2021.06.14.ユニット構築会議／学術実験プラットフォーム検討会議（第10回）

Unit 提案：課題番号No.33

負イオンプラズマ※と粒⼦ビームの学理と応⽤
プラズマ加熱物理研究系

中野 治久※【負イオンプラズマ】

狭義には、負イオンを含むプラズマ（正負電荷粒⼦が等質量のペアプラズマも含む）と定義する。
広義には、負イオンのみの⾮中性プラズマも含む。

研究課題l 負イオンプラズマ-物質相互作⽤を含む負イオンプラズマの基本的な物理特性を実験的に明らかにする。
l 負イオンビーム輸送および粒⼦ビーム-物質・光相互作⽤の基本的な物理特性を明らかにするとともに、関連する基盤技術を獲得する。
l 負イオンプラズマおよび粒⼦ビームの応⽤・関連研究により、負イオンプラズマおよび粒⼦ビーム研究の広い他分野への波及を図る。

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ITER/原型炉に求められる中性粒⼦ビーム⼊射装置(NBI)
ITER

DEMO

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
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
⾼出⼒、低発散⾓ビーム、
Ø セシウムフリー⼤電流負イオン源⽣成技術の確⽴
⻑時間運転の基盤技術のØ ⾼周波負イオン源のメンテナンスレス化
確⽴
l ⾼効率化（経済性向上）
Ø 光中性化
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
Hプラズマ⽣成

負イオン
プラズマ⽣成ビーム形成(引出/加速)ビームの中性化
ビーム輸送

⼤⾯積ビームの偏向2負イオンプラズマの学理
負イオン⽣成（体積⽣成, 表⾯⽣成/放出）および負イオンプラズマ中の粒⼦輸送等、負イオンプラズマ特性を物理的にを明らかにすることがNBI⽤負イオン源の性能達成および更なる⾼性能化の基盤となる。
特異なシース(シミュレーション)

⾼空間分解能電場計測の挑戦

Langmuir Probe特性

レーザー飽和吸収分光法

Mochalskyy+2015

⻄⼭+2017
流れと⽭盾？

関連研究・技術H-流れイオン性プラズマでのビーム引出電場の浸透計測

イオン性プラズマ

Geng+2017
津守+ 2016

通常のプラズマ

イオン性プラズマの観測（正負⽔素イオンの他に、僅かに電⼦やCsが含まれる）

l プラズマ⽣成技術（⾼周波/直流、磁場配位）
l 低電⼦温度化（横磁場、拡散）l 原⼦分⼦過程/プラズマ-物質相互作⽤/分⼦動⼒学（荷電粒⼦と中性粒⼦との相互作⽤、負イオンの体積⽣成/表⾯⽣成）
l 計測技術（電気・磁気計測、受動分光、レーザー分光、マイクロ波計測、他）
l シミュレーション（PIC、MD、他）
他
3負イオンプラズマの学理（ペアプラズマ）【電⼦・陽電⼦ペアプラズマ】
l パルサー中性星、超新星残骸などで⽣成が予測されている。
l 理論研究は⾏われている。
Ø 波の分散関係
通常のプラズマ
ペアプラズマ

負イオンプラズマの同位体効果

中野+ 2020
l ペアプラズマの特性に質量依存性はあるのか？
l ペアイオンプラズマへ電⼦や異質量イオン（同位体等）の混⼊は何をもたらすのか？
l これまでのペアプラズマの理論は正しいのか？

ペアプラズマの実験研究
One of the=Stenson+2017
Ø 乱流の抑制。
他。
l 実験研究はほとんど⾏われていない。
Ø フラーレンペアプラズマC60±（、⽔素イオン性プラズマ(⼭⼝⼤, NIFS)）Ø 加速器や原⼦炉を⽤いた低温電⼦陽電⼦磁化ペアプラズマ実験（準備中）Ø ⼤強度パルスレーザーを⽤いた相対論的電⼦陽電⼦プラズマ

実験室宇宙物理学
4粒⼦ビーム輸送関連の学理l 磁場がある負イオンプラズマから引き出される負イオン l 数10A級の⼤電流MeV加速の基盤技術研究。
ビーム。
Ø 静電加速：ビームを含む耐電圧の物理。電極損傷。
Ø プラズマ-ビーム境界（メニスカス）の形成機構。
Ø ⾼周波加速：⾼周波空洞ビーム加速物理。
l 負イオンビーム中性化の基盤技術研究。
負イオンビームのØ 光中性化の基盤技術の研究
位相空間構造(中性化効率〜100%)。
ü 粒⼦-光相互作⽤。
ü ⾼効率光利⽤
単⼀ガウスビームでない（光（レーザー）の⽔素負イオンビーム
⾼効率リサイクリング）
Haba+2020
Ø プラズマ中性化の基盤技術研究(中性化効率>90%)。
ü 負イオンビーム（⾮中性プラズマ）からビームl 放電⽅式によるビーム発散⾓の相違。
プラズマ⽣成。
Ø 物理的な理由は何か？
関連研究・技術
ITER-NBI開発⽤
RF負イオン源

