JPH0961567A

JPH0961567A - 中性粒子入射装置

Info

Publication number: JPH0961567A
Application number: JP7214743A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hashimoto; 清橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】中性化セルへ入射するまでに負イオンを減じ
させることなく、高い中性化効率を得ることができる中
性粒子入射装置を提供する。【解決手段】本発明は、放電容器内で生成された放電
プラズマを、略平行に配設された複数の引き出し電極を
介してイオンとして前記放電容器外に引き出すイオン源
と（１，３，４，５，６，３１）、イオン源から引き出
されたイオンの進行方向に沿って配設されイオンを中性
粒子に変換する中性化セル（２１）とを備えた中性粒子
入射装置において、中性化セル内において、イオンを荷
電交換反応によって中性粒子に変換するための標的粒子
としてプラズマ粒子を用いるとともに、中性化セルを前
記引き出し電極に隣接して配設したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中性粒子入射装置
に関し、特に、核融合のために用いられる中性粒子入射
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合で用いられる中性粒子入射装置で
は、水素あるいは重水素の正（Ｈ⁺ ，Ｄ⁺ ）あるいは負
イオンビーム（Ｈ^- ，Ｄ^- ）を発生させるイオン源が用
いられる。以下、中性粒子入射装置をＮＢＩ（Ｎｅｕｒ
ｔａｌＢｅａｍＩｎｊｅｃｔｏｒ）と略記する。

【０００３】図７は、従来の重水素の負イオンを利用し
たＮＢＩの構成を示す図である。以下の説明では、ビー
ムエネルギーは５００ｋｅＶとして考える。１は重水素
ガスを放電させて重水素の負イオンを発生させるための
放電室で、重水素ガスはボート２から供給させる。

【０００４】３は放電のための電子を発生するフィラメ
ントで、図示しない電源によってフィラメント３と放電
室壁４の間に与えられた電圧によって重水素ガスを放電
させ、重水素の負イオン（Ｄ^- ）を生成する。

【０００５】負イオンは、複数枚の引き出し電極５に穿
設たれた多数のイオン引き出し孔から放電室外へ引き出
され、電圧が印加された引き出し電極の間を通過する際
に加速され、所定の高エネルギーに達する。各引き出し
電極５は、絶縁材６によって電圧が保持される。

【０００６】加速された重水素負イオンビームは、中性
化セル８へ入射しガス供給ボート９から導入された重水
素ガスと衝突した際の荷電交換反応で、高速の重水素原
子（Ｄ⁰ ）に変換される。

【０００７】また、中性化セル８では、負イオンから中
性粒子へ変換される一方で、中性粒子から正イオンへの
変換が行なわれる。図８は、中性化セル内における正負
イオン、中性粒子の比率を、ガス密度とイオンの走行距
離とを乗じたガス線密度の関数として示した図である。

【０００８】同図に示すように、ガス線密度には最適値
が存在し、中性化セル８の長さと圧力はガス線密度が最
適になるように選ばれる。重水素の負イオンはガスとの
衝突で容易に電子が剥離される。加速途中で電子が剥離
されると所定エネルギーに加速されなくなるため、加速
電極間の圧力は低く保たれなければならない。

【０００９】イオン源と中性化セル８との間の領域７
は、クライオポンプを設置するための領域で、イオン源
から流出するガスを排気し電極間の圧力を下げる。中性
化されたビームはドリフト管１１を通ってプラズマへ入
射される。また、中性化セル８へ導入されたガスは領域
７，１０に設置したクライオポンプで排気される。

【００１０】ところで、核融合反応を起こさせるために
は、プラズマへ入射するビームのエネルギーは数百ｋｅ
Ｖ以上が必要である。このエネルギー域での、重水素負
イオンとガスとの衝突による中性化効率は６０％内外で
ある。

【００１１】さらに、この中性化効率を増大するには、
中性化のための標的粒子をプラズマ粒子とする方法があ
る。図９は、標的粒子に重水素プラズマを選んだときの
最大の中性化効率を、プラズマの電離度の関数として示
した図である。同図に示すように、中性化効率は電離度
とともに上昇し、電離度２０％程度でも７５％を越える
値が得られる。

