ラングミュアプローブを用いたプラズマ計測および実験環境の整備○中川 翔 A)、田上裕之 A)、竹内俊貴 A)、千村大樹 A)、中田実希 A)、田窪英法 A)、
清水貴史 A)、小渕隆 A)、林浩己 A)、小林策治 A)、林祐貴 B)
A)B)

核融合科学研究所

核融合科学研究所

技術部

高密度プラズマ物理研究系

1.はじめに核融合科学研究所（NIFS）の技術部は、大型ヘリカル装置（LHD）におけるプラズマ実験が円滑・安全に遂行されるように、各種構成機器の運転・保守に携わっている。プラズマ実験には、真空装置、加熱装置、電源装置、計測装置などの様々な装置が必要であり、それらを扱うために機械・電気・材料・プラズマ物理などの広範囲の知識や技術が要求される。
今回、若手技術職員がプラズマ実験装置の構成を理解し、それぞれの構成機器の運転方法を身につけることを目的として、小型のプラズマ発生装置（以図2

構成概略図下、本装置）と周辺装置の整備およびプラズマ生成実験を行った。加えて、ラングミュアプローブによ本装置は、1984 年 TOKYO ひかり博覧会の展示用のるプラズマ計測を行い、本装置が生成するプラズマ模型として京都大学で作成されたものを、2019 年にの電子温度・密度を調査した。この測定のために、NIFS に移管し、再構成を行ったものである。

プローブの製作や電源・測定システムの整備、取得

本装置の様子を図 1 に示す。図 1 中心付近の黄色したデータの解析作業の必要があり、これらの整備いリングの内側にあるものが、本装置の真空容器とも行った。以上、一連の作業で得られた知見についなる円管状のガラス容器である。その他に、図 1 のて報告する。

右から、プラズマ生成ガスのボンベ、減圧弁、高周波発信回路、プラズマ点火に必要なガイスラー管、2.装置概要

真空容器内を真空引きする排気ポンプ、制御盤、磁場生成のための直流電源で構成される。
構成概略図を図 2 に示す。点線は真空排気・ガス導入、実線は電源等、破線は制御や計測用の信号線の接続を示している。実験時は、真空容器左のポートから排気を行いながら右のポートに接続したガスボンベからの流量を調整することで、ガスの充填圧力（絶対圧力）を 1×10-2～10-1 Pa 程度に保つ。ガラス管の周りに巻かれたヘリカルコイルは、直流電源からの電力供給で、閉じ込め磁場を生成する。ガイスラー管の放電によりプラズマを生成した後、プ
図1

プラズマ発生装置ラズマを維持するために、ヘリカルコイルに沿うようにして巻かれたアンテナから高周波を照射し、プラズマを 10 秒程度維持する。プラズマの生成時間はコイルの加熱によって制限される。これらの機器は
図 2 中央下に示す制御パネルの出力端子に接続されており、所定のシークエンスに従って動作する。

電子密度を計測するための基本的なプラズマ計測手法のひとつである。ラングミュアプローブには、2 本

3. 各装置の整備とプラズマ点火試験の電極間に電圧を印加するダブルプローブと、1 本本装置のガラス製真空容器、制御パネル、加熱装の電極と参照電極の間に電圧を印加するシングルプ

置の一部は既存品を流用し、それ以外は新たに整備ローブがある。参照電極はプラズマと十分な面積でした。

接触する導体である必要があるが、本装置の真空容真空排気装置は、Pfeiffer 社製の HiCube80Classic

器はガラス製であるので、参照電極に使用可能な部を使用した。フレキ管により真空容器と接続し、手分がない。そこで、今回はダブルプローブを作成し動バルブを挟んで上流側と下流側にそれぞれ真空計た。

を取り付けた。ヘリウムリーク試験および排気試験を行い、最高到達圧力は 10-4

図 4 にプローブの構造を示す。

Pa 程度であることを確認した。直流電源は高砂製作所製のものを使用した。配電盤から直流電源まで 5.5 sq の三相交流出力用ケーブルで接続し、直流電源からコイルまでは200 sq の直流出力用ケーブルで接続した。なお、直流電源は DC500 A まで出力可能である。コイル単体での通電試験では、制御盤から正常に遠隔動作が可能かを確認した。
また、再利用するものにおいても、老朽化により動作が補償されないことや使用方法に関する情報も図4限られていることから、各装置で動作確認を行う必

プローブの構造要があった。
制御盤では、背面にある各端子から接点の動作を、電極にはφ0.7 mm 長さ 500 mm のタングステン棒をテスターなどを用いて一つずつ確認した。インダク

2 本使用した。それらを絶縁体のアルミナ管に挿入

ションコイルは、各所の絶縁を確認し、電極部が欠し、先端部のみ 1 mm 露出した状態で、アロンセラ損していた部分は新たに製作した。また、インダク

ミックにより固定した。電極が露出した部分の表面

ションコイルからガイスラー管までの接続は高電圧

積は、流入する電子の量を決定する重要な情報であとなるため、高圧ケーブルを購入した。ガイスラーることから、既定の長さとなるように慎重に作業を管は若井田理学株式会社製の新規品を購入した。

