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High proton ratio plasma production in a small negative ion source

小型負イオン源における高プロトン比プラズマ生成

森下 卓俊; 井上 多加志; 伊賀 尚*; 渡邊 和弘; 今井 剛

Morishita, Takatoshi; Inoue, Takashi; Iga, Takashi*; Watanabe, Kazuhiro; Imai, Tsuyoshi

核融合加熱装置や大強度陽子加速器などにおいて必要とされる大電流密度負イオンビームを生成するためにはHやH$$^{+}$$からの表面生成を利用したイオン源が有効であり、閉じ込めの良い大型イオン源によって高プロトン比プラズマを生成する必要がある。しかしながら、従来、高プロトン比プラズマ生成が困難であると考えられていた小型のイオン源において800A/m$$^{2}$$の大電流密度負イオンビームが生成された。本研究では、イオン源内のプロトン比を実験的,解析的に調べ、小型イオン源におけるプロトン生成過程を調べた。小型のイオン源(容積1.4リットル,ガス圧1Pa)に磁気フィルターを適用し、正イオンビーム中のプロトン比を測定した結果、磁気フィルターによりプロトン比が2倍以上の90%にまで上昇した。次にレート方程式を用いてイオン密度を求め、プロトン比を評価した。その結果、小型のイオン源では、主放電領域でのプロトン比は40%程度と低いが、磁気フィルターによって高速一次電子の流入が抑制されるため引き出し領域では分子イオン生成は小さく、かつ活発に分子イオンの解離が進行するため、磁気フィルターによってプロトン比が向上することがわかった。

Negative ion beams of high current density are required for accelerator and fusion. The H$$^{-}$$ source utilizes surface production that produces H$$^{-}$$ from H or H$$^{+}$$. And hence, high proto yield ion source is required. Generally, a large volume plasma generator with strong plasma confinement is suitable to achieve high proton yield. On the contrary, production of high proton ratio plasma is not easy in small sources. However, in a small source (3.5 liter), high current H$$^{-}$$ beam of 800 A/m$$^{2}$$ was obtained. In this research, the proton ratio was investigated experimentally and analytically in a small source (1.4 liter). The measured proton ratio increased form 40% to 90% by applying the magnetic filter. From the numerical analysis, the proton ratio is low as 40% in the driver region. However, with the magnetic filter, flow of primary electrons is restrained, resulting in suppression of H$$_2^{+}$$ production at the extraction region. In addition, molecular ions are easily destroyed by thermal electrons in the filter region. Thus the proton ratio is enhanced by the magnetic field in the small sources.

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