The principal objective of this work is to report on the power coupled to a tungsten target in the prototype-material plasma exposure experiment device during oblique injection of a microwave beam (<70 kW at 28 GHz) into a high-power (∼100 kW at 13.56 MHz) over-dense () deuterium helicon plasma column. The experimental setup, electron heating system, electron heating scheme, and IR thermographic diagnostic for quantifying the power transport is described in detail. It is demonstrated that the power transported to the target can be effectively controlled by adjusting the magnetic field profile. Using this method, heat fluxes up to 22 MW m−2 and power transport efficiencies in the range of 17%–20% have been achieved using 70 kW of microwave power. It is observed that most of the heat flux is confined to a narrow region at the plasma periphery. Ray-tracing calculations are presented which indicate that the power is coupled to the plasma electrons via an O-X-B mode conversion process. Calculations indicate that the microwave power is absorbed in a single pass at the plasma periphery via collisions and in the over-dense region via 2nd harmonic cyclotron resonance of the electron Bernstein wave. The impact of these results is discussed in the context of MPEX.
本論文の主目的は、プロトタイプ材料プラズマ曝露実験装置において、高パワー（約100 kW、13.56 MHz）の過密重水素ヘリコンプラズマ柱へのマイクロ波ビーム（28 GHz、70 kW未満）の斜め入射時における、ターゲットへの結合電力を報告することである。実験装置構成、電子加熱システム、電子加熱スキーム、および電力輸送を定量化するための赤外線サーモグラフィ診断法について詳細に記述する。磁場プロファイルを調整することにより、ターゲットに輸送される電力を効果的に制御できることを実証する。この手法を用いることで、70 kWのマイクロ波電力により、最大22 MW m⁻²の熱流束と17%～20%の電力輸送効率が達成された。熱流束の大部分がプラズマ周辺部の狭い領域に閉じ込められることが観測された。電力がO-Xモード変換過程を介してプラズマ電子に結合されることを示すレイトレーシング計算を提示する。計算により、マイクロ波電力は周辺部での衝突過程および過密領域での電子バーンスタイン波の第2高調波サイクロトロン共鳴によって単一通過で吸収されることが示される。これらの結果のMPEXにおける意義について考察する。