大型負イオン源内の負イオン非一様性発現機構の解明とその制御手法の開発

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核融合分野では、プラズマ加熱用の大電流H-ビームを生成するため、引き出し面積が数m2である大型負イオン源の開発が進められている。しかし、装置の大型化に伴い、引き出されるH-電流値の空間的非一様性が顕在化することで、H-ビームの直進性が失われ、加速されたH-の一部が電極に入射して熱負荷を生じることが問題とされている。この原因を解明し、H-非一様性の制御機構を提案するため、本研究では、JAEA大型負イオン源を対象に、H-の親粒子である電子および水素原子の生成・輸送モデルを開発するとともに、ラングミュアプローブ計測・バルマー線分光計測を実施し、計算・測定結果の比較を行った。その結果、大型負イオン源では、フィラメント陰極近傍で生成された高エネルギー電子の大部分が、負イオン源周囲のプラズマ閉じ込め用カスプ磁石が作る磁場に捕われ、磁気ドリフトによって装置端部に輸送・蓄積されるため、電子のエネルギー分布関数（EEDF）は熱平衡分布から逸脱することを明らかにした。この非平衡EEDFを高速水素原子の生成・輸送過程計算に適用したところ、計算から得られる水素原子のバルマー線発光強度分布は分光計測による結果をオーダーレベルで再現した。以上より、負イオン源内の高速水素原子の空間分布が非一様となるために、H-生成量が非一様となる機構を明らかにした。また、測定結果を直接比較により再現・説明した数値シミュレーションは、負イオン源分野で初の試みである。これより、イオン源内のEEDFの非平衡成分（高速電子の空間分布）を制御することが、非一様性の改善に重要である知見が得られた。これを改善する磁場配位（テント型磁気フィルター）の提案により、大型負イオン源内のH-に対する空間的非一様性の問題が改善された。