Linear plasma devices (LPD) utilizing a helicon plasma source, a high density light ion source, can generate impurities due to progressive erosion of the radio frequency (RF) transmission window caused by rectified sheath voltage. These source-born impurities can entrain and be transported by the plasma toward a target, affecting plasma-material interaction studies. Earlier work on material testing in Prototype-Materials Plasma Exposure eXperiment at ORNL revealed significant source impurity deposition on downstream targets. However, using a similar RF source, no target impurity deposition is observed in Plasma Interaction Surface Component Experimental Station (PISCES)-RF despite evidence of RF window erosion in the source region, thereby motivating the present work. Experimentally, using various magnetic field configurations upstream of the PISCES-RF plasma source and seeding titanium (Ti) impurities at various axial locations, impurity transport and deposition along the machine axis were investigated. It was found that Ti deposition was localized to the side of the plasma source where the Ti impurity was seeded. In contrast, aluminum (Al) deposition, originating from the sputtering of the helicon window, occurred predominantly upstream of the plasma source, suggesting an asymmetry in the axial transport of eroded RF window material. These observations suggest a stagnation of the parallel plasma flow immediately downstream of the plasma source, with impurity ions remaining unmagnetized near the source upstream. Al deposition in magnetic field-free regions in PISCES-RF indicates that sputtered Al impurities likely remained neutral due to their large ionization mean-free path under PISCES-RF conditions. Plasma modeling and simulation supported this, indicating that Al-neutrals transport toward the helicon source upstream for low electron density cases. It was found that the Larmor radius of the Al ions was greater than the plasma radius towards the source upstream and remained weakly magnetized in PISCES-RF, meaning that plasma source-born impurities are not efficiently entrained in the plasma flow. These findings provide critical insights into impurity transport in helicon plasma-based LPDs.
ヘリコン波プラズマ源（高密度軽イオン源）を利用した線形プラズマ装置（LPD）は、整流されたシース電圧による高周波（RF）透過窓の進行性侵食により、不純物を生成し得る。これらの源由来不純物は、プラズマに巻き込まれてターゲットに向かって輸送され、プラズマ材料相互作用研究に影響を及ぼす可能性がある。ORNLのPrototype-Materials Plasma Exposure eXperimentにおける材料試験に関する以前の研究では、下流のターゲット上への顕著な源不純物の堆積が明らかになった。しかしながら、同様のRF源を用いたPlasma Interaction Surface Component Experimental Station (PISCES)-RFでは、源領域におけるRF窓の侵食の証拠があるにもかかわらず、ターゲットへの不純物堆積は観察されておらず、本研究の動機となっている。実験的には、PISCES-RFプラズマ源の上流で様々な磁場配位を用い、様々な軸方向位置にチタン（Ti）不純物をシードして、装置軸に沿った不純物輸送と堆積を調査した。Ti堆積は、Ti不純物がシードされたプラズマ源の側に局在することがわかった。対照的に、ヘリコン窓のスパッタリングに由来するアルミニウム（Al）堆積は、主にプラズマ源の上流で発生し、侵食されたRF窓材料の軸方向輸送における非対称性を示唆している。これらの観察結果は、プラズマ源の直下流における平行プラズマ流の停滞を示唆しており、不純物イオンは源の上流付近で非磁化のままである。PISCES-RFにおける磁場のない領域でのAl堆積は、PISCES-RF条件下での大きな電離平均自由行程のために、スパッタされたAl不純物がおそらく中性のままであったことを示している。プラズマモデリングとシミミュレーションはこれを支持し、低電子密度の場合にはAl中性粒子がヘリコン源の上流方向に輸送されることを示した。Alイオンのラーマー半径は、源の上流方向ではプラズマ半径よりも大きく、PISCES-RFでは弱く磁化されたままであり、プラズマ源由来の不純物はプラズマ流に効率的に巻き込まれないことを意味することがわかった。これらの知見は、ヘリコン波プラズマを用いたLPDにおける不純物輸送に関する重要な洞察を提供する。