EMITTANCE MEASUREMENTS FOR RIKEN 28 GHz SC-ECRIS
Kazutaka Ozeki#, A), Yoshihide HigurashiA), Jun-ichi OhnishiA) and Takahide NakagawaA)A)
Nishina center for accelerator based science, RIKEN
2-1 Hirosawa, Wako Saitama, 351-0198

Abstract
In order to investigate the ion optical parameters of the beam line of RIKEN 28 GHz SC-ECR ion source into
the new heavy ion linac (RILAC II), we measured the emittance of the heavy ion beams from RIKEN 28 GHz SC-ECRion source. In the test experiments, we observed that the emittance of the U35+ beam was ~100π mm-mrad (4 rmsemittance), which is smaller than the acceptance of the accelerator (~160π mm-mrad). The emittance with 28 GHz wasalmost same as that with 18 GHz and independent on the injected RF power (1~2 kW). The size of emittance increased
with decreasing the charge state. We also measured the emittance of U and O ions under the same condition. In thisexperiment we observed that the emittance of O ions was always larger than the U ion beam for same M/q.
In this contribution, we report the experimental results for emittance measurement of highly charged U, Xeand O ions from RIKEN 28 GHz SC-ECR ion source in detail.

理研 28 GHz 超伝導 ECR イオン源のエミッタンス測定
1.

′

はじめに

𝜀 𝑥𝑥 −𝑟𝑚𝑠 = �〈𝑥 2 〉〈𝑥′2 〉 − 〈𝑥𝑥′〉2(1)重イオン加速器の外部イオン源としての ECR イオ
𝑦𝑦′ −𝑟𝑚𝑠
2 〉〈𝑦′2 〉 − 〈𝑦𝑦′〉2〈𝜀=�𝑦ン源は、ビーム増強を図るための開発研究ばかりでなく、ビーム安定性、エミッタンスといった質の向[3]上を図ることも重要な課題の一つである。特に ECR で定義される 。ここで x, x’はビームラインに対してイオン源は強いミラー磁場でプラズマを閉じ込めて 垂直面での水平方向位置(x)及び角度を表す。本実験
多価イオンビームを生成するイオン源であるため、 ではこの計算を用いて多価イオンビームのエミッタ強磁場によるエミッタンスの増大が懸念される。理 ンスを算出した。
研仁科加速器研究センターにおいては、RIBF における更なるビーム増強のために 2007 年に超伝導 ECR 3. 実験結果イオン源の製作を開始し、2009 年には 18 GHz マイ
図 1 に 18 GHz マイクロ波を用いた場合の U, Xe,クロ波を用いて大強度多価イオンビームの生成に、 及び O イオンビームの規格化エミッタンスを示す。
2010 年には 28 GHz マイクロ波を用いて大強度多価 Binj, Bmin, Bext, 及び Br はそれぞれ 2.3, 0.45, 1.2, 及びイオンビームの生成に成功した[1, 2]。前述の観点から、 1.2 T である。ECR イオン源のように通常強い磁場をビーム生成開始とともにエミッタンスの測定を行っ 持つイオン源に関するエミッタンスは、簡単なモデてきた。本稿ではこれまで行ってきたエミッタンス ル計算から測定の結果について報告する。

2.

エミッタンス測定理研 28 GHz 超伝導 ECR イオン源に関する構造の詳細、生成された多価イオンビームの強度に関しては文献[1, 2]を参照されたい。エミッタンスの測定は分析電磁石の約 88 cm 下流に設置された可動式スリット(スリット幅 0.5 mm)と、更にその 4 cm 下流に設置されたビーム電流が測定できる可動式ワイヤーによって行われた。Root-mean-square emittance は#k_ozeki@riken.jp′𝜀 𝑥𝑥 −𝑟𝑚𝑠 =0.0164𝑟𝜋�𝑘𝑇𝑖+𝑀0.0402𝐵𝑟 2 𝑞𝜋𝑀(2)と表される[3]。ここで r はビーム引き出し口半径、Tiはイオン温度、M はイオン質量、B は引き出し口での磁場強度、q はイオン価数を表わす。式(2)の第 1項はイオン温度による効果、第 2 項は引き出し口部における磁場強度による効果である。通常、ECR イオン源のエミッタンスは、第 1 項の効果は第 2 項に比較して小さいと予測されている。この式から明らかなように、磁場強度に関係する部分はイオン価数、磁場強度が大きくなればなるほどエミッタンスは大- 252 -きくなり、また質量(M)とイオン価数(q)との比のみで決定される。
しかしながら図 1 から明らかなように、イオン価数の増加に従ってエミッタンスは小さくなり、かつ同じ M/q でもイオン質量が小さくなるとエミッタンスは大きくなる傾向にある事がわかる[4]。

