| 研究課題/領域番号 |
15H03757
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
大原 渡 山口大学, 理工学研究科, 准教授 (80312601)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | プラズマ・核融合 / ペアイオンプラズマ / 水素負イオン |
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| 研究実績の概要 |
原子状水素ペアイオンプラズマの実現に向けて，以下のことを実施して，新たな事実が明らかになった．ラインカスプ磁場で閉じ込められた，直流アーク放電で生成された水素プラズマを，厚さのあるプラズマグリッドに照射して，水素負イオンの生成を行った．印加された偏向磁場で電子を除去して，正イオンと負イオンから成るイオン性プラズマが下流域に生成できることを実証した．プローブを掃引することにより，放電プラズマから下流域のイオン性プラズマまで，プラズマの軸方向分布の測定を行った．磁場が印加されている領域から無磁場領域へイオン性プラズマが拡散する際に，負イオンの一部が局所空間で崩壊するという新たな現象が見出された．電子や中性粒子との衝突で崩壊するのではなく，正イオンが関与して崩壊が発生していると予想されるが，具体的な崩壊機構は明らかになっていない．当初されていなかった現象が発見できたことは進歩と言えるが，ペアイオンプラズマ生成という観点では望ましくない現象である．一方，電極に印加する電圧条件や，壁近傍に印加したラインカスプ磁場によるイオン性プラズマの閉じ込めによって，負イオン崩壊を抑制できることが明らかになりつつあり，崩壊させない視点で検討を進めている．
原子状水素正負イオン，不純物イオン，電子がプラズマ中に含まれる割合を調べるために，小型電磁石（直径10 cm，長さ5 cm）を用いた磁場偏向型質量分析器を開発した．正イオンのイオン種の大部分はH+とH3+であることが明らかになり，特にH3+が多いことが分かった．イオン種は水素ガス圧に依存しており，高速電子によってH2+が初めに生成されて，中性分子H2との衝突を経てH3+へ変換していることが明らかになった．なお，低エネルギーの正イオンが金属表面で負イオン化することも明らかになった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度の研究実施計画では，(1) ラインカスプ磁場付真空容器の新規製作，(2) イオンサイクロトロン共鳴による不純物イオンの除去，(3) 小型電磁石を用いた磁場偏向型質量分析器の製作，を実施予定としていた．
(1) ラインカスプ磁場で閉じ込められた直流アーク放電で生成された水素プラズマを，厚さのあるプラズマグリッドに照射して負イオンを生成して，引き続き偏向磁場で電子を除去してイオン性プラズマを生成する装置を新規に設計・製作した．真空容器の壁面の水冷能力を高めるため，ステンレス板をレーザーで打ち抜いた水路を前後からステンレス板で挟みこんでスポット溶接する手法で，冷却能力の高い３層構造の壁面を実現した．更に，プラズマの軸方向分布(掃引長70 cm)を測定できるシステムも製作した．
(2) 生成されたイオン性プラズマが出て来る孔付近に平行平板電極を設置して，電極間を通過したイオン性プラズマをプローブ測定した．プラズマ電流を全く検知できない問題が生じたため，電極を除去したところプラズマ電流を検出できるようになった．現在のところ電極の存在による不具合の原因は不明であるが，電極サイズや電極間距離を変えるなど，イオン性プラズマが通過できなくなる原因を追究する必要がある．
(3) 新規に製作した小型電磁石（直径10 cm，長さ5 cm）を用いて，磁場偏向型質量分析器を開発した．高い質量分解能で荷電粒子を検出するために細線コレクタ電極を導入して，正イオンH+, H2+, H3+，負イオンH-を分離測定できることを示した．
以上のように，全て予定通りではないが，おおむね計画通りに実施して，研究実績で述べた事項が明らかになってきたので，おおむね順調に進展していると評価した．
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度において，生成された負イオンの一部が，磁場通過や拡散に伴い局所空間で崩壊するという新たな現象が見出された．不純物イオンである分子状正イオン除去以外の新たな課題であり，負イオンの崩壊機構解明と崩壊させない手法を検討する必要が生じた．これらの課題の解決は重要であるが，１台の装置で平行して調査することは時間的に難しい．質量分析器などを設置しやすいサイズのポートを備えた，ラインカスプ磁場付真空容器を新規に製作して，負イオン崩壊機構の解明に取り組む予定である．前年度に製作した装置では，引き続き分子状正イオンの除去などに取り組む予定である．
小型電磁石を用いた磁場偏向型質量分析器の製作を行った．正負イオンの質量スペクトルは得られるようになったが，正イオン質量ピークが分離測定されるという技術的な課題が残されている．電極構造の見直しと，イオンビーム入射位置等の調整によりこの課題の解決を図る．なお，新規装置用に，更にもう一セットの質量分析器の製作も行う．
磁場中でイオンサイクロトロン共鳴させることにより，特定の不純物正イオンを径方向へ除去させようとしている．高周波電場を印加するために平行平板電極を設置したところ，電場の有無に依らずイオン性プラズマが平行平板電極間を通過できないという不可解な現象が見られた．負イオン崩壊現象とも関連していることが予想され，電極サイズの変更や電極間のプラズマ分布を測定してその原因を解明しつつ，不純物の選択的除去に取り組む．
電子や分子状正イオンを完全に排除することが目標であるが，これを実現するにはまだ時間を要すると予想される．波動の励起手法の確立や，励起波動の測定課題を検討することを目的として，不純物が混在しているイオン性プラズマではあるが，静電波動の伝搬実験を行う．
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