アルファ粒子計測用集束性ヘリウム水素正イオンビーム源の開発

核融合プラントにおいて生成されるアルファ粒子の空間分布を計測するために、中性ヘリウム(He0)粒子をプラズマ中に入射するシステムが候補の一つとして考えられている。入射されたHe0粒子はアルファ粒子と荷電交換反応を行い、アルファ粒子は高エネルギーのHe0に変換され、エネルギーアナライザーにより計測される。He0ビームを生成する方法の一つとして次の方法が考えられている。最初に水素とヘリウムの混合ガスによるプラズマを生成し25keV程度で引き出す。引き出された全ビームからヘリウム水素正イオン(HeH+)成分のみを磁場で分離し、1MeV以上に加速する。その後、中性化セルでHe0に変換しプラズマ中に入射する。この手法が実現されれば、より簡便な計測システムを構築することが可能となるが、どの程度の電流密度が引き出されるのか等がわかっていなかった。そこで、中性粒子ビーム入射装置を用いて次の研究を行った(中性化セルへのガスパフは行わない)。加速電極への印加電圧300V、減速電極への印加電圧-4.5kVに対し、イオン源のアーク電圧、フィラメント電圧などの最適化、及び混合ガスの全圧に対するヘリウムガスの圧力比をスキャンすることで、どのような条件においてHeH+が増加するのかをエネルギー分解型質量分析器を用いて計測した。その結果、ヘリウムの割合が約75%以上の領域においてHeH+がより多く生成されることが見出された。その際の水素イオン、ヘリウムイオン成分の質量分析器によるカウント数と比較したところ、全ビームの約15%程度がHeH+成分である可能性が見積もられた。また、25kVでのHeH+ビーム加速実験結果から、全電流の15%がHeH+成分であると仮定すると約13mA/cm2以上の電流密度が得られていると見積もられ、要求されるprimary beamの電流密度値よりも大きいことが見出された。

核融合プラントにおいて生成されるアルファ粒子の空間分布を計測するために、中性ヘリウム(He0)粒子をプラズマ中に入射するシステムが候補の一つとして考えられている。入射されたHe0粒子はアルファ粒子と荷電交換反応を行い、アルファ粒子は高エネルギーのHe0に変換され、エネルギーアナライザーにより計測される。He0ビームを生成する方法の一つとして次の方法が考えられている。最初に水素とヘリウムの混合ガスによるプラズマを生成し25keV程度で引き出す。引き出された全ビームからヘリウム水素正イオン(HeH+)成分のみを磁場で分離し、1MeV以上に加速する。その後、中性化セルでHe0に変換しプラズマ中に入射する。この手法が実現されれば、より簡便な計測システムを構築することが可能となるが、どの程度の電流密度が引き出されるのか等がわかっていなかった。そこで、中性粒子ビーム入射装置を用いて次の研究を行った(中性化セルへのガスパフは行わない)。加速電極への印加電圧300V、減速電極への印加電圧-4.5kVに対し、イオン源のアーク電圧、フィラメント電圧などの最適化、及び混合ガスの全圧に対するヘリウムガスの圧力比をスキャンすることで、どのような条件においてHeH+が増加するのかをエネルギー分解型質量分析器を用いて計測した。その結果、ヘリウムの割合が約75%以上の領域においてHeH+がより多く生成されることが見出された。その際の水素イオン、ヘリウムイオン成分の質量分析器によるカウント数と比較したところ、全ビームの約15%程度がHeH+成分である可能性が見積もられた。また、25kVでのHeH+ビーム加速実験結果から、全電流の15%がHeH+成分であると仮定すると約13mA/cm2以上の電流密度が得られていると見積もられ、要求されるprimary beamの電流密度値よりも大きいことが見出された。