One of the requirements of Heating and current drive Neutral Beam injectors for ITER is a beam homogeneity greater than 90%, to achieve an optimal beam transmission while keeping the heat load consistently low on the acceleration electrodes. The large size and complexity of ITER negative ion source play a key role in determining the homogeneity of the negative ion current of each of the 1280 beamlets and their divergence, and it is studied in the full-scale prototype source SPIDER. In this work the plasma properties are studied by spectroscopic and electrostatic measurements in the drivers, where the plasma is generated, and in the expansion region, where the plasma drifts and negative ions are produced, and they are correlated with the properties of the beam. The non-homogeneous plasma density profile is related to the non-homogeneous availability of negative ions along the beam vertical profile, with and without cesium evaporation. Visible tomography, a technique capable of characterizing isolated beamlet properties, is used to study the beam's dependence on plasma uniformity along the entire beam profile. Using these tools, it has been demonstrated how an increase in plasma density is linked to an improvement in beam homogeneity. The latter has been directly correlated with plasma homogeneity. The magnetic filter field and biases of the plasma grid and bias plate are responsible for the variation in plasma density and its homogeneity. Non-uniformities in the plasma's top/bottom and left/right distributions have been studied and partially addressed experimentally. The first issue was resolved by adjusting the radio-frequency power supplied to the plasma in different vertical regions, while the second issue was addressed by reversing the direction of the magnetic filter field and increasing the plasma density.
ITER用の加熱・電流駆動中性粒子ビーム入射装置の要件の一つは、加速電極上の熱負荷を常に低く保ちながら最適なビーム伝送を達成するために、ビーム均一性が90%を超えることである。ITER負イオン源の大型さと複雑さは、1280本のビームレットそれぞれの負イオン電流の均一性とその発散を決定する上で重要な役割を果たしており、これは実寸大プロトタイプ源SPIDERで研究されている。この研究では、プラズマが生成されるドライバーと、プラズマが漂移して負イオンが生成される膨張領域において、分光学的および静電的測定によりプラズマ特性を調べ、それらをビームの特性と相関付けた。不均一なプラズマ密度分佈は、セシウム蒸発の有無にかかわらず、ビーム垂直方向プロファイルに沿った負イオンの不均一な利用可性に関連している。孤立したビームレット特性を特長付けることができる手法である可視トモグラフィーを用いて、ビームプロファイル全体にわたるプラズマ均一性に対するビームの依存性を調べた。これらのツールを用ることで、プラズマ密度の増加がビーム均一性の改善に結び付くことが実証された。後者はプラズマ均一性と直接相関することが示された。磁気フィルター磁場ならびにプラズマグリッドおよびバイアスプレートのバイアスが、プラズマ密度とその均一性の変動の原因である。プラズマの上下および左右の分佈における不均一性が研究され、実験的に部分的に対処された。最初の問題は、異なる垂直領域のプラズマに供給される高周波電力を調整することで解決され、一方、二番目の問題は、磁気フィルター磁場の方向を反転させ、プラズマ密度を増加させることで対処された。