High proton ratio plasma production in a small negative ion source

森下 卓俊; 井上 多加志; 伊賀 尚*; 渡邊 和弘; 今井 剛

Review of Scientific Instruments, 75(5), p.1764 - 1766, 2004/05

https://doi.org/10.1063/1.1695623

核融合加熱装置や大強度陽子加速器などにおいて必要とされる大電流密度負イオンビームを生成するためにはHやHからの表面生成を利用したイオン源が有効であり、閉じ込めの良い大型イオン源によって高プロトン比プラズマを生成する必要がある。しかしながら、従来、高プロトン比プラズマ生成が困難であると考えられていた小型のイオン源において800A/mの大電流密度負イオンビームが生成された。本研究では、イオン源内のプロトン比を実験的,解析的に調べ、小型イオン源におけるプロトン生成過程を調べた。小型のイオン源(容積1.4リットル,ガス圧1Pa)に磁気フィルターを適用し、正イオンビーム中のプロトン比を測定した結果、磁気フィルターによりプロトン比が2倍以上の90%にまで上昇した。次にレート方程式を用いてイオン密度を求め、プロトン比を評価した。その結果、小型のイオン源では、主放電領域でのプロトン比は40%程度と低いが、磁気フィルターによって高速一次電子の流入が抑制されるため引き出し領域では分子イオン生成は小さく、かつ活発に分子イオンの解離が進行するため、磁気フィルターによってプロトン比が向上することがわかった。

Development of high performance negative ion sources and accelerators for MeV class neutral beam injectors

谷口 正樹; 花田 磨砂也; 伊賀 尚*; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 森下 卓俊; 奥村 義和; 清水 崇司; 高柳 智弘; 渡邊 和弘; et al.

Nuclear Fusion, 43(8), p.665 - 669, 2003/08

https://doi.org/10.1088/0029-5515/43/8/304

メートル級の真空長ギャップにおいて負イオン源加速器に相当する条件での放電特性を実験的に明らかにし、ITER等のNBI運転条件で1MVの高圧を保持できる見通しを示した。上記のデータに基づき、真空絶縁方式のMeV級負イオン加速器を設計製作し、その耐電圧と負イオン加速実証試験を行った。その結果、世界で初めて真空絶縁方式による負イオン加速器によって、ほぼ定格のエネルギーである970keVまでの負イオン加速に成功し、本方式の実現性を実証した。また、負イオン生成の効率改善の研究として、低ガス圧力で高密度の負イオン生成の可能なイオン源を開発した。従来0.3Pa程度の動作圧力であったものを、イオン源フィルター磁場等の改良により0.1Paの極めて低い圧力条件でも31mA/cmの高密度負イオンを生成する事に世界で初めて成功した。

アーク放電型イオン源における高プロトン比プラズマ生成機構

森下 卓俊; 井上 多加志; 伊賀 尚*; 渡邊 和弘; 柏木 美恵子; 清水 崇司; 谷口 正樹; 花田 磨砂也; 今井 剛

JAERI-Tech 2003-007, 16 Pages, 2003/03

JAERI-Tech-2003-007.pdf:1.28MB

IFMIF(国際核融合材料照射施設)のために開発した小型アーク放電イオン源において、磁気フィルターを適用することによって90%のプロトン比でかつ、120mAの正イオンビーム生成が可能となった。小型イオン源においても高プロトン比プラズマが生成されるメカニズムは興味深い。そこでイオン源中の正イオン及び水素原子密度をレート方程式を用いて数値的に求めた。主要なプロトン生成は分子イオンの解離反応であり、イオン源中心部では高プロトン比プラズマは生成されない。しかし磁気フィルター領域では分子イオンの生成は小さく、熱電子により分子イオンが解離しプロトンが生成されて分子イオン密度が減少し、プロトン比が増加することがわかった。同手法を用いて大型イオン源におけるプラズマ生成過程に関する計算を行った結果、放電領域において高密度のHが生成され、分子イオンを介さないHのイオン化によるプロトン生成により容易に高プロトン比プラズマ生成が可能であることがわかった。また、本計算で得られた正イオン,水素原子密度によって、大型イオン源における負イオン生成への各粒子の寄与を評価した結果、計算結果による負イオンビーム電流は実験結果と一致し、高密度水素原子による表面生成によって大量の負イオンが生成されることがわかった

