100s extraction of negative ion beams by using actively temperature-controlled plasma grid

温度制御型プラズマ電極を利用した負イオンビームの100秒生成

小島 有志; 花田 磨砂也; 吉田 雅史; 戸張 博之; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; Grisham, L. R.*

Kojima, Atsushi; Hanada, Masaya; Yoshida, Masafumi; Tobari, Hiroyuki; Kashiwagi, Mieko; Umeda, Naotaka; Watanabe, Kazuhiro; Grisham, L. R.*

JT-60SAに向けて、500keV, 22Aの負イオンビームを100秒間生成するためには、大電流負イオンを長時間生成することが大きな課題である。これまでの結果から、Csによる表面生成方式を用いて負イオンを長時間効率よく生成するには、Csの付着したプラズマ電極の温度を200C程度に維持する必要があることが分かっていた。しかしこれまでのプラズマ電極では慣性冷却方式を採用しており、パルスとともに電極温度が上昇することが問題であった。そこで、沸点の高いフッ素系冷媒を200C程度でプラズマ電極内を循環させ、プラズマ電極を高温に保ちながらプラズマからの熱を冷却するシステムを開発した。その結果、7秒程度の短い時定数でプラズマ電極の温度を長時間一定に制御することが可能となり、1/10の引出領域から120A/mの高密度負イオンビームを、JT-60SAの目標である100秒間生成することに成功した。

The negative ion source for JT-60SA is designed to produce high power and long pulse beams with a beam energy of 500 keV, a negative ion current of 22A and a pulse duration of 100s. One of the key issues toward long pulse production of such high-current beams is the control of the surface temperature on the plasma grid (PG) where cesium is layered. In order to optimize cesium layer on PG for long pulse duration, we have developed an actively cooled PG where fluorinated fluids having high boiling point of 270C is circulated. While the surface temperature of the PG in the JT-60 negative ion source has been kept at 170C for 100s with ramp-up time of 7s, stable long pulse beam extractions of 100s have been obtained. This current density is 90% of the required current density for JT-60 SA. The further increase of the current density is expected by optimizing the arc discharge power.