(57)【要約】【課題】  ＮＢＩでは高出力を得るために負イオン源を大型化して、大面積から負イオンを引き出し加速するため、大面積に渡って一様な磁気フィルターを形成し負イオン密度の均一化を図っていたが、負イオンビームは空間的に一様に発生せず、例えば負イオン源下部から発生する負イオン電流密度が上部のそれに比べ数10%も低下するという問題があった。 【解決手段】  従来一様であった磁気フィルター強度を制御し、プラズマの局所パラメータに応じて最適強度とすることによって大面積に渡って低電子温度プラズマを実現し、一様な負イオンを大面積に生成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負イオン源のプラズマ電極周辺部に一対の永久磁石を対向して配置してその磁場で磁気フィルターを形成し、負イオン源の引き出し領域に生じた低電子温度プラズマ中の電子温度が１ｅＶを越える部分に対して、磁気フィルターの磁場強度を強化して形成し、電子温度を１ｅＶ以下に低下させ、負イオン源の放電プラズマ中の電子温度を大面積に渡って１ｅＶ以下に低下させることにより、負イオンの一様な空間分布を得ることを特徴とする負イオン源中のプラズマから一様な負イオンビームを発生させる負イオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来一様であった磁気フィルター強度を制御し、プラズマの局所パラメータに応じて最適強度とすることによって大面積に渡って低電子温度プラズマを実現し、一様な密度の負イオンビームを大面積に発生させる負イオン源である。
【背景技術】
【０００２】
水素（及びその同位体）の負イオンは、高密度低温拡散プラズマ中の電子温度が１ｅＶ以下の低電子温度プラズマ中で生成する。そこで、核融合プラズマの加熱装置である中性粒子入射装置（ＮＢＩ）で用いられる負イオン源では、その放電室内に横磁場（磁気フィルターと呼ばれる）を形成し、その磁場内に生じる低電子温度プラズマ中に負イオンを生成している。
【０００３】
上記ＮＢＩでは高出力を得るために負イオン源を大型化して、大面積から負イオンを引き出し加速するため、大面積に渡って一様な磁気フィルターを形成し負イオン密度の均一化を図っていたが、負イオンビームは空間的に一様に発生せず、例えば負イオン源下部から発生する負イオン電流密度が上部のそれに比べ数10%も低下するという問題があった。
【０００４】
核融合プラズマの加熱に用いられるＮＢＩでは、負イオンをアーク放電中に生成する負イオン源が広く用いられている。水素負イオンは、低電子温度プラズマ中で生成し、電子温度が1 eV以上の電子との衝突によって容易に損失するため、図１に示すように、負イオン源の放電室内を横断する横磁場（磁気フィルターと呼ばれる）を形成し、放電室を主放電室と引き出し領域の２領域に分けて、主放電室から引き出し領域に拡散してくる低電子温度プラズマ（高密度低温拡散プラズマ）の中に負イオン（Ｈ−）を生成している。
【０００５】
ＮＢＩでは、高出力を得るために負イオン源を大型化し、１ｍ×０.５ｍ程度の大面積から負イオンを引き出すため、低電子温度プラズマ中に負イオンを一様に生成することが必要である。従来は、一様な低電子温度プラズマを生成するためには、一様な強度を持つ磁気フィルターを放電室内に形成することが重要と考えられてきた。
【０００６】
このため例えば：
・負イオン源下流のプラズマ電極に数ｋＡの大電流を流し（非特許文献１）、
・プラズマ電極の周辺部に、長手方向に一様な強度を持つ一対の長尺永久磁石を対向して配置し（非特許文献２）、
・負イオン源放電室内に数本の金属管を並べ、その中に一様な強度を持つ長尺永久磁石を挿入して各磁石が隣の管内にある磁石と引き合うように配置し（非特許文献３）、
その作る磁場を利用することにより、負イオン源内の大面積に渡って一様強度の磁気フィルターを形成する等、が試みられていた。しかしながら、負イオン源から引き出された負イオンビームが空間的に不均一となることが観測されている（非特許文献４、５）。
【０００７】
【非特許文献１】Y. Okumura, M. Hanada, T. Inoue et al., Proc. 15thIEEE/NPSS Symp. on Fusion Engineering, 466-469, Hyannis, MA, Oct. 11-15 (1993).
【非特許文献２】T. Inoue, M. Araki, M. Hanada, et al., Nucl. Instrum. and Meth. B37/38, 111-115 (1989).
【非特許文献３】K. N. Leung, K. W. Ehlers, C. A. Hauck et al., Rev. Sci. Instrum. 59/3, 453-456 (1983).
【非特許文献４】N. Umeda et al, Nucl. Fusion 43 522-526 (2003).
