Helicon plasma sources operating with hydrogen or deuterium might be attractive for fusion applications due to their higher power efficiency compared to inductive radiofrequency plasma sources. In recent years, the resonant antenna ion device (RAID) has been investigating the physics of helicon plasmas and the possibility of employing them to produce negative ions for heating neutral beam injectors (HNBs). Herein, we present a fluid Monte Carlo (MC) model that describes plasma species transport in a typical helicon hydrogen plasma discharge. This work is motivated by an interest in better understanding the basic physics of helicon plasma devices operating in hydrogen and, in particular, the volume production of negative ions. This model is based on the synergy between two separate self-consistent approaches: a plasma fluid model that calculates ion transport and an MC model that determines the neutral and rovibrational density profiles of . By introducing the electron density and the temperature profiles measured by Langmuir probes as model constraints, the densities of ion species (, , , ) are computed in a 1.5D (dimensional) geometry. The estimate of the negative ion density profile represents a useful benchmark that is comparable with dedicated diagnostics, such as cavity ring-down spectroscopy and Langmuir probe laser photodetachment. Neutral gas particles (atoms and molecules) are calculated assuming a fixed plasma background. This gas–plasma decoupling is necessary due to the different timescales of plasma (microseconds) and gas kinetics (milliseconds).
ヘリコンプラズマ源は、誘導結合型高周波プラズマ源と比較して高い電力効率を有するため、核融合応用にとって魅力的であり得る。近年、共鳴アンテナイオンデバイス（RAID）は、ヘリコンプラズマの物理と、加熱用中性粒子ビーム入射装置（HNB）用の負イオンを生成する可能性について研究を行ってきた。本稿では、典型的なヘリコンプラズマ水素放電におけるプラズマ種輸送を記述する流体モンテカルロ（MC）モデルを提示する。この研究は、水素で動作するヘリコンプラズマデバイスの基礎物理、特に負イオンの体積生成をより深く理解することへの関心に動機づけられている。本モデルは、イオン輸送を計算するプラズマ流体モデルと、水素分子のローバイブロニック密度分布を決定するMCモデルという、2つの独立した自己無撞着アプローチの連成に基づいている。ラングミュアプローブで測定された電子密度と電子温度分布をモデル拘束条件として導入することにより、イオン種（H⁺、H₂⁺、H₃⁺、H⁻）の密度が1.5次元（1.5D）幾何形状で計算される。負イオン密度分布の推定値は、空洞リングダウン分光法やラングミュアプローブレーザー光脱離法などの専用診断法と比較可能な有用なベンチマークとなる。中性ガス粒子（原子および分子）は、固定されたプラズマ背景を仮定して計算される。このガス–プラズマ分離は、プラズマの時間スケール（マイクロ秒）とガス運動論の時間スケール（ミリ秒）の差異により必要となる。