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平成25年5月13日

負イオンビームを加速する −粒子ビーム加熱装置の高性能化を目指して−

 

 

  大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
 

核融合科学研究所

 大型ヘリカル装置(LHD)のプラズマを加熱する方法の一つに、高エネルギーの中性粒子ビームを入射する方法があります。この加熱方法により昨年度、8,500万度のイオン温度を達成しました。LHDでは、エネルギーが高く性能の優れた中性粒子ビームを生成するために、世界に先駆けて負イオンを使った中性粒子ビーム入射加熱装置を開発し実用化しています。今回は、ビーム入射装置の性能をさらに高めるために、負イオンを発生する負イオン源の高性能化に向けた研究を紹介します。

 高いエネルギーの水素原子のビームをプラズマに入射すると、ビームの持つエネルギーをプラズマ中のイオンや電子に渡すことにより、プラズマを加熱することができます。ところが水素原子は電気的に中性な粒子のため、高いエネルギーを与えることができません。そこで、電子が取れてプラス(正)の電気を持った正イオン、あるいは電子がくっ付いてマイナス(負)の電気を持った負イオンを電気の力を用いて高い電圧で加速して、高エネルギーのイオンビームにします。そして、水素ガス中にこのイオンビームを通過させることにより、中性粒子ビームに変換します。ここで負イオンを使うと、正イオンに比べて高いエネルギーまで効率よく中性粒子ビームに変換できます。LHDでは、世界で唯一、負イオンを用いた中性粒子ビーム入射加熱装置が稼働しており、プラズマの高性能化に大きく貢献しています。
 さて、負イオンビームを生成する負イオン源には、イオンビームを高いエネルギーに加速するための加速器があります。LHDの負イオン源の加速器では、3枚の電極を使って18万ボルトという高い電圧で負イオンを加速しています。ところが、加速器の中にも微量ながらガス粒子が存在しているため、負イオンが加速される途中で周りを漂っているガス粒子と衝突すると、電子を剥ぎ取られて中性粒子になったり、あるいは逆に、ガス粒子を電子と正イオンに別れさせることがあります。こうして生成された中性粒子、電子や正イオンを2次粒子といいますが、それらの一部は電極に衝突して熱負荷となり、場合によっては加速器の一部を損傷させることもあります。
 このような熱負荷を低減して、高エネルギーの負イオンビームを長時間安定に生成するためには、加速器の中で発生する2次粒子の発生場所・発生機構やそれらの振る舞いを明らかにする必要があり、それらを計算機シミュレーションと実験により調べています。LHDで稼働している負イオン源の加速器をモデル化して計算機シミュレーションを行い、その結果を実験と比較したところ、加速器の中のガス粒子の密度を下げることが重要であることに加えて、加速器に入る負イオンの振る舞い、つまり負イオンが生成される過程もシミュレーションに取り込む必要のあることが分かってきました。現在、負イオンが生成される過程と加速される過程の両方を計算するシミュレーションコードの開発を、イタリアとフランスの海外の研究者と共同で進めています。今後、2次粒子の振る舞いを明らかにして、熱負荷を極限まで抑えた負イオン源の加速器を開発し、ビーム入射加熱装置の性能をさらに向上させる計画です。


以上