グロー放電

グロー放電（glow discharge）とは、数Paから数百Pa程度の低圧ガス中で直流または低周波の電圧を印加したときに生じる、自持続型の低温プラズマ放電である。放電管内のガスが電離して発光し、特徴的な層状の光り方をすることからこの名がある。電子温度は数eV程度と高温だが、重い粒子（イオン・中性分子）はほぼ室温に保たれるため「低温プラズマ」と呼ばれ、この非平衡性こそが表面処理やプラズマ化学に有用な性質を与えている。トカマクなどの核融合装置では、真空容器内壁の不純物除去・水素保持低減を目的としたグロー放電クリーニング（GDC）として、装置運転に不可欠な技術となっている。

直流グロー放電の構造

典型的な直流グロー放電は、陰極と陽極を対向させた放電管内に形成される。印加電圧を上げていくと、まず不規則なコロナ的放電を経て、ある電圧で急激に管全体が発光するグロー放電へ移行する。このときの放電は空間的に一様ではなく、陰極側から順に、ほとんど発光しない薄い層（アストン暗部）、陰極グロー、クロフトン暗部、負グロー、ファラデー暗部、そして長く一様に光る陽光柱という層構造をなす。この構造は電子のエネルギー分布の空間変化を直接反映している。

図は、核融合装置の真空容器を放電容器として用いるグロー放電クリーニング系の構成を示したものである。容器壁そのものが陰極として機能し、容器内に挿入された細い棒状の陽極（図中の 陽極）との間に放電が維持され、ターボ分子ポンプや残留ガス分析計、水素とアルゴンのガス供給系が付属する。この構成では、放電の層構造のうち陰極近傍の領域が容器壁全面に広がる形になり、壁全体が一様にイオン照射を受けることが、後述の壁コンディショニング用途の鍵となる。

各層の物理を簡単に述べる。陰極の直前にある陰極電位シース（陰極降下層）は、電圧降下の大半が集中する高電界領域である。ここでイオンが陰極に衝突して二次電子を叩き出し、二次電子はシース電界で一気に加速されて負グロー領域に飛び込み、そこで電離を起こしてプラズマを維持する。負グロー領域を過ぎると電子はエネルギーを失い、電離率が下がってファラデー暗部となり、その先の陽光柱では電離と再結合が釣り合った準中性プラズマが小さな軸方向電界のもとで保たれる。つまりグロー放電の自持続は、陰極からの二次電子放出とシースでの加速という一連の過程に依存しており、陰極材料の二次電子放出係数が放電維持電圧を直接決める。

動作領域と破壊（ノーマルグローとアブノーマルグロー、パッシェンの法則）

グロー放電の電流・電圧特性には、特徴的な二つの動作領域がある。電流を増やしていくと、まず陰極表面のうち放電が覆う面積が電流に比例して広がる「ノーマルグロー」の領域がある。この領域では陰極電流密度と陰極降下電圧が一定に保たれ、放電は陰極の一部だけを覆って動作する。陰極全面を覆い尽くすと、さらに電流を増やすには陰極降下電圧を上げるしかなくなり、「アブノーマルグロー」へ移行する。アブノーマルグローでは陰極降下が大きくなり、イオンがより高いエネルギーで陰極に打ち込むため、スパッタリングが顕著になる。壁コンディショニングでは、壁を陰極として一様に照射するためにアブノーマルグロー領域が利用される。

放電開始（破壊）の条件はパッシェンの法則で与えられる。破壊電圧は圧力と電極間距離の積（pd値）の関数として表され、あるpd値で極小値を持つ。これは、pdが大きすぎると電子が一つの平均自由行程あたりに得るエネルギーが小さくなり、小さすぎると電子が電離を起こす前に壁に到達してしまうためである。極小値を挟んで同じ電圧でも破壊するか否かが変わるため、放電装置の設計では圧力と電極間隔の選定が本質的な問題となる。破壊後の放電維持には、二次電子による電離の増倍が自持続条件（ Townsend条件）を満たすことが必要で、これが陰極材料・ガス種・圧力によって動作点が決まる仕組みである。

モデリングの手法：流体モデル、運動論、二次電子の動力学

グロー放電の理論記述には、大きく分けて流体モデルと運動論的モデルがある。流体モデルは、電子・イオン・中性粒子の連続方程式とドリフト・拡散流束、ポアソン方程式を連立させるもので、放電構造の全体像を効率よく再現できる。ただし電子のエネルギー分布関数（EEDF）を局所平衡と仮定すると、陰極シース近傍のように電子がシース電界で非局所的に加速される領域では正確さを欠く。このため、シースから飛び出す高速電子群（二次電子）を別個の流体方程式で扱い、その輸送係数や反応係数をモンテカルロシミュレーションで求めて組み込む手法が広く用いられている。EEDFを各点で計算に組み込む修正流体モデルの信頼性検証や、プラズマ化学・非局所効果・三次元幾何を含めた多重解の存在など、モデルの精度と解の構造に関する研究が続けられている。

