原子状水素ペアイオンの生成原子状水素ペアイオンの生成

第13回 若手研究者によるプラズマ研究会

2010.3.10 於 JAEA 那珂研

山口大学 大学院理工学研究科 大原 渡山口大学 大学院理工学研究科 大原 渡

【共同研究者】

前田 健雄，田島 慎也 （山口大学）

樋 剛史 太田 智喜 （山 大学）樋口 剛史，太田 智喜 （山口大学）

福政 修 （宇部工業高等専門学校）

津守 克嘉，竹入 康彦 （核融合科学研究所）

1

津守 克嘉，竹入 康彦 （核融合科学研究所）

通常プラズマとペアプラズマ

通常プラズマ電子と正イオンから成る

ペアプラズマ等質量の正負荷電粒子電子と イオンから成る

(m+/me = 103～105)

等質量 負荷電粒子

のみから成る

(m+/m- = 1)

プラズマ物性においてペアプラズマ独特の時空間的対称性が発現する

universal ?shielding

universal ?

2

E field

電子 陽電子ペアプラズマ（ + ）の問題点 ポジトロニウム (P )

ペアプラズマ研究の流れ

電子ー陽電子ペアプラズマ（e+, e−）の問題点

・ ペア再結合によりプラズマの寿命が短い.

反物質を用いているので直接計測が難しい

ポジトロニウム (Ps)

・ 反物質を用いているので直接計測が難しい．

寿命: 140 ns 寿命: 0.13 ns

C60ペアイオンプラズマ（C60, C60）実現とプラズマ物性解明+ −60 （ 60, 60）実現 物性解明

・ イオンの応答速度が遅く，集団現象が低周波の静電波に限定される

・ 理論研究では非線形波や電磁波に興味がある

C60 : 720 amu最も軽いイオン （H+，H-） を用いた

3

Hydrogen Atom : 1 amu水素ペアイオンプラズマの生成を目指した

水素ペアイオンプラズマ生成における課題

【課題】(1) 効率良く H-を生成すること

(2) 同時・等量にΗ+とΗ-を生成する必要性(2) 同時 等量にΗ とΗ を生成する必要性

中性粒子入射加熱技術開発（負イオンNBI)において詳細研究

【体積生成】H2 + e−

fast (Efe > 20−30eV) → H2* + e’fast → H2(ν”) + hν (VUV)

振動励起分子高速電子

【体積生成】H2(ν” > 5) + e−

slow (Te ≲ 1eV) → H- + H低速電子振動励起分子

金属表面電 を水素 遷移さ を生成

負イオン生成効率があまり高くない

【表面生成】金属表面電子を水素原子へ遷移させて H- を生成．

仕事関数を低減させて遷移確率を高めるためにCsを使用する．接触電離

4

容易に気化してCs+となりペアイオンプラズマにとって

不純物になるセシウムは使用できない

接触電離から触媒イオン化へ

負イオン生成効率を高めるため

イオン化機構：接触電離

水素と解離・吸着する負イオン 成効率を高めるため

には仕事関数が低いほど良いA A B1

（触媒作用のある）遷移金属群

発想の転換

B2

仕事関数が大きくてもよいが，

発想の転換

仕事関数が大きくてもよいが，水素に対して活性であること

水素に対して

5

水素に対して触媒作用を有する金属

拡散型イオン源の概要

PIG Plasma

PIG Plasma

PIG-Discharge Region Catalyst Grid （φ40）g gn ~ 1011 cm−3, Κe > 100 eV

B = 65 mT, P = 1.2×10−1 Pa (H2: 20 SCCM)

・ Ni (200 mesh, 0.05φ, open area 37 %)触媒金属

6

B 65 mT, P 1.2×10 Pa (H2: 20 SCCM)

Ik×Vk = 2 A×−140 VW. Oohara, O. Fukumasa, Rev. Sci. Instrum., 81 (2010) 023507.

n ~ 3×1010 cm−3 n ~ 2×109 cm−3

触媒表面における正負イオン生成

17≈−

II 4.2≈−

II

10000

15000

) 0 cm

r1 cm プローブ特性

n+ ~ 3×10 cm n+ ~ 2×10 cm200

A) 0 cm

r1 cm

+I +I5000–I

p (μA

) 0 cm

0

–Ip (

μA

–40 0 40

0

Vp (V)–40 0 40

–200

Vp (V) n−/n+ ~ 60%

(Ni 200 mesh)

− +触媒グリッド無し 触媒グリッド有り

unit)

B = 65 mT

H3+

nit)

H+

B = 65 mT

H3+

I c (a

rb. u

H+H2+

I c (a

rb. u

n

H–

0

H2+

オメガトロン質量スペクトル

7

0 500 1000ωRF/2π (kHz)

