(57)【要約】【課題】電極間排気効率を向上させ、イオンビームの加速効率を改善させることができる核融合プラズマ用イオン源を得ることができる。【解決手段】真空容器内に配設され、プラズマを発生するプラズマ源と、前記真空容器内に、該真空容器内を複数に区分するように該真空容器とは電気的に絶縁した状態で配設され、各々が同一構成で複数の丸孔が行及び列において等間隔に形成された多孔板からなる複数の電極間に所定の電位を印加し、前記プラズマ源から発生するプラズマの中からイオンビームを引出すイオンビーム引出し部を備えた核融合プラズマ用イオン源において、前記イオンビーム引出し部における電極のうちのイオンを取出す最終段の電極に形成されている複数の丸孔を、前記行単位又は前記列単位でスリット状の長孔に変更した核融合プラズマ用イオン源。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に配設され、プラズマを発生するプラズマ源と、前記真空容器内に、該真空容器内を複数に区分するように該真空容器とは電気的に絶縁した状態で配設され、各々が同一構成で複数の丸孔が行及び列において等間隔に形成された多孔板からなる複数の電極間に所定の電位を印加し、前記プラズマ源から発生するプラズマの中からイオンビームを引出すイオンビーム引出し部を備えた核融合プラズマ用イオン源において、
前記イオンビーム引出し部における電極のうちのイオンを取出す最終段の電極に形成されている複数の丸孔を、前記行単位又は前記列単位でスリット状の長孔に変更したことを特徴とする核融合プラズマ用イオン源。
【請求項２】
前記電極のうち最終段の電極に形成されているスリット状の長孔を夫々複数に分割させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の核融合プラズマ用イオン源。
【請求項３】
前記真空容器内に配設され、前記各電極を支持する電極支持部に、冷媒により冷却した極低温パネルを配置し、前記極低温パネルを冷凍機により冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の核融合プラズマ用イオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核融合プラズマ用イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種従来のイオン源の一例として、図１０の断面図に示すように、プラズマ源ＰＳと、イオンビーム引出し部ＩＯを備えたものである。プラズマ源ＰＳは、縦方向断面形状が四角形のプラズマ源容器１と、プラズマ源容器１には図示していないガス導入装置、フィラメント、フィラメント電源及びアーク電源を備え、これらによりソースプラズマが生成され、このソースプラズマはプラズマ源容器１の外周面に配設されていることによりカスプ磁石２によりプラズマ源容器１内に閉じ込められるようになっている。又、プラズマ源容器１の外周面に、プラズマ源容器１の内部を、放電室と負イオン生成室に二分する電極７、８が配設されている。
【０００３】
イオンビーム引出し部ＩＯは、容器を構成する角筒状の絶縁スペーサ１０、１１、１２と、絶縁スペーサ１０〜１２相互間並びに絶縁スペーサ１２の下端部に配設され電極支持部を構成する電極支持フランジ４、５、６と、電極支持フランジ４、５、６に支持固定され、図１１に示すように各々複数の円形の孔（イオンビーム引出し孔）７ａ、８ａ、９ａが行及び列においてすべて等間隔に形成された多孔板からなる電極７、８、９とから構成されている。
【０００４】
なお、電極９よりも下流部に図示されない真空排気装置が設置され、イオン源内部の真空排気を行っている。
【０００５】
このような構成のイオン源の動作について説明する。プラズマ源ＰＳにおいて、図示しないガス導入装置、フィラメント、フィラメント電源及びアーク電源によりカスプ磁石２により閉じ込められたソースプラズマが生成される。
【０００６】
一方、イオンは、電極７と電極８の間の図示されていない電源によりプラズマ源及び電極７側に印加される電位により、ソースプラズマ中から引き出される。この引き出されたイオンは、電極８と電極９の間に、図示されていない電源により電位を与えることにより加速されて、イオンビームが形成される。
【０００７】
しかしながら、このような電極構成では、真空排気装置による排気は、電極７、８、９のイオンビーム引出し孔７ａ、８ａ、９ａのみとなるので、電極７〜９間の排気効率が落ち、ソースプラズマ生成のために導入したガスが電極７〜９間に滞留し、加速部の真空度が悪化する。このため、イオンビームは以下の中性化式のように加速途中で、電子を捕獲したり、電子を剥離されたりして中性化され、加速されるイオンビームが著しく減少すると言った問題が起こる。
【０００８】
