Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 TUP110

ZrH2 を用いたレーザーイオン源からの陽子ビームの生成
PROTON BEAM GENERATION WITH A LASER ION SOURCE USING ZrH2 TARGET齋藤嘉人#, A), 岡村 昌宏 B,C), 金末 猛 B), 池田 峻輔 B), 吉田 光宏 D)
Yoshito Saito#, A), Masahiro Okamura B, C), Takeshi Kanesue C) Shunsuke Ikeda C)
Mitsuhiro Yoshida D)A)
the Graduate University for Advanced Studies
B)
Collider-Accelerator Department, Brookhaven National LaboratoryC)
Nishina Center for Accelerator-Based Science, RIKEN
D)
Accelerator Division, High Energy Accelerator Research Organization, KEKAbstract
Laser ion source (LIS) could potentially be a high current pulsed proton beam source, although it has been known as
heavy ion beam provider. In the past, we have confirmed capability of generating proton beam from a LIS using
compressed hydride metal targets[1]. In this article, we report proton beam generation performance of an existing LIS
which is regularly used for user facilities in Brookhaven National Laboratory (BNL). Obtained beams form a ZrH2target showed a clearly separated hydrogen peak from Zr ion beam current in the experiment.
[1] M.Sekine et. al., Review of Scientific Instruments, 2012, p. 83.

1.

はじめに転の簡素化に大きく寄与する。そこで、ＢＮＬに設置されたイオン源を使って水素ビーム発生の実験を行った。水素イオンビーム発生がＢＮＬのレーザーイオン源で実証できれば、他の気体ベースのイオンに関しても応用が考えられる。

レーザーイオン源は、固体表面に高強度パルスレーザーを照射することでレーザーアブレーションプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを引き出す装置である。このプラズマ生成は主に高強度レーザーに照射された固体表面の電子が逆制動放射吸収
2. 実験装置概観
過程によって数百 eV(高電荷数発生の場合)まで加熱
Figure 1 に BNL における入射器施設の概要を示す。
されることによって引き起こされる[2]。レーザーイオン源はレーザー性能を上限とする高い繰り返し率 これらは主にレーザーイオン源、Electron Beam Ion
で、高強度なパルス状のイオンビームを生成できる Source(EBIS)、後段に続く高周波四重極線形加速器(RFQ)から構成される。EBIS はイオン源から供給さことが特徴である[3]。
然しながら、ターゲット素材は個体である必要が れた 1 価イオンビームから多価イオンビームを生成あり、気体ベースの核種については普及していない。 するための装置である。したがって、本研究ではプ
本研究では最も一般的な水素イオンを安定に発生さ ロトンビームを一時的に捕獲するためのみに使われることになる。
せる技術を確立することを目標としている。
同一のイオン源からあらゆる核種を発生できれば、 レーザーイオン源の固体ターゲットとして水素化より広範な分野での応用が可能となる。例えば、炭 金属を用いることで陽子ビームが生成されることは素線と陽子線を供給できる粒子線がん治療装置への 先行研究[1][4]によって既に示されている。今回の実験では、実際に BNL の入射器で用いられている適用が考えられる。
レーザーイオン源(BNL-LIS)でZrH
固体ターゲット
米国ブルックヘイブン国立研究所(BNL)では、NASA Space Radiation Laboratory(NSRL)へ各種イオ にレーザーを照射し、得られた陽子ビームのビームンビームを供給するためにレーザーイオン源が実用 電流やパルス幅を計測した。また、ZrH 固体ター機として稼働している。NSRL は、NASA(アメリカ ゲットの耐久性を NSRL で使用されている他のター航空宇宙局)が行っている宇宙放射線の生体への影響 ゲットと比較した。
を調査する為の研究施設である。現状、NSRL 用にLi, Al, Ca, Ti, Si, Ta, Au, Th 等のイオンを安定して供給しているが、陽子ビームに関しては同入射器施設内の 200MeV 線形陽子加速器が用いられている。陽子ビームをレーザーイオン源によって供給することができれば、イオン源を一元化することができ、運___________________________________________# syoshito@post.kek.jp- 664 -

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Figure 3: ZrH Solid Target installed in BNL-LIS.
Figure 1: Injection beam line of BNL. Ion beams fromBNL-LIS are bent by a pair of bending electrodes inLEBT then guided into EBIS charge breeder.
2.1

レーザーイオン源(LIS)

Figure 2 に BNL-LIS の概要を示す。BNL-LIS はNd:YAG 固体レーザー(Quantel 社製 Briliant B, 発振
波長 1064nm, 最大エネルギー850mJ, パルス幅 6ns)とターゲットを配置する X-Y ステージ、真空チャンバー、ソレノイドによって覆われたビームパイプによって構成される。また、後段には低エネルギービーム輸送用ライン(LEBT)が続き、ソレノイドの中を等速直線運動するプラズマは BNL-LIS と LEBT 間に設定された電圧によって引き出される。ソレノイドは空間的に一様に広がろうとするプラズマを軸方向に磁場を加えることで半径方向にプラズマを閉じ込める目的で設置されている。

