器４の内壁に直接ねじで固定しないで、上端部と下端部をそれぞれ上蓋部１ａと下蓋部１ｂの内壁にねじ１０で固定する。
このとき、上蓋部１ａと下蓋部１ｂおよび真空容器４の内壁面が同一平面上にあるので、分割電極２は絶縁シート３を介して真空容器４の内壁に密着する。
【００５３】
下蓋部１ｂは、耐熱性の絶縁物で形成し、真空容器４と同一平面上に内壁を持ち、真空容器４の下端部をシールすると共に、中心に可動フレーム１２を内接し、この可動フレーム１２の内壁に各分割電極２を取り付けるねじ１０のねじ穴を配置する。
この可動フレーム１２は、放電による発熱で分割電極２が膨脹し、長さ方向に伸びたとき、可動フレーム１２が下降して、この伸びを吸収することができる。
【００５４】
可動フレーム１２の外側に位置する下蓋部１ｂは、可動フレーム１２の移動空間を確保するのと、可動フレーム１２外周の真空機密性と電気絶縁性を保つために設けられたもので、可動フレーム１２より内側を少し大きくしている。
【００５５】
以下に、分割電極２に位相制御多出力交流電源を接続して、放電による電極自身をターゲットとするスパッタ・コーティングを行う場合、各電極の損耗を空間的にできるだけ均一化する方法について説明する。
図３あるいは図６に示すように、放電（プラズマ）領域は多極磁場により、各電極の一部の狭い領域に閉じ込められるので、スパッタによる電極の損耗はこの領域でのみ大きくなる。
この領域の損耗が電極の下地まで達したとき、電極を交換しなければならないので、電極のターゲットとしての利用率を上げるためには、電極の損耗箇所を移動させ、電極全体をできるだけ均一に損耗させる工夫が必要である。
【００５６】
損耗箇所、すなわち、放電領域を移動させるには、従来のマグネトロン・スパッタ装置でもよく行われるように、多極磁場の分布を移動させればよい。
すなわち、多極磁場を発生させる永久磁石あるいは磁場発生コイルを空間的に動かし、電極表面における放電箇所を移動して電極表面の損耗を均一化する。
図１７、図１８および図１９に、本発明の放電装置１の分割電極２の場合の多極磁場の動かし方をモデル的に示す。ここでの磁場は永久磁石６で発生させる。
図１７は、分割電極２の表面中央に、図１８と図１９は、それぞれ分割電極２の左端と右端に放電（プラズマ）領域がある場合の多極磁場（磁力線）の配位である。真空容器４の外側に設けた永久磁石６の位置を左右に移動させることにより、多極磁場配位がシフトして、分割電極２の表面における放電（プラズマ）の発生領域が移動する。この移動を適当に調整することにより、分割電極２の表面の損耗を均一化することができる。
【００５７】
図２０と図２１に、円筒形放電装置１において多極磁場を形成する永久磁石６を真空容器４外壁に取り付け、真空容器４の外周に沿って往復摺動させる機械的機構の横断面図と縦断面図を示す。
永久磁石６の摺動を容易にするため、薄いテフロンシートを真空容器４外壁に被せ、真空容器４の外周を取り囲む磁気シールド管７に一体に取り付けた６本の棒状永久磁石６を当接する。
磁気シールド管７には、ラック形歯車１３を取り付け、歯合する円形歯車１４を正逆方向に回転させることにより、永久磁石６を真空容器４の外周に沿って往復摺動させる。
【００５８】
以下に、コイルに電流を流して永久磁石と同じ磁場を発生させる方法と、複数のコイルに流す電流を切り換えて磁場を移動させる方法、および円筒形放電装置において磁場を移動させる具体的な方法について説明する。
図２２に示すような、磁化の強さがＭで、磁化方向の厚さがｄｈ、面積ベクトルがｄＳの円柱状の微小永久磁石を考える。
これと等価な磁場を発生する電流ｄｉ（方向およびその大きさ）は、２つの場合において磁気モーメントが等しいので、数式１より求められる。
【数１】
0003699793.tif 000002
ここで、左辺の・はベクトルの内積を表す。数式１より、等価電流は数式２となり、永久磁石の磁化の強さ、方向および磁化方向の磁石の長さから求められることが分かる。
【数２】
0003699793.tif 000003
ここで、等価電流の流れる方向は、等価（環路）電流が流れに沿って囲んで作る面の面積ベクトルｄＳの向きと磁化ベクトルＭの向きとが同じになる方向である。面積ベクトルの向きの定義は、電流の流れる向きに沿って右ねじを回したとき、右ねじの進む方向である。
図２２の場合、等価電流は円柱状永久磁石の厚さｄｈの縁に沿って、左回りに流れる環路電流となる。
【００５９】
図２３に、磁化の強さがＭ、磁化の方向の厚さがｈ、磁化されている面の面積の大きさがＳ（＝幅ｗ×長さｇ）である棒状永久磁石に対する、磁化の等価電流ｉを示す。数式２より、等価電流の大きさは、数式３となり、その向きは等価電流が流れに沿って作る面積ベクトルと磁化の方向が同じになる方向である。
