2019 Fiscal Year Annual Research Report
Modeling of meniscus formed in negative-ion-rich plasmas and its application to negative ion beam acceleration
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17K14903
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
木崎 雅志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70598945)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ビーム引出界面 / 負イオン源 / NBI |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、プラズマ加熱用水素負イオン源から引き出された負イオンビームの収束性能を決定する主要因である、負イオン引出界面の構造を決定する物理モデルを構築することを目的として平成29年度から令和元年度にかけて実施された。平成29年度と平成30年度においては、プラズマ放電容器と加速電極の間に印加する電圧（バイアス電圧）と負イオンビーム光学の関係の調査、及びビーム引出界面の形状を決定するプラズマパラータの同定を行った。その結果、バイアス電圧が放電電力や運転ガスの導入量と同じように負イオンビーム光学を制御する、新たな制御ノブとして機能することを初めて明らかにした。さらに、この成果に基づいて、バイアス電圧を変化させたときに負イオンビームと負イオン源プラズマを同時に計測することで、負イオン密度が負イオンビーム引出界面の形状を決定するプラズマパラメータであることを明らかにした。
令和元年度はこれらの成果をさらに発展させる形でビーム引出界面上の負イオン分布を評価した。加速器を出た負イオンビームの位相空間構造を計測し、この結果を計算の入力パラメータとして用いて負イオンビーム軌道を加速器出口から加速器入り口に向けて逆計算した。この時、予め計算した順方向のビーム軌道計算結果の電位分布を用いた。この結果、位相空間構造に含まれていた３つのビーム成分がそれぞれビーム引出界面近傍の別々の場所から引き出されていることが明らかになった。従来、負イオン源加速器の設計に用いられているビーム軌道シミュレーションでは、ビーム引出界面から負イオンが一様に引き出されるという物理モデルを採用しているが、本研究成果はこの物理モデルとはまったく異なる新たな視点を与えるものである。
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