Hot cathode ion sources are widely used in large-scale neutral beam injection (NBI) systems, but in practical engineering, there are still some problems that affect their stable operation, so further research is needed on the mechanism of arc initiation and the operation of hot cathode ion sources. In a complex electromagnetic field environment, it is challenging to measure the initial discharge process at the ns scale. This research focuses on this transient process in the Experimental Advanced Superconducting Tokamak NBI hot cathode ion source, exploring its mechanism through a 3D multiphysics coupled model, and further highlights the function of designing a ‘floating plate’. The effects of the main parameters of the ion source are discussed, including floating plate size, external circuit parameters, and magnetic field. Results show that, in the initial arcing process, the floating plate controlled by the external circuit has a slightly stronger space charge limitation on the filaments compared to the discharge chamber structure with pure anode side wall. But the entire arcing process can reach the steady state faster, and the wall loss of the emitted electrons in the subsequent steady state is less. Compared with the conventional assumption that the floating plate is fixed at 50 V, in the case of considering the external circuit, the space charge limitation is smaller, and the filament can also quickly transfer to the required thermionic emission limited mode. When the floating plate area accounts for 15% of the side wall area of the discharge chamber, the above characteristic is more obvious. The arc voltage almost determines the energy of electrons at different positions and has an important influence on ionization efficiency. The divider resistor of the external circuit can affect the stability of the discharge process. The magnetic field generated by filament current seriously affects the electron trajectory and restricts the emission of primary electrons. The multiphysics coupled model in this research offers analysis methods and optimization ideas for similar ion sources, providing references for the design of hot cathode ion source.
熱陰極イオン源は大規模中性粒子ビーム入射(NBI)システムで広く使用されているが、実際の工学においては、その安定動作に影響を与えるいくつかの問題が依然として存在するため、アーク開始機構と熱陰極イオン源の動作に関するさらなる研究が必要である。複雑な電磁場環境において、nsスケールでの初期放電プロセスを測定することは困難である。本研究は、Experimental Advanced Superconducting Tokamak NBI熱陰極イオン源におけるこの過渡プロセスに焦点を当て、3D多物理連成モデルを通じてその機構を探求し、さらに「フローティングプレート」を設計する機能を強調する。イオン源の主要パラメータの影響について、フローティングプレートの寸法、外部回路パラメータ、磁場を含めて議論する。結果は、初期アーキングプロセスにおいて、外部回路によって制御されるフローティングプレートは、純粋な陽極側壁を持つ放電チャンバー構造と比較して、フィラメントに対してわずかに強い空間電荷制限を持つことを示している。しかし、アーキングプロセス全体はより速く定常状態に到達でき、その後の定常状態における放出電子の壁損失は少ない。フローティングプレートが50 Vに固定されているという従来の仮定と比較して、外部回路を考慮した場合、空間電荷制限は小さく、フィラメントは必要な熱電子放出制限モードに迅速に移行することもできる。フローティングプレートの面積が放電チャンバーの側壁面積の15%を占める場合、上記の特性はより顕著である。アーク電圧は、異なる位置での電子のエネルギーをほぼ決定し、電離効率に重要な影響を与える。外部回路の分圧抵抗器は、放電プロセスの安定性に影響を与える可能性がある。フィラメント電流によって生成される磁場は、電子軌道に深刻な影響を与え、一次電子の放出を制限する。本研究における多物理連成モデルは、類似のイオン源に対する解析方法と最適化のアイデアを提供し、熱陰極イオン源の設計のための参考資料を提供する。