倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2021 年度（第 53 回）助成

自然科学・工学－健康・医療：1 年助成

奨励金№1509

BNCT 用加速器駆動中性子源のためのマルチカスプ磁場印加
レーザーイオン源の開発
高橋一匡

長岡技術科学大学

電気電子情報系

助教

Development of laser ion source applying multicusp
magnetic field for BNCT by accelerator
driven neutron source
Kazumasa Takahashi,
Department of Electrical, Electronics and Information Engineering. Nagaoka University ofTechnology, Assistant Professor

加速器駆動中性子源のための大電流レーザーイオン源を開発するため、マルチカスプ磁場をアブレーションプラズマに印加し、レーザーターゲットからイオンビーム引出し電極まで輸送を行った。また、プラズマから大面積かつ収束イオンビームを引き出せる電極構造を採用した。その結果、提案法のレーザーイオン源ではプラズマの膨張を制限して加速器まで導き、従来より大電流のイオンビームを供給できることを実証した。
In order to develop a high current laser ion source for an accelerator driven neutron source, we proposed amethod in which an ablation plasma is confined by using a multicusp magnetic field during the transportation fromthe laser target to the ion beam extraction electrode. In addition, an electrode that can extract a converging ion
beam with a large aperture compared to the conventional one is used for ion beam extraction from a plasma. As theresult, it was demonstrated that an ion beam with a larger current can be supplied from the laser ion source by thesuggested method.

1．研究内容きるイオン発生方法は実用化されていなかった。

1.1 はじめにリチウムイオンの供給には通常は ECR（Electron

近年、中性子応用に向けた加速器駆動中性子源

Cyclotron Resonance）イオン源が用いられる。この研究開発が活発化している。これまで提案され

こでは、蒸発させたリチウム蒸気に対して高周波てきた加速器駆動中性子源で、本来ターゲットとにより電力を供給することで電子を衝突させてイなるリチウムを反対に加速して中性子を発生させオン化を行う。このときの供給できるビーム電流る方式を採用したものは無い。これは、水素、重は蒸気の量に依存するが、加速器内に粒子が存在水素などの気体をイオン化するのが容易である事、すると衝突によって失われるため、そのバランスヘリウムより重い元素を陽子ビームと同等の電流で実際に供給可能は決まる。従来法に基づいたリ量で加速する技術が確立していなかった事が大きチウムビーム電流は数 10 〜 100 μA 程度であり、い。例えば、汎用の従来型イオン源では、陽子従来法で中性子応用に必要な、現行の陽子ビームビームは数 10 mA の出力を持つものが多数存在す供給量と同等程度となる 10 mA のオーダーのビーるが、リチウム以上の核種を同等の出力で提供でムを発生させることは極めて困難である。

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本研究では従来法の代わりにレーザーで生成したプラズマからイオンを引き出すレーザーイオン源を用いる。本手法は固体密度のプラズマを発生させることができ、レーザー光は局所的にエネルギーを付与できることから、通常では難しい高い価数のイオンを大量に発生させることが可能である。このため、提案法では蒸気からプラズマを生成する従来法と比較して十分大きな電流のイオン

図 1．実験装置概略図

ビーム供給が可能である。一方で、実用的な中性子源を構築するためには現行の水素を用いるイオ

3 mm のものと、12 mm で収束ビームが引き出せン源にとっても大強度である 10 mA の発生には不る形状のものを用いて比較を行った。

足している。プラズマをソレノイドコイルによって発生させた磁場によりプラズマを閉じ込める方

1.3 実験結果

法も検討しているが、磁場が強くなると磁力線の図 2 は各電極および磁場の有無の条件で得られ影響によりイオン引き出し部で放電が起きやすくたイオン電流を示している。0 s 付近の信号はレーなるなど技術的な課題がある。そこで、本研究でザーの散乱光によるイオン検出器からの電子の放は、管の中心部に磁場が存在しないため上記のよ出であり、Cu で 15 μs、C で 7 μs 付近にピークをうな問題が発生せず、磁場発生時の発熱などの問持つ信号がアブレーションプラズマのイオンの検題もないなどのメリットもあるマルチカスプ磁場出を示している。まず、イオン引出し電極の面積によるプラズマガイディングと大面積のイオンを直径 3 mm から 12 mm（メッシュ付）へと大きビーム引出し電極の組み合わせによる大電流のイくした結果、概ね開口面積比程度に電流が増加すオンビーム形成方法を検討した。

