Vacuum insulation and achievement of 980 keV, 185 A/m H ion beam acceleration at JAEA for the ITER neutral beam injector

ITER NBIに向けた原子力機構における真空絶縁研究と980keV, 185A/m Hイオンビーム加速の達成

戸張 博之; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 大楽 正幸; 梅田 尚孝; 山中 晴彦; 土田 一輝; 武本 純平; 渡邊 和弘; 井上 多加志; 坂本 慶司

Tobari, Hiroyuki; Taniguchi, Masaki; Kashiwagi, Mieko; Dairaku, Masayuki; Umeda, Naotaka; Yamanaka, Haruhiko; Tsuchida, Kazuki; Takemoto, Jumpei; Watanabe, Kazuhiro; Inoue, Takashi; Sakamoto, Keishi

ITER NBI用負イオン加速器及びHVブッシング開発において1MV真空絶縁が共通課題である。HVブッシングでは、外径1.56mのセラミックリングとその外周にFRPリングを二重配置し、これを5段積み重ねて1MVを絶縁する。二重構造ゆえ絶縁体周辺に三重点が複数存在する。これら三重点の電界を同時に低減するために、電界解析により形状を選定した3つの電界緩和部品の組合せる電界緩和構造を考案した。これを1段分の実規模モックアップに適用し耐電圧試験を実施したところ、定格の120%の-240kVを安定に保持し、ITERで要求される絶縁性能を実証した。MeV級加速器では、加速器内に存在する段差や端部における局所的な電界集中により十分な耐電圧性能が得られていなかった。そこで、電極間距離の延伸,端部曲率の増大を図り、電界を低減させ、真空中で1MVの安定保持を達成した。また、加速器内の磁場及び空間電荷反発によりビーム偏向を補正する電極を用いることで、ビームの電極への衝突を抑制し、ITER要求値をほぼ満足する980keV, 185A/mの負イオンビーム加速に成功した。

Vacuum insulation is a common issue for the accelerator and the HV bushing for the ITER NBI. The HV bushing has five-stage structure and each stage consists of double-layered insulators. Hence, several triple points exist around the insulators. To reduce electric field at those points simultaneously, three types of stress ring were developed. In voltage holding test of a full-scale mockup equipped with those stress rings, 120% of rated voltage was sustained and the voltage holding capability required in ITER was verified. In the MeV accelerator, voltage holding capability was not sufficient due to breakdown triggered by electric field concentration at edge and corner on grid components. By extending gap length, 1 MV was sustained in vacuum. Furthermore, with new accelerator grids which compensates beam deflection due to magnetic field and space charge repulsion between beamlets, 980 keV, 185 A/m H ion beam acceleration was demonstrated, which was close to ITER requirement.