A new approximate method to modeling of two-ion-species plasmas with arbitrary concentration of impurity is developed. It based on the usage of equations for the electron density and the ratio of the ion species densities as new dependent variables. In contrast to motion equations for the ion mass velocities used normally, those for the new variables have a singularity at the Debye sheath only, as in the case of a one species plasma. Computations for the most critical situations of weak and intermediate friction between species due to Coulomb collisions reproduce nearly perfectly the results got by solving the original equations, however within a calculation time reduced by a factor of 102–103. In the case of strong friction, where ions' velocities are very close each other, the normal procedure does not converge at all, but the new one, being precise in this limit, operates very reliably. Calculations are done for conditions typical in the linear device PSI-2, with deuterium plasmas seeded by neon impurity. For fixed electron and ion temperatures a critical density of impurity atoms is found, at which the electron density grows without limits. Such a catastrophic behavior does not occur if the electron and ion heat balances are taken into account to calculate the temperature profiles self-consistently.
新しいモデリング手法として、不純物を任意の濃度で含む二種イオンプラズマに対する近似手法を開発した。この手法は、電子密度とイオン種密度比を新たな従属変数として用いる方程式に基づいている。通常用いられるイオン質量速度の運動方程式とは対照的に、新しい変数に対する方程式は、単一種イオンプラズマの場合と同様に、デバイシースにおいてのみ特異性を持つ。種間の摩擦が弱い場合から中間的な場合までの最も重要な状況に対する計算では、元の方程式を解いた結果とほぼ完全に一致する結果が得られるが、計算時間は10^2〜10^3倍短縮される。イオンの速度が互いに非常に近い強い摩擦の場合、通常の手法は全く収束しないが、新しい手法はこの極限においても正確であり、非常に高い信頼性で動作する。計算は、ネオン不純物を混入した重水素プラズマを用いて、線形装置PSI-2に典型的な条件で実施された。電子温度とイオン温度を固定した場合、電子密度が無限に増大する臨界不純物密度が存在することが見出された。このような破壊的な挙動は、電子とイオンの熱バランスを考慮して温度プロファイルを自己無撞着に計算した場合には発生しない。