JP4112850B2 - Ion source for fusion plasma heating - Google Patents

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  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合プラズマ加熱用イオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種従来のイオン源の一例として、図１０の断面図に示すように、プラズマ源ＰＳと、イオンビーム引出し部ＩＯを備えたものである。プラズマ源ＰＳは、縦方向断面形状が四角形のプラズマ源容器１と、プラズマ源容器１には図示していないガス導入装置、フィラメント、フィラメント電源及びアーク電源を備え、これらによりソースプラズマが生成され、このソースプラズマはプラズマ源容器１の外周面に配設されていることによりカスプ磁石２によりプラズマ源容器１内に閉じ込められるようになっている。又、プラズマ源容器１の外周面に、プラズマ源容器１の内部を、放電室と負イオン生成室に二分する電極７、８が配設されている。
【０００３】
イオンビーム引出し部ＩＯは、容器を構成する角筒状の絶縁スペーサ１０、１１、１２と、絶縁スペーサ１０〜１２相互間並びに絶縁スペーサ１２の下端部に配設され電極支持部を構成する電極支持フランジ４、５、６と、電極支持フランジ４、５、６に支持固定され、図１１に示すように各々複数の円形の孔（イオンビーム引出し孔）７ａ、８ａ、９ａが行及び列においてすべて等間隔に形成された多孔板からなる電極７、８、９とから構成されている。
【０００４】
なお、電極９よりも下流部に図示されない真空排気装置が設置され、イオン源内部の真空排気を行っている。
【０００５】
このような構成のイオン源の動作について説明する。プラズマ源ＰＳにおいて、図示しないガス導入装置、フィラメント、フィラメント電源及びアーク電源によりカスプ磁石２により閉じ込められたソースプラズマが生成される。
【０００６】
一方、イオンは、電極７と電極８の間の図示されていない電源によりプラズマ源及び電極７側に印加される電位により、ソースプラズマ中から引き出される。この引き出されたイオンは、電極８と電極９の間に、図示されていない電源により電位を与えることにより加速されて、イオンビームが形成される。
【０００７】
しかしながら、このような電極構成では、真空排気装置による排気は、電極７、８、９のイオンビーム引出し孔７ａ、８ａ、９ａのみとなるので、電極７〜９間の排気効率が落ち、ソースプラズマ生成のために導入したガスが電極７〜９間に滞留し、加速部の真空度が悪化する。このため、イオンビームは以下の中性化式のように加速途中で、電子を捕獲したり、電子を剥離されたりして中性化され、加速されるイオンビームが著しく減少すると言った問題が起こる。
【０００８】
［正イオンの中性化式（水素の場合）］ Ｈ＋ ＋ ｅ（電子）→Ｈ０
［負イオンの中性化式（水素の場合）］ Ｈ− − ｅ（電子）→Ｈ０
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた従来のイオン源にあっては、イオン源内の真空排気は電極孔からのみとなるので、電極間の排気効率が落ち、ソースプラズマ生成のために導入したガスが電極７〜９間に滞留し、加速部の真空度が悪化する。このため、イオンビームは加速途中で、電子を捕獲、あるいは電子を剥離されて中性化され、加速されるイオンビームが著しく減少すると言った問題が起こる。
【００１０】
本発明の目的は、以上のような問題点を除去するためなされたもので、電極間排気効率を向上させ、イオンビームの加速効率を改善させることができる核融合プラズマ加熱用イオン源を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的とするところは、以上述べた問題点を解決し、経済的、合理的な核融合プラズマ加熱用イオン源を提供することにある。
【００１２】
かかる目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、真空容器内に配設され、プラズマを発生するプラズマ源と、前記真空容器内に、該真空容器内を複数に区分するように該真空容器とは電気的に絶縁した状態で配設され、各々が同一構成で複数のイオンビーム引出し用の丸孔が行及び列において等間隔に形成された多孔板からなる複数の電極間に所定の電位を印加し、前記プラズマ源から発生するプラズマの中からイオンビームを引出すイオンビーム引出し部を備えた核融合プラズマ加熱用イオン源において、
前記イオンビーム引出し部における電極のうちのイオンを取出す最終段の電極に形成されているイオンビーム引出し孔の形状が、複数の丸孔を、前記行単位又は前記列単位でスリット状の１個の長孔に変更し、前記各長孔に連結部を設けて、複数個の小長孔となるように分割した形状としたことを特徴とする核融合プラズマ加熱用イオン源である。つまり、請求項１に対応する発明の核融合プラズマ加熱用イオン源は、最終段の電極をスリット状の長孔にすることで、電極間の排気効率を向上させ、イオンビームの加速効率を改善させることを特徴とするものである。
【００１３】
上記の様な構成によれば、電極間の真空度が良くなるため、イオンビーム加速中の電子の補足や剥離が行われる確率が低下するため、イオンビームの加速効率を改善することができる。また、電極孔が円形からスリット状の長孔になったため、電極の加工費用が安価になるとともに、イオンビームの加速効率が改善されるため、イオン源の小型化を容易に行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施形態】
＜第１の実施の形態＞
図１及び図２は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第１の実施形態を説明するための図であり、図１はイオン源を縦方向に沿って断面した図であり、図２は電極を示す斜視図である。
【００１５】
