重水素負イオン源における同位体効果の物理メカニズムの理論的解明

本研究では、実機核融合用負イオン源や医療用加速器での重水素負イオン源について同位体効果と呼ばれる、水素放電プラズマの場合と異なる物理特性のメカニズムの解明を図る。特に負イオンと同時に引き出される電子電流の増加については、プラズマ生成領域のプラズマ密度増加が原因である事が実験的に示唆された。しかし、なぜ重水素化することでプラズマ生成領域においてプラズマ密度が増加するのかは分かっていない。そこで本研究では電子輸送解析用の大規模な数値シミュレーション（KEIO-MARCコード）と、その支援として水素と重水素の原子・分子衝突過程を考慮した0次元モデルによる解析の両方で研究を進めてきた。2022年度は電子輸送解析コードKEIO-MARCを水素イオン解析へ拡張し、水素プラズマ輸送に対する同位体効果の解析に先立ち、実形状・実磁場配位のもとで電子および陽子の輸送過程と装置内壁への損失過程について数値解析を行った。その結果、水素イオンの多くはカスプ領域で損失しており、初期運動エネルギーが10 eV以下では電子と同程度の割合であることが明らかになった。また高エネルギー（20~70 eV）になると、ラーマー半径が大きくなり旋回途中で壁に衝突する割合が増えて、カスプ領域外での損失が増加することが分かった。さらに装置内壁で損失した粒子の分布の半値幅からカスプ損失幅を求めた。プラズマ領域の温度から算出したラーマー直径よりもカスプ損失幅が大きくなることが示された。

本研究では、実機核融合用負イオン源や医療用加速器での重水素負イオン源について同位体効果と呼ばれる、水素放電プラズマの場合と異なる物理特性のメカニズムの解明を図る。特に負イオンと同時に引き出される電子電流の増加については、プラズマ生成領域のプラズマ密度増加が原因である事が実験的に示唆された。しかし、なぜ重水素化することでプラズマ生成領域においてプラズマ密度が増加するのかは分かっていない。そこで本研究では電子輸送解析用の大規模な数値シミュレーション（KEIO-MARCコード）と、その支援として水素と重水素の原子・分子衝突過程を考慮した0次元モデルによる解析の両方で研究を進めてきた。2022年度は電子輸送解析コードKEIO-MARCを水素イオン解析へ拡張し、水素プラズマ輸送に対する同位体効果の解析に先立ち、実形状・実磁場配位のもとで電子および陽子の輸送過程と装置内壁への損失過程について数値解析を行った。その結果、水素イオンの多くはカスプ領域で損失しており、初期運動エネルギーが10 eV以下では電子と同程度の割合であることが明らかになった。また高エネルギー（20~70 eV）になると、ラーマー半径が大きくなり旋回途中で壁に衝突する割合が増えて、カスプ領域外での損失が増加することが分かった。さらに装置内壁で損失した粒子の分布の半値幅からカスプ損失幅を求めた。プラズマ領域の温度から算出したラーマー直径よりもカスプ損失幅が大きくなることが示された。