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報告書

磁気フィルター付水素負イオン源における負イオンビーム空間的一様性の研究; セシウム添加型負イオン源内での負イオン生成・輸送過程が負イオンビーム強度分布に与える影響(共同研究)

高戸 直之; 戸張 博之; 井上 多加志; 花田 磨砂也; 関 孝義*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

JAEA-Research 2008-031, 44 Pages, 2008/03

JAEA-Research-2008-031.pdf:4.05MB

セシウム添加型負イオン源から引き出された大電流密度負イオンビーム強度が空間的に非一様となるメカニズムを解明するため、JAEA10アンペア負イオン源内でのプローブ測定及び負イオンビーム強度測定を行った。実験結果を考察するため、レート方程式及び粒子(電子・原子・負イオン)軌道追跡を用いた数値解析を行った。その結果、(1)セシウムを導入して負イオンの表面生成反応を促進した状態では、体積生成時とは逆に高い電子温度の領域で高い負イオンビーム強度が得られることを明らかにした。レート方程式を用いた数値解析から、表面生成された負イオンは高速電子によって破壊される前に引き出されることが推定された。(2)1次電子はB$$times$$$$bigtriangledown$$Bドリフトによってイオン源内で局在化することを確認し、フィラメントの配置を改良して1次電子のドリフトを抑制することにより、負イオンビーム強度の空間的非一様性が改善されることを示した。

論文

Numerical analysis of the production profile of H$$^{0}$$ atoms and subsequent H$$^{-}$$ ions in large negative ion sources

高戸 直之*; 戸張 博之; 井上 多加志; 花谷 純次*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 坂本 慶司

Journal of Applied Physics, 103(5), p.053302_1 - 053302_12, 2008/03

 被引用回数:21 パーセンタイル:31.1(Physics, Applied)

3次元モンテカルロ輸送コードを用いて、H$$^{0}$$原子の輸送と生成の数値シミュレーションを行った。表面生成H$$^{-}$$イオンの空間分布を求めるために、本コードをCs添加条件下の大型のJAEA10アンペア負イオン源に適用した。H$$^{0}$$原子の輸送過程では、H$$^{-}$$イオンの表面生成に影響を及ぼすH$$^{0}$$原子のエネルギー緩和過程を考慮した。その結果、H$$^{0}$$原子の生成が局所的に促進されている高電子温度領域においてH$$^{-}$$イオンの表面生成が促進されることが明らかになった。

論文

Uniform H$$^{-}$$ ion beam extraction in a large negative ion source with a tent-shaped magnetic filter

戸張 博之; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 井上 多加志; 坂本 慶司; 高戸 直之*

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02C111_1 - 02C111_4, 2008/02

 被引用回数:16 パーセンタイル:33.03(Instruments & Instrumentation)

負イオンビームの一様性改善研究の成果に基づいて、従来用いてきた強い横磁場を印加する外部磁気フィルタに代えて、対称な閉じ込めカスプ磁場と「テント」型磁気フィルタを組合せた新たな磁場配位を原子力機構の10アンペア負イオン源に適用した。その結果、対称な磁場配位中で1次電子の周方向へのドリフトが促進され、これまで問題となっていた1次電子及びソースプラズマの局在化が解消された。170mm$$times$$340mmのイオン引き出し面から加速された負イオンビームは、その空間分布の偏差が外部磁気フィルタ印加時の16%から7.9%に低減し、ITER NBIの要求を満たす均一性の高い負イオンビームの生成を実証した。

論文

Negative ion production in cesium seeded high electron temperature plasmas

井上 多加志; 戸張 博之; 高戸 直之*; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 畑山 明聖*; 和田 元*; 坂本 慶司

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02C112_1 - 02C112_4, 2008/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.33(Instruments & Instrumentation)

