高い信頼性を持つ負イオン源ビーム引き出しモデルの構築とその応用

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25820438
• Research Institution: Tokushima Bunri University
• Principal Investigator: 松本 新功 徳島文理大学, 人間生活学部, 准教授 (50441598)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 負イオン源 / 引き出し / 輸送 / 数値計算 / ビーム

Outline of Annual Research Achievements

大型負イオン源のシミュレーションでは，計算能力の制限から装置の全領域を計算することが難しく，イオン源プラズマの主要部分のみを切り出して計算を行うことになる．PIC法を用いる際，切り出した計算領域の境界に対して何らかの境界条件を仮定する必要が出てくる．先行研究では計算の安定性確保の為，境界のプラズマ電位を固定値として仮定するディリクレ型境界がよく用いられてきた．しかし装置設計時における性能の事前評価を目的とした場合，境界の電位は未知の情報である為，これを予め与えない場合でも正しく計算できる能力がシミュレーションには求められる．本研究では自由端境界での計算を行い，得られる空間電位を実験結果と比較した．結果この境界条件でも，実験値と同オーダーかつ似た空間分布を得られることが分かった．
負イオン源運転時は，kVオーダーのビーム引き出し電圧を装置に対して印加するが，この電圧はビーム引き出し孔を通して装置内部のプラズマにも影響を与える．この時のプラズマ電位の変化がイオン源のパフォーマンスに大きく影響すると考えられており，シミュレーションはこの特性を正しく再現できる必要がある．今回，上記の自由端条件でも，定性的にほぼ妥当と思われる電位変化が得られることを確認した．一方で，電位の計算結果に，電位の絶対値と同程度の振幅を持つ比較的大きな振動が観測された．少なくとも我々の実験では観測されていない現象であり，シミュレーション固有の現象である可能性がある．これは自由端の境界条件の使用が原因として考えられ，対策が必要であることが分かった．
プラズマ中の荷電粒子密度の計算結果を実験データと比較し，両者の間で空間分布に大きな差異が存在する事を確認した．イオン源内部に磁場があると差が顕著になることから，磁場を横切る粒子拡散を正しく再現できていない可能性が高く，さらに進んだ調査が必要であることが分かった．