【非特許文献５】T. Morishita, K. Miyamoto, Y. Fujiwara et al, Rev. Sci. Instrum. 73/2 1064-1066 (2002).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のとおり、負イオン源から引き出された負イオンビームが空間的に不均一となることが観測されている（非特許文献４、５）。その具体的な測定例を第２図ｃ）中に○で示す。この例では、負イオン源上部から発生する負イオン電流密度が下部のそれよりも高く、負イオン源運転条件によっては数１０％以上となることもあった。このように大面積に生成する負イオンの密度にバラツキを生じるために、引き出し、加速された後の負イオンビーム特性も一様とはならず、一部分から発散性のビームが発生してＮＢＩ内でパワーを損失して機器を溶損したり、プラズマの加熱パワーが低減する、という間題があった。
【０００９】
本発明者は、大型負イオン源における一様な磁気フィルター中を拡散するプラズマの特性を詳細に測定した。その結果を図２に示す：
１）引き出し領域のプラズマの電子温度、密度等のパラメータが磁気フィルターの磁力線及びビーム引き出し方向と直交する方向に偏りを生じること、
２）この偏りによって生じる電子温度、密度の勾配の向きは磁気フィルターの極性によって決まること、
３）この勾配によって、図２ｂ）に○で示すように、引き出し領域プラズマ中に電子温度が１ｅＶを越える部分が生じ、図２ｃ）に○で示すように、ここで負イオン密度（強度分布）が急激に低下し、負イオン密度が一様とならないこと、を見出した。すなわち、強度の空間分布が一様な磁気フィルターでは、電子温度分布が一様となり得ず、そのために、図２のｃ）の〇で示すように、負イオン密度が一様とならないのである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、これらの問題を解決する負イオン源である。本発明の負イオン源の特長とその効果は以下のとおりである。
１）本発明による負イオン源では、例えばプラズマ電極周辺部に一対の短尺永久磁石数組を対向して配置し、その作る磁場で磁気フィルターを形成する。
２）本発明による負イオン源では、従来の一様強度の磁気フィルターで引き出し領域プラズマ中の電子温度が１ｅＶを越える部分について、永久磁石を磁力の強いもの（図２a）の強化したフィルター磁石）と置き換えて強度を強化する。
３）磁気フィルター強度を強化した部分では、従来に比べてプラズマ中の電子温度が低下し、第２図ｂ）に●で示すように１ｅＶ以下の電子温度を実現することができる。
４）以上のように、本発明により負イオン源放電プラズマ中の電子温度を大面積に渡って低下させることにより、図２ｃ）に●で示されるような、一様な負イオンの空間分布を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、従来一様であった磁気フィルター強度を制御し、プラズマの局所パラメータに応じて最適強度とすることによって大面積に渡って低電子温度プラズマを実現し、一様な負イオンを大面積に生成して上記問題を解決することによって、負イオン源中のプラズマから一様な負イオンを発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、負イオンの源の外部磁気フィルターの概念図（負イオンビームを含む断面における負イオン源断面）を示す。プラズマ電極の上部に設けられた一対の永久磁石により、プラズマに横磁場を付与して磁気フィルターを形成し、負イオン源の主放電室から高密度低温拡散プラズマを引き出し領域に拡散させ、その低電子温度プラズマ中に発生する負イオンを引き出し電極に高電圧を印加することにより負イオン源から取り出す。
【００１３】
本発明においては、図２ａ）に示されるように、プラズマ電極の外側に従来の一対の永久磁石のうち、引き出し領域のプラズマ中の電子温度が１ｅＶを越える部分（負イオン源の下部半分）に対して磁場を強化するために大型の永久磁石を配置することにより、図２ｂ）に●で示されるように、そこに１ｅＶ以下の電子温度を実現させる。
【００１４】
即ち、図２は、電子温度と負イオンビーム強度分布の変化を示しており、図２ａ）は、本発明により下部磁気フィルターを強化した負イオン源の磁気フィルターの配置（フィルター磁場を含む面における断面図）を示す。図２ｂ）は、負イオン源の引き出し部内の電子温度分布を示す。図２ｃ）は、負イオンビームの強度分布を示す。図２中ｂ）及びｃ）において、○  は一様磁場、● は下部磁気フィルター強化後の電子温度及び負イオンビーム強度を示している。図２のｂ）及びｃ）の縦軸はイオン源上下方向の中央を原点として「０」で表している。負イオンビーム強度は下部磁気フィルターの強化により一様になっている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】外部磁気フィルター付き負イオン源の概念を示す図である。
【図２】ａ）は、本発明により下部磁気フィルターを強化した負イオン源の磁気フィルターの配置を示し、ｂ）は負イオン源引き出し領域内の電子温度の分布を示し、ｃ）は 負イオンビームの強度分布を示す。
【図１】
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【図２】
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