ることが分かった。次に同じ電極を用いてマルチカスプ磁場を印加した結果、イオン電流が増加す

1.2 実験装置る結果が示された。これによりマルチカスプ磁場

本研究では本手法の原理実証のため、反応性のがソレノイド磁場と同様に磁場内のプラズマの膨高い Li ではなく、常温で固体であり Li に原子量張を抑制し、イオン引出しの位置でのプラズマ密が比較的近い C と、提案法のイオン種による影響度を増加させる効果があることが示唆された。さの違いを調べるため、Cu の 2 種類のターゲットをらに電極に至るまでのプラズマ輸送管の内径を 12用いた。図 1 に本研究で用いた装置の概略図を示

mm から 18 mm へ大きくした結果、C で 5 倍、Cuす。用いたレーザーは Nd:YAG レーザーの基本波

では 8 倍程度の電流の増加が示された。これらの1064 nm、パルス幅 5 ns、エネルギー100 mJ であ

結果はプラズマ中イオンの運動量分布が磁場でガる。マ ル チ カ ス プ 磁 場 は、大 き さ が 4 mm×4イドされたことにより点源から発散する分布からmm×106 mm で 4 mm 方向に磁化した表面磁束変化したことを示唆している。これらの結果によ375 mT のネオジム磁石を内接円の直径 34 mm 上り、プラズマに対して磁場を印加する際には引出に 8 極で配置した。プラズマは 107 mm のドリフし電極の面積のみならず、そこに至るまでの輸送トによる膨張後、106 mm の磁石を長手方向に 6管の径も大きくすることが引出せるイオンの増加個並べた 636 mm のマルチカスプ磁場中で輸送さに有効であることが明らかになった。

れる。また、イオンビーム引出し電極には内径がまた、図 2 の結果により、プラズマに磁場を印倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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図 2．磁場なしでのイオン引出し電極（直径 3 mm）、大面積電極（直径 12 mm、プラズマ輸送管内径 12 mm）、およびマルチカスプ磁場印加時の大面積電極（直径 12 mm、プラズマ輸送管内径 12 mm と 18 mm）でのイオン電流加するとピークに達する時刻が早くなる傾向にあズマを輸送することがより大きなイオン電流を得ることが示された。これはプラズマの速い成分にるために有効であることが明らかになった。これ含まれている高価数のイオンが低価数イオンと比らの結果からマルチカスプ磁場によるプラズマガ較してより増加していることを示唆していると考

イディングと大面積のイオンビーム引出し電極をえられる。また、イオンラーマ半径と磁束密度の組み合わせにより従来のレーザーイオン源より大関係から軽い元素である C の方が Cu よりもプラ電流のイオンビーム形成が可能であることが分ズマを閉じ込めやすいと考えられるが、得られたかった。

結果は Cu の方が磁場を印加した際の増倍率がやや大きい。これは Cu プラズマの方が多価イオン

2．発表（研究成果の発表）をより多く含んでいた可能性を示している。今後、学会発表

価数分析を行うことでアブレーションプラズマに1．Kazumasa Takahashi, Naoto Harukawa, Kaoru

対するカスプ磁場印加の効果をより詳細に調べる

Ishikuro, Shinya Ishikawa, Kakeru Miyazaki,

予定である。

Toru Sasaki, Takahashi Kikuchi, “Study onBehavior of Ablation Plasma from Liquid Metal

1.4 まとめ本研究ではマルチカスプ磁場によるプラズマガ
イディングと大面積のイオンビーム引出し電極をTarget for Laser Ion Source”, InternationalSymposium on Zero-Carbon Energy Systems（Tokyo, 2023）組み合わせ、従来のレーザーイオン源よりも大電

2．宮 﨑 翔、菊 池 崇 志、佐 々 木 徹、高 橋 一 匡、流のイオンビーム形成方法を検討した。その結果、「レーザー照射型フラーレンイオン源の単離に大面積イオン引出し電極の採用により、プラズマ向けた四重極マスフィルターの検討」、NGT-に磁場を印加しない状態では開口面積比程度のイ22-008、電気学会新潟支所大会（新潟、2022）

オン電流増加が得られることがわかった。また、

3．岩佐百華、五十嵐一輝、佐々木徹、高橋一匡、

マルチカスプ磁場の印加によってプラズマのドリ菊池崇志、「高繰り返しレーザー推進機の推進フトと垂直方向の膨張を抑えて輸送後の電流密度剤ターゲット表面の光学特性の計測」、EPP-を増加できることが示された。さらに、磁場印加

22-061、電気学会放電・プラズマ・パルスパ

時には引出し電極の径よりも大きな管によりプラワー研究会（長岡、2022）

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4．高橋 一匡、宮崎 翔、春川 直都、石黒 薫子、石川 慎也、佐々木 徹、菊池 崇志、「液体金属をターゲットとしたレーザーイオン源の基礎的検討」、FRP055、加速器学会（オンライン、2022）

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