The operation of an accelerator at low pressure is an essential requirement to reduce the stripping loss of negative ions, which, in turn, results in high efficiency of the neutral beam systems. For this purpose, a vacuum insulated beam source (VIBS) has been developed at Japan Atomic Energy Research Institute, which reduces the gas pressure in the accelerator by enhanced gas conductance through the accelerator. The VIBS achieves a high voltage insulation of 1 MV by immersing the whole structure of the accelerator in vacuum with a long (∼1.8 m) insulation distance. Results of the voltage holding test using a long vacuum gap of 1.8 m indicate that a transition from vacuum discharge to gas discharge occurs at around 0.2 Pa m in the long vacuum gap. So far, the VIBS succeeded in accelerating a 20 mA (H−) beam up to 970 keV for 1 s. It has been demonstrated that the high voltage holding capability of the 1 MV bushing surrounding the VIBS accelerator could be drastically improved by installing new large stress rings that reduces the electric field concentration at the triple junction. After implementing this change, the VIBS sustained 1 MV stably for more than 1200 s. Acceleration of ampere class H− beams at high current density is to be started soon to demonstrate ITER relevant beam optics.The operation of a negative ion source at low pressure is also essential to reduce the stripping loss. However, it was not very easy to attain high current density H− ions at low pressure, since the destruction cross-section of the negative ion becomes large if the electron temperature is >1 eV in low pressure discharge. Using a strong magnetic filter to lower the electron temperature, and introducing higher arc discharge power to compensate for the reduction of plasma density through the filter, an H− ion beam of 310 A m−2 was extracted at a very low pressure of 0.1 Pa. This satisfies the ITER requirement of current density at one-third of the ITER design pressure (0.3 Pa).
加速器を低圧で運転することは、負イオンの剥離損失を低減し、ひいては中性粒子ビームシステムの高効率化をもたらすために必須の要件である。この目的のため、日本原子力研究所では真空絶縁ビーム源(VIBS)が開発されており、加速器を通るガスコンダクタンスを増大させることにより、加速器内のガス圧を低減している。VIBSは、加速器の全構造を真空に浸し、長い(∼1.8 m)絶縁距離を設けることにより、1 MVの高電圧絶縁を達成している。1.8 mの長い真空ギャップを用いた電圧保持試験の結果は、長い真空ギャップにおいて約0.2 Pa mで真空放電からガス放電への遷移が起こることを示している。これまでにVIBSは、20 mA (H−)ビームを970 keVまで1秒間加速することに成功した。VIBS加速器を取り囲む1 MVブッシングの高電圧保持能力は、三重点での電界集中を低減する新しい大型ストレスリングを設置することにより、大幅に改善できることが実証された。この変更を実施した後、VIBSは1 MVを1200秒以上安定して維持した。高電流密度でのアンペア級H−ビームの加速は、ITER関連のビーム光学を実証するためにまもなく開始される予定である。低圧での負イオン源の運転もまた、剥離損失を低減するために必須である。しかしながら、低圧で高電流密度のH−イオンを達成することは容易ではなかった。なぜなら、低圧放電において電子温度が1 eVを超えると、負イオンの破壊断面積が大きくなるからである。強力な磁気フィルタを用いて電子温度を下げ、フィルタを通るプラズマ密度の低下を補うためにより高いアーク放電電力を導入することにより、310 A m−2のH−イオンビームが0.1 Paという非常に低い圧力で引き出された。これは、ITER設計圧力(0.3 Pa)の3分の1で、ITERの電流密度要件を満たす。