高密度イオン性プラズマからの負イオン引出機構の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25249134
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 竹入 康彦 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 所長 (60179603)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: イオン性プラズマ / 負イオン源 / 磁場閉じ込め核融合 / 中性粒子入射加熱装置

Outline of Annual Research Achievements

核融合プラズマの加熱に必須の中性粒子入射（NBI）加熱装置では、大電流の負イオンビームを必要とするため、大型負イオン源において高密度負イオン生成に関する研究が世界的に進展している。高性能負イオン源で重要となる正イオンと負イオンのみからなるイオン性プラズマ中の電位分布形成、粒子の輸送過程、プラズマ界面の構造などを解明するために、本研究では、計測器の整備を進め、イオン性プラズマ中の電位構造形成と粒子ダイナミクスの理解を目指して実験研究を進めている。
平成26年度には、光脱離法による局所負イオン密度計測、ミリ波干渉計による電子密度高精度計測、表面波プローブによる局所電子密度計測を整備した。これにより、プラズマから負イオンビームを引き出す時のイオン性プラズマ挙動が詳細に計測できるようになり、外部から印加された電界が遮蔽されることなく、プラズマ領域に深く入り込むことが示された。通常の正イオンと電子からなるプラズマでは電子による電界遮蔽効果により、電界侵入が起こらないため、イオン性プラズマ特有の性質の一つを実験的に検証することに成功した。ビーム引き出し領域では、複雑な３次元電解構造が形成されていることも実験的に示され、粒子挙動に大きく関与していることを指摘した。連携グループが行なっているモデル計算とも定性的な一致を示し、イオン性プラズマの新たな物性が明らかになりつつある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

正イオンと負イオンのみからなるイオン性プラズマ中の電位分布形成、粒子の輸送過程、プラズマ界面の構造などを解明することが本研究の目的であるが、ここまでに、計測器の整備を進め、負イオン、電子、正イオンに対して、温度・密度などの計測が整備され、外部からの電界に対するプラズマ応答の大まかなダイナミクスが把握できるようになってきた。
電子がほとんど存在しないイオン性プラズマの挙動に関してこのような全体像を調べる研究はこれまでほとんど行われておらず、世界的にも注目を集めている。その証拠に2015年8月に開催されるイオン源に関する国際会議では、本研究の内容が招待講演に採択されている。
最終年度となる平成27年には、粒子の流れ場を含めたダイナミクスを明らかにする見通しを得ており、期間内に本研究課題の目標をほぼ達成できる見込みである。

Strategy for Future Research Activity

平成25年、26年の研究では、大型負イオン源内のイオン性プラズマの計測系整備を中心として進展してきた。平成27年度は、プローブ計測とこれまでに開発した計測器を駆使して、負イオンの流れ場計測を実施する。世界的に見ても新しい計測であるが、これまでのテスト実験で原理検証に成功しており、負イオン流れ場の計測に見通しを得ている。これにより、外部電界への応答だけでなく、定常状態の負イオンのダイナミクスが明らかになると期待されている。
実験によって得られた結果と連携グループが行なっているモデル計算の比較を通じて、負イオン生成から負イオンビーム形成までのイオン性プラズマの粒子ダイナミクスの全体像の解明を目指す。
本研究を総括するために、関連する研究者を集めた検討会を開催し、本研究の成果から大電流負イオンビーム生成の高効率化と安定性向上に対する指針を検討し、今後の展開も含めて本研究をまとめる作業を行なう。大電流負イオンビーム生成の実用化に大きな貢献が出来ると考えている。
本研究を中心とした負イオン挙動の研究は、大電流負イオン生成の基礎研究として、今後の磁場閉じ込め核融合研究を支える基盤技術の確立と高効率化にとって大変貴重なデータを提供できるものである。

