(57)【要約】【課題】通常の円柱状Ｚピンチプラズマが，不安定性により短時間の内に崩壊するという問題を解決し，より長時間高温高密度プラズマを持続するための方法を提供する。【解決手段】磁気圧あるいは火薬等の圧力により，金属薄板を加速しＺピンチプラズマをシート状に圧縮する方法（能動的ライナー法），あるいは磁気圧により狭い金属壁の隙間にＺピンチプラズマを押し込めシート状プラズマを生成する方法（受動的ライナー法）を用い，不安定性の成長速度を円柱状ピンチプラズマより遅くらせ，高温高密度プラズマ状態を長時間維持する課題を解決する。【選択図】　　　図１
2004028969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場あるいは火薬の爆発等による圧力で加速され，接近し，最終的に衝突して短時間合体しうる２枚の薄い平板状導体（ライナー）により，この平板状導体間に生成された高温のＺピンチプラズマを，シート状に圧縮することを特徴とする高温高密度プラズマの生成法。
【請求項２】
２枚の平行平板導体に圧縮されたシート状プラズマに発生しうる，巾方向へプラズマが全体として移動する不安定性を抑制するため，請求項１で示したライナーの他，両端の間隔を狭くした曲面状導体，あるいは薄い導体で作られた矩形，楕円，円形等の断面を持つ筒を用い，これらを平面状に圧縮することにより，その内部に生成されたＺピンチプラズマを圧縮することを特徴とする高温高密度プラズマ生成法。
【請求項３】
２つの円形断面あるいは円形に近い断面（卵形，楕円形等）を持つ放電管を，それぞれの稜線の１箇所に適当な間隔の切れ目を設け，この切れ目の両側に電流復路（１３）となる２枚の板状導体（受動的ライナー）を図３ｂのように滑らかに接続することにより作った狭い隙間（チャンネル）により一体とし，両端の２つの円筒状放電管中の各々において，同時にＺピンチ放電を発生させ，生成あるいは生成過程にあるプラズマが磁気圧の弱い切れ目あるいは隙間の方に押しつけられ，一部プラズマが狭い隙間内に進入しもう一方から進入したプラズマと隙間内で合体することを利用してシート状プラズマを生成せしめ，更に電流を増加させることにより，両端の２つの円筒状放電管で生成されたプラズマの一部あるいは大部分を隙間内に収縮せしめることを特徴とする，高温高密度シートプラズマ生成法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，高温高密度プラズマの生成，安定化法に関するもので，生成高密度プラズマによる熱核融合反応は，強力中性子源，あるいは核融合炉等の分野において利用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
高温高密度プラズマの生成方法として，Ｚピンチは古くから知られており，各種（紫外，軟Ｘ線等）高輝度光源として既に利用されている。Ｚピンチには，絶縁物放電管に希薄ガスを詰め，高速大電流放電によりピンチプラズマを発生させる単純Ｚピンチの外，逆ピンチ（Ｉｎｖｅｒｓｅｚ−ｐｉｎｃｈ），ガスパフＺピンチ，高圧ガス中レーザー起動Ｚピンチ，細線Ｚピンチ，毛細管Ｚピンチ，プラズマフォーカス，ピンチプラズマのライナー圧縮等様々な方式がある。いずれにおいても，Ｚピンチで生成されるプラズマは，その周囲の方位角方向の磁場の圧力により閉じ込められ圧力平衡が保たれている。しかし，この磁場配位は不安定な配位であり，ソーセージ型不安定の理論的な成長時間は，プラズマ柱の半径方向に音速が横切る程度の時間であることが知られている。実験的にもＺピンチプラズマは激しい不安定を伴うことが示されているが，理論的な予測より若干不安定性の成長の遅くなる傾向のあることも観測されている。これは有限ラーマー半径効果，粘性等による安定化効果によるものと考えられている。また放電管壁の影響や十分なだらかな密度分布によってもある程度安定化されることが知られている。そのため，これらの安定化効果によるＺピンチプラズマの安定化が試みられてきた。しかし，このようなプラズマに内在する効果によっては，高々１桁程度不安定性の成長速度を遅らせることが出来る程度で，Ｚピンチを十分に安定化することは可能ではない。
【０００３】
毛細管Ｚピンチを用いた放電励起軟Ｘ線レーザでは，放電管壁の存在，それに伴う密度分布により，軟Ｘ線レーザーを励起しうる程度に一様な数１００ｅＶ程度のプラズマの生成に成功している。しかし，このような方法で，例えば，数１０ｋｅＶ以上の高温を更に長時間持続する必要がある，核融合プラズマを生成することは困難である。
