大型負イオン源内の負イオン非一様性発現機構の解明とその制御手法の開発

• 研究課題/領域番号: 13J02290
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: プラズマ科学
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 柴田 崇統 慶應義塾大学, 理工学部, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 830千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 30千円); 2014年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円); 2013年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: イオン源 / 非平衡プラズマ / 数値シミュレーション / EEDF / プローブ計測 / 衝突輻射モデル / プラズマ分光計測 / 核融合プラズマ加熱 / 負イオン源 / 一様性改善 / 数値解析 / 分光計測 / Balmer発光線

研究実績の概要

核融合分野では、プラズマ加熱用の大電流H-ビームを生成するため、引き出し面積が数m2である大型負イオン源の開発が進められている。しかし、装置の大型化に伴い、引き出されるH-電流値の空間的非一様性が顕在化することで、H-ビームの直進性が失われ、加速されたH-の一部が電極に入射して熱負荷を生じることが問題とされている。この原因を解明し、H-非一様性の制御機構を提案するため、本研究では、JAEA大型負イオン源を対象に、H-の親粒子である電子および水素原子の生成・輸送モデルを開発するとともに、ラングミュアプローブ計測・バルマー線分光計測を実施し、計算・測定結果の比較を行った。その結果、大型負イオン源では、フィラメント陰極近傍で生成された高エネルギー電子の大部分が、負イオン源周囲のプラズマ閉じ込め用カスプ磁石が作る磁場に捕われ、磁気ドリフトによって装置端部に輸送・蓄積されるため、電子のエネルギー分布関数（EEDF）は熱平衡分布から逸脱することを明らかにした。この非平衡EEDFを高速水素原子の生成・輸送過程計算に適用したところ、計算から得られる水素原子のバルマー線発光強度分布は分光計測による結果をオーダーレベルで再現した。以上より、負イオン源内の高速水素原子の空間分布が非一様となるために、H-生成量が非一様となる機構を明らかにした。また、測定結果を直接比較により再現・説明した数値シミュレーションは、負イオン源分野で初の試みである。これより、イオン源内のEEDFの非平衡成分（高速電子の空間分布）を制御することが、非一様性の改善に重要である知見が得られた。これを改善する磁場配位（テント型磁気フィルター）の提案により、大型負イオン源内のH-に対する空間的非一様性の問題が改善された。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Numerical Study of the H⁰Atomic Density and the Balmer Line Intensity Profiles in a Hydrogen Negative Ion Source with the Effect of Non-Equilibrium Electron Energy Distribution Function (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, M. Kashiwagi, A. Hatayama, K. Sawada, T. Inoue, and M Hanada
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 9 号: 0 ページ: 1401011-1401011
  • DOI: 10.1585/pfr.9.1401011
  • NAID: 130004678542
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kinetic modeling of particle dynamics in H^- negative ion sources (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Hatayama, T. Shibata, S. Nishioka, M. Ohta, M. Yasumoto, K. Nishida, T. Yamamoto, K. Miyamoto, A. Fukano, and T. Mizuno
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4852300
  • 査読あり
• [雑誌論文] Status and operation of the Linac4 ion source prototypes (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Lettry, D. Aguglia, P. Andersson, S. Bertolo, A. Butterworth, Y. Coutron, A. Dallocchio, E. Chaudet, J. Gil-Flores, R. Guida, J. Hansen, A. Hatayama, I. Koszar, E. Mahner, C. Mastrostefano, S. Mathot, S. Mattei, O. Midttun, P. Moyret, D. Nisbet, K. Nishida, M. O'Neil, M. Ohta, M. Paoluzzi, C. Pasquino, H. Pereira, J. Rochez, J. Sanchez Alvarez, J. Sanchez Arias, R. Scrivens, T. Shibata, D. Steyaert, N. Thaus and T. Yamamoto
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4848975
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling of neutrals in the Linac4 H^- ion source plasma : Hydrogen atom production density profile and H_α intensity by collisional radiative model (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, T. Shibata, M. Ohta, M. Yasumoto, K. Nishida, A. Hatayama, S. Mattei, J. Lettry, K. Sawada, and U. Fantz
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4833016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical analysis of atomic density distribution in arc driven negative ion sources (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, T. Shibata, M. Kashiwagi, A. Hatayama, K. Sawada and M. Hanada
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 号: 2 ページ: 1072-1073
  • DOI: 10.1063/1.452296
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Study of Atomic Production Rate in Hydrogen Negative Ion Source with the Effect of Non-equilibrium Electron Energy Distribution Function (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, M. Kashiwagi, T. Inoue, A. Hatayama, and M. Hanada
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 114 号: 14
  • DOI: 10.1063/1.4824366
  • 査読あり
• [学会発表] テント型磁場配位を用いた水素負イオン源プラズマの空間的非一様性形成機構に関する数値シミュレーション (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本尚史、柴田崇統、吉田雅史、畑山明聖、小島有志、柏木美恵子、花田磨砂也
