2018 Fiscal Year Research-status Report
セシウム薄膜を用いない水素負イオン直接生成法の確立
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18K13526
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
吉田 雅史 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (80638825)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 核融合 / 負イオン中性粒子入射装置 / プラズマ / セシウムフリー / 負イオン生成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者らの研究グループにて見出したセシウム薄膜を用いずに負イオンを直接生成する新たな手法を負イオンビーム生成法として導入するために、水素正イオンの入射/引出条件、負イオン生成する金属の材料とその形状を含めた本生成法の水素負イオン化の物理機構を解明すると共に、負イオン生成効率の向上した収束性の良い負イオンビームの生成条件を探索している。
初年度は、負イオン定量計測のために、荷電粒子のラーマ半径の違いを応用した電子除去用の偏向磁場を用いた負イオン－電子分離計測機器を製作した。荷電粒子の計測部となるコレクターを平板化・大型化することで、定量評価性能を向上させた。また、大型平板コレクターでも偏向磁場によって、負イオンを同負電荷である電子との分離に成功した。そこで、負イオンを直接生成するプラズマ電極(PG)の材質として、アルミニウムを用いた定量評価を実施した。負イオンは直流アーク放電で生成される正イオンをアルミニウム製PG孔内へ照射することによって生成されて、下流側へ静電的に引出される。その結果、負イオンは装置導入直後の正イオン照射下ではすぐに生成されないが、引き続き10時間以上の正イオン照射処理によって生成し始めることが分かった。このプラズマ照射後のPGは、大気開放した後で引き続き装置に導入する際に、追加のプラズマ照射処理なしで負イオン生成が可能であることも分かった。また、現状のプラズマ密度で生成される負イオン電流密度はおよそ0.1 mA/cm2であることが分かった。
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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
本研究は、セシウム薄膜を用いないで水素負イオンを直接生成するための基礎過程を解明して、負イオンビームへの応用適応性を検討することである。本年度では、負イオンビームの定量評価のための計測器を製作して、その性能を評価するとともに、負イオン生成するプラズマ電極の金属材料としてアルミニウムを用いた場合の負イオン生成基礎特性を評価した。負イオン/電子分離計測法の確立は本研究の根幹となるため、初年度にてその基礎が確立できたことは今後の研究を大きく伸展させることができると言える。また、材料依存性の足がかりとして、アルミニウム製プラズマ電極での負イオン生成実験を開始して、その定量評価したのは世界初である。その成果の中で、アルミニウムの場合に負イオン生成前後で正イオン照射が必要であることが明らかになった。これはプラズマ電極の金属材質として必ずしも純金属である必要がないことを示唆しており、従来のセシウムを用いた負イオン生成法の経験とは異なる。この知見は今後進める負イオン生成に対する金属材料依存性評価における材料選定方法に加えて、負イオン生成前処理法の確立といった新たな視点で本負イオン生成法を明らかにするきっかけになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の方策として、さらなる負イオンビーム電流量の定量測定方法の確立および、その計測法を用いた材質依存性について進める。本年度製作した計測器において、計測に用いた平板コレクターは想定されるビーム径に対して十分な尤度を有していない。そのため、コレクターで捕集できなかったビーム成分だけ負イオンビーム電流量を過小評価している可能性が高い。そこで本年度は、計測用の平板コレクター近傍の構造を改良する。また、ビームプロファイルを計測するための計測器も今年度立ち上げる。この計測法では、引出された負イオンビームを直径1mm程度に絞って空間分布を計測するため、絞り込む前の負イオンビームについては十分な電流密度が必要である。本年度の成果によって、ビームプロファイル計測できる見通しを得ることができたため、本研究で用いる負イオン生成法のビームプロファイルを世界で初めて計測する。なお、負イオンの引出しおよび電子除去のために時に負イオンビームは静電磁場環境内を通過する。印加電場条件次第では、負イオンビームはビーム中心軸に対して偏向される可能性が高い。そこで、このビーム偏向条件を見出し、さらに偏向方向を明確にする。その結果を前述した定量評価用計測器に応用して、電子との分離計測性能は劣化させずに、かつビームの損失量を低減することでより精度よく負イオンビーム電流量を評価できるようにする。また、本年度の成果によって負イオン電流密度やその引出し条件をある程度見通すことができたため、この条件を基にビーム軌道計算を導入する。その結果と実験結果を比較することで、負イオンがプラズマ電極孔内のどこから生成されたのかの知見も得られるようにする。
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| Causes of Carryover |
本年度研究を遂行するに当たり、購入物品を予算申請時よりも安価に購入したために次年度使用額が生じた。次年度では使用額も含めて計測機器製作費や負イオン生成のための金属材料購入費に充てる予定である。
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