【０００４】
Ｚピンチの一種といえるが，金属ライナーによる高密度ピンチプラズマの圧縮（ライナー圧縮）も試みられてきた。これは円筒状の薄い金属ライナーに大電流を流し周囲に生成した磁場でこのライナーを圧縮し，ライナー内部に生成したプラズマを圧縮しようとするものである。しかし，上述のＺピンチ同様，十分高温高密度プラズマを生成することには成功していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｚピンチは高温高密度プラズマを生成できる。しかし，従来の円柱状Ｚピンチは，激しい不安定を伴うため，その利用が限定されている。若干の安定化効果は存在するが，それらプラズマに内在する安定化効果は，核融合プラズマ生成等の目的のため必要な程度には，不安定の成長速度を十分遅くすることができていない。本発明は，円柱Ｚピンチの不安定性の発生時間を数桁以上遅らせることにより，高温高密度プラズマ生成，持続に関する課題を解決しようとしている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の問題−−円柱状のＺピンチにおいて生じる激しい不安定性−−を解決するため、プラズマの形状を円柱状から，シート状にする方法に関係している。シート状の希薄プラズマは強い磁場中でも存在する。しかし，本発明で対象としているのはこのような強磁場中での希薄プラズマシートではなく，シート内部に磁場が零であるような領域が存在し，大電流が流れている高密度のシートプラズマである。このようなシート状Ｚピンチプラズマの基礎的な性質は文献（Ｔ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．６８，１２３８−１２５８頁（１９９９））に与えられており，本発明はそれを具体化する方法を与えるものである。
【０００７】
Ｚピンチプラズマは不安定であるため，必ずしも理想的な円柱であるとは云えない。しかし，不安定性の発生していない圧力平衡状態を基本として，安定性等種々の現象を説明するのが判り易く，また通常採用されている。以下においても，通常のＺピンチとしてはこのような不安定性が発生する以前の圧力平衡状態にあるプラズマ柱として説明する。この様な意味で，Ｚピンチプラズマは，電流復路が十分離れているとき円柱状である。例え，シート状のＺピンチプラズマが生成されたとしても，電流復路がプラズマから離れているときには，巾方向に収縮して，結局円柱状になる。従って，シートプラズマを生成するためには，巾方向の収縮を妨げるような厚さ方向の圧縮力が必要である。例えば，間隔２ｄで隣接する平行な２枚の平面状電流復路の間において生成される厚さ２ａのプラズマシートを考えよう。この場合，プラズマシートは，ａ／ｄ〜３／４のとき，厚さ方向に平衡状態にある。もしプラズマの厚さがこれより厚いときには，プラスマは厚さ方向に圧縮され，巾方向に膨張する。また厚さがこれより薄いとき，プラズマシートは種々の過程を経て巾方向に収縮し，同時に厚さ方向に膨張し，ａ／ｄ〜３／４に達したとき平衡状態になる。この平衡状態で，プラズマシートを圧縮している反作用として，電流復路には間隔を拡げる方向に圧力が加わる。それ故，プラズマシートを同じ平衡状態に保つためには，電流復路の間隔は，少なくとも必要な時間，この圧力で拡がらないように固定されていなければならない。請求項１及び２では外部的な圧力で加速され，間隔を逆に狭くし，プラズマシートの圧縮を図ろうとする能動的ライナーに関するものであり，請求項３は間隔が拡がらないように固定されている受動的なライナーに関するものである。
【０００８】
請求項１では，高密度Ｚピンチを２枚の平板状導体（ライナー）の間に生成すると同時に，磁場あるいは火薬の爆発等外部的な圧力でこの平板の間隔を狭めるよう加速し，導体間に生成されたプラズマを圧縮させるものである。導体間に生成するピンチプラズマは，単純Ｚピンチ，プラズマフォーカス，細い固体細線を用いた細線Ｚピンチ，薄い箔を用いたＺピンチ等，シート状に圧縮するために適した高密度プラズマが生成できるのなら，どのような形のピンチでもかまわない。またライナーは，必ずしも完全に平らな板である必要はなく，楕円の弧の一部でも，他の曲面であっても良く，概ね平板状であれば十分である。
【０００９】
