This work investigates the evolution of dense tin vapor/plasma structures generated during divertor-relevant high heat flux irradiation of a liquid tin capillary porous system target in the OLMAT facility. The target was exposed to 125 ms hydrogen particle beam pulses (effective heat fluxes ∼33 MW m−2). The near-surface plasma was diagnosed using an embedded Langmuir probe and optical emission spectroscopy, while the target thermal response was monitored by infrared pyrometry. The addition of transient type-I edge localized modes-like 2 ms laser loads (∼500 MW m−2 heat flux) enabled access to previously unexplored plasma/liquid-metal boundary conditions at a quasi-stationary target-temperature plateau near 1775 ± 100 K. The generated, nearly pure Sn plasmoid was characterized up to target temperatures of ∼1700 K, corresponding to peak Sn+ densities ∼2 × 1020 m−3. The measured density increase is qualitatively consistent with the strong exponential rise of the evaporative Sn neutral source. However, the plasma evolution cannot be explained solely by vapor production. A simple Sn+ ionization-efficiency analysis reveals a progressive decrease above target temperatures of ∼1500 K despite electron temperatures remaining within 2–5 eV. Simultaneously, the radial expansion velocity decreases while the characteristic plasma size saturates, suggesting an increasing influence of collisional processes. A phenomenological Sn–Sn+ collisionality parameter was introduced by comparing inferred plasma length scales with ion-neutral mean free paths (Langevin-type collision model estimates). Although affected by significant uncertainty, collisionality increases by more than two orders of magnitude over the target temperature range driven by the strong rise in neutral tin density. Ion-neutral collision times also become substantially shorter than characteristic plasma expansion times against the particle beam. The inferred onset of moderate and strong collisionality occurs within the same target-temperature and plasma-density range associated with heat-flux mitigation at the target surface. These observations are qualitatively consistent with a power exhaust transition toward a dissipative, collisional vapor-plasma regime.
本研究は、OLMAT施設において液体スズ毛細管多孔質システムターゲットへのダイバータ関連の高熱流束照射中に生成される、高密度スズ蒸気/プラズマ構造の進化を調査するものである。ターゲットは125 msの水素粒子ビームパルス（実効熱流束∼33 MW m−2）に曝露された。近表面プラズマは埋め込みラングミュアプローブと発光分光法により診断され、ターゲットの熱応答は赤外線高温測定法により監視された。過渡的type-I ELM様の2 msレーザー負荷（∼500 MW m−2熱流束）の追加により、準定常ターゲット温度プラトー（1775 ± 100 K付近）における、これまで未探索のプラズマ/液体金属境界条件へのアクセスが可能となった。生成されたほぼ純粋なSnプラズモイドは、ターゲット温度∼1700 Kまで特徴づけられ、ピークSn+密度は∼2 × 10^20 m−3に相当した。測定された密度増加は、蒸発性Sn中性粒子源の強い指数関数的上昇と定性的に一致する。しかし、プラズマの進化は蒸気生成のみでは説明できない。単純なSn+電離効率解析により、電子温度が2〜5 eVに留まっているにもかかわらず、ターゲット温度∼1500 K以上で電離効率が漸減することが明らかになった。同時に、半径方向の膨張速度は減少し、特徴的なプラズマサイズは飽和する。これは、衝突過程の影響が増大していることを示唆する。現象論的なSn–Sn+衝突パラメータは、推定されたプラズマ長さスケールとイオン-中性粒子平均自由行程（Langevin型衝突モデルの推定）を比較することにより導入された。大きな不確実性の影響を受けるものの、衝突度は、中性スズ密度の強い上昇により、ターゲット温度範囲にわたって2桁以上増加する。イオン-中性粒子衝突時間も、粒子ビームに対する特徴的なプラズマ膨張時間よりも大幅に短くなる。中程度および強い衝突度の発現開始は、ターゲット表面での熱流束緩和に関連するターゲット温度およびプラズマ密度範囲と同じ範囲内で生じる。これらの観測結果は、散逸的で衝突性の蒸気-プラズマ領域へのパワー排気遷移と定性的に一致する。