ITER用大出力負イオン源及びIFMIF用高輝度イオン源の開発
Development of high power negative ion sources for ITER andhigh intensity ion sources for IFMIF
渡辺和弘
原研・那珂
WATANABE Kazuhiro
JAERI Naka

１．はじめにITERでは、プラズマの加熱と電流駆動装置の一つとして、負イオンを一次ビームとする大出力の中性粒子入射装置(NBI)が計画されている[1]。この装置の心臓部である負イオン源は、ビームエネルギーが１MeVで１台あたりの重水素負イオンビーム電流が40Aの大出力負イオン源である[2]。この負イオン源の実現に向けた開発課題として、
１）負イオン電流の高密度化と大電流化、
２）負イオン源動作ガス圧力の低減、３）高エネルギー化、４）長パルス化、などが挙げられる。原研では、1MeV級NBIの実現に向けて上記の課題に取り組み、その見通しを得た。
また、中性子環境下でも十分な信頼性と寿命を持ち放射化の少ない材料の開発のために、国際核融合材料照射施設(IFMIF)が計画されている[3]。この装置は、重陽子ビームを40MeVまで加速し液体リチウムターゲットに入射して大強度の中性子を得る装置
で あ る 。 重 陽 子 ビ ー ム 源 と し て 100keV,155mAの高輝度重水素正イオン源が必要とされ、これまでのイオン源技術を適用してその開発を行っている[4,5]。
本報告では、これらITERに向けた大出力負イオン源の開発の現状と加速器用の高輝度イオン源開発について紹介する。
２．負イオン源の開発
２．負イオン源の開発
２．１ 高密度、大電流負イオン生成技術
原研ではセシウム添加型の負イオン源の開発を実施している。本方式における負イオン生成機構は、イオン源のソースプラズマに面する負イオン引き出しの第一番目の電極面での表面生成であることが、電極の温度や仕事関数と負イオン生成の相関から確実となった[6,7]。この方式の負イオン源は、E-mail : watanabe@naka.jaeri.go.jp

JT‑60負イオンNBIに適用され[8]、これまでに20.4Aの水素負イオン、17.4Aの重水素負イオン生成に成功している[9]。高密度負イオン生成には、セシウム添加の他、負イオン生成効率に強く寄与するプラズマ中の電子温度の制御も重要である。電子温度制御には磁気フィルターが使用され、磁場強度の 最 適 化 に よ り 、 従 来 の 1/3 以 下 で あ る
0.1Paの極めて低い動作ガス圧力でも負イオン生成に適する1eV程度の低速電子条件を得て、310A/m2の高密度負イオン生成に成功した[10]。重水素負イオンでは、原研のイオン源を使用した日仏共同実験でITER目標の200A/m2の生成に成功し、長パルス試験で は 180A/m2 で 目 標 1000 秒 を 実 証 し た[11,12]。
２．２高エネルギー加速技術
２．２高エネルギー加速技術
ITER‑NBの当初の設計では、‑1MVの高電圧が印加される負イオン源全体を、絶縁ガスとして広く用いられている六フッ化硫黄(SF6)６気圧で絶縁する計画であった。しかし、プラズマからの放射線で絶縁ガスの電離が無視できないことが判明し[13‑15]、イオン源全体を真空中に設置する方式となっKamabokosourceCeramic
postspacer
Accelerator

2m
Fig. 1 Vacuum insulated beamsource(VIBS).

10000

ＩＴＥＲ目標値

高エネルギー高エネルギー
加速技術
加速技術

1MeV,
MeV, 40A(20mA/cm 2,D--)

ビームエネルギー (ｋｅＶ)
ｋｅＶ)

1000
’98
98
’91
91

100

’85
85

’86
86

Designparameters ofITER NBI

Beam energy

1000 keV

1000 keV, 0.04 A

Beam current

40 A

20.4 A, 406 keV(H-)
17.4 A, 403 keV(D-)’8888

Beam current
density &Operating pressure

200 A/m2(D-)(280 A/m2(H-))
at 0.3 Pa

200 A/m2(D-) at 0.3Pa
310 A/m2 (H-) at 0.1Pa

Pulse length

1000 s1000 s(180 A/m2(H-), 120 A/m2(D-)
at 25 keV)

’9090

大電流負イオン
大電流負イオン生成技術
生成技術

’84
84

10.001 0.01 0.1

Items

’97
9701
97-’01

’92
92

’90
90

10Table 1 Present status of the development

110100 1000

負イオンビーム電流 (A)Achievements

Fig.2 Development of negative ion
beams．
た[16]。この場合、高電圧部と接地電位間にメートル級の真空長ギャップが形成される。このような長ギャップでの放電特性については十分に把握されておらず、絶縁を確保できるかどうかが本方式成立の前提条件として、緊急に調査することが必要になった。そこで、1.8mの真空長ギャップについての耐電圧試験を行った。その結果、メートル級ギャップでのITER‑NBの運転圧力領域ではグロー放電など低電圧放電は発生しないことが確認でき、本方式の成立性を実証できた。さらに、真空絶縁方式の５段静電加速器(Fig.1)を作成し、負イオン加速試験において、970keVまでの加速を実証し、真空絶縁方式に本質的な問題の無いことを明らかにした[17]。
以上のように、負イオン源の開発は大電流化と高エネルギー化の２本の開発路線で進められてきた(Fig.2)。それぞれ個別ではあるが、その目標値をほぼ達成した(Table1)。今後は全ての性能を同時に満足する総合出力試験が重要である。

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Design 56‑56‑57,
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[2] M. Hanada, et al.,Fusion Eng.
Design 56‑56‑57,57 505‑509(2001).
[3] Office of Fusion Materials Research
Promotion, JAERI‑Tech 2002‑022(March3,2002)．
[4]伊賀、他､原研レポート JAERI‑Tech2002‑028(2001).
[5]伊賀、他、本講演会 2F018.
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conference, PII‑24. Dec.11‑14,(2001).
[10]森下、他、Proc. 12th BEAMS,33‑36 2001[11] D.Boilson, et al., Rev.Sci.Instrum.
73(2)1093‑1095(2002).
[12] 柏木、他、Proc. 12th BEAMS,37‑40(2001).
３．高輝
３．高輝度イオン源の開発[13] Y. Fujiwara, et al., Fusion
IFMIF用イオン源として、100keV,155mAの重Engineering and Design 55, 1‑8(2001).
水素正イオン源が必要である[3]。原研では、[14] E.R.Hodgoson, et al.,Proc. 20th SOFT,
このイオン源の実現のために、アーク放電
295(1998).
型のイオン源とマイクロ波イオン源の開発[15]
T.Inoue, et al., Proc. 20th SOFT,を行っている。これまでに、プラズマチェ
Marseille,411(1998).
ンバー内径が120mmで深さが122mmのアーク[16]E.Di Pietro, et al., Proc. 20th SOFT,
放電型イオン源と直径12mmの単一孔引き出Marseille,407(1998).
し系を用いてのビーム特性試験を実施した。
[17]
K.Watanabe, et al., Rev. Sci.
目標のプロトン比90%の生成や、ビーム収束Instrum.
73 (2), 1090‑1092(2002)
性においてもビーム発散角を良好に保ち定格のビームを得る見通しを得た[5]。現在、加速器への連結部である低エネルギービー
ム輸送部の試験を開始した。