SPIDER

SPIDER（Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from an RF plasma）は、イタリア・パドヴァの コンソルツィオ RFX（Consorzio RFX） に建設された中性粒子入射（ニュートラルビーム）用負イオン源の実験装置である。ITER 中性粒子入射試験施設（NBTF, PRIMA）を構成する二つの実験装置の一つで、ITER 加熱用中性粒子入射装置（NBI）に用いられる全スケールの高周波（RF）負イオン源のプロトタイプとして、負イオンビームの生成・抽出・加速の物理と技術を実証する役割を担う。

ITER 中性粒子入射試験施設における役割

ITER のプラズマはその巨大なサイズと高温のために、従来の陽イオンでは効率よく生成できない約 1 MeV の高エネルギー中性粒子ビームを必要とする。このエネルギー域で中性化効率が高いのは負イオン（H⁻ または D⁻）を前駆体とするビームであり、ITER の加熱用 NBI は 1 台あたり最大 16.5 MW、最長 3600 秒のパルス運転が求められる。このような条件を同時に満たす運転はそれまで実績がなく、実機と同一のイオン源を地上で検証するための専用施設として NBTF が設けられた。

NBTF は二つの実験装置からなる。一つが低い加速電圧で全スケール負イオン源を試験する SPIDER であり、もう一つが全ビーム出力での実機型入射装置のプロトタイプ MITICA である。SPIDER が先に建設・運転され、2018 年に第一次運転を開始した。その主な要求値は、H⁻/D⁻ の抽出電流密度がそれぞれ 355/285 A m⁻² 以上、ビームエネルギー 100 keV、パルス長最大 3600 秒であり、ITER と同様の磁気フィルタ配置とセシウムオーブンを備える。これらの条件を再現できる装置は他になく、SPIDER の成果は ITER NBI の設計と運転に直接反映される。運転開始後 3 年余りの間に多くの技術的課題が解決され、得られた知見は MITICA の建設と統合試験にも生かされている。

イオン源の設計と運転

SPIDER のイオン源は、RF 電力を誘導結合でプラズマ電子に投入する 8 本のドライバ（driver）と、それらに共通する膨張室から構成される。ドライバで生成されたプラズマは膨張室に流れ込み、そこに外部通電コイルで作られる磁気フィルタが掛けられる。磁気フィルタは電子の熱運動を抑えて電子温度を下げる役割を持ち、負イオンの破壊を進める高速電子からプラズマグリッド近傍を守る。負イオンの多くは、セシウムを蒸着したプラズマグリッド表面での表面生成機構によって作られる。セシウムの低い仕事関数表面が H⁻/D⁻ の生成確率を大きく高めるためであり、このためセシウムの蒸着・コンディショニング手順が性能を左右する。負イオンを抽出するには、負イオンの空間電荷を中和できるだけのプラズマ密度が必要であり、一方で電子は負イオンを破壊したり加速電極を加熱したりするだけの存在であるため、その流入は磁気フィルタで抑えられる。

装置の全体像と、プラズマを一様にプラズマグリッドに供給するためのドライバ配置を次の図に示す。

図は SPIDER イオン源の設計全体（左）と、8 本の RF ドライバに対するラングミュアプローブの配置（右）を示す。左図には抽出・加速部、8 本の RF ドライバ、3 つのセシウムオーブンが見て取れ、右図はドライバ円筒の間に配置された複数のプローブ位置を示す。

運転を通じて、マルチドライバ構成の源でプラズマグリッド面を一様に照らすことが難しいという物理的課題が明らかになり、測定と数値モデル（二次元流体シミュレーションなど）に基づいて磁気フィルタの最適化やプラズマ閉じ込めを改善するための追加磁石の導入、ガスコンダクタンスと容器内圧力を下げるためのプラズマグリッドマスキングなど、元の設計に対する改修が進められた。セシウムを用いた最初の運転では、RF 入力 400 kW、充填圧力 0.4 Pa 未満の短パルス条件で、抽出アパーチャを一部に限り、約 200 A m⁻² の負イオン電流密度が水素で達成されている（ビームエネルギーは 60 keV 未満）。これは目標値には及ばないが、個別ビームレットの加速によってビーム光学系と一様性を評価し、一様なビームを加速する手順を実証するなど、大型負イオン源の運転指針を与える結果となった。

ビームの加速と抽出

加速器は、プラズマグリッドから負イオンを引き出し、静電場で 100 keV まで加速する多段のグリッド系である。源は ITER 実機と同様に多数のアパーチャを開けたグリッドを用い、各アパーチャから「ビームレット」と呼ばれる細いイオンビームが抽出される。設計では、電場・磁場の解析、ビームの狙い精度、加速器内部の圧力とストリッピング反応、電極の熱応力など、物理と工学の両面を多数のコードで評価する統合的なアプローチが取られ、感度解析によって設計選択が運転パラメータに与える影響が調べられた。加速器内部では共通の静電場が各ビームレットに横方向の偏向を与えるため、その補償に新しい手法が導入され、また加速器から漏れる電子を受け止める電子ダンプにも新概念が採用された。

ビーム性能の評価には、個々のビームレット電流を測るビームレット電流モニタなどが用いられ、ビームに含まれる交流成分の初回特性評価も行われた。ビームを受け止めるビームダンプには高出力の熱負荷が集中し、そのハイパーバポトロン（hypervapotron、強制沸騰冷却構造の熱交換器）におけるビームの「シャインスルー」（冷却構造を透過して別の部材を加熱する現象）への対策も運転上の課題となった。イオン源と加速器の熱は一次冷却回路で除去され、ドライバの RF 誘導加熱による発熱は熱量計測と数値評価で監視される。

計測と第一次運転の結果

SPIDER は負イオン源の内部プラズマを直接観測できる広範な計測装置を備える点が特徴である。ラングミュアプローブがドライバ間やプラズマグリッド近傍の複数位置に配置され、局所のプラズマ密度・電子温度・負イオン分率を与え、その測定値は二次元流体コードによる数値再構成と突き合わせて検証されている。ビーム発光分光（beam emission spectroscopy）は加速後のビームレットのふるまいを光で診断する手法で、源内のプラズマ光検出と併せて、抽出・加速過程の理解に用いられる。また、電気的な測定だけからプラズマ電子密度を非侵襲的に推定する手法も開発されている。

2018 年の運転開始以降、真空容器やガス注入・真空系、制御・データ収集系、冷却プラントの据え付けと試験が段階的に進められ、計測系の改良も続けられている。運転で得られた知見は、RF ドライバのファラデーシールドの損傷評価のような部材上の問題から、セシウムコンディショニングの手順やビーム一様性の制御に至るまで多岐にわたり、ITER NBI が要求する電流密度・パルス長・信頼性に向けて性能を段階的に上げる戦略のもとで運転研究が続けられている。