磁気フィルター付水素負イオン源における負イオンビーム空間的一様性の研究; セシウム添加型負イオン源内での負イオン生成・輸送過程が負イオンビーム強度分布に与える影響(共同研究)

高戸 直之; 戸張 博之; 井上 多加志; 花田 磨砂也; 関 孝義*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

JAEA-Research 2008-031, 44 Pages, 2008/03

JAEA-Research-2008-031.pdf:4.05MB

セシウム添加型負イオン源から引き出された大電流密度負イオンビーム強度が空間的に非一様となるメカニズムを解明するため、JAEA10アンペア負イオン源内でのプローブ測定及び負イオンビーム強度測定を行った。実験結果を考察するため、レート方程式及び粒子(電子・原子・負イオン)軌道追跡を用いた数値解析を行った。その結果、(1)セシウムを導入して負イオンの表面生成反応を促進した状態では、体積生成時とは逆に高い電子温度の領域で高い負イオンビーム強度が得られることを明らかにした。レート方程式を用いた数値解析から、表面生成された負イオンは高速電子によって破壊される前に引き出されることが推定された。(2)1次電子はBBドリフトによってイオン源内で局在化することを確認し、フィラメントの配置を改良して1次電子のドリフトを抑制することにより、負イオンビーム強度の空間的非一様性が改善されることを示した。

Uniform H ion beam extraction in a large negative ion source with a tent-shaped magnetic filter

戸張 博之; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 井上 多加志; 坂本 慶司; 高戸 直之*

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02C111_1 - 02C111_4, 2008/02

https://doi.org/10.1063/1.2816968

負イオンビームの一様性改善研究の成果に基づいて、従来用いてきた強い横磁場を印加する外部磁気フィルタに代えて、対称な閉じ込めカスプ磁場と「テント」型磁気フィルタを組合せた新たな磁場配位を原子力機構の10アンペア負イオン源に適用した。その結果、対称な磁場配位中で1次電子の周方向へのドリフトが促進され、これまで問題となっていた1次電子及びソースプラズマの局在化が解消された。170mm340mmのイオン引き出し面から加速された負イオンビームは、その空間分布の偏差が外部磁気フィルタ印加時の16%から7.9%に低減し、ITER NBIの要求を満たす均一性の高い負イオンビームの生成を実証した。

Effect of energy relaxation of H atoms at the wall on the production profile of H ions in large negative ion sources

高戸 直之*; 松下 大介*; 藤野 郁朗*; 畑山 明聖*; 戸張 博之; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02A503_1 - 02A503_4, 2008/02

https://doi.org/10.1063/1.2802583

原子力機構の大型負イオン源「10アンペア負イオン源」内での、水素原子H生成と輸送過程を3次元モンテカルロ輸送コードで数値的に解析した。Cs添加による表面生成負イオンH生成促進があるものと仮定し、イオン源内の負イオン生成分布をも計算した。この解析では、水素原子から負イオンが表面生成する過程における水素原子のエネルギー緩和過程に注目した。解析結果は、水素原子の壁でのエネルギー緩和過程を考慮することによって、負イオン生成の空間分布は水素原子の生成分布を反映することが明らかになった。

Analysis of electron energy distribution of an arc-discharge H ion source with Monte Carlo simulation

藤野 郁朗*; 畑山 明聖*; 高戸 直之*; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02A510_1 - 02A510_3, 2008/02

https://doi.org/10.1063/1.2816966

負イオン源におけるHイオン生成量の予測と最適化のために、電子エネルギー分布関数(EEDF)解析が必要である。われわれはタンデム型アーク放電イオン源のEEDFを解析する数値計算コードを開発した。これは、カスプ,フィルター、そして引出し電極中の磁石の効果を考慮した、3次元モンテカルロシミュレーションコードである。電子間のクーロン衝突は滝塚モデルに、また幾つかの非弾性衝突はnull-collision法に基づいて取り扱う。このコードを原子力機構10アンペア負イオン源体系に適用した結果、電子密度のオーダーは実験結果と良い一致を見た。加えて、本シミュレーションにより得られたEEDFは実験結果と定量的によく一致した。

