Numerical analysis of plasma spatial uniformity in negative ion sources by a fluid model

負イオン源プラズマの空間的一様性に関する流体シミュレーション

水野 貴敏*; 北出 祐基*; 畑山 明聖*; 櫻林 徹*; 今井 尚樹*; 森下 卓俊; 井上 多加志

Mizuno, Takatoshi*; Kitade, Yuki*; Hatayama, Akiyoshi*; Sakurabayashi, Toru*; Imai, Naoki*; Morishita, Takatoshi; Inoue, Takashi

核融合加熱に用いられる大面積負イオン源において、負イオンビームの空間的な非一様性が中性粒子入射加熱の高パワー化の大きな妨げとなっている。このビーム非一様性を改善するためにはイオン源内部のプラズマ分布の形成メカニズムを解明することが必要である。イオン源内のプラズマ分布に影響する要素として、負イオン生成を促進するための横磁場(磁気フィルター)によるローレンツ力が重要である。磁気フィルターの磁束密度はおよそ~100G程度であり、電子は磁化されているがイオンは磁化されていない。そこで、2次元流体モデル方程式を電子とイオンの2流体について連立し、イオン源引き出し領域におけるプラズマパラメータ分布を求めた。その結果、電子のExBドリフトよりも、正イオンに働くローレンツ力と慣性力の相乗作用による指向性運動がプラズマ分布の形成に大きく影響していることがわかった。この結果を定量的に実験結果と比較するため、フィルター磁場に沿った電子の損失を考慮した3次元モデルを現在構築中である

Spatial non-uniformities of extracted negative ion beam were observed experimentally in tandem-type negative ion sources. To improve the beam uniformity, it is important to analyze the plasma profile in the ion source including magnetic filter effect. In the filter region, Lorentz force is important for both ions and electrons. However, their dynamics are completely different, i.e. electrons are magnetized and ions are not magnetized. Then, the system of two-dimensional two-fluid model equations is solved simultaneously to obtain self-consistent profiles of the plasma parameters. The result shows that a possible cause of spatial non-uniformity is the ion flow rather than ExB drift motion of electrons. This flow of ions is caused by synergetic effect of the force by electric field, Lorentz force and inertia force. To verify the results above and more quantitative comparisons with experiments, full 3D analysis is needed, because the electron loss along the field line is important for the plasma potential and the electric field in the filter region. Full 3D analysis is now in progress.