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核融合炉におけるプラズマ―材料相互作用の解明には、想定される熱・粒子束を実機相当の照射面積にわたってターゲットへ入射させることのできるプラズマ源が必要である。熱陰極アーク放電を用いたプラズマ源は、高密度プラズマ生成において多くの実績を有する一方で、生成されるプラズマ径が装置形状に依存し、比較的小さいという課題がある［1–3］。現在、プラズマ研究センターでは、Fig.1に示すような、大口径陰極を採用し、高密度かつ大口径のプラズマ生成を目指したプラズマ源の開発を行っている。本プラズマ源では、大口径陰極の加熱に使用するカーボンヒーターを陰極中心部用と周辺部用の2系統を用いて独立に加熱することで、加熱能力および温度分布の制御性の向上を図っている。さらに、陰極からの熱輻射に伴う陰極温度の低下を抑制するため、陰極前面にモリブデン製の輻射シールドを設置している。高密度プラズマ生成に向けて安定した大電流放電を維持するためには、熱電子放出を担う大口径陰極を、必要な温度まで均一に昇温する必要があり[4]、陰極加熱を担うヒーター形状の詳細な検討が不可欠である。そこで、本研究では、陰極加熱系の熱解析モデルを構築し、陰極の高温化および温度均一性の向上に向けて各ヒーターの形状を検討することを目的とした。作成したモデルとヒーター形状をFig.2に示す。解析にはAC/DCモジュールおよび伝熱モジュールを使用し、カーボンヒーター端部に境界条件として電流値を与えた。ヒーターのジュール加熱、固体内熱伝導および表面間輻射を考慮して陰極の温度分布を解析し、得られた陰極表面温度からRichardson–Dushmanの式を用いて熱電子電流密度分布を算出した。解析結果をもとに各ヒーターの形状を変更し、陰極温度分布および熱電子電流密度分布への影響を比較した。陰極表面の温度分布、径方向温度分布および熱電子電流密度分布の解析結果をFig. 3に示す。改良を加えた加熱系の解析では、陰極最高温度が従来構造の約1470 Kから約1640 Kへ上昇し、陰極表面温度の均一性が改善する結果が得られた。また、熱電子電流密度を面積分して求めた熱電子電流熱電子電流は、従来構造の約1.5 Aから改良後には約36 Aへ約24倍増加した。この熱電子供給量の増加は、より大きな放電電流の維持を可能にし、高密度プラズマ生成につながることが期待される。