強 力 中 性 子 源 IFMIF用 ‫ ݗ‬プ ロ ト ン 比 イ オ ン 源 の 開 発
渡邊和弘ⅰ、伊賀 尚、森下卓俊、柏木美恵子、井上多加志、
花田磨砂也、ૌ口正樹、今井 剛
日本原子力研究所 జ珂研究所〒311-0193 茨城県జ珂郡జ珂町向山801-1

概要

Normal Cusp

Filament

IFMIF用イオン源開発の一環として、アーク放஢型イオン源とマイクロ波放஢型イオン源の開発及び性能比Ԕを行った。アーク放஢型では、フィルター
磁場とЧ極形状の改良で目標のプロトン比90%を得た。マイクロ波放஢型ではミラー磁場配位の調整や加速൉でのグロー放஢抑制などによりビームの安定化を行い、プロトン比92%を得た。また、両方式イオン源のエミッタンス(rms)を比Ԕしたところ、60keV, 120mAのビームで多極磁場型が0.27πmm zmradであるのに対して、マイクロ波イオン源では0.34πmmzmradと幾分大きいことが分かった。

Arc ChamberPlasma Electrode
Gradient Electrode

Magnet(Normal Cusp)
Magnet(Strong Filter)

N S N
S

S

NN
S

Magnet(Filter)

N

S

Insulator
Strong Filter
N NN
S

S

N

N
S

S

S

Suppression Electrode
Insulator

Filter
NN

S

S

N

S

Exit ElectrodeS
N

N

１．はじめにS

100 mm[1,2]

国際核融合材料照射施০(IFMIF)
は、40MeV,250mAの重ຨ子ビームを液体リチウムターゲットに照射して、材料ࠟ験のための中性子を発生させる加速器ベースの強力中性子源である。この装置にはエ
ネルギー100keV、重ຨ子஢流155mAで原子イオン組成比が90%以上、エミッタンスが0.2πmmzmrad(rms)、1πmmzmrad（90%）の‫ݗ‬輝度イオン源が要求されている。
イオン源方式の候補として、アーク放஢型とマイクロ波放஢型がある。これらのイオン源でビーム性能要求値を目指すとともに、ビーム஢流、プロトン比、エミッタンス、メンテナンス頻度等を比Ԕして実機イオン源の方式選択が必要である[2-6]。
原研では、イオン源方式の選択に向けて、アーク放஢型とマイクロ波放஢型イオン源の開発と性能の比Ԕを行っている[2,3,6]。今回は、特にプロトン比とエミッタンスに注目し、開発ࠟ験を実施した。

図１

アーク放஢型イオン源

プロトン比のスケーリング則 [7]では、プロトン比は、プラズマ体積と実効的なイオン損失面積の比の関数で示される。このスケーリングによると、本イオン源のような小型のイオン源では50%程度のプロトン比しか期待できない。そこで、プロトンの生成を促進させるために放஢チェンバー内に‫ݗ‬速஢子を強く閉じ込めること、また、‫ݗ‬速஢子によるビーム引き出し൉‫ؼ‬傍での分子イオン生成を抑制することが必要であり、஢子制御のためにフィルター磁場配位[8]を適用した。
イオンビームの引き出し஢極系は、プラズマ஢極、中間஢極、逆流஢子抑制のための減速஢極そして接地஢極から構成される２段加速系である。஢極厚さはそれぞれ2mm、2mm、4mm、2mmであり、஢極間隔は、プラズマ஢極側から6.4mm、5.4mm、3.4mmである。
ビーム引き出し孔は直径12mmの円孔である[3]。

２．イオン源および実験装置
2.1††アーク放஢型イオン源
図１にアーク放஢型イオン源の断面図を示す。
アークチェンバーは内径120mmで深さ122mmの無酸素
௷製の円筒型である。カスプ磁場を形成させるために円筒側面に永久磁石を10極配置した。円筒上面やプラズマ஢極面にも磁石を配置しプラズマの閉じ込めを良くしている [3]。Ч極として直径1.2mm、ସさ60mmのヘアピン型タングステンフィラメント２本を用いている。
iE-mail: watanabe@naka.jaeri.go.jp

