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論文

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

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; et al.

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02A519_1 - 02A519_4, 2008/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:64.75(Instruments & Instrumentation)

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。

論文

Technical design of NBI system for JT-60SA

池田 佳隆; 秋野 昇; 海老沢 昇; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 本田 敦; 鎌田 正輝; 河合 視己人; 椛澤 稔; 菊池 勝美; et al.

Fusion Engineering and Design, 82(5-14), p.791 - 797, 2007/10

 被引用回数:15 パーセンタイル:22.69(Nuclear Science & Technology)

ITERや原型炉に向けた研究を強化するため、JT-60Uを超伝導化するJT-60SA計画が進められている。この計画におけるNBI加熱装置は、入射パワーは1基あたりの入射パワー2MW(85keV)の正イオンNBI加熱装置が12基、入射パワー10MW(500keV)の負イオンNBI加熱装置が1基から構成され、総計34MW,100秒のビーム入射を行う予定である。一方、これまでにJT-60Uにおいては、正イオンNBIで2MW(85keV),30秒、負イオンNBIで3.2MW(320keV),20秒入射を既に達成している。これらの運転において両イオン源の加速電極の冷却水温度上昇は約20秒以内で飽和していることから、改修計画に向けては、電源の容量強化や負イオンNBIの加速エネルギー向上が鍵となると考えられる。本論文では、JT-60SA計画における、NBI加熱装置の増力に関する工学設計を報告する。

論文

Present status of the negative ion based NBI system for long pulse operation on JT-60U

池田 佳隆; 梅田 尚孝; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 花田 磨砂也; 本田 敦; 井上 多加志; 河合 視己人; 椛澤 稔; et al.

Nuclear Fusion, 46(6), p.S211 - S219, 2006/06

 被引用回数:45 パーセンタイル:12.88(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uの負イオンNBI装置では、準定常状態のプラズマ研究を行うため、パルス幅を10秒から30秒に拡張する試みに着手した。そのための最も重要な課題は、イオン源電極の熱負荷軽減であり、2つの改良を提案した。1つは、ビーム同士の相互作用によるビームの拡がりの抑制であり、そのために薄板を引出電極に取付け、局所的な電界を修正した。その厚みは、ビームの偏向を最適に制御するよう決めた。もう1つは、負イオンから電子が剥ぎ取られ、その電子がイオン源内で加速,電極に衝突するストリッピング損失の低減化である。このために加速部の真空排気速度を改善するようイオン源を改造した。これらの改造を行い、現在まで17秒,1.6MWあるいは25秒,約1MWの入射に成功した。

論文

Recent progress of negative ion based neutral beam injector for JT-60U

梅田 尚孝; 山本 巧; 花田 磨砂也; Grisham, L. R.*; 河合 視己人; 大賀 徳道; 秋野 昇; 井上 多加志; 椛澤 稔; 菊池 勝美*; et al.

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.385 - 390, 2005/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:40.84(Nuclear Science & Technology)

JT-60U用負イオン中性粒子入射装置において、パルス幅を設計の10秒から30秒に伸ばす改造が行われた。パルス幅の延伸を妨げていたのは、イオン源接地電極とビームラインリミタへの過大な熱負荷であった。熱負荷を下げるために、イオン源のビーム引出領域を長パルス化に最適化するとともに、ビームリミタを熱容量が約2倍のものに変更した。これらにより、接地電極を冷却している水温上昇を定常運転に必要な40$$^{circ}$$C以下に抑えることができ、リミタの温度上昇も60%に抑えた。これにより、パルス幅を伸ばすことができ、これまでエネルギー336keV,パワー1.6MWで17秒間のビームをプラズマに入射することができており、今後30秒まで入射パルスを伸ばす予定である。

論文

Progress of negative ion source improvement in N-NBI for JT-60U

河合 視己人; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 花田 磨砂也; 本田 敦; 井上 多加志; 椛澤 稔; 菊池 勝美*; 栗山 正明; et al.

