This work investigates plasma asymmetry and transport in ROBIN (the RF operated beam source in India for negative ions) using a 2D-3 V massively parallel particle-in-cell Monte Carlo collision (PIC-MCC) model, with particular emphasis on the influence of boundary walls under experimentally relevant operating conditions. Simulations are performed using a massively parallel PIC-MCC code, GICS-PIC, capable of running on a high performance computing cluster with thousands of cores. Strip like structures are observed in simulations both with and without walls, originating as a consequence of density and temperature gradients coupled with E × B drift dynamics. The inclusion of walls in the simulations leads to asymmetric plasma density profiles and structural features near the extraction plane, in agreement with experimental observations. Periodic boundary conditions (without walls) yield non-Maxwellian ion energy distribution functions (IEDFs), whereas the presence of walls produces more Maxwellian like IEDFs and induces top-bottom asymmetries. High fidelity simulations demand the use of realistic device dimensions and plasma densities, which makes the computations prohibitively expensive. Therefore, a systematic study has been conducted to examine the effect of the scale factor on the electron–ion friction force, highlighting the trade-off between physical accuracy and computational cost. Finally, the performance of the parallel PIC code has been analyzed on thousands of cores, and key results, insights, and recommendations are reported.
本研究は、ROBIN（インドにおける負イオン用RF駆動ビーム源）におけるプラズマの非対称性と輸送を、2D-3Vの大規模並列粒子セル・モンテカルロ衝突（PIC-MCC）モデルを用いて調査するものであり、実験的に関連する動作条件下での境界壁の影響に特に重点を置いている。シミュレーションは、数千コアを備えた高性能計算クラスター上で動作可能な大規模並列PIC-MCCコードであるGICS-PICを用いて実行される。ストリップ状の構造は、壁がある場合とない場合の両方のシミュレーションで観察され、密度勾配と温度勾配がE×Bドリフト力学と結合した結果として生じる。シミュレーションにおける壁の導入は、抽出面近傍の非対称なプラズマ密度分布と構造的特徴をもたらし、実験観察と一致する。周期的境界条件（壁なし）は非マクスウェル型のイオンエネルギー分布関数（IEDF）をもたらすのに対し、壁の存在はよりマクスウェル型に近いIEDFを生成し、上下の非対称性を誘起する。高忠実度シミミュレーションは現実的な装置寸法とプらズマ密度の使用を必要とし、そのため計算コストが法外に高くなる。そこんで、スケールファクターが電子-イオン摩察力に及ぼす影響を調るための系統的研ン究が実施さされ、物理的精度と計算コストの間のトレードオフが強調さている。最後に、並列PICコードの性能が数千コア上で分析さされ、主要な結果、洞イン察、および推奨事項が報告される。