Control of negative ion beam focusing and identification of origins of multiple velocity distribution components within a negative ion beam
| Project/Area Number |
22K14023
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
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| Research Institution | Nagoya Keizai University (2023)
Nihon University (2022) |
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Principal Investigator |
波場 泰昭 名古屋経済大学, 経営学部, 准教授 (60908789)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 負イオンビーム / ビーム集束性 / 位相空間構造 / 速度分布関数 / 核融合発電 / 負イオン源 / ビーム / 位相空間 / 速度分布 / 集束性 / 核融合 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題では，負イオンビームの速度分布関数と負イオン源の引出領域における負イオンの生成・輸送過程との関係を明らかにし，その知見をもとに負イオンビームの集束性を極限まで高める．本研究代表者は，負イオン源から引き出されたビームには複数の速度分布成分が内在しており，これがビームの集束性を制限していることを既に明らかにした．そこで，各速度分布成分の起源を明らかにすることで，負イオン源が固有に持つ最適なビーム引出条件を提示する手法を確立する．このような，プラズマからの粒子引き出しの理解と制御は普遍的な要請で，プラズマプロセスで重要となる表面反応の均一性向上等，幅広い応用分野への波及効果が期待できる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
将来の核融合発電実用化に向けて、セシウム添加型水素負イオン源から引き出された水素負イオンビームの集束性を改善させることが喫緊の課題となっている。本研究では、核融合科学研究所の研究開発用負イオン源（NIFS-RNIS）から引き出された負イオンビームの径方向速度分布関数および径方向位相空間構造を実験的に評価することで、負イオンビーム特有の集束性に関する新たな知見を見出した。2022年度は、径方向速度分布関数の全貌を実験的に明らかにすることに、世界に先駆けて成功した。この結果をまとめた論文は、科学誌AIP Advancesに投稿され、Featured Articleに選出された。2023年度は、ビーム計測により実験的に取得された離散的な位相空間構造に対して、三つの異なる楕円形状分布の重ね合わせとして再構成が可能であることを実証した。各成分はビームハロー成分ではなく、高い集束性を有するビームコア成分である。しかしながら、各成分は、位相空間上で特徴的な配置と含有率を示す。ビーム引出孔中心の近傍に位置する速度分布成分は、集束性が最も高く、含有率が20%程度に留まる。当該成分を取り囲むように、二つの速度分布成分が位置する。特筆すべきことに、二成分は集束性と含有率（各々40%程度）に関して、極めて高い類似性を有する。この知見は、本研究課題の遂行により、初めて見出されたものである。本研究で用いたセシウム添加型直流アーク放電方式水素負イオン源とITERで採用されているセシウム添加型高周波放電方式水素負イオン源とを比較した場合、後者のビーム集束性は3倍程度低いことが先行研究で報告されている。本研究で提示したビーム径方向速度分布関数と径方向位相空間構造の評価手法を用いて、双方のビーム集束性を比較することは、セシウム添加型水素負イオン源から引き出されたビーム集束性に関する重要な研究課題の一つとなる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題に関して、査読付き学術論文の主著として、これまでに二篇を出版した。いずれも独自に数理モデリングとデータ評価手法を提示したものであり、本研究は三年間の実施計画に基づきおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
セシウム添加型水素負イオン源から1MeV級のビームを引き出した場合、100keV級のビームに対して集束性が改善されると楽観視されている。しかしながら、本研究課題でこれまでに見出した知見は、セシウム添加による表面生成を起源とする負イオンのビーム集束性がプラズマ電極の幾何構造や多段加速電極の静電レンズ効果に対して極めて敏感であることを示唆している。今後、セシウム添加型水素負イオンビームの集束性評価を行うために、単一速度分布成分を仮定したビーム発散角を用いることに対する限界を指摘する。
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Report
(2 results)
Research Products
(9 results)
