Study of ion-ion plasma and plasma meniscus formation in the hydrogen negative ion source

現在、水素負イオン源は核融合プラズマ加熱装置、高エネルギー物理学用加速器、医療用加速器などで幅広く利用されている。この応用における共通の開発課題として、引き出し負イオンビームの電流密度および収束性の向上が挙げられる。近年、電流密度向上を目指し、イオン源ビーム引き出し孔近傍（引き出し領域）で水素負イオンを生成し、ビームとして引き出す、いわゆる表面生成型水素負イオン源の開発が進められてきた。このような水素負イオン源では、引き出し領域において水素正イオンと水素負イオンからなるイオン性プラズマ層 Ion-ion Plasma Layer: IPL が観測されている。しかしながら、IPLの形成機構は未解明である。また、IPLから引き出される水素負イオンビームの収束性は、IPLからの負イオン引き出し過程に大きく依存する。したがって、IPL形成機構の解明とIPLからの負イオン引き出し過程の解明は、負イオンビーム収束性の向上に対して必須の課題である。以上の背景を踏まえ、本研究では水素負イオン源引き出し領域を対象とした数値計算モデルを構築し、IPL形成機構の解明と、IPLからの負イオン引き出し過程の解明を目的とする。今年度は、水素負イオンの引き出し過程とそのビーム収束性に対する影響を研究対象とした。実験では、イオン源内部から引き出される水素負イオンがビーム主成分を担うことが示されている。本研究では、表面生成水素負イオンと水素正イオン間のクーロン衝突を考慮することで、イオン源内部からの負イオン引き出しを再現することに成功した。さらに、内部から引き出された負イオンは、過収束することなく高い収束性を持つことが示され、実験におけるビーム収束性を定量的に比較することが可能となった。そのため、ビーム収束性向上にむけた負イオン源設計に応用可能な、実験再現性を有する数値計算モデルの開発に貢献した。

現在、水素負イオン源は核融合プラズマ加熱装置、高エネルギー物理学用加速器、医療用加速器などで幅広く利用されている。この応用における共通の開発課題として、引き出し負イオンビームの電流密度および収束性の向上が挙げられる。近年、電流密度向上を目指し、イオン源ビーム引き出し孔近傍（引き出し領域）で水素負イオンを生成し、ビームとして引き出す、いわゆる表面生成型水素負イオン源の開発が進められてきた。このような水素負イオン源では、引き出し領域において水素正イオンと水素負イオンからなるイオン性プラズマ層 Ion-ion Plasma Layer: IPL が観測されている。しかしながら、IPLの形成機構は未解明である。また、IPLから引き出される水素負イオンビームの収束性は、IPLからの負イオン引き出し過程に大きく依存する。したがって、IPL形成機構の解明とIPLからの負イオン引き出し過程の解明は、負イオンビーム収束性の向上に対して必須の課題である。以上の背景を踏まえ、本研究では水素負イオン源引き出し領域を対象とした数値計算モデルを構築し、IPL形成機構の解明と、IPLからの負イオン引き出し過程の解明を目的とする。今年度は、水素負イオンの引き出し過程とそのビーム収束性に対する影響を研究対象とした。実験では、イオン源内部から引き出される水素負イオンがビーム主成分を担うことが示されている。本研究では、表面生成水素負イオンと水素正イオン間のクーロン衝突を考慮することで、イオン源内部からの負イオン引き出しを再現することに成功した。さらに、内部から引き出された負イオンは、過収束することなく高い収束性を持つことが示され、実験におけるビーム収束性を定量的に比較することが可能となった。そのため、ビーム収束性向上にむけた負イオン源設計に応用可能な、実験再現性を有する数値計算モデルの開発に貢献した。