【００１２】また、図１０に示すように、プラズマを標
的粒子としたときにもガスセルと同じように中性化効率
を最大にする最適な標的の粒子線密度が存在する。同図
において、横軸はイオン、電子とガス分子を合わせた標
的粒子の線密度である。この場合も最適値が得られるよ
うに中性化セルの設計がおこなわれる。

【００１３】図１１は、中性化のための標的粒子をプラ
ズマ粒子としたときの従来のＮＢＩの構成を示す図であ
る。なお、図５と同一部分には、同一符号を付して説明
する。また、以下の説明においては、プラズマを用いた
中性化セルをプラズマセル、ガスを用いる場合をガスセ
ルとよぶことにする。

【００１４】同図において、２１がプラズマセルであ
る。２２は電子を放出させるためのフィラメントで、図
示しない電源により、プラズマセルの容器壁２３との間
に加えられた電圧によって放電をおこし、プラズマセル
内に荷電交換用のプラズマを生成する。

【００１５】２４はプラズマを閉じ込めるための磁場を
発生させる永久磁石で、プラズマセル壁２３を取り囲む
用に配置されている。また、この永久磁石２４は、水に
より冷却された管に収納されており、磁石の着磁方向は
壁面に略直角で、相隣あう磁石の着磁の向きは反対であ
る。また、７と１０はそれぞれ排気用の領域である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＮＢＩでは以下に述べるような不都合がある。イオン源
から引き出された負イオンは、中性化セルへ入射するま
でに排気のために設けた領域を通過する。この領域は圧
力が低く設定されてはいるが、ガス分子が存在するた
め、イオンビームと衝突して荷電交換が行なわれる。

【００１７】ガスセルの場合には、中性化セルの外で起
こる反応もガス線密度の算定に組み込んでいる。プラズ
マセルの場合にも事情は同じで、排気領域のガス粒子
も、中性化の為の標的粒子の一部となる。

【００１８】しかし、プラズマセルへの入射の前に、イ
オンビームをガス分子と衝突させた場合には、直接プラ
ズマセルへ負イオンビームを入射させたときに比べ、得
られる中性化効率は低くなる。

【００１９】これは、図８において説明したように、ガ
ス分子との衝突によって、負イオンが中性粒子へ変換さ
れる一方で、中性粒子から正イオンへの変換が起こるた
めである。

【００２０】図１２は、イオン源出口からプラズマセル
入り口までのガス線密度に対して、プラズマセルで得ら
れる最高の中性化効率を示す図である。同図に示すよう
に、プラズマセルより上流のガス線密度とともに、中性
化効率は単調に減少する。すなわち、プラズマセルへ入
射する前に、負イオンにガス雰囲気の領域を走行させる
ことは、プラズマセルを採用した効果を減じさせること
になる。

【００２１】上記のように、従来のＮＢＩにおいては、
中性化効率の高いプラズマセルを用いても、充分にその
効果を発揮させることができなかった。本発明は、上記
実情に鑑みてなされたものであり、中性化セルへ入射す
るまでに負イオンを減じさせることなく、高い中性化効
率を得ることができる中性粒子入射装置を提供すること
を目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】従って、まず、上記目的
を達成するために請求項１に係る発明は、放電容器内で
生成された放電プラズマを、略平行に配設された複数の
引き出し電極を介してイオンとして前記放電容器外に引
き出すイオン源と、イオン源から引き出されたイオンの
進行方向に沿って配設されイオンを中性粒子に変換する
中性化セルとを備えた中性粒子入射装置において、前記
中性化セル内において、イオンを荷電交換反応によって
中性粒子に変換するための標的粒子としてプラズマ粒子
を用いるとともに、前記中性化セルを前記引き出し電極
に隣接して配設したことを特徴とする。

