Control of negative ion beam focusing and identification of origins of multiple velocity distribution components within a negative ion beam

控制负离子束聚焦并识别负离子束内多个速度分布分量的起源

• 批准号: 22K14023
• 负责人: 波場 泰昭
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Nihon University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14023/
• 关键词: 負イオン源; ビーム; 位相空間; 速度分布; 集束性; 核融合; 負イオンビーム; 速度分布関数; 核融合発電

表面生成を起源とする水素負イオンの集束性を制御するパラメータを同定するために、研究代表者が所属する日本大学の生産工学研究所で、小型負イオン源及び診断用ビームラインを構築した。2022年度、当該装置を構成する真空容器の設計・開発・据付、及び負イオン源内でのフィラメント・アーク放電の実証が完了した。負イオン源側は10kV級の高電圧領域になるため、充分な耐圧を有する絶縁トランスを導入すると共に、高電圧領域を絶縁体で遮蔽する装置構成とした。また、窒素パージ系統、負イオン源への水素ガス導入系統、真空容器内の排気系統、圧力測定系統、及びコンダクタンスバルブを用いた負イオン源とビームラインとの圧力制御系統を構築した。負イオン源内で水素プラズマを生成するための電源系統、ビームライン領域で負イオンを加速させるための電源系統の構築も完了した。また、核融合科学研究所の研究開発負イオン源から引き出された単一のビームに内在する複数のビーム成分に対して、ビーム径方向における速度分布の全貌を実験的に明らかにする手法を確立した。さらに、実験的に取得された離散的なビーム位相空間構造を、連続的な位相空間構造として再構成する手法を提示した。実験結果に基づいて再構成された位相空間構造は、時間反転させたビーム軌道の数値計算に対する入力値を与える。当該数値計算により、ビーム引出界面の近傍領域における負イオンの密度分布や速度分布を実験結果に基づいて評価することが可能となった。負イオンビームに内在する複数の速度分布成分の起源を同定するための重要なパラメータとして、各成分の含有率を提示すると共に、その評価手法を確立した。本研究成果は、米国物理学協会の学術誌AIP Advancesで報告され、Featured Articleとして選出された。

为了确定控制源自表面形成的负氢离子的聚焦性的参数，在主要研究者所在的日本大学工业科学技术研究所建造了一个小型负离子源和诊断光束线。 2022财年，完成了构成该装置的真空容器的设计、开发和安装，以及负离子源内灯丝电弧放电的演示。由于负离子源侧处于10kV级的高压区域，因此引入了具有足够耐压的隔离变压器，并配置了装置以绝缘体屏蔽高压区域。我们还构建了氮气吹扫系统、负离子源的氢气引入系统、真空室中的排气系统、压力测量系统以及使用电导阀的负离子源和束线之间的压力控制系统。负离子源中产生氢等离子体的电源系统和束线区域中负离子加速的电源系统也已建成。我们还建立了一种方法，通过实验澄清从国家融合科学研究所研发的负离子源提取的单个光束中固有的多个光束分量在光束径向方向上的整个速度分布。此外，我们提出了一种将实验获得的离散光束相空间结构重建为连续相空间结构的方法。基于实验结果重建的相空间结构为时间反演光束轨迹的数值计算提供了输入。通过数值计算，可以根据实验结果评估束流提取界面附近负离子的密度分布和速度分布。我们提出了每个成分的含量作为识别负离子束固有的多个速度分布成分的起源的重要参数，并建立了评估方法。该研究成果发表在美国物理学会期刊AIP Advances上，并被选为Featured Article。

项目成果

Works for improving negative ion beam focusing at Nihon University and at NIFS

在日本大学和 NIFS 致力于改善负离子束聚焦

• 发表时间: 2022
• 作者: M. Kisaki;K. Nagaoka;J. Slief;Y. Haba;R. Nakamoto;K. Tsumori;H. Nakano;K. Ikeda;M. Osakabe;波場泰昭;Y. Haba;波場泰昭;Y. Haba
• 通讯作者: Y. Haba

Abundance ratio of multiple velocity distribution components in a single negative ion beamlet produced by a cesium-seeded negative ion source

铯籽负离子源产生的单个负离子子束中多个速度分布分量的丰度比

• DOI: 10.1063/5.0083300
• 发表时间: 2022
• 期刊: AIP Advances
• 影响因子: 1.6
• 作者: Haba Yasuaki;Aramaki Mitsutoshi;Tsumori Katsuyoshi;Osakabe Masaki;Ikeda Katsunori;Nakano Haruhisa;Nagaoka Kenichi
• 通讯作者: Nagaoka Kenichi

Nonuniform plasma meniscus modelling based on backward calculation of negative ion beamlet

基于负离子子束逆向计算的非均匀等离子体弯月面建模

• DOI: 10.1088/1741-4326/ac8604
• 发表时间: 2022
• 期刊: Nuclear Fusion
• 影响因子: 3.3
• 作者: M. Kisaki;K. Nagaoka;J. Slief;Y. Haba;R. Nakamoto;K. Tsumori;H. Nakano;K. Ikeda;M. Osakabe
• 通讯作者: M. Osakabe

表面生成負イオンのビーム集束性制御に向けた小型負イオン源開発

开发用于表面产生负离子的束聚焦控制的紧凑型负离子源

• 发表时间: 2022
• 作者: M. Kisaki;K. Nagaoka;J. Slief;Y. Haba;R. Nakamoto;K. Tsumori;H. Nakano;K. Ikeda;M. Osakabe;波場泰昭
• 通讯作者: 波場泰昭

Experimental study on focusing of a negative ion beam aimed at fusion plasma heating

聚变等离子体加热负离子束聚焦实验研究

• 发表时间: 2022
• 作者: M. Kisaki;K. Nagaoka;J. Slief;Y. Haba;R. Nakamoto;K. Tsumori;H. Nakano;K. Ikeda;M. Osakabe;波場泰昭;Y. Haba;波場泰昭;Y. Haba;Y. Haba
• 通讯作者: Y. Haba