負イオン科学の広がり－現状と課題

オーバービュー
オ
バビ
負イオン科学の広がり
－現状と課題－
核融合プラズマ加熱用負イオン源を中心に
プズ
竹入康彦
核融合科学研究所
シンポジウム「負イオン科学の新展開－負イオン生成の物理とその応用技術－」
日本物理学会2012年秋季大会、2012年9月19日、横浜国立大学常盤台キャンパス
1/41
負イオンビームの特質
○内部エネルギーが最も低い状態
→中性粒子に近い内部エネルギー状態
○電磁界により運動エネルギーの制御が可能
○正イオンとは異なる粒子や固体との相互作用
○負イオンが支配的な負電荷となるプラズマ特性
2/41
近年の負イオンビーム技術の高度化
→ 負イオン科学としての新しい展開へ
○核融合分野
中性粒子入射加熱装置負イオン源：水素負イオン
○加速器分野
加速器入射ビム生成負イオン源：水素負イオン
加速器入射ビーム生成負イオン源：水素負イオン
タンデム加速器用負イオン源：金属負イオン
○応用分野
材料物性・物質創成への応用：金属負イオン
無帯電負イオン注入
正イオンビームと併用した空間電荷中和ビーム
3/41
核融合プラズマへの中性粒子入射加熱装置
（ＮＢＩ）用負イオン源の特徴
○高密度負イオン生成：H-、D1017～1018 m-3 （プラズマ中密度）
100 400 A/m
100～400
A/ 2 （ビーム電流密度）
（ビム電流密度）
○大電流（大面積）負イオンの高エネルギー加速
100～2,000 keV （DC加速）
10～40 A （多ビームレット加速）
～1 m2 （電極面積）
○ITER-NBI用負イオン源
○ITER
NBI用負イオン源
1MeV-40A D- （3600sec）
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加速器への入射ビーム用負イオン源の特徴
○高電流密度負イオン生成：H100～1,000 A/m2 （ビーム電流密度）
10 100 mA
10～100
A （単ビームレット）
（単ビムレット）
○高輝度・低エミッタンス負イオンビーム
0.1～1 mm mrad （加速器への入射）
○パルス動作・繰り返し連続
○パルス動作
繰り返し連続
0.1～1 ms、1～60 Hz
5/41
水素負イオンの電子構造
• 水素負イオンに余剰に付着し
た電子は、1S’軌道と呼ばれる
軌道を有する。
• 1S’軌道の軌道半径はボーア
半径の3.8倍。
• 1S’軌道のエネルギー準位
1S 軌道のエネルギ準位 (電
子親和準位、εA )は、真空レベ
ル (εvac)から0.754 eV低い位置
にある安定な準位。
1S’ 余剰電子
1S 電子
(RS’ = 3.8 rB)
(RS = rB : ボーア半径)
εvac
E.A. (εA )
I.P. (εI)
0.754 eV
13.6 eV
He: 0.0
Li : 0.62
Be: 0.0
B : 0.28
C : 1.60
1 60
1.27
N : 0.07
O : 1.46
F : 3.41
Ne: 0.0
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NBI用水素負イオン源の高性能化
NBI用水素負イオン源に求められる性能
・大電力、大電流 → 数MW、数10A
・高エネルギー → 数100keV～数MeV （DC加速）
・高効率生成
プラズマ生成効率・イオン生成効率 → 高電位部での電源容量
加速効率 → 90％以上電源容量電極等の損傷
・低発散角、ビームの収束(マージ) → 数mrad 1点収束入射ビーム効率
・一様性 → 入射ビーム効率
・低ガス圧力動作 → 電極等の損傷入射ビーム効率
入射ビム効率
・大体積における高効率イオン源プラズマ生成
・大面積ビーム生成とビーム制御
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中性化効率とビームエネルギー
・水素イオンビームの中性化は、通常、同種の水素ガスを用いて行う。
ビ
ガ
・正イオンビームの場合、核子当たりのエネルギーが60keVを超えるあたりから、
中性化効率が急激に減少する。
・負イオンビームの場合、1MeV以上の高エネルギー領域まで、６０％の中性化効
率を維持できる。
・負イオンビームでは、プラズマ中性化セルを用いた場合に９０％、光電離セルを
負イオンビムでは、プラズマ中性化セルを用いた場合に９０％、光電離セルを
用いた場合９５％以上の中性化効率が期待できる。
8/41
