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論文

Evaluation of dark current profile for prediction of voltage holding capability on multi-aperture multi-grid accelerator for ITER

錦織 良; 小島 有志; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 渡邊 和弘; 梅田 尚孝; 戸張 博之; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 平塚 淳一; et al.

Plasma and Fusion Research (Internet), 11, p.2401014_1 - 2401014_4, 2016/03

ITERやJT-60SAにおける中性粒子入射装置では、多孔多段(MAMuG)加速器による高エネルギー、大電流ビームの安定供給が要求されている。これらの加速器の設計に向けては、真空放電で決まる耐電圧の予測が重大な課題となっており、原子力機構では、MAMuG加速器をの耐電圧を物理理解に基づいて設計するために、真空放電の物理過程の研究を実施している。これまでの研究成果から、この真空放電は電界放出電子による暗電流が起点となっていると考えている。しかし、F-N理論によれば、暗電流は電界増倍係数$$beta$$によって決まるが、これまで$$beta$$は実験的にしか求めることができなかった。そこで、今回、$$beta$$の決定機構を調べるために、MAMuG加速器の大面積電極の電界の異なる3つの領域で独立に暗電流を測定した。その結果、$$beta$$は電極のコンディショニングと共に低下するが、絶縁破壊電界Eによって表される実効電界$$beta$$Eが一定で1MV/mmであることが分かった。これは、小型電極から求めた実効電界$$beta$$Eよりも1桁大きい値であり、面積の依存性を示唆していると考えている。この$$beta$$Eの値を利用することにより、絶縁破壊電界時における$$beta$$を求めることができ、暗電流の評価と耐電圧の予測を関連付けることができると考えている。

論文

Measurement of heat load density profile on acceleration grid in MeV-class negative ion accelerator

平塚 淳一; 花田 磨砂也; 小島 有志; 梅田 尚孝; 柏木 美恵子; 宮本 賢治*; 吉田 雅史; 錦織 良; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B137_1 - 02B137_3, 2016/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:87.63(Instruments & Instrumentation)

負イオンの引出・加速の物理を理解するために、ITER原型加速器において加速電極上の熱負荷密度分布を初めて測定した。熱負荷密度分布を測定するために、加速電極孔周辺領域をそれぞれが熱絶縁された34個の銅ブロックで構成し、それぞれの銅ブロックに熱電対を接合することで、空間分解能3mm程度の熱負荷密度分布測定に成功した。これはビーム径16mmのビームのテイル成分を測定するのに十分な分解能である。この測定により、加速電極孔周辺において熱負荷密度分布に2箇所のピークを発見した。ビームオプティクスやガス密度分布を変化させる実験により、これら2つのピークは負イオン及び2次電子の衝突であることが明らかになった。これは負イオンや2次電子の軌道を理解するために必要な初めての実験結果である。

論文

Time evolution of negative ion profile in a large cesiated negative ion source applicable to fusion reactors

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; Grisham, L. R.*; 津守 克嘉*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B144_1 - 02B144_4, 2016/02

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.11(Instruments & Instrumentation)

ITERおよびJT-60SAのような大型負イオン源では、大面積の引出領域から大電流負イオンビームを生成するために、負イオン生成を高めるセシウム(Cs)を供給する。しかし、この大型負イオン源内のCsの挙動と、負イオン生成の空間分布との関係は実験的に明らかにされていない。そこで、ITER級の大きさを有するJT-60負イオン源内のCsおよび負イオン生成の空間分布の時間変化を調べた。その結果、Csの供給量0.4gまでCsの指標となるCsの発光強度、および負イオン生成に変化はなかった。これは、Csが供給口付近の水冷されたイオン源内壁に吸着しているものと考えられる。その後、Csの発光強度および負イオン生成は供給口直下付近の引出領域から増加した。Csの中性・イオン輸送計算の初期結果によると、負イオン生成が増加し始めた領域と、供給口付近でプラズマによりイオン化したCsの輸送位置は概ね一致した。さらにCsを供給し続けることで負イオン生成の増加した領域は徐々に拡大し、供給量約2gで一様な大電流ビームを生成した。以上の結果より、負イオン生成にはイオン化したCsの輸送が重要な役割を担っていることが分かった。

論文

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

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; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B304_1 - 02B304_5, 2016/02

