J ‑ P A R C 用セシウム不使用負水素イオン源の開発
池上A)

B)

,A)

清1、上野彰A)

、近藤恭弘

B)

高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305‑0801 茨城県つくば市大穂1‑1

日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319‑1195 茨城県那珂郡東海村白方白根2‑4プラズマ電極は、天板と平行に下流側に配置され 、 プ ラ ズ マ 真 空 容 器 と は 厚 さ 4mmのセラミック板で電気絶縁されている。
J‑PARC(Japan Proton Accelerator Research
フィルター磁場は、軸対称位置のカスプ磁場用Complex) 用 LINAC の 運 転 が 平 成 17 年度末から開始
磁
石 に NdFeB 系 磁 石 を 磁 気 力 で 接 着 さ せ る こ と にされる。運転開始から数年(第一期)は、初段加速より形成した。
器 と し てJHF(Japan Hadron Facility)計画用に開接 地 電 極 と 引 き 出 し 電 極 間 に 約 ‑42kV、引き出発された設計ビーム電流30mAのRFQ[1](以下30mA‑し電極とプラズマ電極間に約‑8kV印加することにRFQ と 略 )が使用される為、負水素イオン源に要求
よ り 、 30mA‑RFQ に 必 要 な 50keV の負水素イオン・されるピーク・ビーム電流は、33mA以上である。
ビ ー ム を 生 成 す る 。 引 き 出 し 電 極 内 に は 、 4本の負水素イオン源内にセシウムを添加することによ
電 子 抑 制 磁 石 (NdFeB系:40mm長4mm幅7mm高)が配置
り、ビーム強度を数倍に出来ることが実証されており、稼動中の加速器用負水素イオン源の殆どで、 される。電子抑制磁場は、電子を引き出し直後に電極表面に衝突させ、水素イオンを電子と同方向セシウムが使用されている。セシウムの添加が、への偏向と逆方向への曲げ戻しを行う用設計されイ オ ン 源 の 引 き 出 し 、 及 び 、 加 速 ギ ャ ッ プ や RFQている。引き出し電極は無酸素銅製であるが、電で の 放 電(1時間に1回程度)を引き起こすことも観子 衝 突 部 に は 、 Mo部品を銀ロー付けし損傷が低減
測 さ れ て い る 。 J‑PARC用加速器では、従来の加速されている。接地電極はSUS316製である。引き出器 と 比 較 し 、 ビ ー ム 損 失 率 を 1桁以上改善しなけし電極、接地電極とも水冷されている。
ればならないが、上記の放電によるビームの不安接地電極の下流に、電子抑制磁場によるビーム定性がこの要求達成の妨げとなることが危惧されの出射角を補正する電磁石、ビームを集束するソて い る 。 加 速 器 安 定 運 転 を 目 的 に 、 KEKで行われレノイド電磁石、ビーム強度測定用ファラデー・てきたセシウム不使用負水素イオン源の開発状況
カ ッ プ [1] が 設 置 さ れ る 。 出 射 角 補 正 電 磁 石 は 、を 報 告 す る 。 J‑PARC 用 LINAC 第一期に要求される30mA‑RFQ への入射誤差補正の為に設置されたが、仕様の内、ピーク・ビーム電流は達成し、ビーイオン源単体の試験では、電磁石電流を高めるこム・デューティも8割程度に到達した。とにより、漏れ電子電流とビームとの分離を可能にしている。
１．イオン源の構造
アーク・パルス電源の設計容量により、最大
図 1にイオン源の概略寸法図を示す。プラズマ
ア ー ク 幅600μs、最大繰り返し25Hz、最大アーク
真 空 容 器 は 、 内 径 100mm、長さ約120mmの円筒形で、 電流設定値300Aである。
円 筒 上 に 18 本 の S ｍ Co 系磁石(100mm長10mm幅15mm高 )を配置しプラズマ閉じ込め用カスプ磁場を形２．フィラメントの最適化成している。円筒の上流側に設置されるフランジ
LaB6 フ ィ ラ メ ン ト に は 、 KEK‑PSイオン源用に開( 以下、天板と略)にも放射状に6本のSｍCo系磁石
発 さ れ た 二 重 螺 旋 型 の(株)デンカ製ベータプラス(40mm 長 5mm 幅 20mm 高 ) を配置しプラズマを閉じ込を 使 用 している。当初、KEK‑PSイオン源用と同型めている。天板には、フィラメント電流導入ポー( 外 径 15mm内径10.5mm長さ32mm)のものを使用した
ト、水素ガス導入ポート、覗き窓が設置される。
が 、 (1) フ ィ ラ メ ン ト を 電 流 導 入 端 子 へ 取 り 付 け
LaB6 フィラメントは、円筒軸(ビーム軸と一致)上る 為 の 部 品 (BN 製 部 品 で 固 定 し た Ta製のブラケッに 1つ設置される。無酸素銅で製作したプラズマ
ト に Mo 製 ネ ジ で 固 定 し た 部 品 )のMo製ネジからの真空容器を長期使用した後、ビーム強度が再現し
ア ー キ ン グ の 頻 発 、 (2)1パルス内でアーク・インない現象が観測され、内面の酸化が一因と判断さピーダンスの急激な低下が発生するアーク電流のれ た 為 、 内 面 に Niメッキを施した。Niメッキ後、
閾 値 (150A 以 上 で の 運 転 不 可)の存在、の2つの問ビーム強度は再現可能となったが、フィラメント題が発生した。前者については、取り付け部品数の最適化等も同時に行った為、Niメッキの有効性減 ( 各 足 に Mo 製 15mm ブ ラ ケ ッ ト と Mo 製 ネ ジ2組のの証明には至っていない。

