Production of high-density hydrogen plasma by a novel hollow-shaped magnetized discharge for performing high output negative ion source

一种新型中空型磁化放电产生高密度氢等离子体的高输出负离子源

基本信息

批准号：
22H01196
负责人：
大津康徳
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Saga University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

核融合エネルギーのキー技術となる核融合プラズマ加熱電流型中性粒子ビーム装置では、低気圧かつ高密度プラズマを有する高出力の負イオン源が必要とされている。そのプラズマ生成方式には、誘導結合型放電方式と熱陰極を用いた直流アーク放電方式があり、精力的に研究が行われている。しかしながら、それらの放電を長時間安定駆動させるためには、「アルカリ金属フリー」、「高密度・低電子温度」、「メンテナンスフリー」の３つが、核融合プラズマの安定駆動の観点から大きな障壁となっており、喫緊かつ切迫した課題である。本研究では、「非アルカリ金属表面のナノ構造化」した「ネオホロー電極」により、「アルカリ金属フリー」「高密度・低電子温度」「メンテナンスフリー」を実現させる新規ホロー磁化放電を確立し、高密度水素プラズマ生成を実現することを目的とする。水素ラジカル源を追加したホロー電極を用いた高周波ハイブリッドプラズマCVD装置を構築した。高周波容量結合プラズマ装置の側面から誘導結合放電型（ICP)水素ラジカル発生装置、メタンガスと水素ガスの流量計を接続し、装置下部に基板加熱付きホルダーを設置した。以下の具体的な研究を実施した。基板ホルダーの加熱ヒーターから不純物（水分や油分）を除去するために、延べ1週間半の期間、ヒーターを４５０℃まで加熱させてデガスを行った。その後、プラズマ特性を明らかにするために、高周波ハイブリッドプラズマCVD装置内にラングミュアプローブを挿入し、容器壁に対して-70Vにバイアスしたときにプローブに流入するイオン飽和電流を計測し、高周波ハイブリッドプラズマCVD装置の特性を明らかにした。具体的にプラズマ密度は全体電力でなく、容量結合プラズマ電力に強く依存することが分かった。

聚变等离子体加热电流型中性粒子束装置是核聚变能源的关键技术，需要低压高密度等离子体的高输出负离子源。等离子体产生方法包括感应耦合放电方法和使用热阴极的直流电弧放电方法，并且正在对这些方法进行积极的研究。然而，要长时间稳定地驱动这些放电，从聚变等离子体稳定驱动的角度来看，存在三大障碍：“无碱金属”、“高密度/低电子温度”和“免维护”。这是一个紧迫而紧迫的问题。在这项研究中，我们将使用“新空心电极”建立一种“无碱金属”、“高密度/低电子温度”和“免维护”的新型空心磁化放电。 “纳米结构的非碱金属表面”，其目的是实现密集的氢等离子体的产生。我们使用空心电极和额外的氢自由基源构建了高频混合等离子体 CVD 装置。将电感耦合放电（ICP）氢自由基发生器、甲烷气体和氢气流量计连接到高频电容耦合等离子体装置的侧面，并在装置底部安装具有基板加热功能的支架。我们进行了以下具体研究。为了从基板保持件的加热器中除去杂质(水分和油)，通过将加热器加热至450℃总共一周半来进行脱气。之后，为了明确等离子体特性，将朗缪尔探针插入高频混合等离子体CVD装置，测定相对于容器壁偏置至-70V时流入探针的离子饱和电流特性。 CVD设备的使用情况进行了明确。具体来说，发现等离子体密度很大程度上取决于电容耦合等离子体功率，而不是总功率。