Negative ion based neutral beam injection (N-NBI) systems which produce powerful high energy hydrogen atom beams are currently used on fusion reactor devices for plasma heating and current drive. To produce sufficient negative ions (NIs), sources with a large surface area are needed for reactor relevant injectors. Plasma source non-uniformity is a recurring issue in the present N-NBI systems, it is mainly due to the transverse magnetic field (filter field) at the front of the source which generates plasma gradients. This paper presents experimental results on a large size arc driven ion source at CEA, called Cybele, the purpose of the experiment is to compare the plasma density distribution (uniformity) between two magnetic confinements, (1) the transverse (horizontal) magnetic filter which is implemented in the present negative ion (NI) sources and (2) a new concept based on the magnetic mirror principle. Experiments show that in Cybele the standard configuration with the horizontal filter field (1) leads to a significant vertical plasma drift with a measured plasma density seven times higher at the top of the source, while the source with the vertical field and mirror-like confinement (2) is vertically uniform within ±10% and can operate at very low filling pressure (0.1 Pa).
負イオンを用いた中性粒子入射加熱(N-NBI)システムは、強力な高エネルギーの水素原子ビームを生成し、現在、核融合炉装置においてプラズマ加熱と電流駆動のために使用されている。十分な負イオン(NI)を生成するためには、炉心関連の入射装置には大きな表面積を持つ熱陰極が必要である。プラズマ源の不均一性は、現在のN-NBIシステムにおける繰り返し発生する問題であり、これは主に、プラズマ勾配を生み出す源の前面における横磁場(フィルター磁場)に起因する。本論文では、CEAのCybeleと呼ばれる大型アーク放電式イオン源に関する実験結果を報告する。この実験の目的は、(1)現在の負イオン(NI)源に実装されている横方向(水平)磁気フィルターと、(2)磁気ミラー原理に基づく新しいコンセプトの2つの磁気閉じ込め間でのプラズマ密度分布(均一性)を比較することである。実験により、Cybeleにおいて、水平フィルター磁場(1)を用いた標準構成では、顕著な垂直方向のプラズマドリフトが生じ、ソース上部で測定プラズマ密度が7倍高くなるのに対し、垂直磁場とミラー的閉じ込め(2)を用いたソースは、垂直方向に±10%以内で均一であり、非常に低い充填圧力(0.1 Pa)でも動作可能であることが示された。