負イオン

負イオン（ふイオン、negative ion）とは、電子を過剰に帯びた負の電荷を持つイオンのことであり、プラズマ・ビーム物理では主に水素の負イオン（H⁻、D⁻）を指す。原子や分子が余分な電子を束縛することで成立し、その電子はわずか 0.75 eV 程度の弱い束縛しか受けていないため、生成は難しく、衝突によって容易に電子を剥がされて失われる。この「作りにくく壊れやすい」という性質が、負イオン研究のあらゆる課題の根源である。一方で、高速の負イオンからは電子を一つのガス標的で簡単に剥がして中性原子ビームを作れるため、MeV 級の中性粒子ビームを必要とする核融合の中性粒子入射（NBI）において、負イオンは不可欠な存在となっている。負イオン源の内部構造を示した断面図が下の図である。

図には、プラズマを生成する一対のドライバ、プラズマグリッド、バイアスプレート、ビーム抽出孔、そして磁気フィルタ電流の経路が描かれており、負イオン源がプラズマ生成部と抽出・加速部から成る複合装置であることが分かる。

プラズマ中の負イオン：定義と基礎物理

水素プラズマ中では、正電荷側は H⁺、H₂⁺、H₃⁺ が主であり、負電荷側は電子と H⁻ が主となる。負イオンの密度は電子密度に比べてはるかに小さい。これは、生成が困難な上に、2 eV を超えるエネルギーの電子との衝突で H⁻ + e → H + 2e という電子剥がし（ストリッピング）反応によって容易に破壊されるためである。負イオン密度と電子密度の比は電気陰性度と呼ばれ、大規模な電気陰性プラズマの診断は容易ではなく、抽出されたビームレットそのものを用いた測定が最も確実な局所診断手段となることもある。

負イオンの存在はプラズマ中の波動現象にも影響を与える。負イオンを含む多成分プラズマでは、ソリトンの性質が変化し、負イオン密度が臨界値を超えると希薄ソリトン（rarefactive soliton）が現れるなど、KdV や修正KdV方程式で記述される非線形波の挙動が正イオンのみのプラズマとは異なることが知られている。また、磁化プラズマ中のレーザーのも負イオンの存在によって変化する。これらは負イオンがプラズマの電荷中性条件と電子の運動を通じて集団現象の非線形性を変える例である。