A two-dimensional fluid model of the RF ion source in NIFS test stand was established using COMSOL Multiphysics to examine the influence of the cusp magnets on plasma transport and RF power coupling. Particular attention was paid to the magnetic field intensity of the cusp magnets on driver backplane and its impact on plasma behaviour in both the driver and the extraction region. Simulation results reveal that strong magnetic confinement from the upper cusp magnets suppresses cross-field plasma transport, leading to reduced electron density near the plasma grid and less efficient RF power deposition. To explore potential optimization, a modified configuration with two smaller magnets of half the original size was investigated. This adjustment significantly enhances plasma density, increasing the peak density in the driver by nearly a factor of two. However, the enhanced plasma density is accompanied by increased spatial gradients in the extraction region, indicating that plasma uniformity is not improved under the modified magnetic configuration. These results reveal a trade-off between plasma density enhancement and spatial uniformity, arising from the interplay between magnetic confinement and plasma transport. This study provides insight into the role of cusp magnetic fields in regulating plasma generation and spatial gradients, and highlights the importance of balancing plasma density and uniformity in the optimization of RF negative ion sources.
NIFSテストスタンドにおけるRFイオン源の二次元流体モデルを、カスプ磁石がプラズマ輸送とRF電力結合に及ぼす影響を調べるために、COMSOL Multiphysicsを用いて構築した。特に、ドライバーバックプレーン上のカスプ磁石の磁場強度と、それがドライバーおよび引き出し領域の両方におけるプラズマ挙動に及ぼす影響に注目した。シミュレーション結果は、上部カスプ磁石による強い磁気閉じ込めが磁場横断プラズマ輸送を抑制し、その結果、プラズマグリッド近傍の電子密度が低下し、RF電力堆積の効率が低下することを示している。潜在的な最適化を探るため、元の半分のサイズの2つのより小さな磁石を用いた修正構成を調査した。この調整によりプラズマ密度が大幅に向上し、ドライバー内のピーク密度はほぼ2倍に増加した。しかしながら、向上したプラズマ密度は、引き出し領域における空間勾配の増大を伴っており、修正された磁気構成の下ではプラズマ均一性が改善されないことを示している。これらの結果は、磁気閉じ込めとプラズマ輸送の間の相互作用に起因する、プラズマ密度向上と空間均一性の間のトレードオフを明らかにしている。本研究は、プラズマ生成と空間勾配を調節する際のカスプ磁場の役割に関する洞察を提供し、RF負イオン源の最適化においてプラズマ密度と均一性のバランスを取ることの重要性を強調するものである。