Here, we report on role of pre-ionization using non-resonant 2.45 GHz microwave heating (P2.45 GHz < 20 kW) in plasma start-up of neutral beam injection (NBI) for heliotron configurations in low beam power (PNB) under non-resonant heating condition. A rapid electron heating towards burn-through of the low-Z impurities was observed experimentally in the early phase of beam injection when the seed plasma density produced by the non-resonant heating was enough for the plasma start-up. Beam heating time to the burn-through increased with decreasing the seed plasma density and a critical density condition of the seed plasma for successful start-up was observed experimentally. Proper timing of the gas fuelling is critical for plasma expansion because the beam fuelling is not significant. A 0-dimensional (0D) model analysis of the NBI start-up developed in this study well reproduces the experimental results. The 0D model clarifies the physical mechanism of the NBI start-up using pre-ionization described as follows: (1) the seed plasma produces sufficient beam ions immediately after beam injection, (2) the beam ions heat up electrons that promote the ionization/dissociation of the background neutrals, (3) this process acts as a positive feedback loop resulting in further electron heating towards burn-through. The 0D model analysis shows that the critical density corresponds to the state at which the electron heating by the beam ions is equal to electron power loss due to conduction and ionization/dissociation.
ここでは、非共鳴加熱条件下での低ビームパワー（PNB）におけるヘリオトロン配位のプラズマ立ち上げにおける、非共鳴2.45 GHzマイクロ波加熱（P2.45 GHz < 20 kW）を用いた予備電離の役割について報告する。非共鳴加熱によって生成されたシードプラズマ密度がプラズマ立ち上げに十分である場合、ビーム入射の初期段階において、低Z不純物のバーンスルーに向けた急速な電子加熱が実験的に観察された。バーンスルーまでのビーム加熱時間はシードプラズマ密度の低下とともに増加し、立ち上げ成功のためのシードプラズマの臨界密度条件が実験的に観察された。ビーム燃料供給は顕著ではないため、プラズマ膨張にはガス供給の適切なタイミングが重要である。本研究で開発したNBI立ち上げの0次元（0D）モデル解析は、実験結果をよく再現した。0Dモデルは、予備電離を用いたNBI立ち上げの物理的メカニズムを以下のように解明した：（1）シードプラズマがビーム入射直後に十分なビームイオンを生成する、（2）ビームイオンが電子を加熱し、背景中性粒子の電離・解離を促進する、（3）このプロセスが正のフィードバックループとして作用し、バーンスルーに向けたさらなる電子加熱をもたらす。0Dモデル解析により、臨界密度は、ビームイオンによる電子加熱が、伝導および電離・解離による電子パワー損失と釣り合う状態に対応することが示された。