電流復路を兼ねる２枚の平板状ライナー間に生成されたシートプラズマは，この平板の平行度のわずかな違い，あるいは巾方向の一方向へのわずかな運動量の存在により，ライナー部から押し出される。請求項１では，ライナーが一様に圧縮されればプラズマシートの存在していない両端で，より強い圧縮が起こり，両端で２枚のライナー間の幅が狭くなり，このようなプラスマの移動は自動的に抑制される。しかし，より積極的に，このようなプラズマシートの移動を抑制するため，両端が閉じた長方形，楕円，円形等の断面を持つ筒型のライナーを用いることも可能である。請求項２は，このようなライナーの形状に関するもので，最終的に平板状に圧縮されるものであればどういう形状のものでも良い。
【００１０】
請求項１及び２は能動的なライナー圧縮の方法に関するものであるが，請求項３に示すように，受動的なライナーを用いてもシート状の高密度プラズマを生成することが出来る。請求項３はその典型的な生成法の例を示すものである。狭いライナー間に生成され，厚さが決まっている圧力平衡状態にあるシートＺピンチプラズマの巾は電流により決まる。従って，薄いシートでつながった２つのＺピンチプラズマ柱が生成できれば，電流を増加させ，シートの巾を収縮させることにより，高密度シートＺピンチプラズマを生成することが出来る。ただ，請求項１及び２で触れたように，左右２つのＺピンチプラズマの収縮のバランスが崩れると，片方のＺピンチプラズマがライナーの間を経て，もう一方のＺピンチに吸収されることが起こりうる。それ故，請求項１と同様，この様な運動を抑制するような処置が必要である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る「ライナー圧縮による高温高密度シートプラズマ生成法」の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、「ライナー圧縮による高温高密度シートプラズマ生成法」の請求項１に関する一実施形態を示す側面及び上部からの断面図（図１ａ及びｂ）及びライナーとプラズマ部分の圧縮過程における概念図（図１ｃ）を示している。この例においては，細線Ｚピンチで生成したＺピンチプラズマを能動的ライナーで圧縮する場合を示している。細線に電流を流すと，細線は蒸発後膨張する。しかし，電流の増加率が十分速いとき，この膨張は短時間で押さえられ，生成プラズマをピンチさせることが出来る。この例では，プラズマがピンチする過程で，ライナーをその間の距離が狭まるように加速し，ピンチプラズマを主として１次元的に圧縮する。番号１は陽極，２は陰極，３はピンチプラズマを発生させる細線，４はピンチプラズマを圧縮するライナー（金属箔あるいは薄板）である。電流はコンデンサー９ａからスイッチ１０ａを経て陽極１に供給され陰極３，電流復路５ａ，ライナー４，電流復路５ｂを経てコンデンサー９ａに戻る。陽極１と電流復路５ｂは絶縁物６で電気的に絶縁されている。別のコンデンサー９ｂ，スイッチ１０ｂから，電流はライナー駆動用の導体７に供給され，絶縁物６で絶縁された電流復路５ａ，ライナー４，電流復路５ｂを経てコンデンサー９ｂに戻るようになっている。上面図で判るように，陽極１，陰極２，細線３，絶縁物６は回転対称になっている。しかし，電流復路５ａ，５ｂは矩形状の筒となっており，ライナー４はそのその長い方の内面に設置されており，ピンチを発生させる容器内は気密（あるいは真空）になるようになっている。またコンデンサー９ａ及び９ｂを含む放電系のインダクタンスは十分低く，細線３を蒸発，加熱，ピンチさせ，高温高密度プラズマを生成すると共に，シート状に圧縮するライナーを高速に加速することが出来る高速大電流放電電源となっている。またコンデンサー９ａと９ｂが，適当なタイミングで放電されれば，細線Ｚピンチプラズマにおいて不安定が発生する前に，加速されたライナー４により図１ｃのように，円柱状細線プラズマ柱を主として１次元的に圧縮し，シート状プラズマ３’を生成することが出来る。図１ａ，ｂにおいては，放電前に平面状のライナー４を用いているが，放電後プラズマを圧縮した段階においては，プラズマ３’の存在のため両端がより強く圧縮され，間隔が狭くなり，シート状プラズマは巾方向への移動に対し安定となる。
【００１３】
図２は，請求項２に関するもので，請求項１の説明に用いた単純な平面状ライナー以外のライナーの形状例を示したもので，図２ａはライナーの初期状態，図２ｂは圧縮後の形状を示している。いずれも，シート状プラズマが圧縮部から逃げないように，シートの巾方向の両端をあらかじめ狭くするか閉じる構造にしているライナーの例である。