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.11(Instruments & Instrumentation)

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。

論文

Development of the negative ion beams relevant to ITER and JT-60SA at Japan Atomic Energy Agency

花田 磨砂也; 小島 有志; 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; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B322_1 - 02B322_4, 2016/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:49.14(Instruments & Instrumentation)

本論文は原子力機構(JAEA)で開発中の負イオンビームに関する最新結果を報告するものである。JAEAでは、国際熱核融合実験炉(ITER)およびJT-60SAの実現に向けて、それぞれ1MeV, 40A,3600秒および22A, 500keV, 100秒の重水素負イオンビームの開発を行っている。これらの負イオンビームを開発するために、ITERやJT-60SAの設計と同様、多段静電加速器とセシウム添加型負イオン源を開発している。静電加速器の開発においては、長時間加速をした開発を指向しており、その課題である加速電極の熱負荷を、イオンビームの軌道を制御することにより、許容値以下に低減した。その結果、負イオンの加速時間を、従来の1秒未満から試験装置の電源の限界である60秒まで進展させた。また、セシウム添加型負イオン源の開発においては、大電流負イオンビームの長パルス生成を指向しており、これまでに15A、100秒のビーム生成を達成している。今後、長パルス生成時に顕在化した、イオン源内のアーク放電プラズマの放電破壊(アーキング)の問題を解決し、JT-60SAで要求される22Aを超える電流値で100秒以上の負イオンビーム生成を目指す。

論文

Long-pulse production of high current negative ion beam by using actively temperature controlled plasma grid for JT-60SA negative ion source

小島 有志; 花田 磨砂也; 吉田 雅史; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 渡邊 和弘; Grisham, L. R.*; NB加熱開発グループ

AIP Conference Proceedings 1655, p.060002_1 - 060002_10, 2015/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:14.87

JT-60SA用負イオン源に向けては、22Aの大電流負イオンを100秒間生成することが大きな課題である。負イオンを長時間効率よく生成するためには、これまでの研究の結果、セシウム原子層が形成されることで負イオン生成が促進されるプラズマ電極の温度を、200$$^{circ}$$C程度の高温に維持する必要があることが分かっている。そこで、1気圧で高沸点を有するフッ素系冷媒をプラズマ電極内に循環させて温度を制御する手法を開発し、目標の電流密度(120-130A/m$$^{2}$$)を100秒間維持する原理実証に成功した。その結果を基に、全引出領域において電極温度を制御する実機プラズマ電極を製作し、試験を開始した。初期結果として、原理実証用電極と同様の制御時定数が得られ、プラズマ電極の全引出領域において、温度を一定に制御することに成功した。また、セシウムを導入して負イオン電流量を増大させ、現在までに70%の出力に相当する15Aの大電流負イオンビームを100秒間一定に生成することに成功している。

論文

Long pulse acceleration of MeV class high power density negative H$$^{-}$$ ion beam for ITER

梅田 尚孝; 小島 有志; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 平塚 淳一; 渡邊 和弘; 大楽 正幸; 山中 晴彦; 花田 磨砂也

AIP Conference Proceedings 1655, p.050001_1 - 050001_10, 2015/04

ITER中性粒子入射装置では、1MeV, 40A(電流密度200A/m$$^{2}$$)の大電流の重水素負イオンビームを3600秒間にわたって加速することが要求されている。この負イオンビーム加速を実証するため、原子力機構のMeV級試験装置で長パルスのビーム加速試験を行っている。今回、冷却性能を上げるため磁石と冷却管位置を変更した長パルス用の引出電極を開発した。さらに、負イオンの衝突と2次電子の発生を抑制するため電子抑制電極の孔径を14mmから16mmに大きくし、電極へのビーム衝突を減らすため孔軸変位量も修正した。これにより負イオンの透過率が上がり、電極全体の熱負荷は14%から11%に低下した。そして、加速電圧700kV、ビーム電流密度100A/m$$^{2}$$の負イオンビームを装置の限界である60秒間安定に加速することができた。

論文

Non-linear dependence of deflection angle on beam steering control grid displacement in accelerator for N-NBI

平塚 淳一; 花田 磨砂也; 梅田 尚孝; 小島 有志; 柏木 美恵子; 渡邊 和弘; 戸張 博之; 吉田 雅史

Plasma and Fusion Research (Internet), 10(Sp.2), p.3405045_1 - 3405045_4, 2015/04

