所報 107

11/46

Negative ion based neutral beam injection (NBI) systems are required for heating and current drive in magnetically con-fined fusion plasma experiments because negative ions have a higher neutralization efficiency than positive ions at a high beam energy above 100 keV. Every single negative ion beamlet must have a small divergence (3–7 mrad) for minimizing transmission losses into the fusion reactor, while the ITER-relevant negative ion beamlet divergence has a minimum of 14 mrad so far. The control of a single negative ion beamlet divergence is a significant challenge with the use of a cesi-um-seeded negative ion source, where negative ions are mainly produced by the conversion of hydrogen or deuterium atoms on the cesiated surface of the plasma grid. In our previous work, three Gaussian components were experimentally identified in a transverse emittance diagram (velocity vs position) of an isolated beamlet produced by a research-and-de-velopment negative ion source at the National Institute for Fusion Science. The focal points of the individual components differed from each other, indicating that the components were extracted from different areas of the plasma meniscus. How-ever, the origins of the individual components are still under investigation. This paper describes the measurement of the abundance ratio of the three components based on a full picture of their transverse velocity distributions for the first time. The abundance ratio remained constant even when the electrostatic lenses formed at the downstream region of the plasma meniscus changed, while it was considered to be changed with the plasma parameters and geometries of the beam acceler-ation grids. The observed velocity distributions will be utilized for the initial values in backward beam trajectory calcula-tions that are able to investigate the origins of the individual components. The abundance ratio can then be a key parameter for determining their origins. Keywords : negative ion source, negative ion beam, beam divergence, velocity distribution function, abundance ratioYasuaki HABA, Mitsutoshi ARAMAKI, Katsuyoshi TSUMORI, Masaki OSAKABE, Katsunori IKEDA, Haruhisa NAKANO, and Kenichi NAGAOKA　負イオンビームは，高エネルギー領域（>100 keV）でも，正イオンビームに比べて高い中性化効率を有する．このため，磁場閉じ込め型核融合プラズマの加熱および電流駆動では，負イオンを前駆体とする中性粒子ビーム入射が必須となっている．核融合プラズマに輸送されるビームの損失を最小限に抑えるために，個々の負イオンビームには非常に小さな発散角（3-7 mrad）が要請されているが，国際プロジェクトITER関連の負イオンビーム発散角は最善でも14 mradに制限されたままである．こうした負イオン源では，セシウムが添加されたプラズマ電極表面で水素原子が荷電変換されることで，多くの負イオンが生成される．従って，セシウム添加型負イオン源から引き出された負イオンビームの発散角を制御することは，重要な研究課題である．私たちの先行研究では，ビーム径方向のエミッタンス図（速度と位置との関係を示した図）を用いて，核融合科学研究所の開発研究用負イオン源から引き出された単一の負イオンビームが3成分で構成されていることが実験的に明らかにされた．各成分は異なる焦点を持つことから，それらはメニスカス（ビーム引出界面）上の異なる領域から引き出されたと考えられる．しかしながら，それらの起源については未解明のままである．　この論文では，ビーム径方向の速度分布の全貌に基づいて，単一の負イオンビームを構成する3成分の含有率が計測可能であることを世界に先駆けて提示する．各速度分布成分の含有率は，メニスカスより下流領域における静電レンズ効果に依存せず不変であり，一方でプラズマパラメータ（負イオン密度，電子温度等）やビーム加速器を構成する電極の幾何構造に依存して変化すると推定される．実験的に取得された速度分布関数は，各速度分布成分の起源を調べるために実施する，ビーム軌道の逆流計算における初期値を与える．各速度分布成分の起源を同定するためには，各速度分布成分の含有率は重要なパラメータとなる．キーワード：負イオン源，負イオンビーム，ビーム発散角，速度分布関数，含有率Journal（掲載誌）AIP Advances Vol. 12, No. 035223, Mar 2022 doi.org/10.1063/5.0083300－　　－9単一の負イオンビームに内在する複数の速度分布成分の含有率セシウム添加型負イオン源から引き出された Abundance ratio of multiple velocity distribution components in a single negative ion beamlet produced by a cesium-seeded negative ion sourcePublished Paper