The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

高電圧端子内設置に向けた ECR イオン源のビーム生成試験及び機器開発松田誠 A)、竹内末広 A)、吉田忠 A) 、花島進 A)、藤井義雄 B)A)

日本原子力研究所（東海）物質科学研究部 加速器管理室〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-4
B)

日本アドバンストテクノロジー株式会社 東海事業所〒319-1112 茨城県那珂郡東海村村松白根 146-5

概要302015RHz E CISR ISz EC
10GHelectron stripping at 16M

100150V

5

はじめに050200mass [amu]図１：高電圧端子での炭素薄膜による荷電変換後の最確電荷と 10GHz および 14.5GHz の ECR イオン源から 1µAe 以上引きだれるイオンの電荷。

NewEnergy [MeV/amu]

タンデム型静電加速器は、地上のイオン源から生成された１荷の負イオンを高電圧端子に向かって加速し、高電圧端子内で正の多荷イオンに荷電変換し、再び地上電位に向かって加速することで高エネルギーのビームを生成することができる。しかし、この荷電変換後の電荷数は最近のECR イオン源から得られる電荷数に比較しかなり低いものとなっている。ビーム強度については、タンデム加速器
はストリッパーフォイルの寿命により強度を制限されるが、ECR イオン源は高多荷イオンを直接に数 10µA の強度で容易に引き出すことが可能である。したがってシングルエンドの静電加速器のように高電圧端子に ECR イオン源を搭載し高多荷イオンを直接加速することで、高エネルギー、高強度のビームを得ようとするものである。
図１に端子電圧 16MV で運転したときのフォイルストリッピングによる最確電荷数を点線で、現在搭載されている 10GHz の ECR イオン源から 1µAe 以上引き出すことのできるイオンの電荷を実線で示す。図中の●印は炭素薄膜による荷電変換後の電荷の実績データで、☆印は 10GHzの TECRIS からの実績データである。現在の 10GHz のイオン源では質量数 100 以上において電荷数がタンデム方式を上回っており、ビーム強度も最大で約 1 桁の増強ができた。
TECRIS による加速では加速されるイオンの電荷が端子電圧に依存しないため電荷と端子電圧の選択が自由となり低エネルギーのビーム加速も可能となった。またストリッパーフォイルを用いないためにそれによって生じるエネルギー分散が生じないため、質の良いビームの加速が可能となった。
しかし現在の TECRIS の入射系は水素、重水素専用の旧イオン源を置き換えて設置してあるために入射電磁石の14.5G

1001electron stripping at 16MV
10GHz ECRIS
14.5GHz ECRIS
10GHz TECRIS results
Foil Stripping results

25Charge State

原研タンデム加速器では得られるビームのエネルギー、強度、イオン種の拡大を目的に高電圧端子内に ECR イオン源を設置している。計画の第１段階で、基本的な技術の取得及び機器の開発のため、加速器本体に大きく手を加えることなく搭載することが可能な小型のイオン源を設置した。現在、高電圧端子内 ECR イオン源（TECRIS）により、He を除く希ガスおよび水素、窒素、酸素の加速が行なわれている。今回は計画の第２段階として 14.5GHz、200Wの永久磁石型 ECR イオン源（SuperNanogan）を設置する予定である。これによりさらに高多荷イオンの生成が可能となりビームエネルギー・強度ともに現状以上に増強することができる。

10G
H

10zTEC
R

IS

T.V.=16MV
qfoil:most probable
14.5
GHz+B

New
10GHz

OO

14.5

TECR
IS

TEC
RI S

qECRIS:>1µAe+BOOS

TERSTERGHz

TEC
RIS

Ne
gativerriebarmbolu
Coionsour

ce+BOOSTNeg ative ionERsource

1050100150200

Mass [amu]図２：14.5GHz の TECRIS を使用したときに予想されるビームの到達最大エネルギー。破線は後段ブースターを使用した場合を示す。
磁場強度、分解能に限界がある。そのためキセノンイオンのような大きな質量数のイオンを加速する場合、前段加速電圧を下げて入射しているが、主加速管入口でのレンズ効果によりビームの透過率が悪くなり、定格の 80kV に対し60kV の加速電圧では約 70%となっている。さらに分解能

