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Max Lindqvist

• Negative hydrogen or deuterium ions for the ITER Neutral Beam Injection system are produced in radio-frequency ion sources, mainly by surface production, and accelerated through a multi-aperture grid system. One of the main limiting factors during the operation of such ion sources is the amount of co-extracted electrons, particularly during operation with D. For a correct description of the particle dynamics close to the Plasma Grid (PG), where a 3D magnetic field is present, self-consistent 3D-PIC MCC modeling is needed. The 3D-PIC MCC code ONIX has been used to simulate one PG aperture in the ELISE ion source, a half-size ITER-like prototype ion source at IPP Garching. The original code was improved by adding a plasma generation module that allows modeling the biasing of the PG with respect to the source walls. ONIX was coupled with the beam code IBSimu to allow the correlation of particle properties from the plasma to the beam and to study the extraction probability and beamNegative hydrogen or deuterium ions for the ITER Neutral Beam Injection system are produced in radio-frequency ion sources, mainly by surface production, and accelerated through a multi-aperture grid system. One of the main limiting factors during the operation of such ion sources is the amount of co-extracted electrons, particularly during operation with D. For a correct description of the particle dynamics close to the Plasma Grid (PG), where a 3D magnetic field is present, self-consistent 3D-PIC MCC modeling is needed. The 3D-PIC MCC code ONIX has been used to simulate one PG aperture in the ELISE ion source, a half-size ITER-like prototype ion source at IPP Garching. The original code was improved by adding a plasma generation module that allows modeling the biasing of the PG with respect to the source walls. ONIX was coupled with the beam code IBSimu to allow the correlation of particle properties from the plasma to the beam and to study the extraction probability and beam divergence of negative ions during different configurations of PG biases and PG geometries, providing insights into grid optimization. The impact of plasma parameters, PG bias, and geometry of the grid on the co-extraction of electrons is presented. By increasing the PG bias above the floating potential, the amount and temporal instability of co-extracted electrons are strongly decreased, in agreement with experiments. Additionally, a lower electron temperature of around 1 eV can reduce the amount of co-extracted electrons by a factor of 4 compared to 2 eV. While the PG geometries studied did not have a significant impact on the co-extraction of electrons, the plasma-facing angle of the PG affects the extraction probability and accumulation of surface produced negative ions due to the acceleration by the Debye sheath. With a shallow angle, more ions are transported to the central region near the meniscus, resulting in a lower core divergence. As for future work, developing a self-consistent physical process for simulating the accumulation of surface produced negative ions in the plasma volume is important. This is challenging due to the time scale and domain size constraints inherent in 3D-PIC MCC modeling. As of now, achieving the experimentally measured density of surface produced negative ions has not been realized in 3D-PIC MCC simulations.…
• Les ions négatifs d'hydrogène et de deutérium pour le système d'injecteur de neutres d'ITER sont produits dans des sources ioniques radio-fréquences, principalement par production de surface, et accélérés à travers un système de diaphragmes multiples. Un des principaux facteurs limitants durant l'opération de telles sources ioniques est la quantité d'électrons co-extraits, en particulier en opérant avec du deutérium. Pour une description précise de la dynamique des particules près de la grille plasma (PG), où se trouve une configuration magnétique tridimensionnelle, une modélisation 3D-PIC MCC est requise. Le code 3D-PIC MCC a été utilisé pour simuler un des diaphragmes de la PG de la source d'ions ELISE à l'IPP Garching, un analogue à l'échelle un-demi de la source d'ions d'ITER. Le code original a d'abord été amélioré en ajoutant un module de génération de plasma permettant de modéliser la polarisation de la PG par rapport aux parois de la source. ONIX a été couplé avec le code deLes ions négatifs d'hydrogène et de deutérium pour le système d'injecteur de neutres d'ITER sont produits dans des sources ioniques radio-fréquences, principalement par production de surface, et accélérés à travers un système de diaphragmes multiples. Un des principaux facteurs limitants durant l'opération de telles sources ioniques est la quantité d'électrons co-extraits, en particulier en opérant avec du deutérium. Pour une description précise de la dynamique des particules près de la grille plasma (PG), où se trouve une configuration magnétique tridimensionnelle, une modélisation 3D-PIC MCC est requise. Le code 3D-PIC MCC a été utilisé pour simuler un des diaphragmes de la PG de la source d'ions ELISE à l'IPP Garching, un analogue à l'échelle un-demi de la source d'ions d'ITER. Le code original a d'abord été amélioré en ajoutant un module de génération de plasma permettant de modéliser la polarisation de la PG par rapport aux parois de la source. ONIX a été couplé avec le code de modélisation de faisceau IBSimu pour permettre la corrélation des propriétés des particules du plasma au faisceau. Ceci permet d'étudier la probabilité d'extraction, la divergence du faisceau d'ions négatifs dans différentes configurations et géométries de la PG, et fournit des renseignements sur l'optimisation de la grille. L'impact des paramètres plasma, de la polarisation de la grille plasma, et de la géométrie sur la co-extraction d'électrons est présenté. En augmentant la polarisation de la PG au-dessus du potentiel flottant, la quantité et l'instabilité temporelle des électrons co-extraits est fortement réduite, en accord avec l'expérience. De plus, une température électronique moindre, autour d'1 eV, peut réduire la quantité d'électrons co-extraits par un facteur 4 par rapport à 2 eV. Bien que les géométries de la PG n'aient pas eu d'impact significatifs sur la co-extraction d'électrons, l'angle de la face de la PG exposée au plasma affecte la probabilité d'extraction et l'accumulation d'ions négatifs produits en surface à cause de l'accélération par la gaine de Debye. Avec un angle réduit, plus d'ions sont transportés vers la région centrale près du ménisque, résultant en une plus faible divergence au cœur. Pour de futurs travaux, il est important de développer un procédé physique auto-cohérent de modélisation de l'accumulation d'ions négatifs produits en surface dans le volume du plasma. Les contraintes inhérentes aux modélisations 3D-PIC MCC imposées par les échelles temporelles et spatiales du domaine représentent un défi pour cela. Actuellement, il n'a pas été possible de reproduire dans une simulation 3D-PIC MCC la densité mesurée expérimentalement d'ions négatifs produits en surface.…