オ バ ビオーバービュー負イオン科学の広がり負イオン科学の広がり

－現状と課題－プ ズ核融合プラズマ加熱用負イオン源を中心に

竹入康彦竹入康彦

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－」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

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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

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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→ 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ーム生成負イオン源：水素負イオン加速器入射ビ 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

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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（ＮＢＩ）用負イオン源の特徴

○高密度負イオン生成：H-、D-

1017～1018 m-3 （プラズマ中密度）100 400 A/ 2 （ビ ム電流密度）100～400 A/m2 （ビーム電流密度）

○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 2 （電極面積）～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：H-

100～1,000 A/m2 （ビーム電流密度）10 100 A （単ビ ムレット）10～100 mA （単ビームレット）

○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

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水素負イオンの電子構造水素負イオンの電子構造

• 水素負イオンに余剰に付着し • 1S’軌道のエネルギー準位 (電• 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

• 1S’軌道の軌道半径はボーア半径の3.8倍。

にある安定な準位。

1S’ 余剰電子

(RS’ = 3.8 rB)

1S 電子

(RS = rB : ボーア半径)

εvac0.754 eVE.A. (εA ) He: 0.0

Li : 0.62Be: 0.0B : 0.28C : 1 60

13.6 eVI.P. (εI)

C : 1.601.27

N : 0.07O : 1.46F : 3.41Ne: 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 ム効率・ 低ガス圧力動作 → 電極等の損傷 入射ビーム効率

・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

ビ ガ・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。

・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。

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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 eH + e H + 2 eH– + H+ 2 HH– + H 2 H + 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9/41

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（ドライバー領域）と低エネルギー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 領域）と低エネルギ 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。

放電を維持して負イオンを生成するために 電放電を維持して

プラズマを生成するために、電

度 高く

するために、電子温度は低く

子温度は高く

負イオンが電子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

は低く

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。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・ 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。

・ 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。

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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）

Cooling TubePermanent Magnet

- 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Cooling TubePermanent Magnet

N S

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。

NegativeIon Beam

S N

(a)

- 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。

S N

N S

PlasmaGrid

GroundedGrid

ElectronSuppression

GridExtraction

Grid

Electron

Electron

NegativeIon Beam

B

(b)Electron

B

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Giant negative ion source with multi-slotted GG accelerator used in the LHD-NB injectorj

- 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 grids single stage accelerator (grid area : 25x125 cm2) divided - Four-grids 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.

Arc Chamber

Cs Line Cs Lines

Fil t (H- generator)Filaments

A l t Beam DirectionAccelerator Beam Direction

AcceleratorNegative ion source BL1 source 14/41

IPP-GarchingにおけるRF負イオン源の開発

Ie- -

S

e- -- -

water cooled Faraday screen

Al2 O3 ceramic filter field

S

H

Ie

N

e- -

(magnets turned by 90º)

Faraday screen

H-

grounded gridextraction grid (Ux ~ 15 kV)Cs

gas feed

23mA/cm2 D–

33mA/cm2 H–

plasma grid (Up ~ -20 kV),pos. bias (10 – 20 V)

extraction grid (Ux ~-15 kV)Csevaporator N

D i E i E t ti

33mA/cm Hを0.3 Paで達成

Driver ExpansionRegion

ExtractionRegion

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ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) and ITER t l b i j tITER neutral beam injector

- DT burning plasma experiments, and Fusion output : 500MWT t l b i j t 1M V 16 5MW h- Two neutral beam injectors : 1MeV-16.5MW each

- Under construction for the first plasma in 2020

ITER-NB injectorj

Neutralizer

Calorimeter

Residual ion dump

ITER

Negative ion source

Neutralizer

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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 ionsacceleration 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 non-inductive plasma current drive plasma heating

Negative Ion SourceNeutralizer

to inject high-energy D0 beams into high-density D-D plasmas (> 5x1019m-3).