0 500 1000ωRF/2π (kHz)

質量スペクトル

H−は観測されない

拡散型イオン源の問題点と改善策

原子状水素正負イオンは生成されたが，

【問題点】

原子状水素正負イオンは生成されたが，

負イオン生成量が不十分なので，

電子が両極性拡散により透過して，

下流域に存在する（ne : n− = 4 : 6）

・分子状正イオンも透過

・負電荷不足により電子も透過

放電プラズマを多孔体触媒で一度全て終端する

（電子，正イオンは透過させない）

正イオン照射量 照射 ネルギ と

8

正イオン照射量，照射エネルギーと水素ペアイオン生成量の関係

磁気フィルター付直流アーク放電型イオン源の概要

上流域放電プラズマne ~ 6×1010 cm−3 (Pd = 300 W)Te ~ 4 eV

角型真空容器

25 cm×25 cm

P = 5×10−2 PaM i Fil B 0 15 T ( )

Te 4 eVφs ~ +9 V

Magnetic Filter: BMF = 0 ~ 15 mT (center)Porous: Ni (t = 3 mm)

下流域上流域 下流域上流域Ni多孔体触媒

9

触媒イオン化プロセス

放電プラズマ水素ガスH

Niプラズマ照射する意義・運動エネルギー( )・運動量( )

2

21 mv

mv

既知

運動量( )mv

知

水素ペアイオン生成量

（詳細は不明）

水素ペアイオン生成量

・ 正イオン照射量・ 正イオン照射エネルギー

触媒材質

10水素ペアイオンプラズマ

・ 触媒材質・ 触媒温度 など

正イオン照射量と照射エネルギーの制御

フラックス一定

正イオン照射量 Γ = n×v

11

正イオン照射エネルギー e(φs – Vpc) (eV)

正イオン照射量と水素ペアイオン生成量の関係

60 8Vpc = –105 V

0 6Vpc = –105 V

上流域 下流域

40

60 8

I e/I+

0.6

)電子 正イオン40

4

+, I e

(mA

)

I e

I e / I

+

0.3

I +, I

– (μA

)

I +

電子 正イオン

20I +

I +

I

I –正イオン

負イオン

0 100 200 3000 0

Pd (W)0 100 200 300

0

Pd (W)

この領域は各種パラメータが変化しているので

正イオン照射量は変化

Γ = n×v 正イオン照射量に比例して，水素 アイオ が生成される

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使えない 水素ペアイオンが生成される照射エネルギーは一定

正イオン照射エネルギーの制御

上流域プラズ上流域プラズマ8

φs

4

6 4

010cm

–3)

V) ,

φs(V

)

ne

φs

2

2

n e (1

T e (e

V

Te

–400 –200 00 0

Vpc (V) φs ∼ +4 V多孔体触媒印加電圧

多孔体触媒印加電圧 Vpc に依らず，プラズマ電位 φs，プラズマ密度 ne はほぼ一定

多孔体触媒印加電圧

300

400

500

c) (e

V)

φs e

正イオン照射 ネルギ (φ V ) ( V) 0

100

200

e(φ s

– V

pc

可変

13

正イオン照射エネルギー e(φs – Vpc) (eV)正イオン照射量 Γ = n×v

–400 –200 0

0

Vpc (V)一定

可変

水素ペアイオン生成量の正イオン照射エネルギー依存性

400 200 0e(φs – Vpc) (eV)

400 200 0e(φs – Vpc) (eV)

BMF = 8 mT BMF = 12 mT

1

400 200 0

405060

Ie

e (m

A)upstream φs ~ +3 V3

400 200 0

8090Ie

(mA

)upstream φs ~ +3 V

3040

+, I –

(μΑ

)

I+

I e

2 7080

+, I –

(μΑ

) I+

I e

I +

I– downstream1

I + I–downstream

–400 –200 00

Vpc (V)–400 –200 0

0

Vpc (V)

複数ある特定の正イオン照射エネルギーにおいて，正イオンまたは負イオンが多く生成される

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正イオンまたは負イオンが多く生成される

まとめ

水素ペアイオンプラズマの生成実現，集団物性の実験的検証（H-の高効率生成 水素ペアイオンの同時・等量生成）（H の高効率生成，水素ペアイオンの同時・等量生成）

プラズマ支援触媒イオン化法プラズマ支援触媒イオン化法

物理機構（脱離イオン化）の解明 正イオン照射量・照射エネルギー触媒の材質・温度触媒 材質 温度触媒活性

Cs/フィラメント無しのH-/D-負イオン源の開発も行っている

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