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

阐明大型负离子源内负离子不均匀性的机理及其控制方法的开发

• 批准号: 13J02290
• 负责人: 柴田 崇統
• 金额: $ 0.53万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J02290/
• 关键词: イオン源; 非平衡プラズマ; 数値シミュレーション; EEDF; プローブ計測; 衝突輻射モデル; プラズマ分光計測; 核融合プラズマ加熱; 負イオン源; 一様性改善; 数値解析; 分光計測; Balmer発光線

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。

Nuclear fusion eset で は, プ ラ ズ マ heating の large current H - ビ ー ム を generated す る た め, lead き し area が number m2 で あ る large negative イ オ ン open source の 発 が into め ら れ て い る. し か し and device の に bigness い, lead き さ れ る H - current numerical の space of the others in the sexual が 顕 in turn す る こ と で, H - ビ ー ム の straight into sexual が lost わ れ, accelerating さ れ た H - の a が electrode に incident し て heat load を raw じ る こ と が problem と さ れ て い る. こ の reason を interpret し, H - not a others の system royal institution を proposal す る た め, this study で は, JAEA large negative イ オ ン source を like に seaborne, H - の particle affinity で あ る electronic お よ び water element atoms の, conveying モ デ ル を open 発 す る と と も に, ラ ン グ ミ ュ ア プ ロ ー ブ metering, バ ル マ ー line spectrometer measuring を be し, calculation, measurement If <s:1> compare を lines った. そ の results, large negative イ オ ン source で は, フ ィ ラ メ ン ト cathode near alongside で generated さ れ た high エ ネ ル ギ ー electronic の most が, negative イ オ ン source weeks 囲 の プ ラ ズ マ closed じ 込 め with カ ス プ magnet が に hunt for る magnetic field わ れ, magnetic 気 ド リ フ ト に よ っ て device end に conveying, accumulation さ れ る た め, electronic の エ ネ ル ギ ー distribution masato number (EEDF Youdaoplaceholder0 thermal equilibrium distribution ら escape する とを とを brightness ら に に た た. こ の non-equilibrium EEDF を, high-speed water element atoms の conveying process calculation, に applicable し た と こ ろ, calculation か ら must ら れ る water element atoms の バ ル マ ー line 発 light intensity distribution は spectrometer measuring に よ る results を オ ー ダ ー レ ベ ル で reappearance し た. Above よ り, negative イ オ ン の high-speed water element within the source atomic の が than the others in space distribution と な る た め に, H - generation が than others in と な る institutions を Ming ら か に し た. ま た, determination results directly compare に を よ り reappearance, explain し た the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は, negative イ オ ン source at the beginning of eset で の try み で あ る. こ れ よ り, イ オ ン source within の EEDF の non equilibrium composition (high-speed electronic の spatial distribution) を suppression す る こ と が, non a others の improve に important で あ る knowledge が must ら れ た. こ れ を improve す る magnetic field coordination (テ ン ト type magnetic 気 フ ィ ル タ ー) の proposal に よ り, large negative イ オ ン source within の H - に す seaborne る space of the others in sex の が improve さ れ た.

项目成果

高周波放電型水素負イオン源粒子シミュレーションにおけるクーロン衝突のモデリング

高频放电式氢负离子源粒子模拟库仑碰撞建模

• 发表时间: 2014
• 作者: 望月慎太郎;S.Mattei;柴田崇統;西田健治朗;畑山明聖;J.Lettry
• 通讯作者: J.Lettry

Kinetic modeling of particle dynamics in H^- negative ion sources

H^- 负离子源中粒子动力学的动力学建模

• 发表时间: 2013
• 作者: A. Hatayama;T. Shibata;S. Nishioka;M. Ohta;M. Yasumoto;K. Nishida;T. Yamamoto;K. Miyamoto;A. Fukano;and T. Mizuno
• 通讯作者: and T. Mizuno

Numerical and experimental study of atomic transport and Balmer line intensity in Linac4 negative ion source

Linac4负离子源中原子输运和巴尔默线强度的数值和实验研究

• 发表时间: 2014
• 作者: T.Shibata;S. Mattei;S. Mochizuki;J. Lettry and A. Hatayama
• 通讯作者: J. Lettry and A. Hatayama

高周波型負イオン源における点火・定常プラズマ中の非平衡性解析および分光計測

高频负离子源中点火和稳定等离子体的非平衡分析和光谱测量

• 发表时间: 2014
• 作者: 柴田崇統;マッテイ・ステファノ;山本尚史;畑山明聖;レトリー・ジャッケス
• 通讯作者: レトリー・ジャッケス

アーク放電型負イオン源内の負イオン表面生成分布解析

电弧放电式负离子源负离子表面产生分布分析

• 发表时间: 2013
• 作者: 柴田崇統;山本尚史;畑山明聖
• 通讯作者: 畑山明聖