本実施形態は、図１０に示す従来のイオン源と異なる点は、イオンビーム引出し部における電極７、８、９のうちの最終段（プラズマ源から最も離れた位置にあるもの）の電極支持フランジ６に、複数の丸孔例えば円形のイオンビーム引出し孔９ａが形成された電極９を設けず、電極支持フランジ６に図２に示すように複数のスリット状（直線状）のイオンビーム引出し孔３ａを等間隔に形成した電極３を設けたものである。
【００１６】
このように構成された本発明の第１の実施形態によれば、最終段の電極３に複数のスリット状のイオンビーム引出し孔３ａを等間隔に形成したので、従来の電極９のイオンビーム引出し孔９ａの開口面積に比べて大きくなる。この結果、電極間の真空度が良くなるため、イオンビーム加速中の電子の補足や剥離が行われる確率が低下し、イオンビームの加速効率を改善することができる。
【００１７】
また、電極３のイオンビーム引出し孔３ａの形状が、従来の円形からスリット状になったため、従来の電極９のイオンビーム引出し孔９ａに比べて加工回数が少なくなるばかりでなく、イオンビームの加速効率が改善されるため、イオン源の小型化を図ることが可能となる。
【００１８】
＜第２の実施の形態＞
図３および図４は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第２の実施形態を説明するための図であり、図３は各電極７、８、３の関係を説明するための電極平面図であり、図４（ａ）は図３の各電極を縦方向に沿って断面した図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面位置とは直交する位置を断面した図である。
【００１９】
本実施形態は、図１に示す最終段の電極３に形成されている複数のイオンビーム引出し孔３ａの長手方向に沿った中心軸が、最終段の電極３を除く電極７、８に形成されている各丸孔７ａ、８ａの軸方向中心を夫々結ぶ行又は列単位の中心線の位置とはずれた位置になるように構成し、イオンビーム引出し部におけるイオンビームの軌跡を偏向させるようにしたものである。この点以外は、図１の実施形態と同一である。
【００２０】
このように最終段の電極３のイオンビーム引出し孔３ａの長手方向に沿った中心軸が、各丸孔７ａ、８ａの軸方向中心を夫々結ぶ中心線の位置とはずれた位置になるように構成することにより、イオンビームが図４（ａ）に示すように偏向させられ、イオンビームを任意の方向に収束させられることから、さらにイオンビームを標的に効率良く入射することが可能となり、例えば核融合プラズマ加熱装置に使用する場合について言えば、さらにプラズマ加熱効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
＜第３の実施の形態＞
図５（ａ）は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第３の実施形態を説明するための各電極の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面位置とは直交する位置を断面した図である。
【００２２】
本発明の第３の実施形態は、図３及び図４に示す実施形態に、新たに複数の丸孔例えば円形の孔すなわちイオンビーム引出し孔１４ａが形成された電極１４を、前述の最終段の電極３の一段前に配設したものである。
【００２３】
この場合、電極３に形成されているスリット状のイオンビーム引出し孔３ａの長手方向に沿った中心軸が、プラズマ源に最も近い第１段、第２段に配置された電極７、８に形成されている各丸孔の軸方向中心を夫々結ぶ行又は列単位の中心線の位置とはずれた位置になるようにし、イオンビーム引出し部におけるイオンビームの軌跡を偏向させるようにしたものである。
【００２４】
このように、２枚の電極１４及び３に形成されているイオンビーム引出し孔１４ａ及び３ａの中心を、第１段および第２段の電極７、８の丸孔の軸方向中心からずらすことにより、イオンビームを偏向させビームを任意の方向に収束させることができる。
【００２５】
＜第４の実施の形態＞
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第４の実施形態を説明するための図であり、図６（ａ）はイオン源を縦方向に沿って断面した図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の電極支持フランジ６部分を拡大して示す図である。
【００２６】
本実施形態は、図１の実施形態の電極支持フランジ６に、液体ヘリウム供給配管１５からの液体ヘリウム及び液体窒素供給管１６からの液体窒素により例えば４Ｋ及び８０Ｋにそれぞれ冷却される極低温パネル１８及び１７を配置した点以外は、図１と同一である。
【００２７】
このように構成することにより、極低温パネル１８、１７にイオン源内部の残留ガスが吸着され、さらに、電極７、８、３間の排気効率が向上し、電極７、８、３間の真空度が良くなり、この結果イオンビーム加速中の電子の補足や剥離作用が低下し、イオンビームの加速効率が改善される。
【００２８】
図６の実施形態の変形例として、図３又図５の実施形態の電極支持フランジ６に、図６の極低温パネル１８及び１７を配置するようにしてもよい。このように構成することにより、図６と同様な作用効果が得られる。
【００２９】
＜第５の実施の形態＞
図７は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第５の実施形態を説明するためのイオン源を縦方向に沿って断面した図である。第５の実施形態は、図１の電極支持フランジ４、５、６に、極低温パネル２７、２８、２９を配置し、これらのパネル２７、２８、２９をそれぞれ冷凍機２０に連結された冷媒配管２１、２２、２３からの冷媒により夫々冷却するように構成したものである。
【００３０】
このように構成することにより、大掛かりな冷凍設備や液体ヘリウムタンク、液体窒素タンクが不要となり、より経済的な運転が可能となる。
【００３１】
