Optimizing negative hydrogen ion sources (NHISs) remains a critical challenge for neutral beam injection (NBI) systems in tokamak fusion facilities. However, the high experimental cost and the spatial limitations of low-dimensional simulations for multiple-driver NHISs highlight the need to perform high-dimensional simulations. In this paper, a 3D fluid plasma model is employed to compare the performance of multiple-driver ion sources in two magnetic filter field configurations: the permanent magnet (PM) configuration and the plasma grid current (IPG) configuration. For double-driver ion sources, the PM configuration outperforms the IPG configuration in terms of uniformity parallel to the magnetic field. The IPG return conductor design critically governs the magnetic filter field topology. Therefore, this study also systematically investigates how the position and quantity of the return conductor affect plasma parameters. Simulations demonstrate that positioning conductors inside the expansion region increases the electron density, H density, and volume-generated H− density near the extraction region versus back-plate placement. Moving the conductors towards the plasma grid (PG) or increasing the conductor number further enhances their densities significantly. For quadruple-driver ion sources, the IPG configuration offers better uniformity parallel to the magnetic field than the PM configuration, making it the preferred choice. The variation in values of plasma parameters for various conductor positions and quantities is similar to that observed in double-driver ion sources. Moreover, increased conductor numbers also improve plasma parameter uniformity perpendicular to the magnetic field in quadruple-driver ion sources.
負水素イオン源(NHIS)の最適化は、トカマク核融合施設における中性粒子ビーム入射(NBI)システムにとって重要な課題であり続けている。しかし、高い実験コストと、マルチドライバーNHISに対する低次元シミュレーションの空間的限界は、高次元シミュレーションを実施する必要性を浮き彫りにしている。本論文では、3次元流体プラズマモデルを用いて、2つの磁気フィルター磁場配置、すなわち永久磁石(PM)配置とプラズマグリッド電流(IPG)配置におけるマルチドライバーイオン源の性能を比較する。二重ドライバーイオン源の場合、磁場に平行な均一性の点でPM配置がIPG配置よりも優れている。IPGリターン導体の設計は、磁気フィルター磁場のトポロジーを決定的に支配する。そこで、本研究では、リターン導体の位置と数量がプラズマパラメータにどのように影響するかも体系的に調査する。シミュレーションにより、導体を膨張領域内に配置すると、背面板配置と比較して、引き出し領域付近の電子密度、H密度、および体積生成H−密度が増加することが実証された。導体をプラズマグリッド(PG)に向かって移動させるか、導体数を増やすと、それらの密度がさらに大幅に向上する。四重ドライバーイオン源の場合、IPG配置はPM配置よりも磁場に平行な均一性に優れており、好ましい選択肢となる。様々な導体位置および数量に対するプラズマパラメータの値の変化は、二重ドライバーイオン源で観察されたものと同様である。さらに、導体数の増加は、四重ドライバーイオン源において磁場に垂直なプラズマパラメータの均一性も改善する。