ITER requirement: < 7mrad

LHD-NBI⽤
負イオン源
達成値

l 放電と負イオンを含むシースの物理
l 原⼦分⼦過程
l 荷電粒⼦(プラズマ)-中性粒⼦-光の相互作⽤
l レーザー技術
l 計測技術（電気・磁気計測、受動分光、レーザー分光、マイクロ波計測、他）
l シミュレーション（PIC、他）
他

ビーム H0プラズマ

Turner+20195負イオンプラズマと粒⼦ビームの応⽤・関連研究
l DEMO-NBIに向けた基盤技術研究 (アクションプランでNIFSの貢献が記載されている)
Ø 放電容器内の粒⼦循環
Ø ⽔素負イオンの⼤量⽣成にCsを使う現状（恐らくITERまで）では、放電容器内のCsの循環研究が必須。
Ø Csフリー負イオン源、RF負イオン源のメンテナンスフリー化の基盤技術研究。
Ø NBI⽤負イオン源のみならず、物質合成・創世や負イオンと物質との反応を研究するには、Csフリー化やメンテナンスフリー化が必須。
Ø 光中性化。
l 負イオン関連の原⼦分⼦反応
Ø ⽔素以外の原⼦、分⼦および⾼分⼦の負イオンの⽣成。
Ø 負イオン/中性粒⼦ビームの絶縁体表⾯⼊射（帯電のないエッジング、有機物、⽣体との反応）。
Ø 正負原⼦・分⼦・⾼分⼦イオンビームによる物質合成・機能性材料創世。
l ⾼エネルギー粒⼦による⾼熱負荷の材料照射（ビーム-物質相互作⽤）
Ø 耐⾼エネルギー粒⼦かつ耐⾼熱負荷材料の試験。
Ø 新機能性材料創世？
l 電気推進器
p 制御された⾼密度プラズマを⽣成して粒⼦の運動量を放出・輸送する、という意味でイオン源と同様である。
p 共通部分（低温プラズマ放電、プラズマ閉じ込め磁場（カスプ、縦磁場）、磁場を横切る粒⼦拡散・輸送、引出・加速電極、他）が多く、関連研究としてユニット内で実施することで相乗効果が期待される。
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負イオンプラズマと粒⼦ビーム研究の広がり
宇宙プラズマ(電⼦陽電⼦プラズマ)
放電の物理・制御（直流, ECR, ICP, Helicon 他）

微粒⼦プラズマ

ペアプラズマ
イオン性プラズマ
⾮中性プラズマ

電気推進器

⾼密度プラズマ⽣成
運動量輸送

負イオンプラズマ粒⼦ビーム

荷電粒⼦(プラズマ)中性粒⼦-光相互作⽤

負イオンプラズマ物質相互作⽤
新機能性材料創世
⽣体応⽤
負イオン関連原⼦分⼦反応

イオン源（ビーム形成・輸送）
NBI
核融合科学

⾼エネルギー加速器
素粒⼦原⼦核物理学
物質科学
医療応⽤(BNCT他)
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研究課題と想定している既存装置

研究課題
l 負イオンプラズマ-物質相互作⽤を含む負イオンプラズマの基本的な物理特性を実験的に明らかにする。
l 負イオンビーム輸送および粒⼦ビーム-物質・光相互作⽤の基本的な物理特性を明らかにするとともに、関連する基盤技術を獲得する。
l 負イオンプラズマおよび粒⼦ビームの応⽤・関連研究により、負イオンプラズマおよび粒⼦ビーム研究の他分野への波及を図る。

想定している既存装置（国内外の様々な機関と連携）
l 所内
LHD-NBI, NIFS-NBTS, ⼩型テストスタンド, イオン源研究⽤汎⽤装置(EVISS), HIBP関連装置 他
l 国内
北⼤（レーザー計測開発装置）、東北⼤（RF負イオン源、宇宙推進器関連装置）、J-PARC（負イオン源）、QST（NBI関連装置群）、東海⼤（TPD-SheetIV）、中部⼤（ヘリコンプラズマ装置）、京都⼯繊⼤（酸素負イオン源）、同志社⼤（各種基礎実験装置）、阪⼤、⼭⼝⼤（Csフリー負イオン源）、住友重⼯業、他
l 国外
IPP (BATMAN, ELISE）, CNR-RFX (NIO1, SPIDER, MITICA), ASIPP(負イオン源), SWIPP (負イオン源), 他
l シミュレーション
J-PARC, KEK, QST, 慶應⼤, 鳴⾨教育⼤, 徳島⽂理⼤, IPP(独), CNR-RFX(伊), 他

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