国際熱核融合実験炉(ITER)で必要な高電流密度($$>$$200A/m$$^{2}$$)、高エネルギー($$>$$1MeV)、長パルス時間(1時間)の負イオンビームを生成するために、電極孔位置の変位により偏向角を補正する技術を用いた負イオンと電極との直接衝突の抑制についての研究が注意深く行われてきた。偏向制御電極(SCG)の孔径$$>$$14mmにおいて偏向角の非線形な依存性が現れている。この依存性からSCGの孔径と位置の変位量をそれぞれ16mm、0.7mmと決定し、ITERの原型加速器において試験を実施した。複数の電極孔のそれぞれのビームに対し加速器内の残留磁場による偏向は適切に補正され、電極熱負荷は大きく減少した。これにより加速ビーム電流は10%増加した。

論文

Demonstration of in-situ relative calibration method for a Thomson scattering diagnostic on TST-2

東條 寛; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*; 伊丹 潔; 波多江 仰紀

Journal of Instrumentation (Internet), 7(4), p.P04005_1 - P04005_11, 2012/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:76.27(Instruments & Instrumentation)

This paper presents experimental results of an in-situ calibration method for Thomson scattering diagnostics in the TST-2 spherical tokamak. Usage of a double-pass scattering configuration enables finding the ratio of the output signal from the first (back scattering) pass to that from the second (forward scattering) pass, which can be treated as an independent function of electron temperature. The temperature from this new method shows a good agreement with that obtained by a standard method (single pass). Relative sensitivities among spectral channels can be then obtained from the method without accessing the machines. The sensitivities from this new method correspond to the values obtained from direct measurements within 5% except for a spectral channel with a wide band-pass range. These results demonstrate feasibility of this new in-situ calibration method, which can be applied to Thomson scattering diagnostics in severe radiation condition.

論文

First measurement of electron temperature from signal ratios in a double-pass Thomson scattering system

東條 寛; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*; 伊丹 潔; 波多江 仰紀

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.023507_1 - 023507_4, 2012/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:46.82(Instruments & Instrumentation)

This paper presents a experimental demonstration to determine electron temperature ($$T_{rm e}$$) with unknown spectral sensitivity (transmissivity) in a Thomson scattering system. In this method, a double-pass scattering configuration is used and the scattered lights from each pass (with different scattering angles) are measured separately. $$T_{rm e}$$ can be determined from the ratio of the signal intensities without a real chromatic dependence in the sensitivity. This method was applied to the TST-2 Thomson scattering system. As a result, $$T_{rm e}$$ measured from the ratio ($$T_{rm e,r}$$) and $$T_{rm e}$$ measured from a standard method ($$T_{rm e,s}$$) showed a good agreement with $$langle |T_{rm e,r}-T_{rm e,s}|/T_{rm e,s} rangle$$= 7.3%.

口頭

Demonstration of in-situ relative calibration method for a Thomson scattering diagnostic on TST-2

東條 寛; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*; 伊丹 潔

no journal, , 

This paper presents experimental demonstrations of an in-situ calibration method for Thomson scattering diagnostics in the TST-2 spherical tokamak. Electron temperature $$T_{rm e,c}$$ from this new method shows a good agreement with $$T_{rm e,2}$$ from the single (second) pass within $$langle |T_{rm e,c}-T_{rm e,2}|/T_{rm e,2}rangle = 3.7%$$ for a wide $$T_{rm e}$$ range (100-400 eV). Relative sensitivities among spectral channels can be then obtained from $$T_{rm e,c}$$ without accessing to the machines. Although some deviations are observed in a spectral channel, the sensitivities from this new method tend to correspond to the true (directly measured) values within $$sim$$ 5%, providing a feasibility of application to Thomson scattering diagnostics in severe radiation condition.