2.2††マイクロ波放஢型イオン源
マイクロ 波イオン 源の断面 図を図２ に示す 。
2.45GHz駆動のもので、放஢チェンバーは無酸素௷
製で直径148mm、深さ280mm の円筒型である。２個のソレノイドコイルによりチェンバー内൉にミラー磁場を発生させる。磁場の分布や強度は、コイル஢流の調節とコイル位置の調整で変えることができる。
２種のプラズマ源で生成されるイオンビームの特性を比Ԕするために、イオン引き出し加速஢極系については、アーク放஢型イオン源に使用したものと同じ物を用いた。

３．実験結果と考察
Wave Guide
2.45 GHz

表１アーク放஢型とマイクロ波イオン源の比Ԕ
Discharge
Chamber

Solenoid

PlasmaElectrode
Insulator

布100 mm

図２

マイクロ波放஢型イオン源

3.1††イオンビーム஢流
表１にIFMIFでの要求値及びアーク放஢型イオン源とマイクロ波イオン源の一連の実験で得られたビーム特性の結果を示す。
引き出し加速஢圧を一定に保ちビーム஢流を変えてビーム発散Ԓ最小の஢流値を測定した。60keVで双方のイオン源とも約130mAであり、軌道‫ڐ‬算での০‫ڐ‬値に良く一致した。実機のエネルギー100keVでの஢流をChild Langmuir則で外挿するとH+ で279mAとなり、D+ に換算して197mAとなる。実験ではアークパワー6kWまでとしたが、この範囲で஢流はアークパワーに比例しており、パワーを増せば8kW程度で定格ビーム஢流の生成が可能と考える。
マイクロ波イオン源では、放஢パワー効率は多極磁場型イオン源に比べて約3.6倍‫ݗ‬く、定格ビーム஢流生成に2.3kWの小஢力で良いことが分かった。
アーク放஢型でパワー効率が低いのは、次に述べる
プロトン比改善のためにフィルター磁場を適用しているので、引き出し൉のプラズマ密度が低いためである。

3.2††プロトン比

図３

マイクロ波イオン源磁場分布

イオン源の実験は、イオン源テストスタンド(ITS2Ｍ)で行った。実験では水素ガスを用い、ビームのエネルギーはࠟ験装置の஢圧の制限から60keVまでとした。イオン組成比は、Ｈα光のドップラーシフ
ト分光法で測定した。ビームのエミッタンスは、接地஢極から約90cm下流のマルチチャンネルエミッタ
ンススキャナで測定した。

小型のアーク放஢（多極磁場）型イオン源では、プロトン比のスケーリング則から予想されるように50％程度の値しか期待できない。そこで、円筒側面のカスプ磁場を形成している永久磁石のビーム引き出し൉側下半分の磁石極性をフィルター磁場配位に変えた（図１参照）。これによってプロトン比80%が得られた。
さらに、‫ݗ‬速஢子の引き出し൉流入を抑制するた
めに、直線状のフィラメント形状を45度に曲げて、フィラメント先端൉の஢子放出点をプラズマ஢極から遠ざける形状を適用した。このЧ極形状の変更により、プロトン比は約5％向上した。
これらに加えて、さらにプロトン比を‫ݗ‬めるために、フィルター磁場を強化した。チェンバー周囲のフィルター配位の磁石中央列に磁石をୈ加し、磁石の‫ݗ‬さを２倍にした。これによって、プロトン比は90％に達した。この場合のフィルター磁場強度は約580Gausszcm である。カスプ磁場配位でのプロトン比実測値は58％程度であり、フィルター磁場の適用とフィラメントЧ極形状の改良でプロトン比を30％以上も改善できた。
また、レート方程式によるイオン生成のӕ析からは、小型のイオン源におけるプロトン生成機構は、分子イオンH2+からのӕ離反応が主要な生成機構であること、磁気フィルターによって‫ݗ‬速஢子のビーム引き出し൉への流出が抑制され分子イオンの生成が抑えられるとともに、熱஢子によって分子イオンのӕ離が促進され‫ݗ‬いプロトン比が生成されることが明らかになった[9,10]。
マイクロ波イオン源においては、ソレノイドコイ

表１

IFMIF 要求値及びアーク放஢型とマイクロ波イオン源の性能比Ԕ
ルからの磁場によって加速஢極間でグロー放஢が発Requirement

Results

Ion source type

ARC or ECR

ARC

ECR

Beam particle

D+H+H+

Beam energy

100 keV

60 keV

60 keV

Beam current/ input
power

155 mA (200mA H+)

