アーク放電型小型イオン源における高プロトン比ビーム生成機構の解明

Production mechanism of high proton ratio ion beam in the small arc discharge ion source

森下 卓俊; 伊賀 尚*; 井上 多加志; 今井 剛; 柏木 美恵子; 清水 崇司; 谷口 正樹; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘

Morishita, Takatoshi; Iga, Takashi*; Inoue, Takashi; Imai, Tsuyoshi; Kashiwagi, Mieko; Shimizu, Takashi; Taniguchi, Masaki; Hanada, Masaya; Watanabe, Kazuhiro

90%以上の高プロトン比で、かつ電流密度の高い高輝度正イオン源が、国際核融合材料照射施設(IFMIF)において要求されている。従来、核融合用イオン源開発において、イオンの閉じ込めを向上するためイオン源の大型化がプロトン比向上に適していることが示されたが、加速器用イオン源は単孔ビームで十分であり、効率や装置の単純化等の観点から、イオン源は小型であることが望ましい。小型のイオン源で高いプロトン比を生成するためには、プロトン生成の機構を把握し、高いプロトン比が得られる条件を積極的に与える必要がある。そこでレート方程式を用いてイオン源プラズマ中でのプロトンの生成過程を調べ、小型イオン源における高プロトン比生成機構について、実験結果と対比させた。その結果、従来より考えられていた分子イオンの電離によってプロトンが主に生成されるが、磁気フィルターの効果により小型のイオン源においても高プロトン比ビームの生成が可能であることを示した。

A high proton ratio ( 90%) and a high current density proton beam is demanded in the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF). In the development of the beam source for nuclear fusion, it was indicated that the enhancement of the ion confinement using the large ion source is suitable for the increase in the proton ratio. In the beam source for accelerators, a single beamlet is enough to obtain a certain beam current, therefore, a small ion source is suitable from the aspect of efficiency and simplification of the system. To obtain the high proton ratio beam from the small ion source, it is necessary to grasp the production mechanism of proton. Then, the production process of the proton in the small ion source was investigated using rate equations. Obtained results were compared with experimental results. Consequently, although the proton is mainly produced from the molecular positive ions as considered conventionally, the production of the high proton ratio beam is also possible in the small ion source due to the effects of the magnetic filter.