Negative hydrogen ion (H−) sources employed in neutral beam injection (NBI) systems are subject to extraction efficiency issues due to the considerable volumetric losses of negative hydrogen ions. Here, we propose to improve the H− extraction by activating an alternative sheath mode, the electronegative inverse sheath, in front of the H− production surface, which features zero sheath acceleration for H− with a negative sheath potential opposite to the classic sheath. With the inverse sheath activated, the produced H− exhibits smaller gyration, a shorter transport path, less destructive collisions, and therefore higher extraction probability than the commonly believed space-charge-limited (SCL) sheath. Formation of the proposed electronegative inverse sheath and the SCL sheath near the H–-emitting surface is investigated by the continuum kinetic simulation. Dedicated theoretical analyses are also performed to characterize the electronegative inverse sheath properties, which qualitatively agree with the simulation results. We further propose that the transition between the two sheath modes can be realized by tuning the cold ion generation near the emissive boundary. The electronegative inverse sheath is always coupled with a plasma consisting of only hydrogen ions with approximately zero electron concentration, which is reminiscent of the ion–ion plasma reported in previous NBI experiments.
中性粒子ビーム入射（NBI）システムで使用される負水素イオン（H−）源は、負水素イオンのかなりの体積損失により、引き出し効率の問題に直面している。ここでは、H−生成表面の前方に、代替のシースモードである電気陰性逆シースを活性化することにより、H−引き出しを改善することを提案する。この逆シースは、古典シースとは逆の負のシース電位を持ち、H−に対するシース加速がゼロであることを特徴とする。逆シースが活性化されると、生成されたH−は、一般的に考えられている空間電荷制限（SCL）シースよりも、小さなジャイロ運動、短い輸送経路、少ない破壊的衝突を示し、したがって高い引き出し確率を示す。提案された電気陰性逆シースとSCLシースのH−放出表面近傍での形成を、連続体運動論シミュレーションにより調べた。また、電気陰性逆シースの特性を特徴づけるための専用の理論解析も実施され、その結果はシミュレーション結果と定性的に一致した。さらに、2つのシースモード間の遷移は、放出境界近傍の低温イオン生成を調整することによって実現できることを提案する。電気陰性逆シースは常に、電子濃度がほぼゼロの水素イオンのみからなるプラズマと結合しており、これは以前のNBI実験で報告されたイオン-イオンプラズマを彷彿とさせる。