負イオン源

負イオン源（negative ion source）とは、水素や重水素の原子から電子を一つ余分に受け取った負イオン（H⁻、D⁻）をプラズマ中で大量に生成し、電場で引き出して加速する装置である。核融合研究においては、高エネルギー中性粒子入射装置（NBI）のイオン源として決定的な役割を果たす。正イオンを前駆体とする従来のNBIでは、入射エネルギーが150 keVを超えるとガスによる中和効率が30%未満に落ちて実用にならないのに対し、負イオンを前駆体とすれば1 MeV級でも中和効率が55%以上を保てる。このためITER（1 MeV、1台あたり最大16.5 MW・3600 s）、JT-60SA（500 keV）、CFETR（1 MeV・40 MW）といった大型装置はいずれも負イオン源型NBI（NNBI）を採用しており、負イオン源は核融合炉の主要加熱機器の中核部品となっている。

高エネルギー中性粒子入射における役割

磁場閉じ込めプラズマの加熱と電流駆動には、高周波加熱と並んで高エネルギー中性粒子ビームの入射が用いられる。装置の大型化に伴いコアプラズマまで粒子を到達させるには入射エネルギーを上げる必要があり、その要求はすでにMeV域に達している。負イオン源型NBIの典型的な目標は、例えば中国のCRAFT計画では水素原子ビーム2 MWを200–400 keVで100 s注入することとされており、負イオン源はこの系全体の起点となる。

ただし負イオンを用いることには固有の困難がある。負イオンの生成は正イオンより難しく、損失は起きやすいため、引き出せる電流密度は正イオン源の数分の一（5–10倍劣るという評価もある）に留まる。さらにプラズマ中の電子は負イオンと比べてはるかに密度が高く、引き出しの際に不要な電子が大量に「共引き出し」される。このため負イオン源では、いかに負イオン生成を増やし、電子の共引き出しを抑えるかが性能の鍵となる。CRAFTの1/4サイズ源では、140 A m⁻²のH⁻引き出しを105 s継続し、その際の電子と負イオンの電流比を0.8に抑えた例が報告されている。

負イオン源の全体構造は、プラズマを生成する「ドライバ」、負イオンを生成・選別する「膨張室」、そしてイオンを引き出し加速する「多孔グリッド系」の三部分に大別できる。CRAFT 1/4サイズ源の全体構造と、プラズマグリッド・抽出グリッド・接地グリッドからなる三電極グリッド系の幾何形状を示したのが次の図である。

図の(a)はRFドライバ、膨張室、グリッド系からなる源の立体構造を、(b)は各電極の孔径と間隔、セシウム注入部、永久磁石の配置を示す。ドライバで作られたプラズマが膨張室を経てプラズマグリッド前面に達し、グリッド間の電場で負イオンが引き出される、という流れが一望できる。

源の構造とRFプラズマ生成

現代の大型負イオン源の主流は、高周波（RF）コイルによる誘導結合放電を用いる方式である。ドライバと呼ばれる円筒容器の周囲に巻いたRFコイルに数十kWから百kW級の高周波電力を供給すると、コイルの交流磁場が容器内の電子を直接揺さぶり、放電が維持される。この方式はフィラメントを用いるアーク放電方式に比べて電極のスパッタや不純物放出がなく、長パルス・定常運転に向くため、ITERをはじめとする新世代の源はほぼすべてRF方式を採用している。励振周波数の違いが放電特性に与える影響の比較なども研究課題となっている。

ドライバで生成されたプラズマは、断面積を数倍に広げた膨張室へ流れ込み、密度を下げながらグリッド前面の広い領域を満たす。大型源ではドライバを複数個並べてグリッド全体を照らす構成が取られ、ITERの実証機SPIDERは8個のRFドライバを備える世界最大級の源である。複数ドライバ構成では、各ドライバの下でプラズマ密度が均一になるかどうかが直接ビームの均一性を左右するため、ドライバ数や配置、磁場構成と均一性の関係が三次元流体シミュレーションやプローブ計測で詳しく調べられている。

負イオンの生成：体積生成とセシウム化表面生成、磁気フィルタ

負イオンの生成経路は二つある。一つは体積生成で、ドライバ内で電子衝突によって振動励起された水素分子が、膨張室側の低エネルギー電子（2 eV以下）と衝突して解離付着しH⁻となる過程である。もう一つは表面生成で、水素原子や分子が壁面に衝突した際、表面から電子を受け取って負イオンになる過程である。表面生成の確率は材料の仕事関数に強く依存するため、仕事関数が約2 eVと極めて低いセシウムをプラズマグリッド表面に蒸着させる「セシウム化」が事実上必須の技術となっている。セシウムの注入量の調整（コンディショニング）は繊細で、最適量を超えても不足しても性能が落ちる。コンディショニングが進むと、グリッド近傍のプラズマポテンシャルや浮遊電位が低下し、準中性の電荷担体が電子から負イオンへと移り変わることがプローブ計測で確認されており、これが表面生成支配の状態への転換の目安となる。

