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論文

会議報告; 第17回イオン源国際会議(ICIS 2017)

神藤 勝啓

加速器, 14(4), p.248 - 250, 2018/01

2017年10月15日から20日までスイス連邦ジュネーブ市で開かれた第17回イオン源国際会議(ICIS 2017)の会議報告を行う。イオン源国際会議は2年に1度開催され、世界中のイオン源研究者が一堂に集まり、J-PARCなどの粒子加速器や核融合プラズマ加熱で用いられる負水素イオン源、重粒子イオンビーム生成のためのECRイオン源などのイオン源の研究・開発の成果について報告される。

論文

High density plasma calculation of J-PARC RF negative ion source

柴田 崇統*; 浅野 博之; 池上 清*; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 高木 昭*; 上野 彰

AIP Conference Proceedings 1869, p.030017_1 - 030017_11, 2017/08

J-PARCでは2014年9月より、セシウム(Cs)添加型・マルチカスプ・高周波放電型(RF)負水素(H$$^{-}$$)イオン源の利用運転が開始され、電流値45mA、繰返し1.25%(0.5ms, 25Hz)のH-ビームを1000時間連続で引き出すことに成功している。本研究では、J-PARCイオン源内のRFプラズマに対する数値計算モデルを構築することで、プラズマの点火過程と定常状態におけるH$$^{-}$$生成・輸送に関わる物理過程を解明する。シミュレーションモデルでは、(1)荷電粒子(電子,水素陽イオン, Csイオン)、(2)イオン源内に形成される誘導性・容量性電磁場の時間変化、および(3)荷電粒子と水素原子・分子間の衝突過程を同時に計算する。また、同モデルを高エネルギー加速器研究機構並列計算機システムA(32ノード・256GBメモリ)に適用することで、10$$^{18}$$m$$^{-3}$$以上の高密度となるRFプラズマの挙動を十分な統計性を以て計算することが可能である。発表では、RFプラズマの成長過程に重要なプラズマパラメータを、プラズマ温度・密度、および電磁場分布の時間発展とともに示す。

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

SNICSによるフラーレン負イオンの生成

千葉 敦也; 薄井 絢; 山田 圭介

第28回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.53 - 56, 2015/12

タンデム加速器の既設の負イオン源であるセシウムスパッターイオン源(SNICSII;米国NEC製)を用いた電子付着方式による高強度フラーレン(C$$_{60}$$)負イオン生成法の開発を行っている。本方式は、アイオナイザーから放出される熱電子をオーブンで昇華したC$$_{60}$$に付着させ負イオン化するため、従来の生成法のようにスパッターによる解離を伴わず、効率よくC$$_{60}$$負イオンが生成される。本方式により、これまでに従来の1,000倍の強度を達成しているが、イオン化チャンバー内の電子密度を増すことで更なる高強度化が望めることから、チャンバー内にタングステンフィラメントを設置し、そこから放出される熱電子も併用する方式を試みた。その結果、生成量を更に1桁増強させることに成功した。

論文

Progress in long-pulse production of powerful negative ion beams for JT-60SA and ITER

小島 有志; 梅田 尚孝; 花田 磨砂也; 吉田 雅史; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 渡邊 和弘; 秋野 昇; 小又 将夫; 藻垣 和彦; et al.

Nuclear Fusion, 55(6), p.063006_1 - 063006_9, 2015/06

 被引用回数:20 パーセンタイル:9.28(Physics, Fluids & Plasmas)

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による100秒を超える負イオン生成・加速の実証を目指した研究を進めている。まず、JT-60SA用負イオン源の負イオン生成部のプラズマ閉じ込め用磁石配置を変更することにより、生成されたプラズマの密度分布を一様化することに成功した。これにより、引出領域の83%から一様な負イオンビームを生成し、これまでの最高値17Aを大きく超える32Aの負イオン電流を1秒間引き出すことに成功した。この磁場配位とこれまでに開発した長時間負イオン生成用温度制御型プラズマ電極を適用し、さらに負イオン電流のフィードバック制御手法を用いることにより、15Aの大電流負イオンビームを100秒間維持することに成功した。これは、JT-60SAの定格の68%の電流に相当し、パルス幅は定格を満たしている。また、ITER用高エネルギー加速器の開発に向けては、負イオンビームが加速途中で電極に衝突して生じる熱負荷を低減するだけでなく、負イオンと同時に引き出される電子を熱的に除去することが重要であった。今回、冷却構造を改良することにより従来の5倍の電子熱負荷を許容できると共に、残留磁場で偏向する負イオンビームの軌道制御機構を組み合わせて、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。

