負水素

負水素（負水素イオン、H⁻）とは、水素原子が余分な電子を1つ受け取って形成する陰イオンである。原子核と電子2つという単純な系でありながら、追加の電子は原子の正電荷にわずかにしか束縛されておらず、その結合エネルギーは約0.754 eVと小さい。このため負水素は高温プラズマ中では電子との衝突によって容易に破壊され、安定に存在できるのは比較的低温で電子密度の高い条件に限られる。中性子星大気や太陽の不透明度における主要な連続吸収体として天体物理学で古くから知られる一方、現代の核融合研究においては、負水素イオンを意図的に大量に生成・引き出す技術が主役となっている。負水素イオンを高エネルギーで加速してから中性化すると、効率よく高エネルギー中性子線（正確には中性原子ビーム）が得られるためである。図は、この分野で中心的な役割を果たす大型試験施設ELISEのイオン源部の写真と断面模式図であり、4基の高周波ドライバと引き出し系、セシウムオーブンの配置が示されている。以下では、核融合の中性粒子入射（NBI）における負水素イオンの役割、その生成機構、輸送と電子の共引き出しの制御、そして大型源の開発状況を概観する。

負水素イオンと中性粒子入射における役割

磁場閉じ込め核融合装置では、プラズマを加熱し電流を駆動する主要な手段の一つとして、高エネルギーの中性水素（または重水素）原子ビームを装置内に注入するが用いられる。中性原子は磁場の影響を受けずに閉じ込め磁場を貫通してプラズマ中で電離し、そのエネルギーをプラズマに渡す。ビームを中性化するには、まずイオンを加速した後に中性化セルを通す必要があるが、ここで正イオンとの違いが決定的になる。正の水素イオン（陽子）の中性化は数十keVのエネルギーでは効率が高いが、1 MeV級のエネルギーでは中性化効率がほぼゼロに落ちる。一方、負水素イオンは電子を1つ外れて中性原子になる過程が高エネルギーでも効率が高く、約60%の中性化効率が維持される。以降の装置が要求する1 MeV級の入射を実現するには、負イオンを用いることが本質的に不可欠なのである。