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誘導ブリルアン散乱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。

生成機構：体積生成と表面変換

負イオンの生成には二つの経路がある。第一は体積生成である。振動励起した水素分子（H₂(v)）に低エネルギー電子が付着する解離性電子付着（dissociative electron attachment）反応によって H⁻ が作られる。この機構の鍵となるのは振動励起分子の存在であり、電子–分子、原子–分子の素過程の断面積が振動準位に強く依存するため、ボルツマン方程式と振動運動論を自己無撞着に解くモデリングが源の設計に不可欠となっている。体積生成のみでも 100 mA cm⁻² 級の H⁻ 密度が加速器用の源で達成可能であり、セシウムを用いない源への道も開かれている。

第二は表面生成である。水素原子や分子が低い仕事関数の表面に当たると、電子を表面から受け取って負イオンとして再放出される。仕事関数が低いほど生成効率が高い。このため実用機ではセシウムを表面に蒸着させて仕事関数を約 2.1 eV まで下げるのが標準となっている。セシウム化したステンレス表面による H⁻ 密度は純粋な体積生成の約 2.5 倍に達する。セシウムの反応性や管理の難しさが運用上の弱点であるため、代替材料の探索が進められており、ランタン添加モリブデン（MoLa）や LaB₆（仕事関数約 3 eV）は体積生成比でそれぞれ 1.6 倍、1.4 倍程度の密度向上を示す一方、ダイヤモンド試料では測定可能な向上が見られない、という比較結果が得られている。

生成された負イオンがどれだけ抽出に至るかは輸送で決まる。三次元軌道計算によれば、表面生成された H⁻ の抽出確率は体積生成のものよりはるかに高い。これは表面生成が抽出孔の直近で起こるためであり、実用源が表面変換方式に傾く一つの理由となっている。抽出確率や抽出される負イオンの運動エネルギーはガス圧に依存し、高圧側では H 原子との電荷交換、低圧側では H⁺ との弾性衝突によって主にエネルギー緩和が進む。

負イオン源の構成と磁気フィルタ

大電力負イオン源は、プラズマ生成部（RF ドライバまたはフィラメント放電）、それから抽出領域へプラズマを広げる膨張室、そして抽出孔を開けたプラズマグリッドから構成される。抽出領域の近くには横磁場、すなわち磁気フィルタが設けられる。その目的は、高温の電子が抽出領域に直接届くのを防ぎ、電子の経路長を増やして電子温度を抽出領域で 2 eV 以下まで下げることにある。電子温度が下がれば H⁻ の電子剥がし損失が減り、同時に共抽出される電子の量も抑えられる。磁気フィルタは永久磁石とプラズマグリッドに流す電流の組み合わせで作られ、強さは数 mT 程度である。

磁気フィルタは必要不可欠であると同時に、プラズマの不均一性の主因でもある。横磁場の存在下では E×B ドリフトや反磁性ドリフトが生じ、抽出領域のプラズマ密度に上下・左右の不均一が生じる。磁気フィルタを切ればプラズマは良好な一様性を示すが、フィルタを強めると一様性がやや悪化することが確認されている。大面積源ではこのドリフト起因の不均一がビームの均一性に直結するため、フィルタ磁場の方向（標準方向と逆方向）や強さの最適化、さらにプラズマグリッドやバイアスプレートのバイアスによる制御が重要な研究課題となっている。バイアスは抽出領域の電子密度を下げて共抽出電子を減らす効果があるが、過大なバイアスは軸方向のプラズマ電位を変えて電子温度を上げてしまうという逆効果もある。