アーク放電型小型イオン源における高プロトン比ビーム生成機構の解明

森下 卓俊; 伊賀 尚*; 井上 多加志; 今井 剛; 柏木 美恵子; 清水 崇司; 谷口 正樹; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘

第1回21世紀連合シンポジウム; 科学技術と人間論文集, p.221 - 224, 2002/11

90%以上の高プロトン比で、かつ電流密度の高い高輝度正イオン源が、国際核融合材料照射施設(IFMIF)において要求されている。従来、核融合用イオン源開発において、イオンの閉じ込めを向上するためイオン源の大型化がプロトン比向上に適していることが示されたが、加速器用イオン源は単孔ビームで十分であり、効率や装置の単純化等の観点から、イオン源は小型であることが望ましい。小型のイオン源で高いプロトン比を生成するためには、プロトン生成の機構を把握し、高いプロトン比が得られる条件を積極的に与える必要がある。そこでレート方程式を用いてイオン源プラズマ中でのプロトンの生成過程を調べ、小型イオン源における高プロトン比生成機構について、実験結果と対比させた。その結果、従来より考えられていた分子イオンの電離によってプロトンが主に生成されるが、磁気フィルターの効果により小型のイオン源においても高プロトン比ビームの生成が可能であることを示した。

Development of a large volume negative-ion source for ITER neutral beam injector

渡邊 和弘; 雨宮 亨*; 花田 磨砂也; 伊賀 尚*; 今井 剛; 井上 多加志; 柏木 美恵子; 栗山 正明; 森下 卓俊; 奥村 義和; et al.

Review of Scientific Instruments, 73(2), p.1090 - 1092, 2002/02

https://doi.org/10.1063/1.1431422

ITER用の中性粒子入射装置(NBI)には、1MeV,40Aでパルス幅1000秒以上の大出力負イオン源が要求されており、その設計を完了した。負イオン生成部は原研独自のカマボコ型負イオン源の特徴を生かした構造であり、負イオン加速部には5段の静電加速方式を採用した。負イオンは60cm160cmの領域に配置した直径14mmの円孔1300個から引き出され加速される。大面積から引き出されたビームを効率良く入射させるため、電極の傾斜や孔軸変位,電界修正電極等の効果を利用して入射ポートに収束する工夫を施している。負イオン源の設計に際しては、負イオンのMeV加速試験,高電流密度生成,負イオンビーム光学最適化等を実施した。これまでに、新たに開発した真空絶縁方式の加速器でも970keV,37mAの負イオン加速に成功し本方式の有効性を示した。また、負イオン生成では目標を上回る0.1Paの極めて低い動作ガス圧力で31mA/cmの高電流密度を達成した。これらによって、ITER-NBI実現の見通しを示した。

プラズマ電極材質の違いがH表面生成に与える影響

清水 崇司; 和田 元*; 渡邊 和弘; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 伊賀 尚*; 井上 多加志; 森下 卓俊; 雨宮 亨*; 今井 剛

第12回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム(BEAMS 2001)報文集, p.25 - 28, 2001/11

体積生成型負イオン源に少量のCsを添加すると、負イオン生成効率が3-5倍に増加することが知られている。そのため、核融合炉用などの大電流負イオン源として体積生成方式のセシウム添加型負イオン源が用いられている。Cs添加による負イオン生成の促進効果は、プラズマに直接面するプラズマ電極(PG)表面の仕事関数がCs吸着により下がることによって、表面生成効率が増加するためであると考えられている。セシウムが付着した場合のPG電極の仕事関数は電極材質によって異なるため、表面生成される水素負イオン量も電極材質によって違いがあることが予想される。本研究では、電極材質の違いが負イオン生成効率へ与える影響を調べるために、PG電極の材質(金,モリブデン等)を変えて、生成される負イオン電流値の比較を行った。その結果、Au,MoにそれぞれCsを添加した場合、負イオン電流値はCs/AuがCs/Moより1.5倍ほど高い値が得られ、電極材質の違いで負イオン生成量が大きく変化することが確認できた。