図７の実施形態の変形例として、図３又図５の実施形態の電極支持フランジ４、５、６に、図７の極低温パネル２７、２８、２９を配置し、これらを小型冷凍機２０により冷却するようにしてもよい。このように構成することにより、図７と同様な作用効果が得られる。
【００３２】
＜第６の実施の形態＞
図８は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第６の実施形態を説明するためのプラズマ源の断面図である。プラズマ源を収納しているプラズマ源容器１の縦方向の断面形状を多角形例えば五角形以上にしたイオン源である。
【００３３】
これに対して図１０の従来例で示す大型イオン源では、プラズマ源容器１の断面形状は四角形であり、かつ真空容器を兼ねる構成であが、イオンを効率良く生成させるためには、ソースプラズマに接するプラズマ源の内面積を極力小さくした放電領域をつくり、イオンを効率良く生成させることが良く知られており、断面形状が半円筒形のプラズマ源も製作されている。
【００３４】
このため、本発明によるイオン源は、例えば、図８に示すようにプラズマ源の断面形状を六角形とし、ソースプラズマに接するプラズマ源の内面積を極力小さくしたものである。半円筒形のプラズマ源では、製作性の困難さ、真空容器を兼ねる場合の機械的強度が要求されるが、本発明による六角形のプラズマ源では、製作も容易であり、機械的強度も十分得ることができ、本発明の効果は絶大になる。
【００３５】
＜第７の実施の形態＞
図９は、本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第７の実施形態を説明するための最終段の電極の平面図である。図２に示す最終段の電極３に形成されている各スリット状のイオンビーム引出し孔３ａを、夫々３ａ１、３ａ２、３ａ３に示すように２〜３個に分割させるように、イオンビーム引出し孔３ａに連結部を形成したものである。
【００３６】
このように構成することにより、電極３に機械的強度を持たせることができ、この結果大面積の電極の製作を可能にしたものである。イオン源として、数十Ａ以上の負イオン電流が要求される場合、引出し電流密度の低い負イオン源では、引出し面積を広くとる必要がある。例えば、４０Ａ以上の負イオン電流を引出す場合には、３０００ ｃｍ２以上の引出し面積が必要となる。
【００３７】
そこで、図９に示す実施形態は、引出面積の大きな電極にスリット状の孔加工を行う場合に、スリットを分割することにより電極に強度を持たせ、大面積の電極の製作を可能にしたものである。
【００３８】
＜変形例＞
本発明のプラズマ源により負イオン源を製作した場合の負イオンビーム生成効率の向上の効果は絶大となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、最終段の電極をスリット状にすることにより電極間の真空度が良くなり、イオンビーム加速中の電子の補足や剥離によるイオンの中性化作用が低下するため、イオンビームの加速効率を改善することができる。また、イオンビームの加速効率が改善されるため、イオン源の小型化を容易に行うことが可能となる。また、プラズマ源の断面形状を五角形以上の多角形にすれば、ソースプラズマに接するプラズマ源の内面積が小さくなり、イオン生成効率を改善することが可能となる。
【００４０】
これらは、イオン引出し電流密度の増加につながり、引出し面積の縮小及びプラズマ源の小型化が計れ、イオン源全体が安価に製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第１の実施形態を説明するための断面図。
【図２】 図１の複数の電極を説明するための斜視図。
【図３】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第２の実施形態を説明するためのものであって、複数の電極にそれぞれ形成される孔の位置の関係を説明するための上面図。
【図４】 図３の実施形態における電極とビーム軌道を説明するための断面図。
【図５】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第３の実施形態における電極とビーム軌道を説明するための断面図。
【図６】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第４の実施形態を説明するための断面図。
【図７】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第５の実施形態を説明するための断面図。
【図８】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第６の実施形態を説明するためのプラズマ源の断面図。
【図９】 本発明の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る第７の実施形態を説明するための最終段電極の平面図。
【図１０】 従来の核融合プラズマ加熱用イオン源に係る一例を説明するための断面図。
【図１１】 図１０の各電極におけるイオンビーム引出し孔の配置関係を説明するための電極の平面図。
【符号の説明】
１…プラズマ源、２…カスプ磁石、３…スリット電極、３ａ…スリット孔、４…電極支持フランジ、５…電極支持フランジ、６…電極支持フランジ、７…電極、７ａ…ビーム引出し孔、８…電極、９…電極、１０…絶縁スペーサ、１１…絶縁スペーサ、１２…絶縁スペーサ、１３…イオンビーム軌道、１４…電極、１５…液体ヘリウム供給配管、１６…液体窒素供給配管、１７…８０Ｋパネル、１８…４Ｋパネル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion source for fusion plasma heating .
[0002]
[Prior art]
