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

18GHz ECR チャージブリーダーの開発
小柳津充広 A)、鄭 淳讃 A)、東條栄喜 A)、渡辺 裕 A)、石山博恒 A)、榎本一志 A)、川上宏金A)、片山一郎 A)、宮武宇也 A)、野村 亨 A)、市川進一 B)、長 明彦 B)、松田 誠 B)
A)
B)

高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

日本原子力研究所東海研〒319-1181 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-4

概要2

現在、原研東海研のタンデム加速器施設において
KEK-JAERI 短寿命核ビーム実験施設の建設が進められている。ここでは JAERI オンライン同位体分離器によって作られた１価の短寿命核イオンを多価イオンに変換し後段加速器で再加速する。この荷電変換のため、チャージブリーダーとして、18GHzECR イオン源を設計、製作した。施設へ組み込む前に、KEK 構内のテストベンチで１価の安定核イオンをチャージブリーダーに打ち込み、多価イオンへの変換効率の測定を行った。今までに Ar+9 で 13.5％、Kr+12で 10.4％、Xe+20 で 6.5％の価数増殖効率を得た。

この 18GHzECR チャージブリーダーの断面図を図１に示す。建設中の短寿命核ビーム施設で最高エネルギーまで加速可能な短寿命核イオンの質量/電荷（A/ｑ）は７以下である。したがって、この条件を満たすようなイオンを効率よく電離できるように 18GHz、1kW のマイクロ波源を用いる ECR イオン源を製作した。１価イオンを ECR プラズマ中に入射、捕獲し多価イオンに変換するには、入射イオンをプラズマチェンバーの中で効率よく止める必要がある。
イオンがチェンバーの壁にぶつかる前に止まるように、計算シミュレーションからチェンバー内径がφ75mm に決められた[5]。さらに構造上、普通のイオン源と異なり、ビーム引き出し側の反対側に１価のイオンを受け入れ、ECR プラズマに効率よく止めるための減速レンズシステムを持っている。入射した１価イオンは減速レンズを通り急減速され、ミラーコイルの磁場によって軌道を曲げられ ECRプラズマに入る。減速レンズは２重の円筒構造からなっていて、外側の筒がイオン源と同電位になり、内側は接地されており、両電極の間で主に減速される。図２に ECR チャージブリーダーの軸上磁場分布と６極磁石による径方向磁場分布を示す。ECR ゾーンは 18GHz に対して 0.64Tの領域である。左図がミラーコイルによる、典型的な運転状態での軸上磁場を表している。ビーム入射側のピークは~1.55T で最も磁場が強く、引き出し側は低く設定されている。１価ビームは図の左側から入り、右から多価イオンビ

1はじめに

KEK-JAERI 短寿命核ビーム実験施設[1]ではタンデム加速器からの 30MeV の陽子ビームをウラニウムターゲットに照射してウランの核分裂反応により生成される中性子過剰核[2]を、表面電離イオン源や FEBIAD イオン源等のISOL イオン源によって電離し、１価のイオンビームとして取り出す[3]。このイオンを後段加速器で加速し、核子あたり 5～9MeV の短寿命核ビームにするには、１価のイオンを後段加速器の加速条件に合った多価イオンにしなければならない。我々はこの目的に沿って 18GHzECR イオン源を専用のチャージブリーダーとして設計製作した[4]。
このイオン源を 18GHzECR チャージブリーダーと呼ぶ。

