2024.05.08 – 09. 核融合科学研究所 2023年度ユニット成果報告会

2023年度 核融合科学研究所 ユニット成果報告会

プラズマ装置学ユニット
所員（２名）

Cross Appointment (C.A.),
客員教員

津守 克嘉 ○ 岡田 信二（中部大, C.A）
◎ 中野 治久 ○ 斎藤 晴彦（東大, C.A）
○ 柴田 崇徳（KEK, C.A）
○ 高橋 和貴（東北大, 客員）

下線 ユニット長◎ユニット研究戦略会議 議長○ユニット研究戦略会議 所外メンバー（議決権有:5名）

所外メンバー（五十音順）
安藤 晃（東北大）
桧垣 浩之（広大）
有川 安信（阪大）
比村 治彦（京工繊大）
石 禎浩（京大）
森 義治（京大）
上杉 智教（京大）
三宅 泰斗（理研）
大嶋 晃敏（中部大）
松本 新功（徳島文理大）大原 渡（山口大）
山岡 人志（理研）
奥野 広樹（理研）
山下 琢磨（東北大）
木野 康志（東北大）○ 和田 元（同志社大）
剣持 貴弘（同志社大）
Christian L. Mahinay
笹尾 真実子（同志社大）（Ateneo de Manila Univ.）
佐藤 元泰（中部大）
Magdaleno R. Vasquez Jr.
利根川 昭（東海大）（Univ. of the Philippines
中井 光男（阪大）
Diliman）
波場 泰昭（日大）

1

ユニットの研究目的と目標

核融合研究ではゲームチャンジャとなる破壊的イノベーションが重要

プラズマの複雑な集団現象に関する学理を進化させることで、革新的なプラズマ技術を生み出す挑戦
制御

プラズマ

電磁場

多様なエネルギーレベルの荷電粒子群が集団的に振る舞う
ー

粒子
+

0*

ー

波動 /
揺動

生体
制御
応用

輸送 など

0

表面改質
物質
制御
応用

基本理念
多様なエネルギーレベルを有した荷電粒子群の集団的特性を理解し、その特性を利用して荷電粒子群を制御し応用する。

ー

0*

+

多種多様な
相互作用

制御
応用

+

制御
応用

制御
応用

Ø プラズマ（荷電粒子）計測・制御技術の高度化
Ø 自然科学の深化と新展開
Ø 異分野や産業応用への展開

研究目的
プラズマ・核融合科学実験で培ってきた最先端の計測・制御技術の更なる高度化および新たな計測・制御技術の創出をするとともに、常に視野を広く持って他分野と連携・融合を行い、これら技術を用いて自然科学（応用科学を含む）の深化に質的変化もたらす手法および自然科学の新展開を追究する手法の探求する。
2

ユニットの研究目的と目標

目標

2023年度の主たるプラズマ関連装置を用いたプラズマ装置学の学術ネットワーク
研究テーマを、
v 中性粒子ビーム入射装置の高度化
制御
東北大
プラズマ
制御
（負イオン源（加速器用を含む））
応用
多様なエネルギーレベルのv 反物質プラズマ科学の開拓
電磁場
荷電粒子群が集団的に振る舞うv ミュオンと核融合科学の融合
ー
0*
プラズマ
+
ー
産業応用 v 電気推進機の高度化と産業応用
多種多様な
宇宙推進機
粒子
相互作用
輸送 など
として各研究テーマの研究を進化させるととも
波動 /
東大
揺動
+
0*
に、プラズマ装置学の学術ネットワークを構築し
+
ー
制御
0
応用
て各研究テーマ、分野間の連携・融合を目指す。
表面改質
Institute

物質

生体様々な機関のプラズマ装置
太陽

制御
応用

制御
応用

中部大

惑星間空間磁場（IMF）

衝撃波集中点
4 He

磁気ショック⾯

μ- + Tミュオン
⼊射μ- + D

T

ミュオン
触媒核融合
n

μD

ピーク
10〜30気圧
超⾳速流域

地球

亜⾳速流域

ミュオン科学と核融合科学の融合
地球の⾃転を利⽤して空間を⾛査。（全⽅位）

亜⾳速流域

1気圧

反物質プラズマ

衝撃波発⽣器約0.5天⽂単位の領域の宇宙線密度分布

コロナ質量放出（CME）
宇宙線低密度領域

制御
応用

全⻑10m

中性粒子ビーム入射装置

3

戦略

アカデミックプラン
Ø 更なる異分野連携・学際化
Ø 新分野創生

独自に
深化

情報共有
連携
多角的視点
新概念

独自に
深化

独自に
深化
独自に
深化

独自に
深化

核融合科学研究所（NIFS）内外の様々なプラズマ
関連装置（荷電粒子を制御する装置）を研究対象としている。それぞれの装置の高度化は方向性が異なるため、各研究テーマは独自に研究を深化させる。
一方、様々なプラズマ関連装置を対象としていることからプラズマ装置学ユニットは幅広い分野の人材から構成されている。また、分野や装置は異なれど、内在する知見と技術には共通点がある（ユニット計
画書、図 32）。これら共通点を起点として各研究テーマ間で情報共有を行う。これにより、各研究テー
マに新たな視点をもたらしたり、各研究テーマ間の共通課題が見つかった場合に協力して多角的な視点からのアプローチを行うことが可能となる。更には、全く新しい発想が生まれる等の相乗効果を期待できる。
NIFS外を研究拠点とする研究テーマについて、これまでNIFSで行ってこなかった分野へNIFSの知見と技術を展開する。
4