大型負イオン源の一様性改善の実験研究において、負イオンビームと電子温度の空間分布には急峻な勾配が観察されている。Cs添加前後で、電子温度分布に変化はなかったが、負イオンビームの空間分布における勾配は、Cs添加前後で反転した。これは、Cs添加時に高電子温度プラズマ領域で負イオン生成が促進されていることを示している。本論文では簡単な解析から、負イオンの親粒子である原子状水素や陽子の生成に高電子温度プラズマが有効であり、このため負イオン生成が促進されることを明らかにした。

論文

Effect of energy relaxation of H$$^{0}$$ atoms at the wall on the production profile of H$$^{-}$$ ions in large negative ion sources

高戸 直之*; 松下 大介*; 藤野 郁朗*; 畑山 明聖*; 戸張 博之; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02A503_1 - 02A503_4, 2008/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:82.02(Instruments & Instrumentation)

原子力機構の大型負イオン源「10アンペア負イオン源」内での、水素原子H$$^{0}$$生成と輸送過程を3次元モンテカルロ輸送コードで数値的に解析した。Cs添加による表面生成負イオンH$$^{-}$$生成促進があるものと仮定し、イオン源内の負イオン生成分布をも計算した。この解析では、水素原子から負イオンが表面生成する過程における水素原子のエネルギー緩和過程に注目した。解析結果は、水素原子の壁でのエネルギー緩和過程を考慮することによって、負イオン生成の空間分布は水素原子の生成分布を反映することが明らかになった。

論文

Numerical analysis of H$$^{-}$$ ion transport processes in Cs-seeded negative ion sources

松下 大介*; 高戸 直之*; 畑山 明聖*; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02A527_1 - 02A527_4, 2008/02

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

表面生成H$$^{-}$$イオンの引き出し機構理解のため、その輸送過程を数値計算した。本計算では、原子力機構の10アンペア負イオン源体系において、H$$^{-}$$イオン引き出し確率を計算するために、3次元モンテカルロ輸送コードを適用した。H$$^{-}$$イオン引き出しに及ぼす(1)磁気フィルター磁場、並びに(2)中性粒子(H$$^{0}$$及びH$$_{2}$$)との衝突、の効果を系統的に調べた。その結果、低ガス圧条件下では、H$$^{-}$$イオン引き出しは磁気フィルター磁場に大きく依存することが判明した。さらに、フィルター磁場がなければ引き出されるH$$^{-}$$イオン量は10アンペア負イオン源での実験結果よりも低くなるはずとの結果が得られた。今後さらに局所電場構造他の影響を議論する。

論文

Analysis of electron energy distribution of an arc-discharge H$$^{-}$$ ion source with Monte Carlo simulation

藤野 郁朗*; 畑山 明聖*; 高戸 直之*; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 79(2), p.02A510_1 - 02A510_3, 2008/02

 被引用回数:20 パーセンタイル:28.19(Instruments & Instrumentation)

負イオン源におけるH$$^{-}$$イオン生成量の予測と最適化のために、電子エネルギー分布関数(EEDF)解析が必要である。われわれはタンデム型アーク放電イオン源のEEDFを解析する数値計算コードを開発した。これは、カスプ,フィルター、そして引出し電極中の磁石の効果を考慮した、3次元モンテカルロシミュレーションコードである。電子間のクーロン衝突は滝塚モデルに、また幾つかの非弾性衝突はnull-collision法に基づいて取り扱う。このコードを原子力機構10アンペア負イオン源体系に適用した結果、電子密度のオーダーは実験結果と良い一致を見た。加えて、本シミュレーションにより得られたEEDFは実験結果と定量的によく一致した。

論文

Numerical analysis of the hydrogen atom density in a negative ion source

高戸 直之; 花谷 純次*; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 戸張 博之; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; et al.