生成された負イオンを守るのが磁気フィルタである。ドライバと抽出領域の間にグリッド面に平行な横磁場をかけると、電子は磁力線に巻きついて抽出領域へ到達するまでの経路が長くなり、衝突を重ねて冷却される。その結果、抽出領域の電子温度は2 eV以下に下がり、高エネルギー電子による負イオンの電子剥ぎ取り（H⁻ + e → H + 2e）が抑えられる。磁場の作り方には永久磁石列を用いる方式と、プラズマグリッドに電流を流して作る方式があり、後者ではリターン導体の位置や本数が磁場トポロジーとプラズマ均一性を左右する。ただし磁気フィルタは電子のE×Bドリフトや反磁性ドリフトを誘起し、大型源では抽出領域のプラズマに不均一をもたらすという副作用があり、フィルタ磁場の強さと均一性のトレードオフが共通の課題となっている。

引き出しと加速：多孔グリッドと共引き出し電子

グリッド系は通常、プラズマに接するプラズマグリッド（PG）、負イオンを加速する抽出グリッド（EG）、ビームを出す接地グリッド（GG）の三電極からなる。各電極には数百から千を超える小孔が規則正しく並んでおり、一つ一つの孔から「ビームレット」と呼ばれる細いイオン束が引き出される。孔径は数mm程度、電極間隔は数mmから十数mm、GGまでの距離は数十mmというスケールで、加速電圧は試験段階で数十kV、最終目標では1 MVに達する。EGには小さなコバルト磁石が埋め込まれ、共引き出しされた電子を横方向に曲げてグリッドに落とし、電子が加速領域へ進んで電極を加熱するのを防いでいる。

引き出し性能を左右する操作の一つがプラズマグリッドバイアスである。PGをわずかに正にバイアスすると抽出領域の電子密度が下がり、共引き出し電子電流が減って負イオン電流が増える。ただしバイアスが過大になると軸方向のプラズマポテンシャル分布が変化して電子温度が上がり、逆効果になる。また、引き出し電場がプラズマグリッドの孔を通って源側に染み出し、グリッド前面のシースを変形させて負イオンの引き出し経路に影響するため、電場浸透とプラズマの相互作用も精密に制御すべき要素である。

加速後の輸送で問題になるのがストリッピング損失である。負イオンの束縛電子の結合エネルギーは0.75 eVしかなく、残留ガス分子との衝突で容易に剥ぎ取られる。そこで源の運転圧力は0.3–0.5 Pa程度に抑えられ、加速器内の圧力を下げる工夫がなされる。それでも共引き出し電子、ビームとガスの衝突生成物、グリッド表面からの二次電子といった「迷い粒子」は、ビーム品質を損ないグリッドに熱負荷を与え、逆流する正イオンは源を傷つけうる。接地グリッドの形状を多孔型にするかスロット型にするかの選択は、この迷い粒子の分布と熱負荷に影響する設計要因であり、両者の比較が数値シミュレーションで調べられている。

大型源、均一性と試験装置

MeV級NBIの実現には、源を1 m四方級まで拡大し、広い面積にわたって均一な負イオン流を引き出す必要がある。このため実機サイズの源を単独で試験する専用実験施設が各国に整備されている。イタリア・パドヴァの中性粒子ビーム試験施設では、ITER注入器の実寸大プロトタイプとしてSPIDER（源単体の試験）とMITICA（実寸大注入器の試験）が建設され、SPIDERは2018年の運転開始後、セシウムを用いた運転でRF総出力400 kW・圧力0.4 Pa以下の条件下で約200 A m⁻²の負イオン電流密度を達成した。一方、複数ドライバ源ではグリッド面のプラズマ照らし方が不均一になるという物理的課題が浮上し、計測と数値モデルに基づく設計改良が続けられている。中国ではCRAFT計画のもとで、1/4サイズ源（単一ドライバ、目標は100 s・4 AのH⁻ビーム）からハーフサイズ、フルサイズへと段階的に規模を拡大する開発が進められており、1/4サイズ源では50 kV・153 A m⁻²・105 sの引き出しが達成されている。ドイツのIPPではBATMANアップグレードなど小型試験装置でビームカロリーメータやプローブを用いた基礎物理の検証が行われ、NIO1のような小型源でビーム光学系のトモグラフィー診断が開発されるなど、小型試験から大型実証へという多層的な研究体制が敷かれている。

均一性の問題は多層的である。第一にドライバ配置と磁気フィルタによるプラズマドリフトが抽出領域の密度・温度分布を歪める。第二にセシウムの分布がグリッド面上で一様でないと、表面生成率が場所によって変わり、ビームレットごとの電流密度に差が生じる。第三に、個々のビームレットの軌道は周囲の電場と空間電荷で決まるため、隣接ビームレットの密度差が軌道の偏向を招き、これを孔位置のずらしで補償する研究も行われている。ビームの非均一性の起源を特定し、セシウム量・バイアス・フィルタ磁場・RF出力を組み合わせて制御することが、現在の負イオン源研究の中心課題である。近年では蓄積した運転データを機械学習モデルに学ばせ、負イオン電流と共引き出し電子電流を予測して最適運転条件の探索を高速化する試みも始まっている。