18GHZ ECR チャージブリーダー

図１： KEK 18GHzECR チャージブリーダー断面図

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図２： ミラーコイルによる軸上磁場分布（左）と６極磁石による径方向磁場分布（右）源とチャージブリーダー間の電位差δV はチャージブリー
ダーのプラズマポテンシャルの補正電圧で数 10V かけられている。打ち込まれた１価イオンは、多価イオンとなり、ECR チャージブリーダーから 12kVの加速電圧で再加速される。入射ビームは１段目の分析電磁石後方のファラディカップで、多価イオンはシステム最後部にあるファラディカップで測られる。この１価イオンのビーム強度とチャージブリーダーから引き出されたそれぞれの価数のビーム強度と比べて変換効率を求めた。各々の価数のイオン電流（particle ampere）の元の１価イオン電流（particle ampere）に対する割合を価数増殖効率と呼ぶことにする。実際は予め目的とするイオンの価数に合わせて ECR チャージブリーダーのパラメターを調節してから１価イオンを打ち込む。打ち込み前後のスペクトルを比較して荷電分布を得る。
図３： KEK 構内のテストベンチ配置図ームとして取り出される。
ミラーコイル間隔は 300mm で、二つのコイルの間にさらに補正コイルを設け軸上磁場を持ち上げられるようにした。右図は６極磁石による径方向磁場分布を表している。ECR ゾーンは内壁より 12mm のところにある。図からわかるようにこのイオン源の ECRゾーンの大きさは約φ50mm x 100mm である。

4

実験結果

このようにして、現在まで Ar、Kr、Xe を１価のイオンとして打ち込み、チャージブリーダーで得られる荷電分布を測定してきた。それぞれの典型的な価数増殖効率を表 1に示す。
表１: 価数増殖効率

3チャージブリーディング実験

質量数4084132

価数91220

価数増殖効率(%)
13.5
10.4
6.5RF(W)
350350400Ar
KEK におけるテストベンチの配置を図３に示す。
図からわかるように、２組のイオン源と分析磁石からできている。
Kr
初段の永久磁石型の 12GHzECR イオン源を用いて、短寿命Xe
核ビームの代わりに安定核の１価イオンを生成する。アインツェルレンズ、１段目の分析電磁石を用いて目的の１価価数増殖効率に対する荷電分布の例として、図４に Arイオンを分析し、第２段に送る。２段目がテストされるを、図５に Xe を示す。これらの図で各々の価数の価数増ECR チャージブリーダーである。１価のビームはさらに、 殖効率を足すと ECR チャージブリーダーは両端が開いてダブルスリットを通り入射エミッタンスが決められいるイオン源なので、およそ 50％となる。イオンが重くな（~50πmmrad）、チャージブリーダーに入射される。１価のるに従って価数の分布が広がっていくので、各々の価数にイオンは 12kV+δV で加速され、チャージブリーダーに入対する価数増殖効率は落ちていく。
る寸前で上記の減速レンズによりほぼゼロエネルギーまで減速されてから ECR プラズマに打ちこまれる。イオンThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

り、ゲッター材を入れて選択的に残留ガス成分を減す等残留ガスを減らす努力をしてきた。これまで、価数増殖効率を上げるため、打ち込み実験をしてきたが、この点が今後の課題と思われる。

参考文献[1] H. Miyatake, et al., Nucl. Phys. A 701(2002)62c-66c.
[2] 川上宏金, KEK Report 2003-4, 2003, H/R.
[3] S. Ichikawa et al., Nucl. Instru and Meth., B204(2003)372.
[4] M. Oyaizu, et al., 15th International Workshop on ECR IonSources, ECRIS`02, June 12-14, 2002, University ofJyvaskyla, Finland.
[5] S. C. Jeong, et al., Rev. Sci. Instr. 73, 2(2002)803.

図４： Ar の価数増殖効率の荷電分布

図５： Xe の価数増殖効率の荷電分布5考察と今後の課題

短寿命核ビーム実験施設専用の ECR チャージブリーダーを設計製作し、イオンの価数増殖効率を測定してきた。
これらの実験では 100~500nA 程度のビームを用いて、前節で述べたような結果を得た。しかし、実際に生成される短寿命核は、ビームとしては非常に少ないので（<109 イオン/s）、我々の ECR チャージブリーダーの場合は、A/q の 値が６～７の間で残留ガスの多価成分が強く現れると目的の短寿命核との分離が困難になる。短寿命核イオンをきれいに分離するには、不純物の少ないプラズマを作り、プラズマチェンバー中の残留ガス成分（空気、特に C、O、N）をできるだけ少なくすることが重要である。我々はこれま
でも、チェンバー内壁の材料や上流側にポンプを増設した