Negative ion production in high electron temperature plasmas

戸張 博之; 関 孝義*; 高戸 直之*; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

Plasma and Fusion Research (Internet), 2, p.022_1 - 022_4, 2007/06

https://doi.org/10.1585/pfr.2.022

外部磁気フィルタ付き負イオン源では、フィルタ磁場中の高速電子のドリフトによりソースプラズマが局在化し、局所的に電子温度が高い(3-4eV)領域が形成される。従来、電子温度が1eV以上のプラズマ中では負イオンの消滅反応が著しく促進されるため不向きとされてきたが、セシウム添加型負イオン源では、電子温度の高い領域からより多くの負イオンビームが引き出されることが観測された。このことを検証するために、(1)カソードフィラメントをプラズマ電極近傍に配置,(2)外部磁気フィルタ強度を低減、させることでプラズマ電極近傍に電子温度の高い水素プラズマを生成し、負イオンビーム引き出しを行った。これらの結果より、セシウム添加時には、プラズマ中の高エネルギー電子が電子,解離に寄与し、より多くの水素原子/イオン束が生成され、消滅反応を上回る表面生成により多量の負イオンが生成されることが示唆された。

Improvement of beam uniformity by magnetic filter optimization in a Cs-seeded large negative-ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 戸張 博之; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A515_1 - 03A515_3, 2006/03

https://doi.org/10.1063/1.2165768

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因究明を行うために、フィルター磁場と負イオンビームの長手方向の強度分布との相関関係について実験的に調べた。実験では、3種類のフィルター強度(49, 370, 800Gausscm)について調べた。それぞれのフィルター強度に対して、イオン源に少量のセシウム(約0.3g)を添加して、負イオン電流値を添加前よりも34倍に増加させた後、ビーム強度分布を測定した。いずれのフィルター強度に対しても、ビーム強度を長手方向に積分したビーム電流値はほぼ一定であった。しかしながら、ビーム強度分布の偏差は、フィルター強度が800Gausscmの時、平均値に対して30%であったが、フィルター強度を49Gausscmに下げることにより、17%まで低減した。この結果、フィルター強度を低減することによって、ビーム電流値を下げることなく、大幅にビーム強度分布を改善できることが明らかになった。また、プローブ測定の結果、フィルター強度を下げると、プラズマ電極近傍のプラズマ密度及び電子温度は一様になっていることがわかった。これらの結果から、ビーム強度分布の非一様性の原因は、フィルター磁場によってプラズマ電極近傍のプラズマが偏在するためであることが明らかとなった。

Numerical analysis of the spatial nonuniformity in a Cs-seeded H ion source

高戸 直之*; 花谷 純次*; 水野 貴敏*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 関 孝義; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A533_1 - 03A533_3, 2006/03

https://doi.org/10.1063/1.2172356

負イオンビームの空間的非一様性発生の原因を明らかにするため、負イオン生成及び輸送過程の数値解析を行った。モンテカルロ法を用いた原子及び負イオンの3次元輸送コードを、セシウム添加型負イオン源に適用した。その結果、電子温度の高い領域で局所的に原子が生成され、プラズマ電極表面への原子フラックスが非一様となることが明らかとなり、負イオン生成分布に影響を与えることが明らかとなった。加えて、生成された負イオンの引出し確率は電子温度依存性が弱いことが明らかとなった。

ITERに向けたセシウム添加型大面積負イオン源におけるビーム一様性のフィルタ強度依存

関 孝義; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 井上 多加志; 高戸 直之*; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 渡邊 和弘; et al.

no journal, , 

セシウム添加型負イオン源において、負イオンビーム強度分布の非一様性の原因の一つと考えられるフィルタ強度とビーム強度分布との相関関係について調べた。その結果、フィルタ強度を下げることによって、ビーム強度を低減することなく、ビーム強度の長手方向分布の偏差を27%から13%まで低減できることがわかった。

セシウム添加型大面積負イオン源における原子及び負イオン生成分布の数値解析

高戸 直之; 花谷 純次*; 加藤 恭平*; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 戸張 博之; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 谷口 正樹; 長谷部 美恵子; et al.

no journal, , 

プラズマ電極に入射する原子のフラックスを決める主要な要因を数値計算により明らかにするため、水素原子生成・輸送過程の数値解析を行った。モンテカルロ法を用いた3次元水素原子輸送計算を、セシウム添加型JAEA10アンペア負イオン源に適用した。水素原子生成過程として、分子の電子衝突による解離反応のみを考慮し、反応レートに影響を与える電子温度・密度はラングミュアプローブを用いた測定結果を適用した。また反応レートが大きい高速電子成分は、プローブ特性から2温度フィッティングで求めた値を用いた。その結果、高速電子(数十eV程度)は熱緩和した電子(数eV程度)に対して密度が10%程度と低いにもかかわらず、原子生成に対する寄与は40%程度と高いことが明らかとなった。加えて原子のエネルギー緩和過程を含めた解析を行った結果、原子密度が80%程度上昇することが明らかとなった。この高速電子による解離及び原子のエネルギー緩和過程を含めることにより、原子密度は従来の解析結果の約2.5倍まで上昇し、原子による負イオンの表面生成とその空間分布形成過程の理解が深まった。