In several experiments on a magnetically confined plasma and under certain conditions of a fusion reactor in stationary operation, neutral gas will be present in the regions surrounding the plasma. The inflow of neutrals and the outflow of plasma by diffusion or free streaming is studied in this paper, both for closed and open-ended systems: In a closed bottle neutral gas will not be able to penetrate through the cool boundary layers into the hot core of a high-density plasma. At plasma densities above 1021 m−3 the energy losses from interaction with the neutrals become negligible compared to the thermonuclear power production, but not at densities below 1019 m−3. This is due to the fact that the penetration depth of the neutrals depends on the ionization rate and becomes about 10−3 and 0.1 m at the densities 1021and 1019 m−3. Further, the neutral gas inflow will be delayed by diffusion through a cool boundary region of sufficiently high density. In stationary operation the plasma density will be determined by the magnetic field strength and the density of the surrounding neutral gas. A condition for stable heat balance in a boundary region of finite thickness is deduced in this paper. As an alternative to a fusion device where the plasma is surrounded by an ultra-high vacuum region, it is therefore possible to surround a high-density plasma by a neutral gas blanket. The latter should be dense enough for released wall impurities to diffuse only slowly towards the plasma boundary. With a superimposed stream of neutral gas along the plasma boundary, the impurities can then be removed before reaching the plasma. In an open-ended system, thin layers of neutral gas are formed by plasma particles which escape along the magnetic field and recombine at the end walls. The theory agrees with measurements of the density of a fully ionized plasma as a function of the applied magnetic field and the density of the surrounding neutral gas. It also suggests that Bohm diffusion has not been present in earlier experiments with rotating plasmas where the density was found to decay at a very slow rate during free-wheeling.
磁場閉じ込めプラズマに関するいくつかの実験において、また定常運転中の核融合炉のある条件下では、プラズマを取り囲む領域に中性ガスが存在する。本論文では、閉鎖系と開放端系の両方について、中性粒子の流入と、拡散またはフリーストリーミングによるプラズマの流出を研究する。閉じた容器内では、中性ガスは冷たい境界層を通って高密度プラズマの高温中心部へ浸透することができない。プラズマ密度が10²¹ m⁻³以上では、中性粒子との相互作用によるエネルギー損失は熱核出力生成と比較して無視できるようになるが、10¹⁹ m⁻³以下の密度ではそうではない。これは、中性粒子の浸透深さが電離率に依存し、密度10²¹および10¹⁹ m⁻³においてそれぞれ約10⁻³ mおよび0.1 mになるためである。さらに、中性ガスの流入は、十分に高い密度の冷たい境界領域を通過する拡散によって遅延される。定常運転では、プラズマ密度は磁場強度と周囲の中性ガス密度によって決定される。有限の厚さを有する境界領域における安定な熱バランスのための条件が、本論文において導出される。したがって、プラズマが超高真空領域によって取り囲まれる核融合装置の代替として、高密度プラズマを中性ガスブランケットで取り囲むことが可能である。後者は、放出された壁の不純物がプラズマ境界に向かってゆっくりとしか拡散しないように、十分に高密度であるべきである。プラズマ境界に沿って重ね合わせられた中性ガスの流れにより、不純物はプラズマに到達する前に除去され得る。開放端系では、磁場に沿って逃げ出し端壁で再結合するプラズマ粒子によって、中性ガスの薄い層が形成される。この理論は、印加磁場および周囲の中性ガス密度の関数としての完全電離プラズマの密度の測定結果と一致する。また、この理論は、フリーホイーリング中に密度が非常に遅い速度で減衰することが見られた回転プラズマを用いた初期の実験において、ボーム拡散が存在していなかったことを示唆する。