2019 Fiscal Year Research-status Report
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
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19K03783
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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, 准教授 (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 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズマ / 重水素 / 負イオン源 / 数値シミュレーション / 核融合 / 加速器 / PIC法 / モンテカルロ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、実機の核融合用負イオン源や、次世代がん治療法であるホウ素中性子捕捉療法等で用いられる医療用加速器での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大規模並列計算の数値シミュレーションにより、以下の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。
１）電子電流が多く、加速部での放電破壊や電極熱負荷をもたらす怖れがある。
２）負イオンの引出しや電子抑制のための最適なバイアス電圧が高い。
３）Cs効果と呼ばれる、高い負イオン電流密度と電子電流の抑制の持続時間が短い。
これらの同位体効果は、実機負イオン源の運転に重大な支障をもたらす可能性があるため、その抑制は喫緊の課題である。本研究で得られた知見により、核融合や医療用加速器等における重水素負イオン源の実現に貢献する。
令和元年度～2年度では、慶応大は所蔵するKEIO-MARCコードで、重水素負イオン源のドライバー領域をモデリングし、プラズマ中の電子エネルギー分布関数、重水素原子の温度や空間・速度分布等を解析する。この結果を、PIC 法とモンテカルロ計算を結合した3次元PIC-MCCコードの上流側条件として用いる。鳴門教育大は所蔵するPIC-MCCコードで、引出領域をモデリングし、電位構造や負イオン引出界面、負イオン密度や電子密度の空間分布等について解析する。今年度はKEIO-MARCコードを用いて、重水素の方が軽水素よりも質量が大きいことから生じる、シースポテンシャルの増加による低速電子の閉じ込め増加やクーロン衝突の衝突断面積の違いによる電子密度の増加について検討した。その結果、重水素によるシースの変化およびクーロン衝突断面積の違いでは、電子電流の大幅な増加を説明できないことが分かった。また重水素に関する中性粒子等との衝突反応断面積データを収集し、数値計算コードへの適用を進めた。
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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
KEIO-MARCコードで重水素負イオン源のドライバー領域をモデリングし、プラズマ中の電子エネルギー分布関数等の解析を行った。今年度は、ドライバー領域での重水素によるシースの変化およびクーロン衝突断面積の違いでは、電子電流の大幅な増加を説明できない、という新しい知見が得られた。その際に、核融合科学研究所の実験研究者と協力し、電子・負イオン密度等の実験データと比較をしながら、計算結果の解析や検証を進めており、おおむね当初の計画通りに研究が進展した。また、また重水素に関する中性粒子等との衝突反応断面積データの収集や数値計算コードへの適用についても、おおむね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き、慶応大はKEIO-MARCコードで、重水素負イオン源のドライバー領域をモデリングし、プラズマ中の電子エネルギー分布関数、重水素原子の温度や空間・速度分布等の解析を進める。
また、鳴門教育大はPIC-MCCコードで、引出領域をモデリングし、電位構造や負イオン引出界面、負イオン密度や電子密度の空間分布等について解析する。水素放電プラズマに比べて、重水素放電プラズマでは引き出される電子電流が多い物理メカニズムについて検討を進める。その際に、KEIO-MARCコードの計算結果を上流条件として活用する。引出し領域におけるモデリングと物理機構の解析にあたって、特に以下の２点を踏まえて検討を行う。
・バイアス電圧を３次元PIC-MCCコードに考慮する。その際、アークチャンバーの電子の損失面積／PGでの電子の損失面積の比が、現実の負イオン源での面積比に一致するようにモデル化する。PG近傍の負イオン／電子密度比、負イオン引出界面形状、電子・負イオンの輸送・引出過程のバイアス依存性を調べる。水素の場合と比較・検討を行い、電子電流が多い、最適なバイアス電圧が高い等、水素プラズマとは異なる様々な物理特性の原因の解明を図る。
・表面生成された負イオンの温度は負イオンの輸送・引出過程に影響する。この負イオン温度は、負イオンへの変換前の重水素原子温度に依存する。したがって負イオン温度については、KEIO-MARCコードで得られた重水素原子の温度や速度分布の計算結果を用いる。
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| Causes of Carryover |
今年度は、（１）研究代表者の目の手術と術後の通院のために、９月に開催された国際学会や国内の研究会に参加できなかったことや（２）新型コロナの感染拡大に伴い、研究分担者との研究打合せの出張が中止になった、との理由により旅費を十分に使用できず、次年度使用額が生じた。
おおむね当初、計画した通りに研究が進展しており、国際学会や国内学会において研究成果を発表する際の旅費として、使用する予定である。
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Research Products
(6 results)
