2018 Fiscal Year Annual Research Report
水素ペアイオンプラズマの集団物性解明とイオン連星系の検証
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18H01195
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
大原 渡 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (80312601)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 雅史 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (80638825)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 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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| Outline of Annual Research Achievements |
水素ペアイオンプラズマの実現に向けて，ドライバープラズマの改善に取り組んだ．2017年度までにエンドプレートに附属する形で小型の水素プラズマ（ドライバープラズマ）を生成して，主放電プラズマのターゲットプラズマへ正イオンを加速入射することができるようになった．ここで，フィラメント支持ロッドの水冷化，放電体積の増加といった改良によって，ドライバープラズマ密度が増加して，正イオンビーム電流を増加させることができた．これにより，分子状正イオンを含む水素イオン性プラズマ密度の向上に成功した．また，正イオンビームエネルギーを決めるドライバープラズマ電圧と負イオンを引出す制御グリッド電圧を制御パラメータとして，イオン性プラズマ密度と負イオン崩壊について詳細に調べた．正イオンビームエネルギーよりも高い制御グリッド電圧範囲において，負イオン崩壊を抑制しつつ，密度の高いイオン性プラズマを実現できることが明らかになった．
分子状正イオンの存在を低減させるために，３つの手法を試みた．フィラメントによって水素分子を熱解離させて放電すると，分子状正イオンの存在比はある程度減少したが，フィラメント短寿命の問題があった．さらに誘電体バリア放電，マグネトロン放電を試みたが，放電電流が少なく，解離は不十分であった．現時点では，分子状正イオンの存在比を減少させる試みは成功していない．
負イオン崩壊機構の解明に関して，高周波電場をイオン性プラズマへ印加して，回転対構造の共鳴的な破壊を試みた．3.5 MHz近傍で負電流が増加して，負イオン崩壊による脱離電子を測定した兆候が得られた．しかし，正イオン電流も増加しており，機構は不明だが特定周波数で局所的な電離が発生した可能性があるため，制御された負イオン崩壊の手法について，さらなる検討・検証が必要である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
水素ペアイオンプラズマの実現に向けて，2018年度の研究実施計画では，(1)プラズマ密度の向上，(2)分子状正イオンの低減，(3)負イオンの崩壊抑制，を実施予定としていた．50 eV以上の正イオンビームを重畳して，低エネルギー正イオンと共に，アルミニウムプラズマグリッドへ照射した．10 eV以下の低エネルギー正イオンが負イオン生成に寄与して，正イオンビームは寄与しない．負イオンを引出し加速すると，負イオン崩壊抑制できることは明らかになっていたが，引出加速と正イオンビームエネルギーの詳細関係を明らかにした．従来検討していたよりも引出加速電圧が高いほど，負イオンの崩壊を抑制しつつ，プラズマ密度を高くできることが明らかになった．よって，実施予定の(1)と(3)は実現できた．なお，実験装置冷却能力の上限から，放電電流を大幅には増加できない状況なので，プロトン比が低く，分子状正イオンが存在することを避けられない．ここで水素分子を真空容器へ導入する直前に解離させて，原子状水素を放電させてプロトン比の向上を図った（実施予定(2)）．熱解離，誘電体バリア放電，マグネトロン放電を試みたが，フィラメント寿命が短すぎる，プロトン比の向上が有意に確認されない結果となった．よって，実施予定(2)は改善されていない．
負イオンの崩壊が発生する機構解明において，仮説を立てた回転対構造の存在検証をするために，高周波電場を印加して共鳴的な破壊を試みた．特定周波数付近に電子電流が大きくなる現象を発見した．しかし，これは局所空間で放電が発生した可能性を排除できず，再現性に課題がある．また質量分析器の改善も必要であることが分かった．
以上のように，実施予定にしていた事項はおおむね計画通りに実行した．狙い通りの成果が得られた事項と，まだ途上の事項はあるが，おおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）原子状水素ペアイオンプラズマを実現するためには，分子状正イオンの存在割合を減少させて，プロトン比を向上させることが必要である．原子状水素を生成するために，主放電領域へ水素ガスを供給する直前に，ECR放電により水素原子の生成を試みる．分子化する前に放電領域へ導き，プロトン比を向上させたプラズマの生成を試みる．
（２）負イオン崩壊する物理的機構は明らかになっていないが，プラズマ生成手法として，正イオンビームを重畳して，負イオンを引出加速すれば，負イオン崩壊を抑制しつつ，密度の高い水素イオン性プラズマが実現できる．分子状正イオンが混在しており，理想的な水素ペアイオンプラズマではないが，電子プラズマとは異なり，ペアイオンプラズマに近い集団物性を持つプラズマと考えられる．軸方向へ伝搬する静電波の励起方法を検討，ならびに伝搬特性を明らかにすることを予定している．また，粒子のエネルギー分布は，運動エネルギーが高い正イオンビームと低エネルギーの負イオンから成っており，外部励起波のみならず，二流体不安定性など微視的不安定性の発現も予想される．この自己励起波にも注目して測定を実施する．
（３）負イオン崩壊機構の解明に関して，正負イオンの回転対構造が存在するとの仮説を立てている．この回転対構造に対して，高周波電場の印加や遠赤外線など長波長の光照射によって，選択的に回転対構造を破壊して，その存在の実証を行う．負イオン崩壊により現れる脱離電子を直接的に示すためには，質量分析により負イオンと分離して，電子電流として示す必要がある．ここでCGを通過した荷電粒子はE×Bドリフトと思われる軸垂直方向成分を持っており，軌道の軸ずれを起こす課題がある．そこで質量分析器へ入射する直前に粒子軌道補正をする必要がある．以上の通り，制御された負イオン崩壊と電子の直接計測を目指す．
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