【００２３】また、請求項２に係る発明は、請求項１記
載の中性粒子入射装置において、前記イオンの進行方向
に沿って最下流に配設された前記引き出し電極に対して
略平行な磁力線を発生する磁場発生手段を付加したこと
を特徴とする。

【００２４】さらに、請求項３に係る発明は、請求項２
記載の中性粒子入射装置において、前記磁場発生手段と
して永久磁石を用いたことを特徴とする。さらに、請求
項４に係る発明は、請求項３記載の中性粒子入射装置に
おいて、前記永久磁石は、前記引き出し電極の最下流電
極に埋め込まれていることを特徴とする。

【００２５】さらに、請求項５に係る発明は、請求項２
記載の中性粒子入射装置において、前記磁場発生手段に
よる磁場の発生は、最下流に配設された電極に電流を流
すことにより磁場を発生させることを特徴とする。

【００２６】さらに、請求項６に係る発明は、請求項１
記載の中性粒子入射装置において、前記引き出し電極の
最下流の電極と前記最下流の電極の上流側の電極のう
ち、最近傍の一つの電極との間の電界強度を、他の電極
間の電界強度よりも小さくしたことを特徴とする。

【００２７】さらに、請求項７に係る発明は、請求項１
記載の中性粒子入射装置において、前記引き出し電極の
最下流の電極と前記最下流の電極の上流側の電極のう
ち、最近傍の一つの電極とを同電位にしたしたことを特
徴とする。

【００２８】さらに、請求項８に係る発明は、請求項１
記載の中性粒子入射装置において、前記中性化セルに永
久磁石を間隔を存して配設し、この永久磁石の着磁方向
をイオンビームの進行方向と略直角とするとともに相隣
あう永久磁石の着磁方向を逆方向としたことを特徴とす
る。

【００２９】さらに、請求項９に係る発明は、請求項１
記載の中性粒子入射装置において、前記イオン源と前記
中性化セルとの間に排気用の領域を設け、この領域にイ
オン源から引き出されたイオンビームを取り囲むよう
に、永久磁石を間隔を存して配設し、この永久磁石の着
磁方向をイオンビームの進行方向と略直角とするととも
に相隣あう永久磁石の着磁方向を逆方向としたことを特
徴とする。

【００３０】さらに、請求項１０に係る発明は、請求項
８又は請求項９記載の中性粒子入射装置において、前記
永久磁石を水冷した管に収納したことを特徴とする。請
求項１に係る発明は、引き出し電極から引き出されたイ
オンを中性粒子に変換する中性化セルを引き出し電極に
隣接するように配設しているので、中性化セルへ入射す
るまでにイオンを減じさせることなく高い中性化効率を
得ることができる。

【００３１】請求項２乃至請求項５に係る発明は、磁場
発生手段により、イオンの進行方向に沿って最下流に配
設された引き出し電極に対して略平行な磁力線を発生さ
せるので、イオンが進行方向に逆向する方向に加速され
るのを防止することができ、中性化セルの中性化効率を
更に高めることができる。

【００３２】請求項６及び請求項７に係る発明は、引き
出し電極の最下流の電極と前記最下流の電極の上流側の
電極のうち、最近傍の一つの電極との間の電界強度を、
他の電極間の電界強度よりも小さくし、或いは引き出し
電極の最下流の電極と最下流の電極の上流側の電極のう
ち、最近傍の一つの電極とを同電位とするので、イオン
が進行方向に逆向する方向に加速されるのを防止するこ
とができ、中性化セルの中性化効率を更に高めることが
できる。

【００３３】請求項８乃至請求項１０に係る発明は、永
久磁石の着磁方向をイオンビームの進行方向と略直角と
するとともに相隣あう永久磁石の着磁方向を逆方向とす
るので、中性化セルの中性化効率を損なうことなく電極
間の圧力を制御することができる。また、永久磁石は、
水冷した管に収納する。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態に
係る中性粒子入射装置の構成を示す図である。なお、図
１乃至図６において、図７乃至図１２と同一部分には、
同一符号を付して説明する。