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:21.55

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

セシウムスパッター型イオン源によるフラーレン負イオンの新たな生成方法

千葉 敦也; 薄井 絢; 山田 圭介

第27回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.56 - 59, 2015/03

TIARAのタンデム加速器による高速フラーレンビームの利用が増加している。しかしながら、スパッター方式による負イオン生成方法では、ビーム強度が極めて低いため研究の進捗の障害となっていた。そこで、既存のイオン源を利用した電子付着方式によるフラーレン負イオン生成方法を開発し、これにより従来の1,000倍の強度のフラーレンビームを長時間安定に得ることに成功した。

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

Beam deflection by plasma grid filter current in the negative-ion source for JT-60U neutral beam injection system

梅田 尚孝; 池田 佳隆; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 河合 視己人; 椛澤 稔; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 大賀 徳道

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A529_1 - 03A529_3, 2006/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:70.29(Instruments & Instrumentation)

JT-60NBI用の負イオン源では、大面積で一様に負イオンを生成するためにプラズマ電極に数kAの電流を流してフィルター磁場を形成している。この電流によって、イオン源加速部とその下流で負イオンビームと電子ビームの軌道が曲げられる。この負イオンビーム及び電子ビームの軌道を実験及び計算で評価した。3.5mの位置で負イオンの単一ビームを計測したところ、PGフィルター電流を1kA増加させると7mmビームが変位することが明らかになった。また、2004年の長パルスの実験で、イオン源から$$sim$$1mの位置のビームラインが一部が溶融したが、これは100keV以上のエネルギーの電子が偏向され熱負荷となったことが明らかになった。

論文

Development of an H$$^{-}$$-ion source for the High-Intensity Proton Accelerator (J-PARC)

小栗 英知; 上野 彰; 滑川 裕矢*; 池上 清*

Review of Scientific Instruments, 77(3, Part2), p.03A517_1 - 03A517_3, 2006/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:65.15(Instruments & Instrumentation)

原研では2001年より高エネルギー加速器研究機構と共同で大強度陽子加速器計画(J-PARC)を開始している。J-PARCの第1期では、リニアックにてビーム電流30mA,デューティーファクタ1.25%の負水素イオンを加速する。LaB6フィラメントを使用したJ-PARC用負イオン源は、セシウム未添加状態にて定常的にビーム電流35mA以上,デューティーファクタ0.9%のビーム供給を行っている。デューティーファクタはJ-PARC要求値の1/3であるが、LaB6フィラメントの交換頻度は半年に1回程度である。一方、J-PARCにおいてセシウム添加状態にて72mAのビームを発生できる負イオン源を使用し、タングステンフィラメントの寿命測定を実施した。その結果、J-PARCの目標である500時間連続運転を達成できる見込みを得ることができ、タングステンフィラメントを使用したセシウム未添加型負水素イオン源もJ-PARC用イオン源の候補になり得ることがわかった。現在、セシウム未添加型タングステンフィラメント負水素イオン源のビーム試験を実施しており、本会議ではその結果について報告する。

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

Experimental validation of beam particle self interaction in JT-60U by use of N-NB

岡野 邦彦*; 鈴木 隆博; 梅田 尚孝; 日渡 良爾*; 正木 圭; 飛田 健次; 藤田 隆明

プラズマ・核融合学会誌, 81(8), p.579 - 580, 2005/08

トロイダル系では中性粒子ビーム入射により生成されトーラスを循環する高速イオンが中性粒子ビーム自身の停止断面積に影響を与える。この効果は主著者(岡野)により初めて提案され「ビーム粒子自己相互作用(BPSI)」と名付けられた。最近のJT-60Uにおける350keV軽水素原子ビーム入射実験によって、世界で初めてこのBPSI効果を同定した。電子密度1$$times$$10$$^{19}$$m$$^{-3}$$程度の低密度放電においてビームの突き抜けはビーム入射開始後数100ms以内に35%減少した。この結果はBPSI理論による予言と一致する。

