Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 THP039

永久磁石型 2.45 GHz ECR イオン源の開発
DEVELOPMENT OF 2.45 GHZ ECR ION SOURCE WITH PERMANENT MAGNET
島田健司 ∗ , 畑中吉治, 福田光宏, 依田哲彦, 植田浩史, 安田裕介,
鎌倉恵太, 原周平, 久米世大,森信俊平, 永山啓一, 齋藤高嶺, 田村仁志

Kenzi Shimada∗ , Kichiji Hatanaka, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroshi Ueda, Yuusuke Yasuda,
Keita Kamakura, Shuhei Hara, Toshihiro Kume Shunpei Morinobu,Keiichi Nagayama, Takane Saito, Hitoshi Tamura
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University, 10–1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567–0047

Abstract
A 2.45-GHz ECR ion source has been developed to supply high currents with a low emittance at the RCNP cyclotron
facility. The plasma chamber consists of a cylinder of aluminum, two boron-nitride disks placed at top and bottom of thecylinder, and a water cooled outer cylinder of copper. The magnetic field is formed by two ring permanent magnets andno multipole magnets are employed. A proton-beam intensity of 1 mA at an extracting voltage of 15 kV was obtain using
a microwave power of 355 W. A life time of the ion source depends on durability of the disk. After the material of thedisks was changed to alumina, it could produce the proton beam of 0.5 mA in a life time test of 1536 hours, and requireda relatively low RF power of 200 W. The essential development steps towards the observed performance are described.

はじめに

クロ波源には 2 kW 出力のマグネトロンである Alter 社
SM840E と TMA20 の組み合わせ，もしくは 200 W 出
大阪大学核物理研究センター (RCNP) の加速器施設 力の進行波管アンプである Varian 社 VZS6953G5 を使は AVF サイクロトロン (K 値 140 MeV) とリングサイ 用した．マイクロ波経路には 3 段の ridged transformer
クロトロン (K 値 400 MeV) を有しており，これを用い を挿入し，導波管とプラズマチェンバー間のインピーダて陽子，重陽子，3 He，4 He などの軽イオンビームの利 ンスを整合した．プラズマチェンバーの内径は 90 mm，用を中心とした精密原子核物理研究や，単色中性子や超 長さ 110 mm である．プラズマチェンバーの上流側と冷中性子，ミューオンなどの二次粒子を用いた基礎・応 下流側にはセラミック板を設置した．セラミック板の厚用研究を行ってきた．近年では粒子線治療や熱中性子を さは 2 mm であり，材質には窒化ホウ素 (BN 99 %) も用いたホウ素中性子捕捉療法，α 放出核種を用いた内用 しくはアルミナ (Al O 95 %) を用いた．下流側のセラ2 3療法といった医学への応用も行っている．このような研 ミック板の中心には引き出しのために直径 5 mm の出口
究においてイオン源にはより高強度なビームを安定し 穴を開けた．て供給することが求められる．加えて，高強度ビームを本イオン源では電子は 2.45 GHz のマイクロ波による加速するにあたっては機器の放射化がより際立つため， ECR でエネルギーを得て，ビーム軸と平行な磁場に巻ビーム透過効率を高めるべく高輝度かつ低エミッタン き付きながら運動し，セラミック板に衝突する．この時スであることも求められる．このため我々は永久磁石型 生じる 2 次電子によって電子密度を高め，プラズマを維
2.45 GHz 電子サイクロトロン共鳴 (ECR) イオン源を開 持してゆく．よって，イオン源の寿命はセラミック板の発し，15 keV の陽子ビームに対して 1 mA 級の出力を 耐久度に依存している．詳細については次章にて記す．
目指している [1] ．
引出電場は 4 枚の直径 5 mm の穴をもつ電極で構成した．プラズマチェンバー出口穴のある面をプラズマ
2 . イオン源の構造電極とし，そこから 16, 54, 68, 82 mm の地点に順に電本イオン源の特徴は多極磁場を用いず，リング型永 極 A, B, C, D の 4 枚を設置した．引き出されたビーム
久磁石のみで磁場を構成している点にある．また，ミ はグレイザー磁石を通過し，診断ステーションにて運動ラー磁場も採用していない．これにより電力を必要と 量分析前のビーム量を測定した．さらに 90 度磁石を通しないため電源設備が不要となり，運転安定性が高く 過し，運動量分析後のビーム量を測定した．
なる．また，装置の構成が単純となる．つまり，装置サイズがコンパクトになり，かつ運用とメンテナンスが容 3 . 性能評価易となる。概略図を Figure 1 に示す．基本的な設計は
我々はイオン源を RCNP イオン源室に設置し，テスCEA/Saclay の SILHI に倣った [2] ．磁場は 2 連の NdFeB
ト運転を行った．テスト運転では陽子だけでなく α 放磁石 (NEOMAX–48BH) と鉄 (SS400) の磁気シールドに出核種の生成に必要となる 4 He+ についても行った．イより形成し，プラズマチェンバーの両端に設置されたセオン源を運転した際のパラメータを Table 1 に示す．陽ラミック板付近が 87.5 mT となるように調整した．マイ子ビームに対する設定は A と B である．4 He+ ビーム∗ shimada@rcnp.osaka-u.ac.jp
に対する設定は C である．設定 B と C は加速粒子は異1.