Fusion Science and Technology, 44(2), p.508 - 512, 2003/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:64.96(Nuclear Science & Technology)

JT-60U N-NBI用負イオン源は、500keV,22A,10秒間のビーム加速性能を持つ。このような大型負イオン源の運転実績はこれまでになく、1996年より本格的な特性試験を開始したが、この間、多くの改良に努力が費やされた。(1)ソースプラズマの不均一性による加速部電極の熱負荷過大の対策として、上下端部からの発散性ビームをカットするマスク板を設置した。不均一性の改良のために、アーク限流抵抗やグループ毎フィラメントパワーの最適化を行った。(2)その他改良として、ビーム引出し時のフィラメントパワー低減制御の導入やビーム発散抑制のための引出電極形状の最適化を行った。これら改良の積み重ねの結果、現在までに最大入射パワー6.2MW,最長パルス幅10秒を達成することができた。

論文

Improvement of beam performance in the negative-ion based NBI system for JT-60U

梅田 尚孝; Grisham, L. R.*; 山本 巧; 栗山 正明; 河合 視己人; 大賀 徳道; 藻垣 和彦; 秋野 昇; 山崎 晴幸*; 薄井 勝富; et al.

Nuclear Fusion, 43(7), p.522 - 526, 2003/07

 被引用回数:37 パーセンタイル:22.21(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60用負イオンNBIはプラズマ加熱と電流駆動を目的として設計され1996年より運転を行っている。目標性能はビームエネルギー500keV,入射パワー10MW,パルス幅10秒の中性粒子ビームをプラズマに入射することである。今まで、パルス幅はポートリミタの過大な熱負荷のために5.3秒に制限されていた。3.5mの位置での負イオンビームの分布を計測することによって、電極セグメント端部のビームが外側へ偏向していることが明らかになった。引出部下流における凹みによる電界の不整が原因であった。これを改善することによって、端部のビームの偏向を14mradから4mradまで減少させた。この結果、定格の10秒入射をビームエネルギー355keV,入射パワー2.6MWで達成した。

論文

Present status of the negative ion based neutral beam injector for JT-60U

大賀 徳道; 梅田 尚孝; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; et al.

Review of Scientific Instruments, 73(2), p.1058 - 1060, 2002/02

 被引用回数:12 パーセンタイル:42.85(Instruments & Instrumentation)

JT-60U用N-NBI装置は、1996年に建設され、これまでにJT-60プラズマの中心加熱及び非誘導電流駆動実験に貢献してきた。現在、さらなるビームパワーの増大及びビーム入射持続時間の延伸を求めて開発研究を行っている。特に、イオン源におけるソースプラズマの非一様性改善は最も大きなテーマであり、これまでにいくつかの対策を講じてきた。例えば、アークチャンバー内のアーク放電電流分布を変化させることによる一様性の改善であり、フィラメントの温度制御によるアーク放電モードの改善等である。これらの対策は極めて効果的であり、最終的には、ビームエネルギー:400keVにて、5.8MWの重水素ビームをJT-60Uプラズマに入射することができた。

論文

Study of increasing the beam power on the negative ion based neutral beam injector for JT-60U

栗山 正明; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; 日下 誠*; et al.

Fusion Engineering and Design, 56-57(Part.A), p.523 - 527, 2001/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:62.79

世界で最初の負イオン源を使ったJT-60用500keV負イオンNBI装置は、1996年の完成以来、負イオン生成部の改良や加速管の耐電圧向上対策、高電圧直流電源での制御や耐電圧向上等の対策を行いながらビームパワー増大、ビーム持続時間伸長のための開発が続けられてきた。これまでに最大350keV、5.2MWの高速中性ビームをJT-60プラズマに入射し、NBI電流駆動実験での高効率電流駆動の実証、プラズマ中心加熱による閉じ込め向上等、大きな成果を上げてきた。しかしながら、幾つかの技術的課題により入射パワー及びビームパルス幅の進展が頭打ちとなっている。これらの技術的課題のうち、大型負イオン源のソースプラズマ部に発生している不均一性が最も大きく影響していることがわかってきた。この対策として、(1)アーク電流分布を強制的に変化させる方法、(2)ソースプラズマでのアーク放電モードを変化させる方法、(3)ソースプラズマの不均一性が特に悪い部分を遮蔽して比較的良好なソースプラズマのみを引出・加速する方法、などを試みている。これらの対策により、これまでにイオン源でのビーム加速効率を従来より約30%以上改善させることができた。この結果、2秒以上の長パルスビームを安定にJT-60Uプラズマに入射できるようになった。

論文

Development of negative ion based NBI system for JT-60U

梅田 尚孝; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; 日下 誠*; et al.