戦術

アカデミックプラン v 各研究テーマを独自に深化させるため、関連分野の情報収集をし、独自に予算獲得し、研究を遂行。
ムーンショット型研究開発制度
目標10へのユニット、NIFSを超えた申請議論 他

情報共有
科研費 基盤B（23K25855）
連携（和田（同志社大））

多角的視点
新概念

v 研究テーマ間に内在する知見と技術の情報共有をするとともに連携に向けた議論を行うとともに、連携を実現するために予算獲得を目指す。
v 各研究テーマの相互理解や学際的な広がりを目的としたセミナー開催
科研費 基盤S（23H05442）（高橋（東北大）
民間企業 共同研究（中野）NINS Open Mix Lab（OML）に申請（高橋、中野）
科研費 基盤S（22H04936）（斎藤（東大））
科研費 挑戦的研究
プラズマ装置学ユニットセミナー（萌芽）（23K17680）
1. U. Fantz (Division Head of（中野）

科研費 基盤A（23H00120）（岡田（中部大））NINSネットワーク型
研究加速事業（中野（分担））
原型炉開発研究（津守）ITER機構 受託研究（津守）量研機構 受託研究（津守）ITER-Tech. & Diag., IPP)
2. G. Serianni (CNR-RFX /Project Leader of ITERNBTF)
3. 柴田崇統（KEK / NIFS）
5

協力体制
ユニット長/ユニット戦略会議議長を中心とし、ユニット研究戦略会議メンバーを核として、各研究テーマ
Ø 中性粒子ビーム入射装置、加速器用負イオン源
Ø 反物質プラズマØ ミュオンと核融合科学の融合Ø 電気推進機、プラズマ技術の産業応用など
間で情報共有を行う体制にある。

負イ
オン

用
応
業

源

中性粒子
ビーム

質 ズマ
物
反 プラ

産
ユニット長
/議長

電気推進機

ミュ
合科 オン
学のと核融
融合

思うようにいかない点，その原因分析と解決思案
Ø ユニット構築期に４名であった所員メンバーが２024年度に１名となった。
Ø クロスアポイントメント教員や客員教員の制度を利用して所外との連携を取っているが、より幅広い分野
間連携や学際化を目指すためにはユニットメンバーの増員が望まれる。
Ø この問題の解決に向けて人事を含むアカデミックプランの提案やNIFS人事公募への応募の勧誘を行う。
6

特筆される成果と見込み
v 中性粒子ビーム入射装置の高度化 （15分（質疑含む））
中野治久
v Propulsive and industrial plasma devices （15分）
高橋 和貴（東北大, NIFS客員教員）
v ダイポールによる学際研究（15分）
斎藤 晴彦（東大, NIFSクロスアポイントメント教員）v ミュオン科学（15分）
岡田 信二（中部大, NIFSクロスアポイントメント）
v 全体討論 (5分)

7＜中性粒子ビーム入射装置（NBI）の高度化＞
RF負イオン源の大きなビーム発散角問題解決に向けた
FA/RF Hybrid放電型負イオン源実験
中野治久
自然科学研究機構 核融合科学研究所
プラズマ装置学ユニット
2024.05.08.

1

世界とNBI研究とNIFSのNBI研究の立ち位置
技術統合による装置全体の性能達成を目指した開発

ITER-NBI用負イオン源開発
LHD-NBIの1基分の負イオン源(2台)と同規模

by ITER, QST等.

等

NIFS-NBTSの負イオン源と同規模（〜100 keV）

ITER-NBI
Test Facility
in Italy

ビームエネルギー：1 MeV@H-, D-

各要素で実現困難なことや先進的な手法を物理学・工学的に研究
by NIFS, 大学等
2

NBI工学 （ITER & 原型炉を見据えて）
ITER

原型炉

l 加速電圧：1 MVl 負イオンビーム電流：40 Al 低随伴電子電流比：<1l ビーム発散角：< 7 mradl 1時間連続運転

高出力、低発散角ビーム、
長時間運転の基盤技術の
確立 他

他

●
●
●

未だ性能達成に向けて楽観視できない。

l メンテナンスレス化
Ø セシウムフリー大電流負イオン源生成技術の確立
Ø 高周波負イオン源のメンテナンスレス化
l 高効率化（経済性向上）
Ø 光中性化（プラズマ中性化とのHybrid）、低ガス圧化
Ø NBI、更には核融合炉システムとしての要素統合 他

各要素に関して物理/工学的な研究（学術研究）による課題
解決が不可欠。

●●●

様々な方法が提案され、一部、初期的な検証されているが、先が見通せる段階にない。

NBIの概念図H+
H0

負イオンの流れ

特異なプラズマ

Hプラズマ 負イオン ビーム形成
生成 プラズマ (引出/加速)
生成

電位分布（特異な性質）

負イオン源

ビームの中性化 大面積ビームの偏向（プラズマ-ビーム-光相互作用）
3

ITER-NBIと高周波（RF）負イオン源

https://www.intechopen.com/
chapters/68732

NBビームライン
ITER
トカマク
本体

炉
心
#
$
%
&

NB電源群

https://www.hitachi.co.jp

ビーム発散角 [mrad]

