ナノ多孔性エレクトライドを用いたCsフリー高ビーム電流密度水素負イオン源の実現

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01883
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 中野 治久 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90442524)
• 研究分担者: 笹尾 真実子 同志社大学, 研究開発推進機構, 研究員 (00144171) ; 安藤 晃 東北大学, 工学研究科, 教授 (90182998)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 負イオン源 / C12A7エレクトライド / 表面生成 / Csフリー水素負イオン源

研究実績の概要

理想的な条件でアルカリ金属並みの2.4 eVという低仕事関数を持つC12A7エレクトライド表面について、水素負イオン源で用いる水素放電条件での仕事関数を調査しすると、2.6 eVと理想的な条件下に近い値と得ることができた。C12A7エレクトライド表面の仕事関数と水素負イオン生成量の関係を調査すると、低仕事関数であるほど水素負イオン生成量が増加する傾向がみられた。C12A7エレクトライドにバイアス電圧を印加した場合の軽水素および重水素負イオン生成量から、水素負イオン生成量の同位体効果は水素正イオンがC12A7エレクトライドへ入射する速度により説明ができることが分かった。
小型ECR水素負イオン源（放電電力50W）において、負イオン源プラズマとビーム境界でかつ水素負イオン生成面であるC12A7エレクトライド製プラズマ電極にテーパー加工を施した。テーパー面を上流にした場合、テーパー面を下流にした場合と比べて4倍以上のビーム電流を得た。参照材料のモリブデンではC12A7エレクトライドほどの差はみられなかったこのことから、テーパー加工によりビーム引出孔近傍の水素負イオン生成面が広くなったことが水素負イオンビーム電流の増加に繋がったと示唆された。
核融合用もしくは大型加速器用負イオン源の放電電力は100kW程度であり、これまでのC12A7エレクトライドを用いた研究との間に放電電力の大きな乖離があった。本研究では既存のさまざまな水素負イオン源の研究を参照しながらkW級放電電力を持つ水素負イオン源のプラズマ放電部を模したプラズマ源を製作し、kW級放電におけるC12A7エレクトライドの性能評価を行った。このプラズマ源において、参照材料のSUS304とC12A7エレクトライドの近傍のプラズマパラメータを評価することにより、kW級放電においても明らかに水素負イオンが生成されることが示された。

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Aix-Marseille University(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Aix-Marseille University
• [国際共同研究] Max Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute for Plasma Physics
• [雑誌論文] Numerical study of different electron density observed in Hydrogen and Deuterium ion source plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: Shibata T、Kato R、Nakano H、Hayashi K、Sato J、Miyamoto K、Hoshino K、Hatayama A
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012002～012002
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical analysis of isotope effect in NIFS negative ion source (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Ryo、Hoshino Kazuo、Nakano Haruhisa、Shibata Takanori、Miyamoto Kenji、Iwanaka Kengo、Hayashi Katsuya、Hatayama Akiyoshi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012035～012035
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012035
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study of negative ion beam emittance characteristic using 3D PIC-MCC simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto K.、Nagaoka K.、Hatayama A.、Hoshino K.、Nakano H.、Shibata T.、Tsumori K.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012040～012040
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012040
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Beam instability in the vicinity of beam extraction region of negative ion source (2022)
  • 著者名/発表者名: Nagaoka K.、Nakamoto R.、Sasaki T.、Hamajima T.、Nakano H.、Ikeda K.、Fujiwara Y.、Osakabe M.、Takeiri Y.、Tsumori K.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012043～012043
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012043
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Probe measurement of an ECR hydrogen plasma facing the C12A7 electride surface (2022)
  • 著者名/発表者名: Bito K.、Sasao M.、Wada M.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012048～012048
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of ion source plasma responses to extraction grid bias between hydrogen and deuterium operations in NIFS-RNIS (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakano H、Masaki S、Rattanawongnara E、Tsumori K、Ikeda K、Hamajima T、Nagaoka K、Osakabe M
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012046～012046
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study of the charged particle flow near the plasma grid in negative ion source (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki S.、Nakano H.、Rattanawongnara E.、Nagaoka K.、Ikeda K.、Fujiwara Y.、Osakabe M.、Wada M.、Tsumori K.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012059～012059
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012059
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Difference of co-extracted electron current and beam acceleration in a negative ion source with hydrogen-isotope ions (2022)
  • 著者名/発表者名: Ikeda K.、Tsumori K.、Nakano H.、Nagaoka K.、Takeiri Y.、Masaki S.、Rattanawongnara E.、Osakabe M.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012060～012060
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012060
