The Orbitron is a compact electrostatic–magnetic confinement device that employs a radial electric field and an axial magnetic field to trap charged particles. In this study, its confinement characteristics and power balance were investigated using an ordinary differential equation-based trajectory model and two-dimensional axisymmetric particle-in-cell simulations under two representative prototype configurations. The results indicate that ions possessing initial azimuthal energy are primarily confined by the cathode-induced radial electric field gradient, whereas electrons are trapped through the cross-field (E × B) configuration formed by the coupled radial electric and axial magnetic fields. Under combined electron–ion injection, a quasi-neutral plasma is established, temporarily exceeding the conventional space-charge limit and exhibiting significantly enhanced confinement relative to single-species operation. The injected electrons further reinforce the inward-directed electric field gradient near the cathode center, effectively increasing the charge-holding capacity of the potential well. However, the plasma density remains well below fusion-relevant levels, and long-term operation is limited by field distortion and end losses. A power balance analysis further indicates that in weak-field, Coulomb collisions dominate the energy dissipation and the resulting fusion gain factor is approximately Q ≈ 0.6. In contrast, under strong-field conditions, although plasma energy and fusion power increase substantially, cyclotron radiation rapidly becomes the dominant loss channel, reducing the net gain to Q ≈ 0.134. These results demonstrate that while the Orbitron can overcome traditional space-charge limitations, insufficient plasma density and severe radiative losses remain the principal barriers to achieving net fusion gain.
オービトロンは、動径電場と軸方向磁場を利用して荷電粒子を捕捉するコンパクトな静電–磁気閉じ込め装置である。本研究では、その閉じ込め特性とパワーバランスを、常微分方程式に基づく軌道モデルと二次元軸対称パーティクルインセルシミュレーションを用いて、2つの代表的な試作構成のもとで調査した。結果は、初期方位角エネルギーを持つイオンは主に陰極誘起の動径電場勾配によって閉じ込められるのに対し、電子は動径電場と軸方向磁場の結合によって形成される交差磁場（E × B）配位を通じて捕捉されることを示している。電子・イオン同時入射下では、準中性プラズマが形成され、従来の空間電荷限界を一時的に超え、単一種類の粒子のみの場合と比較して著しく向上した閉じ込めを示す。入射電子はさらに、陰極中心近傍の内向き電場勾配を強化し、ポテンシャル井戸の電荷保持容量を効果的に増加させる。しかしながら、プラズマ密度は核融合に関連する水準をはるかに下回ったままであり、長期的な運転は電場の歪みと端部損失によって制限される。さらに、パワーバランス解析は、弱磁場条件下ではクーロン衝突がエネルギー散逸を支配し、結果として得られる核融合利得係数は約Q ≈ 0.6であることを示す。対照的に、強磁場条件下では、プラズマエネルギーと核融合出力は大幅に増加するものの、サイクロトロン放射が急速に支配的な損失経路となり、正味の利得はQ ≈ 0.134に低下する。これらの結果は、オービトロンが従来の空間電荷限界を克服できる一方で、プラズマ密度の不足と深刻な放射損失が、正味の核融合利得を達成するための主要な障壁であり続けることを実証している。