【数３】
0003699793.tif 000004
すなわち、磁化の等価電流は、磁化の方向と平行な厚さｈ面に沿って左回りに流れ、大きさが数式４の環路電流となる。
【数４】
0003699793.tif 000005
【００６０】
図２４と図２５に、棒状永久磁石の磁化の等価電流を流すための、等価電流コイルの実際の巻き方を示す斜視図と横断面図を示す。
等価電流コイルは、等価電流の流れる面に沿ってコイルを巻き、等価電流の流れる向きと同じ向きに電流Ｉを流す。このとき、Ｉの値はコイルの巻き数をＮとすると、数式５となる。
【数５】
0003699793.tif 000006
【００６１】
図２６と図２７に、内径がｄ1 、外径がｄ2 、厚さがｗ、磁化の方向が径方向、磁化の強さがＭである円筒形永久磁石の場合における、表側表面を左回りに流れる磁化の等価電流ｉおよび裏側表面を右回りに流れる同じ大きさの磁化の等価電流ｉをそれぞれ示す。ここで、磁化の強さは中心からの距離、すなわち、半径に依存せず一様であると仮定する（実際は、このように磁化することは難しい）。
磁化の等価電流は、見かけ上、表裏２面に分離してしまうが、これは、図２８に示すように、円筒磁石の微小部分に対する磁化の等価電流を合成してゆく過程で、表裏２面を繋ぐ電流成分が相殺されるからである。
【００６２】
図２６と図２７における磁化の等価電流ｉを、図２８における微小部分に対する等価電流ｄｉから求める。
図２８に、円筒磁石の下側表面の中心を原点とする円筒座標において、円筒磁石の微小構成部分を示す。半径方向および方位角方向に積分してゆくと、全体の磁化の等価電流が求められる。
図２８より、この微小部分における等価電流は、裏面から厚さ方向の側面を通り表の面に達し、反対側の側面を通り、再び裏面に戻る環路電流となる。
ここで、方位角方向に積分してゆくと、厚さ方向の側面を上下に流れる電流成分は打ち消し合うことが分かる。従って、結果的に、表裏２面にのみ大きさが同じで向きが反対の方位角方向に流れる環路電流だけが残る。
【００６３】
図２８において、半径位置ｒにおける磁化の等価電流の値は、磁化の強さがＭであるので、数式６より、数式７となる。両辺をｒで積分すると、数式８となり、図２６と図２７における磁化の等価電流が求まる。
【数６】
0003699793.tif 000007
【数７】
0003699793.tif 000008
【数８】
0003699793.tif 000009
【００６４】
図２９と図３０に、円筒形永久磁石の磁化の等価電流を流すための、等価電流コイルの実際の巻き方を示す斜視図と横断面図を示す。
ここで、円筒状磁場コイルを２つ割りにして、円筒形放電装置に取り付けることを念頭においたので、片側半分のコイルのみを示す。
コイルの巻き方は、図２８に示す微小部分の等価電流の流れ方と同じように、裏面を内側から円周に沿って巻き、端に達したら右断面を通り、表の面を円周に沿って巻き、端に達したら左断面を通り、再び裏面に戻る。この巻き方を内側から外側に向かって繰り返し、表裏２面一杯にコイルを巻いてゆく。
半割コイルが２つ出来上がったら、２つを合わせて円筒コイルにする。
このとき、断面の部分の電流は、２つのコイルのこの部分の電流の向きが反対なので相殺される。
コイルに流す電流Ｉは、コイルの巻き数をＮとすると、数式９となる。
【数９】
0003699793.tif 000010
【００６５】
図３１に、同規格の４個の電流コイルを１組とし、隣り合う組同士の電流の向きを反転しながら幾組かを並べて構成した多極磁場を示す。ここで、実線の磁力線は、各組の１および２番コイルにのみ電流が流れた場合の磁力線を示す。
一方、破線の磁力線は、各組の３および４番コイルにのみ電流が流れた場合の磁力線を示す。
【００６６】
図３２は、永久磁石を用いて、図３１と等価な多極磁場を構成した場合の磁石の配置を示す。ここで、実線および破線で示す磁力線および配置図は、それぞれ図３１の実線および破線で示す磁力線の場合に対応する。
【００６７】
図３１より、１組のコイルにおいて、コイルに流す電流を１および２番から３および４番へと切り換えることにより、図３２に示すように、機械的に永久磁石を移動させなくても、磁場を移動させることができることが分かる。
【００６８】
図３１において、コイル幅がこれと等価な永久磁石の幅ｗの半分になっているが、これは、コイルに流す電流を順番に切り換えたとき、発生する磁場をできるだけ滑らかに移動させるためである。コイルの分割数を多くすればするほど移動は滑らかになるが、構成は複雑になり、また、分割数分だけのコイル励磁用電源が必要になる。
【００６９】