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis of electron behaviour around a spring-shape filament inside a low-energy electron gun (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Y、Nakano H、Kisaki M、Shinto K、Sasao M、Wada M
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012084～012084
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012084
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Abundance ratio of multiple velocity distribution components in a single negative ion beamlet produced by a cesium-seeded negative ion source (2022)
  • 著者名/発表者名: Haba Yasuaki、Aramaki Mitsutoshi、Tsumori Katsuyoshi、Osakabe Masaki、Ikeda Katsunori、Nakano Haruhisa、Nagaoka Kenichi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 12 ページ: 035223～035223
  • DOI: 10.1063/5.0083300
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Work function behavior of a biased C12A7 electride in low temperature hydrogen plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: Heiler A.、Friedl R.、Fantz U.、Nocentini R.、Sasao M.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2373 ページ: 020004
  • DOI: 10.1063/5.0057482
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Plasma electrode shape suitable for plasma electrode performance study (2021)
  • 著者名/発表者名: Bito K.、Sasao M.、Kisaki M.、Wada M.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2373 ページ: 030006
  • DOI: 10.1063/5.0057489
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Validation of the distribution of stripping loss neutrals in the accelerator of the negative ion source (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikeda K.、Kisaki M.、Nakano H.、Tsumori K.、Nagaoka K.、Fujiwara Y.、Masaki S.、Rattanawongnara E.、Osakabe M.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2373 ページ: 060001
  • DOI: 10.1063/5.0057443
• [雑誌論文] Damage to N-NBI systems due to positive ion back-streaming (2021)
  • 著者名/発表者名: Wada M.、Kenmotsu T.、Ikeda K.、Kisaki M.、Nakano H.、Tsumori K.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2373 ページ: 080001
  • DOI: 10.1063/5.0057427
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of the directional Langmuir probe for the charged particle flow measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki S.、Nakano H.、Kisaki M.、Rattanawongnara E.、Nagaoka K.、Ikeda K.、Fujiwara Y.、Osakabe M.、Tsumori K.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2373 ページ: 090003
  • DOI: 10.1063/5.0058837
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] C12A7エレクトライドを用いたkW級RF水素負イオン源の初期結果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中野治久, 清水星弥, 斎藤健二, 笹尾真実子, 尾藤圭太, 和田元, 安藤晃
  • 学会等名: 物理学会 第77会年会
• [学会発表] 水素原子・分子イオンと低仕事関数材料との相互作用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西脇万由子, 山岡人志, 笹尾真実子, 東海樹弘, 尾藤圭太, 中野治久, 津守克嘉, 和田元
  • 学会等名: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] Work function measurement of plasma electrode materials for negative ion sources using semiconductor light sources (2022)
  • 著者名/発表者名: Mayuko Nishiwaki, Mamiko Sasao, Motoi Wada, Haruhisa Nakano, Katsuyoshi Tsumori
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamic responses of negative ion meniscus to externally ap- plied RF field (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Nagaoka, Haruhisa Nakano, Katsunori Ikeda, Katsuyoshi Tsumori, Masaki Osakabe, Masashi Kisaki, Ryoya Nakamoto, Taiga Hamajima, Yasuhiko Takeiri
  • 学会等名: The 8th International symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Photoelectric current measurement of plasma grid materials for a compact H- ion source (2022)
  • 著者名/発表者名: Mayuko Nishiwaki, Haruhisa Nakano, Katsuyoshi Tsumori, Mamiko Sasao, Motoi Wada
  • 学会等名: The 8th International symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma Electrode Materials for Cs-free Negative hydrogen ion Sources (2022)
  • 著者名/発表者名: Mamiko Sasao, Motoi Wada, Gilles Cartry
  • 学会等名: The 8th International symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Langmuir-probe measurement in the vicinity of plasma grid aper- ture of hydrogen negative ion source (2022)
  • 著者名/発表者名: Engrhyt rattanawongnara, Katsunori Ikeda, Kenichi Nagaoka, Masaki Osakabe, Nakano Haruhisa, Tsumori Katsuyoshi, Yasuhiko Takeiri
  • 学会等名: The 8th International symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Construction of a Filament-RF driven hybrid negative ion source at NIFS (2022)
  • 著者名/発表者名: Katsuyoshi Tsumori, Katsunori Ikeda, Haruhisa Nakano, Yasuhiko Takeiri, Kenji Saito, Engryht Rattanawongnara, Ken-ichi Nagaoka, Pierluigi Veltri, Werner Kraus, Stefan Briefi, Bernd Heinemann, Ursel Fantz, Masaki Osakabe
