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High density plasma calculation of J-PARC RF negative ion source

J-PARC負水素イオン源の高密度プラズマ計算

柴田 崇統*; 浅野 博之; 池上 清*; 内藤 富士雄*; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 高木 昭*; 上野 彰

Shibata, Takanori*; Asano, Hiroyuki; Ikegami, Kiyoshi*; Naito, Fujio*; Nammo, Kesao*; Oguri, Hidetomo; Okoshi, Kiyonori; Shinto, Katsuhiro; Takagi, Akira*; Ueno, Akira

J-PARCでは2014年9月より、セシウム(Cs)添加型・マルチカスプ・高周波放電型(RF)負水素(H$$^{-}$$)イオン源の利用運転が開始され、電流値45mA、繰返し1.25%(0.5ms, 25Hz)のH-ビームを1000時間連続で引き出すことに成功している。本研究では、J-PARCイオン源内のRFプラズマに対する数値計算モデルを構築することで、プラズマの点火過程と定常状態におけるH$$^{-}$$生成・輸送に関わる物理過程を解明する。シミュレーションモデルでは、(1)荷電粒子(電子,水素陽イオン, Csイオン)、(2)イオン源内に形成される誘導性・容量性電磁場の時間変化、および(3)荷電粒子と水素原子・分子間の衝突過程を同時に計算する。また、同モデルを高エネルギー加速器研究機構並列計算機システムA(32ノード・256GBメモリ)に適用することで、10$$^{18}$$m$$^{-3}$$以上の高密度となるRFプラズマの挙動を十分な統計性を以て計算することが可能である。発表では、RFプラズマの成長過程に重要なプラズマパラメータを、プラズマ温度・密度、および電磁場分布の時間発展とともに示す。

From September 2014, operation of Cs-seeded, multi-cusp, Radio Frequency (RF), hydrogen negative ion source (J-PARC source) has been started. The operation for 1,000 hours of J-PARC source has been achieved with H$$^{-}$$ beam current 45 mA and duty factor of 1.25 % (0.5 msec and 25 Hz). In the present study, mechanisms of hydrogen plasma ramp-up and H$$^{-}$$ production/transport processes in the steady state (which lasts for few 100 us) are investigated by numerical modeling for RF plasma. In the simulation, charged particle (e, H$$^{+}$$, H$$_2^{+}$$, and Cs$$^{+}$$) transport, time variations of inductive and capacitive electromagnetic field, collision processes between charged and neutral (H, H$$_{2}$$) particles are solved simultaneously. The model is applied to KEK parallel computation System-A with 32 nodes and 256 GB memory in order to solve high density RF plasma up to around 10$$^{18}$$ m$$^{-3}$$ with adequate statisticity. In the presentation, time variations of plasma density distributions and average energy are shown with electromagnetic field variations.

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