AIP Conference Proceedings 925, p.38 - 45, 2007/09

水素負イオン源内における原子密度を得るため、水素原子生成・輸送過程の数値解析を行った。モンテカルロ法を用いた3次元輸送コードを、セシウム添加状態のJAEA10アンペア負イオン源に適用した。本研究においては、水素原子生成レートをラングミュアプローブのプローブ特性から推定した。加えて、水素原子のエネルギー緩和過程も考慮した原子の輸送計算を行った。その結果、高速電子及びエネルギー緩和過程は水素原子密度に強い影響を与えることが明らかとなった。

論文

Negative ion production in high electron temperature plasmas

戸張 博之; 関 孝義*; 高戸 直之*; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 畑山 明聖*; 坂本 慶司

Plasma and Fusion Research (Internet), 2, p.022_1 - 022_4, 2007/06

外部磁気フィルタ付き負イオン源では、フィルタ磁場中の高速電子のドリフトによりソースプラズマが局在化し、局所的に電子温度が高い(3-4eV)領域が形成される。従来、電子温度が1eV以上のプラズマ中では負イオンの消滅反応が著しく促進されるため不向きとされてきたが、セシウム添加型負イオン源では、電子温度の高い領域からより多くの負イオンビームが引き出されることが観測された。このことを検証するために、(1)カソードフィラメントをプラズマ電極近傍に配置,(2)外部磁気フィルタ強度を低減、させることでプラズマ電極近傍に電子温度の高い水素プラズマを生成し、負イオンビーム引き出しを行った。これらの結果より、セシウム添加時には、プラズマ中の高エネルギー電子が電子,解離に寄与し、より多くの水素原子/イオン束が生成され、消滅反応を上回る表面生成により多量の負イオンが生成されることが示唆された。

論文

The Origin of beam non-uniformity in a large Cs-seeded negative ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之; 井上 多加志; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 谷口 正樹; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 46(6), p.S318 - S323, 2006/06

 被引用回数:26 パーセンタイル:27.43(Physics, Fluids & Plasmas)

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因について実験的に調べた。ビーム強度分布とプラズマ密度分布の相関を調べた結果、負イオン強度はプラズマが集中している領域において高かった。プラズマが集中している領域においては、負イオンの素となるプロトンばかりでなく、水素原子の密度も局所的に高かったと考えられる。さらに、フィラメントから放出する1次電子の軌道を計算した結果、プラズマの集中は、フィラメントから放出した1次電子が、フィラメント近傍の磁場によって、Bx$$nabla$$Bドリフトするためであることがわかった。ビーム非一様性の原因である高速1次電子のBx$$nabla$$Bドリフトを抑制するために、フィラメントの形状を変更した。その結果、ビーム強度の平均値からの偏差は、変更前の半分に減少しており、ビーム一様性を大幅に改善した。

論文

Improvement of beam uniformity by magnetic filter optimization in a Cs-seeded large negative-ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 戸張 博之; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A515_1 - 03A515_3, 2006/03

 被引用回数:22 パーセンタイル:25.41(Instruments & Instrumentation)

セシウム添加方式体積生成型負イオン源のビーム非一様性の原因究明を行うために、フィルター磁場と負イオンビームの長手方向の強度分布との相関関係について実験的に調べた。実験では、3種類のフィルター強度(49, 370, 800Gauss$$cdot$$cm)について調べた。それぞれのフィルター強度に対して、イオン源に少量のセシウム(約0.3g)を添加して、負イオン電流値を添加前よりも3$$sim$$4倍に増加させた後、ビーム強度分布を測定した。いずれのフィルター強度に対しても、ビーム強度を長手方向に積分したビーム電流値はほぼ一定であった。しかしながら、ビーム強度分布の偏差は、フィルター強度が800Gauss$$cdot$$cmの時、平均値に対して30%であったが、フィルター強度を49Gauss$$cdot$$cmに下げることにより、17%まで低減した。この結果、フィルター強度を低減することによって、ビーム電流値を下げることなく、大幅にビーム強度分布を改善できることが明らかになった。また、プローブ測定の結果、フィルター強度を下げると、プラズマ電極近傍のプラズマ密度及び電子温度は一様になっていることがわかった。これらの結果から、ビーム強度分布の非一様性の原因は、フィルター磁場によってプラズマ電極近傍のプラズマが偏在するためであることが明らかとなった。