［正イオンの中性化式（水素の場合）］ Ｈ＋ ＋ ｅ（電子）→Ｈ０  
［負イオンの中性化式（水素の場合）］ Ｈ− − ｅ（電子）→Ｈ０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上述べた従来のイオン源にあっては、イオン源内の真空排気は電極孔からのみとなるので、電極間の排気効率が落ち、ソースプラズマ生成のために導入したガスが電極７〜９間に滞留し、加速部の真空度が悪化する。このため、イオンビームは加速途中で、電子を捕獲、あるいは電子を剥離されて中性化され、加速されるイオンビームが著しく減少すると言った問題が起こる。
【００１０】
本発明の目的は、以上のような問題点を除去するためなされたもので、電極間排気効率を向上させ、イオンビームの加速効率を改善させることができる核融合プラズマ用イオン源を提供することにある。
【００１１】
本発明の目的とするところは、以上の述べた問題点を解決し、経済的、合理的な核融合プラズマ用イオン源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、真空容器内に配設され、プラズマを発生するプラズマ源と、前記真空容器内に、該真空容器内を複数に区分するように該真空容器とは電気的に絶縁した状態で配設され、各々が同一構成で複数の丸孔が行及び列において等間隔に形成された多孔板からなる複数の電極間に所定の電位を印加し、前記プラズマ源から発生するプラズマの中からイオンビームを引出すイオンビーム引出し部を備えたイオン源において、前記イオンビーム引出し部における電極のうちのイオンを取出す最終段の電極に形成されている複数の丸孔を、前記行単位又は前記列単位でスリット状の長孔に変更したことを特徴とするイオン源である。つまり、請求項１に対応する発明のイオン源は、最終段の電極をスリット状の長孔にすることで、電極間の排気効率を向上させ、イオンビームの加速効率を改善させることを特徴とするものである。
【００１３】
上記の様な構成によれば、電極間の真空度が良くなるため、イオンビーム加速中の電子の補足や剥離が行われる確率が低下するため、イオンビームの加速効率を改善することができる。また、電極孔が円形からスリット状の長孔になったため、電極の加工費用が安価になるとともに、イオンビームの加速効率が改善されるため、イオン源の小型化を容易に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明によれば、最終段の電極をスリット状にすることにより電極間の真空度が良くなり、イオンビーム加速中の電子の補足や剥離によるイオンの中性化作用が低下するため、イオンビームの加速効率を改善することができる。また、イオンビームの加速効率が改善されるため、イオン源の小型化を容易に行うことが可能となる。また、プラズマ源の断面形状を五角形以上の多角形にすれば、ソースプラズマに接するプラズマ源の内面積が小さくなり、イオン生成効率を改善することが可能となる。これらは、イオン引出し電流密度の増加につながり、引出し面積の縮小及びプラズマ源の小型化が計れ、イオン源全体が安価に製作できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１及び図２は、本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第１の実施形態を説明するための図であり、図１はイオン源を縦方向に沿って断面した図であり、図２は電極を示す斜視図である。
【００１６】
本実施形態は、図１０に示す従来のイオン源と異なる点は、イオンビーム引出し部における電極７、８、９のうちの最終段（プラズマ源から最も離れた位置にあるもの）の電極支持フランジ６に、複数の丸孔例えば円形のイオンビーム引出し孔９ａが形成された電極９を設けず、電極支持フランジ６に図２に示すように複数のスリット状（直線状）のイオンビーム引出し孔３ａを等間隔に形成した電極３を設けたものである。
【００１７】
このように構成された本発明の第１の実施形態によれば、最終段の電極３に複数のスリット状のイオンビーム引出し孔３ａを等間隔に形成したので、従来の電極９のイオンビーム引出し孔９ａの開口面積に比べて大きくなる。この結果、電極間の真空度が良くなるため、イオンビーム加速中の電子の補足や剥離が行われる確率が低下し、イオンビームの加速効率を改善することができる。
【００１８】
また、電極３のイオンビーム引出し孔３ａの形状が、従来の円形からスリット状になったため、従来の電極９のイオンビーム引出し孔９ａに比べて加工回数が少なくなるばかりでなく、イオンビームの加速効率が改善されるため、イオン源の小型化を図ることが可能となる。
【００１９】
＜第２の実施の形態＞
