科学教育用粒子加速器の研究

高等学校の実験教材となる、「電子サイクロトロン共鳴(ECR)よるプラズマ発生装置」の開発を研究目的とした。本研究では、プラズマチェンバーを石英ガラスパイプ(Φ90.8 L295mm)とするため、真空の止め方を考慮してフランジの設計をおこなった。また、プラズマ閉じ込め磁場をソレノイドコイルによるミラー磁場とするため、Poisson Superfishを用いて磁場解析をおこなった。解析のための諸条件として、高等学校での実験教材であることから装置の安全面を重視し、高周波電源に用いるマイクロ波を2.45GHz(共鳴領域の1次モード875G)とし、コイルの電流を16Aとした。コイルヨーク(鉄製)を、厚さ10mm、内径110mm、外径320mm、幅50mmのドーナツ状で、内側に5mmのギャップを設けることで、コイルの巻数576Turn、磁場強度550G(min)-1000G(max)を実現した。これまで研究してきた実験装置では、プラズマチェンバーが金属製であったため、多くの生徒が同時にプラズマを観察することができなかったが、石英ガラスパイプにしたことで解消された。また、固定磁極からソレノイドコイルに変更したことで、磁場の変化に対するプラズマ状態の変化を測定することが可能となり、実験の深化が期待できる。今後の課題とすれば、コイルの電流密度が3.02A/㎟であることから、空冷では1時間でコイル温度が57.8℃となるため、コイルヨークに水管を設けるなどの改善が必要である。核融合などに代表される次世代エネルギーに携わる科学者や技術者の育成は急務であり、高等学校からのプラズマ実験や関連する基礎理論・技術の学習は不可欠と考えられることから、高等学校において利用可能な「科学教育用粒子加速器の研究」は意義のあるものと思われる。

高等学校の実験教材となる、「電子サイクロトロン共鳴(ECR)よるプラズマ発生装置」の開発を研究目的とした。本研究では、プラズマチェンバーを石英ガラスパイプ(Φ90.8 L295mm)とするため、真空の止め方を考慮してフランジの設計をおこなった。また、プラズマ閉じ込め磁場をソレノイドコイルによるミラー磁場とするため、Poisson Superfishを用いて磁場解析をおこなった。解析のための諸条件として、高等学校での実験教材であることから装置の安全面を重視し、高周波電源に用いるマイクロ波を2.45GHz(共鳴領域の1次モード875G)とし、コイルの電流を16Aとした。コイルヨーク(鉄製)を、厚さ10mm、内径110mm、外径320mm、幅50mmのドーナツ状で、内側に5mmのギャップを設けることで、コイルの巻数576Turn、磁場強度550G(min)-1000G(max)を実現した。これまで研究してきた実験装置では、プラズマチェンバーが金属製であったため、多くの生徒が同時にプラズマを観察することができなかったが、石英ガラスパイプにしたことで解消された。また、固定磁極からソレノイドコイルに変更したことで、磁場の変化に対するプラズマ状態の変化を測定することが可能となり、実験の深化が期待できる。今後の課題とすれば、コイルの電流密度が3.02A/㎟であることから、空冷では1時間でコイル温度が57.8℃となるため、コイルヨークに水管を設けるなどの改善が必要である。核融合などに代表される次世代エネルギーに携わる科学者や技術者の育成は急務であり、高等学校からのプラズマ実験や関連する基礎理論・技術の学習は不可欠と考えられることから、高等学校において利用可能な「科学教育用粒子加速器の研究」は意義のあるものと思われる。