In fusion devices, optimizing neutral beam injection systems requires improving the neutralization efficiency of negative ion beams. However, the dynamic evolution of neutralization efficiency and its dependence on beam-plasma interaction mechanisms are not yet fully understood. To address this issue, this study aims to clarify the transient neutralization dynamics of high-energy negative ion beams in plasma targets and identify the key parameters that govern the efficiency, based on a self-developed two-dimensional, three-velocity particle-in-cell/Monte Carlo collision model. The neutralization process of the negative hydrogen ion beam was systematically simulated, encompassing various operating conditions of ion beam energy (10 keV–1 MeV) and background plasma density (–). The neutralization efficiency exhibits non-monotonic behavior, reaching a peak of 79.9% for 100 keV beams at a 30% ionization degree of the background plasma before declining due to cumulative collisional losses. The maximum neutralization efficiency decreases significantly with higher beam energy but increases at elevated background plasma densities. The key factors influencing neutralization efficiency have been comprehensively identified, and partial results show good agreement with published experimental data. These findings not only enhance the theoretical understanding of neutralization mechanisms for high-energy negative ion beams, but also provide an effective reference for improving neutralization efficiency in practical applications.
核融合装置において、中性粒子ビーム入射システムを最適化するには、負イオンビームの中和効率を向上させる必要がある。しかしながら、中和効率の動的発展と、そのビーム-プラズマ相互作用メカニズムへの依存性は、まだ完全には理解されていない。この問題に対処するため、本研究は、独自に開発した二次元・三速度particle-in-cell/Monte Carlo衝突モデルに基づき、プラズマ標的における高エネルギー負イオンビームの過渡的な中和ダイナミクスを解明し、効率を支配する主要パラメータを特定することを目的とする。水素負イオンビームの中和プロセスを、イオンビームエネルギー（10 keV–1 MeV）および背景プラズマ密度（–）の様々な動作条件にわたって系統的にシミュレーションした。中和効率は非単調な挙動を示し、背景プラズマの電離度30%において100 keVビームで79.9%のピークに達した後、累積衝突損失により低下する。最大中和効率は、ビームエネルギーが高くなると大幅に低下するが、背景プラズマ密度が高くなると増加する。中和効率に影響を与える主要因子が包括的に特定され、一部の結果は公表された実験データと良好な一致を示す。これらの知見は、高エネルギー負イオンビームの中和メカニズムの理論的理解を深めるだけでなく、実用アプリケーションにおける中和効率向上のための有効な参考情報を提供する。