J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.9 (2014)５４９‐５５１

講座 今日からはじめる磁場閉じ込めプラズマ実験

１．さあ実験だ！実験やるよ〜
1. It’s Experiment Time. Here We Go!
稲垣滋

INAGAKI Shigeru
九州大学 応用力学研究所（原稿受付：２０１４年５月７日）

核融合のためのプラズマ実験では，真空装置，電源装置，計測装置，さらにはプラズマそのものに関する広範な知識と技術が要求されます．特に大学の実験室の装置の多くは特注品ないし手作り品であることから，初めて実験研究に触れる学生や研究者にとってその仕組みを正確に理解し，正しく運用することは容易ではありません．本記事では，プラズマ物理実験に新たに参加する学生向けに最低限必要となる知識やノウハウをわかりやすく解説します．実験研究の効率的な推進と安全性向上の一助となることを期待すると同時に，これから新しく実験研究を開始しようとする研究者へのヒントとなるような内容をめざしています．
Keywords:
plasma, magnetic confinement, experiment, guideline１．
１ はじめに１．
２ 本講座の構成

宇宙天体からの光を理解することで人類の宇宙観が急速

本講座では真空技術，高圧パルス電源，高周波電源，計に変化しています．それにはプラズマ物理科学が中心的な測センサー，雑音対策，実験の安全性について取り上げま役割を果たしています．同時に，現代文明を支える基盤技す．本講座で想定している実験装置のポンチ絵を図１に示術はプラズマの活用によって実現しています（半導体集積します．実験装置は主に，真空放電容器，磁場を作るため回路の製造，溶射コーティングによる材料の高機能化，殺の電磁コイルおよびの電源，プラズマ生成用の高周波電菌・医療にいたる迄，プラズマの応用は極めて公汎に及源，計測センサーとアナログ‐デジタルコンバータ（ADC）ぶ）．そして将来の基盤技術としてプラズマ核融合の開発で構成されています．

が世界的に行われています．自然を理解し文明社会を更にまず第２章で真空技術について解説します．磁場閉じ込

発展させるためには，プラズマ科学の発展が必須です．科

めプラズマの日々の実験で最初に確認し操作を行うのが真学研究手法には実験・理論・シミュレーションと主に３つ空排気システムです．磁場閉じ込めプラズマ実験で用いるありますが，プラズマ科学において実験研究が果たして来ステンレス製の真空放電容器は超高真空と呼ばれるた役割は非常に大きく，今後も増々重要となると考えられ10−5 Pa 以下の真空度まで排気されます［４］．このような超ます．このような近年の状況を鑑み，本講座ではプラズマ

高真空用のポンプ実験について，これから始めるという大学院生，これから説し，真空放電装置の設計の基礎を説明します．研究室で自身のプロジェクトを立ち上げる若手研究者を対象に必要新たな実験を立ち上げる際には，新たな計測器や制御機器バルブ，シール・フランジについて解

最低限の実験知識とノウハウ，特に「真空関連」「電源関連」「計測関連」および「安全性」について解説します．本
講座では特に磁場閉じ込めプラズマ実験を対象としており，例として取り上げる機器が磁化プラズマ実験で標準的に使われているものになりますが，大気プラズマやプロセスプラズマの実験でも同様な，普遍的な部分も多いので参考にしていただければ幸いです．パルスパワーや大気圧プ
ラズマの実験技術に関しては本学会誌での講座［１，２］に優れた解説がありますのでそちらも参照していただければ幸いです．また，以前にも本誌にてプラズマ実験に関する講座がありました［３］．こちらも参考になると思います．
図１
Debut on Magnetic Plasma Experiment
Kyushu University, Kasuga, FUKUOKA 816-8580, Japan

典型的な磁場閉じ込めプラズマ実験装置．
author’s e-mail: inagaki@riam.kyushu-u.ac.jp

５４９!2014 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.9 September 2014

を放電容器に設置する必要があります．安定したプラズマサーからの出力は微弱で雑音が大きい場合があります．雑を生成するためには放電容器のバックグラウンドの真空度音を除去するにはその雑音がどこから来ているのか？

