In the direct vicinity of plasma-facing surfaces, the incident plasma particles interact with surface-recombined neutrals. Remarkably high near-surface plasma pressure losses were observed in the high-flux linear plasma generator Magnum-PSI. Combining the incoherent and coherent Thomson scattering diagnostics, we directly measured particle, momentum and energy fluxes down to 3 mm from the plasma target surface. At the surface, the particle and total heat flux were also measured, using respectively an in-target Langmuir probe and thermographic methods. The near-surface momentum and energy losses scale with density, and amount to at least 50% and 20%, respectively, at ne = 8 × 1020 m−3. These losses are attributed to the efficient exchange of charge, momentum and energy between incident plasma and surface-recombined neutrals. In low-temperature plasmas with sufficient density, incident particles go through several cycles of interaction and surface deposition before leaving the plasma, thereby providing an effective alternative dissipation channel to the incident plasma. Parallel plasma parameter profiles exhibit a transition with increasing plasma density. In low-density conditions, the plasma temperature is constant and near-surface ion acceleration is observed, attributed to the ambipolar electric field. Conversely, deceleration and plasma cooling are observed in dense conditions. These results are explained by the combined effect of ion–neutral friction and electron–ion thermal equilibration in the so-called thermalized collisional pre-sheath. The energy available for ambipolar acceleration is thus reduced, as well as the upstream flow velocity. In the ITER divertor, enhanced near-surface p–n interaction is expected as well, given the overlap in plasma conditions. Including these effects in finite-element scrape-off layer models requires a near-surface resolution smaller than the neutral mean free path. This amounts to 1 mm in Magnum-PSI, and possibly an order of magnitude smaller in ITER.
プラズマ対向表面の直接近傍では、入射プラズマ粒子が表面で再結合した中性粒子と相互作用する。高フラックス線形プラズマ発生装置Magnum-PSIにおいて、著しく高い表面近傍プラズマ圧力損失が観測された。非干渉性および干渉性トムソン散乱診断を組み合わせることで、プラズマターゲット表面から3 mmまでの粒子、運動量、エネルギー束を直接測定した。表面では、粒子束と総熱流束もそれぞれターゲット内ラングミュアプローブとサーモグラフィ法を用いて測定した。表面近傍の運動量およびエネルギー損失は密度に比例し、ne = 8 × 10²⁰ m⁻³においてそれぞれ少なくとも50%および20%に達する。これらの損失は、入射プラズマと表面再結合中性粒子との間の電荷、運動量、エネルギーの効率的な交換に起因する。十分な密度を有する低温プラズマでは、入射粒子はプラズマから離脱する前に数回の相互作用と表面堆積のサイクルを経るため、入射プラズマに対する効果的な代替散逸チャネルを提供する。平行方向のプラズマパラメータ分布は、プラズマ密度の増加に伴う遷移を示す。低密度条件では、プラズマ温度は一定であり、両極性電場に起因する表面近傍のイオン加速が観測される。対照的に、高密度条件では減速とプラズマ冷却が観測される。これらの結果は、いわゆる熱化衝突前シースにおけるイオン-中性粒子摩擦と電子-イオン熱平衡化の複合効果によって説明される。したがって、両極性加速に利用可能なエネルギーは減少し、上流の流速も減少する。ITERダイバータにおいても、プラズマ条件の重複を考慮すると、表面近傍のp-n相互作用の増強が予想される。これらの効果を有限要素スクレイプオフ層モデルに組み込むには、中性粒子平均自由行程よりも小さい表面近傍分解能が必要である。これはMagnum-PSIでは1 mmに相当し、ITERではおそらく一桁小さい値となる。