論文

Instability in the frequency range of Alfv$'e$n eigenmodes driven by negative-ion-based neutral beams in JT-60U

篠原 孝司; 石川 正男; 武智 学; 草間 義紀; 藤堂 泰*; Gorelenkov, N. N.*; Cheng, C. Z.*; 福山 淳*; Kramer, G.*; Nazikian, R. M.*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 81(7), p.547 - 552, 2005/07

負イオン源中性粒子ビームを用いて高速イオンの圧力の高い状態を作るとアルベン固有周波数帯にバースト状で数十ミリ秒以下の時間スケールの周波数掃引を伴った不安定性(Fast FSやALEと呼んでいる)が観測された。これらの不安定性により高速イオンの輸送が助長されていることが明らかになった。最近、自然組成ダイヤモンド検出器を用いた中性粒子束分布計測により、輸送高速イオンの共鳴的エネルギー依存性が明確に観測された。結果は輸送が、高速イオンと不安定性とが共鳴的に相互作用し、不安定性の電磁場を静的に感じて起きていることを示唆している。また、Fast FSの周波数掃引についても、粒子-MHD混成数値計算コードにより、最近、実験結果を再現する結果を得ており、波動による粒子捕捉領域の軌道周回周波数が変化することによって生じる現象であると考えられる。このような非線形現象について高速イオン圧力分布との関連について報告する。さらに、負磁気シア誘導アルベン固有モード(Reversed Shear-induced AE; RSAE)の発生をTASK/WMコードにより理論的に予測していたが、MSEによる詳細なq分布計測等を用いてJT-60においてこれを同定した。NOVA-Kコードを用いて、RSAEの安定性解析を行い、実験と数値計算の比較を報告する。

論文

JT-60U負イオンNBI装置イオン源の改造

藻垣 和彦; 河合 視己人; 椛澤 稔; 小又 将夫; 梅田 尚孝; 池田 佳隆

平成16年度大阪大学総合技術研究会報告集(CD-ROM), 4 Pages, 2005/03

JT-60Uの長時間放電実験運転に対応して、負イオンNBI装置の入射パルス幅の延伸(目標30秒)を図った。パルス幅の延伸では加速電極熱負荷の増が問題であった。結果熱負荷の低減には、ビーム軌道の補正と加速部の残留ガス低減が有効と判断し電極へのビーム偏向板の設置,加速電極の一部排気口化の改造を実施した。現在まで25秒入射を達成しており、その詳細は、本講演で報告する。

論文

JT-60U用負イオンNBI装置の長パルスビーム出力の安定化

本田 敦; 河合 視己人; 岡野 文範; 大島 克己*; 沼澤 呈*; 大賀 徳道; 池田 佳隆

平成16年度大阪大学総合技術研究会報告集(CD-ROM), 4 Pages, 2005/03

JT-60U用負イオンNBI装置を従来定格の10秒から30秒までとする改造を行い、ビーム入射実験を開始したところ10秒未満の運転時に比較してビーム出力が時間とともに大きく変動する事例が目立つようになった。原因は受電周波数変動と既存のフィラメントプレプロ制御の限界によるもので、フィラメント電源の制御応答高速化,プレプロ制御へのフィードバック機能導入により出力変動を抑制した。その詳細について報告する。

論文

Energetic neutral particle measurement with natural diamond detector in JT-60U

草間 義紀; 石川 正男; 武智 学; 西谷 健夫; 森岡 篤彦; 笹尾 真実子*; 磯部 光孝*; Krasilnikov, A.*; Kaschuck, Y.*

Proceedings of Plasma Science Symposium 2005/22nd Symposium on Plasma Processing (PSS-2005/SPP-22), p.395 - 396, 2005/00