図３および図４は、本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第２の実施形態を説明するための図であり、図３は各電極７、８、３の関係を説明するための電極平面図であり、図４（ａ）は図３の各電極を縦方向に沿って断面した図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面位置とは直交する位置を断面した図である。
【００２０】
本実施形態は、図１に示す最終段の電極３に形成されている複数のイオンビーム引出し孔３ａの長手方向に沿った中心軸が、最終段の電極３を除く電極７、８に形成されている各丸孔７ａ、８ａの軸方向中心を夫々結ぶ行又は列単位の中心線の位置とはずれた位置になるように構成し、イオンビーム引出し部におけるイオンビームの軌跡を偏向させるようにしたものである。この点以外は、図１の実施形態と同一である。
【００２１】
このように最終段の電極３のイオンビーム引出し孔３ａの長手方向に沿った中心軸が、各丸孔７ａ、８ａの軸方向中心を夫々結ぶ中心線の位置とはずれた位置になるように構成することにより、イオンビームが図４（ａ）に示すように偏向させられ、イオンビームを任意の方向に収束させられることから、さらにイオンビームを標的に効率良く入射することが可能となり、例えば核融合プラズマ加熱装置に使用する場合について言えば、さらにプラズマ加熱効率を向上させることが可能となる。
【００２２】
＜第３の実施の形態＞
図５（ａ）は、本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第３の実施形態を説明するための各電極の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面位置とは直交する位置を断面した図である。
【００２３】
本発明の第３の実施形態は、図３及び図４に示す実施形態に、新たに複数の丸孔例えば円形の孔すなわちイオンビーム引出し孔１４ａが形成された電極１４を、前述の最終段の電極３の一段前に配設したものである。
【００２４】
この場合、電極３に形成されているスリット状のイオンビーム引出し孔３ａの長手方向に沿った中心軸が、プラズマ源に最も近い第１段、第２段に配置された電極７、８に形成されている各丸孔の軸方向中心を夫々結ぶ行又は列単位の中心線の位置とはずれた位置になるようにし、イオンビーム引出し部におけるイオンビームの軌跡を偏向させるようにしたものである。
【００２５】
このように、２枚の電極１４及び３に形成されているイオンビーム引出し孔１４ａ及び３ａの中心を、第１段および第２段の電極７、８の丸孔の軸方向中心からずらすことにより、イオンビームを偏向させビームを任意の方向に収束させることができる。
【００２６】
＜第４の実施の形態＞
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明のイオン源に係る第４の実施形態を説明するための図であり、図６（ａ）はイオン源を縦方向に沿って断面した図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の電極支持フランジ６部分を拡大して示す図である。
【００２７】
本実施形態は、図１の実施形態の電極支持フランジ６に、液体ヘリウム供給配管１５からの液体ヘリウム及び液体窒素供給管１６からの液体窒素により例えば４Ｋ及び８０Ｋにそれぞれ冷却される極低温パネル１８及び１７を配置した点以外は、図１と同一である。
【００２８】
このように構成することにより、極低温パネル１８、１７にイオン源内部の残留ガスが吸着され、さらに、電極７、８、３間の排気効率が向上し、電極７、８、３間の真空度が良くなり、この結果イオンビーム加速中の電子の補足や剥離作用が低下し、イオンビームの加速効率が改善される。
【００２９】
図６の実施形態の変形例として、図３又図５R>５の実施形態の電極支持フランジ６に、図６の極低温パネル１８及び１７を配置するようにしてもよい。このように構成することにより、図６と同様な作用効果が得られる。
【００３０】
＜第５の実施の形態＞
図７は、本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第５の実施形態を説明するためのイオン源を縦方向に沿って断面した図である。第５の実施形態は、図１の電極支持フランジ４、５、６に、極低温パネル２７、２８、２９を配置し、これらのパネル２７、２８、２９をそれぞれ冷凍機２０に連結された冷媒配管２１、２２、２３からの冷媒により夫々冷却するように構成したものである。
【００３１】
このように構成することにより、大掛かりな冷凍設備や液体ヘリウムタンク、液体窒素タンクが不要となり、より経済的な運転が可能となる。
【００３２】
図７の実施形態の変形例として、図３又図５R>５の実施形態の電極支持フランジ４、５、６に、図７の極低温パネル２７、２８、２９を配置し、これらを小型冷凍機２０により冷却するようにしてもよい。このように構成することにより、図７と同様な作用効果が得られる。
