入射イオン・電子弁別可能新開発半導体イオン検出器を用いたイオン絶対量計測器の開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14580512
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 平田 真史 筑波大学, 物理学系, 講師 (70222247)
• 研究分担者: 中嶋 洋輔 筑波大学, 物理学系, 助教授 (00188939) ; 小波蔵 純子 筑波大学, 物理学系, 講師 (60302345) ; 長 照二 筑波大学, 物理学系, 教授 (80171958)
• キーワード: プラズマ計測 / 半導体イオン検出器 / 半導体新感度理論 / 半導体表面薄膜成膜法 / イオンエネルギースペクトル計測器 / 端損失イオン流 / イオン計測 / プラズマ閉じ込め電位

研究概要

従来から広くプラズマ計測に適用されているファラデーカップ型のイオン検出器は、電子の流入によるS/N比低下の問題がある。そこで我々は、精密なイオンエネルギー計測器を開発するため、新型斜入射式イオンエネルギー計測器の開発、更に半導体を用いたイオン検出器の開発を進めてきた。この時、簡便で確度の高い較正実験を行うため、ファラデーカップに代わる粒子透過タイプの検出器の開発を必要とした。そこで、新型斜入射式イオンエネルギー計測器・半導体イオン検出器の感度特性実験をより効率的かつ正確に行える、イオン電流量絶対値計測器の設計・開発を行なった。同時に、低域はイオン温度Tiが数10eVのプラズマから、高域はTiが数10keVのプラズマ、数100keVのイオン・ビームも計測可能で、常時イオン電流量絶対値計測を行える「新型プラズマ計測器」を開発する事を本研究目的とした。
低エネルギー・イオンに対する感度を持つ半導体イオン検出器に関しては、不感層を薄くすることで、より低エネルギー(数10eV)まで検出可能な検出器を開発し、単色エネルギー・イオン源により、この半導体イオン検出器のイオン・エネルギー依存性を実測した。
また、イオン電流量絶対値計測器については、有限要素法を用いた電場計算・ルンゲ・クッタ法を用いた粒子軌道計算を詳細に行い、本計測器の原理を理論的に研究し、電子とイオンを弁別し、二次電子の影響の無い、最適な静電場配位・電極構造を見出すべく、設計を進めた。
更に、プロトタイプの新型静電型イオン・エネルギー・スペクトル計測器をガンマ10タンデムミラー装置端部に設置し、端部に流出するプラズマ・イオン計測を行い、実際のプラズマ計測が可能であることを確認した。

研究成果

• [文献書誌] M.Hirata et al.: "A Novel Electrostatic Ion-Current Absolute-Value Detector under Circumstances with Simultaneous Electron Incidence by the Use of a Proposed "Self-Collection" Method for Secondary Electron Emission"Transactions of Fusion Science and Technology. Vol.43, No.1T. 262-264 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshida et al.: "Relation of the Spatial Profile of Ion Confining Potentials with the Improvement in Plasma Confinement Using Novel Ion-Energy Spectrometer Arrays in GAMMA 10"Transactions of Fusion Science and Technology. Vol.43, No.1T. 289-291 (2003)
• [文献書誌] M.Hirata et al.: "A novel electrostatic ion-energy spectrometer by the use of a proposed "self-collection" method for secondary-electron emission from a metal collector"Review of Scientific Instruments. Vol.74, No.3. 1913-1916 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshida et al.: "Observations of differences in the spatial-profile symmetry-of ion-confining potentials in the cases with and without the central-cell density increase during an ion-plugging period"Nuclear Fusion. Vol.74, No.3. 1909-1912 (2003)
• [文献書誌] T.Cho et al.: "A Novel Method for Simultaneous Observations of Plasma Ion and Electron Temperatures Using a Semiconductor Detector Array"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. Vol.477. 204-209 (2002)
• [文献書誌] M.Hirata et al.: "Tomographic Reconstruction of Plasma Electron Temperature Profiles Using Semiconductor Detector Arrays in the Elliptic Transition Region and the Circular Central Cell of the GAMMA 10 Tandem Mirror"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. Vol.477. 210-214 (2002)