JPS61189440A - プラズマ物性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、プラズマ物性を光学的に測定する装置に関す
るものである０ （従来の技術） Ｍ）Ｉｌ）発電は、磁界と直交する方向に高温度の燃料
ガスプラズマを流し、ファラデイ効果により磁界方向及
びプラズマの流れの方向にそれぞれ直交する方向に起電
力を発生させる新規な発電方式であり、高温流体が有す
るエネルギーを電気エネルギーに直接変換できる大きな
利点を有している。

このＭＨＤ発電ではプラズマを常に所定の状態に維持し
なければならず、このためプラズマの温度。

電子密度、導電率等の物理量を正確に測定できる装置の
開発が強く要請されている。

従来のプラズマ温度を元翔に測定する方法としてライン
リバーサルの原理を用いた方法が用いられている。この
ラインリバーサルの原理は、基準光源から種々の光源温
度の光束をプラズマに投射し、プラズマに入射した光束
がプラズマにより吸収されず且つプラズマ発光により元
の強度上昇を発生しない光源温度を検出し、この光源温
度がプラズマ温度と等しいものとみなしプラズマ温度を
検出している。このラインリバーサルの原理を用いた方
法では数百度から８０００°に程度のプラズマ温度を測
定でき、具体的には波長掃引決、マツチング法、チョッ
パ法及びナイフェツジ法がある。

第５図は波長掃引法を利用したプラズマ温度測定装置の
構成を示す線図である。白色光源１を基準電源２に接続
し、基準電源２の出力を変えて白色光源１から種々の光
源温度の光束を集光レンズ３を経てプラズマ４に投射す
る。プラズマ４を通過した光束はスリット５及び集光レ
ンズ６を経て分子ｔ、元震度計に入射し、プラズマ４を
通過した光束の分光特性が検出され、増巾器８を経てレ
コーダ９に記録される。プラズマ４を通過した光束は、
プラズマ４により光源温度Ｔｅに応じて共鳴波長域にお
いて発光又は吸収作用を受け、第６図に示すように光源
温度Ｔｅがプラズマ温度Ｔｐより低い場合には共鳴波長
域付近において発光作用により光強度上昇を呈し、光源
温度Ｔｅがプラズマ温度Ｔｐより高い場合には吸収作用
を受け、更に光源温度Ｔｅとプラズマ温度Ｔｐとが等し
い場合には発光及び吸収が生じない。従って、白色光源
ｌの光源温度を変えながらプラズマ４を通過した光束の
分元元度特性を測定すればプラズマ温度Ｔｐが測定され
ることになる。

また、８７図はナイフェツジ法によるプラズマ温度測定
装置の構成を示す線図である０このナイフェツジ法では
、光源１とプラズマ４との間に２個の集光レンズ１０及
び１１を配置すると共に、２個の集光レンズ１０と１１
との間にナイフ１２を配置し、このナイフ１２により紙
面の元軸より下側の空間を通過する光束だけをプラズマ
４に投射する。プラズマ４の射出側に集光レンズ１３゜
スリット１４及びフィルタ１５経て紙面の上下方向にそ
れぞれライドガイド１６及び１フを配置すると共に、各
ライトガイド１６及び１フの出射端に光検出器１８及び
１９を配置し、各光検出器１８及び１９の出力をそれぞ
れレコーダ２０及び２１に記録する。光源１から発した
光束は、紙面の元軸より上側空間を通過する光束はナイ
フ１２により遮断されるから、光検出器１６にはプラズ
マ帳場から輻射された光束だけが検出され、光検出器１
７には光源１から発した光束とプラズマ輻射場から輻射
された光束とが検出される０そして、光検出器１６及び
１７の出力信号に基いてプラズマ温度Ｔｐが測定される
０ （発明が解決しようとする問題点） 上述した波長掃引法では、白色光源の光源温度を順次変
化させ、各光源温置毎に分光特性を測定しなければなら
ず、測定時間がかかり過ぎるばかりでなく、測定中にプ
ラズマの状態が変化してしまい同一時刻及び同一空間で
プラズマ温度を測定できない欠点があった。また、プラ
ズマ温度を断点的にしか測定できず時間的に連続して測
定できない欠点もあった。更に、原理的には近似した温
度を類推しているにすぎず、測定値の信頼性にも問題が
あった。また、ナイフェツジ法では光源から発しプラズ
マ内を通過した光束とプラズマ輻射場から放射された光
束とが空間的に一致せず、プラズマの状態が局所的に大
きく変化している場合には大きな測定誤差が生ずる欠点
がある。

