Magnetic well structures are introduced as an effective means to reduce the prompt loss of fast ions, the so-called first orbit loss from neutral beam injection (NBI), which is beneficial to tokamaks with a low magnetic field strength such as small spherical torus devices. It is found by single-particle analysis that this additional field structure can modify the gradient of the magnetic field to reduce the shift of the guiding center trajectory of the fast ion. This result is verified by a numerical calculation of following the fast ion's trajectory. We apply this concept to the Versatile Experiment Spherical Torus [1], where NBI is under design for the purpose of achieving high-performance plasma, to evaluate the effect of the magnetic well structure on NBI efficiency. A 1D NBI analysis code and the NUBEAM code are employed for detailed NBI calculations. The simulation results show that the orbit loss can be reduced by 70%–80%, thereby improving the beam efficiency twofold compared with the reference case without the well structure. The well-shaped magnetic field structure in the low-field side can significantly decrease orbit loss by broadening the non-orbit loss region and widening the range of the velocity direction, thus improving the heating efficiency. It is found that this magnetic well can also improve orbit loss during the slowing down process.
磁気井戸構造は、高速イオン損失、すなわち中性粒子ビーム入射（NBI）からのいわゆる第一軌道損失を低減する効果的な手段として導入される。これは、小型球状トーラス装置などの低磁場強度を有するトカマクにとって有益である。単一粒子解析により、この追加磁場構造が磁場勾配を修正し、高速イオンの案内中心軌道の変位を低減できることが見出された。この結果は、高速イオンの軌道追跡の数値計算によって検証される。我々はこの概念を、高性能プラズマ達成を目的としてNBIが設計中のVersatile Experiment Spherical Torus［VEST］に適用し、磁気井戸構造がNBI効率に及ぼす効果を評価する。詳細なNBI計算には、1次元NBI解析コードとNUBEAMコードが用いられる。シミュレーション結果は、磁気井戸構造のない基準ケースと比較して、軌道損失を70%～80%低減でき、ビーム効率を2倍に改善できることを示している。低磁場側の磁気井戸形状磁場構造は、損失領域を拡大し、速度方向の範囲を広げることにより、軌道損失を有意に低減できる。この磁気井戸は、減速過程における軌道損失も改善できることが見出された。