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、10m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, and Cs) transport, time variations of inductive and capacitive electromagnetic field, collision processes between charged and neutral (H, H) 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 m with adequate statisticity. In the presentation, time variations of plasma density distributions and average energy are shown with electromagnetic field variations.