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第31回年会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] 高周波放電型水素負イオン源粒子シミュレーションにおけるクーロン衝突のモデリング (2014)
  • 著者名/発表者名: 望月慎太郎、S.Mattei、柴田崇統、西田健治朗、畑山明聖、J.Lettry
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第31回年会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] サイクロトロン用高電流H-イオン源の開発状況 (2014)
  • 著者名/発表者名: 衛藤晴彦、青木康、三堀仁志、荒川慶彦、加藤隆典、密本俊典、矢島暁、奥村義和、尾内杜彰、山本尚史、柴田崇統、畑山明聖
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第31回年会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] RF plasma conductivity in the CERN Linac4 H- ion source (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Mattei, S. Mochizuki, K. Nishida, T. Shibata, J. Lettry, A. Hatayama, M. Q. Tran
  • 学会等名: 67th Annual Gaseous Electronics Conference
  • 発表場所: Raleigh, North Carolina, USA
  • 年月日: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [学会発表] Numerical and experimental study of atomic transport and Balmer line intensity in Linac4 negative ion source (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, S. Mattei, K. Nishida, J. Lettry, A. Hatayama
  • 学会等名: 4th International Conference on Negative Ions, Beams, and Sources
  • 発表場所: Garching, Germany
  • 年月日: 2014-10-06 – 2014-10-10
• [学会発表] 高周波型負イオン源における点火・定常プラズマ中の非平衡性解析および分光計測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田崇統、マッテイ・ステファノ、山本尚史、畑山明聖、レトリー・ジャッケス
  • 学会等名: 平成26年度負イオン研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所、岐阜県多治見市
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-27
• [学会発表] テント型磁場配位を用いた水素負イオン源における電子密度・温度分布の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本尚史、柴田崇統、吉田雅史、畑山明聖、小島有志、柏木美恵子、花田磨砂也
  • 学会等名: 平成26年度負イオン研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所、岐阜県多治見市
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-27
• [学会発表] アーク放電型負イオン源内の負イオン表面生成分布解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 柴田崇統, 山本尚史, 畑山明聖
  • 学会等名: 第30回プラズマ核融合学会年会
  • 発表場所: 東京工業大学 大岡山キャンパス
  • 年月日: 2013-12-04
• [学会発表] 水素負イオン源における水素原子密度分布解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山本尚史, 柴田崇統, 柏木美恵子, 畑山明聖, 澤田圭司, 花田磨砂也
  • 学会等名: 第30回プラズマ核融合学会年会
  • 発表場所: 東京工業大学 大岡山キャンパス
  • 年月日: 2013-12-04
• [学会発表] Status and operation of the Linac4 ion source prototypes (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Lettry, D. Aguglia, P. Andersson, S. Bertolo, A. Butterworth, Y. Coutron, A. Dallocchio, E. Chaudet, J. Gil-Flores, R. Guida, J. Hansen, A. Hatayama, I. Koszar, E. Mahner, C. Mastrostefano, S. Mathot, S. Mattei, O. Midttun, P. Moyret, D. Nisbet, K. Nishida, M. O'Neil, M. Ohta, M. Paoluzzi, C. Pasquino, H. Pereira, J. Rochez, J. Sanchez Alvarez, J. Sanchez Arias, R. Scrivens, T. Shibata, D. Steyaert, N. Thaus and T. Yamamoto
  • 学会等名: 15^<th> International Conference on Ion Sources
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2013-09-10
• [学会発表] Modeling of neutrals in the Linac4 H^- ion source plasma : Hydrogen atom production density profile and H_α intensity by collisional radiative model (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, T. Shibata, M. Ohta, M. Yasumoto, K. Nishida, A. Hatayama, S. Mattei, J. Lettry, K. Sawada, and U. Fantz
  • 学会等名: 15^<th> International Conference on Ion Sources
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2013-09-10
• [学会発表] Numerical analysis of atomic density distribution in arc driven negative ion sources (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, T. Shibata, M. Kashiwagi, A. Hatayama, K. Sawada, and M. Hanada
  • 学会等名: 15^<th> International Conference on Ion Sources
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2013-09-10
• [学会発表] Kinetic modeling of particle dynamics in H^- negative ion sources (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Hatayama, T. Shibata, S. Nishioka, M. Ohta, M. Yasumoto, K. Nishida, T. Yamamoto, K. Miyamoto, A. Fukano, and T. Mizuno
  • 学会等名: 15^<th>International Conference on Ion Sources
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2013-09-09
  • 招待講演
• [備考] プラズマ核融合学会誌3月号の表紙絵に投稿論文採択
  • URL: http://www.jspf.or.jp/journal/current.html