イオン源

イオン源（ion source）とは、中性粒子を帯電させてビームとして取り出すためのプラズマを生成・維持する装置であり、核融合研究においては中性粒子入射（NBI）システムの中核部品である。NBIは高エネルギーの中性水素（または重水素）原子をプラズマコアに注入して加熱と電流駆動を行う最も実績のある手法の一つであり、その性能の上限はイオン源がどれだけの電流密度・均一性・パルス長でイオンビームを供給できるかにほぼ決まる。このためイオン源は、単なる部品ではなく、NBI開発全体の律速要素として独自の研究分野を形成している。

核融合におけるイオン源：中性粒子入射での役割

NBIシステムは、イオン源で生成したイオンを高電圧で加速し、電荷交換セル（ガス中性子化器）で中性化してからプラズマに入射する。イオン源が供給するイオン電流とビームエネルギーの積が入射電力を決めるため、主要な核融合装置ではメガワット級のNBIが標準装備となっており、DIII-D、JT-60SA、JET、KSTAR、LHD、W7-Xなどがそれぞれ独自のイオン源を持つ。ビームエネルギーが低い（おおむね150 keV以下）場合は正イオン（H⁺やD⁺）ベースのNBIで十分であり、アーク放電型やペニング型のイオン源が長く使われてきた。

しかしITERのように1 MeV級のビームエネルギーが必要になると、正イオンの中性化効率が低下するため、負イオン（H⁻、D⁻）を用いるNBI（NNBI）が必須となる。負イオンは中性化効率が55%を超えるのに対し、正イオンでは高エネルギー域で中性化が実用にならない。この利点の代償として、負イオンの電流密度は正イオンの5〜10分の1程度しか得られないこと、そして望まない電子が同時に引き出されるという二つの難題があり、これが現代のイオン源研究の中心課題となっている。ITERの加熱用NBI（HNB）は重水素で1 MeV・40 A・1時間以上、水素で870 keV・46 A・1000秒以上という要求仕様を掲げており、これを同時に満たす実績はまだない。

イオン生成の物理：体積生成と表面生成、セシウムコンディショニング

負水素イオンの生成経路は大きく二つある。一つは体積生成で、低エネルギーの電子が回転振動励起した水素分子に解離性電子付着（dissociative electron attachment）することでH⁻が生じる。この機構の実在は2005年に実験的に検証され、セシウムを使わない体積生成源でも100 mA cm⁻²級のH⁻密度が加速器用途で達成可能であることが示されている。もう一つは表面生成で、プラズマグリッドなどの低仕事関数表面上で原子や分子が電子を付与されてH⁻となる。核融合用の大電流源では、この表面生成が抽出電流の大部分を担う。

表面生成の鍵はセシウム（Cs）の蒸着によるプラズマグリッド表面の仕事関数低下である。Csを源内にゆっくり導入して抽出負イオン電流を増やし、同時に共抽出電子を減らす操作はコンディショニングと呼ばれ、通常数日を要する。ラングミュアプローブによる測定では、コンディショニングの進行に伴いプラズマポテンシャル・浮遊電位・電子飽和電流が全体的に低下し、イオン飽和電流は一定に保たれることが分かっている。つまりプラズマグリッド近傍では、準中性の空間電荷の担い手が「不良コンディション時の電子」から「良好コンディション時の負イオン」へと移行する。この転換が、表面生成が支配的になったことの直接的な証拠である。Csは一方で、フィラメント材料の蒸発のように源内のCs層を覆い隠す要因を避ける必要があり、温度管理（グリッドと源本体の全温度制御）とCs量の監視が長パルス運転の信頼性を左右する。

源の構成：RFドライバ、磁気フィルタ、抽出・加速グリッド

現代の核融合用負イオン源の標準構成は、RFドライバ、膨張室、磁気フィルタ、そして多段グリッド系である。RF源は数MHzの高周波をコイルを通じて電離室に結合し、自由電子を加速して水素・重水素ガスを衝突電離する。フィラメントを熱陰極とするアーク放電型・ペニング型に比べ、RF源は構成部品が少なく保守が容易で、フィラメント寿命の制約がなく、フィラメント材料の蒸発によるCs層の汚染も起きない。このためASDEX-Uでの両方式の運転経験を経て、RF源はITER NBIの原型源に選定された。IPPガーリングでは小面積・短パルスで水素330 A m⁻²、重水素230 A m⁻²（0.3 Pa、電子/イオン比1）を達成し、3600秒のH⁻ビーム抽出実績がある。

源の下流には磁気フィルタと呼ばれる弱い横磁場が置かれる。これは電子のラーマー半径が小さいことを利用して高速電子の拡散を抑え、抽出領域の電子温度を下げるものである。電子温度が低いほど解離性電子付着が効率的になり、また表面生成で生じたH⁻が電子との剥離で失われるのを防げる。磁気フィルタ近傍での負イオンと電子の輸送は衝突流モデルで記述され、横磁場を横切る二種類の負荷電粒子の流れとして理解されている。

