The development of a large area (Asource,ITER = 0.9 × 2 m2) hydrogen negative ion (NI) source constitutes a crucial step in construction of the neutral beam injectors of the international fusion reactor ITER. To understand the plasma behaviour in the boundary layer close to the extraction system the 3D PIC MCC code ONIX is exploited. Direct cross checked analysis of the simulation and experimental results from the ITER-relevant BATMAN source testbed with a smaller area (Asource,BATMAN ≈ 0.32 × 0.59 m2) has been conducted for a low perveance beam, but for a full set of plasma parameters available. ONIX has been partially benchmarked by comparison to the results obtained using the commercial particle tracing code for positive ion extraction KOBRA3D. Very good agreement has been found in terms of meniscus position and its shape for simulations of different plasma densities. The influence of the initial plasma composition on the final meniscus structure was then investigated for NIs. As expected from the Child–Langmuir law, the results show that not only does the extraction potential play a crucial role on the meniscus formation, but also the initial plasma density and its electronegativity. For the given parameters, the calculated meniscus locates a few mm downstream of the plasma grid aperture provoking a direct NI extraction. Most of the surface produced NIs do not reach the plasma bulk, but move directly towards the extraction grid guided by the extraction field. Even for artificially increased electronegativity of the bulk plasma the extracted NI current from this region is low. This observation indicates a high relevance of the direct NI extraction. These calculations show that the extracted NI current from the bulk region is low even if a complete ion–ion plasma is assumed, meaning that direct extraction from surface produced ions should be present in order to obtain sufficiently high extracted NI current density. The calculated extracted currents, both ions and electrons, agree rather well with the experiment.
大型（Asource,ITER = 0.9 × 2 m2）水素負イオン（NI）源の開発は、国際核融合実験炉ITERの中性粒子入射装置の建設における重要なステップである。引き出しシステム近傍の境界層におけるプラズマ挙動を理解するため、3次元PIC MCCコードONIXが用いられている。より小さい面積（Asource,BATMAN ≈ 0.32 × 0.59 m2）を有するITER関連BATMAN試験源からのシミュレーション結果と実験結果の直接比較解析が、低パービアンスビームに対して実施されたが、利用可能な全プラズマパラメータセットに対しては実施されていない。ONIXは、正イオン引き出し用の市販粒子追跡コードKOBRA3Dを用いて得られた結果との比較により、部分的にベンチマークされている。異なるプラズマ密度に対するシミュレーションにおいて、メニスカスの位置と形状に関して非常に良い一致が見出された。その後、初期プラズマ組成が最終的なメニスカス構造に及ぼす影響がNIについて調査された。チャイルド・ラングミュアの法則から予想されるように、結果は、引き出し電位がメニスカス形成に重要な役割を果たすだけでなく、初期プラズマ密度とその電子陰性度も重要であることを示している。与えられたパラメータに対して、計算されたメニスカスはプラズマグリッド開口部の数mm下流に位置し、直接的なNI引き出しを引き起こす。表面で生成されたNIの大部分はプラズマバルクに到達せず、引き出し電界に導かれて直接引き出しグリッドへ移動する。バルクプラズマの電子陰性度を人為的に増加させた場合でも、この領域からの引き出しNI電流は低い。この観察結果は、直接引き出しの重要性を示している。これらの計算は、完全なイオン-イオンプラズマを仮定した場合でも、バルク領域からの引き出しNI電流が低いことを示しており、十分な引き出しNI電流密度を得るためには、表面生成イオンの直接引き出しが存在すべきであることを意味している。計算された引き出し電流（イオンおよび電子の両方）は、実験と良く一致している。