Based on the modified Poisson–Vlasov method this study presents an analysis on the negative hydrogen-ion-beam extraction from plasma sources. Both the extraction cell and the values of the current densities of the extracted electron and ion beams considered are from experiments carried out regarding ITER. The role of different factors—potential of the electrodes, plasma parameters before the extraction, initial velocity distribution of the extracted particles, space-charge effects of the co-extracted electrons and details of the shape of the electrodes—determining the beam quality is analysed. It is shown that optimum mutual effects of external and space-charge fields leading to the formation of slightly concave meniscus acting together with the extraction electrode as a weak convexo-convex lens ensure formation of well-converged beams. The results outline (i) strong relation of the potentials of the electrodes to the plasma parameters before the extraction and (ii) the influence of the initial velocity distribution of the extracted particles as well as of the negative charge accumulation in the extraction region due to the electron beam.
修正ポアソン–ブラソフ法に基づき、本研究はプラズマ源からの負水素イオンビーム引き出しに関する解析を提示する。引き出しセルと、引き出された電子ビームおよびイオンビームの電流密度の値は、いずれもITERに関して実施された実験から得られたものである。ビーム品質を決定する種々の因子—電極の電位、引き出し前のプラズマパラメータ、引き出される粒子の初期速度分布、同時に引き出される電子の空間電荷効果、ならびに電極の形状詳細—の役割を解析する。外部電場と空間電荷場の最適な相互作用により、わずかに凹状のメニスカスが形成され、これが引き出し電極と協働して弱い凸–凸レンズとして機能することで、良好に収束したビームの形成が確保されることが示される。結果は、(i)電極の電位と引き出し前のプラズマパラメータとの強い関連性、および(ii)引き出される粒子の初期速度分布と、電子ビームによる引き出し領域における負電荷蓄積の影響を概説する。