RF負イオン源
15

31 kV

12.8

0

Filament-Arc負イオン源

23 kV

8.1

10
7
5

790 kV

40 kV

5.4

5.6

BUG SPIDER NITS MTF RNIS

P. Veltri, NIBS2022

25

20

15

10

0 イオン源からの5

距離 [m]

NBビームライン拡大図

38 kV

12.1

高周波(RF)
負イオン源

ITER-NBの仕様(H / D)

ビームエネルギー

0.87 / 1 MeV

ビーム電流

46 / 40 A

ビームパルス1000 / 3600 s

ビーム入射パワー16.5 MW

ビーム発散角≦ 7 mrad

NIFS-RNIS（研究開発用負イオン源）
LHD-NBI用負イオン源と同型

4

NIFS-RNISのFA/RF Hybrid放電型負イオン源化
RF modeFA modeBackplates

RF driver

Filaments

イタリア

大学 等

大型の直流/高周波
ハイブリッド放電 負イオン源

ドイツ
＜目的＞
FA/RF放電直接比較によるRF負イオ
ン源の大きなビーム発散角問題の物
理機構解明とビーム発散角縮小。

NIFS-NBTS（総合工学実験棟）
H. Nakano et al., 29th IAEA Fusion Energy Conference (2023)
K. Tsumori et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)

5

ビーム引出界面近傍のプラズマ分布
イオン源
プラズマ

ne (RF)ne (FA)

238 mm
50mm

85mm

350 mmx=0ele. density(RF discarge)

ele. density(FA discarge)f (RF)
Beam

Plasma potential(RF discharge)v 密度分布は両者でほぼ同一。
v 電位はRF放電の方が１桁程度大きい。

(FA discharge)

K. Tsumori et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)

6

ビーム運転時の放電波形
from plasma
light emission
from filaments

forward RF power
emissionacceleration
voltage

Vacc

forward
RF power

K. Tsumori et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)

7

ビーム発散角計測 （ビームレットモニター）

NIFS NBTS Beamline

Plasma Grid and mask
H. Nakano et al., 29th IAEA Fusion Energy Conference (2023)
K. Tsumori et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)

8

ビーム発散角計測 （ビームレットモニター）
RF modeRF modebottomLens
ghostbottom変換
topDischarge power:
Bias voltage:
H2 pressure:ext. voltage:acc, voltage:

52 kW
10 V
0.3 Pa3.6 kV
46 kV

H. Nakano et al., 29th IAEA Fusion Energy Conference (2023)
K. Tsumori et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)

top

v RF modeでビーム引き出しに成功

9

RF modeでのビーム発散角v 十分なイオン源コンディショニング前ではあるが、NIFS-NBTS に お い て NIFS-RNIS の RF mode でビーム発散角を評価できることを実証した。
v ビーム発散角
min (q x) : 17.8 mrad
min ave.[(q x, q y)]23.9 mradmin (q y) : 30.0 mrad
他のNBI用RF負イオン源の最小値（〜12 mrad）より大きい。十分なイオン源コンディショニング後にはビーム発散角が縮小することが期待される。

K. Tsumori et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)10放電領域のプラズマ密度振動とビーム特性の振動
PIC-MCC
シミュレーション

j-parc用
負イオン源

Beam

Beam

ビームの位相空間構造

v シミュレーションにおいて負イオンビーム特性の変化を観測
v NBI用負イオン源でも同様の現象が起きている可能性。
T. Shibata et al., 20th International Conference on Ion Sources (2023)

11

まとめ

v FA/RF Hybrid放電化したNIFS-RNISを用いた実験を開始した。
v ビーム引出界面近傍の密度分布はFAとRFでほぼ同一であったが、電位が１桁程度異なった。
v RF modeでビームを引き出すことに成功し、ビーム発散角の評価ができることを確認した。
v j-parc用負イオン源のPIC-MCCによるシミュレーションより、背景粒子数が振動すると負イオン粒子数ならびに負イオンビームの位相空間構造が振動することを確認した。
Ø NBI用RF負イオン源の大きなビーム発散角との関連が疑われる。

ドイツ

イタリア
＜実験機関中、別日に来所＞
Ø Padova大（イタリア） (1名)
Ø KEK（1名）
Ø 同志社大（1名）

2023年11月17日

NIFS-NBTSでの国際共同実験中の一コマ＜その他の実験参加機関＞
Ø ITER機構
Ø 量研機構（QST）
12

Propulsive and industrial plasma devices
Kazunori Takahashi1,21- Tohoku University
2- National Institute for Fusion ScienceKazu’s hand-made lovely plasma reactors

Assoc Prof Takahashi
4 master course students
1 part-time administrator

HeliexMALDI
REX-C
US patent

JP patents

Test for industrial demand

BEX
Mega-HPT
RF system
Development

TC-I

HPP-ExtremeTMP
rf matching box

SPT-X

HPT-I

Diffusion chamber

Helicon MPD

JP patents

Minimal Sputtering, Etching, Atomic layer deposition

RF and magnetron plasma thruster
Xe

Thruster efficiency (%)

Xe

Ion gridded thruster
Hall thrusters
Takahashi, SciRep 2022

Ar

Power (W)