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180°偏向 電磁石
ビーム方 向180°偏向電 磁石
静 電Q トリプレット

静電Q トリプレット

静電ステアラー

静電ステアラー
イオンポンプファラデーカップ

ファラデーカップ
前段加 速管アパーチャー
可 変アパーチャー

静 電Q トリプレット

レンズ＆ ステアラー
E C R IS
1 4 .5 G H

90°入射電 磁石

イオンポンプ

1 4 .5 G H

E C R IS

ターボ分子 ポンプ
イオンポンプファラデーカップ＆ アパーチャー
ストリッパーフォイル

低 エネルギー側 加速管

負イオンビーム入射方 向高 エネルギー側加速管

図３：14.5GHz TECRIS の配置計画図が低いためにクリプトン、キセノンなどでは同位体の分離が困難であり、ビームハンドリングに支障をきたすため同位体濃縮したガスを用いている。
これらの問題を解決するために計画の第 2 段階では、より高性能なイオン源を最適な位置に設置する計画を進めている。高電圧端子の特殊な環境を考慮し、イオン源には14.5GHz、200W の永久磁石型 ECR イオン源を採用する。
図 1 中の破線は 14.5GHz のイオン源から 1µAe 以上引き出すことのできるイオンの電荷を示している。
図 2 には端子電圧 16MV で加速したときに得られるビームのエネルギーを示す。質量数 30 以上のイオンについてエネルギーを増強でき、重いイオンについてはこれまでの約 2 倍となることが分かる。図 2 中の破線はタンデム加速器からのビームを直接後段ブースターに入射したときに得られるビームのエネルギーを示しており、ほとんどの原子核同士の組み合わせで核反応を起こすことのできるエネルギーに達することが分かる。

2NEW TECRIS の配置・制御の改良

2.1

レイアウト

イオン源は従来の負イオン入射による加速も行えるように配置する。イオン源は現在のものと比較するとかなり大きく、かつ入射系の問題点も解決するために現在の位置への置き換えは行わず、図３のように配置する。金属イオン生成なども考慮しイオン源を水平に設置できるようにし、既存のガスストリッパー装置を撤去した空間に新たに入射 90 度電磁石を配置し、入射側にイオン源を設置する。
ガスストリッパーは主に低エネルギービームを用いた物

性・材料実験に用いられているが、TECRIS から低い電荷のイオンを加速することで代替することが可能である。
イオン源から最大 30kV で引き出されたイオンビームはアインツェルレンズで収束され、入射 90 度電磁石で上方へ偏向され大まかに電荷、質量を選別される。次に 80kV（あるいはそれ以上）の前段加速を受けて 180 度偏向電磁石に入射され、必要な電荷、質量のイオンが選別される。
180 度電磁石は M/∆M≦140、ME/q2=55 であるのでビームの分析には十分である。静電トリプレット Q レンズが 180度電磁石の入射側に 1 つ、出射側に 2 つ、及び静電ステア
ラーも装備されているので、タンデム加速器の主加速管への入射は容易になると考えられる。

2.2

制御パラメータの回復

現在の TECRIS システムでは特殊な環境である高電圧端子に設置するためにいくつかイオン源の制御パラメータを省略したものがあるが、今回はこれまでの経験を踏まえて新たに制御機器を開発し以下のものを制御することを考えている。
• ガス流量の制御
現システムではソースガスにメインとサポートの混合ガスを用いており、重要なパラメータであるガス流量の制御はスライダックによるサーモメカニカルリーク（TML）バルブ駆動の 1 系統のガスボトルを除き他の 8 系統は固定流量で行う簡単な方式としている。
今回は TML バルブ用に PWM 変調技術による専用の電源を設計し数値制御でバルブ開度の制御を行なう。
そのために専用の真空ゲージも取り付ける。これまで
約 4 ヶ月ごとの定期整備にあわせガスボトルの調整を行なっていたがこれを簡略化できる。