JT 60UJT‐60UTokamakD0 beam

~24m

Design (Achievements)E 500k V (400k V)Energy : 500keV (400keV)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 injectorEnergy : 180keV (190keV)

BL 2

Power : 5MW (6.8MW)Pulse : 10s (1.6s at max. power)

BL-1BL-2

BL-3

Large Helical Device19/41

Characteristic features of giant negative ion sources for the NBI systemsou ces o e sys e

- Large-volume plasma production- High-efficient plasma production

U if l d ti- Uniform plasma production

- Large-area beam extraction and accelerationLarge area beam extraction and acceleration- Multiple beamlets extaction and acceleration- Secondary particle generation in accelerator

- High-voltage DC holdingVacuum high voltage holding- Vacuum high-voltage holding

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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 プ磁 磁気 磁 的 結合- 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。

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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 where the filter field is not strongly - In the optimized 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.

- Arc efficiency for negative ion production is much increased and the Arc efficiency for negative ion production is much increased, and the H- current reaches 35A (320A/m2) 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 steeringmulti 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 ion beamlet deflection by the EG magnetic field is g y g

successfully compensated by this technique.

Beamlet

d2

Electrode 1 Electrode 2

d1

SourcePlasma

(a)

BeamAxis

f

V 0

E1

V VP t ti l

E2 (b)

Beamlet

V1

V2 0

0

V1+V2

BeamEnergy

Potential

V1+V2 f

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Beamlet-beamlet interaction is observed, and can be corrected.

- Due to space charge repulsion force, beamlet-beamlet interaction causes the beamlet deflection.Beamlet deflection by the beamlet beamlet interaction can be - Beamlet deflection by the beamlet-beamlet interaction can be adjusted with the aperture displacement technique.

- Outer three to four beamlets are only 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 beamlet deflection is compensated by the aperture displacement technique.

gram

med

teer

ing

ted

by p

rog

-bea

mle

t st

Cor

rect

mul

ti-

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Secondary particles generated during the acceleration cause grid heat load.g

- Secondary particles are mainly generated bygenerated by- Collision of negative ions with the

background gas Di t i t ti f id ith - Direct intersection of grids with negative ions

- Backstreaming positive ions e tracted from the ne trali er extracted from the neutralizer plasma.

- These secondary particles are y pincident 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 operational gas pressure should be lowered.

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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. - Negative ion current is increased accordingly to the 3/2 power of

0.2

gy

Negative ion current is increased accordingly to the 3/2 power of the beam energy, leading to an increase in the injection power.

6

0.15

Acc

-PS

Ener

g

Multi-round aperutre (14)

3

4

5

r (M

W) Pinj = Eb5/2

0.1

d Ra

tio to

A

Multi-round aperture (16)

2

3

tion

Pow

er0.05

G H

eat L

oad

Multi-slottedIn

ject

00 20 40 60 80 100

GG

Transparency of GG (%)

1100 120 140 160 180 200

Beam Energy (keV)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-60U source 500kV and 1MV of dc voltages are successfully held in the JT 60U source and the MeV-accelerator source, respectively, when appropriate gap lengths are secured.

従来 新組立方Original Gap Scan

1st 751st  752nd 653rd 55

Gap scan was carried out from 35 to 105 mm in JT-60U source.Original gap(75-65-55)

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Long pulse operation is achieved in an RF-driven source, and Cs recycling is a critical issue.y g

- Long pulse operation for 3600sec has been demonstrated in an RF-driven 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- Chamber temperature is also maintained at 50oC for Cs to be recycled.- Impurities would degrade the Cs effect. By coating the Faraday screen

with Mo, the Cu impurity is reduced, leading to pulse extension.

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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.

