Physics of negative ion extraction and acceleration in neutral beam injectors

Most of the work reported in this PhD thesis was carried out at Consorzio RFX, where the most important neutral beam facility worldwide is under construction. This test bed will host 2 experiments, an ion source and a full injector, representing the state of art technology in the NBI context. In this initial phase of design and optimization the modeling plays a key role in defining the characteristics of the devices and in anticipating their performance. In this perspective the work reported here has the scope to analyze some issues that are critical for the operation of such experiments, with particular attention to the phase of extraction and acceleration of ions from the source, before they are neutralized and injected into the plasma core. Many issues strictly connected to this basic topic will be discussed as well, as the production of secondary particles by interaction of the beam with the gas flowing in the injector. The development, implementation and use of dedicated models are described and their results discussed and, in some cases benchmarked with existing experiments.

Gran parte del lavoro descritto in questa tesi è stato svolto presso il Consorzio RFX, dove è in corso di costruzione quello che diverrà il piu` grande laboratorio di prova del mondo dedicato agli iniettori di neutri. Questo impianto ospiterà due esperimenti, una sorgente di ioni ed un acceleratore completo, che rappresentano la tecnologia piu` all’avanguardia nel contesto degli NBIs. Nella fase iniziale di progettazione e ottimizzazione di tali dispositivi la modellizzazione gioca un ruolo chiave, aiutando a definire le caratteristiche dell’iniettore e dando la possibilità di prevedere le sue prestazioni. In questa prospettiva il lavoro riportato in questa tesi ha lo scopo di analizzare alcuni aspetti cruciali per il funzionamento degli iniettori, prestando particolare attenzione alla fase di estrazione ed accelerazione degli ioni dalla sorgente, prima che vengano neutralizzati ed iniettati nel plasma. Allo stesso tempo saranno analizzati diversi aspetti strettamente correlati a questi argomenti di base, come, ad esempio, la produzione di particelle secondarie durante l’interazione tra il fascio ed il gas presente nell’iniettore. Verranno dunque presentati lo sviluppo, l’implementazione e l’uso di specifici modelli, i cui risultati verranno discussi ed, in alcuni casi, confrontati con le evidenze sperimentali di dispositivi esistenti.