JT-60の重水素放電による中性子/$$gamma$$線発生環境下において、天然ダイアモンド検出器を用いた高エネルギー中性粒子の測定に成功した。中性子及び$$gamma$$線のノイズを低減するため、ダイアモンド検出器をポリエチレンと鉛で覆った。そのシールドは期待通りの性能を示した。負イオン源中性粒子ビーム入射(NNBI)で生成される高エネルギーイオンによってトロイダル・アルヴェン固有モード(TAE)が励起された際に、高エネルギーイオンの輸送を示唆する中性粒子束の急激な上昇を観測した。中性粒子の上昇が観測されたエネルギー範囲は、高エネルギーイオンとTAEとの共鳴的な相互作用で予測されるエネルギー範囲と一致した。

論文

Results and future plan of JT-60U towards steady-state tokamak reactor

櫻井 真治; JT-60チーム

Plasma Science and Technology, 6(1), p.2151 - 2158, 2004/02

 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60ではITER及び定常トカマク炉の先進トカマク運転の物理的基盤を構築するため、高ベータ,高閉込め,高自発電流割合(完全非誘導電流駆動)及びダイバータによる熱粒子制御を同時に達成し、かつ、維持することを目的として豊富な加熱装置を駆使した研究を推進し、以下に述べる成果を得た。(1)規格化ベータ=2.7の7.4秒間維持。(2)1.8MAの完全非誘導電流駆動高$$beta$$pHモードプラズマの達成。(3)Arガス入射及び配位調整による高密度領域での閉込め改善とELM熱負荷の緩和。これらの達成には、負イオン源中性粒子ビーム入射装置(N-NBI)の高パワー入射(6.2MW$$times$$1.7秒),長パルス入射(2.6MW$$times$$10秒)及び110GHz電子サイクロトロン波入射装置による高パワー入射(2.8MW$$times$$3.6秒)が大きな役割を果たした。これらの結果をもとに、電流拡散時間と同程度の間、高ベータ高性能放電を維持することを目標として、加熱系及び制御系の改造を行い、本年12月よりNB加熱放電で30秒,高周波加熱放電で60秒の実験を開始する。将来的には、磁場コイルを超伝導化するとともに、プラズマのアスペクト比及び断面形状制御性等を高め、安定化板やセクターコイル等を利用して、高ベータプラズマを100秒またはそれ以上維持することを計画している。

論文

500keV負イオン源開発の現状

山本 巧; 大賀 徳道; 河合 視己人; 秋野 昇; 椛澤 稔; 梅田 尚孝

平成16年電気学会全国大会講演論文集, 219 Pages, 2004/00

原研では、1996年に臨界プラズマ試験装置(JT-60)の高密度プラズマ領域における加熱・電流駆動の開発研究を目的として、10MW, 10秒の500keV負イオン源中性粒子ビーム入射(N-NBI)装置を建設し、JT-60プラズマへのビーム入射実験の運転をしつつ、装置性能改善を行ってきた。現在までに最大418keV、入射パワー6.2MWの水素ビームの入射を達成し、入射パルス幅については、一台のイオン源で2.6MWで10秒の入射に成功している。しかし、未だに設計上の性能値に達していないため、さらなる改良試験を行っている。性能を制限している主な原因は、イオン源加速部の耐電圧と電極の熱負荷である。現在、イオン源の電極構造を改良して、耐電圧の向上と電極熱負荷の低減を図った。その結果、性能の拡大が得られている。

論文

Positronium formation in low temperature polymers

平出 哲也

Radiation Physics and Chemistry, 68(3-4), p.375 - 379, 2003/10

 被引用回数:17 パーセンタイル:22.51

分子性固体や高分子中では低温で陽電子消滅寿命測定を行うと捕捉電子や負イオンによってポジトロニウムの形成が増加する。この手法を用いることで捕捉電子や負イオンの挙動を研究することが可能である。この方法の利点はあらゆる捕捉電子負イオンに適用できることである。被照射ポリメチルメタアクリレート(PMMA)中で240K付近で見られる発光はCHラジカルが捕捉した電子が熱運動で開放され、再結合に伴って発行するものであることを明らかにした。

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