The SPIDER experiment, operated at the Neutral Beam Test Facility of Consorzio RFX, Padua, hosts the prototype of the H−/D− ion source for the ITER neutral beam injectors. The maximization of the ion current extracted from the source and the minimization of the amount of co-extracted electrons are among the most relevant targets to accomplish. The Cavity Ring-Down Spectroscopy diagnostic measures the negative ion density in the source close to the plasma grid (the plasma-facing grid of the ion acceleration system), so to identify the source operational parameters that maximize the amount of negative ions which can be extracted. In this study SPIDER was operated in hydrogen and deuterium in Cs-free conditions, therefore negative ions were mostly produced by reactions in the plasma volume. This work shows how the magnetic filter field and the bias currents, present in SPIDER to limit the amount of co-extracted electrons, affect the density of negative ions available for extraction. The results indicate that the magnetic filter field in front of the acceleration system should be set between about 1.6 mT, condition that maximizes the density of available negative ions, and about 3.2 mT, condition that minimizes the ratio of electron current to ion current. The negative ion density also resulted to be maximized when the plasma grid and its surrounding bias plate was positively biased against the source body with a total current in the range 0–100 A. The paper shows also how much, in Cs-free conditions, the electric fields in the acceleration system can affect the density of negative ions in the source, close to the plasma grid apertures.
SPIDER実験は、Consorzio RFXの中性粒子ビーム試験施設で運転されており、ITERの中性粒子ビーム入射装置用のH−/D−イオン源の原型をホストしている。イオン源から引き出されるイオン電流の最大化と、同時に引き出される電子量の最小化は、達成すべき最も重要な目標の一つである。キャビティリングダウン分光法は、プラズマグリッド（イオン加速システムに面するグリッド）近傍のイオン源内の負イオン密度を測定し、引き出し可能な負イオン量を最大化するイオン源の運転パラメータを特定するために用いられる。本研究では、SPIDERを水素および重水素中でCsフリー条件下にて運転し、そのため負イオンは主にプラズマ体積内での生成反応によって生成された。本論文では、同時に引き出される電子量を制限するためにSPIDERに存在する磁気フィルターフィールドとバイアス電流が、引き出し可能な負イオン密度にどのように影響するかを示す。結果は、加速システムの前方の磁気フィルターフィールドが約1.6 mTに設定された場合に利用可能な負イオン密度が最大化され、約3.2 mTに設定された場合に電子電流とイオン電流の比が最小化されることを示している。また、負イオン密度は、プラズマグリッドとその周囲のバイアス板が、全電流0〜100 Aの範囲でイオン源本体に対して正にバイアスされた場合に最大化されることも明らかになった。本論文はさらに、Csフリー条件下において、加速システム内の電界がプラズマグリッド開口部近傍のイオン源内の負イオン密度にどの程度影響を及ぼし得るかについても示す。