Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-17]

ION-PUMPING EFFECT IN A PULSED PIGIS
T. Miyata*), K. Jincho, M. Yamamoto, H. Ogawa, K. Ueda
A. KitagawaA), M. MuramatsuA), T. MurakamiA), S. YamadaA), and Y. SatoA)

Accelerator Engineering Corporation
NIRS-HIMAC, Anagawa 4-9-1, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba-ken, 263-8555 JAPANA)

National Institute of Radiological Sciences

Anagawa 4-9-1, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba-ken, 263-8555 JAPAN

Abstract
Since 1994, at HIMAC in the National Institute of Radiological Sciences (NIRS), the Penning ionized-gauge ion
source (PIGIS) has so far been used for radiotherapy with carbon beams and for basic research with several ion species.
The source can produce beams from H2 to Fe with a charge-to-mass ratio of between 1/7 and 1/2. Under the low-gas
pressure by an ion-pumping effect, it is possible to produce highly charged ions, for example 400 eµA of Ar8+ or 500
eµA of Si5+. For most of cw-PIGISs, it was generally difficult to produce such highly charged ions due mainly to thehigh-gas pressure for stabilizing the arc. This paper describes the mechanisms for producing highly charged ions inPIGIS.

パルス PIG イオン源のイオンポンプ効果
1. はじめにス流量の実現またはガスパルシング（ガス供給のパルPIG イオン源にとって多価イオンの生成が困難であるス化）技術が挙げられる。前者はしばしばアーク放電のが、それは主に以下に挙げた理由による。

不安定化を招き、また後者は放電開始時での高いガス

1) 電子衝突電離に必要な電子の運動エネルギーが、圧力と多価イオン生成のための低いガス圧力の両方をK 殻や L 殻のような核外電子のなかでも深いポテンシ達成することができるが、装置の複雑化を招く。

ャルに存在する電子を弾き飛ばすには不十分であるこNIRS-PIGIS では、ガス供給はパルス化されていない。と（< keV）。2) 短いイオン閉じ込め時間。 3) アーク

しかしアーク放電がパルス化されているため、多価イオ放電プラズマを安定に維持するために必要な高いガスン生成を可能にするイオン源内のガス圧力の遷移応圧力。

答がみられることが分かった。

Ar8+を例にとると、cw 運転においては数 eµA あるい

この論文では、パルス PIG イオン源でのガスパルシはそれ以下の桁でしかビーム量が得られないが、低デングと類似した現象であるイオンポンプ効果についてューティーのパルス運転では低価イオンで数 emA の桁述べる。のビーム量が容易に得られると共に、多価イオンに関2.

してもその収量が大幅に（～3 桁）増加する。

NIRS-PIGIS は多価イオンビーム生成を目的に設計多価イオンの生成量を増加させる方法として、最小ガ*)

T. Miyata, 043-251-4484, aec2g@nirs.go.jp

NIRS-PIGIS について製作されており、詳細は文献[1、2]に記載されている。

−177−

NIRS-PIGIS はフィラメントを持つホットカソード型の中性粒子のアウトガスが発生するため、急速にガス圧PIGIS であり、カソードの加熱電力は通常約 500 W で力が増大しアーク放電（プラズマ）が安定に維持される。

7+8+

や Ar のような多価イオン生成を目的アーク電流( Iarc )は、イオン電流としてカソ－ドに流入とした通常のパルス運転時において、アーク電力は約して消滅する( Ii )と同時にビームとしてチムニの外に引5 kWpeak、デューティーは 1 %以下である。パルス運き出される( Iext )。

ある。また Ar転の周期は 1.2Hz であり、これは HIMAC 入射器の運Iarc ～ Ii + Iext .

転周期と同じである。なおシンクロトロンへ入射するビーム時間幅は通常 350µs となっている。

3.

多価イオン生成の観測
Ar ガスを、アーク放電が安定に維持できるのに必要な、可能な限り少ない流量（約 0.2cc/min）でパルス PIGイオン源に導入し、周期 1.2Hz、時間幅 9.0ms でアーク放電を起こさせた。この時に観測されたアーク放電電圧、引き出し電流、Ar8+ビーム量の時間変化を図 1 に示す。アーク放電開始の約 6ms 後から、イオンポンプ効果によるアーク電圧の増大、同時に引き出し電流の減少と Ar8+ビーム量の減少が認められる。

4.

図 1. 多価イオン生成によるイオンポンプ効果

イオンポンプ効果と多価イオン生成低い運転周期(< 1 Hz)及び短いアーク放電時間(<ガス：Ar (0.2 cc/min)10 ms)を考慮すると、アーク電力が時間平均で通常 50

上： アーク電圧 1 kV/div.

