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中性粒子入射装置用高出力負イオン源と加速器の開発研究

R&D on high power negative ion sources and accelerators for a neutral beam injector

井上 多加志

Inoue, Takashi

国際熱核融合実験炉ITER用中性粒子入射装置(NBI)実現の1ステップとして、高出力の負イオン源と加速器を開発した。負イオン表面生成の理論的検討から、体積/表面積比を最大化して高密度水素原子生成を実現するカマボコ型負イオン源を開発した。さらに、高速電子(Te$$>$$1eV)による負イオン損失を抑制し、かつ水素原子の負イオン引き出し領域への拡散を妨げない「外部磁気フィルター」を装着し、低ガス圧力(0.3Pa)においてITERの要求性能を上回る高電流密度(300A/m$$^{2}$$)のH$$^{-}$$イオン生成を達成した。ITER加速器では放射線誘起伝導によりSF$$_{6}$$等の絶縁ガスを使用できないため、真空絶縁技術の開発を行った。加速器運転中の圧力は0.02$$sim$$0.1Paとなることから、真空アーク放電並びにグロー放電の絶縁設計ガイドラインを策定し、真空絶縁加速器を設計した。加速管の沿面放電防止のために陰極接合点の電界を低減し、1MVを安定に保持できる真空絶縁のMeV級加速器を開発した。これまでに900keV, 80A/m$$^{2}$$のH$$^{-}$$イオン(全電流値:0.11A)を数百ショット加速することに成功し、ITER NBIの実現に向けた見通しを得た。

Negative ion sources and accelerators have been developed toward the ITER neutral beam injector (NBI). According to an analysis of negative ion surface production, the "KAMABOKO" ion source has been developed maximizing its volume/surface ratio, for fast electron confinement followed by enhancement of atomic density. An "external filter" is equipped in the source, to suppress ion destruction by the fast electrons with efficient diffusion of the atoms to ion extraction region. H$$^{-}$$ ions of 300 A/m$$^{2}$$ was extracted at the pressure of 0.3 Pa. For the accelerator, vacuum insulation technology has been developed since insulation gas such as SF$$_{6}$$ is not applicable under radiation environment. Considering pressure in the accelerator (0.02$$sim$$0.2 Pa), insulation guideline has been developed for both vacuum arc and glow discharges. Reduction of electric field stress at triple junction was effective to prevent flashover along insulator surface. H$$^{-}$$ ion beams of 900 keV and 80 A/m$$^{2}$$ (total ion current: 0.11 A) were obtained for several hundred shots.

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