5kW operation
Active Space Debris Removal

Thruster assessment

PM-type toward engineering model

Nakahama and Takahashi, AIP Advances 2023

Active Space Debris Removal

Takahashi et al., Sci Rep 2018

衛星運用に深刻な被害
観測が困難

デブリ衝突による 1-10cmデブリの発生（ケスラーシンドローム）

大口径プルームで，小型デブリへ対応？

2024.4.25 PCT出願済み

直近の実験

ADR mode operation(IBup = -15A, IBdown = 12 A)

従来磁場

カスプ磁場

5kWの運転で，直径 45cm のターゲットに25mNの減速力
減速力の力密度は，F/S = 0.15 N/m2

K Takahashi under preparation

デブリ落下時間の見積 (大気摩擦は無視)
10cm x 10 cm x 10 cm, 1kg質量のデブリを仮定
10✓ 0.5-1mN程度の減速力で，数日~10日でデブリ除去可能(大気摩擦でさらに短縮が予想)

98✓ プラズマ照射面積 10cm x 10cmに1mNの力を与えるには，
プラズマ流の力密度は 0.1 N/m2 が必要

Initial altitude

Fall time (day)

7
6
5
4
3
2
Debris mass =1 kg

1

Initial velocity is the first cosmic velocity
0

0

0.5

1
Force (mN)

1.5

2

Magnetron sputtering thruster

水燃料

スパッタリングによる推進✓ 中和器フリー＋✓ 単一DC電源で動作可能
Takahashi and Miura, APL2021

Shimizu and Takahashi, under review✓ 液体燃料✓ 高圧タンク不要✓ 安全性

Shimizu and Takahashi, Acta Astronaut. 2023

清水颯太，R5年度修士論文

Water-fueled Positive-Negative Ion thruster

H2+O2プラズマからの正負イオンビーム引き出しによる大推力化の限界突破
・水からの水素・酸素ガス生成とガス制御系 (従来使用されていない宇宙紫外太陽光の活用)
・光触媒による水分解反応の促進・高効率化 (材料科学との融合)
・パルス変調型正負イオン源 (高周波プラズマ技術の活用)
・ビーム引き出し電極系 (核融合加熱用ビーム技術の活用)
・高周波電源系，小型ビーム引き出し電源系 (パワーエレクトロニクス技術の活用)
・電気推進システム構築 (宇宙工学との融合)

Water dissociation, negative ion production

ICPプラズマにおける酸素負イオンと正イオンの密度比計測結果
田村侑真，R5年度卒業論文

Pt電極
RF OFF

石英ビーカーTiO2塗布Ti電極

課題
LED Driver

UV LED (365nm)

紫外線強度の定量評価
波長依存性の評価
宇宙太陽光との比較とスケーリング

紫外線照射による電気分解電流の増大を予備実験で確認(TiO2を塗布しない場合は，電流の変化は観測されない)

課題
精密制御可能なRF電源のインストール
ビーム引き出し系の設計
ビーム引き出し用パルス電源設計

Tohoku-JAXA collaboration (RF Hall thruster)

Alternative propellant Hall thruster (Water, Iodine, etc…)
Toward a Xe-free Hall thruster
To overcome the neutralizer lifetime issue
Electron extraction from the rf source
Neutralizer electrons from the rf source

Takahashi, Watanabe, Nakahama, Kikuchi, under review

Tohoku-DLR (ドイツ航空宇宙局) collaboration

Kick off the engineer model development
日本学術振興会 二国間交流事業 (JSPS-DAAD)

2024.4.9-5.3 DLR研究者が東北大で実験
2024.9頃
Tohoku研究者がDLRで実験

RF generator and HiPIMS power supply (Lab model to Commercial products)
Laboratory proto-typeSpecifications✓ One or two rf generators(500W, 200W & 200W, or 200W & 100W)✓ Frequency of 40±3MHz✓ Automatic matching control (within 10 msec)✓ Constant net power control (stabilize the discharge)✓ Output terminal : SMA, BNC, N-type, or M-type

Commercial model(mounted on plasma etcher)

F-tuning RF generator
ミニマルヘリコンエッチャー

HiPIMS power supply
ミニマルスパッタ装置 (誠南工業)に搭載

現在国内企業と共同研究展開の協議中
高橋和貴，原史朗，出願・権利化済み

高橋和貴，他，出願済み

Collaborations
Academic, Space Agency

海外機関
オーストラリア国立大学
ドイツ航空宇宙局
ソウル大学・韓国大学
オークランド大学
国内機関
産業技術総合研究所
ミニマルファブ推進機構
宇宙航空研究開発機構
横浜国立大学 鷹尾研
横浜国立大学 伊里研
筑波大学
核融合研

Industry
テクニカルアドバイザー
東京エレクトロン
オプトラン
ハイブリッジ
ナノテクノロジーインスツルメンツ
共同開発協議中
シチズン
アルバックテクノ
共同研究・開発実施中
オプトラン
和泉テック
誠南工業
リコー
JSOL

Plasma Dynamics and Propulsion Laboratory, Tohoku University

NIFSユニット成果報告会2024年5月8日

プラズマ装置学（ダイポールによる学際研究）ユニット目標に掲げられたコンセプトより：• プラズマ物理と集団現象の理解に基づき，荷電粒子群の制御と応用を実現する• 研究分野の持つ知見をテクノロジードライバとして，新たな研究機会を創出する• 融合研究を推し進め新手法を提案し，自然科学の深化と新展開を追求する