Fusion Technology, 39(2-Part2), p.1135 - 1139, 2001/03

JT60用負イオンNBIは、これまでに最大で350kV,5.2MWのビーム入射を行ってきたが、さらなるビームパワー増大のためには、大型負イオン源ソースプラズマ非一様性の問題を解決する必要がある。この対策として、フィラメント温度変化によるアーク放電モードの変更、各フィラメント系統に接続しているアーク限流抵抗の調節、さらに一様性の悪い部分をマスクしてビームを引き出す方法などを試みている。これらによる変化をアーク放電電流分布、ラングミュアプローブ、加速電極の熱負荷やビームラインの熱負荷等で評価した。その結果、フィラメント温度を下げることによりアーク放電分布に改善の傾向が見られ、限流抵抗を調節することによって強制的に放電の分布を変えることができた。また、マスキングによりビームの加速特性が向上し、加速部での損失が減少して負イオン電流の割合が増加した。

論文

Operation of the positive-ion based NBI system for JT-60U

大原 比呂志; 秋野 昇; 海老沢 昇; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; 日下 誠*; 栗山 正明; et al.

Fusion Technology, 39(2-Part2), p.1140 - 1144, 2001/03

JT-60U用正イオンNBI装置(P-NBI)は1986年の運転開始から約14年間、高パワー中性粒子を入射しJT-60Uプラズマ高性能化実験に大きく貢献してきた。1987年には、水素ビームにおける定格中性子ビームピワー20MWの入射に成功した。その後、イオン源について引出電流を増大するための改善を行い、定格値より約30%高い27MWの入射パワーが得られた。1991年にはJT-60への入射を120keVの重水素ビーム入射ができるように改造し、1994年には95keV-40MWの重水素によるビームパワーが得られた。また、D-He$$^{3}$$における核融合反応及びヘリウム灰排気能力検証実験のためにHe$$^{3}$$,He$$^{4}$$ビームの入射を可能とする改造を行った。4基のビームラインを用いたHe$$^{3}$$ビームでは、80keV-4.8MW,3基のビームラインを用いた。He$$^{4}$$ビームでは60keV-2.8MWのビームパワーが得られた。2000年には、老朽化対策の一貫としてNBI計算機システムをミニコンピュータからワークステーションに改造し、操作性及び保守性の向上を図った。この改造ではデータ収集システムをCAMACシステムからVMEバスシステムに変更し、ワークステーションに一部の機能を持たせることにより、ワークステーションの負荷を軽減させた。計算機システムの改造後、NBI入射実験での信頼性は大いに増大した。本会議では、ビームパワーの増大を目指したイオン源及び電源装置の進展と計算機システムの改造について詳細に報告する。

論文

Beam performance of negative-ion based NBI system for JT-60

伊藤 孝雄; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 本田 敦; Hu, L.*; 河合 視己人; 椛澤 稔; 栗山 正明; 日下 誠*; et al.

Fusion Engineering and Design, 51-52, p.1039 - 1047, 2000/11

 被引用回数:13 パーセンタイル:31.45

JT-60用負イオンNBI装置では高エネルギーの中性粒子ビーム入射運転を出力上昇運転と並行して行っている。ここでは、ビーム特性の評価がビームパワー増加及び最適化のために重要である。この評価のため、ビームラインからの中性子発生量、ビーム発散、ビームラインの熱負荷及び対向面上ビーム分布を使用した。中性子発生量は重水素ビームパワーに比例するので、重水素負イオン電流の状況を簡単に把握できる。NBIのドリフトダクトとイオンダンプで見積もられたビーム発散及び機器の熱負荷はイオン源の運転パラメータ最適化及び入射ビームパワー評価のため使った。ドリフトダクトで測定したビーム発散は設計値の5ミリラジアンにほぼ一致していた。対向面の熱負荷分布はビーム軸を求めるために使われる一方中性粒子ビームの分布を監視するうえでも有効であった。

論文

Power flow in the negative-ion based neutral beam injection for JT-60

栗山 正明; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; 日下 誠*; et al.