を非常に高く保つことに加え，放電容器の中に不純物のノーマルモードなのかコモンモードなのか［７］？を明らか

ソースとなるものを持ち込まないことが重要となります．にすることが重要になります．雑音対策ではセンサーの放電容器に取り付ける各種装置の材質や形状には充分注意

アースに特段の注意を払うことが必要になります．いくつする必要があります．比較的大きな機器の導入には放電容かのセンサーのアースは放電容器に取ることがあります

器の大気開放が必要な場合があります．放電容器を大気開が，不注意で共通インピーダンスやグランドループを作っ放するとステンレス表面が酸化したり，水が吸着したり，てしまうことがあります［８］．グランドループはパルス運と放電容器内に不純物を持ち込むこととなります．このよ転する装置では事故にもつながるため各種センサーのアーうなにする壁洗浄（壁コスの設計は非常に重要です．このような電気回路的な基礎ンディショニング）と呼ばれる手法がいくつか確立されて汚れた容器内壁をきれい事項（ノイズ対策，フィルタ，アンプ，回路のインピーダいます（ベーキングやグロー放電洗浄等）．壁コンディンス）についての実践的な解説をします．センサーから得ショニングには多くの時間が費やされることがあります．

られた信号は，ひと昔前はオシロスコープで表示し，画面このため大気開放をいつ行うか，ということが研究室の実を写真で撮って保存していました．今はアナログ‐デジタ験スケジュールを決定する大きな要因となります．今回のルコンバータでデジタル信号として保存し，データ解析等

講座では取り上げませんが，実験の目的によっては壁やダの再利用に供することが普通になってきました．この計測

イバータ板に捕捉された水素等の作業ガスも不純物として信号のデジタル化，という分野はここ２０年で大きく進歩徹底的に追い出すことが必要となる場合があります．（まし，昔のプラズマ実験と一番大きく変わった点といえまだ因果関係は明らかにされていませんが［５］，壁コンディ

す．昔は電源の冷却や充電で次の放電までの時間が決めらショニングを徹底的に行うことで，中心部まで閉じ込めがれていましたが，最近では ADC のデータ転送時間で決ま大幅に改善される現象が多くのトカマク装置で観測されてることも少なくありません．デジタル機器の高性能化，低います．）壁の状態はプラズマ実験の重要な要素であり，価格化は実験の自動化にも貢献しました．手作りディレイ

壁の洗浄から壁の制御へと研究が進展しています．

パルサーとリレーだらけの制御盤に変わって様々な機器が放電容器が真空に引けたら，いよいよ磁場コイルの励起

LAN や USB ケーブルで PC につながるようになりました．とプラズマの生成です．磁場閉じ込めプラズマ実験では定

実験者はトリガーボタンを指で押す代わりに，labview 等

常的にプラズマを維持するには熱の除去や計測器のダメーの画面上のボタンをマウスでクリックするようになりました．

ジ等のため基 礎 的な 直 線 磁 場 装 置（例 え ば 九 州 大学のプラズマ実験に限らず， 安全 は実験を行うための大前PANTA 装置等）でも困難であり，多くの装置ではパルス提です．ただし，声高に運転を行っています．また，プラズマの生成・加熱に関しも，事故はなくなりません．安全確保の知識とヒューマンては，ECR 加熱または RF 加熱が用いられることが多いでエラーをなくすシステムが必要です．プラズマ実験では高す．このような状況を鑑み，第３章ではパルス高圧電源と電圧，高周波を扱います．ぱっと考えただけでも感電には高周波電源について解説します．電流は電線を通る，とい注意が必要です．その他にも磁場閉じ込めプラズマ実験にうのは中学で習う理科の常識ですが，高圧，高周波数とな特有の要素が安全性を考える際には重要になります．第５

ると電流は電線を通ってくれなくなります．電線の表面を章では X 線，強磁場，高圧ガス，液体窒素等の取り扱い方

伝ったり，何か尖った所をめざして流れたりします．このや管理法について解説します．

実験は安全第一にと連呼してように予想しないところを電流が流れるのは機器の性能

１．
３ コラムについて云々の前に，非常に危険です．特に磁場閉じ込めプラズマ実験に用いられる電源には大容量のコンデンサが頻繁に使

本誌編集委員会のアイディアで，本講座では各章のトわれています．蓄えられた大量の電荷が予期しない所を一ピックについてベテランの先生方を中心に苦労談・失敗談

気に流れたら大きな事故につながります．本講座では思っをコラムとして執筆いただきました．教科書では数行で書たとおりの道筋で電流を流すための技術について解説しまかれていることが，実はとんでもなく手間がかかったた