このような問題点はプラズマに限らず、核融合反応や放
電現象等のように被測定対象が高速で変化する場合の物
性測定においても同様に発生するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は上述した欠点を解消し、同一時刻におけ
る同一空間のプラズマ物性値を時間的に連続して測定で
きるプラズマ物性測定装置を提供するものである。

本発明によるプラズマ物性測定装置は、プラズマに向け
て直線偏光を投射する光源装置と、プラズマから出射し
だ光束をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する手段と、
これらＳ偏光成分及びＰ偏光成分をそれぞれ検出する手
段とを具え、検出したＳ偏光成分とＰＩＫ成分とに基い
てプラズマ温度を測定することを特徴とするものである
。

更に、本発明によるプラズマ物性測定装置は、同−元軸
上でプラズマに向けて波長の異なる直線偏向を投射する
第１及び第２の光源装置と、プラズマから出射した光束
を分割する手段と、分割した一方の光束をＳ偏光成分と
Ｐ偏光成分とに分離・する手段と、分離したＳ偏光成分
及びＰ偏光成分をそれぞれ検出する手段と、分割された
他方の光束のファラデイ回転角を検出する手段とを具え
ることを特徴とするものである。

（作用） 本発明では、プラズマに向けて直線偏光を投射し、光源
から放射されプラズマを通過した光束及びこの光束が通
過する部分のプラズマ輻射場から輻射される光束を共に
受光し、これらの光束中に含まれるＳ偏光成分とＰ偏光
成分とを分離し、それぞれ光検出器により検出する。そ
して、これらの検出出力を演算処理装置に入力し、時間
的に連続してプラズマ物性値を求める。

更に、本゛発明では、プラズマが形成する磁界をとよる
ファラデイ効果を受けにくい短波長域の直線偏光とファ
ラデイ効果を受は易すい長波長域の直線偏光とを共に同
−元軸上でプラズマに向けて投射し、プラズマを透過し
た光束を分割し、一方の光束からＳ偏光成分とＰ偏光成
分とを各別に受光してプラズマ温度を検出すると共に、
他方の光束に基いてプラズマが形成する磁界によるファ
ラデイ回転角を検出し電子密度、導電率等を測定し、同
一空間における諸物性値を同時に測定するように構成し
た。

（実施例） 第１図は本発明によるプラズマ物性測定装置の一例の構
成を示す線図である０本例ではプラズマ温度を測定する
ものとする。光源３０を基準電源３１に接続し、光源８
０から所定の光源輝度の光束を放射する。光源３０から
発した光束をコリメータレンズａ２で平行光束とし、偏
光子８８を透過させＳ成分又はＰ成分の直、線温光を取
り出す。

本例ではＳ成分の直線偏光を透過させるものとしＳ成分
の直線偏光を集光レンズ３４により集光してプラズマ３
５に投射する０プラズマ３５に投射された光束は、プラ
ズマ３５中で集束されてから出射し、スリット８６を経
て集光レンズ３７で集光されてディテクター装置３８に
入射する。プラズマ８５から出射しディテクタ装置３８
に入射する光束には、光源３０から放射されプラズマ３
５を通過した光束及びこの光束が通過Ｔるプラズマ３５
内のプラズマ輻射場から輻射された光束とが入射する。

プラズマ輻射場は光学的に等方でありＳ偏光成分とＰ偏
光成分とがそれぞれ等しく放射するから、ディテクタ装
置３８にはＳ偏光成分として光源８０から発しプラズマ
３５を通過した成分及びプラズマ輻射場から輻射された
Ｓ偏向成分とが入射し、Ｐ偏光成分としてプラズマ輻射
場から発したＰ偏光成分だけが入射することになる。

