An analysis of plasma initiation by neutral beams in the presence of a confining vacuum magnetic field is presented. Plasma startup by NBI alone was demonstrated in LHD in 1999, and since then this has become an indispensable technique for producing plasmas over a wide range of magnetic field strengths. The method is simple: injecting high power neutral beams into a thin gas target, waiting for a few hundred milliseconds until a thin `seed' plasma appears and then adding a gas puff or injecting a pellet to build up the main plasma. The mechanism of the process is considered to be as follows. A small number of fast ions created by collisions with background neutrals are confined in the magnetic field. They ionize the background neutrals and heat the thin seed plasma produced earlier. Numerical calculations based on this physical model can reproduce well the observed time evolution and input power dependence of the plasma buildup. The essential point is that its electron temperature should be high enough to ionize the neutrals added by gas puffing or pellet injection. Because the main energy loss process from this partially ionized plasma is by charge exchange of ions, the ionization degree should become high enough that the electron temperature increases. Therefore, the initial target gas density is important for building up plasma within a limited time.
中性粒子ビームによるプラズマ開始を、閉じ込め真空磁場の存在下で解析した。LHDにおいて1999年にNBI単独でのプラズマ立ち上げが実証され、それ以来この手法は広範囲の磁場強度にわたってプラズマを生成するための不可欠な技術となっている。この方法は単純である。すなわち、高パワーの中性粒子ビームを希薄なガスターダーゲットに入射し、数100ミリ秒待って薄い「シード」プラズマが生成された後、ガスパフを追加するかペレットを入射して主プラズマを構築する。この過程のメカニズムは以下のように考えられる。背景中性粒子との衝突によって生成された少数の高速イオンが磁場中に閉じ込められる。それらが背景中性粒子を電離し、先に生成された薄いシードプラズマを加熱する。この物理モデルに基づく数値計算は、プラズマ構築の時間発展と入力パワー依存性を良好に再現できる。重要な点は、その電子温度がガスパフやペレット入射によって追加された中性粒子を電離するのに十分高いことである。この部分電離プラズマからの主なエネルギー損失過程はイオンの荷電交換であるため、電離度が十分に高くなって電子温度が上昇することが必要となる。したがって、限られた時間内にプラズマを構築するためには、初期のターダーゲットガス密度が重要である。