先進核融合
反物質閉じ込め

ダイポール磁場配位を活用して，
1. 電子・陽電子プラズマの実現と物性解明：
捕獲陽電子数の飛躍的増大と集団現象の最初の観測，装置開発の進展
2. 磁気圏プラズマの波動現象の実験室研究：

コーラス放射現象の実験室研究ホイッスラーモード・
コーラス放射の発生
条件の理解ダイポール磁場配位によるプラズマ研究の展開
1987 Hasegawa, Comm Plasma Phys. Contr. Fusion

磁気浮上超伝導コイルにより，惑星磁気圏と類似のプラズマ環境を実現
ひさき衛星（JAXA）webより"Dipole Fusion" by Hasegawa

高速流を持つ高βプラズマ

内向き拡散・
加熱: D-D or D-3He

超伝導コイル磁気浮上

先進核融合/磁気圏現象

2013 Ogawa, Mito, Yanagi+ 低温工学
2006 Yoshida+ Plasma Fusion Res.

2022 Kenmochi, Nishiura+ Nucl. Fusion

東大RT-1，MIT LDX

2013 Yoshida+ PPCF
2010 Boxer+ Nature Phys.

トロイダル非中性プラズマ2010 Yoshida+ Phys. Rev. Lett.

1. 磁気浮上ダイポールとパルス陽電子源による電子・陽電子プラズマ計画
ペアプラズマ計画の全体像
パルス陽電子入射107 e+/s, 10eV

5Tトラップ製作
1010-11 e+~10usで入射（既存）
産総研・リニアックベース陽電子源
2020 Higaki Michichio+ Appl. Phys. Exp.

陽電子の前段蓄積，
高速パルス引き出し冷却試験・装置製作>1010 e+1011-12 m-3

反物質ペア
プラズマ生成
物性解明

低エネルギー陽電子と電子のダイポール磁場による閉じ込めを提案し研究を進めている

ペアプラズマ（me+=me-）は特異な波動特性と安定性を示す
理論が先行し実験的に未検証の諸性質の理解（
基礎プラズマ物理）

電子・陽電子プラズマはパルサー磁気圏等の宇宙環境に広く存在
ガンマ線バーストに関わる無衝突衝撃波や各種の不安定性，構造形成

実験的にペアプラズマ生成は陽電子の大量蓄積の実現を経て達成
ポジトロニウム（
電子と陽電子の束縛系）のBose-Einstein凝縮，コヒーレントなガンマ線レーザ，反水素実験等への波及効果

電子・陽電子プラズマ実現のための各要素の開発研究の進展（2023年度）

e+

永久磁石ダイポールで大量陽電子蓄積の実現• drift injection (100% efficiency)• positron trapping (~1s): 1000 e+ so far• experiment with buffer gas trap: 1e5 e+numerical orbit analysis of their dynamics
陽電子数の更なる増大を実現する超伝導トラップの導入（産総研ビームライン）• 60cmhomogeneous
B region
Linear e+ accumulator
with 5T SC magnet

Levitated
SC dipole• simultaneous trapping of e+ and e• SC coils and levitation system• new injection scheme is needed

磁気浮上装置の要素試験の完了と設計• cooling without He gas• design of compact
levitated dipole永久磁石ダイポールへのパルス陽電子入射実験＠産総研
産総研＋広島大学のライナック＋バッファガストラップ陽電子源に，IPP/東大の永久磁石ダイポールトラップを接続~10^5 e+ /pulse
全量を捕獲できれば従来の100倍程度の捕獲数（
プラズマ条件の達成はまだ困難）

ガイド磁場（＋ステアリングコイル）＋EｘBドリフト入射（先行研究で実績）
B~50 Gaussでビーム輸送
磁束密度分布

e+

永久磁石
ダイポール
トラップ

2023年の入射実験
入射後の一様化の時間発展，閉じ込め時間の実験解析
本研究では入射後の陽電子軌道を追跡し閉じ込め特性を評価

陽電子ビームの高効率入射とトロイダル方向への一様化を観測e+
injection port

1
4

5
6

7

8
3

magnet観測される消滅ガンマ線の計算値

消滅ガンマ線の観測結果

2

入射後初期の振動が時間的に減衰し， トロイダル方向一様化の過程でより長時間の信号強度の減衰に移る 各検出器に入射するカウント
1

initial positionof e+ cloud• 現状ではプラズマ状態に達していないが，トロイダル方向一様化の過程を観測• 蓄積装置と磁気浮上装置の稼働により，プラズマ化と電子との同時捕獲が見込まれる

y (cm)• 10^5個の陽電子（従来の100倍以上）を高効率で入射し永久磁石ダイポールに捕獲

BGO2

10
5
BGO3
0

BGO1

‐5
‐10
‐10

magnet‐50

5

10 x (cm)

軌道計算例（装置上面からの投影200us）2. 磁気浮上ダイポールで観測されるジオスペースと共有のホイッスラーモード・
コーラス放射について，2023年度には発生条件の理解等に進展が得られた

高温電子(10keV以上) による高状態「惑星磁気圏型」ダイポール磁場配位• コーラス放射の特徴と合致する
コヒーレントな波をRT-1で観測• Local  ~ 100%，Ne ~ 1017 m-3の高温電子プラズマで発生

