ELISE

ELISE（エライズ、Extraction from a Large Ion Source Experiment）は、マックス・プランク・プラズマ物理学研究所が運用する大型負水素イオン源試験装置であり、ITER 中性粒子入射（NBI）システムに向けたイオン源開発の中核を担う。ITER の NBI が要求する性能——抽出電流密度 200 A m⁻²（重水素）、加速電圧 1 MeV、パルス長 400～3600 秒——を持つイオン源は、これまでの陽イオン源 NBI とは全く異なる物理・技術課題を含む。ELISE は ITER 用イオン源の半分のサイズ（1 × 0.9 m²）の高周波駆動負イオン源を備え、定常運転に適合した試験装置として、水素と重水素の両方で長パルス運転の実証を進めている。

図は ELISE のイオン源部の写真（a）と模式図（b）である。4 基の高周波ドライバが真空容器に収められ、膨張室を介して抽出系に接続した構造、および側壁に設置されたセシウムオーブンの位置が示されている。

ITER 中性粒子入射開発における位置づけ

ITER には 2 基の NBI ビームライン（各 16.5 MW）と診断用入射装置（DNB）が設けられ、そのイオン源は水素で 66 A を 1000 秒、重水素で 57 A を 3600 秒、プラズマグリッド（PG）の孔へ供給することが求められる。加速後のエネルギーはそれぞれ 870 keV、1 MeV である。この開発は欧州と日本が分担し、欧州はパドヴァの中性粒子ビーム試験施設（NBTF）でイオン源全体を実規模で試験する SPIDER と、完全なビームラインを再現する MITICA を建設した。ELISE はこの「階段方式」の中間段階として、ITER 源の半分サイズで定常運転が可能な装置であり、抽出電圧は低いものの、イオン源本体の物理と長パルス運転の課題を先行して検証する役割を持つ。重水素での長パルス実証が可能な施設が世界的に限られる中、小型の BATMAN アップグレード（Upgrade）とともに、パラメータ探索や人材育成の面でも重要な位置を占める。

装置設計：高周波源、抽出系、磁気フィルター

イオン源は高周波（RF）駆動のドライバでプラズマを生成し、膨張室で拡大したのち、多孔多段グリッド系で電気的に抽出・加速するという構成で、プロトタイプ源から ELISE、ITER 源へとサイズを拡大する一貫した設計思想に基づく。負イオンは主として、低仕事関数化した PG 表面で水素原子が電子を付加される表面過程で生成されるため、PG 前面にセシウムを供給する必要がある。

抽出の最大の障害の一つが電子の共抽出である。共抽出電子は低エネルギーで磁場により偏向されて抽出グリッド（EG）に沈降するため、その量が過大になると EG の過熱が装置の制約となる。ITER では共抽出電子と抽出イオンの比を 1 以下に抑えることが求められる。この電子流を抑制するのが磁気フィルター場であり、ELISE では抽出系を流れる電流によってフィルター場を作る方式を採用し、外部磁石バーの極性を変えて場のトポロジーを制御する実験が行われた。外部磁石で標準フィルター場を強化した構成では共抽出電子の大幅な低減とパルス中の増加の抑制が見られ、この構成で ELISE 初の 1 時間重水素パルスが実現した。フィルター場の強さはプロトタイプ源の経験から予想された値より大幅に低くて済むことも判明し、大型源における場のトポロジー設計の重要性を示した。

セシウム調整と共抽出電子

セシウムはプラズマの影響でパルス中に再分布するため、抽出イオン電流と共抽出電子に長時間の不安定性が生じる。これが長パルス運転の本質的難所である。ELISE では ITER 適合圧力である 0.3 Pa において、セシウム調整手法の開発が進められ、パルス間の再現性と長パルス中の安定性が大幅に改善された。診断による観測は、この改善が抽出系近傍の静電ポテンシャルや粒子密度のごく小さな変化の相互作用と相関することを示した。低 RF 出力での最初のセシウム運転では、水素で低出力に比して大きな電流密度が得られ、共抽出電子比 0.5～0.6 を達成した一方、重水素では同程度のイオン電流を得るのに電子比が大きく、比 1 を短パルスでのみ達成する段階であった。重水素での電子共抽出の低減・対称化・安定化が、その後の実験プログラムの主眼となっている。

診断とビーム評価

ELISE では、抽出電流・共抽出電子の時間発展の監視に加え、光学分光によるプラズマ診断（トモグラフィー的解析の実現可能性検討を含む）や、ビーム自体の評価としてエミッション分光と赤外カロリメトリによるビームプロファイル再構成が整備された。長パルス用の新しい診断カロリメータも導入され、ビームの均一性（ITER では 90% 以上が要求）や加速後のビーム組成の評価が行われている。また、ビームとターゲットの相互作用による中性子放出の測定も行われた。

結果：ITER パラメータに向けた長パルス運転

ELISE の最大の成果は、大型負イオン源として初めて、短パルスで得られる性能と同等の性能を長パルスで維持できることを示した点にある。水素では、パルス抽出を伴う再現性のある 1000 秒パルスの系列において、ITER 目標の抽出負水素イオン電流密度の 90% 以上に達し、その限界は物理ではなく技術的制約（EG への熱負荷）にあった。さらに 600 秒の定常抽出パルスでは、パルス終了時点で目標の約 90% に相当する 292 A m⁻² を維持し、150 秒以上にわたり 300 A m⁻² を超える抽出が示された。重水素では 1 時間パルスが実現したものの、共抽出電子のパルス中増加の制御が課題として残されており、ここから ITER の重水素運転（DT 運転相）に向けた開発が続けられている。

図は水素運転における代表的なパルスの抽出電流密度の時間発展を示す。左は ITER 目標（破線）に達した 10 秒の短パルス、右は 600 秒の定常抽出パルスで、終端で 292 A m⁻²、150 秒以上にわたり 300 A m⁻² を超える抽出が見られる。灰色の曲線は共抽出電子による EG への熱負荷であり、これが長パルスの制約要因であることを示している。