ディテクタ装置３８に入射した光束はスリット８９を通
り、コリメータレンズ４０により平行光束とされてから
ビームスプリッタ４１に入射する。本例ではビームスプ
リッタ４１としてダラムトムソンプリズムを用い、この
ダラムトムソンプリズムによりＳ偏光成分とＰ偏光成分
とに分離する。分離したＳ偏光成分はフィルタ４２を透
過し特定波長の成分だけが第１の光検出器ｔ３で受光さ
れ、電気信号に変換され増巾器４４を経て演算処理装置
４５に入力する。一方、Ｐ偏光成分はＳ偏光成分とは４
５°ずれた方向に進みフィルタ４６を透過し、第２元検
出器４７で受光され電気信号に変換され、増巾器４８を
経て演算処理装置４５に入力する。

仄に、解析方法について説明する。

第２図はプラズマ温度を光学的に測定する場合の原理を
示す模式図である。プラズマ輻射場の腹側孔をプラズマ
より充分小さいとみなし、輻射場令を一次元的に取り扱
う。局所熱平衡を仮定すると次式が成立する。

ここで、Ｔｐ：プラズマ温度 εｐ：プラズマの輻射率 ｋｐ：プラズマの吸収係数 プラズマが均質であるとすると、（１１式は光源強度ｌ
を用いて次式で表わされる。

ここで、ｋλ：光学系の吸収による補正係数キルヒホツ
ホの法則より ここで、Ｔｅ：プラズマの電子製置 Ｂλ：プラズマの発光強度 光源の輝度温度をＴＬとし、輝度温度を較正した光源を
用いると、入射光重λ（０）は次式で表わされる。

１λ（０）　＝　Ｂλ（ＴＬ）　　　　　　　　・・・
・・（４）測定しようとする波長領域を可視光領域に選
択すればウィーン近似が適用でき、次式が成立する。

Ｂ（Ｔ）二Ｃ，λ−５，ｅ　　λＴ・・・・・（５）Ｇ
□：　　１．１９１ｘ　１０−５ｅｒｇ１０−５ｅｒ／
５ｅｃ０２：　１．４３８の・Ｋ 従って、（２）式は光源の輝度温ｉ’ｒ９．プラズマの
電子温度Ｔｅ　、光源強度ｌを用いて次式で表わすこと
ができる。

Ｉλ（１）　＝　Ｂ（Ｔｂ）　・ｅ−Ｊ’　＋　Ｂλ（
Ｔｅ）　（１ｅ−’））・・・・・　（６） 本発明では自然光を発する光源３０から偏光子３３によ
りＳ偏光成分だけをプラズマ３５に投射する構成として
いるから、光源３０から発しプラズマ８５に入射するＳ
偏光成分の入射光強度ｆＬｓは次式で表わされる。

！”ＬＳ　＝ξ”η°ダＬ ＝ξ・η・Ｋｏ・Ｂλ（ＴＬ）　　　　　　　　・・・
・（７）九：光源から発した光束の強度 η：偏元子による変換効率 ξ：偏元子の直線偏光の透過係数 に工：光源からプラズマまでの光学補正係数そして、こ
の光束がプラズマ８５を通過し光検出器４８で受光され
るときの光強度ＩＬｓは次式で表わされる。

ｙｉＬＳ　＝ξ２・η・Ｋ１・Ｋ２・Ｂλ（Ｔ４．）ｅ
−にλ”　　　・・−・（８）Ｋ、：プラズマから光検
出器までの光学補正係数 一方、プラズマ３５からの輻射光は光学的に等方性を有
しているから、その直線偏光のＳ成分とＰ成分とは等し
く、プラズマ輻射場から発し光検出器４３及び４７で検
出される輻射光の直線偏光のＳ成分りＰｓ及びＰ成分”
ＰＰは次式で表わされる。

’ＰＳ　”　’ＰＰ Ｓ偏光成分を受光する第１の光検出器８８に入射する光
束は、光源３０から発しプラズマ３５を通過したＳ成分
直線偏光とプラズマ輻射場から発したＳ成分直線偏光と
の和であるから第１元検出器４３に入射する光強［ｊ’
３は、次式で表わされる。

