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Effect of non-uniform electron energy distribution function on plasma production in large arc driven negative ion source

アーク放電型負イオン源内のプラズマ生成に対する電子エネルギー分布関数非一様性の影響

柴田 崇統; 古賀 章二朗*; 寺崎 良*; 井上 多加志; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 戸張 博之; 土田 一輝; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 畑山 明聖*

Shibata, Takanori; Koga, Shojiro*; Terasaki, Ryo*; Inoue, Takashi; Dairaku, Masayuki; Kashiwagi, Mieko; Taniguchi, Masaki; Tobari, Hiroyuki; Tsuchida, Kazuki; Umeda, Naotaka; Watanabe, Kazuhiro; Hatayama, Akiyoshi*

次世代大型核融合実験炉におけるNBI加熱用負イオン源では、一様性の高い大面積からのH$$^-$$ビームの引き出しが課題となっている。非一様性発現機構理解のための物理モデルとして、ビーム強度非一様性が(1)電子エネルギー分布関数(EEDF)非一様性、(2)(1)による水素原子(H$$^0$$),正イオン(H$$^+$$)生成分布非一様性、(3)PG表面へのH$$^0$$/H$$^+$$粒子束非一様性、(4)表面生成を介した水素負イオン生成分布非一様性によって生じることが提案された。しかし従来研究ではEEDFがプローブ測定から得られる2温度Maxwell分布で仮定されていたため、フィラメントから生成されるような高エネルギー電子の寄与を正確に取り入れていない。本研究では、実際の負イオン源形状,磁場配位を3次元的に模擬したMonte-Carloモデルを電子に適用し、局所的なEEDFを数値計算により求め、H$$^0$$/H$$^+$$生成分布を計算する。水素分子,原子密度($$n_{rm H2}=2.80times10^{19}$$m$$^{-3}$$,解離度0.1)を仮定した結果から定量的な生成分布が求められ、高エネルギー電子成分がH$$^0$$/H$$^+$$生成分布非一様性を強調する結果が示される。

In the NBI for large fusion devices, production of uniform negative ion beam is one of important issues. A physical model is proposed to understand the non-uniformity. It has been qualitatively shown that the non-uniform beam intensity is due to the following process; (1) formation of non-uniform EEDF, (2) localized production of hydrogen atoms/ions (H$$^0$$/H$$^+$$) due to (1), (3) non-uniform flux of H$$^0$$/H$$^+$$ to the PG and (4) localized surface production of negative ions. However, in the past studies, the EEDF was assumed as two temperature Maxwellian distribution from measurements. Thus effects of high energy electrons are not taken into account precisely. In the present research, local EEDF is calculated by the 3D Monte-Carlo kinetic model which takes into account the spatial and magnetic configurations of the real negative ion source. The numerical result show that high energy component of the EEDF enhances the spatial non-uniformity in the production rate of H$$^0$$/H$$^+$$.

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