2019 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ多孔性エレクトライドを用いたCsフリー高ビーム電流密度水素負イオン源の実現
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19H01883
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
中野 治久 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (90442524)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笹尾 真実子 同志社大学, 研究開発推進機構, 研究員 (00144171)
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) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 負イオン源 / C12A7エレクトライド / 表面生成 / 中性粒子ビーム入射装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アルカリ金属並みの低仕事関数を持つC12A7エレクトライド表面において水素正イオンおよび水素原子（親粒子）に電子が付着して水素負イオンが生成される。しかし、C12A7エレクトライド表面に不純物があると仕事関数が低下して負イオン生成量が減少する。2019年度はこの不十分物を除去するPre-annealing手法の検討を行った。C12A7エレクトライドを高真空下で一度加熱すると室温まで冷却しても仕事関数が3 eV以下を保持することが分かった。また、C12A7エレクトライドを大気に曝した後、再度真空状態にしても3 eV以下を保持していることが分かった。
C12A7エレクトライド表面で生成・放出された水素負イオンのエネルギー分布関数に低エネルギーのピークが現れる原因について検討を行った。考えられる水素負イオン生成過程の内、C12A7エレクトライド表面に入射した親粒子が負イオンなりつつ後方散乱する過程のみをモデル化して数値計算を行ったところ、実験と同様に低エネルギーのピークが現れた。この結果からこの後方散乱過程が主たる表面生成過程である可能性あることが示唆された。
表面生成型水素負イオン源において、水素負イオン生成面となるプラズマ電極としてのC12A7エレクトライド基礎特性を調査するために小型ECR水素負イオン源を製作した。初期結果として、放電電力約30 Wにおいて、参照物質であるアルミニウムやモリブデンと比べてC12A7エレクトライドでは10倍程度の水素負イオンビーム電流が得られることが分かった。
次年度以降に行うkW級誘導結合放電を用いた水素負イオン源での実験のために高周波電源を独自開発し、約4 kWの高周波出力が得られた。
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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
C12A7エレクトライド表面の仕事関数に関して、仕事関数を低下させるPre-annealing手法の検討および実用環境における仕事関数の変化の調査が当初計画通り進んでいる。
当初計画になかったが、新たな研究協力者によりC12A7エレクトライド表面での負イオン生成過程の数値計算モデルを構築して数値結果と実験結果と比較することができ、当初計画よりも詳細な研究が行われた。
小型ECR負イオン源の製作をし、C12A7エレクトライドが負イオンビーム生成に有効にはたらくことを確認するなど、プラズマ電極としてのC12A7エレクトライドの物理特性評価に関して当初計画していた通りに進んでいる。
当初計画していた実験装置規模に対してイオン源プラズマ生成に必要な高周波電力が大きいことが分かり、当初計画規模の実験装置に対応する高周波電源の購入が困難となった。そこで、高周波電源の費用削減のために高周波電源を独自に開発することで当初計画規模の実験ができる見通しを立てた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度のC12A7エレクトライド表面の仕事関数に関する結果を踏まえて、Pre-annealing手法の検討を更に進め、基礎実験で得られている仕事関数2.4 eVに近い値を、水素負イオン源に必要なC12A7エレクトライド大きさで実現する手法を探求する。この手法により得られたより低仕事関数となったC12A7エレクトライドを用いて、水素負イオン生成量および水素負イオン生成過程に関する実験的な基礎研究を行う。合わせて、C12A7エレクトライド表面での水素負イオン生成過程について2019年度に行った後方散乱以外の過程のモデル化を検討する。
小型ECR水素負イオン源において、イオン源運転パラメータ（ガス圧、バイアス電圧、引出電圧、加速電圧など）を変化させ、イオン源プラズマパラメータと水素負イオンビーム特性の物理的関係性を明らかにし、C12A7エレクトライドがどのようなイオン源プラズマパラメータでプラズマ電極として最も有効に機能するか、また、その理由について明らかにする。
kW級誘導結合放電を用いた水素負イオン源を設計・製作する。この水素負イオン源のプラズマ電極としてC12A7エレクトライドを用いて、イオン源プラズマパラメータおよび水素負イオンビーム特性を調べる。プラズマ電極として参照となる金属（アルミニウムなど）でも実験を行い、C12A7エレクトライドを用いた場合の比較を行う。この水素負イオン源と数10W級の小型負イオン源では電離度および水素分子の解離度が大きく異なると考えられるため、両イオン源での比較を行い、放電方法や装置サイズ、電離度、解離度などとC12A7エレクトライドを用いた負イオン源性能の関係を明らかにする。
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[Presentation] First Deuterium Experiment on NIFS-RNIS2019
Author(s)
H. Nakano、M. Kisaki、K. Ikeda、K. Tsumori、K. Nagaoka、Y. Haba、S. Masaki、Y. Fujiwara、S. Kamio and M. Osakabe
Organizer
The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases and the 10th International Conference on Reactive Plasmas
Int'l Joint Research
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