Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF A SMALL ECR ION SOURCE
WITH PERMANENT MAGNETS
K.Yoshida, T.Nara, Y.Saitoh, W.Yokota
Japan Atomic Energy Research Institute1233 Watanuki Takasaki Gunma, 370-1292
Abstract
The rising temperature of mirror magnets by coil heat changes the beam intensity of an ECR ion source. In order toimprove the beam stability, we are developing an all-permanent-magnet ECR ion source with a microwave frequencyof 14GHz which will provide highly charged ion beams of medium-heavy elements. Its mirror field can be changedby tuning magnets. The details of the source and the results of the test operation are described.

永久磁石型小型ＥＣＲイオン源の開発
１．はじめに原研サイクロトロンは、13年間以上にわたり多種多様なイオンを提供している。近年、サイクロトロ
ンのビーム強度の変動が電磁石の鉄心温度上昇にあることを突き止め、その安定化を実施した。その結果、従来数十時間で10-4台であった磁場変動を10-5台に抑え長時間の安定を実現した。これにより磁場を再調整することなく安定したビーム供給が可能となった[1]。一方、イオン源から引き出されるビーム強度の安定性を高めることは、サイクロトロンの加速ビームの安定につながるとともに、加速器の調整時間の短縮を可能にする。現在のサイクロトロンには重イオン生成用[2]，金属イオン生成用の2台のECRイオン源が設置されているが、これらイオン源から引き出されるビームには時間的な強度の変動があり、ミラーコイルの発熱が主な原因と考えられる。
そこで全ての磁場を永久磁石により形成させるECRイオン源の開発に着手した。本報告では，このイオン源の基本設計と試験運転結果について述べる。

Microwave
injection

Insulator
MirrormagnetAluminium
case

Yoke
MirrormagnetHexapole
magnetExtraction
electrode
KaptonsheetGas
injection

Plasmachamber(water cooling)

MirrortuningmagnetFigure 1: Cross sectional view of the ECR ion source.
Tuning magnet

SUS316

２．基本設計
2.1 ミラーおよび六極磁石
Figure 2: Cross sectional view of the mirror tuning
Fig.1に永久磁石型小型ECRイオン源の概略を示す。
magnets and the hexapole magnet.
原 研 AVF サ イ ク ロ ト ロ ン が 加 速 で き る の は 、
M/Q=6.5(M:質量数，Q:価数)以下のイオンであるこ
磁 場 調 整 用 磁 石 を 置 き 、 BMAX=0.88T (1.76BECR)，とから、軽イオンだけでなく中重元素の多価イオン
BMIN=0.22T，BMAX/BMIN=4.0と変えられるようにした。の生成も行えるように、マイクロ波周波数を六極磁場においてもできるだけ高い磁場強度が求14GHz(BECR=0.50T)とした。また磁場設計には磁場められるが、ミラー磁石と同じN48Hを用いてプラズマチェンバーの温度上昇から磁石温度が45℃にな計算コードOPERA3Dを用いた。
ると仮定すると、数％減磁することが判った。そこ
ミラー磁場については強い残留磁束密度と保磁力で六極磁石の着磁方向(着磁方向45°)と相反する向きの点からN48H(信越化学工業㈱)を選択し、ガス導入となる調整用磁石をFig.2のように非磁性体(SUS316)
側 及 び 引 き 出 し 側 と も に 、 最 大 ミ ラ ー 磁 場 BMAXに し 、 さ ら に 耐 熱 性 の 高 い N44MH を 選 択 し た 。
=0.80T(1.6BECR),最小ミラー磁場BMIN=0.32T,ミラーチェンバー表面における径方向の磁場強度は0.80T
比BMAX/BMIN=2.5とした。またミラー磁場分布を変化となった。Table 1に主要パラメーターを示す。
させるため、ミラー磁石の内側に着脱可能なミラー392

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Fig.3およびFig.4にミラー磁場，六極磁場の計算結果と磁気回路の実測結果を示す。計算による共鳴領域は長さ110mm，直径25.4mmであるが、実測値は長さ109mm，直径25.8mmであった。また磁場分布は BMAX=0.86T(1.7BECR),BMIN=0.20T,BMAX/BMIN=4.3 であった。ミラー磁場調整用磁石を取外した場合では
実 測 の 長 さ は 90mm と な り 、 BMAX=0.80T(1.6BECR),BMIN=0.32T,BMAX/BMIN=2.5であった。

Table 1: Specification of the ECR ion source.
Microwave:
Frequency
Maximum power

14GHz
125W

Material

NeFeB(N48H)
240mm
182mm
41mm
0.88T
0.22T

Mirror magnet:

LengthOuter diameter
Inner diameter
Maximum field strength
Minimum field strength

2.2 マイクロ波アンプおよびプラズマチェンバー

Hexapole magnet:
MaterialLength
Outer diameter
Segment
Inner diameter
Radial field at 16mm

NeFeB(N44MH)
120mm
102mm
12piece
41mm
0.80T

Outer diameter
Inner diameter
Material39mm
32mm
SUS316マイクロ波発振器には周波数安定度が高く、低ノイズとする為DRO(Dielectric Resonator Oscillator)を使用した。またマイクロ波アンプには最大出力125WのTWT(Traveling Wave Tube)を採用した。プラズマチ ェ ン バ ー (SUS316 製 ) は 冷 却 水 路 を 持 つ 内 径 Φ32mm外径Φ38.5mmの2重管構造とした。

Plasma chamber:

３．試験運転結果

Measured with tuning magnet
Calculated with tuning magnet
Measured without tuning magnet

0.8

Ar3+
Ar5+ Ar4+ N1+O2+O1+
Ar6+

1E-6

0.6

H2 +

BECR
Beam intensity [A]Magnetic Field [T]1.0

ミラー磁場調整用磁石をはずした状態でアルゴンガスを導入し、TWT出力10Wでプラズマを生成し、6kVでイオンを引き出した。得られたビームスペク
トルをFig.5に示す。Ar6+ は300nA，Ar9+ は30nAである。引出系の最適化を行うことによりビーム電流が増加するものと期待している。

0.4

0.2

0.0-100-80-60-40-20

0204060

80

3:

Axial

Ar1+

O3+

H+

Ar7+

1E-7

N3+

Ar8+
Ar9+
1E-8

O4+

Ar10+
O5+

1E-9

100

Z axis [mm]Figure

Ar2+

1E-10

magneticfield

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.61.8Analyzing magnet field [kG]
1.6
1.4

Magnetic field [T]Figure 5: M/Q spectrum for the testtiMeasured
Calculated

４．今後の予定

1.2

引き出し系の最適化を行いビーム電流の増加を図るとともに、ミラー磁場調整用磁石を据付た場合の効果を検証する。

1.0
0.8
0.6

BECR

参考文献

0.4

Chamber wall

0.2
0.0
02

4

68

101214161820

R radial [mm]Figure 4: Radial magnetic field distribution.

[1] S. Okumura, et al., “Temperature control of a cyclotron
magnet for stabilization of the JAERI AVF cyclotronbeam”, Proc. 16th Int. Conf. on Cyclotron and theirApplications, East Lansing, USA, 330 (2001).
[2] T. Nara, et al., “Status of ECR ion Source at JAERI”, Proc.
9th Symp. on Accelerator Science and Technology,Tsukuba, Japan, 89 (1993).

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