2020-sala

Simulations of Argon plasmas in the linear plasma device GyM with the SOLPS- ITER code

---

Abstract

• 1. 线性装置play a pivotal role in PMI 研究
• 2. 两点模型进行分析
• 3. sole exception of the simulation neutrals pressure
• 4. standalone simulation EIRENE
• 5. highlighting the role of neutral-neutral elastic collision

---

Introduction

• 1. 中性原子和分子出现在边界等离子体由于从plasma facing materials（PFMs）和注入目的的再循环
• 2. 不包括自洽湍流
• 3. 偏滤器的封闭性，和Ne和N注入的影响。
• 4. numerically simulate plasmas in linear plasma devices（LPDs）
• 5. plasma-material interaction（PMI）
• 6. kastelewicz first SOLPS4.0

展示了线性装置的计算网格

• 7. refs14预测了主等离子体参数
• 8. SOLPS5.0~MAGPIE&PROTOT-MPEX(射频加热)
• 9. SOL-EDGE 应用到POLOT-PSI理解不同的原子物理模型
• 10. refs20 研究抽气和进行输运系数的研究，输运和原子过程重要性分析
• 11. 基于两点模型[21,22]
• 12. 平均场输运（柱形几何结构）

---

• 13. 本工作，基于SOLPS-ITER中使用Ar对LPDs 的PMI模拟研究
• 14. 研究等离子体湍流和基本物理
• 15. to the best of our knowledge
• 16. refs35,36 Ar杂质起功率耗散的目的
• 17. LPDs中Ar作为主等离子体refs in [37,38]
• 18. EIRENE standalone simulations are presented

---

The numerical model

SOLPS-ITER modeling of LPDs

• 1. B2.5计算流体方程（连续性方程：计算平均密度，电子和离子温度，离子动量和电流密度）
• 2. 把背景等离子体传递给EIRENE，计算中性轨迹
• 3. EIRENE与背景等离子体的交互计算。和对应的源项传递给B2.5的方程
• 4. 运动参考系转化为几何参考系
• 5. ez为环向

• 6. 三个度量系数hx，hy，hz。x-coordinate varies along the flux surfaces,y- coordinate is perpendicular to them

     
     image.png
• 7. 
     
     
• 8. 导致几个方程项的消除，这些项可能和drift相关

---

the B2.5 equation for Ar plasma in LPDs

• 1. 最新的SOLPS基于Zhdanov 公式
• 2. 等离子体由"",离子连续性方程
     image.png

• 3. 在径向，输运主导离子的速度的y分量

     
     image.png
• 4. 假设电流都是通过电子携带的
• 5. 电子电子密度通过准中性条件计算（任何地方斗鱼相同）
• 6. 离子的平行速度通过计算平行离子动量方程获得
     image.png
• 7. 电子的能量平衡方程为：

---

GyM 介绍

• 1. 腔室为柱形不锈钢真空室（0.25mD, 2.11mL，10coils）
• 2. 射频源（3kw and 1.5kw）

• 3. LP， 喷气口，低温pump

     
     image.png

• 4. Ar的等离子体参数

     
     image.png

• 5. 磁场的计算 grad-shafranov方程：

     
     image.png

• 6. LPD和外部线圈电流相比可以忽略等离子电流

     
     image.png

• 7. ECR(电子回旋共振分布)

     
     image.png
• 8. 等离子体参数通过LP获得（）

---

Simulation setup

• 1. north boundary~ outermost surface
• 2. 假设沿着x轴度对称（axial）
• 3. 抽气albedo
• 4. puffing inside the west boundary（transparent surface）

• 5. 网格及主要装置位置

     
     image.png
• 6. 极向输运基本被湍流主导，不能通过SOLPS自洽模拟。
• 7. 输运系数作为只有参数，调整以匹配实验剖面
• 8. RF源作为是额外的用户指定的，电子能量方程项

