プラズマ源

プラズマ源とは、気体中に持続的なプラズマを生成・維持するための装置である。プラズマは自然界にも存在するが、実験や産業・加速器・核融合などの用途で使うには、必要な密度・温度・大きさ・時間構造を持つプラズマを制御して作り出す必要があり、その入口となるのがプラズマ源である。多くのプラズマ源は、容器内に導入した作動ガスに電界を印加して最初の放電を起こし(ブレークダウン)、生成された電子が電界や高周波からエネルギーを得て電離を繰り返すことで定常状態を保つ。図は、核融合の中性粒子入射装置(NBI)用の負水素イオン源として用いられる2種類の構成を示したもので、(a)は平面状の多極カスプ磁場で円弧放電プラズマを閉じ込める直流型の「カマボコ」源、(b)は円筒状の金属シールド内で高周波コイルにより放電を駆動するRFドライバ型源であり、いずれも赤い矢印の方向にイオンが引き出される。

プラズマ源の性能は、到達可能な電子密度と電子温度、生成プラズマの均一性、そして入力電力に対するプラズマ生成効率で評価されることが多い。例えば核融合用の負イオン源では数eVの低温プラズマから水素・イオン電流として約50Aを取り出すことが求められ、引き出し口での電流密度は200〜300A/m²程度に達する。一方、プラズマ器用のヘリコン源では、電子密度7×10²⁰m⁻³を長さ10m以上にわたり0.25%以下のむらで維持することが要求されるなど、用途によって求められるパラメータは大きく異なる。