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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:85.87(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:73.23(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:61.24(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:43.38(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

Fine-tuning to minimize emittances of J-PARC RF-driven H$$^-$$ ion source

上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 小栗 英知

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B130_1 - 02B130_5, 2016/02

BB2015-0492.pdf:4.68MB

 被引用回数:6 パーセンタイル:37.2(Instruments & Instrumentation)

J-PARCセシウム添加高周波駆動負水素イオン源は、約1年間運転に使用されてきた。このイオン源への要求性能は、水平と垂直両方向エミッタンス1.5$$pi$$mm$$cdot$$mrad内にピークビーム強度60mA、強度一定のビームデューティ1.25%(500$$mu$$s$$times$$25Hz)と1ヶ月以上の寿命である。プラズマ容器#3を使用したエミッタンスを最小にするための微細調整の結果を報告する。初期設定時のプラズマ容器#3のエミッタンスは、4つの同型プラズマ容器の中で、最も大きかった。わずかに異なる磁場強度を有する永久磁石の選定や磁石間ギャップ長の調整によるロッドフィルター磁場の微細調整や引き出し電極孔径の違いによるエミッタンスの測定結果を報告する。エミッタンス改善のために調整手順は、高強度高エネルギー加速器用イオン源にとって最も重要な技術の一つである。

論文

Status of the RF-driven H$$^{-}$$ ion source for J-PARC linac

小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 上野 彰; 柴田 崇統*

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B138_1 - 02B138_3, 2016/02

BB2015-0491.pdf:1.81MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(Instruments & Instrumentation)

J-PARCリニアックのビーム電流を増強するために、セシウム添加型高周波負水素イオン源を2014年夏の加速器メンテナンス時にインストールし、同年9月29日より運転を開始した。現在、本イオン源はビーム電流33mA、デューティファクタ1.25%で稼働している。いままでのところ、連続運転時間は約1100時間を達成している。運転中の高圧部放電頻度は1日に1回以下であり、ユーザ運転には影響のないレベルである。2014年10月にアンテナが破損したが、それ以降は深刻なトラブルは発生していない。本会議では、本イオン源の長時間運転における各種パラメータや安定性について発表する。

論文

Operation and commissioning of IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) LIPAc injector

奥村 義和; Gobin, R.*; Knaster, J.*; Heidinger, R.*; Ayala, J.-M.*; Bolzon, B.*; Cara, P.*; Chauvin, N.*; Chel, S.*; Gex, D.*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02A739_1 - 02A739_3, 2016/02

 被引用回数:4 パーセンタイル:51.49(Instruments & Instrumentation)

IFMIFは40MeV/125mAの重水素ビームを発生する2基の線形加速器を用いた核融合材料照射施設である。日欧の幅広いアプローチ活動のもとで、原型加速器(LIPAc)を用いた実証試験が開始されており、その目標は9MeV/125mAの連続重水素ビームを発生することである。フランスで開発された入射器は、既に日本の六ヶ所の国際核融合研究開発センターに搬入され、2014年から運転と試験が開始されている。これまでに、100keV/120mAの連続水素ビームを0.2$$pi$$.mm.mradのエミッタンスのもとで生成することに成功している。

論文

Measurement of ion species in high current ECR H$$^+$$/D$$^+$$ ion source for IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility)

神藤 勝啓; Sen$'e$e, F.*; Ayala, J.-M.*; Bolzon, B.*; Chauvin, N.*; Gobin, R.*; 一宮 亮; 伊原 彰; 池田 幸治; 春日井 敦; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02A727_1 - 02A727_3, 2016/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:73.23(Instruments & Instrumentation)

A high current ECR ion source producing 140 mA/100 keV D$$^+$$ ion beams for IFMIF accelerator is now under commissioning at Rokkasho in Japan, under the framework of ITER Broader Approach (BA) activities. The ion source for IFMIF is required to produce positive deuterium ion beams with a high D$$^+$$ ratio. After the mass separation in LEBT consisting of two solenoids, the D$$^+$$ ratio should be higher than 95 % with less molecular ions and impurity ions at the entrance of RFQ linac to be installed downstream. The ion species have been measured by Doppler shift spectroscopy between the two solenoids. With hydrogen operation in pulsed and CW modes, the H$$^+$$ ratio increases with RF power or plasma density and reached 80% at 160 mA/100 keV. The value was compared with that derived from the emittance diagram for each ion species measured by an Alison scanner installed nearby the viewport for the spectroscopy in the LEBT. It was found that the spectroscopy gives lower H$$^+$$ ratio than the emittance measurement.

論文

Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02

BB2015-1473.pdf:4.28MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(Instruments & Instrumentation)

J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。

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