As an example of this kind of conventional ion source, as shown in the sectional view of FIG. 10, a plasma source PS and an ion beam extraction unit IO are provided. The plasma source PS includes a plasma source container 1 having a rectangular cross-sectional shape in the longitudinal direction, and a gas introduction device, a filament, a filament power source, and an arc power source (not shown) in the plasma source container 1, thereby generating source plasma, the source plasma is adapted to be confined to the plasma source chamber 1 by cusp magnet 2 by being disposed on the outer peripheral surface of the plasma source container 1. Electrodes 7 and 8 are arranged on the outer peripheral surface of the plasma source container 1 to divide the inside of the plasma source container 1 into a discharge chamber and a negative ion generation chamber.
[0003]
The ion beam extraction part IO is disposed at the rectangular cylindrical insulating spacers 10, 11, and 12 constituting the container, between the insulating spacers 10 to 12, and at the lower end of the insulating spacer 12. The plurality of circular holes (ion beam extraction holes) 7a, 8a, 9a are all fixed in the rows and columns, as shown in FIG. 11, which are supported and fixed to the flanges 4, 5, 6 and the electrode support flanges 4, 5, 6. The electrodes 7, 8, 9 are made of perforated plates formed at equal intervals.
[0004]
An evacuation device (not shown) is installed downstream of the electrode 9 to evacuate the inside of the ion source.
[0005]
The operation of the ion source having such a configuration will be described. In the plasma source PS, source plasma confined by the cusp magnet 2 is generated by a gas introduction device, a filament, a filament power source, and an arc power source (not shown).
[0006]
On the other hand, ions are extracted from the source plasma by a potential applied to the plasma source and the electrode 7 side by a power source (not shown) between the electrodes 7 and 8. The extracted ions are accelerated by applying a potential between the electrodes 8 and 9 by a power source (not shown) to form an ion beam.
[0007]
However, in such an electrode configuration, the exhaust by the vacuum exhaust device is only the ion beam extraction holes 7a, 8a and 9a of the electrodes 7, 8, and 9, so that the exhaust efficiency between the electrodes 7 to 9 is reduced and the source plasma is reduced. The gas introduced for generation stays between the electrodes 7 to 9, and the degree of vacuum in the acceleration part is deteriorated. For this reason, the ion beam is neutralized by accelerating it during the acceleration process, as shown in the neutralization formula below, and the electron beam is neutralized by peeling off the electrons. Occur.