行った。

以上の取り組みにより、大きな問題なくプラズマアルミナ管の先端から 100 mm より後方は、ステが生成することを確認した。図 3 に本装置のプラズンレス管により覆われる。ステンレス管の内部には、マ生成の様子を示す。

図 4 中央上部に示すようなステンレス製の支持部品を取り付け、電極がプローブの中心に支持されるようにした。支持部品にはφ3 mm の穴を 2 つ設けており、ステンレス管の中が真空に引かれるようにしている。また、ステンレス管の後端はトールシールで封止している。
プローブを挿入するポートには、ゲージポートを用いた。そのため、真空封止を担う O リングと触れる面が滑らかな状態となるように、ステンレス管はBA（Bright Annealed）処理されたものを選定している。加えて、さらに表面が滑らかとなるように鏡面

図3

プラズマ生成の様子仕上げを施した。
プローブは、ゲージポートから 400 mm 程度挿入

4. ラングミュアプローブを用いたプラズマ測定する。そのため、ゲージポートでの支持とは別に、4.1 プローブの製作プラズマに近い側にも支持点を設ける必要があった。

ラングミュアプローブは、プラズマの電子温度や一方で、真空容器のポートの数が限られており、プローブ挿入と排気を同じポートで行う必要があった。
したがって、図 5 に示すようなプローブのガイドを作成し、プローブを中心に支持しながら、φ1.5 mmの穴から排気が可能となるようにした。

図7
図54.2

プローブガイドの構造

4.3

測定点

電子温度・密度の解析

取得した電圧電流データから電子温度を得るため測定作成したプローブを用いて、プラズマ計測を行った。ダブルプローブとしては十分な信号を得ることができなかったが、ステンレス管のまわりにプラズマが生成されており、参照電極として機能すると考えられたため、プローブをシングルプローブとして使用した。
図 6 に測定システムの概要図および測定の様子を示す。電源には、正負両方の電圧を印加することがで き る バ イ ポ ー ラ 電 源 を 使 用 し た 。 －40 V か ら＋40 Vまで0.5 Hzで電圧𝑉を掃引し、プローブに流入する電流𝐼𝑝 を調査した。電流値は、回路の途中に挿に、下記のような手続きに基づきデータ処理を行った[1]。
プローブ電圧𝜙と電流𝐼𝑝 の関係は図 8(a)のように表される。プローブ電流からイオン飽和電流𝐼𝑠𝑖 を差し引くことで、電子電流を得ることができる。図 8(b)に示すように電子電流を片対数でプロットすると、その傾きから電子温度を求めることができる。
一方、電子飽和電流は以下の式で表される。
18𝑘𝑇𝑒 1/2
𝐼𝑠𝑒 = 𝑒𝑛𝑒 𝐴 ()4𝜋𝑚𝑒
ここで𝑛𝑒 は電子密度、𝐴はプローブの表面積、𝑘はボルツマン定数、𝑚𝑒 は電子質量である。図 8(b)に示す

入した抵抗にかかる電圧𝑉𝑟 を測定し、抵抗値より算曲線の外挿点から𝐼𝑠𝑒 を決定し、先に求めた𝑇𝑒 から電出した。データロガーにより、抵抗電圧𝑉𝑟 とプロー子密度を求めることができる。

ブ印加電圧𝑉𝑝 の 2ch を 20 ms 間隔で取得した。

図 8 (a)プローブの電圧・電流特性(b)プローブの電圧・電流特性の片対数プロット
図6

プラズマ測定の様子

図 7 に測定点を示す。測定は、真空容器の大半径𝑅で 218, 248, 269 mm の 3 点で行った。𝑅＝250 は真空容器中央となる。

4.4

測定結果4.3 の手続きに従い求めた電子温度と電子密度を
図 9 に示す。本装置では真空容器中心で電子温度4 eV程度、電子密度1017 m−3 程度のプラズマが生成されていることを確認した。温度に換算すると、
1 eV = 𝑘𝑇の定義より、𝑇 = 4 eV⁄𝑘 ≈ 46,000 Kとなる。𝑅＝218 mm において電子密度が減っている
理由としては、プローブをプラズマ内部まで挿入することになるため、プローブ自身がプラズマの電子密度に影響を与えるためと考えられる。

図9各測定位置における(a)電子温度と(b)電子密度5.まとめ1984 年に TOKYO ひかり博覧会の展示用の模型として京都大学で製作したプラズマ発生装置を NIFSに移設し、プラズマの点火・生成が可能な状態に再構成した。また、プラズマ電子温度および電子密度を測定するため、ラングミュアプローブを製作し、その他プローブ用の電源などの実験環境も整備した。
測定の結果、本装置の生成するプラズマは、真空容器中心で電子温度4 eV程度（およそ46,000 K）、電子密度1017 m−3 程度であることが分かった。
本装置の立上げ、実験、測定作業を通じて、若手職員のプラズマ実験装置に対する理解が深まるだけでなく、与えられた仕事に対して疑問や興味を持ってとことん追求するなど主体性が醸成された。

参考文献[1]高村秀一著（1997）

プラズマの理工学入門

森北出版