Research Products

• [Journal Article] Research progress on ionic plasmas generated in an intense hydrogen negative ion source (2015)
  • Author(s): Y. Takeiri, K. Tsumori, K. Ikeda, H. Nakano, M. Kisaki, K. Nagaoka, T. Tokuzawa, S. Geng, M. Osakabe, O. Kaneko, T. Kondo, M. Sato, M. Shibuya, S. Komada and H. Sekiguchi,
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1655 Pages: 060004/1-8
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4916473
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Evaluation of Negative Ion Distribution Changes by Image Processing Diagnostic (2015)
  • Author(s): K. Ikeda, H. Nakano, K. Tsumori, M. Kisaki, S. Geng, K. Nagaoka, Y. Takeiri, O. Kaneko
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1655 Pages: 060005/1-8
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4916447
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Laser photodetachment diagnostics of a 1/3-size negative hydrogen ion source for NBI (2015)
  • Author(s): S. Geng, K. Tsumori, H. Nakano, M. Kisaki, K. Ikeda, Y. Takeiri, M. Osakabe, K. Nagaoka, and O. Kaneko
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1655 Pages: 040014/1-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4916456
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Multi-beamlet analysis of the MITICA accelerator (2015)
  • Author(s): N. Fonnesu, P. Agostinetti, G. Serianni, M. Kisaki and P. Veltri
  • Journal Title: AIP conference proceedings Volume: 1655 Pages: 05008/1-8
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4916465
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spatial distributions of charged particles and plasma potential before and during beam extraction in a negative hydrogen ion source for NBI (2015)
  • Author(s): Shaofei GENG, Katsuyoshi TSUMORI, Haruhisa NAKANO, Masashi KISAKI, Yasuhiko TAKEIRI, Masaki OSAKABE, Katsunori IKEDA, Ken-ichi NAGAOKA, Osamu KANEKO, Masayuki SHIBUYA and NIFS NBI Group
  • Journal Title: Plasma Fusion and Research Volume: 10 Pages: 3405016/1-4
  • DOI: 10.1585/pfr.10.3405016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design, installation, commissioning and operation of a beamlet monitor in the negative ion beam test stand at NIFS (2015)
  • Author(s): V. Antoni, P. Agostinetti, M. Brombin, V. Cervaro, R. Delogu, M. De. Muri, D. Fasolo, L. Franchin, R. Ghiraldelli, K. Ikeda, M. Kisaki, F. Molon, A. Muraro, H. Nakano, R. Pasqualotto, G. Serianni, Y. Takeiri, M. Tollin, K. Tsumori and P. Veltri
  • Journal Title: AIP conference proceedings Volume: 1655 Pages: 060005/1-10
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4916474
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hydrogen atom temperature measured with wavelength-modulated laser absorption spectroscopy in large scale filament arc negative hydrogen ion source (2015)
  • Author(s): H. Nakano, S. Nishiyama , M. Goto , K. Tsumori , M. Kisaki , K. Ikeda , K. Nagaoka , M. Osakabe , Y. Takeiri , O. Kaneko , and K. Sasaki
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1655 Pages: 020018-1 -7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4916427
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Pproduction and extraction processes of H- ions in a large scaled negative ion source (2015)
  • Author(s): K. Tsumori, H. Nakano, M. Kisaki, S. Geng, K. Ikeda, K. Nagaoka, M. Osakabe, Y. Takeiri, O. Kaneko
  • Organizer: The 16th International conference on Ion Sources
  • Place of Presentation: New York, USA
  • Year and Date: 2015-08-23 – 2015-08-28
• [Presentation] 水素負イオン源の引出領域における温度と密度分布 (2015)
  • Author(s): 中野治久、津守克嘉, 池田勝則, 木崎雅志, S. Geng, 渋谷真之, 永岡賢一, 長壁正樹, 竹入康彦, 金子修
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学、東京
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Consideration of Negative Hydrogen Ion Temperature Measurement with Cavity Ringdown Method (2014)
  • Author(s): H. Nakano
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟市
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [Presentation] Spatial Distribution of Negative Hydrogen Ions in the Extraction Region of a Negative Hydrogen Ion Source for NBI (2014)
  • Author(s): Shaofei Geng, Katsuyoshi Tsumori, Haruhisa Nakano, Masashi Kisaki, Yasuhiko Takeiri, Masaki Osakabe, Katsunori Ikeda, Ken-ichi Nagaoka, Osamu Kaneko and Masayuki Shibuya
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟市
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [Presentation] Characteristics of Cso and Cs+ in Extraction Region of a Negative Ion Source for NBI (2014)
  • Author(s): K. Tsumori, H. Nakano, M. Kisaki, G. Shaofei, K. Ikeda, K.Nagaoka, M. Osakabe, Y. Takeiri, O. Kaneko, M. Shibuya, and NIFS NBI Group