[0008]
[Neutralization formula of positive ions (in the case of hydrogen)] H + + e (electrons) → H 0
[Neutralization formula negative ions (in the case of hydrogen)] H - - e (electron) → H 0
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional ion source described above, since the vacuum exhaust in the ion source is performed only from the electrode holes, the exhaust efficiency between the electrodes is lowered, and the gas introduced for generating the source plasma is between the electrodes 7-9. It stays and the degree of vacuum in the acceleration part deteriorates. For this reason, the problem arises that the ion beam is neutralized by trapping electrons or peeling the electrons during neutralization, and the accelerated ion beam is remarkably reduced.
[0010]
An object of the present invention was made to eliminate the above-described problems, and provides an ion source for heating a fusion plasma capable of improving the exhaust efficiency between electrodes and improving the acceleration efficiency of an ion beam. There is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
It is an object of the present invention is to solve the following above solid problems, economic, to provide a reasonable fusion plasma heating the ion source.
[0012]
In order to achieve such an object, an invention corresponding to claim 1 is provided in a vacuum vessel and generates a plasma, and the vacuum vessel is divided into a plurality of portions in the vacuum vessel. It is arranged in a state electrically insulated from the vacuum vessel, and has a predetermined configuration between a plurality of electrodes composed of perforated plates each having the same configuration and a plurality of ion beam extraction round holes formed at equal intervals in rows and columns. In the ion source for fusion plasma heating provided with an ion beam extraction unit for extracting an ion beam from the plasma generated from the plasma source,
The shape of the ion beam extraction hole formed in the final stage electrode from which ions are extracted from the electrodes in the ion beam extraction unit is a plurality of round holes, each having a slit shape in the row unit or the column unit . An ion source for heating a fusion plasma, wherein the ion source is changed to a long hole, and a connecting portion is provided in each of the long holes so as to be divided into a plurality of small long holes . In other words, the fusion plasma heating ion source according to the first aspect of the invention improves the exhaust efficiency between the electrodes and improves the acceleration efficiency of the ion beam by making the last-stage electrodes into slit-like long holes. It is characterized by making it.
[0013]
According to the above configuration, since the degree of vacuum between the electrodes is improved, the probability that electrons are captured and peeled off during acceleration of the ion beam is reduced, so that the acceleration efficiency of the ion beam can be improved. In addition, since the electrode hole has been changed from a circular to a slit- like long hole, the processing cost of the electrode is reduced and the acceleration efficiency of the ion beam is improved, so that the ion source can be easily downsized. Become.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Form state of the first embodiment>
1 and 2 are diagrams for explaining a first embodiment of the ion source for fusion plasma heating according to the present invention, and FIG. 1 is a cross-sectional view of the ion source along the longitudinal direction. FIG. 2 is a perspective view showing an electrode.
[0015]
This embodiment is different from the conventional ion source shown in FIG. 10 in that the electrode support flange of the final stage (the one farthest from the plasma source) among the electrodes 7, 8, and 9 in the ion beam extraction portion. 6 is not provided with an electrode 9 in which a plurality of round holes, for example, circular ion beam extraction holes 9a are formed, and a plurality of slit-shaped (linear) ion beam extraction holes 3a are formed in the electrode support flange 6 as shown in FIG. Are provided at equal intervals.
[0016]
According to the first embodiment of the present invention configured as described above, since the plurality of slit-like ion beam extraction holes 3a are formed at equal intervals in the final stage electrode 3, the ion beam extraction of the conventional electrode 9 is performed. It becomes larger than the opening area of the hole 9a. As a result, since the degree of vacuum between the electrodes is improved, the probability that electrons are captured or separated during acceleration of the ion beam is reduced, and acceleration efficiency of the ion beam can be improved.
[0017]
Further, since the shape of the ion beam extraction hole 3a of the electrode 3 is changed from a conventional circular shape to a slit shape, not only the number of processing is reduced as compared with the ion beam extraction hole 9a of the conventional electrode 9, but also the ion beam acceleration. Since the efficiency is improved, it is possible to reduce the size of the ion source.
[0018]
<Form state of the second embodiment>
3 and 4 are diagrams for explaining a second embodiment of the ion source for fusion plasma heating according to the present invention. FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the electrodes 7, 8 and 3. FIG. 4A is a plan view of an electrode, FIG. 4A is a cross-sectional view of each electrode in FIG. 3 along the vertical direction, and FIG. 4B is a cross-sectional view at a position orthogonal to the cross-sectional position of FIG. FIG.