グリッド系は通常三電極構成で、プラズマグリッド（PG）、抽出グリッド（EG）、接地グリッド（GG）が順に並ぶ。PGにはバイアスをかけ、EGとGGの間で本加速電圧を印加する。電極間の電場はプラズマ側にわずかに侵入し、シースと抽出領域の電位分布を通じてH⁻の引き出し特性に直接影響する。CRAFTのRF負イオン源では、質量流量制御器、RFドライバ、ファラデーシールド付き膨張室、バイアスプレート、PG・EG・GGからなる加速器という構成が採られており、ファラデーシールドはRFコイルからプラズマへの直接結合（容量性結合）を遮り、コイル材料のスパッタによる不純物混入を防ぐ役割を持つ。

図はCRAFT計画で試験された三種類のRF負イオン源を示す。左から単一ドライバ源（50 keV加速器）、双ドライバ源（200 keV加速器）、四ドライバ源（200 keV加速器、高電圧電源の整備後400 keVへ昇級予定）であり、下段の開口配置図から、抽出面の拡大に伴ってドライバ数と開口数が増えていく様子が分かる。

運転上の課題：共抽出電子、均一性、長パルス運転

負イオン源運転最大の難題は共抽出電子である。抽出電流には常にH⁻と電子が混在し、電子は加速エネルギーを持ったままグリッドに損失するため、グリッド熱負荷の増大と効率低下を招く。良好なCsコンディショニングは電子/イオン比を1程度まで下げられるが、この状態を長時間維持するにはCsの再分布制御と温度管理が不可欠である。プラズマグリッドバイアスの最適化も電子抑制の基本的な手段であり、バイアス電圧の設定次第で共抽出電子電流が大きく変動する。

大面積源では抽出面内の均一性がもう一つの課題となる。ITER級の源は幅約1 m・高さ約2 mの抽出面を持ち、複数のRFドライバから膨張室へプラズマを均一に広げる必要がある。カスプ磁場の配置はプラズマパラメータの均一性に影響し、最適化の対象となる。KSTARのNBI第2イオン源でもプラズマ均一性の改善が継続的に行われている。均一性が悪いとグリッドの一部に電流が集中し、ビーム光学系の収差と熱負荷の局所増大を招く。

長パルス運転はこれらを複合する課題である。IPPの長パルス試験台では数百秒のパルスで150〜200 A m⁻²の電流密度がほぼ安定に得られたが、パルス長は源の一部とRF回路の冷却不足に律速されていた。JT-60UのNNBIは400 keV・5.8 MW（0.9秒）と345 keV・3 MW（28.9秒）、LHDでは190 keV・6.8 MW（1.6秒）の実績があるが、いずれも将来要求との間に、特にパルス長で大きな隔たりがある。近年は実験データの蓄積を背景に、ニューラルネットワークによるH⁻電流と共抽出電子電流の予測・運転パラメータ最適化も試みられており、実験計画の効率化に寄与し始めている。

大規模源と施設：ITER（SPIDER/MITICA）、CRAFT、そして次世代

ITERのNBI要求仕様を検証するため、イタリアのRFXに中性粒子入射試験施設（NBTF）が建設された。全体規模の原型注入器MITICAと、ITERイオン源の1:1原型源の試験・最適化に先行的に取り組むSPIDERの二つの試験台からなり、SPIDERは2018年の運転開始以来一連の実験結果を出している。ELISE試験施設ではITER NBI要求パラメータの水素での達成が報告されており、重水素での状況も進展している。これらの施設は、小面積での実績を全規模・長パルスへ拡張する際に現れるスケーリングの問題を明らかにする役割を担う。

中国ではCRAFT（総合研究施設）計画のもとでNNBI試験施設が建設され、2023年に運転を開始した。目標はビームダンプ上で200〜400 keV・2 MW・100秒の中性水素ビームを得ることであり、HONORとCANBEの二つの試験台が加速電源・冷却水・極低温システムを共用する。第3実験キャンペーンでは、単段加速器で200 keVを超えるビームエネルギーの100秒・2 MW級負水素イオンビームが反復加速された。その前身であるHUNTER試験台は単一ドライバ源で100秒超・150 A m⁻²以上のH⁻抽出を繰り返し達成し、HONORでは50 keV加速器で55.4 keV・7.3 A（約123 A m⁻²）・105秒、および55.0 keV・14.7 A（約248 A m⁻²）・30秒の抽出実績がある。今後は2×2および1×4構成のイオン源研究が計画されている。

次世代の核融合炉では、さらに高いビームエネルギーとレーザー中性化器など新しい中性化手段が検討されており、イオン源と中性化器の両方に研究開発の継続が求められている。CFETRは1 MeV・40 MWのNBIを想定しており、大電流・大面積・長パルスという三つの要求を同時に満たすイオン源の実現が、依然としてこの分野の中心的目標であり続けている。