W 以下と小さいことや冷却水の効果により、チムニ（プ中： 引出電流 15 mA/div.

ラズマ生成室）壁表面からのガス放出は周期的である

下： Ar8+ビーム波形 200 eµA/div. (400 eµApeak)と考えられる。ガス流量一定の下での平衡状態におい

図 1 の上にある曲線は縦軸をガス圧力にとり、図 1 にて、中性粒子はアーク OFF の間(< 1 s)にチムニ壁に吸合わせて 4.1 の仮説をモデル化したもの。

着され、アーク ON と同時にチムニ壁から急速に放出されると考えられる。以下にイオンポンプ効果についてのAr8+ビームを数 100 eµA 生成する場合、Iarc として約 5仮説とその根拠となる観測結果について述べる。

A が必要となる。この時 Iext は 100 mA 以下なので、4.1 仮説

90 %程度のほとんどのイオンはカソードに流れ込んでここではイオンポンプ効果の発生とそれがどのようにイオンポンプ効果を生む要因となる。こうして数 ms の多価イオン生成に寄与しているかについて、図 1 の波間にほとんどの中性粒子がチムニから消失し、アウトガ形に沿って、時系列的に説明する。図 1 の上に仮説のスはポンプ効果により直ちに枯れる。3)中性粒子数はモデル曲線を示しておく。

コンダクタンスの小さい導入ガス系では十分に補完さ

1)アーク ON の直前までは上で述べたようにチムニ壁れず、チムニ内の中性粒子数は急速に減少する。4)中からのガスの放出と壁への吸着が平衡状態にあるため、性粒子数が不足になる前のアーク ON から約 6 ms にチムニ内のガス圧力は一定値を保つ（約 1×10 Torr）。

おいて十分に低いガス圧力の下、大収率の Ar8+が得ら

2)アーク ON によりプラズマが発生し、チムニ壁面かられる（400 eµApeak）。5)その後中性粒子数は不足し、-3

イオンの収率がアーク OFF(アーク ON から 9 ms)まで低よって非常に低いガス圧力の条件をつくり出せることが下し続ける。6)アーク OFF 後チムニ壁面での中性粒子解った。これにより PIGIS が最新の ECRIS に匹敵するの吸着と放出が平衡に戻り始める。

多価イオン生成（Ar8+ 等）にも十分応用できると証明さ4.2 観測結果れた。

真空チャンバー（約 50 !）はチムニ（約 10 cc）と比較して 3 桁も容積が大きく、またチムニからチャンバーに排出されるガスは開口部サイズが 1×30 mm のスリットを通過しなければならず、また真空計はアーク放電発生場所から 1 m 程離れている（図 2）ため、真空計の応答はチムニ内のガス圧力の変化よりもかなり遅いと考えられる。更に真空計(Penning gauge)自身の応答時間による遅れもある。Ar ガスでアーク放電を起こした時のアー
ク放電と真空計によるガス圧力のパターンを図 3a,b に示す。図 3a によると、アーク ON 後ガス圧力は増大し、その後アーク ON 前の平衡圧力を下回りアーク OFF と

図 3a. アーク放電によるガス圧力の変化同時に上がり始め、アーク OFF から約 100 ms で元のガ上：アーク放電電流 （5 Apeak, 5 ms）

ス圧力に戻っている。

下：ガス圧力変動(7×10-6 torr)

Arcdischarge Slit CoilGas inlet

Vacuum chamber
Penninggauge

Gas

Source head
Iron yoke

0ValveTurbo molecularpump(1500 !/s)
0.5

1.0 m

図 2. PIGIS 断面図

図 3b. アーク放電によるガス圧力の変化

真空計(Penning gauge)はアーク放電発生

周期 1.2 Hz

場所から約 1 m 離れている。

上：アーク放電電流 （5 Apeak, 5 ms）
下：ガス圧力変動(7×10-6 torr)

5. 結論
仮説として示したポンプ効果によるガス圧力の曲線が実際の圧力変動をうまく説明していることは、引出電流パターン及びイオンビーム波形の観測結果から判断して間違いないだろう。これまで低価イオン生成用とされてきた PIGIS だが、イオン源自身をパルス化することに参考文献[1]Y. Sato, A. Kitagawa, H. Ogawa and S. Yamada, J. Appl.
Phys. 76, 3947 (1994)[2]T. Miyata et al., Rev. Sci. Instrum., 71, No.2, Part II,
972 (2000)