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟市
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [Presentation] Spatial distributions of charged particles and plasma potential before and during beam extraction in a negative hydrogen ion source for NBI (2014)
  • Author(s): Shaofei GENG, Katsuyoshi TSUMORI, Haruhisa NAKANO, Masashi KISAKI, Yasuhiko TAKEIRI, Masaki OSAKABE, Katsunori IKEDA, Ken-ichi NAGAOKA, Osamu KANEKO, Masayuki SHIBUYA
  • Organizer: The 24th International Toki Conference
  • Place of Presentation: Toki, Japan
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-07
• [Presentation] Research progress on ionic plasmas generated in an intense hydrogen negative ion source (2014)
  • Author(s): Y. Takeiri, K. Tsumori, K. Ikeda, H. Nakano, M. Kisaki, K. Nagaoka, T. Tokuzawa, S. Geng, M. Osakabe, O. Kaneko, T. Kondo, M. Sato, M. Shibuya, S. Komada and H. Sekiguchi
  • Organizer: The 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • Place of Presentation: IPP Garching, Germany
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-10
  • Invited
• [Presentation] Hydrogen Atom Temperature measured with Wavelength-Modulated Laser Absorption Spectroscopy in Lage Scale Filament Arc Negative Hydrogen Ion Source (2014)
  • Author(s): H. Nakano, S. Nishiyama, M. Goto, K. Tsumori, M. Kisaki, K. Ikeda, K. Nagaoka, M. Osakabe, Y. Takeiri, O. Kaneko and K. Sasaki
  • Organizer: The 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • Place of Presentation: IPP Garching, Germany
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [Presentation] Evaluation of negative ion distribution changes by image processing diagnostic (2014)
  • Author(s): K. Ikeda, H. Nakano, K. Tsumori, M. Kisaki, S. Geng, K. Nagaoka, T. Tokuzawa, M. Osakabe, Y. Takeiri, and O.
  • Organizer: The 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • Place of Presentation: IPP Garching, Germany
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [Presentation] Laser photodetachment diagnostics of a 1/3-size negative hydrogen ion source for NBI (2014)
  • Author(s): S. Geng, K. Tsumori, H. Nakano, M. Kisaki, K. Ikeda, Y. Takeiri, M. Osakabe, K. Nagaoka, and O. Kaneko
  • Organizer: The 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • Place of Presentation: IPP Garching, Germany
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [Presentation] Beamlet Tilting due to Magnetic Field in Beam Accelerator of NBI Source (2014)
  • Author(s): K. Tsumori, G. Serianni, P. Veltri, M. Kisaki, Y. Takeiri, M. Brombin, P. Agostinetti, K. Ikeda, G. Shaofei, H. Nakano, K. Nagaoka, M. Osakabe, V. Antoni, and NIFS-NBI Group.
  • Organizer: The 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • Place of Presentation: IPP Garching, Germany
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [Presentation] Spatial distribution of electron density in large-scaled negative ion source (2014)
  • Author(s): 1. M. Kisaki*, K. Tsumori, K. Ikeda, H. Nakano, S. Geng, K. Nagaoka, T. Tokuzawa, M. Osakabe, Y. Takeiri, O. Kaneko
  • Organizer: The 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • Place of Presentation: IPP Garching, Germany
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [Presentation] Evaluation of H- behavior using a spectrally selective imaging method in hydrogen negative ion source (2014)
  • Author(s): K. Ikeda, H. Nakano, K. Tsumori, M. Kisaki, K. Nagaoka, M. Osakabe, Y. Takeiri, O. Kaneko
  • Organizer: European Physical Society Conferences on Plasma Physics 2014
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Year and Date: 2014-06-23 – 2014-06-27
• [Presentation] Influence of bias voltage on H- density in the negative ion source for NBI by Langmuir probe and photodetachment measurements (2014)
  • Author(s): S. F. Geng, K. Tsumori, H. Nakano, M. Kisaki, K. Ikeda, Y. Takeiri, M. Osakabe
  • Organizer: 第10回 核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場、つくば市
  • Year and Date: 2014-06-19 – 2014-06-20
• [Presentation] Beamlet Tilting due to Electron Deflection Magnet (2014)
  • Author(s): K. Tsumori, G. Serianni, P. Vertri, M. Kisaki, Y. Takeiri, M. Brombin, P. Agostinetti, A. Vanni,K. Ikeda, G. Shaofei, H. Nakano, M. Osakabe, K. Nagaoka, M. Shibuya, T. Kondo, M. Sato, A. Sekiguchi, S. Komada
  • Organizer: 第10回エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場、つくば市
  • Year and Date: 2014-06-19 – 2014-06-20
• [Presentation] 多孔型負イオン源から引き出されたマルチビームレットの相互作用 (2014)
  • Author(s): 1. 木崎雅志、津守克嘉、池田勝則、中野治久、S. Geng、P. Veltri、P. Agostinetti、M. Brombin、G. Serianni、長壁正樹、永岡賢一、竹入康彦、金子修
  • Organizer: 第10回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場、つくば市
  • Year and Date: 2014-06-19 – 2014-06-20