[0019]
In the present embodiment, the central axis along the longitudinal direction of the plurality of ion beam extraction holes 3 a formed in the final stage electrode 3 shown in FIG. 1 is formed in the electrodes 7 and 8 excluding the final stage electrode 3. The circular holes 7a and 8a are configured so as to be deviated from the position of the center line of the row or column unit connecting the axial centers of the respective round holes 7a and 8a, and the trajectory of the ion beam in the ion beam extraction unit is deflected. Is. Except this point, it is the same as the embodiment of FIG.
[0020]
In this way, the center axis along the longitudinal direction of the ion beam extraction hole 3a of the electrode 3 at the final stage is configured to be shifted from the position of the center line connecting the axial centers of the respective round holes 7a and 8a. As a result, the ion beam is deflected as shown in FIG. 4A, and the ion beam can be converged in an arbitrary direction, so that the ion beam can be efficiently incident on the target. As for the case of use in the fusion plasma heating apparatus, the plasma heating efficiency can be further improved.
[0021]
<Third embodiment form state of>
FIG. 5A is a cross-sectional view of each electrode for explaining a third embodiment of the ion source for fusion plasma heating of the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view of FIG. 5A. It is the figure which crossed the position which intersects perpendicularly with a position.
[0022]
Third embodiment of the present invention, FIG. 3 and the embodiment shown in FIG. 4, a new multiple round holes for example, circular holes or the ion beam extraction electrode 14 with a hole 14a is formed, before mentioned in the last stage The electrode 3 is disposed one stage before.
[0023]
In this case, the central axis along the longitudinal direction of the slit-shaped ion beam extraction hole 3a formed in the electrode 3 is formed in the electrodes 7 and 8 arranged in the first and second stages closest to the plasma source. The trajectory of the ion beam in the ion beam extraction unit is deflected so as to be shifted from the position of the center line of the row or column unit connecting the axial centers of the respective round holes.
[0024]
In this way, by shifting the centers of the ion beam extraction holes 14a and 3a formed in the two electrodes 14 and 3 from the axial center of the round holes of the first-stage and second-stage electrodes 7 and 8, respectively. The ion beam can be deflected to converge the beam in an arbitrary direction.
[0025]
<Fourth form status of the implementation of the>
FIGS. 6A and 6B are views for explaining a fourth embodiment of the ion source for heating the fusion plasma of the present invention. FIG. 6A shows the ion source along the vertical direction. FIG. 6B is an enlarged view of the electrode support flange 6 portion of FIG. 6A.
[0026]
In the present embodiment, the cryogenic panel 18 cooled to, for example, 4K and 80K by the liquid helium from the liquid helium supply pipe 15 and the liquid nitrogen from the liquid nitrogen supply pipe 16 on the electrode support flange 6 of the embodiment of FIG. 1 and 17 are the same as those in FIG.
[0027]
With this configuration, the residual gas inside the ion source is adsorbed to the cryogenic panels 18 and 17, the exhaust efficiency between the electrodes 7, 8 and 3 is improved, and the vacuum between the electrodes 7, 8 and 3 is improved. As a result, the trapping and peeling action of electrons during acceleration of the ion beam are reduced, and the acceleration efficiency of the ion beam is improved.
[0028]
As a modification of the embodiment of FIG. 6, the cryogenic panels 18 and 17 of FIG. 6 may be arranged on the electrode support flange 6 of the embodiment of FIG. 3 or FIG. By configuring in this way, the same operational effects as in FIG. 6 can be obtained.
[0029]
<Fifth form status of the implementation of the>
FIG. 7 is a cross-sectional view of an ion source for explaining a fifth embodiment of the ion source for fusion plasma heating according to the present invention along the vertical direction. Fifth embodiment, the electrode support flange 4, 5, 6 in FIG. 1, arranged cryogenic panel 27, 28, 29, connecting the panels 27, 28 and 29 to, respectively it cryocooler 20 it is the configured to respectively cool ash by the refrigerant from the refrigerant pipe 21, 22, and 23.
[0030]
Such a configuration eliminates the need for large-scale refrigeration equipment, a liquid helium tank, and a liquid nitrogen tank, and enables more economical operation.