水素負イオンの生成・消滅過程と放電室構成
磁気フィルターを用いた２放電室（タンデム）方式
気
放
体積生成による負イオン生成過程
→ 高速電子（>20eV）と低速電子（～1eV）が必要
H2 + efast(>20eV)  H2*(excited state) + efast
–
H2*(excited state) + eslow(1eV)  H + H
負イオンの消滅過程
→ 1eV以上の電子衝突による消滅
–
H + e  H+ 2 e
–
H + H+  2 H
–
H +H2H+e
–
H + H2  H + H2 + e
磁気フィルターによる電子温度の空間的制御：2つの放電領域に分離
ドライバー領域 → プラズマを生成する主放電領域
高速電子(数10eV)による高密度プラズマ及び振動励起分子の生成
負イオン生成領域 → 負イオンを引出す拡散プラズマの領域
低電子温度（～1eV）プラズマにおける負イオン生成と負イオン消滅の低減
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体積生成方式－プラズマ中で負イオンを生成
振動励起分子は磁場の影響を受けずに拡散するため、高エネルギー電子との衝突
による振動励起水素分子の生成領域（ドライバ領域）と低エネルギ電子の振動
による振動励起水素分子の生成領域（ドライバー領域）と低エネルギー電子の振動
励起分子への解離性付着による負イオン生成領域（引出領域）を分離・独立させる。
放電を維持して
プラズマを生成
するために、電
子温度は高く
度高く
負イオンを生成
するために電
するために、電
子温度は低く
負イオンが電子
に壊されないよ
うに、電子温度
は低く
プラズマ中に磁場をかけて（磁気フィルター）、電子温
度を空間的に制御することにより、負イオンを生成
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Cs添加表面効果による負イオン生成
Cs導入による大幅な負イオン電流の増加
負
増
体積生成方式による負イオン生成の問題点
・動作ガス圧力が高い（>1Pa）ー加速途中の負イオンの中性化損失
・負イオン電流密度が低い（<10mA/cm2）ーアーク効率も低い
少量のCsをプラズマ中に導入することによる飛躍的な性能向上
少量
をラ
中導入する
よる飛躍的な性能向
・負イオン電流の大幅な増加（3～10倍以上）
・引出電子電流の大幅な減少
・動作ガス圧力の低下
動作ガス圧力の低下
→ Cs被覆電極の表面効果による負イオン生成
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低仕事関数表面上における負イオンの生成
Csに覆われた表面の仕事関数の低下
覆
表
数
・水素原子および水素イオン（プロトン）が、Csに覆われた低仕事関数の電極表面上
で水素負イオンに変換する。
・ Csの被覆率により表面の仕事関数は変化し、0.6層程度の被覆率の時、仕事関数は
バルクのCsより低下して最低となり、負イオン変換効率も最大となる。
・電極温度が低いとCs被覆は多層となり、仕事関数はバルクのCsの値まで上昇する。
電極温度が低いとC 被覆は多層となり仕事関数はバクのC の値まで上昇する
・負イオン生成効率は電極温度
負
成効率電極温度
に依存し、200~300℃程度に
維持する必要がある。
12/41
負イオンビーム加速器の構造
多孔・多段電極構成（1段引出・1段加速）
Permanent Magnet
Cooling Tube
N S
S N
Negative
Ion Beam
(a)
- プラズマ電極、引出電極、ステアリン
グ電極、接地電極により構成される
1段加速電極系。
- 引出電極には、引出電子抑制用の
永久磁石が埋め込まれている。
- ステアリング電極により、各ビーム
レットの軌道制御を行っている。
N S
S N
Plasma
Grid
Extraction
Grid
B
Electron
Electron
Suppression
Grid
Grounded
Grid
Negative
Ion Beam
(b)
Electron
B
13/41
Giant negative ion source with multi-slotted
GG accelerator used in the LHD-NB injector
j
- Cs-seeded filament-arc discharge multi-cusp source with an external
filter.
