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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26400533
• 研究機関: 鳴門教育大学
• 研究代表者: 宮本 賢治 鳴門教育大学, 大学院学校教育研究科, 准教授 (00532996)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

負イオン源で生成される負イオンビームコアの発散角は小さいが、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３次元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。
今年度はまず、負イオン源の負イオン生成部から加速部までを総合的にモデル化し、加速部の電極熱負荷について、実験結果と数値計算結果を比較・検討することで、構築した３次元PIC-MCC結合コードにおける計算モデルの妥当性を検証した。0 Paまで外挿した際の電極熱負荷の値は、主にビームハロに起因しており、この値と数値計算結果がほぼ一致することから、計算モデルは妥当であることが言える。
次に、クーロン衝突や荷電交換衝突による、表面生成負イオンのエネルギー緩和過程が負イオンビームの光学特性に及ぼす影響について調べた。その結果、エネルギー緩和過程により、負イオンビームの光学特性が改善し、エミッタンス図においてビームコアとビームハロの分離が見られることを示した。またエネルギー緩和過程において、荷電交換衝突よりもクーロン衝突の方が支配的であることを明らかにした。
また、エミッタンス図と負イオンビーム軌道からビームハロ発生の物理機構は、以下の通りであることを解明した。すなわち、負イオン引出し面の中央部付近から引き出された負イオンはビームコアになるのに対して、負イオン引出し面の端部から引き出された負イオンはビームハロになる。負イオン引出し面の端部の電界レンズ効果は強いため、引出部で負イオンビームが過収束してビームハロになる。

研究成果

• [雑誌論文] Study of energy relaxation processes of the surface produced negative ions by using the 3D3V PIC simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto, I. Goto, S. Nishioka, A. Hatayama , J. Hiratsuka, M. Hanada, and A. Kojima
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 水素負イオン源におけるビームハロ形成機構に関する研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西岡宗、阿部祥大、宮本賢治、畑山明聖、深野あづさ
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-12-01 – 2016-12-01
• [学会発表] ITER 級負イオン加速器における負イオン引出し物理機構の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 平塚淳一，柏木美恵子，小島有志，梅田尚孝，吉田雅史，市川雅浩，錦 織良，宮本賢治
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-11-29
• [学会発表] 2.Long-pulse acceleration of 1MeV negative ion beams toward ITER and JT-60SA neutral beam injectors (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Hiratsuka, A. Kojima, N. Umeda, M. Hanada, M. Kashiwagi, M. Yoshida, R. Nishikiori, M. Ichikawa, K. Watanabe, H. Tobari, M. Dairaku, H. Yamanaka, H. Abe, R. Kawamata, N. Shibata, T. Maejima, Y. Terunuma, Y. Oda, N. Akino, K. Mogaki, S. Sasaki, N. Seki, S. Nemoto, T. Shimizu, Y. Endo, K. Miyamoto, et al.
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17 – 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] tudy of energy relaxation processes of the surface produced negative ions by using the 3D3V PIC simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto, I. Goto, S. Nishioka, A. Hatayama , J. Hiratsuka, M. Hanada, and A. Kojima
  • 学会等名: th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources
  • 発表場所: St. Anne's College, Oxford, UK
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-14
  • 国際学会