Three-dimensional analysis of beamlet deflection in a MeV accelerator for ITER NBI

ITER NBIに向けたMeV級加速器における3次元ビームレット偏向解析

柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; 水野 貴敏; 戸張 博之; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 井上 多加志

Kashiwagi, Mieko; Taniguchi, Masaki; Umeda, Naotaka; Mizuno, Takatoshi; Tobari, Hiroyuki; Dairaku, Masayuki; Watanabe, Kazuhiro; Inoue, Takashi

ITER用中性粒子入射装置(NBI)では、1MeV, 40A, 3600秒の重水素負イオンを生成・加速する高パワー負イオン加速器が必要とされている。その実現に向けて原子力機構では、MeV級負イオン加速試験と並行して、3次元マルチビームレット解析によるビーム光学研究を進めている。最大30秒の長パルス負イオン加速試験後、電極の孔周辺にはビーム衝突によると思われる溶融が観測された。この原因を解明するために、3次元ビーム解析コード(OPERA-3d)に、原子力機構で開発した2次元ビームコード(BEAMORBT),ガス解析コードを組合せ、負イオンの中性化損失も考慮した詳細な負イオン軌道解析を実施した。その結果、磁場とビームレットの空間電荷反発により偏向したビームレットが、電極へ直接衝突して20kW/cm以上の高い熱負荷を生じ、電極が溶融したことを明らかにした。この対策として、電子抑制電極の孔ずれによるビームレット偏向補正と、周辺部に電界補正板を取り付け、端部のビームレットを内側に押し戻す方法を検討し、次回試験に適用することとした。

An accelerator which generates deuterium negative ion beams of 1 MeV, 40 A for 3600 s is required for the ITER neutral beam injector (NBI). To realize such a high power accelerator, numerical studies have been carried out in parallel to acceleration tests in JAEA. After long pulse acceleration tests up to 30 s, it was found that parts of grid were melt around the grid apertures. In order to investigate how the grids melted, a three dimensional beam analysis was carried out in combination with 2D beam analysis code and gas flow code. The analysis clarified that the beamlet was deflected due to their own space charge repulsion and magnetic field at extraction grid, which led to direct interceptions of the beamlets at the grids. The power loads at the grid by these deflected beamlets were found to be more than 20 kW/cm. For next long pulse tests, a new extraction grid with aperture offset and field shaping plate has been designed so as to compensate the beamlet deflections.