Ion cyclotron resonance heating (ICRH) is of considerable interest among all auxiliary heating techniques, because it transfers power directly to ions, targets the high-density core, and involves the cheapest radio-frequency (RF) components. During ICRH operation, RF sheaths form on the ICRH antenna itself, nearby hardware, and far-field surfaces. These sheaths are associated with large hot-spot formation and impurity emissions. This work presents high-resolution numerical modelling of RF sheaths in nuclear fusion scenarios using hPIC2, a Debye-scale particle-in-cell code. The modelling reveals a new RF sheath phenomenon which occurs when the RF is resonant with a species ion cyclotron frequency or harmonic in an oblique magnetic field. This resonance of the RF sheath causes modifications of the energy-angle distributions of the ions impacting on the walls, with consequent increase in wall impurity emission. Due to the scaling of the magnetic field in a tokamak, such cases are possible on divertor or vacuum chamber surfaces, depending on the geometry of the tokamak and the RF heating scenario. A simple physics interpretation using a driven damped harmonic oscillator is proposed, where the ion sheath transit time plays the role of damping the RF sheath admittance. Critically, the resonance leads to increased ion heat flux at the wall as well as increased physical sputtering, despite a lack of increase in RF rectified sheath potential.
イオンサイクロトロン共鳴加熱(ICRH)は、すべての補助加熱技術の中でかなりの関心を集めている。なぜなら、それはイオンに直接電力を伝達し、高密度の炉心を対象とし、最も安価な高周波(RF)部品を伴うからである。ICRH運転中、RFシースはICRHアンテナ自体、近傍のハードウェア、および遠方場の表面に形成される。これらのシースは、大きなホットスポット形成および不純物放出と関連している。本稿では、デバイ長スケールの粒子インセルコードであるhPIC2を用いた、核融合シナリオにおけるRFシースの高分解能数値モデリングを提示する。このモデリングにより、斜め磁場中でRFがある粒子種のイオンサイクロトロン周波数または高調波と共鳴するときに生じる、新しいRFシース現象が明らかになる。このRFシースの共鳴は、壁に衝突するイオンのエネルギー-角度分布を変化させ、その結果として壁からの不純物放出を増加させる。トカマクにおける磁場のスケーリングにより、そのようなケースは、トカマクの幾何形状とRF加熱シナリオに応じて、ダイバータ表面または真空容器表面で起こり得る。駆動減衰調和振動子を用いた単純な物理的解釈が提案され、ここではイオンシース通過時間がRFシースアドミタンスの減衰の役割を果たす。重要なことに、RF整流シース電位の増加がないにもかかわらず、共鳴は壁でのイオン熱流束の増加と物理スパッタリングの増加をもたらす。