Review of Scientific Instruments, 71(2), p.751 - 754, 2000/02

 被引用回数:17 パーセンタイル:29.06(Instruments & Instrumentation)

500keVで10MW入射を目標とするJT-60用イオンNBIは、1996年以来約3年間運転している。このNBIでのイオン源当たりの出力としてこれまでは負イオン水素ビームで360kV,18.5Aの加速を行っており、またJT-60プラズマへの入射実験では、5.2MWの中性ビーム入射を果している。イオン源及びビームラインでのパワーフロー測定結果によると、加速ビームの30~40%が三段加速の電極で失われている。このロスの大部分はビーム自身の各電極への直接衝突によって生じている。アークチャンバー側壁のカスプ磁場による偏向の影響を最小にするため、引出し領域の両端(全引出し面積の約10%)をマスクしたところ、このロスは約30%減少した。このロスをさらに小さくするための原因究明の研究を続けている。

報告書

負イオン源セシウム導入装置用マーカー磁石付フロートを利用した液面レベル測定手法の開発

伊藤 孝雄; 山崎 晴幸*; 薄井 勝富; 藻垣 和彦; 栗山 正明

JAERI-Tech 99-066, p.13 - 0, 1999/09

JAERI-Tech-99-066.pdf:0.6MB

JT-60負イオンNBI(N-NBI)のイオン源では、負イオンの生成率を上げるためイオン生成部にセシウム蒸気を導入している。このセシウムの蒸発率はセシウム導入装置の液体セシウムを貯めているオーブンの温度を変えることにより制御される。オーブン内のセシウム残量を監視するため、サマリウムコバルト系永久磁石を装置したフロートを利用したセシウム液面レベルの測定手法を新たに開発した。オーブン内のセシウム液面レベルはフロート内磁石からの磁場を測定することにより検知できる。また、このフロートはセシウム導入装置の高真空及び高温の環境下で使用できる。本液面レベル測定手法の有効性は、実証試験により確認され、これにより、負イオン源におけるセシウム消費の定量的な把握が可能となった。

報告書

JT-60U負イオン源用熱伝導型セシウム導入管の開発

山崎 晴幸*; 伊藤 孝雄; 薄井 勝富; 藻垣 和彦; 栗山 正明; 佐藤 藤雄*; 大島 克己*; 大森 憲一郎; 渡邊 和弘

JAERI-Tech 99-054, 49 Pages, 1999/07

JAERI-Tech-99-054.pdf:1.92MB

JT-60U用負イオン源では負イオン生成効率向上のため、アークチェンバ内にセシウム(Cs)蒸気を導入する。従来のCs導入装置は高電圧ノイズにより、しばしば真空側のヒータが断線・故障した。このCs導入装置を高電圧ノイズに強くするため、熱伝導型導入管の開発とヒータ回路の改良を行った。熱伝導型導入管は、ヒータの断線時に修理を簡単にするため、大気圧側の導入管の一部を加熱して真空側を熱伝導で昇温する構造とした。開発にあたり、計算機でシミュレーションしてモデルを設計・製作し、性能確認試験を行った後、これを負イオン源に採用した。また、ヒータの断線を防止するため、加速電圧の印加中はヒータの電源を遮断するように回路を改良した。以上の2点の改良により、Cs導入装置のヒータに関する故障はほとんどなくなり、現在、順調に運転中である。

論文

Increasing the beam power of the JT-60 negative ion based neutral beam system

栗山 正明; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; 日下 誠*; et al.

Proceedings of the 18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering (SOFE '99), p.133 - 136, 1999/00

JT-60用負イオン源は、これまでイオン源などの運転パラメータの最適化を行いながらビームパワーを徐々に増大させてきた。しかし、さらにビームパワーを増大させるためにはイオン源や電源にかかわるいくつかの課題を解決しなければならない。イオン源での課題の一つは、加速電極への過大な熱負荷である。この加速電極でのビームロスは加速ビームの40%にも達する。この電極への高熱負荷の原因を、ソースプラズマの一様性を測定しながら、イオン源での磁場、ガス圧等を変化させながら調べた。この結果、熱負荷過大の大きな原因として、ソースプラズマの一様性が悪いことによるビーム発散の悪化にあることがわかってきた。この対策として、ソースプラズマ生成部のアーク電流分布の調整が有効であることも判明した。

口頭

負イオン源におけるアーク放電用フィラメント形状の改良

小又 将夫; 椛澤 稔; 藻垣 和彦; 梅田 尚孝; 山崎 晴幸

no journal, , 

JT-60U用負イオンNBI装置は、JT-60Uにおいて、350keV以上の高エネルギービームにより高密度領域のプラズマ中心部のビーム電流駆動と加熱を行うことを主目的とした装置である。同装置の運転効率向上のため重要な課題の1つは、負イオン源フィラメントの長寿命化である。従来のフィラメントは、負イオンを生成するためのアーク放電時に、フィラメントの電流密度が不均一になることもあり損耗が激しい。そのため、この対策として電流密度が一定になりフィラメントの温度分布が均一化できるような形状に改良した。

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