”Ｓ　＝”ＬＳ　＋”ＰＳ　　　　　　　　　’・−（
１０）また、Ｐ偏光成分を受光する第２元検出器３フに
入射する光束は、プラズマ輻射場から発するＰ成分直線
偏光だけであるから、第２元検出器３７に入射する光強
度グＰは、 す＝ダｐｐ　　　　　　　　　　　　・・・（１１）こ
れらから、プラズマの電子温度Ｔｅは次式で表わされる
。

（１２）式よりプラズマ２５に入射する光強度”ＬＳ　
。

第１の光検出器３３に入射するＳ偏光成分の入射元強度
稲及び第２の光検出器８７に入射するＰ偏光成分の入射
光強度ダＰをそれぞれ各別ζこ検出すれば、プラズマ電
子源ｔＪｊＴｅを測定でき、プラズマ３５が熱平衡１こ
あるものとすればプラズマ温度Ｔｐがプラズマ電子温度
Ｔｅと等しくなり、プラズマ温度Ｔｐが測定される。そ
して、第１及び第２の光検出器４８及び４７が接続され
ている演算処理装置４５に（１２）式を記憶させ、第１
及び第２の光検出器４３及び４７の出力を時間的に連続
して演算処理装置に入力すれば、時間的に連続してプラ
ズマ３５の温度を測度できる。

第３図に上述した構成の測定装置を用いて測定したプラ
ズマ温度を示す。横軸は時間を示し、縦軸はプラズマ温
度を示す。本発明によるプラズマ物性測定装置を用いれ
ば、時間分解能が２μｓｅｃ程度の高速で測定されるこ
とが理解される。この測定結果より、プラズマ内部を流
れる電流によりプラズマが局所的ジュール加熱により局
所的に高速変化していることが観測できた。

第４図はプラズマ温Ｉと共に導電率及び電子密度を同時
に測定できるように構成したプラズマ物性測定装置の一
例の構成を示す線図である。第１図で用いた構成要素と
同一の構成要素には同一符号を付して説明する。本発明
では上述した構成に基きプラズマ温度を測定すると共に
ファラデイ回転角を測定してプラズマ電子密度等の諸物
性値を測定する。プラズマが形成する磁界によりファラ
デイ効果を受ける波長域は比較的長波長領域にある。こ
のため本発明ではプラズマ温度を測定するための第１の
光源装置３０としてフラディ効果を受けにくい比較的短
い波長域の直ｉ偏光を放射する光源装置を用いると共に
、他のプラズマ物性値を測定するために第１の光源装置
３０から放射される光束よりも長波長域にありファラデ
イ効果を受は易すい長波長域の直線！光を放射する第２
の光源装置５０を設ける。この第２の光源装置としては
、例えば１５０００Ａ程度の遠赤外光を放射する半導体
レーザが好適である。第２の光源装置５゜から放射され
た光束は、前述した装置の光学系内に光軸を一致して配
置したハーフミラ５１により反射され、光源３０から放
射された光束と共にプラズマ３５に投射する。プラズマ
３５を通過した光束はスリット３６及び集光レンズ３７
を経てディテクタ装置３８に入射する。このディテクタ
装置３８に入射した光束は、コリメータレンズ４゜によ
り平行光束とされてからハーフミラ−５２に入射し、透
過光はビームスプリッタ４１に入射し、反射光はスリッ
ト５３を経てハーフミラ−５４に入射する。ハーフミラ
−５２を透過してビームスプリッタ４１に入射した光束
には二糧類の波長域の光束が入射するが、後段の第１及
び第２の光検出器４ａ及び４７を光源３０から放射され
る光束の波長域、すなわち短波長域に感度を有する光検
小器を用いれば第２の光源装置５０から放射された光束
の影響を受す、従って光源装置５０はＳ偏光及びＰ偏光
のいずれも使用できる。ビームスプリッタ４１に入射し
た光束は、前述した構成に基きＳ偏光成分とＰ偏光成分
とに分離され、これらＳ偏光成分とＰ偏光成分に基き演
算処理装置４５において前述したプロセスに従ってプラ
ズマ温Ｔｐを求める。一方、ハーフミラ−５４に入射し
た光束は、その反射光は検光子５５を経て第３の光検出
器５６に入射し、透過光は検光子５７を経て第４の光検
出器５８に入射する。第８及び第４の光検出器５６及び
５８には第１及び第２の光源装置ａＯ及び５０から放射
された光束が共に入射するが、第３及び第４の光検出器
５６及び５８を長波長域ｌこ感度を有する光検出器を用
いて第２の光源５０から放射された光束だけを検出する
。そして、これら第８及び第４の光検出器５６及び５８
を増巾器５９及び６０を経て演算処理装置６１に接続す
る。第２の光源５０から放射された長波長域の光束は、
プラズマ３５を通過するとこのプラズマａ５が形成する
磁界によりその偏光面が回転するため、検光子５７を操
作してフラデイ回転角θを求める。また、プラズマ３５
自体の量が変動するとファラデイ回転角θも変動するた
め、演算処理装置６１にプラズマ量と光検出器の出力と
の関係を予め記憶しておき、第８の光検出器５６の出力
に基き検出したファラデイ回転角θを補正しプラズマ量
の変動の影響を除去する。プラズマ量の変動量の情報は
プラズマ温度測定用の第１又は第２元検出器４３又は４
７の出力値を演算処理回路６１゜に入力して求めること
もできる。

