アーク放電型イオン源における高プロトン比プラズマ生成機構

Production mechanism of high proton ratio plasma in a hydrogen arc discharge ion source

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

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

IFMIF(国際核融合材料照射施設)のために開発した小型アーク放電イオン源において、磁気フィルターを適用することによって90%のプロトン比でかつ、120mAの正イオンビーム生成が可能となった。小型イオン源においても高プロトン比プラズマが生成されるメカニズムは興味深い。そこでイオン源中の正イオン及び水素原子密度をレート方程式を用いて数値的に求めた。主要なプロトン生成は分子イオンの解離反応であり、イオン源中心部では高プロトン比プラズマは生成されない。しかし磁気フィルター領域では分子イオンの生成は小さく、熱電子により分子イオンが解離しプロトンが生成されて分子イオン密度が減少し、プロトン比が増加することがわかった。同手法を用いて大型イオン源におけるプラズマ生成過程に関する計算を行った結果、放電領域において高密度のHが生成され、分子イオンを介さないHのイオン化によるプロトン生成により容易に高プロトン比プラズマ生成が可能であることがわかった。また、本計算で得られた正イオン,水素原子密度によって、大型イオン源における負イオン生成への各粒子の寄与を評価した結果、計算結果による負イオンビーム電流は実験結果と一致し、高密度水素原子による表面生成によって大量の負イオンが生成されることがわかった

Recently the ion source for IFMIF (International Fusion Material Irradiation facility) achieved positive ion beams of 120 mA with the proton ratio of 90% by applying magnetic filter even in a small ion source. The mechanism of a high proton ration plasma production in such a small ion source has not been studied. Molecular ions are destroyed and the proton is produced from the dissociation of molecular ions in the filter region. Thus the proton yield is enhanced even in the small volume discharge. Using the same numerical method, the plasma production was calculated for the large ion source. The high proton ratio can be easily obtained, where the contribution of proton production by the ionization of H becomes high. From the negative ion production point of view, the negative ion beam current was numerically evaluated. The high atom flux to the plasma grid generates the large amount of negative ions rather than that by the positive ions in Cs-seeded large ion sources.