Particle-in-cell (PIC) models have been extensively used in the last few years to describe negative ion extraction for neutral beam injection applications. We show that some of these models have been employed in conditions far from the requirements of particle simulations and that questionable conclusions about negative ion extraction, not supported by experimental evidence, have been obtained. We present a critical analysis of the method that has led to these conclusions and propose directions toward a more accurate and realistic description of negative ion extraction. We show in particular that, as expected in PIC simulations, mesh convergence is reached only if the grid spacing is on the order of or smaller than the minimum Debye length in the simulation domain, and that strong aberrations in the extracted beam are observed if this constraint is not respected. The method of injection of charged particles in the simulated plasma is also discussed, and we show that some injection methods used in the literature lead to unphysical results.
Particle-in-cell (PIC) モデルは、ここ数年、中性粒子ビーム入射応用のための負イオン引き出しを記述するために広く使用されてきた。我々は、これらのモデルの一部が粒子シミュレーションの要件からかけ離れた条件で使用されており、実験的証拠によって裏付けられていない負イオン引き出しに関する疑わしい結論が得られていることを示す。我々は、これらの結論に至った方法の批判的分析を提示し、負イオン引き出しのより正確で現実的な記述に向けた方向性を提案する。特に、PICシミュレーションで期待されるように、メッシュ収束は、グリッド間隔がシミュレーション領域内の最小デバイ長と同程度かそれ以下である場合にのみ達成され、この制約が守られない場合には、引き出しビームに強い収差が観測されることを示す。シミュレーションされたプラズマへの荷電粒子の注入方法についても議論し、文献で使用されているいくつかの注入方法が非物理的な結果をもたらすことを示す。