す．

り，そもそも失敗談は教科書には載っていなかったり，となかなかお目にかかれないコラムです．多くの研究者が苦さあ，プラズマが点きました．ここからは，圧力勾配は予測された波は観測されるの労談や失敗談は非常に貴重な情報であると認識していると目的によって様々な実験法があります．第４章で思います．学生の頃に聞いた失敗談は教科書よりもよく覚どこまで高くできるのか？
か？

について取り上げたいと思えていたりするように教育的効果もあります．従来，このいます．プラズマを観測するためにたくさんの計測器が考ような話は研究室で先生から学生へと口伝されてきました

案され，開発されてきました．本講座では個別の計測器のが，書き物としてまとまったものはこれまでなかったよう詳細については述べません．計測器の詳細に関しては本学に思います．今回はその一子相伝の奥義の一部を公開して会誌での講座［３］や解説［６］を参照ください．今回は比較的共有することを試みました．コラム執筆を快諾していただ

共通に用いられているセンサー類について，用途に応じたいた著者の方々に感謝いたします．

は，その中で共通した観測選び方，出力される信号のタイプ等を概説します．セン５５０

Lecture Note

1. It's Experiment Time. Here We Go!

参考文献

本講座は３ヶ月に渡りますので，目次がわりに各章のタイトルを表１にまとめます．各章にご期待ください．

［１］講座「パルスパワー技術入門」，プラズマ・核融合学会
誌 87, No.1-4 (2011).
［２］講座「大気圧プラズマを点けてみよう」，プラズマ・核融合学会誌 83, No.11〜12 (2007)；同 84, No.1 (2008).
［３］講座「プラズマ実験入門」，プラズマ・核融合学会誌
71, No.7〜12 (1995).
［４］講座「プラズマ装置からの真空工学・排気技術」，プラズマ・核融合学会誌 71, No.7〜12 (1995).
［５］炉心と周辺が長距離相関をもつことはわかってきました．小特集「プラズマ乱流実験の新展開」プラズマ・核融合学会誌 88, 300 (2012).
［６］解説「プラズマ計測のためのマイクロ波反射計」，プラ
ズマ・核融合学会誌 79, 742 (2003).
［７］ノーマルモードノイズは信号線間に発生するノイズでノイズ電流は逆方向になります．コモンモードノイズ
は信号線と GND との間に発生するノイズでノイズ電流は同方向となります．
［８］共通インピーダンスは回路間の配線等によって生まれる各回路に共通したインピーダンス．グランドループ
はグランド線が長く引き回されていて，ループを作っている状態．どちらも回路の実装によって生まれるので回路図には載っていません．

応用力学研究所共同研究での議論が本章の内容をまとめるのに有益でした．ここに感謝の意を表します．
表１

S. Inagaki

本講座の目次．

１章 さあ実験だ！実験やるよ〜
稲垣 滋（九大）
２章 プラズマ容器を真空に引くよ！
岡本 敦（東北大）
コラム１ 小リークと見て侮る勿れ 鈴木直之（NIFS）
３章 プラズマを発生・維持するための電源を整備するよ！
３．
１ パルス電源を組もう！
浅井朋彦（日大），郷田博司（TAE）
３．
２ 高周波電源を使いこなす！
笠原寛史（NIFS）
コラム２ 膜に火が付く中村一男（九大）
コラム３ 水を得たクーリングタワー 熊沢隆平（NIFS）
コラム４ 定常の道も１時間から
熊沢隆平（NIFS）
４章 プラズマのいろいろなパラメータを測るよ！
４．
１ センサーを使ってプラズマを診る！ 山本 聡（京大）
４．
２ 信号を正しく伝送する！
江角直道（長野高専）
コラム５ 一寸の光軽んずべからず 北島純男（東北大）
コラム６ 知らぬことは識者に習え 北島純男（東北大）
コラム７ ソフトよくハードを制御す 山田琢磨（九大）
５章 楽しい実験は安全第一の精神から！ 江尻 晶（東大）
コラム８ ３人寄れば責任の穴
松岡啓介（NIFS）
６章 おわりに稲垣 滋（九大）

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