次に、求めたファラデイ回転角θからプラズマ物性値を
求めるプロセスについて説明する。直線偏光がプラズマ
中を通過することにより生ずるファラデイ回転角θは次
式で表わすことができる。

ここで Ｂ：プラズマの磁界強度 ｍ：電子の質量 ω：入射元の振動数 ω。：プラズマの電子の固有振動数 ｎ：プラズマの屈折率 Ｎ：プラズマ電子密度 ｄ：プラズマの厚さ ｅ：電気素量 Ｃ：光速 （］３）式において、３９ｍ、ω、ｎ、ｄ、ｅ及びＣは
既知のものとして取り扱うことができる。よって、プラ
ズマの固有振動数ω。が既知になればプラズマ電子密Ｕ
Ｎがファラデイ回転角より求まる。

予め、プラズマの振動数ωｐに比べ、ω０．ω２）ω、
となる２種の振動数の直線偏光からファラデイ回転角θ
、及びθ、をそれぞれ測定しておく。そして、α＝０２
／／ｌ−Ｉ工、β＝′２／θ、とすると、プラズマの電
子の固有振動数ω。は次式で表わされる。

従って、予め求めた固有振動数ω。を用いるとプラズマ
電子密度Ｎは次式で表わされる。

従って、演算処理装置６１において測定したファラデイ
回転角θを用いて（１５）式に基いて演算すれば容易に
プラズマの電子密ｉＮが算出できる。

次に、プラズマの導電率σを求める。導電率σは次式で
表わされる。

σ＝ｌＪ６μ　　　　　　　　・・・・（１６）ここで
、Ｎ：プラズマ電子密度 ｅ：電気素量 μ：プラズマ中の電子の移動度 プラズマの電子の移動度μは予め別の方法で求めること
ができ、既知のものと取り扱うことができる。従って、
演算処理装置６１において求めたプラズマ電子密度Ｎに
基き（１６）式に従って演算処理を行なえば同時にプラ
ズマの導電率σを求めることができる。

次に、プラズマの電離塵αと衝突断面積を求める。弱電
離気体の電気伝導の式よりプラズマの導電率σは次式で
表わされる。

ここで、α：電離度 Ｑ：衝突断面積 Ｔ：プラズマ温度 従って、前述した方法に基いて求めたプラズマ温度Ｔを
用い、衝突断面積Ｑ又は電離塵αのいずれ１かを予め求
めておけば、プラズマの電離塵α又は衝突断面積Ｑのい
ずれかを求めることができる。

した実施例ではプラズマ温度測定用光源装置として、白
色光源と偏光子を組合せたものを用いたカ（勿論半導体
レーザ等の直線偏光を放射する光源を用いることができ
る。ただし、適切な光源温度のものを使用しなければな
らない。また、上述した実施例ではビームスプリッタと
してグラントムソンプリズムを用いたが、ニコルプリズ
ム等の種々偏光プリズムを用いることができる。