ホイッスラー波の自発励起（
f_ce~140MHz）
これまで主に磁気浮上時のプラズマで観測コーラス放射の出現条件
発生条件の理解の進展

高温電子の割合が少ないと発生しない

波の強さ

高温電子の量

低密度で高温電子の割合を増やすと活性化波の発生頻度高温と低温の電子が両方が多くても抑制される

プラズマ密度

高温電子を持つプラズマがコーラス放射を自発励起
更に冷たい電子成分が増えるとコーラス放射は抑制される
コーラス放射が出現する条件は，理論予測と基本的に一致している

密度分布の再構成と伝搬可能領域から得られた発生領域の情報
主にコア部分を計測する干渉計に加え周辺部情報を追加した密度再構成

測定点における
f_ce = 150MHz

弱磁場領域のf_ceを上回る周波数は観測されない

RT-1のプラズマでは磁気圏と同様に広い範囲
でf_p/f_c > 1でありホイッスラーは伝搬可能

周波数の観測結果と合わせて，発生領域に関して「RT-1ダイポールのコーラス放射は，弱磁場の周辺部に局在して発生する」
ことを支持する結果であり，強磁場領域ではホイッスラーは発生していない

まとめと今後の課題
陽電子実験をNIFS，東大，産総研，広島大，IPP，ミュンヘン工科大の共同で実施しており，ダイポールに捕獲した陽電子数の飛躍的向上を得た
e+~10^5は，BGTから供給される陽電子数による限界であり，プラズマ条件
は満たさないが，トロイダル方向に一様な陽電子雲形成過程が観測された
入射陽電子数の1000倍程度の向上を目指すため，5T超伝導マグネットの導入を終え，電極群による純電子実験を開始している
小型磁気浮上ダイポールは2024年の完成を見込んでおり，10^8を上回る
大量陽電子の蓄積と電子との同時捕獲が今後の目標である．

核融合プラズマとジオスペース現象に共通の波動粒子相互作用に注目して，
ホイッスラーモード・コーラス放射の実験室研究を実施している発生条件や密度分布の再構成から発生場所を探る実験を進めており，
粒子加速の直接計測を計画している

核融合科学研究所 ユニット成果報告会

2024年5月8日 @ NIFS
Vacuum Polarization

ミュオン科学（2023年度の進展）
Self Energy

中部大学

岡田信二

Negative muon

PRL130,173001(2023)

2

2023年度の進展
1．ミュオン原子の精密分光• 詳細な解析を進め印刷公表• 2023年5月にプレスリリース

2．ミュオン分子の精密分光• 2023年初旬にデータ収集• ミュオン触媒核融合に関連する
重要なデータが得られた

2023年5月10日

1．ミュオン原子の精密分光ミュオン原子4「負電荷ミュオン」は、電子と置き換わることで「ミュオン原子」が形成される

通常の原子

ミュオン原子
e-

e-

μ生成時は

置き換わる

高励起状態

脱励起

プロセス

μmµ ~ 200 me
ミュオンは電子の原子核

200倍重いme
ボーア半径 : R / m⇤ （換算質量に反比例）µ
m⇤µ

x 1 / 200倍

X線エネルギー : E / m （換算質量に比例） x 200倍e

ミュオン水素の大きさイメージ
ミュオン水素水素

H~1Å

1/200 !

μH
1 / 200 Å(~ 500 fm)

5∝

Internal electric field of muonic atom [V/m]

内部電場 [V/m]

内部電場
N Ne

23

10

Ar

Kr

Xe

6

Z3
Pb

U

1022
1021

QEDにおける電場強度の一つの指標。この値を超えるような電場では非線形効果が顕著になる。

1020
1019

Schwinger Limit :1.32 x 1018 [V/m]

18

10

1017

通常の水素様イオン : n = 1

1016
1015
1014
1013
1012
0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
Atomic number Z

原子番号 Z

Atomic unit ofelectric field :5.14 x 1011 [V/m]束縛負ミュオンが感じる内部電場 /Internal electric field of muonic atom [V/m]

内部電場 [V/m]<latexit sha1_base64="7UuAC/Z94FiPrzpT+a5RfecGJWQ=">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</latexit>
sha1_base64="bs8QlLljyYde7WbNFuyzJJm+ZMk=">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</latexit>
sha1_base64="hRMuDOlFqrcyAS8Lh8NJ0NHaL+Y=">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</latexit>
sha1_base64="gIWF6Pp0K82bfktbNnWaq9cWvuk=">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</latexit>

N Ne

23

10

Ar

Kr

Xe

Pb

1022

✓

⇤ ◆2
mµ

me

2002 倍 !