  • 学会等名: The 8th International symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Negative and positive ion density in front of negative ion produc- tion surface in large-scaled negative ion source for fusion (2022)
  • 著者名/発表者名: Haruhisa Nakano, Shingo Masaki, Katsuyoshi Tsumori, Masaki Osakabe, Katsunori Ikeda, Yasuhiko Takeiri, Engrhyt Rattanawongnara, Kenichi Nagaoka
  • 学会等名: The 8th International symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 国際学会
• [学会発表] NIFS負イオン源におけるプラズマ輸送過程の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩中健悟, 塩谷岳大, 星野一生, 中野治久, 柴田崇統, 宮本賢治
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Difference of Co-Extracted Electron Current and Beam Acceleration in a Negative Ion Source with Hydrogen-Isotope Ions (2021)
  • 著者名/発表者名: Katsunori Ikeda, Katsuyoshi Tsumori, Haruhisa Nakano,Kenichi Nagaoka, Yutaka Fujiwara, Yasuhiko Takeiri, Shingo Masaki, Engrhyt Rattanawongnara, Masaki Osakabe
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of RF Electric Field on Beam Focusing in Negative Ion Source Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Taiga Hamajima, Ryoya Nakamoto, Kenichi Nagaoka, Haruhisa Nakano, Engrhyt Rattanawongnara, Katsuyoshi Tsumori, Katsunori Ikeda, Masashi Kisaki, Shingo Masaki, Kenji Miyamoto, Masaki Osakabe, Kazunori Takahashi, Shinji Yoshimura
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Study of Negative Ion Beam Emittance Characteristics Using 3D PIC-MCC Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Miyamoto, Akiyoshi Hatayama, Kenichi Nagaoka, Katsuyoshi Tsumori, Kazuo Hoshino, Nakano Haruhisa, Takanori Shibata
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Beam Instability in the Vicinity of Beam Extraction Region of Negative Ion Source (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Nagaoka, Haruhisa Nakano, Katsuyoshi Tsumori, Katsunori Ikeda, Masaki Osakabe, Masashi Kisaki, Ryoya Nakamoto, Shinji Yoshimura, Taiga Hamajima, Toru Sasaki, Yutaka Fujiwara (Nat
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Study of Different Electron Density Observed in a Hydrogen and Deuterium Negative Ion Source Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Takanori Shibata, Ryo Kato, Haruhisa Nakano, Katsuya Hayashi, Jo Sato, Kenji Miyamoto, Kazuo Hoshino, Akiyoshi Hatayama
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Analysis of Isotope Effect in NIFS Negative Ion Source (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kato, Kazuo Hoshino, Haruhisa Nakano, Takanori Shibata, Kenji Miyamoto, Kengo Iwanaka, Katsuya Hayashi, Akiyoshi Hatayama
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Study of the Charged Particle Flow near the Plasma Grid in Negative Ion Source (2021)
  • 著者名/発表者名: Shingo Masaki, Haruhisa Nakano, Engrhyt Rattanawongnara, Kenichi Nagaoka, Katsunori Ikeda, Yutaka Fujiwara Masaki Osakabe, Motoi Wada, Katsuyoshi Tsumori
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization of Cathode Settings in a Low-Energy Electron Gun to Develop a Diagnostic Tool for H- Ion Source Plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshikatsu Matsumoto, Haruhisa Nakano, Masashi Kisaki, Katsuhiro Shinto, Mamiko Sasao, Motoi Wada
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Probe Measurement of an ECR Hydrogen Plasma Facing the C12A7 Electride Surface (2021)
  • 著者名/発表者名: Keita Bito, Mamiko Sasao, Motoi Wada, Katsuyoshi Tsumori, Nakano Haruhisa
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison of Ion Source Plasma Response by Extraction Grid Bias Between Hydrogen and Deuterium Operation in NIFS-RNIS (2021)
  • 著者名/発表者名: Haruhisa Nakano, Engrhyt Rattanawongnara, Katsuyoshi Tsumori, Shingo Masaki, Taiga Hamajima, Katsunori Ikeda, Kenichi Nagaoka, Yutaka Fujiwara, Masaki Osakabe
  • 学会等名: The 19th International Conference on Ion Sources
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of negative ion production with C12A7 electride in negative hydrogen ion source with kW-class ICP discharge (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Shimizu, H. Nakano, K. Saito, M. Sasao M. Wada, K. Bito, A. Ando
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] kW級ICP放電型水素負イオン源におけるC12A7エレクトライド表面近傍のプラズマ特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水星弥, 中野治久, 斎藤健二, 笹尾真実子, 和田元, 尾藤圭太, 安藤晃
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会