（発明の効果） 以上説明した本発明の効果を要約すると久の通りである
。

（１）　　プラズマに向けて直線偏光を投射し、この直
線偏光及び投射光束が通過した位置のプラズマ輻射場か
らの輻射光に基いてプラズマ温度を測定しているから、
同一空間のプラズマ温度を同一時刻で測定できる。これ
らにより信頼性の高・いプラズマ温度測定を行なうこと
ができる。特に、従来法では近似的にプラズマ温度を測
定していたが、本発明では直接プラズマ温度を測定でき
、測定精度を一層向上させることができる。

（２）分光特性を測定することなく光検出器の出力。

信号から直接プラズマ温度を求めることができ、時間的
に連続してプラズマ温度を測定できる。

この結果、プラズマ制御を容易且つ高精度に行なうこと
ができる。

（３）　　波長の異なる２種の光源から放射した光束を
同一の元軸上でプラズマに投射する構成としているので
、プラズマ中の同一空間の諸物性値を同時に測定できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマ物性測定装置の一例の構
成を示す線図、 第２図は測定原理を示す線図、 第３図はプラズマ温度の測定結果を示すグラフ、第４図
は２種の光源を用いるプラズマ温度測定装置の一例の構
成を示す線図、 第５図は波長掃引法を利用したプラズマ温度測定装置の
構成を示す線図、 第６図は各徨光源温度における分光特性を示すグラフ、 第７図はナイフェツジ法を用いたプラズマ温度測定装置
の構成を示すグラフである。 ａＯ・・・光源　　　　　　　８１・・・基単電源３２
　、４０・・・コリメータレンズ ３３・・・偏光子　　　　　　３４　、８７・・・集光
レンズ８５・・・プラズマ　　　　　３６　、８９　、
５８・・・スリット３８・・・ディテクタ装置　　４１
・・・ビームスプリッタ４２　、４６・・・フィルタ　
　４δ・・・第１元検出器４４　、４８　、５９　、６
０・・・増巾器４５　、６１・・・演算処理装置１４’
７・・・第２党検出器５０・・・光源装置 ５１　、５２　、５４・・・ハーフミラ−５５、５７・
・・検光子　　　５６・・・第３元検出器５８・・・第
４元検出器 第３図 １１−？　　胴（カワｗｅノー 第５図 第６図 汲長

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマに向けて直線偏光を投射する光源装置と、
   プラズマから出射した光束をＳ偏光成分とＰ偏光成分と
   に分離する手段と、これらＳ偏光成分及びＰ偏光成分を
   それぞれ検出する手段とを具え、検出したＳ偏光成分と
   Ｐ偏光成分とに基いてプラズマ温度を測定することを特
   徴とするプラズマ物性測定装置。 ２、前記Ｓ偏光成分検出手段とＰ偏光成分検出手段とを
   演算処理装置に接続し、時間的に連続してプラズマ物性
   値を測定するように構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のプラズマ物性測定装置。 ３、前記演算処理装置において下記の式に基きプラズマ
   温度を算出するように構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項記載のプラズマ物性測定装置。 Ｔｅ＝｛１−（λＴ＿Ｌ／Ｃ＿１）ｌｎ〔（Ｃ＿２・φ
   ＿Ｐ）／（φ−φ＿Ｓ＋φ＿Ｐ）〕｝＾−＾１ここで、 Ｔｅ：プラズマ電子温度 Ｃ＿１：定数 λ：波長 Ｔ＿Ｌ：光源の輝度温度 Ｃ＿２：補正係数 φ＿Ｐ：Ｐ偏光成分検出器の出力 φ＿Ｓ：Ｓ偏光成分検出器の出力 φ：プラズマへの入射光強度 ４、同一光軸上でプラズマに向けて波長の異なる直線偏
   向を投射する第１及び第２の光源装置と、プラズマから
   出射した光束を分割する手段と、分割した一方の光束を
   Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する手段と、分離した
   Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分をそれぞれ検出する手段と、
   分割された他方の光束のファラディ回転角を検出する手
   段とを具えることを特徴とするプラズマ物性測定装置。 ５、前記第１の光源装置から可視光又は紫外線領域の波
   長光を放射させ、第２の光源装置からは遠赤外領域の波
   長光を放射させることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のプラズマ物性測定装置。