タンデム電位およびサーマルバリアの基礎研究

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本研究は、小型装置の機動性を生かし、タンデム電位、サーマルバリアの基本的概念を把握し電位形成機構を解明するために、その基礎となる資料を供することを目的としている。昨年度は、低温の電子温度を有する接触電離プラズマと高温の電子温度を有する直流放電プラズマを対向に混合させて、サーマルバリア付きタンデム型の電位分布を形成し、その電位分布のプラズマ源圧力比、ミラー比依存を中心に調べた。本年度は、このように定常的に形成される電位分布に対するプラズマパラメータ依存をより詳しく調べる目的で、直流放電プラズマ源を終端電極に置き換え接触電離プラズマ源のみを用いて、無衝突プラズマを負にバイアスされた終端電極に向けて流入した。途中には井戸型またはバンプ型のミラー磁場があり、プラズマ流速【V_o】はプラズマ源前面のシース深さにより変られ(【V_o】/Cs【<!〜】3,Cs:音速),電子は終端電極で反射されている。井戸型磁場中の電位分布は、ミラー中央面近傍に電子温度に相当する程度の電位くぼみの形成を示し、この負電位の深さ(Δφ)は【V_o】を大きくすると浅くなる。一定の【V_o】に対しては、ミラー比とともにΔφが深くなる。以上の結果は、イオンと電子に不均一磁場中無衝突軌道論とボルツマン平衡をおのおの適用し、電荷中性条件を仮定した理論値に近い。荷電粒子への衝突効果を調べるためにアルゴンガスを導入すると、イオン一中性粒子衝突平均自由行程がミラー特性長と同じくらいになると電位のくぼみがふくらみへと変化する。更に、平均自由行程を小さくすると電位分布は平らになり、ミラー効果は見られなくなる。これは、衝突によるイオンのミラー捕捉とMHD流の効果に起因する。一方、バンプ型磁場中では逆にミラー点近傍の電位はふくらみ、その下流では急激に下がり、これが衝突効果により平担分布となった。