【００３５】本実施の形態のＮＢＩの特徴は、図１に示
すように、プラズマセル２１を引き出し電極５に隣接す
るように配設したことにある。同図において、３１は最
下流の引き出し電極５を支持する支持枠であり、本実施
の形態のＮＢＩにおいては、この支持枠３１にも、フィ
ラメントおよびプラズマ閉じこめ用の磁石を配設しプラ
ズマセルとして利用している。

【００３６】このような構成にすることにより、加速さ
れた負イオンビームは、ガス雰囲気の領域を通過するこ
となく、プラズマセルで期待される最高の中性化効率を
得ることができる。しかし、このような構成を採用しよ
うとすると、二つの課題を解決しなければならない。

【００３７】一つめの課題は、図７の説明において述べ
たように、加速途中での荷電交換損失を低く抑えるため
には、加速電極間の圧力を低くできるようにイオン源直
後の圧力を低くしなければならない。すでに述べたよう
に、中性化効率は標的となる粒子の線密度で表される。

【００３８】図８と図１０との比較から分かるように、
プラズマセルを用いると、標的粒子の線密度は少なくて
すむ。図２は、プラズマセルの電離度と標的粒子線密度
の関係を示す図である。

【００３９】同図において、電離度が零のときがガスセ
ルの場合である。プラズマセルを用いることによって、
線密度を大きく減少させられることが分かる。また、電
離度が２０％程度でも線密度は半分程度であることが分
かる。

【００４０】すなわち、このことは中性化セルの動作圧
力を低く設定しても所要の中性化効率が得られることを
意味する。しかも、プラズマセル２１の標的粒子は、ガ
ス分子ｎ_g ，イオンｎ_i ，電子ｎ_e からなる。

【００４１】加速電極からのガスの排気に影響を及ぼす
粒子として、ガス分子ｎ_g に加え、イオンｎ_i も考慮す
ると、ガスとイオンを合わせた線密度は、電離度をαと
して、同図において示した値に（１＋α）／（１＋２
α）を乗じた値となる。

【００４２】電離度が２０％のときには、図の値の８６
％が考慮しなければならない線密度である。たとえば、
ＪＴ−６０ＵのＮＢＩではイオン源直後の圧力は０．０
２Ｐａである。

【００４３】この圧力でプラズマセルを作動させると、
セル長さは７９１ｃｍとなり、ＪＴ−６０ＵのＮＢＩの
場合の長さ（約１４ｍ：排気領域と中性化セルの長さ）
より充分に短い。

【００４４】しかも、０．０２Ｐａという圧力は放電を
維持できる値である。従って、イオン源から流出するガ
スを使ってプラズマセルをイオン源の直後に設置するこ
とは充分現実的である。

【００４５】また、中性化セルをイオン源直後に設置す
れば排気ポンプの容量を減少させることもできる。もち
ろん、ガスだけを用いる場合にもイオン源出口の圧力を
低く保ってガス線密度を確保することができるが、この
場合にはセル長が長くなり、現実的な構成でなくなる場
合がある。

【００４６】プラズマセルをイオン源直後に接続したと
きの二つめの課題は、プラズマの正イオンが、負イオン
と逆方向の放電室方向へ逆加速され大きな損失パワーを
発生することである。

【００４７】ガスを中性化の標的粒子としているときに
は、ビームによる正イオンの生成は少なく、逆流イオン
による問題は小さい。正イオンの逆流は、プラズマセル
をイオン源に連続して設置した場合の特有の問題であ
る。

【００４８】図３は、図１に示したＮＢＩの最下流電極
付近の拡大図である。同図に示すように、最下流電極に
は永久磁石を埋め込み電極面にほぼ平行な磁場を形成さ
せる。また、最下流電極から一枚上流の電極とのあいだ
の電場を１００Ｖ／ｃｍ前後となるようにし、電極間隔
は１０ｃｍ以上とする。