【００１４】
図３及び４は，請求項３に関するもので，能動的なライナー圧縮に関する請求項１，２と異なり，受動的なライナー圧縮の実施例を示している。この場合，ライナーは駆動されることなく，プラズマをシート状に圧縮する。図３ａは実施例の正面から見た断面図，図３ｂ及びｃは上方及び側面から見た断面図であり，図４ａは俯瞰概念図，図４ｂはその各位置における断面概念図である。番号１１は陽極，１２は陰極，１３は電流復路（容器壁を兼ねる），１４は絶縁物で陽極及びプラズマから電流復路への放電を阻止している。ＡＡ’を中心軸とする円筒状の部分は，ピンチプラズマ発生部，ＣＣ’近傍の狭い領域は，受動的ライナー部でシート状プラズマの生成部である。ＡＡ’及びＣＣ’の間の領域ＢＢ’は，ＡＡ’部で生成されたピンチプラズマをＣＣ’部にガイドする部分で，同時にシートプラズマの巾方向への不安定な運動を弱めあるいは抑制する役割を持っている。両端のＡＡ’で生成されたすべてのプラズマが，ＢＢ’及びＣＣ’部に圧縮されるときには，この目的のため，ＡＡ’部とＢＢ’部の間に間隔の狭ところをもうけることなどが有効である。
【００１５】
Ｚピンチ放電は，コンデンサー１５からスイッチ１６を経て陽極に電圧を印可することにより，両端の円形断面部で発生させる。円形断面の一部にはＢＢ’部につながる切れ目があり，電流復路が一部欠けているので，プラズマは円形断面の軸ＡＡ’に向かって収縮すると同時に，全体としてＢＢ’の方向に押される。円形断面部でプラズマがピンチし不安定が発生する前にプラズマ柱が移動し，一部がＢＢ’部に押し込まれ，更に両側から押し込まれたプラズマがＣＣ’部でつがる様に装置常数，実験条件を設定しておくと，シートプラズマが生成される。この後更に電流を増加させると，両側のブラズマの大部分をシート部に吸収，圧縮し，シート状Ｚピンチを生成することが可能になる。この過程で陽極からの電流の経路，及び電流復路における電流の経路は，シートプラズマを形成，保持するように自動的に変わる。ＣＣ’部において，電流復路は必ずしも絶縁物によりプラズマと絶縁されている必要はなく，電流が十分大きいときには磁気的に絶縁される。シートプラズマの圧力，あるいはシートプラズマに流れる電流により発生する磁場の圧力は，電流復路に加わる。それ故，電流復路はこの圧力に耐えなければならない。シートプラズマが高温高圧で電流復路の機械的強度を超えている場合でも，その発生時間が瞬間的であれば，電流復路が破壊されるまでの間，その慣性力によりシートプラズマを圧縮し続けることが出来る。
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の「ライナー圧縮による高温高密度シートプラズマ生成法」によれば、円柱状のＺピンチプラズマをシート状にすることにより，その不安定性の成長速度を遅くし，高温高密度プラズマ状態を長く維持することが出来，またそれを用いることにより，例えば，強力中性子源あるいは核融合炉心のためのプラズマを生成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１の実施例を示す側面，上面から見た断面図（図１ａ及びｂ）及びライナーの収縮過程を示す概念図（図１ｃ）である。コンデン
サー，スイッチ等は概念的に示している。
【図２】本発明の請求項２の実施例を示す概念図である。図２ａはライナーの
収縮前，図２ｂは収縮後の様子を示す。
【図３】本発明の請求項３の実施例を示す正面，上方及び側面から見た断面図（図３ａ，ｂ及びｃ）である。コンデンサー，スイッチ等は概念的に示して
いる。
【図４】本発明の請求項３の実施例を示す俯瞰概念図（図４ａ）及び図４ａの
各位置における断面概念図（図４ｂ）である。
【符号の説明】
１．　陽極
２．　陰極
３．　細線
３’．ピンチプラズマ
４．　金属薄板（ライナー）
４’．放電後のライナー
５ａ．電流復路
５ｂ．電流復路
６．　絶縁物
７．　ライナー駆動用放電板
８．　絶縁板
９ａ．コンデンサー
９ｂ．コンデンサー
１０ａ．スイッチ
１０ｂ．スイッチ
１１．　陽極
１２．　陰極
１３．　電流復路
１４．　絶縁物
１５．　コンデンサー
１６．　スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004028969.tif 000005
【図４】
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