Efficient transport of high-current negative ion beams is critical for accurate plasma potential diagnostics using heavy-ion beam probe (HIBP) systems in magnetically confined fusion plasmas. However, strong space-charge effects often degrade transport efficiency, particularly for heavy ions such as Au−. In this study, we demonstrate a substantial improvement in beam transport by introducing an electrostatic lens effect through optimized voltage allocation in a multistage acceleration system. Numerical simulations using IGUN, supported by experiments with the Large Helical Device-HIBP system, show that this approach effectively suppresses space-charge-induced beam divergence and loss. Without requiring mechanical modifications to the beamline, the optimized configuration enables a 2–3 fold increase in Au− beam current injected into the tandem accelerator. Consequently, plasma potential measurements were extended to higher-density plasmas, reaching line-averaged electron densities up to m−3 with improved signal-to-noise ratio. This technique offers a compact, practical, and highly effective solution for transporting high-current heavy-ion beams under space-charge-dominated conditions. Beyond its impact on plasma diagnostics, the method is broadly applicable to a wide range of accelerator systems, including those used in scientific and industrial applications where high-intensity beam transport is required.
高電流負イオンビームの効率的な輸送は、磁場閉じ込め核融合プラズマにおける重イオンビームプローブ（HIBP）システムを用いた正確なプラズマ電位診断にとって極めて重要である。しかしながら、特にAu−のような重イオンでは、強い空間電荷効果がしばしば輸送効率を低下させる。本研究では、多段加速システムにおける最適化された電圧配分を通じて静電レンズ効果を導入することにより、ビーム輸送の大幅な改善を実証する。IGUNを用いた数値シミュレーションは、Large Helical Device-HIBPシステムを用いた実験によって支持され、この手法が空間電荷誘起のビーム発散と損失を効果的に抑制することを示している。ビームラインへの機械的改修を必要とせず、最適化された構成により、タンデム加速器へ注入されるAu−ビーム電流は2〜3倍増加する。その結果、プラズマ電位測定は高密度プラズマへと拡張され、線平均電子密度は m−3 まで到達し、信号対雑音比が改善された。この技術は、空間電荷が支配的な条件下での高電流重イオンビームの輸送に対する、コンパクトで実用的かつ非常に効果的な解決策を提供する。プラズマ診断への影響に加えて、この手法は、高強度ビーム輸送を必要とする科学および産業用途で使用されるものなど、幅広い加速器システムに広く適用可能である。