U

ミュオン原子/イオン : n = 1

21

10

1020

40,000 倍

1019
18

Schwinger Limit :1.32 x 1018 [V/m]

10

1017

通常の水素様イオン : n = 1

1016
1015
1014
1013
1012
0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
Atomic number Z

原子番号 Z

Atomic unit ofelectric field :5.14 x 1011 [V/m]7

ミュオン原子精密分光e-8

๏ 脱励起過程で放出される「ミュオンＸ線」の精密分光により、ミュオン原子の遷移エネルギーを正確に決定๏ μ-原子核間の超強電場環境におけるQED検証を行う

脱励起過程

μ-

Z+
nucleusμ-๏ μNe原子5-4 X線 (~6 keV) の高精度測定に成功（Proofof-Principle実験, PRL130, 173001(2023)←今回の結果）
๏ 今後、より高エネルギーＸ線が測定可能な検出器を導入
して、Schwinger Limit 超の強電場でのQED検証を予定(μAr 4→3 X線 ~ 44 keV)。2024年2月、Feasibility test
実験をに実施した。

X-rayshigh-precision
spectroscopy

2．ミュオン分子の精密分光ミュオン分子
世界最小の分子！

「ミュオン原子」だけでなく「ミュオン分子」も作れる！

μpp~ 500 fmH2

10

ミュオン分子
世界最小の

11

近づいて

μ

みると

分子！

μpp

＋

＋

~ 500 fm

普通はプラス電荷同士で近づくことの出来ない

２つの原子核が、普通ではあり得ない程近づく！

核融合

12

熱核融合

ミュオン核融合
原子核は互いに接近しやすい

数億℃のプラズマ中で

μ-

激しい衝突

＋

＋

＋

＋

容易に核融合する

電磁力による
大きな反発

ミュオン分子のサイズまで電磁気力による反発なし

核融合

13

ミュオン核融合

クーロン障壁原子核は互いに接近しやすい

μ-

V(r)
rN ~ 4 fm

核反応＋r0 ~ 2aμ ~ 500 fmｒ＋

容易に核融合する

トンネル効果ミュオン分子のサイズまで電磁気力による反発なしミュオン触媒核融合
面白いことに、これは、連鎖反応を引き起こす！

注：200倍拡大図

ミュオン原子

eμ-

μ-

14

ミュオン水素原子は中性で原子半径が小さく
他の原子核に近づきやすい
10-8 s

置き換わる

ミューオンをμ-

注：200倍拡大図“触媒”とする
核融合サイクル

通常の原子

d

t

ミュオン分子核融合後に再放出されるミュオン→ 再び同じサイクルを繰り返す

.7
99
%

一部のミュオンは、

μ-

n
μ-

サイクルから外れてしまう

α
0.3%

μ-4He
原子

10-12 sミュオンの寿命
より十分速い！

サイクルはミュオンの寿命（2.2 x 10-6 s）が4He尽きるまで続く

ミュオン分子はどのようにつくられるか？

15

通常のD2分子Vesmanによる
理論的予測

ed

中性

ミュオン原子ddμe-

分子の骨格を壊さない
フェッシュバッハ共鳴

ミュオン原子が通常のD2分子に “そっと” (分子の骨格を破壊せずに) 衝突した場合、ddµ分子生成の余剰エネルギー(とdμの衝突エネルギー)は、D2分子の振動回転励起
エネルギーとして渡される。

共鳴的に生成：Vesman機構

分子中の分子
Theoreticalprediction

16

ed

マトリョーシカのような分子ddμ 分子
電荷+1の擬似原子核
d

e-

d

μ-

として働き、分子内に分子を形成する。

効率的に生成できる！

2s状態のミュオン原子から生成？
D2分子tμ(2s) + D2 → (dtμ*)e − dedμ(2s) + D2 → (ddμ*)e − detμ(2s) + T2 → (ttμ*)e − teedミュオン原子
2s 状態
d

d

μe-

同様に「ミュオン分子(2s)共鳴励起状態」も形成されるはず

しかしこれまでのμCFの議論に於いて明示的に取り入れられていなかった。

17

基底状態と励起状態
基底状態

励起状態

ddμ

ddμ*
tμ*

tμ(1s)tμ-(2s, 2p
混合状態)

μ-

d

18

t

d

~ 2 keV
励起

すぐに核融合を
引き起こす

核融合せず
すぐに解離する

励起分子の解離過程19• 準安定励起分子• サイズ ~10-12 m• μが一方に局在した構造

tμ*X線の精密測定で分子共鳴状態の研究が可能

μ-(2s, 2p
混合状態)（しかし測定が難しい為測定例なし）

t

無輻射

d

輻射

X線
1.7 ~ 2 keV

hot tμ~1 keVμ-~1 keV
t

d

μ-

t

持ち出す
エネルギーは低いd「励起分子」を考慮したμCFサイクル
従来のμCFサイクル（Vesman model）
dµ
µ

tµ

μCF cycletµ*

従来のμCFにIFμCF が加わる

dµ*dµdtµ 低温
分子

20

µ

tµ

VesmanBranchIFμCF
Branch

dtµ

dtµ*

励起
分子

解離
µ4He

4He, nµ4He4He, nhot tµhot dµ高温μ化原子（サイドパスモデル）

励起分子 dtμ* の重要性が示された
μCFレートの
温度依存性
理論・実験
不一致問題

断熱近似を脱却した新しい少数多体系計算: (dtμ*)e → 電子も含めた4体計算

理論
(点線)

vs.
実験

(プロット)

dtµ*の解離を経由しdµ/tµ分布が変化。
理論と実験の矛盾を解決

2022年4月16日 論文公表
T. Yamashita et al., Sci. Rep.12 (2022) 6393
Top 25-50 in physics

21→ しかし、励起分子の直接的な存在の証拠は無かったミュオン分子からのX線測定を目指す
通常の分子

D2+

0

ミュオン分子

~1 nm

e-

d

~0.005 nm

0

d

μ-

d

Energy (eV)