概要

1E-mail: kiyoshi.ikegami@kek.jpみ ) と ブ ラ ケ ッ ト を セ ラ ミ ッ ク 材 で囲う対策により解決した。後者については、フィラメントの大型 化 ( 外径20mm内径15mm長さ35mm)により、アーク電流300Aの運転が可能となった。
但し、長時間運転によるフィラメントの低温両端部への不純物の付着によるインピーダンスの上昇、及び、これに伴う定期的なコンディショニング ( 運転を停止しフィラメントの高電流通電等)の必 要 性 の 問 題 が 残 っ て い る 。 図 2に、両端部に不純物の付着した使用後のフィラメントの写真を示す。

３．フィルター磁場等の最適化
フィルター磁場を軸対称位置のカスプ磁場用磁石 に NdFeB 系 磁 石 を 磁気力で接着させることにより形成した。フィルター磁場用磁石の大きさや接着されるカスプ磁場用磁石の数を変更し、ビーム引き出しを行いビーム強度を最高にするフィル
タ ー 磁 場 用 磁 石 配 置 を 決 定 し た 。 40mm 長 15mm幅38mm 高 の NdFeB系磁石を1対配置した場合、最高のビーム強度が得られた。但し、フィルター磁場用
磁 石 の 大 き さ に 応 じ て 、 天 板 側 に も 磁 石 (20mm長10mm 幅 40mm 高)を2対、フィルター磁場と逆極性の磁場ができる様に追加し、フィラメント位置での磁場強度の増大を防ぐと同時に、プラズマ閉じ込めの効率化も行った。
ビーム強度が最高の磁石配置で、天板を外し下流側から軸上にホール素子を導入して測定したフィルター磁場、及び、電子抑制磁場の強度の測定 結 果 を 図 3に 示 す 。 横 軸 は 、 プ ラ ズ マ 電 極 のビーム取り出し側表面を基準とした位置を示し、縦軸が中心軸を横切る磁場強度である。今後、幅の薄い磁石等を用意し、フィルター磁場用磁石の軸方向位置の最適化、フィラメント位置の磁場補正用下流側磁石の大きさや位置の最適化等を行う予定である。

