Ion cyclotron resonant frequency (ICRF) induced impurity production has raised many concerns since ITER proposed to change the first wall material from beryllium to tungsten. Enhanced DC plasma potential (VDC) due to radio frequency (RF) sheath rectification is well known as one of the most important mechanisms behind the RF induced impurities. Our previous work (Lu et al 2018 Plasma Phys. Control. Fusion60 035003) considered the impact of both the slow wave and the fast wave on the RF sheath rectification in a 2D geometry. It can barely recover the double-hump structure of the VDC poloidal distribution observed in various machines when only the slow wave is modelled using the multi-2D approach which intrinsically assumes the poloidal wavenumber kz is zero. The fast wave on the other hand is found to be more sensitive to a finite kz and may need to be tackled in 3D. This work reports our recent progress on the 3D RF sheath modelling. In this new code, the latest RF sheath boundary conditions (Myra 2021 J. Plasma Phys. 87 905870504) and the realistic 3D ICRF antennas are implemented. Compared to the 2D results, the 3D code could well recover the double-hump poloidal distribution of VDC even with the fast wave included, which confirms our speculation on the necessity of treating the fast wave in 3D. While the double-hump pattern is robust in the simulation, the amplitude of VDC is found to be affected by the magnetic tilt angle and the antenna geometry. This emphasizes the importance of adopting a realistic antenna geometry in the RF sheath modelling. The double-hump VDC poloidal structure breaks as the magnetic tilt angle increases. This is explained by the gyrotropic property of the cold plasma dielectric tensor. The spatial proximity effect we identified in the previous 2D simulations is still valid in 3D. Finally, simulation shows the slow wave dominates the RF sheath excitation in the private scrape-off layer (SOL), while the fast wave gradually takes over when moving to the far SOL region. This code could be a new tool to provide numerical support for ITER impurity assessment and ICRF antenna design.
イオンサイクロトロン共鳴周波数（ICRF）誘起不純物生成は、ITERが第一壁材料をベリリウムからタングステンに変更することを提案して以来、多くの懸念を引き起こしている。高周波（RF）シース整流による直流プラズマ電位（VDC）の増強は、RF誘起不純物の背後にある最も重要なメカニズムの一つとしてよく知られている。我々の以前の研究（Lu et al 2018 Plasma Phys. Control. Fusion60 035003）では、2次元形状におけるRFシース整流に対する遅波と速波の両方の影響を考察した。それは、本質的にポロイダル波数kzがゼロであると仮定するマルチ2Dアプローチを用いて遅波のみをモデル化した場合、様々な装置で観測されるVDCポロイダル分布の二峰構造をかろうじて再現できるだけである。一方、速波は有限のkzに対してより敏感であることが分かっており、3次元で扱う必要があるかもしれない。本研究は、3次元RFシースモデリングに関する我々の最近の進展を報告するものである。この新しいコードでは、最新のRFシース境界条件（Myra 2021 J. Plasma Phys. 87 905870504）と現実的な3次元ICRFアンテナが実装されている。2次元の結果と比較して、3次元コードは速波を含めた場合でもVDCの二峰ポロイダル分布を良好に再現でき、これは3次元で速波を扱う必要性に関する我々の推測を裏付けるものである。二峰パターンはシミュレーションにおいて頑健である一方、VDCの振幅は磁場の傾斜角とアンテナ形状に影響されることが分かった。これは、RFシースモデリングにおいて現実的なアンテナ形状を採用することの重要性を強調する。磁場の傾斜角が増加すると、二峰のVDCポロイダル構造は崩れる。これは、冷プラズマの誘電テンソルのジャイロトロピック特性によって説明される。以前の2次元シミュレーションで特定した空間的近接効果は、3次元でも依然として有効である。最後に、シミュレーションは、遅波がプライベート・スクレイプオフ層（SOL）におけるRFシース励起を支配する一方、遠方SOL領域に移動すると速波が徐々に支配的になることを示している。このコードは、ITERの不純物評価およびICRFアンテナ設計に数値的支援を提供するための新しいツールとなり得る。