プラズマレンズによる大強度シングルバンチ・重イオンビームの集束に関する研究

• 研究課題/領域番号: 11874039
• 研究種目: 萌芽的研究
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 小川 雅生 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 教授 (60016863)
• 研究分担者: 長谷川 純 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助手 (90302984) ; 青木 尊之 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助教授 (00184036)
• 研究期間 (年度): 1999 – 2000
• 研究課題ステータス: 完了 (2000年度)
• 配分額: 900千円 (直接経費: 900千円); 2000年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: プラズマレンズ / 大電流加速器 / 重イオン慣性核融合 / 電磁流体シミュレーション

研究概要

本年度は、前年度に引き続きプラズマレンズの数値解析を行った。数値解析には輻射輸送を考慮した1次元電磁流体コードMULTI-Zを用いた。計算コードの検証を行うためにまず、実験との比較を行った。Zピンチ放電装置により発生する高密度Heプラズマの分光診断を行い、得られた電子密度、電子温度をMULTI-Zの計算結果と比較した。その結果、実験値と計算値の違いは10%以内に収まっており、計算コードはプラズマレンズの設計に用いるのに十分な信頼性を有することが分かった。計算から求めた最大ピンチ時の方位角方向の磁束密度分布は、中心軸(Z軸)からやや離れたところでは比較的なだらかで線形な半径方向分布を持っており、理想的なレンズの条件を満たしていることが分かった。しかし、中心軸近傍では電子密度、電子温度の勾配が非常に大きく、またその変動も急激に起こるため、複雑な電流分布となり、磁束密度分布も乱れていることが分かった。従って、中心軸近傍を通過するイオンビームは急激な偏向を受け、うまく収束できない可能性がある。実際にプラズマレンズを用いたビーム収束実験では、ドーナツ状のビーム収束パターンが観測されており、これは上記の結果を裏付けている。ピンチ時の磁束密度分布(電流分布)は、放電管半径、放電電流波形、ガス充填圧力に強く依存しており、これらを最適化することにより、個々のケースに合わせたプラズマレンズの適切な設計が可能であることが本研究の解析から明らかになった。