The Prototype Material Plasma Exposure eXperiment (Proto-MPEX) is a linear plasma device located at Oak Ridge National Laboratory to develop the plasma source concept for the Materials Plasma Exposure eXperiment (MPEX). Recent experiments have demonstrated the heating of electrons in a high-density deuterium plasma () via electron Bernstein waves and source plasma production via helicon waves in this linear configuration. Moreover, experimental observations suggest that the magnetic ripple adversely affects the parallel transport of the heated electrons toward the target where material samples are to be exposed to the plasma. To understand the transport process during microwave application, a test-particle Monte-Carlo (MC) code has been developed that incorporates the effects of Coulomb collisions, magnetic mirror adiabatic trapping and electron cyclotron interaction via a quasilinear RF heating operator. MC calculations indicate that the absence of 2nd turning points along the trajectory of cyclotron heated electrons significantly reduces adiabatic trapping and maximizes power transport to the Target surface. Thermalization of cyclotron heating electrons is analyzed with the MC code and it is found that for conditions relevant to Proto-MPEX, a significant fraction of the absorbed heating power is coupled to the Target surface via ballistic fast electrons; however, under certain conditions, up to 60% of the absorbed RF power can be dissipated via thermalization of the fast electrons on the background plasma. Results are compared with experimental measurements. Finally, the implications of the results are discussed in the context of the upcoming MPEX device.
Prototype Material Plasma Exposure eXperiment（Proto-MPEX）は、Materials Plasma Exposure eXperiment（MPEX）のプラズマ源概念を開発するためにオークリッジ国立研究所に設置された線形プラズマ装置である。最近の実験では、この線形配列において、高密度重水素プラズマ（）中の電子の加熱が電子バーンスタイン波を介して実証され、また、プラズマ源の生成がヘリコン波を介して実証された。さらに、実験的観察により、磁気リップルが、材料サンプルがプラズマに曝露されるターゲットに向かう加熱電子の平行輸送に悪影響を及ぼすことが示唆されている。マイクロ波印加中の輸送過程を理解するために、クーロン衝突、磁気ミラー断熱捕捉、および準線形RF加熱演算子を介した電子サイクロトロン相互作用の効果を組み込んだテスト粒子モンテカルロ（MC）コードが開発された。MC計算により、サイクロトロン加熱された電子の軌道に沿った第2の転回点が存在しないことが、断熱捕捉を有意に低減し、ターゲット表面への電力輸送を最大化することが示された。サイクロトロン加熱電子の熱化がMCコードを用いて解析され、Proto-MPEXに関連する条件下では、吸収された加熱電力の有意な割合が弾道的高速電子を介してターゲット表面に結合される一方、特定の条件下では、吸収されたRF電力の最大60%が背景プラズマ上での高速電子の熱化を介して散逸され得ることが見出された。結果は実験測定値と比較される。最後に、今後のMPEX装置の文脈における結果の含意について考察する。