๏核間距離 1/200倍
紫外線

15

d
0.0

0.2

0.4

D(1s) + d

e-

解離
0.6

0.8

1.0

d-d distance (nm)ミュオン分子
分光研究d1.2

๏エネルギー 200倍๏dとμの質量が近く断熱近似成立しない๏ddμ*は零点振動が大きく準位間隔が疎Energy (keV)

dde*
dde*

10

d

dµ(n=2) + d

D(n=2) + d
5

22

1

ddµ*
ddμ*

2

X線
X線

(1.7〜1.97 keV)
3

d
0.0

1.0

2.0

dµ(1s) + d

μ-

解離
3.0

4.0

5.0

d
6.0

d-d distance (pm)➡ 理論：原子核と重い負電荷粒子の運動を同時に解く厳密な少数多体系計算➡ 実験：ミュオンビーム中のＸ線測定において非常に高いエネルギー分解能が要求される。

輻射解離スペクトル235

輻射解離スペクトル

輻射解離X線スペクトル

核間波動関数の確率分布

v=4

3
2
1
0

1
0

v=3
1

Intensity

0

v=2

3
2
1
0

v=1

3
2
1
0

v=0

3
2
1
0

1
0
1
0
1
0
1.70

1.80
1.90
X-ray energy (keV)

2.00

0

2

4
6
8
10
d-d distance (pm)Amplitude

3
2
1
0

12

波動関数の形状を反映した特徴的なX線エネルギーピークが現れると期待される波動関数の形状を反映した、特徴的なX線エネルギーが期待される
山下琢磨：2020/7/27 領域研究会

測定の難しさμ-

ミュオン

X-ray : 2 keV
intense & sharp peakd

原子

従来の半導体検出器の分

distanceμ-0d

解能では分離できないddµ(n=2) + d

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

d-d distance (pm)

6.0

1.0
0.5
0.0
3.0
3.0
2.5
2.5
2.0
2.0

υ=0
pdµ*
ddµ*

pdμ*
→ dμ(1s) + p
υ=0pdμ*→ pμ(1s) + d
υ=0

1.5
1.5
1.0
1.0
0.5
0.5
0.0
0.0

υ = 0υ = 0

3.0

1.6

2.5

pdµ*

1.7

1.8
X-ray energy (keV)

υ=2

1

1

1
1.9

3

4

dμ(2p → 1s)

1.5

dμ(2p
1s)
dμ(2p
→→1s)

dissociation

d

2.0

44
3 3
2
υ=2

2.0

1s)

d

μ-

ddµ*

pμ(2p → 1s)

3dµ(1s) + d

2.5

X-ray : 1.7 ~ 2 keV
low-intense &broad structure

1s)(1.7〜1.97 keV)

–1–1ps–1–1
Intensity(keV(keVpsIntensity
))

XX線
ray
X線

2

Intensity (keV–1 ps–1)

3.0

–1)

Energy (keV)

分子(〜数100 eV)

ddµ*
ddμ*

1

ミュオン

24

多素子TES型マイクロカロリメータ(FWHM ~ 150 eV)Transition Edge Sensor
R0~50 mΩ優れたエネルギー分解能と検出効率を併せ持つ検出器(FWHM ~ 5 eV)@ ~ 6 keV

高感度
温度計
X線 TESTES microcalorimeters
1. 入射粒子が吸収体に吸収される
2. エネルギーΔEはフォノンに変換
3. 僅かな温度上昇を高感度温度計
TESで測定する

吸収体

常伝導状態
抵抗 R0/Rn

従来の検出器 (SDD)

TESマイクロカロリメータ25

粒子(光子)
の入射

バイアス点

超伝導状態

急激に抵抗増加
抵抗変化(バイアス電流)の変化をSQUIDで読み出す

僅かな温度上昇
温度 T [mK]

ヒートシンク

高分解能を実現 (ΔE / E ~ 10-3)

固体D2標的実験 (2023)
connected
to beam pipe

μ- beam

26

Feb 5 - 11, 2023

new TESdetector

Solid D2
targetμNe
X-rays Calib. x-rays
ddμ*

x-rayscalib. X-rays

X-ray
generator

X-ray
generator

実験エリア（J-PARCミュオン施設）
muon beam

TES

27

The world's first muonic moleculehigh-precision X-ray spectroscopy

y
r
a
n

i
il m

e
r
P

28

まとめ

Summary & Outlook

30(1)「ミュオン原子Ｘ線精密分光」✓μ-原子核間の超強電場環境におけるQED検証✓μNe原子5-4 X線 (~6 keV) の高精度測定に成功 → published : PRL130, 173001(2023)(2) 「ミュオン“分子”Ｘ線精密分光」✓ μCF過程における複雑な量子力学的動力学の解明 (理論 : Sci. Rep. 12, 6393 (2022))✓ 世界初の高精度ミュオン分子X線分光に成功
๏ 「ミュオン科学」： 特に μCF素過程に関する研究 に大きな進展があった
๏ 一方で、μCFの学理的研究から応用・実用を見据えた研究に向けて検討を推進➡ エネルギー増幅率向上（サイクル数増加 & ミュオンコスト低下）➡ コンパクトな核融合の実現へ → ミュオン科学・技術（ミュオニクス）を牽引