Suppression of fast electron leakage from large openings in a plasma neutralizer for N-NB systems

N-NB用プラズマ中性化セルにおける大開口部からの高速電子漏洩抑制

柏木 美恵子; 花田 磨砂也; 山名 貴志*; 井上 多加志; 今井 剛*; 谷口 正樹; 渡邊 和弘

Kashiwagi, Mieko; Hanada, Masaya; Yamana, Takashi*; Inoue, Takashi; Imai, Tsuyoshi*; Taniguchi, Masaki; Watanabe, Kazuhiro

核融合発電炉用中性粒子入射装置(N-NB)に必要なシステム効率(50%以上)を達成するためには、現在のガス中性化セル(中性化効率60%)に変わり、中性化効率80%以上のプラズマ中性化セルの開発が重要となっている。ここでは、低ガス圧・高電離プラズマ、例えば1MeVの負イオンに対して0.08Pa以下,電離度30%以上で3m長のプラズマが必要である。しかし、このような低ガス圧下では、電離に寄与する高速電子の平均自由行程は装置長より長くなるため、プラズマ中性化セルのビーム通過用大開口部からの高速電子損失が問題となっている。この高速電子漏洩を抑制するために、電子軌道解析により開口部に印加する横磁場を設計検討した。その結果を反映し、アーク放電型プラズマ中性化セル(長さ2m,直径60cm)の大開口部(20cm直径)近傍に約30ガウスの弱い横磁場を印加した。ラングミュアプローブによる電子エネルギー分布関数測定から、多数の漏洩高速電子が、横磁場印加後、プラズマ内に戻されたことがわかり、アーク効率(プラズマ密度/アークパワー)は0.08Pa以下の低ガス圧においても1.5倍となった。これにより、30ガウス程度の弱い横磁場印加が、プラズマ中性化セルの開口部からの高速電子漏洩の抑制、及びアーク効率の増大に有効であることを明らかにした。

Plasma neutralizer is one of key components to achieve the required system efficiency ( 50 %) for a negative-ion based neutral beam (N-NB) system in a fusion power plant. In the plasma neutralizer, highly ionized plasma is required at lower pressure, e.g., ionization degrees of 30 % at 0.08 Pa for 1 MeV negative ions. In such low pressure, mean free path of fast electron that contributes to ionizations becomes longer than the neutralizer's dimensions. Therefore, suppression of fast electron leakage from large openings that are beam entrance and exit is a crucial issue to realize plasma neutralizers. To suppress the fast electron leakage from the openings, authors propose a shield field, which is a weak transverse magnetic field of only 30 Gauss applied locally around the opening. The shield field are numerically examined and designed by using a three dimensional particle orbit code. In the experimental studies, this weak shield field is applied at the openings (diam. = 20 cm) of an arc discharge driven plasma neutralizer (length = 200 cm, diam. = 60 cm). The plasma parameters inside and outside of the opening were measured by a Langmuir probe. The electron energy distribution function (EEDF) showed that considerable fast electrons, which were leaked from the opening, were suppressed successfully by the weak shield field of 30 Gauss. Thus the leaking fast electrons were repelled into the neutralizer to deposit their energy for the plasma production. At a result, the plasma production efficiency (plasma density / arc power) was improved by a factor of 1.5 at 0.08 Pa.