The ITER NBI is based on negative hydrogen ions extracted from caesiated ion sources. The 3D particle-in-cell Monte Carlo collision code Orsay negative ion extraction (ONIX) models the beamlet formation of negative ions in such sources where surface production plays an important role. A coupling scheme between ONIX and the ion-optics code ion beam simulator (IBSimu) has been developed and compared to other particle simulation approaches. This extends the computational domain such that the complete grid system can be included while only marginally increasing the computational cost. The properties of the accelerated ONIX beamlet are studied and compared to standalone IBSimu calculations, which are based on a simplified plasma model. The comparison provides insight about the effect of approximations made in ion-optics codes, which were also used to design the ITER NBI grid systems. ONIX volume and surface produced negative ions have a different angular distribution in the accelerated beamlet. The ONIX volume produced particles have a similar core divergence compared to standalone IBSimu calculations, but there is more halo in the IBSimu angular distribution. In the ONIX simulations, a Debye sheath is formed between the plasma and the grid, which repels negatively charged particles. The sheath decreases the extracted current density at the edge of the aperture for volume produced ions. Contrarily, surface produced particles are directly extracted near the edge of the aperture. Particles extracted near the edge of the aperture are highly divergent at the end of the grid system, independent of their initial angle. To summarize, the presence of the plasma sheath around the apertures in the plasma grid as calculated by ONIX decreases the halo from volume produced particles compared to standalone IBSimu.
ITER NBIは、セシウム添加イオン源から引き出される負水素イオンに基づいている。3次元粒子セル・モンテカルロ衝突コードONIXは、表面生成が重要な役割を果たすこのようなイオン源における負水素イオンのビームレット形成をモデル化する。ONIXとイオン光学コードIBSimuの間の結合スキームが開発され、他の粒子シミュレーション手法と比較された。これにより、計算コストをわずかに増加させるだけで、完全なグリッドシステムを含むように計算領域が拡張される。加速されたONIXビームレットの特性が研究され、簡略化されたプラズマモデルに基づくスタンドアロンのIBSimu計算と比較された。この比較は、ITER NBIグリッドシステムの設計にも使用されたイオン光学コードで行われた近似の影響についての洞察を提供する。ONIXの体積生成および表面生成の負イオンは、加速されたビームレットにおいて異なる角度分布を持つ。ONIXの体積生成粒子は、スタンドアロンのIBSimu計算と比較して同様のコア発散を示すが、IBSimuの角度分布にはより多くのハローが存在する。ONIXシミュレーションでは、プラズマとグリッドの間にデバイシースが形成され、これが負に帯電した粒子を反発する。このシースは、体積生成イオンについて、アパーチャ端部での引き出し電流密度を減少させる。対照的に、表面生成粒子はアパーチャ端部付近で直接引き出される。アパーチャ端部付近で引き出された粒子は、初期角度に依存せず、グリッドシステムの終端で高度に発散する。要約すると、ONIXによって計算されたプラズマグリッドのアパーチャ周囲のプラズマシースの存在は、スタンドアロンのIBSimuと比較して、体積生成粒子からのハローを減少させる。