図３３に、図３１に示すように磁場を移動する場合の、１組の中の４個のコイルに流す電流の時間調整の例を示す。但し、コイルの巻き芯（コア）は空芯あるいは非磁性体であるとする。コアが磁性体の場合は、電流値の変化に対し発生する磁場（磁束密度）にヒステリシスが生じるので、それを補正するような電流調整をする必要がある。
【００７０】
図３３の電流遷移図において、同時に給電するコイルの全体の幅が、図３２の永久磁石の幅ｗとできるだけ同じになるように、さらに、コイル電流により発生する磁場が左から右、そして再び、右から左へと空間的にできるだけ一様に移動するように、それぞれのコイルへの放電時間を調整する。
【００７１】
図３３の時刻ｔ＝ｔ1 およびｔ＝ｔ2 におけるコイル電流状態において、図３１の実線および破線の磁力線で示す磁場が、それぞれ構成される。
【００７２】
図３４に、６分割した壁密着型電極２を持つ円筒形放電装置において、１組のコイル群が６個のコイルよりなる６組のコイル群を装置外周に取り付け、コイルに流す電流を順番に切り換えることにより、多極磁場を円周方向に移動する装置の構成例を示す。
永久磁石と等価な磁場を幅がその半分ｗ／２である２つのコイルで発生するようにし、且つ、多極磁場分布と等価な磁場を発生できるように６個のコイル群を円周方向に配置し、それらへの給電を調整する。コイル幅を半分にしたのは、磁場が円周方向にできるだけ滑らかに移動できるようにするためである。
【００７３】
図３４における磁力線は、６組のコイル群の中の３および４番のコイルにのみ、それぞれ電流を流す場合において発生する多極磁場の磁力線を示す。
【００７４】
図３５に、装置を円周方向に展開したときの、全てのコイルの配置を示す。
ここで、矢印はコイルに流れる電流の向きを表す。
上下のコイルは、装置上下端における放電（プラズマ）の閉じ込めを改善するためのものである。
このコイルは、発生する磁場を移動させる必要がないので、コイル幅を永久磁石の幅と同じにして、コイルに永久磁石に対応する磁化の等価電流を流す。
【００７５】
側壁に取り付ける６個のコイル群は円周方向へ等間隔に配置し、隣り合う組に互いに逆向きの電流を流す。それぞれの１組のコイル群において、端から順番に２つのコイルにのみ同時に電流が流れるように調整する。
【００７６】
図３６に、磁場を正および負の円周方向に時間と共に移動させる場合の、１組の中の６個のコイルに流す電流の時間調整の例を示す。但し、コイルの巻き芯は空芯あるいは非磁性体であるとする。
同時に動作するコイルの全体の幅が図３１の永久磁石の幅ｗとできるだけ同じになるように、さらに、コイル電流により発生する磁場が左から右、そして再び、右から左へと、空間的にできるだけ一様に移動するように、それぞれのコイルへの給電時間を調整する。
図３４の磁力線が示す磁場は、時刻ｔ＝ｔ1 およびｔ＝ｔ2 におけるコイル電流状態において発生する。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の放電電極は以上のような構成で、放電室の内壁に複数の電極片を薄膜状の絶縁体を介して密着して固定する。
従って、本発明によれば、放電室が導電性の物質で形成されていても、電極を放電室の内壁に密着できるので、放電領域を放電室内容量と略同じ大きさまで取ることができ、装置空間の利用効率を最大にすることができる。
また、大きな容量を持つ壁面を外部から冷却することにより、電極で発生する熱を効率的かつ容易に除去できる。
このため、小さな電極へ大きな電力を投入できるようになると共に、冷却装置を装置内部に持ち込む必要がないので、装置全体の構成を簡素でコンパクトにすることができる。
さらに、電極と装置外壁との距離が短いので、永久磁石や電磁コイルを装置外壁に取り付け、容易に電極近傍に磁場を作用させることができる。
このため、冷却装置を備えた永久磁石や電磁コイルを装置内部に持ち込む必要がないので、簡単な装置構成で磁場を発生させることができると共に、機械的あるいは電気的手段により磁場の移動を容易に行うことができる。
また、請求項２の発明では、電極片を、薄い板状にし、かつ両端部を密に中央部を疎に配列するので、電極を密に配置した部分でプラズマ生成が盛んになり、両端部におけるプラズマ密度が高くなり、プラズマが平面上に一様に分布できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円筒形放電装置の横断面図である。
【図２】本発明の円筒形放電装置の縦断面図である。
【図３】円筒形放電装置の磁力線と放電の様子を示す図である。
【図４】本発明の角筒形放電装置の横断面図である。
【図５】本発明の角筒形放電装置の縦断面図である。
【図６】角筒形放電装置の磁力線と放電の様子を示す図である。
【図７】電極の形状例を示す図である。
【図８】電極の配置例を示す図である。
【図９】電極へ多相交流を給電する装置の断面図である。