論文

Numerical analysis of primary electrons in a tandem-type negative ion source

加藤 恭平*; 高戸 直之*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 関 孝義; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A535_1 - 03A535_3, 2006/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:43.02(Instruments & Instrumentation)

タンデム型負イオン源におけるプラズマの非一様性発生の原因を明らかにするため、フィラメント陰極より放出された一次電子の軌道解析を行った。モンテカルロ法を用いた3次元輸送コードを、実形状の磁場分布を考慮したJAEA10アンペア負イオン源に適用した。また、中性粒子との主な非弾性衝突反応も合わせて考慮した。その結果、ドライバ領域の高速電子はドリフトにより引出し領域へと失われ得ること、及びそのドリフト方向は負イオン源上下端で逆方向となることが明らかになった。

論文

Numerical analysis of the spatial nonuniformity in a Cs-seeded H$$^{-}$$ ion source

高戸 直之*; 花谷 純次*; 水野 貴敏*; 加藤 恭平*; 畑山 明聖*; 花田 磨砂也; 関 孝義; 井上 多加志

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A533_1 - 03A533_3, 2006/03

 被引用回数:14 パーセンタイル:35.92(Instruments & Instrumentation)

負イオンビームの空間的非一様性発生の原因を明らかにするため、負イオン生成及び輸送過程の数値解析を行った。モンテカルロ法を用いた原子及び負イオンの3次元輸送コードを、セシウム添加型負イオン源に適用した。その結果、電子温度の高い領域で局所的に原子が生成され、プラズマ電極表面への原子フラックスが非一様となることが明らかとなり、負イオン生成分布に影響を与えることが明らかとなった。加えて、生成された負イオンの引出し確率は電子温度依存性が弱いことが明らかとなった。

論文

Experimental study on spatial uniformity of H$$^{-}$$ ion beam in a large negative ion source

花田 磨砂也; 関 孝義*; 高戸 直之*; 井上 多加志; 森下 卓俊; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; et al.

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.311 - 317, 2005/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:49.09(Nuclear Science & Technology)

原研10A負イオン源を用いて、JT-60U負イオン源の問題点の1つである負イオン源内の負イオン密度の空間的不均一の原因について、実験的に調べた。測定の結果、ビームの空間分布はJT-60U負イオン源同様フィルター磁場に対して垂直な高さ方向(長手方向)に非対称であり、上半分領域の強度は下半分の約60%$$sim$$80%程度であった。また、この時のプラズマ電極近傍の電子温度は高さ方向に対して均一なフィルター磁場を形成しているにもかかわらず不均一であり、上半分領域では1$$sim$$3.5eVで、下半分領域ではほぼ1eV一定であった。高速電子の軌道を計算した結果、この高い電子温度の原因はカソードから放出した高速電子がイオン源の上部壁近傍に存在する10Gauss以下の領域を通って、フィルター磁場を飛び越えて、プラズマ電極に漏れ出すためであることが明らかになった。そこで、プラズマ電極への高速電子の漏れ出しを抑制するために、計算で予測された位置に、5cm$$times$$5cmの閉止板を取り付けた。その結果、イオン源上部の電子温度は1eV程度まで減少し、上半分領域における負イオンビームの一様性も大きく改善され、20%程度ビーム電流値が増加した。本研究により、負イオン密度の不均一性の原因の一つは高速電子のプラズマ電極への漏洩であることが明らかになった。

口頭

ITERに向けたセシウム添加型大面積負イオン源におけるビーム一様性のフィルタ強度依存

関 孝義; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 井上 多加志; 高戸 直之*; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 渡邊 和弘; et al.

