電子エネルギー分布関数測定による負イオン生成過程の解明

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H19年度は、アーク放電下で電子温度と負イオン密度の関係を実験・解析から詳細に調べ、RF放電では、磁場と周波数の工夫により、低ガス圧で高電子温度・高密度プラズマ生成を図った。1.低仕事関数表面のプラズマ電極を持つアーク放電の負イオン源において、プローブによりプラズマパラメータを、負イオン引き出しにより負イオン電流密度を測定した。従来の負イオン体積生成が主な場合、電子温度が1eV以上で負イオン密度は急激に減少するが、負イオン表面生成が支配的な本負イオン源では、電子温度の上昇に伴い(測定範囲≦4eV)、負イオン電流密度が増加した。2.この結果は、レート方程式を解くことにより明らかになった、高速電子とガスとの衝突で生成される正イオン・原子が、低仕事関数表面で負イオンに変換される負イオン生成確率は、高速電子による負イオン消滅確率より大きく、結果的に、電子温度と共に負イオン密度は増加する、という物理機構を裏付けるものである。3.RF負イオン源において、縦磁場とカスプ磁場を印加した結果、無磁場に比べ、ガス圧が10分の1の0.5Paの低ガス圧運転が可能となり、更に、周波数を昨年度の2MHzから5MHzに変えた結果、高周波とプラズマのカップリングの改善し、パワー効率(プラズマ密度/RFパワー)が一桁以上増加した。4.今後、RF負イオン源で更に高電子温度下での負イオン生成について検討を行う。これらの結果は、高電子温度プラズマ下で高密度負イオンが生成される物理機構を明らかにし、電子加熱であるRF負イオン源の低ガス圧高密度化に指針を得たものであり、今後、核融合炉用中性粒子入射装置用の大電流RF負イオン源の開発に直接貢献できるものである。