This paper presents the basic physical and numerical principles of a fluid model implemented into numerical code FSFS2D (Fluid solver for source for the production of ions of deuterium extracted from rf plasma (SPIDER) in 2D) used for simulating the SPIDER negative ion source. It gives self-consistent 2D description of the source, including the neutral gas flow, plasma chemistry, radio-frequency (RF) coupling in the source driver and plasma transport through the magnetic filter. This paper focuses on the recent developments of the plasma model and the first simulations showing the role of the neutrals and ions temperature equations on the source performance are presented. The upgraded model is validated against SPIDER Langmuir-probe measurements and shows reasonable agreement for the axial plasma profiles. The new heavy-species temperature equations reveal strong differences between atoms, molecules, and ions, with D temperatures increasing in low-density regions near the plasma grid. The simulations provide insight into the energy exchange mechanisms between plasma species and show that only about one third of the RF power transferred to electrons is consumed by plasma-chemical reactions. Atomic deuterium and positive ions are heated mainly through chemical processes, whereas molecules and negative ions are heated predominantly by elastic collisions. Parametric studies demonstrate the sensitivity of heavy-species temperatures to RF power, gas pressure, and magnetic-filter strength.
本稿は、SPIDER負イオン源のシミュレーションに使用される数値コードFSFS2D（2次元におけるrfプラズマ（SPIDER）から抽出される重水素イオン生成源のための流体ソルバー）に実装された流体モデルの基礎的な物理的・数値的原則を提示する。このモデルは、中性ガス流、プラズマ化学、ソースドライバーにおける高周波(RF)結合、磁気フィルターを通したプラズマ輸送を含む、ソースの自己無撞着な2次元記述を与える。本稿は、プラズマモデルの最近の進展に焦点を当てており、中性粒子およびイオンの温度方程式がソース性能に及ぼす役割を示す最初のシミュレーションが提示される。改良されたモデルは、SPIDERのラングミュアプローブ測定に対して検証され、軸方向プラズマ分布について妥当な一致を示す。新しい重粒子種温度方程式は、原子、分子、イオン間の大きな差異を明らかにし、D温度はプラズマグリッド近傍の低密度領域で上昇する。シミュレーションは、プラズマ種間のエネルギー交換機構への洞察を提供し、電子に転送されたRF電力の約3分の1だけがプラズマ化学反応によって消費されることを示す。原子状重水素と正イオンは主に化学過程によって加熱されるのに対し、分子と負イオンは主に弾性衝突によって加熱される。パラメトリック研究は、重粒子種温度のRF電力、ガス圧力、磁気フィルター強度に対する感度を示す。