The production of a hot plasma by the injection of streams of energetic atoms into a confining magnetic field is discussed. The experiments described are directed towards injection of 20-keV hydrogen or deuterium atoms into a magnetic mirror field. The results of some numerical calculations of the plasma growth to a steady-state in a constant magnetic field are presented, including the calculation of the spatial distribution of the trapped ions. In these calculations, the primary trapping mechanism is the ionization of beam atoms by trapped ions and electrons. Parametric values are assigned to approximate the experimentally attainable conditions. The indicated equilibrium densities are in the range of 1014/cm3, at β ≈ 1%, with typical growth times of a few seconds, if the final density is determined by ion-ion scattering into the mirror loss cone.The practical achievement of a hot plasma by this injection method depends upon maximizing the trapping rate, and minimizing the particle loss due to charge-exchange scattering. Severe requirements are therefore placed on the atomic beam intensity and the gas density in the confinement region. Some of the requirements on the build-up conditions imposed by plasma stability considerations are also discussed.Progress toward meeting the technological requirements is described. A highly collimated beam of hydrogen atoms in excess of 5 × 1017 atoms/sec at 20-keV energy has been produced. The cross-sectional area of the beam is 20 cm2 at a distance of 360 cm from the source; the half-angle divergence is less than 10 milliradians. Vacuum techniques have been developed to achieve base pressures in the 10−10 mm Hg range without extensive bakeout procedure. At the same time pumping speeds exceeding 105l/sec for hydrogen are available.A method of trapping the energetic atoms by means of a transient "cold" plasma is also discussed. This procedure greatly increases the initial plasma growth rate. The plasma density attainable depends upon the beam intensity, vacuum, and cold plasma density, the latter two being time-dependent. The generation of a suitable cold plasma is described.
閉じ込め磁場中への高エネルギー原子流の注入による高温プラズマの生成について論じる。ここで述べる実験は、20-keVの水素原子または重水素原子を磁気ミラー磁場中へ注入することを目的としたものである。一定磁場中でのプラズマの定常状態への成長に関する数値計算の結果を示し、捕捉イオンの空間分布の計算も含める。これらの計算において、主要な捕捉機構は、ビーム原子のイオンおよび電子による電離である。パラメータ値は、実験的に達成可能な条件を近似するように設定されている。示された平衡密度は1014/cm3の範囲にあり、β ≈ 1%、典型的な成長時間は数秒であり、最終密度がミラー損失コーンへのイオン-イオン散乱によって決定される場合の値である。この注入法による高温プラズマの実際的な実現は、捕捉率を最大化し、荷電交換散乱による粒子損失を最小化することに依存する。したがって、閉じ込め領域における原子ビーム強度とガス密度に対して厳しい要件が課される。プラズマ安定性の考慮によって課されるビルドアップ条件に関する要件のいくつかについても論じる。技術的要件の達成に向けた進捗状況について述べる。20-keVのエネルギーで5 × 1017原子/秒を超える高度にコリメートされた水素原子ビームが生成されている。ビームの断面積は、光源から360 cmの距離で20 cm2であり、半角発散は10ミリラジアン未満である。大規模なベークアウト手順を必要とせずに10−10 mm Hg範囲のベース圧力を達成する真空技術が開発されている。同時に、水素に対して105リットル/秒を超える排気速度が利用可能である。過渡的な「冷たい」プラズマによる高エネルギー原子の捕捉方法についても論じる。この手順により、初期プラズマ成長速度が大幅に向上する。達成可能なプラズマ密度は、ビーム強度、真空度、および冷たいプラズマ密度に依存し、後者の2つは時間依存性を持つ。適切な冷たいプラズマの生成について述べる。