【００３３】
＜第６の実施の形態＞
図８は、本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第６の実施形態を説明するためのプラズマ源の断面図である。プラズマ源を収納しているプラズマ源容器１の縦方向の断面形状を多角形例えば五角形以上にしたイオン源である。
【００３４】
これに対して図１０の従来例で示す大型イオン源では、プラズマ源容器１の断面形状は四角形であり、かつ真空容器を兼ねる構成であが、イオンを効率良く生成させるためには、ソースプラズマに接するプラズマ源の内面積を極力小さくした放電領域をつくり、イオンを効率良く生成させることが良く知られており、断面形状が半円筒形のプラズマ源も製作されている。
【００３５】
このため、本発明によるイオン源は、例えば、図８に示すようにプラズマ源の断面形状を六角形とし、ソースプラズマに接するプラズマ源の内面積を極力小さくしたものである。半円筒形のプラズマ源では、製作性の困難さ、真空容器を兼ねる場合の機械的強度が要求されるが、本発明による六角形のプラズマ源では、製作も容易であり、機械的強度も十分得ることができ、本発明の効果は絶大になる。
【００３６】
＜第７の実施の形態＞
図９は、本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第７の実施形態を説明するための最終段の電極の平面図である。図２に示す最終段の電極３に形成されている各スリット状のイオンビーム引出し孔３ａを、夫々３ａ１、３ａ２、３ａ３に示すように２〜３個に分割させるように構成したものである。
【００３７】
このように構成することにより、電極３に機械的強度を持たせることができ、この結果大面積の電極の製作を可能にしたものである。イオン源として、数十Ａ以上の負イオン電流が要求される場合、引出し電流密度の低い負イオン源では、引出し面積を広くとる必要がある。例えば、４０Ａ以上の負イオン電流を引出す場合には、３０００ ｃｍ２以上の引出し面積が必要となる。
【００３８】
そこで、図９に示す実施形態は、引出面積の大きな電極にスリット状の孔加工を行う場合に、スリットを分割することにより電極に強度を持たせ、大面積の電極の製作を可能にしたものである。
【００３９】
＜変形例＞
本発明のプラズマ源により負イオン源を製作した場合の負イオンビーム生成効率の向上の効果は絶大となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第１の実施形態を説明するための断面図。
【図２】図１の複数の電極を説明するための斜視図。
【図３】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第２の実施形態を説明するためのものであって、複数の電極にそれぞれ形成される孔の位置の関係を説明するための上面図。
【図４】図３の実施形態における電極とビーム軌道を説明するための断面図。
【図５】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第３の実施形態における電極とビーム軌道を説明するための断面図。
【図６】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第４の実施形態を説明するための断面図。
【図７】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第５の実施形態を説明するための断面図。
【図８】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第６の実施形態を説明するためのプラズマの断面図。
【図９】本発明の核融合プラズマ用イオン源に係る第７の実施形態を説明するための最終段電極の平面図。
【図１０】従来の核融合プラズマ用イオン源に係る一例を説明するための断面図。
【図１１】図１０の各電極におけるイオンビーム引出し孔の配置関係を説明するための電極の平面図。
【符号の説明】
【００４１】
１…プラズマ源、２…カスプ磁石、３…スリット電極、３ａ…スリット孔、４…電極支持フランジ、５…電極支持フランジ、６…電極支持フランジ、７…電極、７ａ…ビーム引出し孔、８…電極、９…電極、１０…絶縁スペーサ、１１…絶縁スペーサ、１２…絶縁スペーサ、１３…イオンビーム軌道、１４…電極、１５…液体ヘリウム供給配管、１６…液体窒素供給配管、１７…８０Ｋパネル、１８…４Ｋパネル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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