- Large arc chamber of 35cm(width)x140cm(length)x(19-23)cm(depth),
with a hexagonal cross section.
- Four
Four-grids
grids single-stage
single stage accelerator (grid area : 25x125 cm2) divided
into 5 sections with multi-slotted grounded grid.
- High current H- beam production of 37A (340A/m2) at 190keV.
Cs Line
Fil
Filaments
t
Cs Lines
Arc Chamber
(H- generator)
A
Accelerator
l
t
Beam Direction
Negative ion source
BL1 source
Accelerator
14/41
IPP-GarchingにおけるRF負イオン源の開発
filter field
Ie
----
e
N
S
water cooled
Faraday screen
S
Al2 O3 ceramic
H-
gas feed
grounded grid
Cs
evaporator
Di
Driver
extraction grid (Ux ~
~-15
15 kV)
N
23mA/cm2 D–
33mA/cm2 H–
を0.3 Paで達成
(magnets turned by 90º)
Expansion
E
i
Region
plasma grid (Up ~ -20 kV),
pos. bias (10 – 20 V)
Extraction
E
t ti
Region
15/41
ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor) and
ITER neutral
t lb
beam iinjector
j t
- DT burning plasma experiments, and Fusion output : 500MW
- Two
T
neutral
t l beam
b
injectors
i j t
: 1MeV-16.5MW
1M V 16 5MW each
h
- Under construction for the first plasma in 2020
ITER-NB injector
j
Calorimeter
Residual ion dump
Neutralizer
Negative ion source
ITER
16/41
Giant negative ion source specified for
ITER-NBI system
- 1MeV – 40A – 3600sec, Deuterium negative ions
- RF-driven plasma generation and 5-stage electrostatic
acceleration of negative ions
- Huge ion source of 2m x 2.4mH
MAMuG accelerator
(Multi-aperture and multi-grid)
RF-driven plasma generator
17/41
Working negative-ion-based NBI system (I)
JT-60U injector with two negative ion sources
- Ion source achievement is 400keV-17A against the designed 500keV-22A,
due to insufficient high-voltage holding capability.
The N-NBI was constructed in 1996 to study
Negative
Ion Sourceplasma current drive
 non-inductive
 plasma heating
Neutralizer
to inject high-energy D0 beams into high-density D-D plasmas (> 5x1019m-3).
~24m
D0 beam
JT‐60U
JT
60U
Tokamak
Design (Achievements)
E
Energy
: 500keV
500k V (400keV)
(400k V)
Power : 10MW (6MW)
Pulse : 10s (30s at 3MW)
Firstly operated
negative-NB injector
in 1996
18/41
Working negative-ion-based NBI system (II)
Three LHD injectors with six negative ion sources
- Operational in 1998 with 2 injectors, and 1 injector in 2001.
- Total achieved injection power is 16MW against the designed 15MW.
- Ion source achievement is 190keV-37A exceeding the designed
180keV-30A.
- CW injection
for 128sec was achieved with a reduced power.
j
p
Design (Achievements) for 1 injector
Energy : 180keV (190keV)
Power : 5MW (6.8MW)
Pulse : 10s (1.6s at max. power)
BL 2
BL-2
BL-1
BL-3
Large Helical Device
19/41
Characteristic features of giant negative ion
sources
sou
ces for
o the
e NBI system
sys e
- Large-volume plasma production
- High-efficient plasma production
- Uniform
U if
plasma
l
production
d ti
Large-area
area beam extraction and acceleration
- Large
- Multiple beamlets extaction and acceleration
- Secondary particle generation in accelerator
- High-voltage DC holding
- Vacuum high-voltage
high voltage holding
20/41
Cs添加プラズマ方式負イオン源における
プラズマ源の最適化
アーク放電室の磁場構造の最適化
- プラズマ源は高い閉じ込め性能が必要。
・高いアーク電力効率で高密度プラズマの生成が可能
・プロトン比および原子比の高いプラズマの生成が可能
・低い動作ガス圧力でのプラズマ生成が可能
 アーク室を強いカスプ閉じ込め磁場で構成し、
高い体積／表面積比の得られる形状とする。
- 強いカスプ磁場は磁気フィルター磁場と局所的にリンク・結合し
強
プ磁
磁気
磁
的
結合
やすいことから、局所放電を避けるため、アーク放電室の磁場構
造の最適化が必要。
 フィラメントからの１次電子軌道の追跡を行い、
その軌道が均一化するように磁場構造を最適化する
手法が有効。
手法が有効
21/41
Magnetic configuration should be optimized so
that the primary electron distribution is uniform.
