Neutral beam injectors are based on the neutralization of ion beams accelerated at the desired energy. In the case of the ITER heating and diagnostic neutral beams, the target heating power translates into stringent requirements on the acceptable beamlet divergence and aiming to allow the beam to reach the fusion plasma. The beamlets composing the accelerated beam are experimentally found to feature a transverse velocity distribution exhibiting two Gaussian components: the well-focused one is referred to as the core component while the rest of the beam, the halo, describes beam particles with much worse optics. The codes that simulate beam extraction and acceleration usually assume that the negative ions move towards the plasma meniscus with a laminar flow (no transverse velocity) or that the transverse velocity distribution can be modelled as a Maxwellian and that the current density is uniformly illuminating the meniscus; under such approximations, the presence of highly divergent components cannot be explained. In this work, we develop a simple test-particle tracing code with Monte Carlo collisions, named ICARO (for Ions Coming Around), to study the transport of negative ions in the extraction region and derive the spatial and velocity distribution of the negative ions at the meniscus (i.e. the plasma boundary where a beamlet is extracted). In particular, the origin of the beamlet halo and its dependence on the source parameters are discussed, highlighting as a key parameter the energy distribution of positive ions in the source plasma.
中性粒子ビーム入射装置は、所望のエネルギーまで加速されたイオンビームの中和に基づいている。ITERの加熱及び診断用中性粒子ビームの場合、目標加熱電力は、ビームが核融合プラズマに到達することを可能にするために、許容可能なビームレットの発散と照準に関する厳しい要件に結び付く。加速されたビームを構成するビームレットは、実験的に、二つのガウス成分を示す横方向速度分布を持つことが見出されている。よく集束された成分はコア成分と呼ばれ、ビームの残りの部分であるハローは、はるかに悪い光学特性を持つビーム粒子を記述する。ビームの引き出しと加速をシミュレートするコードは通常、負イオンが層流（横方向速度なし）でプラズマメニスカスに向かって移動するか、または横方向速度分布がマクスウェル分布としてモデル化でき、電流密度がメニスカスを一様に照らすと仮定する。そのような近似の下では、高発散成分の存在は説明できない。本研究では、モンテカルロ衝突を伴う単純なテスト粒子追跡コード、ICARO（Ions Coming Around の略）を開発し、引き出し領域における負イオンの輸送を研究して、メニスカス（すなわちビームレットが引き出されるプラズマ境界）における負イオンの空間分布と速度分布を導出する。特に、ビームレットハローの起源とそのソースパラメータへの依存性について議論し、鍵となるパラメータとしてソースプラズマ中の正イオンのエネルギー分布を強調する。