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A, B, C, D electrodes
Plasma electrode
Ceramic disks
Gas
inlet

NdFeB Ring Magnets
Magnetic shield
Ridged transformer

Teflon insulators

TMP

100 mmFigure 1: Schematic view of ion source.
Table 1: Parameters of Ion Source for Proton Beam and 4He+ Beam
設定ABC

加速粒子

pp

4

マイクロ波源SM840E, TMA20

VZS6953G5

VZS6953G5He+

セラミック板材質

窒化ホウ素

アルミナ

アルミナ

真空度

引出電極チェンバー

3.5 × 10−3 Pa

1.7 × 10−4 Pa

8.9 × 10−4 Pa

診断ステーション

6.2 × 10−3 Pa

3.3 × 10−3 Pa

2.0 × 10−3 Pa

Plasma 電極+15.0 kV

+15.0 kV

+15.0 kVA 電極

+14.8 kV+6.1 kV+5.5 kV

B 電極−26.0 kV

−30.0 kV

−30.0 kVC 電極−1.3 kV−0.5 kV−1.0 kV

D 電極groundgroundgroundグレイザー磁石電流

170 A

110 A

214 A

ビーム量

運動量分析前840 µA

510 µA (± 1.3 %)434 µA† (±1.3 %)運動量分析後170 µA

168 µA (± 1.1 %)134 µA

H.V.

†includes α

なるが運転としては同一であり，プラズマチェンバーへ供給するガスを水素ガスからヘリウムガスに変更しただけでイオン源の大気開放やアルミナ板交換はしていない．
ビーム量の時間変化を Figure 2 に示す．ビーム量の安定度について，24 時間の安定度を決定できたものについては括弧の中に示した．設定 A の場合，数時間であれば 1 mA を越えるビームを引き出す事に成功したが，長時間に渡って安定して引き出す事はできなかった．原因はイオン源の安定度と寿命がセラミック板の状態と耐久性にそれぞれ依存しているからである．運転後のセラミック板の様子を Figure 3 に示す．設定 A の場合が Figure 3a であり，窒化ホウ素板が脆いためプラズマ中の電子により削られ，大きく抉れている．運転時間は 300 時間であり，ビーム量が 800 µA を越えたのはその内の 150 時間程度であった．一方，材質をアルミナに変更した場合が Figure 3b であり，セラミック板は 1536 時間の運転の後も全く劣化していない．ビーム量は Figure 2 の通り終了時まで安定しており，今回は1536 時間で打ち切ったがより長時間の運転にも耐える事が分かった．ただし，両運転に関しては機器の故障によりマイクロ波源が異なる事を付記しておく．マイクロ波の強度は前者の場合は 2 kW のマイクロ波源を使用したが，実際に入射できたのは 350–500 W であった．これに対し，後者は 200 W 程度であった．今後はアルミナ板においてもより強いマイクロ波を入射し，その性能を見極めたい．
運動量分析前後のビーム透過率は設定 A もしくは Bと C でそれぞれ 20 % もしくは 30 % である．設定 A の場合は強いマイクロ波を入射できるため，プラズマ温度が高くなり，ビーム量も大きい．しかし，プラズマ電極と A 電極の間でペニング放電が起こり，A 電極 に適切な電圧を印加することができないため，ビームを上手く引き出せていない．このため，透過率が低くなっていると考えられる．一方，設定 B の場合はペニング放電が起らず，A 電極に任意の電位を印加できたため，マイク- 1051 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Beam Current at FC [µA]800

イクロ波のパワーを上げる事で達成可能であると考えている．また，エミッタンスの良いビームを生成するために引出電場の最適化を進めたい．

700600500

参考文献

400300ca[1] 竹村真哉, “陽子ビーム高輝度化にための 2.45 GHz ECR 陽子源の改良”, 大阪大学大学院修士論文, 2014.
[2] R. Gobin et al., “Development of a permanent magnet light
ion source at CEA/Saclay”, Review of Scientific Instruments
77, 2006, 03B502.

2001000b0510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Time [days]

Figure 2: A current of the proton beam is presented as function of time except from 30 to 38 days. a) Then, it is a current of the He beam. b) The current is measured before amomentum analysis except from 38 to 48 days. Then, it isafter the momentum analysis. c) The ion source is affectedby a magnetic field of the AVF cyclotron, because it has
been placed above the AVF cyclotron. Obviously, the current increased from 56 to 60 days by changing the magneticfield.

Figure 3: Ceramic plates with exit hole of plasma chember. a) A boron-nitride disk after 300-hour run with 500-W
micro wave. b) An alumina disk after 1536-hour run with
200-W micro wave. A holder of the alumina disk is madeof boron nitride.
ロ波は弱いものの良くビームが引き出せていたものと考えられる．もちろん，良いとは設定 A の場合に比べてであり，引出系の最適化の余地は残されている．ペニング放電の起こる原因はプラズマ電極と A 電極間の残留ガスと出口穴付近の磁場分布に依っていると考えられる．残留ガスに関しては電極を支持する筒に排気穴を開け，排気コンダクタンスを上げることで対応したい．
磁場分布に関しては，アルミナ板の使用によりプラズマチェンバー内の状態とビーム量を安定させることが可能となったため，磁石位置を微調する事により最適な磁場分布を見付けたい．

4.

まとめ

高強度なビームを安定して AVF サイクロトロンへ供給するため，永久磁石型 2.45 GHz ECR イオン源を開発を行った．本イオン源ではプラズマチェンバーを構成するセラミック板が寿命と安定度を決めるため，窒化ホウ素とアルミナの二つの素材を試した．アルミナを使用した結果，2ヶ月以上安定して運転する事が可能となった．しかし，ビーム量は目標に達していない．これはマ- 1052 -