Development of design technique for vacuum insulation in large size multi-aperture multi-grid accelerator for nuclear fusion

核融合用大面積多孔多段加速器の真空絶縁設計法の開発

小島 有志; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 錦織 良; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; 山納 康*; Grisham, L. R.*

Kojima, Atsushi; Hanada, Masaya; Tobari, Hiroyuki; Nishikiori, Ryo; Hiratsuka, Junichi; Kashiwagi, Mieko; Umeda, Naotaka; Yoshida, Masafumi; Ichikawa, Masahiro; Watanabe, Kazuhiro; Yamano, Yasushi*; Grisham, L. R.*

原子力機構では、ITERやJT-60SAで利用する中性粒子入射装置の実現に向けて、大面積多孔多段負イオン加速器を開発中であり、1MVや500kVの直流超高電圧を真空中で安定して保持できる耐電圧性能が要求されている。そこで、真空放電の物理理解に基づく耐電圧設計手法を確立することを目的として、今回、これまでの耐電圧試験結果に基づいて、多段の入れ子構造である加速電極支持構造の形状を、耐電圧や境界条件から最適化する手法を開発した。本手法では、ビーム光学から要求される電圧及びギャップ長から、電極平板部の面積、つまり同軸の入れ子構造となる円筒型電極の半径を決定することにより、耐電圧を満たすための同軸間ギャップ長を求める。これにより一段分の対向する陰極・陽極の電極構造が決まるため、本手法を段数分くり返すことにより、耐電圧を満たした加速電極支持構造を境界条件の中で一意に設計することが可能となる。得られた加速器の耐電圧を予測するために、未解明であった多段による耐電圧の劣化を、5段電極を用いて実験的に調べた結果、5段の耐電圧は1段耐電圧の段数倍よりも25%程度耐電圧が減少し、段数の増加による影響が見られた。この効果を考慮した結果、本手法によるJT-60用負イオン加速器の耐電圧解析が10%以下の誤差の範囲で一致し、ITERやJT-60SAの耐電圧設計の精度を向上することができた。

Optimization techniques of the vacuum insulation design have been developed in order to realize a reliable voltage holding capability of Multi-Aperture Multi-Grid accelerators for giant negative ion sources for nuclear fusion. In this method, the nested multilayer configuration of each acceleration stage in the MAMuG accelerator can be uniquely designed to satisfy the target voltage within given boundary conditions. The evaluation of the voltage holding capabilities of each acceleration stages were based on the past experimental results of the area effect and the multi-aperture effect on the voltage holding capability. Moreover, total voltage holding capability of multi-stage was estimated by taking the multi-stage effect into account, which was experimentally obtained in this time. In this experiment, the multi-stage effect appeared as the superposition of breakdown probabilities in each acceleration stage, which suggested that multi-stage effect can be considered as the voltage holding capability of the single acceleration gap having the total area and aperture. The analysis on the MAMuG accelerator for JT-60SA agreed with the past gap-scan experiments with an accuracy of less than 10% variation.