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2025-11-13 12:31:00
核融合用の大型ヘリカル装置（LHD）を開発している日本の核融合科学研究所の研究者らは、新しい「静電レンズ」技術を実装することにより、重要な診断ツールの効率を2倍または3倍にすることに成功した。
重イオンビームプローブ (HIBP) システムのこの機能強化は、持続可能な核融合エネルギーの探索に直接影響を与えます。
「原子炉グレードの核融合プラズマの内部ポテンシャル構造の高精度かつ再現可能な測定を達成することは、プラズマ制御と原子炉設計に関する将来の研究のための基礎データベースとして非常に重要です」と研究者らは論文で述べている。 新しいレポート。
特に、LHD は「世界最大の超伝導プラズマ閉じ込め装置」であり、ヘリオトロン磁気構成を採用しています。
イオンの渋滞
太陽に電力を供給するのと同じプロセスである核融合エネルギーを追求するには、科学者はプラズマを 1 億度を超える温度に閉じ込めなければなりません。
「したがって、内部プラズマ電位を正確に測定することは、将来の核融合炉の性能を向上させるために不可欠である」と報告書は付け加えた。
この電位を測定するために、LHD は金イオン (Au⁺) の高エネルギー ビームをプラズマに発射する HIBP システムを使用します。クリアで正確な信号には、非常に大電流のビームが必要です。
しかし、研究者たちは重大なボトルネックに直面していました。イオン源は金マイナスイオン (Au⁻) の強力なビームを生成できますが、ビームは主加速器に適切に注入される前に、それ自体の「空間電荷効果」により膨張してしまいます。
「ビーム電流が高くなると、空間電荷効果によりビームが膨張し、タンデム加速器に入る前に大幅なビーム損失が発生する」と研究者らは指摘する。
レンズとしての電圧の最適化
研究チームは、高価で複雑なハードウェアのオーバーホールの代わりに、実用的でコンパクトなソリューションを開発しました。彼らは、イオンビーム輸送シミュレーション コード IGUN を使用して、ビーム拡大の正確な原因を特定しました。
次に彼らは、イオン源とメインのタンデム加速器の間にある既存の多段加速器を再構成することを提案しました。電極の電圧分布 (電圧割り当て) を細心の注意を払って最適化することで、コンポーネントを静電レンズに変換しました。
このレンズは大電流イオンビームを効果的に集束させ、イオンビームの拡大を防ぎ、効率よく加速器入口に導きます。
融合のより明確なビュー
数値シミュレーションにより、新しい電圧構成により 95% を超えるビーム伝送効率が達成できることが予測されました。
その後のプラズマ実験でこのアプローチの成功が確認され、加速器に正常に注入された Au- ビーム電流が 2 ～ 3 倍に増加したことが示されました。
その結果、プラズマ中に入射される高エネルギーAu+ビームも増加し、HIBPの測定可能範囲は線平均電子密度1.75×1019m-3まで拡大した。
信号の明瞭度が向上したため、さまざまな加熱システムがオンまたはオフになったときの内部プラズマ電位の時間に敏感な急速な変化 (時間的遷移) を検出できるようになりました。
「この研究で開発された方法は、重イオンビーム輸送を最適化するための実用的でコンパクトなソリューションを提供し、高強度ビームを必要とする他の診断システムや加速器用途に拡張することができます」と研究者らは結論付けた。
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