2015 Fiscal Year Research-status Report
負イオン源における負イオン引き出し機構・負イオンビーム光学特性の解明
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26400533
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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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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマ / 核融合 / 負イオン源 / 加速器 / シミュレーション / イオンビーム光学 / PIC法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
負イオン源で生成される負イオンビームには、ビームハロと呼ばれるビーム発散角の大きな成分が含まれることが実験的に確認されている。ビームハロは負イオンビーム電流値の損失や絶縁破壊の原因となり、その抑制は喫緊の課題であるが、物理機構は未だ解明されていない。本研究では、３次元PIC数値計算コードとモンテカルロ計算との結合によるPIC-MCC結合コードを構築し、負イオン引き出しの物理機構と負イオンビームの光学的特性、特にビームハロの発生要因の解明を目的とする。
昨年度に開発した３次元PICコードとモンテカルロ計算を結合したPIC-MCC結合コードを構築した。負イオンの衝突過程として、クーロン衝突や相互中性化、弾性衝突を考慮した。クーロン衝突と弾性衝突については、表面生成された負イオンのエネルギー緩和に寄与する。表面生成では、フランクコンドン原子またはシース加速された正イオンが、プラズマ電極（PG）表面で負イオンに変換され、数eVのエネルギーで放出される。しかし、引き出された負イオンの温度は0.1 eV程度の低い温度であり、ビーム光学的に収束性が良く、発散角が小さいことが多くの実験結果で示されている。したがって、何らかの衝突過程により、負イオンはエネルギー緩和される必要がある。また、表面生成された負イオンが相互中性化により途中で損失することなく、PGから十分離れたソースプラズマへ戻り、引き出されることが実験的に指摘されている。エネルギー緩和の特性時間からも、上記の負イオン引き出し過程が示唆されている。
今年度の計算結果は、以下の通りである。
・クーロン衝突により、負イオンがエネルギー緩和されることを確認した。また、クーロン衝突の方が弾性衝突よりも、エネルギー緩和の寄与が大きいことが分かった。
・相互中性化による負イオンの損失はほとんど無く、表面生成された負イオンはPGから十分離れたソースプラズマへ戻ることを明らかにした。
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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
今年度の実施計画は、まず平成２６年度に開発した３次元PICコードとモンテカルロ計算を結合したPIC-MCC結合コードの構築を挙げている。これについては、計画通りにPIC-MCC結合コードを構築した。
次に負イオンビーム光学についての検討では、多くの実験結果で示されているような収束性の良い負イオンビームを得るためには、数eVのエネルギーで放出される負イオンの温度が、0.1 eV程度のオーダーまで低下する必要がある。この物理過程として、負イオンが主にクーロン衝突により、エネルギー緩和されることを明らかにしており、この検討項目についてもおおむね計画通りに進展した。
さらに負イオンの引き出し過程について、表面生成された負イオンが相互中性化により途中で損失することなく、PGから十分離れたソースプラズマへ戻り、引き出されることが実験的に指摘されている。エネルギー緩和の特性時間からも、上記の負イオン引き出し過程が示唆されている。今年度は、上記の負イオンの引き出し過程が妥当であることを、数値計算において明らかにし、この検討項目についても計画通りに進展した。
以上から、おおむね順調に進展していると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２８年度については、当初の計画通りに研究を推進する。すなわち、平成２７年度に開発したPIC-MCC結合コードを負イオン源加速部まで拡張して、放電プラズマから加速部までの総合的なモデリングにより負イオンビーム軌道を計算するか、または負イオン引き出し領域については平成２７年度に開発したPIC-MCC結合コードを用いて負イオン放出面や負イオンビーム軌道を計算し、負イオン引き出し領域から負イオン源加速部までは別の電磁界計算・イオンビーム軌道計算ソフトウェアを用いて負イオンビーム軌道を計算する。両者とも従来の３次元イオンビーム軌道計算とは異なり、負イオン放出面を自己矛盾なく解ける。そのために、従来の３次元イオンビーム軌道計算コードでは再現できなかったビームハロのような詳細な負イオンビーム軌道解析が可能になる。
上述の数値計算では、メッシュ数や粒子数などで莫大な計算コストを要するため、高性能なGPUコンピューティングマシンによる並列計算を行うか、またはスーパーコンピュータを用いた計算を行うものとする。
加速部の各電極へ流入する負イオンからの寄与による熱負荷や負イオンビームプロファイル、エミッタンスについて、数値計算結果と実験結果とを比較・検討する。特に負イオン放出面形状の端部から放出された負イオンがビームハロの発生要因なのかどうか等、発生の物理機構を考察する。
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| Causes of Carryover |
今年度の11月に開催予定の国内学会へ参加する予定であったが、10月中旬に子供が誕生したため、この出張を中止した。そのため、旅費を十分に使用できなかったので、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初、計画した通りに研究が進展しており、次年度使用額を研究成果の論文投稿費か、または学会発表用の旅費で使用したいと考えている。
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[Presentation] Measurement of heat load density profile on acceleration grid in MeV-class negative ion accelerator2015
Author(s)
Junichi Hiratsuka, Masaya Hanada, Atsushi Kojima, Naotaka Umeda, Mieko Kashiwagi, Kenji Miyamoto, Masafumi Yoshida, Ryo Nishikiori, Masahiro Ichikawa, Kazuhiro Watanabe and Hiroyuki Tobari
Organizer
The 16th International Conference on Ion Sources
Place of Presentation
Marriott Marquis, New York City, USA
Year and Date
2015-08-27 – 2015-08-27
Int'l Joint Research
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