Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

J-PARC高周波イオン源内のプラズマ生成過程と内部アンテナ熱負荷の数値解析

柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰  ; 小栗 英知  ; 大越 清紀 ; 池上 清*; 高木 昭*; 浅野 博之; 内藤 富士雄*

Shibata, Takanori*; Nishida, Kenjiro*; Mochizuki, Shintaro*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; Hatayama, Akiyoshi*; Ueno, Akira; Oguri, Hidetomo; Okoshi, Kiyonori; Ikegami, Kiyoshi*; Takagi, Akira*; Asano, Hiroyuki; Naito, Fujio*

J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。

A numerical model of plasma transport and electromagnetic field in the J-PARC RF ion source has been developed to understand relation between antenna coil heat loadings and plasma production/transport processes. From the calculation, the local plasma density increase is observed in the region close to the antenna coil. The magnetic field line with absolute magnetic flux density 30-120 Gauss results in the magnetization of electron which leads to high local ionization rate. The results suggest that modification of magnetic configuration can be made to reduce plasma heat flux onto the antenna.