• 9. 假设功率在径向为常数，在轴向为高斯分布

     
     image.png

• 10. 本文研究抽气、径向输运系数的影响以及外部功率的影响

      
      image.png
• 11. 置于靶板位置的边界条件，社会之为标准的bohm sheath 边界
• 12. 在对称轴，我们假设所有的等离子参数消失。
• 13. 对于north boundary，使用衰减长度描述等离子体参数
      
• 14. 对于平行动量流：假设平行动量流消失

---

度密度：, 和装置匹配的平均自由程于和装置特征长度相当，不满足高碰撞限制条件

• 15. 需要考虑平行输运系数的动态修正
• 16. 通过对电子和离子添加流限制实现。
• 17. 电子和离子的流限制设置为0.15
• 18. 粘滞和超热电子系数和摩擦力流限制设置为0.5
• 19. 不同的流限制被评估，发现他们的影响可以忽略
• 20. 模拟的反应
      image.png
      由于低温（below 8eV）低密度（below ）高价Ar不能被电离
• 21. 测试了的贡献，发现

---

Results and discussion

B2.5+EIRENE

• 1. PUMP effective

     
     image.png
• 2. 电子密度为单调函数，峰值出现在装置轴心，朝真空壁缓慢降低。
• 3. 电子温度和等离子体电势，显示出相同的剖面：峰值出现在vessel的边界
• 4. 电子温度分布表明，电子温度受到电子功率分布的强烈影响 refs in 【16】
• 5. 假设功率分布，径向参数，轴向高斯
• 6. 为证明芯部功率密度决定，发现径向高斯，峰值出现在轴心，温度剖面随R线性减小
• 7. 极向双极扩散
     
• 8. 抽气对模拟剖面的影响非常大
• 9. 低抽气率，导致高的中性密度，进而导致RF吸收的能量迅速电离，导致电子密度的增加。同时，粒子温度也提高，因为离子不是直接被RF加热，而是通过电子-离子碰撞加热的
• 10. 输运系数主要影响径向剖面 ，更大的输运系数，导致根平的剖面
• 11. 高输运系数，导致对应大量的径向粒子移除，导致更低的密度，更高的温度
• 12. 外部功率的影响

800W?? OR 800kW

• 13. 输入功率显著影响电子密度，对等离子体电势和温度的影响较小
• 14. 固定的中性数量，更多的电子ECR加热功率，过度的电子能量会在与Ar原子的碰撞中有效的耗散，导致Ar原子电离。（这与GyM一致，因为电离度相当低）

---

two-point analysis of the simulation results

• 1. 使用每一个flux tube 所有稳态价态密度和电子温度守恒方程（在轴向）
• 2. west target 作为上游，east target作为下游。
• 3. 连续性方程最强的源项是Ar原子电子电离产生的
• 4. 电离收到外部输入吸收功率的强烈影响。

• 5. 密度和压强梯度扩散作为负的源。不考虑复合（case中可忽略）

     
     image.png

image.png

• 6. Ar+项的导致辐射损失显著增加不包括更高价态的电离

---

comparison with experimental results

• 1. 线圈电流为600A
• 2. gas puff 1sccm

• 3. RF 1800W

     
     image.png
• 4. 未考虑ECR 的模拟细节，计划采用更进行的LP
• 5. 获得中性压2.78e-6相比实验（54.6e-6mbar）被严重低估

---

EIRENE standalone simulations

• 1. 为进一步研究压力差异，固定再循环系数，进行EIRENE alone模拟
• 2. 固定RECYCT=0.99682 变化喷气率为0.2~5sccm ()
• 3. 差异的原因，eirene model没有包含中性-中性碰撞
• 4. Ar-Ar 弹性碰撞被包含，通过BGK近似

---

Conclusions

• 1. 不含类H的物理模型，是不完整的，需要进一步的研究。
• 2. Ar 输运的模拟恢复的背景等离子体会作为ERO2.0的输出