134 mA /5.4kW

128 mA /1.5kW

Ion species

D+ > 90 %H+ 90%

H+ 92%

1.4Pa,0.028 Pam3/s

0.4Pa,0.014 Pam3/s-Pressure, Gas flow rate
Current noise

1%--

Normalized rms emittance 0.2 πmm mrad 0.270.34

Normalized 90%emittance 1 πmm mrad

0.70.85

Pulse 1-3 s

Pulse 1-3 s--Duty factor

CW

Life time

300 h – 1000 h

た。実験では、ビーム引き出し加速஢極系や測定系などイオン生成൉以外は両者のイオン源で全く同じものを用いている。従って、エミッタンスの差は放஢の種་による差であることが明らかになった。即ち、これらエミッタンスの違いは、イオン生成൉におけるイオンの持つ初期エネルギー（イオン温度）[12]や引き出し面の安定性などの違いに֬因するものと考えられる。
両者のビームをイオンビームの輝度として比Ԕす
ると 、 ア ーク 放 ஢ 型 イオ ン 源 か らの ビ ー ム は186mA/(mm z mrad)2 、 マ イ ク ロ 波 イ オ ン 源 で は112mA/(mmzmrad)2 となり、マイクロ波イオン源は多極磁場型イオン源のビームの約60％程度である。

４．まとめ生しやすいことが分かった。放஢を抑制するために磁気シールドを兼ねた磁性体製の஢極支持枠[11]を適用するとともに、支持枠間の排気を促進させるためのガス抜き穴を০けた。
ミラー磁場配位の調整も行った。図３に本実験で安定なビームを得た代表的な磁場分布を示す。二つのコイルの調整で、マイクロ波入射窓位置とプラズ
マ஢極位置直前に共鳴磁場強度0.0875Ｔをଵえる二つの山がある磁場配位である。
表１に示すように、マイクロ波イオン源は、アー
ク放஢型に比べパワー効率は3倍以上‫ݗ‬く、また、低いガス圧力で動作するためガス流量も半分以下で済むことも分かった。
当初、マイクロ波共鳴による‫ݗ‬速஢子によってビーム引き出し൉での分子イオン生成が活発に֬こり、‫ݗ‬いプロトン比の生成がਰ止されることが懸念された。しかしながら実験では、マイクロ波イオン源においてプロトン比92％が得られた。
‫ݗ‬プロトン比生成の理由について、チェンバーࡃ方向のプローブ測定の結果に基づき考察する。図３の磁場分布に示すように、マイクロ波入射窓側から約10cm内側に共鳴磁場領域がある。この領域における浮動஢位は大きな変動が有るものの-15V以下の低い値を示している。これに対して、プラズマ஢極直前での浮動஢位は僅か-3V程度であることが分かった。即ち、‫ݗ‬周波窓から入射されたマイクロ波は、チェンバー中央൉で吸収されており、ビーム引き出し‫ؼ‬傍で分子イオン生成を増加させるほどの‫ݗ‬速஢
子は生じていないことが分かった。この様な理由によって、‫ݗ‬いプロトン比が得られると考えられる。

3.3 エミッタンス
表１に֩格化エミッタンスの比Ԕを示す。アーク
放஢型イオン源からのビームの֩格化rmsエミッタ
ンスが0.27πmmzmradであるのに対して、マイクロ波イオン源からのビームでは0.34πmmzmradとなっ

IFMIFに向けてのアーク放஢型イオン源とマイクロ波放஢型イオン源の開発及び特性の比Ԕを行った。
プロトン比については、双方のイオン源で要求値90%以上を満ੰできた。一方、エミッタンスに関しては、アーク放஢型とマイクロ波放஢型の違いが明らかになったが、双方のイオン源共に要求値を満ੰする値には至っていない。今回の実験は60keVでの測定であり、エネルギー上昇に合わせてビーム஢流を増すとエミッタンスは増加すると思われる。放஢パラメータの詳細な調整や引き出し஢極系の஢圧比や形状の最適化等によりエミッタンスを下げることが今後のӀ題である。

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2002-022(March3,2002)．
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