[0031]
As a modification of the embodiment of FIG. 7, the cryogenic panels 27, 28, and 29 of FIG. 7 are arranged on the electrode support flanges 4, 5, and 6 of the embodiment of FIG. 3 or FIG. You may make it cool by. By configuring in this way, the same operational effects as in FIG. 7 can be obtained.
[0032]
<Sixth form status of the implementation of the>
FIG. 8 is a cross-sectional view of a plasma source for explaining a sixth embodiment of the ion source for heating a fusion plasma of the present invention. This is an ion source in which the longitudinal cross-sectional shape of the plasma source vessel 1 containing the plasma source is a polygon, for example, a pentagon or more.
[0033]
On the other hand, in the large ion source shown in the conventional example of FIG. 10, the cross-sectional shape of the plasma source vessel 1 is a square shape and also serves as a vacuum vessel. In order to efficiently generate ions, a source plasma is used. It is well known to create a discharge region in which the inner area of the plasma source in contact with the electrode is as small as possible and efficiently generate ions, and a plasma source having a semi-cylindrical cross-sectional shape is also manufactured.
[0034]
Therefore, in the ion source according to the present invention, for example, as shown in FIG. 8, the cross-sectional shape of the plasma source is a hexagon, and the inner area of the plasma source in contact with the source plasma is minimized. The semi-cylindrical plasma source requires difficulty in manufacturability and mechanical strength when used as a vacuum vessel, but the hexagonal plasma source according to the present invention is easy to manufacture and has sufficient mechanical strength. The effect of the present invention is enormous.
[0035]
<Seventh form status of the implementation of the>
FIG. 9 is a plan view of a final-stage electrode for explaining a seventh embodiment of the ion source for heating a fusion plasma according to the present invention. Each slit-shaped ion beam extraction holes 3a formed on the electrode 3 of the final stage shown in FIG. 2, as shown respectively 3a1,3a2,3a3 so as to be divided into two or three, the ion beam extraction aperture 3a A connecting portion is formed on the surface.
[0036]
With this configuration, the electrode 3 can have mechanical strength, and as a result, a large-area electrode can be manufactured. When a negative ion current of several tens of A or more is required as an ion source, a negative ion source having a low extraction current density needs to have a large extraction area. For example, when extracting a negative ion current of 40 A or more, an extraction area of 3000 cm 2 or more is required.
[0037]
Therefore, in the embodiment shown in FIG. 9, when slit-like hole processing is performed on an electrode having a large extraction area, the slit is divided to give the electrode strength, thereby enabling the production of a large-area electrode. It is.
[0038]
<Modification>
When the negative ion source is manufactured by the plasma source of the present invention, the effect of improving the negative ion beam generation efficiency becomes enormous.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the degree of vacuum between the electrodes is improved by making the last-stage electrode into a slit shape, and the ion neutralization action by the capture and separation of electrons during acceleration of the ion beam is achieved. Therefore, the acceleration efficiency of the ion beam can be improved. In addition, since the ion beam acceleration efficiency is improved, the ion source can be easily downsized. Further, if the cross-sectional shape of the plasma source is a pentagon or more polygon, the inner area of the plasma source in contact with the source plasma is reduced, and the ion generation efficiency can be improved.
[0040]
These lead to an increase in the ion extraction current density, the extraction area can be reduced, and the plasma source can be downsized, so that the entire ion source can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a first embodiment of an ion source for fusion plasma heating according to the present invention.
2 is a perspective view for explaining a plurality of electrodes in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a top view for explaining a second embodiment of the ion source for heating a fusion plasma according to the present invention and for explaining a positional relationship between holes formed in a plurality of electrodes, respectively. Figure.
4 is a sectional view for explaining an electrode and a beam trajectory in the embodiment of FIG. 3;
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining electrodes and beam trajectories in a third embodiment of the ion source for heating a fusion plasma of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a fourth embodiment of the ion source for heating a fusion plasma of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a fifth embodiment of the ion source for heating fusion plasma according to the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a plasma source for explaining a sixth embodiment of the fusion plasma heating ion source of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of a final electrode for explaining a seventh embodiment of the ion source for heating a fusion plasma of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining an example of a conventional fusion plasma heating ion source.