核融合装置のグロー放電クリーニングを対象とした二次元自己無撞着モデルは、この種のモデリングの好例である。この研究が明らかにした重要な描像は、容器壁全面を陰極とするグロー放電クリーニングが本質的に中空陰極放電として動作するという点である。すなわち、陰極（容器壁）から放出された二次電子は薄い陰極シースで弾道的に加速され、高速電子ビームとしてプラズマ中に侵入した後、反対側の壁に面した陰極降下層によって閉じ込められる。この閉じ込めにより電子の滞在時間が延びて電離効率が上がり、比較的低い電圧でも放電が維持される。一方、プラズマ内部の電界分布、ひいては壁へのイオン流束分布は低エネルギーのバルク電子が制御しており、陽極面積が小さいと陽極グローが生じてプラズマの均一性を損なう。このため陽極の配置・面積は実機設計の重要な要素となる。

応用：核融合装置におけるグロー放電クリーニングと壁コンディショニング

トカマクやステラレータでは、プラズマ運転に先立って真空容器壁の不純物（H₂O、CO、CO₂、CH₄などの炭化水素）を除去し、水素リサイクリングを制御する壁コンディショニングが不可欠である。グロー放電クリーニングは、トロイダル磁場を切った状態で容器壁を陰極、容器内に挿入した陽極との間に水素グロー放電を起こすことで、壁に吸着した不純物をイオン照射で叩き出して排気する手法であり、その均一性・安定性・高い不純物除去効率から、DIII-D、JET、KSTAR、ASDEX Upgrade、EAST など多くの装置で標準的に用いられ、ITERでも第一壁からのトリチウム除去の主要手段とされている。

運転は通常、当日のプラズマ実験終了後の夜間や週末に連続的に行われるが、パルス的に放電を断続するパルスGDCも広く研究されている。パルス化により再注入を抑えつつ不純物除去効率を高め、壁への燃料負荷を減らせることがASDEX UpgradeやADITYA-Uで示されている。またJETのITER様壁（タングステン第一壁）でのデューテリウム・トリチウム実験キャンペーンでは、壁ベーキング、GDC、イオンサイクロトロン壁コンディショニングなどを組み合わせた燃料除去が実施され、累計除去量のうち約26%がGDCによるものであった。この割合はイオンサイクロトロン壁コンディショニングの約12.5%を上回り、GDCがプラズマ・壁相互作用面積の広さと高い除去効率の点で有利であることを示している。

一方で、水素GDCには二つの課題がある。第一に、壁への水素（将来はトリチウム）の保持が増えることであり、第二に、一定レベル以上の炭素・酸素系不純物の除去が進まなくなることである。水素保持の制御にはヘリウムGDCが用いられてきたが、ヘリウムは凝縮温度が極めて低くクライオポンプでの排気が難しい。この問題に対し、ADITYA-Uではアルゴン・水素混合ガスを用いたGDCが開発された。アルゴンと水素の低温プラズマでは ArH⁺ イオンが優勢に生成される。その反応係数（H₂⁺ + Ar で 2.0×10⁻⁹ cm³ 分子⁻¹ s⁻¹、Ar⁺ + H₂ で 1.2×10⁻⁹ cm³ 分子⁻¹ s⁻¹）は他の希ガス・水素系より一桁以上大きく、ArH⁺ の解離エネルギーも 3 eV を超えて長寿命である。質量の大きい ArH⁺ は水素イオンより多くの運動エネルギーを壁の吸着不純物に伝達でき、実際に Ar:H₂ = 50:50 の混合GDCは通常の水素GDCに比べ、1時間あたり5倍の H₂O 除去が得られた。またアルゴン単独では顕著な金属スパッタリングが起こるが、水素を40%程度混ぜるとクロムなどのスパッタ率が大幅に低下するため、金属壁の侵食を抑えつつ化学的スパッタリングで炭化水素膜を除去できる。

近年の課題の一つが、超伝導コイルを用いる装置での強磁場下でのGDC動作である。超伝導トカマクではトロイダル磁場を常時保つことが運転上望ましいが、磁場中では電子が磁力線に巻きついて陰極方向の移動が阻害され、放電の維持・均一性が損なわれる恐れがある。EASTでの実験は、強いトロイダル磁場下でもGDCが動作し、第一壁に保持された燃料を除去できること、またパルスGDCやイオンサイクロトロン壁コンディショニングとの併用が有効であることを示し、将来の超伝導融合炉におけるトリチウム除去戦略への道を開いている。GDC陽極の配置も装置ごとに最適化が進めており、EASTでは複数のポートに陽極を分散配置して放電の均一性を確保している。

図は、EASTトカマクにおけるGDC陽極の配置をポロイダル断面から見たものである。複数のポート（A、O、P など）に陽極が分散して設置され、ガスの注入（puffing）と排気の位置も併せて示されている。このように陽極を周回方向に分散させることで、巨大な容器壁全面にわたる放電の均一性が確保される。

おわりに

グロー放電は19世紀から知られる古典的な放電形態でありながら、その物理は陰極シースでの二次電子加速、非局所的な電離、中空陰極効果といった多様な要素の絡み合いであり、現在でも流体・運動論・モンテカルロを組み合わせた精密なモデリングの対象であり続けている。応用面では、核融合装置の壁コンディショニングという実用的かつ重要な役割を担い、混合ガス化やパルス運転、強磁場対応といった展開を通じて、ITER以降の融合炉の運転技術を支えている。