- Local connection of the filter field with the cusp field would result in
localization of the primary electron distribution.
- In the optimized configuration,
configuration where the filter field is not strongly
connected to the cusp field, the primary electron distribution is
relatively uniform in the plasma production region.
increased and the
- Arc efficiency for negative ion production is much increased,
2
H current reaches 35A (320A/m ) in the optimized arc chamber.
Optimized configuration
(modified arc chamber)
Non-optimized configuration
(original arc chamber)
22/41
Aperture displacement technique for the
multi-beamlet
multi
beamlet steering
- Multiple beamlets should be focused to pass through the injection port.
- Individual beamlet can be electrostatically steered by the aperture
displacement technique.
- Negative
g
ion beamlet deflection by
y the EG magnetic
g
field is
successfully compensated by this technique.
Beamlet
(a)
Source
Plasma


Electrode 2
Electrode 1
d2
d1
f


Beam
Axis
Beamlet
E1
E2
V2
0
Beam
Energy
V1
V1+V2
0

(b)
V2
P t ti l V1+V
Potential

f
23/41
Beamlet-beamlet interaction is observed,
and can be corrected.
- Due to space charge repulsion force, beamlet-beamlet interaction
causes the beamlet deflection.
- Outer three to four beamlets are only
deflected by the beamlet-beamlet
interaction.
- It is confirmed in the calculation that
beamlet deflection is compensated by
the aperture displacement technique.
Correctted by prog
grammed
multi--beamlet stteering
- Beamlet deflection by the beamlet-beamlet
beamlet beamlet interaction can be
adjusted with the aperture displacement technique.
24/41
Secondary particles generated during the
acceleration cause g
grid heat load.
- Secondary particles are mainly
generated by
- Collision of negative ions with the
background gas
- Direct
Di
t intersection
i t
ti
off grids
id with
ith
negative ions
- Backstreaming positive ions
e tracted from the ne
extracted
neutralizer
trali er
plasma.
yp
particles are
- These secondary
incident on grids, and lead to
generation of the subsequent
electrons, as well as grid heat load.
- Stripped electrons are a primary
cause of the grid heat load, and the
operational gas pressure should be
lowered.
25/41
High-transparency of grid is effective to reduce the
grid heat load, leading to high-voltage holding.
- Reduction of the gas pressure in the grid gap and reduction of the
electron and ion beam intersection area result in a decrease of
the GG heat load.
- As a result, high-voltage holding capability is improved.
0.2
6
0.15
0.1
0.05
0
0
5
Multi-round
aperutre (14)
Injecttion Powerr (MW)
GG
G Heat Load
d Ratio to A
Acc-PS Energ
gy
- Negative ion current is increased accordingly to the 3/2 power of
the beam energy, leading to an increase in the injection power.
Multi-round
aperture (16)
Multi-slotted
20
40
60
80
Transparency of GG (%)
100
4
Pinj = Eb5/2
3
2
1
100
120 140 160 180
Beam Energy (keV)
200
26/41
High-voltage holding capability is critical
for vacuum insulation.
- Breakdown voltage is increased proportionally to the square root of gap
length, according to semi-empirical theory (Clump theory).
- Voltage holding capability of grids is about a half of that obtained from
quasi-Rogowski sample electrode.
- 500kV and 1MV of dc voltages are successfully held in the JT
JT-60U
60U source
and the MeV-accelerator source, respectively, when appropriate gap
lengths are secured.
Original
従来
Gap Scan
新組立方
st 75
1st 2nd 65
3rd 55
Gap scan was carried
out from 35 to 105 mm
in JT-60U source.
Original gap(75-65-55)
27/41
Long pulse operation is achieved in an RF-driven
source, and Cs recycling
y
g is a critical issue.
