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。