大型負イオン源内の負イオン非一様性発現機構の解明とその制御手法の開発

阐明大型负离子源内负离子不均匀性的机理及其控制方法的开发

基本信息

批准号：
13J02290
负责人：
柴田崇統
金额：
$ 0.53万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

核融合分野では、プラズマ加熱用の大電流H-ビームを生成するため、引き出し面積が数m2である大型負イオン源の開発が進められている。しかし、装置の大型化に伴い、引き出されるH-電流値の空間的非一様性が顕在化することで、H-ビームの直進性が失われ、加速されたH-の一部が電極に入射して熱負荷を生じることが問題とされている。この原因を解明し、H-非一様性の制御機構を提案するため、本研究では、JAEA大型負イオン源を対象に、H-の親粒子である電子および水素原子の生成・輸送モデルを開発するとともに、ラングミュアプローブ計測・バルマー線分光計測を実施し、計算・測定結果の比較を行った。その結果、大型負イオン源では、フィラメント陰極近傍で生成された高エネルギー電子の大部分が、負イオン源周囲のプラズマ閉じ込め用カスプ磁石が作る磁場に捕われ、磁気ドリフトによって装置端部に輸送・蓄積されるため、電子のエネルギー分布関数（EEDF）は熱平衡分布から逸脱することを明らかにした。この非平衡EEDFを高速水素原子の生成・輸送過程計算に適用したところ、計算から得られる水素原子のバルマー線発光強度分布は分光計測による結果をオーダーレベルで再現した。以上より、負イオン源内の高速水素原子の空間分布が非一様となるために、H-生成量が非一様となる機構を明らかにした。また、測定結果を直接比較により再現・説明した数値シミュレーションは、負イオン源分野で初の試みである。これより、イオン源内のEEDFの非平衡成分（高速電子の空間分布）を制御することが、非一様性の改善に重要である知見が得られた。これを改善する磁場配位（テント型磁気フィルター）の提案により、大型負イオン源内のH-に対する空間的非一様性の問題が改善された。

在核聚变领域，正在开发提取面积达数平方米的大型负离子源，以产生用于等离子体加热的高电流H束。然而，随着装置变大，提取的H-电流值的空间不均匀性变得明显，导致H-束失去直线性并且一些加速的H-到达电极。事件并导致热负荷。为了阐明这一原因并提出H-不均匀性的控制机制，在本研究中，我们使用JAEA大型负离子源开发了电子和氢原子（H-母粒子）的产生和传输模型随着发展，进行了朗缪尔探针测量和巴尔默线光谱测量，并对计算和测量结果进行了比较。因此，在大型负离子源中，灯丝阴极附近产生的大部分高能电子被负离子源周围等离子体约束尖点磁体产生的磁场捕获，并在灯丝末端传输和积累。器件由于磁漂移而导致电子能量分布函数（EEDF）偏离热平衡分布。当这种非平衡EEDF应用于高速氢原子的产生和传输过程的计算时，计算得到的氢原子巴尔默线发射强度分布在一个数量级上再现了光谱测量的结果。综上所述，我们已经阐明了由于负离子源内快氢原子空间分布不均匀而导致H-产生量不均匀的机理。此外，通过直接比较再现和解释测量结果的数值模拟是负离子源领域的首次尝试。由此，我们了解到控制离子源内EEDF（高速电子的空间分布）的非平衡成分对于改善非均匀性非常重要。针对大型负离子源中H-空间不均匀的问题，提出了磁场布置（帐篷形磁过滤器）来改善这一问题。

项目成果

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Kinetic modeling of particle dynamics in H^- negative ion sources

H^- 负离子源中粒子动力学的动力学建模

DOI：
发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
0
作者：
A. Hatayama;T. Shibata;S. Nishioka;M. Ohta;M. Yasumoto;K. Nishida;T. Yamamoto;K. Miyamoto;A. Fukano;and T. Mizuno
通讯作者：
and T. Mizuno

高周波放電型水素負イオン源粒子シミュレーションにおけるクーロン衝突のモデリング

高频放电式氢负离子源粒子模拟库仑碰撞建模