- Long pulse operation for 3600sec has been demonstrated in an RFdriven source.
- PG temperature is maintained at 150oC to keep optimum Cs-coverage
on the PG surface for negative ion production.
- Chamber temperature is also maintained at 50oC for Cs to be recycled.
recycled
- Impurities would degrade the Cs effect. By coating the Faraday screen
with Mo, the Cu impurity is reduced, leading to pulse extension.
28/41
Individual elements have been almost
achieved for the ITER source requirements.
q
- Present status for the ITER source development satisfies the individual
requirements, except for large current production in the RF source.
- Full-size source test is strongly required for demonstrating the
integrated performance.
Current
(A)
Current
density
(A/m2)
Co-extracted
elec. current
Ion
Species
Pressure
(Pa)
Pulse
length
(s)
Energy
(keV)
37
340
<1
H
0 33
0.33
16
1.6
190
JT-60U
(one source)
17.4
130
<1
D
0.27
0.73
400
10
100
<1
D
0.27
25
360
ITER
(one source)
40
200
<1
D
0.3
3600
1000
46
280
<1
H
0.3
3600
870
RF source
(BATMAN)
1.6
230
<1
D
0.3
4
20
2.3
330
<1
H
0.3
4
20
RF source
(MANITU)
2.5
120
>1
H
0.4
3600
20
MeV
Facility
0.333
144
0.2
937
LHD
(one source)
H
29/41
H2 disccharge
Electrons are decreasing and H- ions are increasing
with an increase in Cs0 after starting Cs seeding.
Optical emission from Cs0
(Optical emission spectroscopy)
H2 discharge
Electron density
(Millimeter-wave interferometer)
Cs seeding
(180oC)
Cs seeding
(190oC)
Electron density
(Langmuir single probe)
H- density
(Cavity ring-down)
30/41
Finally, an ion-ion plasma is produced in the
extraction region with Cs seeding.
I -؆ I +
- With Cs seeding, the negative saturation current
of the probe is drastically decreased, indicating a
large reduction of the electrons.
- After fully Cs seeding, the I-V curve is observed
quite symmetric.
- That indicates ion
ion-ion
ion plasma production
consisting of mainly positive and negative ions.
31/41
H- density is not largely decreasing toward the PG
with Cs seeding.
- Sight line of the CRD is scanned in the direction normal to the PG, and the
H- density distribution upstream from the PG is measured
measured.
- In the case of Cs seeding, where the H- ions are produced on the PG
surface, the H- density is maintained near the PG, and a gradual decrease
in the H- density is observed toward the plasma inside
inside.
- H- density is lowered very close to the PG surface.
With Cs seeding
32/41
H- ion density is higher near the PG surface than
near the extraction aperture.
- Measured H- ion density along a line of sight including no extraction
aperture
p
is observed higher
g
than that along
g a line of sight
g including
g the
extraction apertures.
- That indicates the surface production of H- ions in the Cs-seeded source.
Aperture
Aperture
33/41
Observed H- density is reduced by the H- extraction
for lower bias voltages.
VBias = 1.3 V
- Without the beam extraction, the H- ion
density is decreased with an increase in the
bias voltage
voltage.
- Decrement of the H- density by the extraction
is increased with lowering the bias voltage.
- Plasma potential seems to be correlated with
the H- density reduction by the extraction.
VBias = 5.8 V
Plasma
Potential
34/41
Waveform variation of the Langmuir probe for the
H- density reduction by the H- extraction.
Beam extraction
Pre-arc period
I-: Negative-ion
saturation current
I+: Positive-ion
saturation current
((I-
Pre-arc period
ion-ion plasma
- I+)): subtracted current
 electron current (?)
Beam extraction
ion-ion plasma
electron contamination
35/41
Possible explanation for the H- density reduction
by the H- extraction.
Before beam extraction
(Cs‐seeded plasma)
Without Cs
e-
H+ e- H- H+
H0
H+
e-
e-
Cs seeding
g
H+
e-
H-
H+
H+
H-
During beam extraction
(Cs‐seeded plasma)
H-
e-
H+
Extraction of
HH+
H-
H+
H-
H-
H+
H-
• Pure H2 plasmas:
Electrons diffuse from bulk plasma
plasma, and the charge neutrality is maintained
with hydrogenous positive ions, electrons and low density of H- ions.
