用于负离子源研究的基于永磁环螺旋波等离子体源中的氢等离子体表征

开发了单驱动器的 HELicon Experiment for Negative ion source（HELEN-I）以聚焦于负氢离子的产生。在螺旋波加热等离子体中，可在下游区域获得极高等离子体密度（$\sim10^{19} m^{-3}$），电子温度低至 $\sim$1 eV。这些条件有利于负氢离子的产生。在 IPR 的 HELEN-I 装置中，使用氢气在由永磁环产生的发散磁场中产生螺旋波等离子体。将 13.56 MHz 频率下 800-1000W 的 RF 功率（$P_{RF}$）施加于 Nagoya-III 天线以激发等离子体中的 m = 1 螺旋波模式。等离子体由膨胀室中的多尖头磁场位形约束。在驱动区等离子体密度 $\sim 10^{18} m^{-3}$、电子温度 $\sim$ 5 eV 以及膨胀体积中 $\sim$ 1eV 附近，于 $P_{RF}$ 700W 处观察到从感应耦合模式到螺旋波模式的转变。膨胀室中的线积分负氢离子密度通过使用 $H_\alpha/H_\beta$ 比的光发射光谱（OES）诊断技术和基于激光光 detachment 的腔衰荡光谱（CRDS）诊断技术测量。在 6 mTorr 压强下测得的负氢离子密度数量为级 $10^{16} m^{-3}$，且在螺旋波模式、压强和下游轴向磁场变化下随功率无显著变化。负离子密度测量值与使用粒子平衡法考虑负责负氢离子产生和销毁的不同反应速率理论估算值进行比较。需注意，目前等离子体放电中未注入铯（Cs）以增强 $H^-$ 离子密度。