Beam extraction boundary physics and control of particle dynamics for steady state negative ion sources

高性能負イオンビームの開発研究は、磁場閉じ込め核融合研究や大型加速器実験の進展を支える重要な基盤技術として、大電力化、定常化が進められてきた。本研究は、間近に迫る国際熱核融合実験炉（ITER）計画を進めるうえで、急務の課題となっているビーム光学設計の最適化のための課題解決を目指している。マックスプランク研（ドイツ）で試験が開始されているITER用高周波負イオン源に、日本（核融合研）で開発されているビーム引出領域の負イオン挙動計測と負イオンビーム引出界面の密度分布計測を実施する予定であったが、COVID-19により予定を変更し核融合科学研究所のNBI－TSを使って、ITER用負イオン源の高周波を模擬する実験を実施した。直流アーク放電で主プラズマを生成し、ビーム引き出し界面近傍に対して、ビーム発散角に最も影響を及ぼすことが予想されるビーム軸方向に高周波電場をかけるアンテナを開発し、摂動的に高周波電磁場を印加することにより、ビームの集束性に与える影響を評価した。その結果、負イオンビーム引き出し領域の高周波電磁場は、負イオンビームの集束性に影響を与えることが分かった。さらに、パービアンス最適化条件（ビームが集束性が最もよくなる電流と引き出し電圧の関係）では、高周波電磁場の影響を抑制できる可能性が示された。また、ビーム引き出し領域のプラズマでは、ビーム不安定性がビーム集束性を劣化させる可能性が理論的に示されたが、実験的には問題ないことがわかった。この結果については、イオン源国際会議（ICIS2021）で報告し、論文誌に発表した。

高性能負イオンビームの開発研究は、磁場閉じ込め核融合研究や大型加速器実験の進展を支える重要な基盤技術として、大電力化、定常化が進められてきた。本研究は、間近に迫る国際熱核融合実験炉（ITER）計画を進めるうえで、急務の課題となっているビーム光学設計の最適化のための課題解決を目指している。マックスプランク研（ドイツ）で試験が開始されているITER用高周波負イオン源に、日本（核融合研）で開発されているビーム引出領域の負イオン挙動計測と負イオンビーム引出界面の密度分布計測を実施する予定であったが、COVID-19により予定を変更し核融合科学研究所のNBI－TSを使って、ITER用負イオン源の高周波を模擬する実験を実施した。直流アーク放電で主プラズマを生成し、ビーム引き出し界面近傍に対して、ビーム発散角に最も影響を及ぼすことが予想されるビーム軸方向に高周波電場をかけるアンテナを開発し、摂動的に高周波電磁場を印加することにより、ビームの集束性に与える影響を評価した。その結果、負イオンビーム引き出し領域の高周波電磁場は、負イオンビームの集束性に影響を与えることが分かった。さらに、パービアンス最適化条件（ビームが集束性が最もよくなる電流と引き出し電圧の関係）では、高周波電磁場の影響を抑制できる可能性が示された。また、ビーム引き出し領域のプラズマでは、ビーム不安定性がビーム集束性を劣化させる可能性が理論的に示されたが、実験的には問題ないことがわかった。この結果については、イオン源国際会議（ICIS2021）で報告し、論文誌に発表した。