抽出・加速と共抽出電子

負イオン源の最大の難所の一つは、負イオンと一緒に大量の電子が抽出されてしまうことである。負イオンの生成が難しく損失が速いことから、源内の電子密度は負イオン密度を大きく上回り、そのままでは電子が負イオンの数倍から数倍以上も共抽出される。共抽出電子は加速電極での熱負荷や X 線発生の原因となるため、磁気フィルタとプラズマグリッドの正バイアスで電子を電極面へ偏向させて除去する。加速器内部には電子偏向用の磁場が組み込まれており、磁気フィルタ磁場が主に鉛直方向であるのに対し、電子偏向磁場は主に水平方向に分布する。共抽出電子と負イオン電流の比は源性能の指標であり、長パルス運転ではこの比を 1 以下に抑えることが目標とされる。

加速器では、抽出電極と接地電極の間で負イオンを数万から数十万電子ボルトまで加速する。加速器内のガス圧は 0.3–0.5 Pa 程度に抑えられる。これは源の生成効率を保ちつつ、加速中の負イオンが残留ガスとの衝突で失われるストリッピング損失を減らすためである。また、多数の小孔（ビームレット）を配列したマルチアパーチャ構成が用いられ、例えば ITER の原型源では 1280 本のビームレットが合計 0.2 m² の抽出面積から引き出される。各ビームレットの光学（収束と発散）は抽出領域のプラズマ密度に敏感であり、ビームの均一性と低発散を確保するには源側プラズマの一様化が不可欠である。ビームレットの偏向はアパーチャ位置のずらしで補償される。長パルス運転では、加速器を通過できなかった迷走電子（ストレイ電子）が真空容器壁やクライオポンプを加熱する問題も生じ、粒子軌道解析に基づく防護策が必要となる。

核融合中性粒子入射への応用

中性粒子入射は、高エネルギーの水素（重水素）原子ビームをプラズマに入射して加熱と電流駆動を行う方式であり、多くの大型装置の主加熱手段であった。中性化の観点から、正イオンを用いる方式は 100 keV/核子以下でしか実用的でない。正イオンのガス標的中性化効率は高エネルギーで急落し MeV 域では極端に低くなるのに対し、負イオンの中性化効率は 1 MeV/核子を超えても約 60% と高い。このため MeV 級ビームを要する大型トカマクでは、負イオン方式が標準となる。負イオン方式の中性化効率は正イオン方式の 30% 未満に対し 50% を超え、JT-60U（500 keV の D⁰）や LHD（180 keV の H⁰）で初のマルチメガワット級負イオン NBI が運用された。

ITER の加熱中性粒子ビームは、1 MeV の D⁰、加速電流 40 A、電流密度 200 A m⁻²、パルス長 1 時間という要求を掲げており、これは負イオン源・加速器双方に前例のない技術的挑戦である。その実現に向け、ITER の完全実寸原型源である SPIDER（源の生成・抽出の最適化を担う）と MITICA（注入器全体の実寸原型）が整備され、SPIDER ではセシウム投入前の体積運転とセシウム運転の両方が行われ、ビームの均一性（90% 以上が必要）と源プラズマの相関が調べられている。中国でも CRAFT 計画のもとで 1/4、1/2、実寸の源を段階的に開発し、1/4 サイズ源で 50 kV・153 A m⁻²・105 s の抽出や 4 A・105 s の長パルスビーム（電子/負イオン比 0.8）が達成されている。JT-60SA 向けにも長パルス大電力負イオンビームの開発が進められている。

加速された負イオンはガス標的で中性化された後、残りの荷電粒子が偏向・除去される。中性化器の効率を上げるため、レーザー光脱着式中性化器（レーザーで電子を剥がす方式）や、荷電粒子のエネルギーを回収するシステムの研究も進められている。また、MeV 級の加速に対応するため、鉄系アモルファス合金を用いた受動コアスナバなど、高電圧絶縁技術の開発も負イオン NBI の一環として行われている。このように負イオンは、その「電子を容易に手放す」という弱点ゆえに作成が難しい一方、まさにその性質によって高エネルギー中性ビームの唯一の実用的な源となっており、核融合炉への道を支える基盤技術となっている。