【００４９】これら２枚以外の電極間の電場は、数十ｋ
Ｖ／ｃｍから百数十ｋＶ／ｃｍで、最下流電極間だけ電
場を弱める。このような構成とすることによって、次に
述べるようにプラズマイオンの逆加速を抑えることがで
きる。

【００５０】すなわち、図３に示すような構成を採用し
た場合には、電場と磁場は略直交する。直交電磁場中で
は、荷電粒子は、ＥｘＢドリフト運動を行う。荷電粒子
の初速度が零の場合には、荷電粒子は、図４に示すよう
に、サイクロイド軌道を描く。荷電粒子が出発する平面
から最も離れる距離をｄとすると、ｄ＝（２Ｅ／Ｂ）／ω_c …（１）で表される。

【００５１】ここで、Ｅ，Ｂは電磁場の大きさで、ω_c
はイオンのサイクロトロン周波数である。Ｂを０．０７
［Ｔ］程度に選ぶと、ｄは１０ｃｍ以下となり、放電室
方向へ加速されることなく、プラズマセルをイオン源に
連続して配置しても不都合はない。

【００５２】以上述べたように、イオンの逆加速を防止
する手段を講ずることによって、プラズマセルの効率を
最高まで発揮できるようになる。なお、上述の実施の形
態に係るＮＢＩの説明においては、最下流側の２枚の電
極間に電圧を与えたが、同じ電位としたときも荷電粒子
の流出を抑えることができる。

【００５３】また、加速電極間の圧力をさらに低くした
い場合等のように、イオン源直後に従来のように排気領
域を設けたい場合がある。このようなときには、図５に
示すように、イオンビームの周囲を取り囲むようにプラ
ズマ閉じこめ用の永久磁石４１を間隔をあけて排気領域
７に配設すれば良い。

【００５４】この場合、排気領域７に設けられる永久磁
石４１は、水冷した管に収納するものとし、永久磁石２
４の着磁方向をイオンビームの進行方向と略直角とする
とともに相隣あう永久磁石の着磁方向を逆方向とする。

【００５５】このような構成を採用することにより、プ
ラズマ粒子を磁場で閉じこめ、ガスを磁石の間から排気
することによって、プラズマセルの性能を損なうことな
く電極間の圧力を制御できる。

【００５６】さらに、磁場の発生方法は、永久磁石に限
定されない。すなわち、図６に示すように、最下流の電
極に電流を流し、電流のつくる磁場を利用して荷電粒子
の逆加速を防いでも、永久磁石の場合と同様の効果が得
られる。

【００５７】さらに、上述の説明においては、負イオン
ＮＢＩを例として説明してきたが、正イオンを用いるＮ
ＢＩにも応用できる。正イオンＮＢＩでは、イオン源に
続いてガスを用いた中性化セルが設置される。

【００５８】そして、この中性化セル内において、ビー
ムとガスとの衝突で生じた電子が放電室方向へ加速され
ることを防止するために、最下流から二枚目の電極に電
子の加速を防止するための電位を与えるような構成とな
っている。

【００５９】しかし、上述の説明において述べたよう
に、最下流の電極に磁石を埋め込むことによって電子の
流出を抑えられる。電子はイオンに比べて質量が小さい
ため必要な磁場も少ない。

【００６０】従って、磁場を用いることによって、ＮＢ
Ｉの電極構成を簡素化できるとともに、電子の加速防止
用の電源も省略できる利点がある。なお、以上の説明に
おいては、イオン源の中性化セルの形状を特定しなかっ
たが、本発明は形状にとらわれないことはいうまでもな
い。

【００６１】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
中性化セルへ入射するまでに負イオンを減じさせること
なく、高い中性化効率を得ることができる中性粒子入射
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る中性粒子入射装置
の構成を示す図である。