11 is a plan view of electrodes for explaining the arrangement relationship of ion beam extraction holes in each electrode of FIG. 10;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma source, 2 ... Cusp magnet, 3 ... Slit electrode, 3a ... Slit hole, 4 ... Electrode support flange, 5 ... Electrode support flange, 6 ... Electrode support flange, 7 ... Electrode, 7a ... Beam extraction hole, 8 ... Electrode, 9 ... Electrode, 10 ... Insulating spacer, 11 ... Insulating spacer, 12 ... Insulating spacer, 13 ... Ion beam orbit, 14 ... Electrode, 15 ... Liquid helium supply piping, 16 ... Liquid nitrogen supply piping, 17 ... 80K panel, 18 ... 4K panel.

Claims (5)

真空容器内に配設され、プラズマを発生するプラズマ源と、前記真空容器内に、該真空容器内を複数に区分するように該真空容器とは電気的に絶縁した状態で配設され、各々が同一構成で複数のイオンビーム引出し用の丸孔が行及び列において等間隔に形成された多孔板からなる複数の電極間に所定の電位を印加し、前記プラズマ源から発生するプラズマの中からイオンビームを引出すイオンビーム引出し部を備えた核融合プラズマ加熱用イオン源において、
前記イオンビーム引出し部における電極のうちのイオンを取出す最終段の電極に形成されているイオンビーム引出し孔の形状が、複数の丸孔を、前記行単位又は前記列単位でスリット状の１個の長孔に変更し、前記各長孔に連結部を設けて、複数個の小長孔となるように分割した形状としたことを特徴とする核融合プラズマ加熱用イオン源。A plasma source that is disposed in a vacuum vessel and generates plasma, and is disposed in the vacuum vessel in a state of being electrically insulated from the vacuum vessel so as to divide the vacuum vessel into a plurality of portions. A predetermined potential is applied between a plurality of electrodes composed of a perforated plate having the same configuration and a plurality of round holes for extracting an ion beam at equal intervals in rows and columns, and the plasma is generated from the plasma generated from the plasma source. In a fusion plasma heating ion source having an ion beam extraction unit for extracting an ion beam,
The shape of the ion beam extraction hole formed in the final stage electrode from which ions are extracted from the electrodes in the ion beam extraction unit is a plurality of round holes, each having a slit shape in the row unit or the column unit . An ion source for heating a fusion plasma, wherein the ion source is changed to a long hole, and a connecting portion is provided in each of the long holes so as to be divided into a plurality of small long holes . 前記最終段の電極に形成されている複数の長孔の長手方向に沿った中心軸が、前記最終段の電極を除く電極に形成されている各丸孔の軸方向中心を夫々結ぶ行又は列単位の中心線の位置とはずれた位置になるようにし、前記イオンビーム引出し部における前記イオンビームの軌跡を偏向させることを特徴とする請求項１に記載の核融合プラズマ加熱用イオン源。Rows or columns in which the central axis along the longitudinal direction of the plurality of long holes formed in the final stage electrode respectively connects the axial centers of the round holes formed in the electrodes excluding the final stage electrode The ion source for fusion plasma heating according to claim 1, wherein the ion beam trajectory is deflected in the ion beam extraction unit so as to be shifted from a position of a unit center line. 前記最終段の電極に形成されている複数の長孔の長手方向に沿った中心軸が、前記プラズマ源に最も近い第１段および第２段に配置された電極に形成されている各丸孔の軸方向中心を夫々結ぶ行又は列単位の中心線の位置とはずれた位置になるようにし、前記イオンビーム引出し部における前記イオンビームの軌跡を偏向させることを特徴とする請求項１に記載の核融合プラズマ加熱用イオン源。Round holes formed in the electrodes arranged in the first and second stages closest to the plasma source, with the central axis along the longitudinal direction of the plurality of long holes formed in the last stage electrode 2. The trajectory of the ion beam in the ion beam extraction unit is deflected so as to be shifted from a position of a center line in a row or column unit respectively connecting the axial centers of the two. Ion source for fusion plasma heating . 前記真空容器内に配設され、前記各電極を支持する電極支持部に、冷媒により冷却した極低温パネルを配置したことを特徴とする請求項１に記載の核融合プラズマ加熱用イオン源。2. The ion source for fusion plasma heating according to claim 1, wherein a cryogenic panel cooled by a refrigerant is disposed in an electrode support portion that is disposed in the vacuum vessel and supports the electrodes. 前記極低温パネルを冷凍機により冷却することを特徴とする請求項４に記載の核融合プラズマ加熱用イオン源。The ion source for fusion plasma heating according to claim 4, wherein the cryogenic panel is cooled by a refrigerator.
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