口頭

JT-60SAにおけるトムソン散乱計測の開発

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔; 江尻 晶*; 平塚 淳一*; 山口 隆史*; 高瀬 雄一*

no journal, , 

JT-60SAでの電子温度と電子密度はトムソン散乱計測によって計測される。YAGレーザー(約3 J)を赤道面上でトロイダル接線方向に入射させ、複数の集光光学系を利用することによって、プラズマ径方向全域の分布計測が可能となる。しかし、従来のプラズマ中心部計測用集光光学系の設計は、直径400mmの大型レンズを9枚組合せたものであり、製作が困難なことが判明した。製作が容易な小型(直径200mm)の高屈折率材質レンズを3枚組合せることで、集光効率が同等となる新たな光学系を考案した。JT-60SAでは厳しい放射線環境による光学部品の劣化から、透過率変化が起き、電子温度の誤評価を招く問題点がある。本発表では、ダブルパス散乱計測を用いた透過率変化に影響されない電子温度評価手法とその原理実証実験結果についても報告する。さらに、集光光学系を収納するポートプラグに設置予定のシャッターやヒートシンクの構造についても報告を行う。

口頭

Optimization of the magnetic configlation toward large current beam production in the JT-60SA negative ion source

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 秋野 昇; 遠藤 安栄; 小又 将夫; 藻垣 和彦; et al.

no journal, , 

JT-60SA負イオン源では、JT-60SAにて要求される大電流負イオンビームの長時間生成を達成するための研究課題の一つであるビームの一様性改善を進めている。これまでに従来の磁場構造からテント型磁場構造を基にした新たな磁場構造を用いることで、一様な負イオンビーム生成が可能となった。それと同時に、負イオン生成効率が向上するとともに電子の引出抑制効率が劣化した。本研究ではこれらの原因を解明するために、磁場構造と負イオンの親粒子である水素イオン、原子および電子との関係を調べた。その結果、新たな磁場構造を用いることで生じたフィルター磁場強度の減少によって、水素イオンや原子のプラズマ電極への流入量が増大し、負イオン生成効率が向上したことが分かった。他方、この減少により、プラズマ電極近傍での電子密度が増大して、電子の引出抑制効率が劣化することも分かった。ただし、5枚すべての引出電極の電子による熱負荷は一様で、引出電極の設計の範囲内であった。以上の結果より、改良後の磁場構造が有用であることが分かった。今後この磁場構造を用いて22A、100秒負イオンビーム生成を目指す。

口頭

JT-60SAおよびITERに向けた大電流負イオンビームの長時間生成

小島 有志; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 渡邊 和弘; 梅田 尚孝; 戸張 博之; 吉田 雅史; 平塚 淳一; NB加熱開発グループ

no journal, , 

原子力機構では、JT-60SAやITERで利用する中性粒子入射装置の開発に向けて、大型高エネルギー負イオン源を開発中であり、100秒を超える負イオンの長時間生成・加速の実現を目指した研究開発を進めている。高エネルギー化に向けては、負イオン源で利用する大面積多孔加速電極の真空耐電圧を実験的に明らかにした結果、JT-60SAやITERで要求される500keV, 1MeVの高エネルギービームの加速に成功した。負イオン生成の長時間化に向けては、セシウム添加時の負イオン生成面であるプラズマ電極を高温に維持する技術を開発した結果、負イオン生成効率が減少する時定数が30sから100秒以上に改善し、15Aの大電流負イオンを従来よりも3倍以上長い100秒間生成することに世界で初めて成功した。長時間の負イオン加速に向けては、負イオンビームや電子が電極に衝突して生じる熱負荷の低減及び熱除去が重要であり、ITER級の電子熱負荷を許容できる冷却性能を持つ引出電極を開発し、残留磁場で偏向する負イオンビームの軌道制御技術を組み合わせて、負イオンビームの透過率を改善した新しい引出部を開発した。その結果、700keV, 100A/m$$^{2}$$の負イオンビームを従来の7倍以上長いパルス幅である60秒間維持することに成功した。

口頭

ITER級負イオンビームの長パルス加速開発

梅田 尚孝; 小島 有志; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 渡邊 和弘; 花田 磨砂也

no journal, , 

原子力機構ではITER中性粒子入射装置用負イオン加速器の調達に向け、MeV級試験装置で高パワー密度負イオンビームの加速試験を行っている。ITERで要求されるビームエネルギー1MeV,電流密度200A/m$$^{2}$$のビームを長時間加速するには、電極熱負荷の低減が必要である。大電流のビーム加速時の電極熱負荷の要因の一つは、負イオンビームの一部が引出部の電子抑制電極に衝突して、そこから発生する2次電子によるものであった。そこでビームの電極への衝突を抑制するため、孔径を14mmから16mmに大きくするとともに、ビーム偏向補正を最適化した電子抑制電極を製作し、加速器に組み込んだ。その結果、大電流ビーム加速時の透過率を改善し、ビーム電流は10%増加し、加速電極全体の熱負荷を13%から10%に低減した。そして、ビームエネルギー683keV,電流密度100A/m$$^{2}$$の負イオンビームを装置の限界である60秒間にわたり安定に加速することに成功した。