Current Pulse

- 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)

LHD 37 340 <1 H 0 33 1 6 190(one source) 37 340 <1 H 0.33 1.6 190

JT-60U(one source)

17.4 130 <1 D 0.27 0.73 40010 100 <1 D 0.27 25 360

ITER(one source)

40 200 <1 D 0.3 3600 100046 280 <1 H 0.3 3600 870

RF source 1.6 230 <1 D 0.3 4 20RF source(BATMAN) 2.3 330 <1 H 0.3 4 20RF source(MANITU) 2.5 120 >1 H 0.4 3600 20

MeVFacility 0.333 144 H 0.2 937

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Electrons are decreasing and H- ions are increasing with an increase in Cs0 after starting Cs seeding.

char

geH

2di

sc

Cs seeding

Electron density(Millimeter-wave interferometer)

Optical emission from Cs0

(Optical emission spectroscopy)

Cs seeding(180oC)

H2

disc

harg

e

Cs seeding(190oC)

H

H- density(Cavity ring-down)

Electron density(Langmuir single probe) 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 plasma productionThat indicates ion ion plasma production consisting of mainly positive and negative ions.

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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 measuredH density distribution upstream from the PG is 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 insidein the H density is observed toward the plasma inside.

- H- density is lowered very close to the PG surface.

With Cs seedingWith Cs seeding

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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 is observed higher than that along a line of sight including the p g g g gextraction apertures.

- That indicates the surface production of H- ions in the Cs-seeded source.

ApertureAperture

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Observed H- density is reduced by the H- extraction for lower bias voltages.

- Without the beam extraction, the H- ion density is decreased with an increase in the bias voltage

VBias = 1.3 Vbias 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 VPlasma Potential

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Waveform variation of the Langmuir probe for the H- density reduction by the H- extraction.

Beam extraction

I-: Negative-ion saturation current

Pre-arc period

I+: Positive-ionsaturation current

(I- - I+): subtracted current( +) electron current (?)

Pre-arc period Beam extraction

ion-ion plasma ion-ion plasma electron contamination

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Possible explanation for the H- density reduction by the H- extraction.

Without CsBefore beam extraction(Cs‐seeded plasma)

During beam extraction(Cs‐seeded plasma)

e- e-

H0 H+ e- e-e-H+ H- H+H+

Cs seeding Extraction of

H+H- H-

H+

H H H

H- H+H+e- H+H-H+

gH-

H- H- H-

• Pure H2 plasmas:Electrons diffuse from bulk plasma and the charge neutrality is maintainedElectrons diffuse from bulk 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 and electrons from the driver regionH ions are produced on the PG surface, and electrons from the driver region are suppressed to move into the extraction region. Consequently, electron-poor plasma is generated in the extraction region.

D i t ti• During extraction: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

without beam extraction(Cs seeded plasma)

with beam extraction(Cs seeded plasma)

configuration and schematic model of PIC 

simulationsimulation

• PIC simulation:Particle-In-Cell method is applied for the plasma pp psimulation 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.

ΔHα- 2D CCD spectrometer system is installed for Hα image measurement in the extraction region near the PGthe PG.

- Hα signal is reduced during the beam extraction, because of a decrease in the mutual

t li ti d t d ti f th H d itneutralization due to a reduction of the H- density.- 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 regionextraction region- Mutual neutralization of

H+ and H- ionsEl t i t

Observed Hα Image

Reflection by flange - Electron impact excitation of H atoms

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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 by the positive extraction voltage for the H- ion extraction.

ΔHαVertical distribution2D distribution of ΔHα PG

y g

Signal reduction

Vext= 8 1kV

Aperture

PG aperturesY distribution

Vext=-8.1kV

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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.

Horizontal distribution2D distribution of ΔHα

ΔHα

Z distribution

Vext=-8 1kV

PG apertures

Vext 8.1kV

Decrease by line averaging effect40/41

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イオン技術の高度展開核融合用負 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ーム生成技術の展開加速器用高品質負イオンビ 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 向けた物性分野 の展開○新物質創成等へ向けた物性分野へ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

・・・・・ 41/41