【図２】同実施の形態におけるＮＢＩのプラズマセルの
電離度と標的粒子線密度の関係を示す図である。

【図３】同実施の形態におけるＮＢＩの最下流電極付近
の拡大図である。

【図４】同実施の形態におけるＮＢＩの荷電粒子の軌道
を説明するための図である。

【図５】同実施の形態におけるＮＢＩの排気領域を設け
た場合の構成を示す図である。

【図６】同実施の形態におけるＮＢＩの電流を利用して
磁場を発生させる方法を説明するための図である。

【図７】従来の重水素の負イオンを利用したＮＢＩの構
成を示す図である。

【図８】中性化セル内における正負イオン、中性粒子の
比率を、ガス密度とイオンの走行距離とを乗じたガス線
密度の関数として示した図である。

【図９】標的粒子に重水素プラズマを選んだときの最大
の中性化効率を、プラズマの電離度の関数として示した
図である。

【図１０】電離度が２０％のときのプラズマセルによる
負イオンの中性化を示す図である。

【図１１】中性化のための標的粒子をプラズマ粒子とし
たときの従来のＮＢＩの構成を示す図である。

【図１２】イオン源出口からプラズマセル入り口までの
ガス線密度に対して、プラズマセルで得られる最高の中
性化効率を示す図である。

【符号の説明】

１…放電室、２…ポート、３…フィラメント、４…放電
室壁、５…引き出し電極、６…絶縁材、７…領域、８…
中性化セル、９…供給ポート、１０…領域、１１…ドリ
フト管、２１…プラズマセル、２２…フィラメント、２
３…容器壁、２４…永久磁石、３１…支持枠、４１…永
久磁石。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電容器内で生成された放電プラズマ
を、略平行に配設された複数の引き出し電極を介してイ
オンとして前記放電容器外に引き出すイオン源と、イオ
ン源から引き出されたイオンの進行方向に沿って配設さ
れイオンを中性粒子に変換する中性化セルとを備えた中
性粒子入射装置において、前記中性化セル内において、イオンを荷電交換反応によ
って中性粒子に変換するための標的粒子としてプラズマ
粒子を用いるとともに、前記中性化セルを前記引き出し
電極に隣接して配設したことを特徴とする中性粒子入射
装置。
【請求項２】前記イオンの進行方向に沿って最下流に
配設された前記引き出し電極に対して略平行な磁力線を
発生する磁場発生手段を付加したことを特徴とする請求
項１記載の中性粒子入射装置。
【請求項３】前記磁場発生手段として永久磁石を用い
たことを特徴とする請求項２記載の中性粒子入射装置。
【請求項４】前記永久磁石は、前記引き出し電極の最
下流電極に埋め込まれていることを特徴とする請求項３
記載の中性粒子入射装置。
【請求項５】前記磁場発生手段による磁場の発生は、
最下流に配設された電極に電流を流すことにより磁場を
発生させることを特徴とする請求項２記載の中性粒子入
射装置。
【請求項６】前記引き出し電極の最下流の電極と前記
最下流の電極の上流側の電極のうち、最近傍の一つの電
極との間の電界強度を、他の電極間の電界強度よりも小
さくしたことを特徴とする請求項１記載の中性粒子入射
装置。
【請求項７】前記引き出し電極の最下流の電極と前記
最下流の電極の上流側の電極のうち、最近傍の一つの電
極とを同電位にしたしたことを特徴とする請求項１記載
の中性粒子入射装置。
【請求項８】前記中性化セルに永久磁石を間隔を存し
て配設し、この永久磁石の着磁方向をイオンビームの進
行方向と略直角とするとともに相隣あう永久磁石の着磁
方向を逆方向としたことを特徴とする請求項１記載の中
性粒子入射装置。
【請求項９】前記イオン源と前記中性化セルとの間に
排気用の領域を設け、この領域にイオン源から引き出さ
れたイオンビームを取り囲むように、永久磁石を間隔を
存して配設し、この永久磁石の着磁方向をイオンビーム
の進行方向と略直角とするとともに相隣あう永久磁石の
着磁方向を逆方向としたことを特徴とする請求項１記載
の中性粒子入射装置。
【請求項１０】前記永久磁石を水冷した管に収納した
ことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の中性粒子
入射装置。