• Cs-seeded plasmas (without beam extraction):
H- ions are produced on the PG surface,
surface and electrons from the driver region
are suppressed to move into the extraction region. Consequently, electronpoor plasma is generated in the extraction region.
• D
During
i extraction:
t ti
H- ions are extracted, and the charge neutrality breaks. Then, electrons
diffuse from the driver region to compensate the excess positive ions.
36/41
ＰＩＣシミュレーションによるモデリング
configuration and schematic model of PIC simulation
without beam extraction
(Cs seeded plasma)
with beam extraction
(Cs seeded plasma)
• PIC simulation:
pp
for the p
plasma
Particle-In-Cell method is applied
simulation at beam extraction region.
• Ion and electron distributions with and w/o beam
extraction:
The simulation result reproduces the H- decrease and
electron increase during beam extraction, and also shows
the influence of pre-sheath expands deeply inside the
extraction region.
N. Kameyama, T. Fukuyama, S. Wada, K. Kuppel, K. Tsumori, H. Nakano,
A. Hatayama, K. Miyamoto, A. Fukano, and M. Bacal. Review of
Scientific Instruments. (to be published).
37/41
Two-dimensional Hα image measurement shows
the H- density variation by the beam extraction.
- 2D CCD spectrometer system is installed for Hα
image measurement in the extraction region near
the PG
PG.
ΔHα
- Hα signal is reduced during the beam extraction,
because of a decrease in the mutual
neutralization
t li ti d
due tto a reduction
d ti off th
the H- density.
d
it
- Hα signal reduction corresponds to the H- density
reduction measured with the CRD.
Reflection by PG aperture
Possible mechanisms of
Hα emission in the
extraction region
- Mutual neutralization of
H+ and H- ions
Reflection by flange
Observed Hα Image
- El
Electron
t
iimpactt
excitation of H atoms
38/41
Reduction of the Hα signal intensity near the PG
aperture is clearly observed by the beam extraction.
- Amount of the Hα signal reduction near the PG aperture is much larger than
that near no PG aperture.
- That corresponds to the measurement of H- ion distribution with the CRDS.
- This observation indicates the invasion of electric field and the reduction of the
H- ions byy the positive extraction voltage
g for the H- ion extraction.
2D distribution of ΔHα
Vertical distribution
PG
ΔHα
Signal reduction
Aperture
Vext= 8 1kV
Vext=-8.1kV
Y distribution
PG apertures
39/41
Invasion length of the electric field seems to be
relatively long for the beam extraction.
- Reduction of the Hα intensity is observed toward the plasma inside farther
than 20mm from the PG surface.
- Upstream of no PG aperture, the reduction of the Hα intensity is observed at
about 10mm apart from the PG surface.
2D distribution of ΔHα
Horizontal distribution
ΔHα
Z distribution
Vext=-8
Vext
8.1kV
1kV
40/41
PG apertures
Decrease by line
averaging effect
負イオンの高密度化・極限負イオンビーム生成
が切り拓く新しい負イオン科学の展開
○基礎科学分野への展開
負イオンが支配的な負電荷となるプラズマ物性－イオン性プラズマ
空間電荷の制御
負イオンと表面・物質・光との相互作用
負イオン生成機構セシウムを用いない負イオン生成
負イオン生成機構－セシウムを用いない負イオン生成
○エネルギー創成・物質探求へ向けた極限技術の展開
核融合用負
核融合用負イオン技術の高度展開
技術高度展開
高強度ビーム加速技術
負イオンビームの光中性化
加速器用高品質負イオンビム生成技術の展開
加速器用高品質負イオンビーム生成技術の展開
高輝度・低エミッタンスビームの生成
空間電荷の高度制御
○新物質創成等へ向けた物性分野への展開
○新物質創成等
向けた物性分野の展開
負イオン注入・堆積による物質創成の高度化
正イオンビームと併用した空間電荷中和ビーム技術の確立
物質創成技術への展開
宇宙推進技術への展開
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