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3D modeling of the electron energy distribution function in negative hydrogen ion sources

負イオン源内の電子エネルギー分布関数の三次元モデリング

寺崎 良*; 藤野 郁朗*; 畑山 明聖*; 水野 貴敏; 井上 多加志

Terasaki, Ryo*; Fujino, Ikuro*; Hatayama, Akiyoshi*; Mizuno, Takatoshi; Inoue, Takashi

将来の核融合炉に向けた大型水素負イオン源の開発において、空間的に一様な負イオン生成を実現することは重要な課題の一つである。近年、原子力機構の10A負イオン源における実験で、イオン源内の電子エネルギー分布が空間的に非一様となること、及びその電子エネルギー分布により負イオン生成分布が空間的に非一様となることが明らかにされた。そこで、本研究の目的は、電子エネルギー分布の解析を行い、空間的に非一様な電子エネルギー分布形成の物理的機構を明らかにし、空間的に一様な負イオン生成の実現に資することである。この目的のため、われわれはモンテカルロ法を用いた空間三次元・速度空間三次元(3D3V)の電子エネルギー分布解析コードを開発した。このコードを用いて、JAEAの10A負イオン源を対象とした解析を行ったところ、実験で観測されたイオン源内の電子エネルギー分布の空間的非一様性を再現した。われわれの開発したコードは次世代負イオン源の設計に有力なツールとなりうる。

In order to develop the large H$$^{-}$$ ion source for future fusion reactors, the uniform production of H$$^{-}$$ ions is one of the important issues. Recently, it has been shown experimentally in JAEA 10A negative ion source that the non-uniformity of the electron energy distribution function (EEDF) inside the source and the resultant non-uniformity of the H$$^{-}$$ production strongly affect the H$$^{-}$$ beam optics. Therefore, modeling of the EEDF and analysis of the spatial non-uniformity of the EEDF is necessary to optimize H$$^{-}$$ ion source and the beam optics. For this purpose, we are developing the 3D3V Monte Carlo modeling of the EEDF in realistic 3D geometry. The code reproduces the spatial non-uniformity of the EEDF observed in the experiments. Our developing code is a powerful tool for the design of the next generation sources.

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