４．プラズマ電極の最適化
プラズマ電極は、当初、下流側金属面に直接ネジ 止 め さ れ て い た が 、 厚 さ 2mmのセラミック板を介 し て ネ ジ 止 め す る こ と に よ り 、 約 2割のビーム強度増加に成功した。セラミックス板の熱絶縁効果によるプラズマ電極温度の違いによるものと判断している。プラズマ電極表面温度の測定を開始した所で、フィラメント輻射のみにより二百数十℃、プラズマ生成時には、四百℃以上に上昇することが確認された。今後、プラズマ電極温度とビーム強度の関係を測定する予定である。
ビ ー ム 引 き 出 し 孔 径 7mm と 9mmの2種のプラズマ
電 極 ( 厚 さ 2mm) で、可能な限り運転条件を一致させビーム強度の比較を行った結果、20mAと26mAであ っ た 。プラズマ電極孔径のみを変更するとビーム発散角が異なり、ビーム強度の測定結果に影響
す る 為 、 各 々 異 な る 孔 径(6mmと7.72mm)の引き出し電極を使用した。尚、引き出し電極の形状による ビ ー ム の 発 散 角 等 は 、 計 算 コ ー ド BEAMORBT[2]を 使 用 し て 評 価 し た [3] 。測定されたビーム強度の比率は、期待した孔面積比ではなく、孔径比、即ち、孔周長比と一致した。この結果から、負水素イオンの生成がプラズマ電極表面で行われている可能性が高いと判断された為、プラズマ電極形状の違いによるビーム強度の違いの測定を行った。
2mm 、 4mm 、 6mm 、 10mm と 厚 さ の 異 な る 引 き 出 し
孔 径 9mm の プ ラ ズ マ 電 極 の 各 々 の 場 合 に 得 ら れ た
ピ ー ク ・ ビ ー ム 強 度 の 測 定 結 果 を 図 4に示す。横軸が、プラズマ電極厚さで、縦軸がアーク電流は300A の場合のピーク・ビーム強度である。尚、全てのプラズマ電極のプラズマ側引き出し孔は、45 °の傾きで加工されている。負水素イオンが表面で生成される場合、運転開始迄の真空排気時間やプラズマ電極の表面状態等がビーム強度に対して 影 響 す る 為 、 30mA‑RFQ等の後段加速器の試験運転など多くの運転で得られたピーク・ビーム強度
デ ー タ が プ ロ ッ トされている。この図からプラズ
マ電極厚さを増し、ビーム引き出し孔付近の表面積を増加させることによりビーム強度の増加に成功したと判断される。今後、さらに厚い電極での試 験 を 行 う 予 定 で あ る 。 図 5には、プラズマ電極
厚 さ 10mm の場合に、現アーク・パルス電源で可能
な ア ー ク 電 流 300A 、 最 大 デ ュ ー テ ィ (600 μ s ×25Hz) で 運 転 し た 場 合 の ビ ー ム 波 形 、 ア ー ク 電 流波形、アーク電圧波形を示す。ビーム・パルス幅400 μ s で 、 34mA 以 上 を 達 成 し て い る 。 J‑PARC 用
LINAC 第一期に要求されるパルス幅500μsの8割であ る 。 パルス内のビーム強度の変動を減少させることが今後の課題であるが、フィラメントの更なる大型化とアーク・パルス電源容量の増加により改善されることが期待される。

５．まとめ
セシウム不使用負水素イオン源のフィラメント、フィルター磁場、プラズマ電極を実験的に最適化
す る こ と に よ り 、 J‑PARC第一期に要求されるピーク・ビーム強度を達成した。特に、プラズマ電極形状変更によるビーム強度増加は報告例の無い重要 な 結 果 で あ る 。 ビ ー ム ・ デ ュ ー テ ィ も 8割程度に到達した。本文中で述べた様に、各項目に対し、更なる最適化を行って行く予定であり、より正確な 実 験 結 果 を 次 の 機 会 に 報 告 す る [4]。さらに、
要 求 ビ ー ム ・ デ ュ ー テ ィ (500μs×25Hz)、及び、
寿 命 500 時 間 の 達 成 、 パ ル ス 内 の ビ ー ム 強 度 の 変動対策、プラズマ電極表面へのフィラメント材の蒸着の影響の解明等を今後の課題として開発を進める予定である。

参考文献[1] A. Ueno et. al., “Beam Test of a Front-end System
for the JAERI-KEK Joint (JKJ) Project”, Proceedings
ofLINAC2002,
URL: http://epaper.kek.jp/l02/PAPERS/TU423.PDF.
[2] Y. Ohara, Japan Atomic Energy ResearchInstitute Report, JAERI‑M 6757 (1976)[3] Y. Yamazaki(eds), KEK Report 2002‑13, 2.1.2[4] The 10th International Conference on IONSOURCES, JINR, Dubna, Russia, September
8‑13, 2003に投稿予定

40
151020S

S

NNNS

40SN

NSSN

N

N

Ma gne ts f orF ilt er F ie ld

SS

PlasmaElectrode3
1 2.4100

M agn et s fo r
Ele ct ro n
Sup pr es si on

17. 6124 . 54S N

LaB6 Filament
1 34

N S

SNN S

6 5.535

GroundElectrodeCo rre ct io n
M agn et s
C usp F ie ld
NS

38

SN

NS

SN

Extraction
ElectrodeSSNS

N

M agn et s fo r
Pla sm aCon fi ne me nt
Cus p Fi el dNSN

1859. 520

図115238

イオン源の概略寸法図
45

I_H-

I_H- (mA)

40353025201510500

図4
図24681012

使用後のLaB6フィラメントの写真

400
Fileter Field (Gauss)2

プラズマ電極厚さとビーム強度の関係

Filter Filed

2000-200-400-600-150

図3-100-500

フィルター磁場の測定値

50

図5波

ビ ー ム 波 形 (No.1:10mA/Div.)、アーク電流形(No.2:60A/Div.)とアーク電圧波形(No.3:80V/Div.) *運 転 条 件 : アーク幅=600μs、繰

り
返し=25Hz、フィラメント電圧&電流=5.74V&
94.1A、水素ガス流量=12.5sccm、プラズマ電極バイアス=‑15V、引出電圧=‑8kV、加速電圧=‑43kV、ソレノイド電磁石電流=540A