重水素負イオン源における同位体効果の物理メカニズムの理論的解明
| Project/Area Number |
19K03783
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
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| Research Institution | Naruto University of Education |
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Principal Investigator |
宮本 賢治 鳴門教育大学, 大学院学校教育研究科, 教授 (00532996)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
畑山 明聖 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 名誉教授 (10245607)
星野 一生 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50513222)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | プラズマ / 核融合 / 加速器 / 重水素 / 負イオン源 / 数値シミュレーション / PIC法 / モンテカルロ法 / 負イオン / 同位体効果 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は重水素負イオン源について、運動論的粒子モデルに基づく数値計算シミュレーションにより、負イオン源のドライバー領域から引出・加速部までを総括的にモデリングし、「研究の目的」に挙げた同位体効果と呼ばれる水素の場合と異なる物理特性のメカニズムを解明することが目的である。そして得られた知見により、核融合や医療用加速器等において、研究開発が進められている重水素負イオン源の実現に貢献する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、実機核融合用負イオン源や医療用加速器での重水素負イオン源について同位体効果と呼ばれる、水素放電プラズマの場合と異なる物理特性のメカニズムの解明を図る。特に負イオンと同時に引き出される電子電流の増加については、プラズマ生成領域のプラズマ密度増加が原因である事が実験的に示唆された。しかし、なぜ重水素化することでプラズマ生成領域においてプラズマ密度が増加するのかは分かっていない。そこで本研究では電子輸送解析用の大規模な数値シミュレーション（KEIO-MARCコード）と、その支援として水素と重水素の原子・分子衝突過程を考慮した0次元モデルによる解析の両方で研究を進めてきた。
2022年度は電子輸送解析コードKEIO-MARCを水素イオン解析へ拡張し、水素プラズマ輸送に対する同位体効果の解析に先立ち、実形状・実磁場配位のもとで電子および陽子の輸送過程と装置内壁への損失過程について数値解析を行った。その結果、水素イオンの多くはカスプ領域で損失しており、初期運動エネルギーが10 eV以下では電子と同程度の割合であることが明らかになった。また高エネルギー（20~70 eV）になると、ラーマー半径が大きくなり旋回途中で壁に衝突する割合が増えて、カスプ領域外での損失が増加することが分かった。
さらに装置内壁で損失した粒子の分布の半値幅からカスプ損失幅を求めた。プラズマ領域の温度から算出したラーマー直径よりもカスプ損失幅が大きくなることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
水素イオンの輸送・損失過程について新たな知見が得られたが、重水素プラズマでのモデリングや輸送過程、装置内壁への損失過程の解析には至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
三次元電子輸送コードであるKIEO-MARCの水素プラズマを重水素プラズマに変更し、更に他の素過程、各反応によるエネルギー損失や閾値エネルギー、輸送損失、ガス導入量等の同位体間の相違を取り入れ、実験結果との比較を行う。また、KEIO-MARCコードと反応速度方程式をベースとしたゼロ次元モデルの計算結果を相互参照しながら、互いのコードに結果を取り入れて、重水素運転における密度上昇の原因を探る。
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Report
(4 results)
Research Products
(27 results)
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[Presentation] Study of negative ion beam emittance characteristic using 3D PIC-MCC simulation2021
Author(s)
K. Miyamoto, K. Nagaoka, K. Tsumori, A. Hatayama, K. Hoshino, K. Hayashi, M. Kisaki, H. Nakano, K. Ikeda, Y. Fujiwara, and M. Osakabe
Organizer
The 19th International Conference on Ion Sources
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[Presentation] Effect of RF electric field on beam focusing in negative ion source plasma2021
Author(s)
T. Hamajima, R. Nakamoto, Y.Haba, K. Tsumori, M.Osakabe, H.Nakano, K.Ikeda, S.Yoshimura, K.Miyamoto, K.Takahashi, S.Masaki, E.Rattanawongnara, K.Nagaoka
Organizer
The 30th International Toki Conference
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[Presentation] Effect of RF electric field on beam focusing in negative ion source plasma2021
Author(s)
Ryoya Nakamoto, Katsuyosi Tsumori, Masaki Osakabe, Haruhisa Nakano, Katsunori Ikeda, Shinji Yoshimura, Masasi Kisaki, Kenji Miyamoto, Kazunori Takahashi, Shingo Masaki, Rattanawongnara Engrhyt, Kenichi Nagaoka
Organizer
The 19th International Conference on Ion Sources
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[Presentation] Different characteristics of plasma meniscus formation between positive and negative beam extractions2020
Author(s)
K. Nagaoka, Y. Haba, M. Kisaki, K. Takahashi, A. Ando, J. Slief, R. Nakamoto, H. Nakano, K. Tsumori, K. Ikeda, K. Miyamoto, Y. Fujiwara, S. Masaki, E. Rattanawongnara, M. Osakabe
Organizer
The 7th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
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