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Experimental comparison between plasma and gas neutralization of high-energy negative ion beams

高エネルギー負イオンビームのプラズマ及びガス中性化の実験的比較

花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 渡邊 和弘; 今井 剛

Hanada, Masaya; Kashiwagi, Mieko; Inoue, Takashi; Watanabe, Kazuhiro; Imai, Tsuyoshi

将来の核融合用中性粒子入射装置のシステム効率を50%以上にすることが可能なプラズマ中性化セルの原理実証試験を実施した。実験では、長さが2mで、直径が0.6mの多極磁場配位の大型プラズマ源を用いた。さらに、同プラズマ源の両端のビーム通過用開口部(直径: 0.2m)からの高速1次電子の閉じ込めを改善するために、一対のダイポール磁石を中性化セルの両端にそれぞれ極性を反転して取り付けた。その結果、0.002Pa-0.03Paという低い運転ガス圧領域において、中性化実験を実施するうえで最低限必要となる10$$^{11}$$-10$$^{12}$$cm$$^{-3}$$ 程度のアルゴンプラズマを生成することが可能となった。中性化実験では、200keVの水素負イオンビームの中性化効率をアルゴンプラズマとアルゴンガスに対して測定した。ガスのみで中性化した場合に比べて、プラズマで中性化した場合、中性化効率は6%程度増加するとともに、中性化効率を最大にする線密度は30%程度減少した。この結果は、イオンや原子の中性化断面積から求めた解析結果と良く一致した。本実験により、解析で予想されるように、プラズマを用いることによって、低いガス線密度で高い中性化効率が得られることが確かめられた。

A proof-of-principle test on plasma neutralizer, that is capable of enhancing a system efficiency of neutral beam injector for future fusion reactors, has been carried out. A 2 m long and 0.6 m diamater neutralizer with multicusp magnet line was used, improving the confinement of primary electrons flowed from both ends of the neutralizer by a pair of magnets. This improvement produced relatively high density Ar plasma of 10$$^{11}$$ - 10$$^{12}$$cm$$^{-3}$$ at low operating pressure of 0.002 Pa - 0.03 Pa. In the neutralization experiment, 200 keV H$$^{-}$$ ion beams were neturalized with the plasms and gas. Compared with the gas neutralization, the maximaum neutralization efficiency by the plasma was 6% higher than that by the gas. Further, an optimum Ar gas line density for maximizing the neutralization efficiency was 30% lower than that by the gas. These results are in good agreements with results analyzed from the cross-section data for neturalization. Thus, it was experimentally verified that the neutralization effiency can be enhanced at relatively low line density by using the plasma.

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