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Analysis of electron temperature distribution by kinetic modeling of electron energy distribution function in JAEA 10 ampere negative ion source

JAEA10アンペア負イオン源内電子エネルギー分布関数の運動論的モデリングによる電子温度分布解析

柴田 崇統; 寺崎 良*; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 大楽 正幸; 谷口 正樹; 戸張 博之; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; 畑山 明聖*

Shibata, Takanori; Terasaki, Ryo*; Kashiwagi, Mieko; Inoue, Takashi; Dairaku, Masayuki; Taniguchi, Masaki; Tobari, Hiroyuki; Umeda, Naotaka; Watanabe, Kazuhiro; Sakamoto, Keishi; Hatayama, Akiyoshi*

JT-60SA用中性粒子入射装置では、大面積(0.9$$times$$0.45m$$^{2}$$)引出し面上の負イオン生成が偏っており、引き出された負イオンが電極に衝突して失われることが問題となっている。これまでの研究で、フィラメント陰極から放出される高速電子が$$mathbf{B} times textrm{grad} mathbf{B}$$ドリフトによって長手方向一方向へ移動すること、その電子温度の空間分布に負イオン一様性が強く関連することがわかっている。本研究では、電子温度の空間分布を一様にする負イオン源の磁場配位の改良を目的として、負イオン源内の電子温度分布を再現・予測するため、衝突素過程を考慮した3次元電子輸送解析コードを開発し、原子力機構の10アンペア負イオン源モデルで電子温度空間分布に偏りが発現する機構を調べた。その結果、解析結果はプローブ測定結果を良く再現できること、さらに高速電子が高いエネルギー($$E$$=25-60eV)を保持したまま長手方向端部の壁付近まで到達してプラズマ粒子と頻繁に衝突し、電子温度の空間分布に偏りを生じる過程を明らかにした。

In the neutral beam injector in JT-60SA, one of issues is that negative ion beam is partially intercepted at acceleration grids due to a spatial non-uniformity of negative ion production on large extraction area (0.9$$times$$0.45m$$^{2}$$). Previous experiments showed that fast electrons emitted from filament cathodes are transported in a longitudinal direction by $$mathbf{B} times textrm{grad} mathbf{B}$$ drift and the spatial distribution of electron temperature ($$T_e$$) strongly relates with the non-uniformity. In this study, a three-dimensional electron transport analysis has been developed. Electron temperature in the analysis agreed well with measurements in JAEA 10A ion source. This study clarified that the bias of $$T_e$$ distribution are caused by the following reasons; (1) fast electrons drifted in the longitudinal direction survives near the end wall with energy up to $$E$$ = 25-60 eV and (2) they produces thermal electrons by collision with plasma particles there.

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