The demand for a predictive tool to help in designing ion-cyclotron radio frequency (ICRF) antenna systems for today's fusion experiments has driven the development of codes such as ICANT, RANT3D, and the early development of TOPICA (TOrino Polytechnic Ion Cyclotron Antenna) code. This paper describes the substantive evolution of TOPICA formulation and implementation that presently allow it to handle the actual geometry of ICRF antennas (with curved, solid straps, a general-shape housing, Faraday screen, etc) as well as an accurate plasma description, accounting for density and temperature profiles and finite Larmor radius effects. The antenna is assumed to be housed in a recess-like enclosure. Both goals have been attained by formally separating the problem into two parts: the vacuum region around the antenna and the plasma region inside the toroidal chamber. Field continuity and boundary conditions allow formulating of a set of two coupled integral equations for the unknown equivalent (current) sources; then the equations are reduced to a linear system by a method of moments solution scheme employing 2D finite elements defined over a 3D non-planar surface triangular-cell mesh. In the vacuum region calculations are done in the spatial (configuration) domain, whereas in the plasma region a spectral (wavenumber) representation of fields and currents is adopted, thus permitting a description of the plasma by a surface impedance matrix. Owing to this approach, any plasma model can be used in principle, and at present the FELICE code has been employed. The natural outcomes of TOPICA are the induced currents on the conductors (antenna, housing, etc) and the electric field in front of the plasma, whence the antenna circuit parameters (impedance/scattering matrices), the radiated power and the fields (at locations other than the chamber aperture) are then obtained. An accurate model of the feeding coaxial lines is also included. The theoretical model and its TOPICA implementation have been fully validated against measured data both in vacuo and in plasma-facing conditions for real-life structures.
今日の核融合実験におけるイオンサイクロトロン周波数（ICRF）アンテナシステムの設計を支援する予測ツールへの要求により、ICANT、RANT3D、およびTOPICA（トリノ工科大学イオンサイクロトロンアンテナコード）の初期開発などのコードが開発されてきた。本論文では、現在ではICRFアンテナの実際の形状（湾曲した固体ストラップ、一般的な形状のハウジング、ファラデーシールドなど）を扱うことができるTOPICAの定式化と実装の実質的な進化について述べる。また、密度・温度プロファイルと有限ラーマー半径効果を考慮した正確なプラズマ記述についても述べる。アンテナは凹型の囲いの中に設置されていると仮定される。両方の目標は、問題をアンテナ周辺の真空領域とトロイダルチャンバー内部のプラズマ領域の2つに形式的に分離することによって達成された。場の連続性と境界条件により、未知の等価（電流）源に対する2つの連成積分方程式の定式化が可能となり、その後、3次元の非平面曲面三角形メッシュ上で定義された2次元有限要素を用いたモーメント法（MoM）解法スキームによって、これらの方程式は線形システムに簡約される。真空領域の計算は空間（構成）領域で行われる一方、プラズマ領域では場と電流のスペクトル（波数）表現が採用され、これにより表面インピーダンス行列によるプラズマの記述が可能となる。このアプローチにより、原理的には任意のプラズマモデルを使用でき、現在はFELICEコードが採用されている。TOPICAの自然な出力は、導体（アンテナ、ハウジングなど）上の誘導電流とプラズマ前面の電界であり、そこからアンテナ回路パラメータ（インピーダンス/散乱行列）、放射電力、およびチャンバー開口部以外の位置での場が得られる。給電同軸線路の正確なモデルも含まれている。理論モデルとそのTOPICA実装は、実機構造物に対する真空条件下およびプラズマ対向条件下の両方の測定データに対して完全に検証されている。