口頭

ITER級大型負イオン源でのビーム一様・安定生成に向けた研究開発

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 平塚 淳一; 秋野 昇; 遠藤 安栄; 小又 将夫; 藻垣 和彦; et al.

no journal, , 

ITERやJT-60SAといった核融合炉用負イオン源では、1mを超える大面積の引出領域から負イオンビームを安定かつ一様に生成することが要求されている。そこで、ITER用負イオン源(1280孔)とほぼ同数の孔数を有し、引出領域が1m$$times$$0.5mのJT-60負イオン源(1080孔)を用いたビームの一様生成試験を実施した。その結果、JT-60負イオン源の従来の磁場構造をテント型構造に改良することで、ビームの一様性を従来よりも20%改善した。さらに、その一様な領域から32Aビーム生成を実証した。これは、ITER負イオン源の孔数で換算すると、約38Aに匹敵し、ITERの要求値である40Aのビーム生成の見通しを得ることができた。

口頭

ITER, JT-60SA用負イオン源に向けた負イオンの長パルス生成

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 渡邊 和弘; 戸張 博之; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 秋野 昇; 大楽 正幸

no journal, , 

ITERおよびJT-60SAのNBIにおいては、大電流負イオンビームの長パルス生成が求められており(20アンペア(A)以上、100秒以上)、原子力機構では、両NBIの共通課題の解決に向けた研究開発を実施している。まず、負イオンビームの長パルス生成の課題であった、プラズマ電極温度制御手法を開発することで、最大10数A、30秒であったビーム性能を、15A、100秒にまで伸長できた。この大電流負イオンビーム生成のための基礎技術は、ITER用NBIにおける負イオンビームの長パルス生成にも応用できる見通しを得ている。さらに長パルス生成を進める上で、パルス60秒付近から負イオンビームが漸減する新たな現象を捉えた。この現象は、同時に負イオン源内に導入するセシウムの空間中の発光強度の増加が計測されたことから、プラズマ電極表面上の負イオン生成効率を向上させるために導入するセシウムの輸送が、この長い時定数をもつ負イオンビームの減少に深く関わっていることを示唆できている。今後、更なる負イオンビームの長時間安定生成に向けた新たな研究開発を進行させる。

口頭

Progress in the development of long pulse negative ion sources in N-NBI for JT-60SA and ITER

平塚 淳一; 花田 磨砂也; 小島 有志; 梅田 尚孝; 柏木 美恵子; 吉田 雅史; 錦織 良; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; 戸張 博之

no journal, , 

原子力機構では、JT-60SAやITERにおける中性粒子入射装置の要請を満たす高パワー長パルス負イオン源の実現を目指した研究開発を実施している。これまで、長パルス化に伴う負イオン生成の劣化、加速器の耐電圧の改善及び高エネルギー粒子による熱負荷の低減が大きな課題であった。負イオン生成については、劣化の原因が長パルス時のプラズマ電極の過熱にあることを突き止め、高温流体を用いたプラズマ電極温度制御技術を開発した。これにより、15アンペアの大電流負イオンビームを、JT-60SAで要請される100秒間生成することに成功した。耐電圧については、加速器の面積、孔数、段数の耐電圧への影響を実験及び理論の両面から詳細に解析し、多孔多段加速器の耐電圧設計手法を確立した。電極熱負荷については、熱負荷の原因となる2次粒子の加速を制限する電極孔構造を開発した。その結果、熱負荷をITERの設計値より低い13%に低減し、ITERで要請されるパワー密度と同等の185MW/m$$^{2}$$ (974keV, 190A/m$$^{2}$$)のビームパルス幅を0.4秒から60秒にまで伸張することに成功した。この結果、JT-60SA及びITERに向けた負イオン長パルス加速技術の開発に見通しが得られた。

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