no journal, , 

セシウム添加型負イオン源において、負イオンビーム強度分布の非一様性の原因の一つと考えられるフィルタ強度とビーム強度分布との相関関係について調べた。その結果、フィルタ強度を下げることによって、ビーム強度を低減することなく、ビーム強度の長手方向分布の偏差を27%から13%まで低減できることがわかった。

口頭

セシウム添加型大面積負イオン源におけるビーム一様性の改善

関 孝義; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; 高戸 直之*; 水野 貴敏*; et al.

no journal, , 

JT-60Uや大型ヘルカル装置(LHD)用の大型負イオン源では、イオン引出し面(JT-60U:0.45m$$times$$1.1m)長手方向の負イオンビーム分布が非一様となっており、加速電極やビームライン機器の熱負荷が過大となって、ビーム出力やパルス幅が制限されている。これまでにセシウムを添加しない体積生成型負イオン源について、負イオンビームの一様性改善研究を行い、高速電子のB$$times$$∇Bドリフトと弱磁場領域への漏洩による負イオンの消滅が原因であることを明らかにした。本発表ではセシウムを添加した負イオン表面生成時における不均一性改善を目的に、フィルタ強度依存性を測定した。その結果、表面生成型では体積生成型負イオン源とは逆に、引き出し面近傍で高電子温度でも高い負イオン電流密度を生成できることを明らかにした。また、フィルタ強度を弱くし、合成磁場による高速電子のドリフトを抑えるとともに、引き出し面近傍に一様な高電子温度・高密度プラズマを生成して負イオンの表面生成を促進することで、一様で高密度の負イオンが得られる可能性を見いだした。

口頭

セシウム添加型大面積負イオン源における原子及び負イオン生成分布の数値解析

高戸 直之; 花谷 純次*; 加藤 恭平*; 水野 貴敏*; 畑山 明聖*; 戸張 博之; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 谷口 正樹; 長谷部 美恵子; et al.

no journal, , 

プラズマ電極に入射する原子のフラックスを決める主要な要因を数値計算により明らかにするため、水素原子生成・輸送過程の数値解析を行った。モンテカルロ法を用いた3次元水素原子輸送計算を、セシウム添加型JAEA10アンペア負イオン源に適用した。水素原子生成過程として、分子の電子衝突による解離反応のみを考慮し、反応レートに影響を与える電子温度・密度はラングミュアプローブを用いた測定結果を適用した。また反応レートが大きい高速電子成分は、プローブ特性から2温度フィッティングで求めた値を用いた。その結果、高速電子(数十eV程度)は熱緩和した電子(数eV程度)に対して密度が10%程度と低いにもかかわらず、原子生成に対する寄与は40%程度と高いことが明らかとなった。加えて原子のエネルギー緩和過程を含めた解析を行った結果、原子密度が80%程度上昇することが明らかとなった。この高速電子による解離及び原子のエネルギー緩和過程を含めることにより、原子密度は従来の解析結果の約2.5倍まで上昇し、原子による負イオンの表面生成とその空間分布形成過程の理解が深まった。

口頭

表面生成型負イオン源におけるビーム一様性の改善と高効率高周波イオン源の開発

戸張 博之; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 高戸 直之*; 井上 多加志; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 坂本 慶司

no journal, , 

ITER NBIで想定されている表面生成型負イオン源において、イオン引き出し面近傍で一様に負イオンが生成されず、加速したビームの発散角が局所的に大きくなり、周辺部への熱負荷が過大になる問題が生じていた。今回、非一様な負イオン生成の物理的な要因を明らかにし、プラズマ閉じ込め用の磁場配位を改良し、ビーム空間分布の偏差を16%から8%に抑え、ITER NBIの要求値を達成した。さらに従来困難とされてきた比較的電子温度の高い(3-4eV)プラズマ中の負イオン生成が表面生成時には可能であることを見いだした。また、上記の知見を、イオン源のメンテナンス頻度の低減が期待できる無電極放電と組合せた大面積高周波イオン源の開発も着手した。

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