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• 可変アパーチャー
ECR イオン源は強度の強いビームを発生することができるが、逆にビーム量を少なく抑えることが難しい。特に軽イオンにおいては加速器の無用な放射化を避けるためにイオン源付近でビーム量を調整できる可変アパーチャーの設置を試みる。
• チューナー駆動モーター駆動を行なう。
• 金属イオン生成
金属イオンの生成法には各種の方法があるが、これらを実現できるように設置スペース、制御チャンネルを増やす。

2.3

制御系

図４：TECRIS の引き出し部

採用したイオン源が永久磁石型で RF 電力も 200W であるから電力供給および制御方式は現在の方式が踏襲でき、末端電源及びその制御系は既存の物を利用あるいは改造する予定である。しかし度々発生する放電によって引き起こされる機器の故障によりイオン源が運転できない事態が生じることがこれまでにあった。対策として放電耐性を高めるために新たな制御方式の採用を試みる。
高電圧端子内の末端電源類は地上電位からの光デジタ
ル通信により端子内の CAMAC 経由で制御されている。放電耐性を高めるために CAMAC から各末端電源類に直接光ファイバーで制御信号を送る方式を開発している。これまでは周波数信号を用いていたために 1 本のファイバーで 1つの制御点しか扱えなかったが、パルス符号を扱うことで複数の制御点を制御できるようにする。汎用のモジュール
では静電 Q レンズなどを想定し 4 チャンネルの DAC と 8チャンネルの ADC を 1 本のファイバーで制御できるように考えている。新たに製作する電源類はこの方式で制御を行なうようにしていく。

3

イオン源試験試験台においてイオン源の動作試験を行なっている。実際に設置する状態でイオン源引き出し部は試験しており、その断面図を図 4 に示す。表１に現在得られているイオン源の引き出し試験の結果を示す。

ArXe

表 1：イオン電荷とビーム電流
電荷8+9+11+12+電流
58345.31.2［µAe］
電荷15+17+18+19+
電流
179.6
7.53.0［µAe］

21+0.2イオン源のカタログデータと比較し充分な性能が発揮されていない。現在パラメータを振りながら特性を試験しているが原因の究明に至っていない。ほかにレンズ部の改良が必要なことがわかったので、レンズ径を大きくし引き出し部に近づけることを考えている。またビームのエミッタンスが悪いため引き出し部の形状や途中にアパーチャーを設けるなどする必要がある。予想はしていたが可変アパーチャーはそこからはじき出される２次電子がレンズに悪影響を与えたり、真空の悪化を招いたりするためにイオン源動作が安定せず現在は取り払って試験を行なっている。今後、引き出し部の改良を行うと共に所定の性能が出ていない原因を調査していく。

4スケジュール

高電圧端子への装着は２００４年の夏以降の定期整備にあわせて行なう予定である。それまでに整備期間を利用してガスストリッパーなどの不要物の撤去や使用する機器を高電圧端子内に設置し放電等に対する耐久試験を行なう。

参考文献[1] M. Matsuda, et al., Proceedings of the 11th Symposium ofAccelerator Science and Technology, Harima, Oct. 21-23,
1997.
[2] M. Matsuda, et al., Proceedings of the 12th Symposium ofAccelerator Science and Technology, Wako, Oct. 27-29,
1999.
[3] P. Sortais, et al., Proceedings of the 12th international
Workshop on ECRIS, Riken, Japan, INS-J-182, Sep. 1995.
[4] P. Sortais, et al., Rev. Sci. Instrum., Vol69, No2, Feb. 1988,p.656