式(2)で表されるモデル計算(実線)と実験値(白、黒丸)の比較を図 3 に示す。すべての価数に関し実験値は計算値よりも小さく、特に 36+イオンに関して、実験値は計算値の約半分の値になっている。

図 1. U, Xe, O イオンビームの規格化エミッタンス

図 3. U イオンビームエミッタンスのモデル計算、実験値の比較

図 2 に 18 GHz, 28 GHz マイクロ波を用いた場合の多価 U ビームに関するエミッタンスを示す。28 GHzを用いた実験においてBinj, Bmin, Bext, 及びBr は 3.2, 0.6,1.8, 及び 1.8 T に設定された。両周波数ともイオン源は 35+ビームを最大にするように調整され、イオン源の各パラメータ(ガス圧等)は変えずに測定された。引
き出し電圧は 22 kV である。
式(2)に従うならば 28 GHz の場合のエミッタンスは 18 GHz の場合の 1.5 倍ほどになるはずだが、図 2から明らかなように測定されたすべての価数にわたって 18 GHz, 28 GHz ともほぼ同じ値をとっている。

図 4 はエミッタンスのマイクロ波パワー依存性である。10%程度のばらつきはあるが、ほぼ一定値を示している。

図 4. U35+イオンビームエミッタンスの RF パワー依存性

図 2. 18 GHz, 28 GHz マイクロ波を用いた場合の U ビームのエミッタンス。青丸と赤丸はそれぞれ別個の測定を示す- 253 -

ECR イオン源からの多価イオンビーム強度増強の 4. まとめ
ため種々の手法が考案され、利用されてきた。その理研 28 GHz 超伝導 ECR イオン源から生成された手法のひとつとして bias disc 法がある[5, 6]。Bias disc
多価イオンビームのエミッタンス測定を行った。そ法は負電圧を印加した電極をプラズマチャンバー内の結果以下のことが判明した。に設置し、プラズマ中から逃走する電子をプラズマ中に押し戻し、プラズマポテンシャルの減少等を通 1) 測定の範囲内では、エミッタンスはイオン価数が大きくなるにつれて小さくなる傾向にある。
してビーム強度を増強させるものである。この手法
2)
同じ
M/q であっても質量の小さなイオンは大きは簡便であるばかりでなく、多価イオンビームを数なエミッタンスを持つ。
倍増強できるため、多くの研究所において利用されている。しかしながらエミッタンス等、ビームの質 3) 18 GHz 及び 28 GHz を用いたビーム生成テストに与える影響に関しての研究はほとんどないのが現においてエミッタンスに大きな差が見られなか状である。前述のように加速器の外部イオン源としった。ては、強度ばかりでなく質も含めた研究開発が重要
加速器の外部イオン源としては、高周波数を使用である。このような観点から、bias disc 法のエミッタ すればするほどビーム強度の増強がみられるため、ンスに与える影響について測定を行った。図 5 はビ 18 GHz, 28 GHz と高周波数を使用する傾向にある。
ーム(Xe19+)の強度と輝度の bias disc に印加した電圧 その反面、強磁場を使用せねばならないため、簡単への依存性である。マイクロ波周波数、パワーは 28 なモデル計算からはエミッタンスの増大が懸念されGHz, ~1000 W で、磁場強度は前述と同様の値とした。 た。しかしながら本実験結果からははっきりとしたビーム強度は負電圧とともに増加して－200 V を 磁場強度依存性はみられず、高周波数使用の優位性超えたところで最大値に達し、それ以上では減少す がより強調される結果となった。
る傾向がみられた。本実験でも、ビーム強度は 0 V
Bias disc 法を用いた場合、ビーム強度の増強がみ時(60~80 eµA)と比較して－200 V 時には~150 eµA と、 られるが、同時にエミッタンスも増大し、結果とし約 2 倍に増強された。て輝度は逆に若干の減少がみられた。
ビームの輝度を求めると電圧とともに若干の減少がみられた(図 5 下)。加速器のアクセプタンスがエミ [1] Y. Higurashi et al., 「加速器」vol. 6, No. 4 (2009) 346
ッタンスよりも十分大きいときは問題にならないが、 [2] Y. Higurashi et al., in these proceedings
エミッタンスよりも小さい場合はエミッタンスの大 [3] I. Brown, The physics and technology of ion sources (Wiley.
New York 1989) p94
きさ、輝度のバイアス電圧依存性に注意を要する事がわかる。Bias disc 法のエミッタンスに与える影響 [4] D. Wutte et al., Physica Scripta T92 (2001) 247[5] G. Melin et al., Proc. Int. Workshop on ECR ion sources,の研究は始まったばかりであり、メカニズムの解明
Knoxville, 1990, Oak Ridge National Laboratory, 1991, p1
等のためにはより系統的な実験が必要となる。
[6] S. Biri et al., Nucl. Instrum. Methods B152 (1999) 386

図 5. Xe19+イオンビーム強度と輝度の bias disc 電圧依存性- 254 -