【図１０】円筒形放電装置の上側フランジの横断面図である。
【図１１】円筒形放電装置の真空容器の縦断面図である。
【図１２】円筒形放電装置の下側フランジの横断面図である。
【図１３】電極を取り付けるねじの縦断面図である。
【図１４】角筒形放電装置の上蓋部の横断面図である。
【図１５】角筒形放電装置の真空容器の縦断面図である。
【図１６】角筒形放電装置の下蓋部の横断面図である。
【図１７】放電領域が電極中央にある多極磁場配位を示す図である。
【図１８】放電領域を電極左端に移動させた多極磁場配位を示す図である。
【図１９】放電領域を電極右端に移動させた多極磁場配位を示す図である。
【図２０】円筒形放電装置の永久磁石を移動する機械的機構の横断面図である。
【図２１】円筒形放電装置の永久磁石を移動する機械的機構の縦断面図である。
【図２２】円柱状永久磁石の等価電流を示す模式図である。
【図２３】棒状永久磁石の等価電流を示す模式図である。
【図２４】棒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す斜視図である。
【図２５】棒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す横断面図である。
【図２６】円筒形永久磁石の表面の等価電流を示す模式図である。
【図２７】円筒形永久磁石の裏面の等価電流を示す模式図である。
【図２８】微小円筒磁化部分の等価電流を示す模式図である。
【図２９】円筒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す斜視図である。
【図３０】円筒状等価電流コイルの実際の巻き方を示す横断面図である。
【図３１】コイルの配列と電流調整による磁場の移動を示す模式図である。
【図３２】等価永久磁石と機械的移動による磁場の移動を示す模式図である。
【図３３】磁場移動のためのコイル電流の時間調整（４分割）を示す模式図である。
【図３４】円筒形放電装置における多極磁場構成コイルの配置例を示す模式図である。
【図３５】円周方向に展開した多極磁場構成コイルの配置例を示す模式図である。
【図３６】磁場移動のためのコイル電流の時間調整（６分割）を示す模式図である。
【符号の説明】
１          放電装置
２          分割電極
３          絶縁シート
４          真空容器
５          冷却水
６          磁石
７          磁気シールド
８          ブッシング
９          給電線
１０          ねじ
１１          可動リング
１２          可動フレーム
１３          ラック形歯車
１４          円形歯車
【図１】
0003699793.tif 000011
【図２】
0003699793.tif 000012
【図３】
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【図４】
0003699793.tif 000014
【図５】
0003699793.tif 000015
【図６】
0003699793.tif 000016
【図７】
0003699793.tif 000017
【図８】
0003699793.tif 000018
【図９】
0003699793.tif 000019
【図１０】
0003699793.tif 000020
【図１１】
0003699793.tif 000021
【図１２】
0003699793.tif 000022
【図１３】
0003699793.tif 000023
【図１４】
0003699793.tif 000024
【図１５】
0003699793.tif 000025
【図１６】
0003699793.tif 000026
【図１７】
0003699793.tif 000027
【図１８】
0003699793.tif 000028
【図１９】
0003699793.tif 000029
【図２０】
0003699793.tif 000030
【図２１】
0003699793.tif 000031
【図２２】
0003699793.tif 000032
【図２３】
0003699793.tif 000033
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
0003699793.tif 000044
【図３５】
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【図３６】
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