HELicon Experiment for Negative ion source (HELEN-I) with a single driver is developed with a focus on the production of negative hydrogen ions. In the Helicon wave heated plasmas, very high plasma densities (1018–1019 m−3) can be attained with electron temperatures as low as ∼1 eV in the downstream region. These conditions favor the production of negative hydrogen ions. In HELEN-I device at IPR, helicon plasma is produced using Hydrogen gas by applying a RF power (PRF) of 800–1000 W at 13.56 MHz frequency. A Nagoya-III antenna is used to excite m = 1 helicon mode in the plasma. A permanent ring magnet creates the required axial magnetic field. The plasma is confined by a multi-cusp field configuration in the expansion chamber. The transition from inductively coupled mode to Helicon mode is observed near PRF ∼ 700 W with plasma density ∼1018 m−3 and electron temperature ∼5 eV in the driver and ∼1 eV in the expansion volume. Negative hydrogen ion density, averaged over the line of sight, is measured in the expansion chamber by employing an optical emission spectroscopy diagnostic technique using Hα/Hβ ratio and a laser photodetachment based cavity ring down spectroscopic diagnostic technique. The measured value of negative hydrogen ion density is in the order of 1016 m−3 at 6 m Torr pressure and does not vary significantly with power, pressure and downstream axial magnetic field variation in the helicon mode. The negative ion density measurements are compared with theoretically estimated values calculated using a particle balance method considering different reaction rates responsible for negative hydrogen ion creation and destruction. It is to be noted that, at present, cesium is not injected in the plasma discharge to enhance H− ion density.
HELEN-I（負水素イオン源用ヘリコン実験装置）は、負水素イオンの生成に焦点を当てた単一ドライバー型装置として開発された。ヘリコン波加熱プラズマでは、下流領域において電子温度が約1 eVと低いにもかかわらず、非常に高いプラズマ密度（10¹⁸–10¹⁹ m⁻³）が達成可能であり、これらの条件は負水素イオンの生成に有利である。HELEN-I装置では、13.56 MHzの高周波電力（PRF）800–1000 Wを印加し、水素ガスを用いてヘリコン波プラズマを生成する。ナゴヤIII型アンテナを用いて、プラズマ中にm = 1ヘリコン波モードを励起する。永久磁石リングにより必要な軸方向磁場を生成する。膨張チャンバー内では、多極磁場配位によりプラズマが閉じ込められる。誘導結合モードからヘリコンモードへの遷移は、PRF ≈ 700 W付近で観測され、このときドライバー領域ではプラズマ密度 ≈ 10¹⁸ m⁻³、電子温度 ≈ 5 eV、膨張領域では電子温度 ≈ 1 eVとなる。負水素イオン密度は、視線平均値として、Hα/Hβ比を用いた発光分光診断法と、レーザー光脱離を用いたキャビティリングダウン分光診断法により、膨張チャンバー内で測定された。測定された負水素イオン密度は、6 mTorrの圧力において10¹⁶ m⁻³のオーダーであり、ヘリコンモードにおける投入電力、圧力、下流軸方向磁場の変化に対して有意な変動は見られなかった。負水素イオン密度の測定値は、負水素イオンの生成および消滅に関与する様々な反応率を考慮した粒子バランス法を用いて計算された理論推定値と比較された。なお、現在のところ、H⁻イオン密度を増強するためのセシウム注入は行われていない。