For the realization of magnetic confinement fusion, the negative hydrogen ions produced by an radio frequency (RF) ICP (inductively coupled plasma) source are employed for neutralization process of the neutral beam injection system. A 3D fluid model tailored for the RF ICP source has been developed to explore the negative hydrogen ion distribution. The negative hydrogen ion source consists of the cylindrical driver containing Faraday shield (FS) and the expansion chamber equipped with permanent magnets. The study is focused on the influences of FS, pressure (0.5–2.0 Pa) and permanent magnet remanence (0–1.03 T) on the negative hydrogen ions distribution. When the FS is applied in the driver, the negative hydrogen ion density is low owing to the high electron temperature. The maximum density of the negative hydrogen ions rises monotonically and shifts to the driver with the increased gas pressure. The distribution of negative hydrogen ions is dominated by transport processes at low pressures, while the collision processes become significant at high pressures. The density of negative hydrogen ions near the plasm grid increases with the transverse magnetic filter (TMF) strength as a result of the decreased temperature of electrons. The asymmetry in the density of negative hydrogen ion is enhanced with the increased TMF strength. Our current model offers valuable insights into the behavior of negative hydrogen ions within RF ICP source, thereby advancing our comprehension of this critical component in fusion engineering.
磁場閉じ込め核融合の実現のために、高周波(RF)ICP(誘導結合プラズマ)源によって生成された負水素イオンは、中性粒子ビーム入射システムの中和過程に使用される。RF ICP源に特化した3D流体モデルが、負水素イオン分布を調査するために開発された。負水素イオン源は、ファラデーシールド(FS)を内蔵した円筒状ドライバーと、永久磁石を備えた膨張チャンバーから構成される。本研究は、FS、圧力(0.5–2.0 Pa)、および永久磁石の残留磁束密度(0–1.03 T)が負水素イオン分布に及ぼす影響に焦点を当てている。ドライバーにFSが適用されると、電子温度が高いために負水素イオン密度は低くなる。負水素イオンの最大密度は、ガス圧力の増加に伴って単調に上昇し、ドライバー側へ移動する。負水素イオンの分布は低圧力では輸送過程によって支配されるが、高圧力では衝突過程が重要になる。プラズマグリッド近傍の負水素イオン密度は、電子温度の低下の結果として、横磁場フィルター(TMF)強度とともに増加する。負水素イオン密度の非対称性は、TMF強度の増加に伴って増強される。我々の現在のモデルは、RF ICP源内の負水素イオンの挙動に関する貴重な洞察を提供し、それによって核融合工学におけるこの重要な構成要素の理解を深める。