Hydrogen atoms penetrating deep inside high-temperature magnetically confined plasmas by repetitive charge-exchange collisions result in a particle source of the plasma, which affects the plasma transport significantly. In this paper, we present an approximate solution of the fluid equations for neutral transport and an analytical representation of the neutral penetration length, in a simplified plasma geometry. This analysis predicts a power-law decay in the Balmer-α line wings which reflects the velocity distribution of the neutral atoms, with the power-law exponent analytically represented as well. These scaling laws are compared with a simple Monte–Carlo simulation and spectroscopic observations of Large Helical Device plasmas. Since the Balmer-α line wings are experimentally accessible, our formulation opens the possibility to quickly estimate the neutral penetration length from spectroscopic observations.
繰り返しの荷電交換衝突により高温磁気閉じ込めプラズマの深部まで侵入する水素原子は、プラズマの粒子源となり、プラズマ輸送に大きな影響を与える。本論文では、単純化されたプラズマ形状において、中性粒子輸送に対する流体方程式の近似解と、中性粒子浸入長の解析的表現を示す。この解析は、中性原子の速度分布を反映するバルマーα線の翼部分における冪則減衰を予測し、その冪指数も解析的に表現される。これらのスケーリング則は、単純なモンテカルロシミュレーションおよび大型ヘリカル装置プラズマの分光観測と比較される。バルマーα線の翼部分は実験的に観測可能であるため、我々の定式化は、分光観測から中性粒子浸入長を迅速に推定する可能性を開くものである。