Long pulse production of high current D ion beams in the JT-60 negative ion source

JT-60負イオン源を用いた重水素負イオンビームの長パルス生成

花田 磨砂也; 鎌田 正輝; 秋野 昇; 海老沢 昇; 本田 敦; 河合 視己人; 椛澤 稔; 菊池 勝美; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 能登 勝也; 大島 克己; 竹之内 忠; 棚井 豊; 薄井 勝富; 山崎 晴幸; 池田 佳隆; Grisham, L. R.*

Hanada, Masaya; Kamada, Masaki; Akino, Noboru; Ebisawa, Noboru; Honda, Atsushi; Kawai, Mikito; Kazawa, Minoru; Kikuchi, Katsumi; Komata, Masao; Mogaki, Kazuhiko; Noto, Katsuya; Oshima, Katsumi; Takenouchi, Tadashi; Tanai, Yutaka; Usui, Katsutomi; Yamazaki, Haruyuki; Ikeda, Yoshitaka; Grisham, L. R.*

高出力負イオンビームの長パルス化研究をJT-60負イオン源を用いて実施した。長パルス化上で問題となる耐電圧特性及び電極熱負荷について調べ、運転条件を最適化した。耐電圧特性に関しては、真空状態である負イオン源内部において、加速電圧印加時に発生する発光と耐電圧特性の相関関係を調べた。分光測定の結果、発光は繊維強化プラスチック(FRP)製絶縁管に電子が衝突することにより、絶縁管自体がカソードルミネッセンスにより発光していると推察された。さらに、発光強度と耐電圧特性の相関関係から、発光がほぼ零となるときに、イオン源は放電破壊は十分に抑制され、安定に動作することがわかった。発光がほぼ零となる加速電圧(340kV)で、負イオン源の長パルス化を図った。電極熱負荷に関しては、負イオン生成のためのアーク放電電力や引き出し電圧を最適化することによって、加速電極熱負荷を許容値(1MW)に抑制した。JT-60に設置されている負イオン源2台それぞれに対して、これらの運転条件を最適化した結果、各イオン源から320keV,約10A重水素負イオンビームを、従来より2倍長い21秒間安定に生成した。中性化後の重水素ビームパワーは3.2MWに達しており、世界で初めて、数MW級の中性粒子を20秒以上入射することに成功した。

A long pulse production of high-current, high-energy D ion beams was studied in the JT-60U negative ion source that was designed to produce 22 A, 500 keV D ion beams. Prior to the long pulse production, the short pulse beams were produced to examine operational ranges for a stable voltage holding capability and an allowable grid power loading. From a correlation between the voltage holding capability and a light intensity of cathodoluminescence from the insulator made of Fiber Reinforced Plastic insulator, the voltage holding was found to be stable at 340 kV where the light was sufficiently suppressed. The grid power loading for the long pulse operation was also decreased to the allowable level of 1 MW without a significant reduction of the beam power by tuning the extraction voltage (Vext) and the arc power (Parc). These allow the production of 30 A D ion beams at 340 keV from two ion sources at Vacc = 340 kV. The pulse length was extended step by step, and finally reached up to 21 s, where the beam pulse length was limited by the surface temperature of the beam scraper without water cooling. The D ion beams were neutralized to via a gas cell, resulting in a long pulse injection of 3.2 MW D beams for 21 s. This is the first long injection of 20 s in a power range of 3 MW.