2.3 ワイヤビームモニタ
Figure 4 にワイヤビームモニタの概要を示す。ワイヤビームモニタは LEBT 入り口に取り付けられている。
ビームが通過した時、各ワイヤ電圧からおおよそのビーム位置が、また全てのワイヤについて電圧を合計することで各レーザーショットに対するイオンビームの安定性を知るために装着されている。バックグラウンドや二次電子の影響を考慮していないため、簡易なビームモニタとして用いられる。

Figure 4: Conceptual diagram of Wire Beam Monitor.
This monitor is installed just after the exit of BNL-LIS.

3. 陽子ビーム発生試験
Figure 2: A cross section of BNL-LIS. The area indicatedin red always maintains 15kV. Extraction Voltage ismodulated by changing the voltage of the Extraction
chamber.
2.2 ZrH 固体ターゲット
Figure 3 に今回の実験で BNL-LIS にインストールしたZrH 固体ターゲットを示す。これは、アルミニウム製の円筒形シェルに粉末状のZrH を油圧プレスで加圧して固めたものである。円筒形シェルは外径 15.8mm、高さ12.6mm の円筒から外径 8.6mm、高さ 6.4mm の領域をくりぬいた形状である。

BNL-LIS では、NSRL 実験で用いるイオンビームを供給するためにおおよそ 0.2Hz の繰り返しでレーザーを照射している。ZrH ターゲットについても同様のスキームで照射を行った。以降の図に示す
ように、時間的に早い急峻なピークが水素イオンであり、後に続く母材のジルコニウムの電流波形から独立している。このため、後段の EBIS への入射タイミングを制御することによってプロトンビームのみを切り出すことが可能である事が分かった。
今回の実験ではレーザーエネルギーとソレノイド磁場、引き出し電圧の順でビーム電流の最大化を- 665 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, JapanPASJ2017 TUP110行った。

3.1 レーザーエネルギー
Figure 5 にレーザーエネルギーを変化させた際のワ
イヤビームモニタにおけるビーム電圧の時間的構造を示す。この時のソレノイド磁場は4.6 × 10 mT、引き出し電圧は 1.5kV であった。プロトンとジルコニウムの電流強度は共にレーザーエネルギーの増加に対して同等に増加している。(図中における QS はフラッシュランプトリガーに対する Q スイッチの遅延を表す。)
Figure 7: The time structure of proton beam current withvaried extraction voltage.

4. 結果と考察

Figure 5: The time structure of proton beam current withvaried laser energy.
3.2 ソレノイド磁場
Figure 6 に磁場を変化させた際のビームモニタ電圧対時間のプロットを示す。この時、BNL-LIS において連続運転の実績がある最大のレーザーエネルギー(354mJ,QS=260us)を用いた。磁場強度の増加の影響はプロトンの電流値に対して顕著であることが分かる。これは、低磁場領域で、軽いプロトンへの閉じ込め効果が高い事を示している。ソレノイド磁場は9.2 × 10 mT を採用して実験を続行した。

この実験では BNL-LIS 出口で電流 120µA、パルス幅 20µs 程度の陽子ビームを発生させることに成功した。
また、レーザーショット一発当たりの消費量は 1.5µg であった。実際に NSRL に供給している Fe イオンビームの場合、Fe ターゲットの消費量は 0.15µg/発である。
これは Fe ターゲットが金属平板であるのに対しZrHターゲットが粉末を圧縮したものであるため外部からの衝撃に脆いためであると考えられる。

5 まとめ
BNL-LIS にZrH 固体ターゲットをインストールし、陽子ビームを得ることに成功した。
今後はZrH ターゲットの高耐久化を目指すためにZrH 粉末を焼結して固形化する技術開発を行う。

謝辞
本 研 究 は 科 研 費 15K1521 、 米 国 エ ネ ル ギ ー 省 、NASA の支援を受けて行われた。

参考文献[1] M. Sekine et al., Rev. Sci. Instrum. 83, 02B318 (2012).
[2] B. Sharkov, “Laser Ion Sources” in Ian G. Brown (ed.),The Physics and Technology of Ion Sources, WILLEYVCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004, pp.234.
[3] M. Okamura et al., “Design Study of a DPIS Injector for aHeavy Ion FFAG” LINAC08, Victoria, Canada, MOP045(2008).
[4] M. Okamura et al., Rev. Sci. Instrum. 87, 02A906 (2016).

Figure 6: The time structure of proton beam current withvaried magnetic field.
3.3 引き出し電圧
Figure 7 に引き出し電圧を変化させた際のワイヤディテ
クター電圧対時間のプロットを示す。引き出し電圧を従来の 1.5kV(図中では 1.4kV)より下げて行き、陽子ビーム電流は 800V で最大化されることを確認した。

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