Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 TUP38

324 MHz 高周波駆動の大強度負水素イオン源のマッチング回路の設計
DESIGN OF A MATCHING CIRCUIT FOR A HIGH-INTENSITY NEGATIVEHYDROGEN ION SOURCE DRIVING WITH 324 MHz RF POWER SOURCE
神藤勝啓#, A), 柴田崇統 B), 和田元 C)
Katsuhiro Shinto #, A), Takanori ShibataB), Motoi WadaC)
A)
J-PARC Center / Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
B)
J-PARC Center / High Energy Accelerator Research Organization (KEK)C)
Doshisha University

Abstract

Negative hydrogen isotope (H-/D-) ion sources which are used at high-intensity proton accelerator facilities such as JPARC or neutral beam injection systems for D-T plasma heating in the fusion devices such as ITER produce plasmas byusing RF sources driving with the frequency of 1-2 MHz. We have shown that the H- beams extracted from the RF-driven
H- ion source with the frequency of several MHz have some fluctuations with the fundamental and the second harmonicsof the driving RF frequency. The reason is that the high plasma density is produced in the ion source with the low drivingfrequency. Therefore, we propose the driving RF frequency same as the RF sources with that of 324 MHz in the J-PARC
linac, which is much higher than the ion plasma frequency, is used for producing the plasma to suppress the H- beam
fluctuations. As the first step, we performed a design of a matching circuit for the higher frequency driven H- ion source.
We present the background for decision of a new RF amplifier with much higher frequency and the design concept.

1.

はじめにJ-PARC などの大強度陽子加速器施設では、シンクロトロンへの入射に荷電変換多重入射を用いるために、前段加速器のリニアックでは負水素イオン（H-）ビームを加速している。また、国際熱核融合実験炉 ITER などの中性粒子入試加熱施設では、MeV 以上のビームエネルギーを持った中性粒子ビームを生成する際に中性化効率の高い負重水素（D-）ビームを用いる。これらの施設では、年単位での連続運転が不可欠であるため、熱陰極放電による H-/D-イオン源ではフィラメントの寿命が懸念されていた。
高周波（RF）放電を用いた H-イオン源の開発は、1990年頃に米国ローレンスバークレー国立研究所（LBNL）で始められ[1]、約 30 年経過した現在では、米国オークリッジ研究所（ ORNL） の SNS[2] 、欧州原子核研究機構（CERN）の LINAC4[3]や独マックスプランク研究所のプ
ラ ズ マ 研 究 所 （ IPP-Garching ） [4] 、 J-PARC[5] な ど で
RF H-/D-イオン源が研究・開発され、利用されている。これらの研究機関で用いられている H-/D-イオン源は、駆動周波数 1~2 MHz の数 10 kW の半導体アンプを用いてイオン源チャンバー内に（重）水素プラズマを生成し、大強度の H-/D-ビームを引き出している。J-PARC では、2022 年夏メンテナンス後の 11 月より 2023 年 6 月までの加速器利用運転（Run#90）において、途中で交換することなく 1 台の H-イオン源で運転を行う段階まできた[6]。
しかしながら、大強度 RF H- イオン源プラズマ中の水素原子から放出された Balmer-α 光[7]や、そのイオン源より引き出された H-ビーム電流量[8]、H-ビームプロファイル[9]、H-ビームエミッタンス[10]を調べると、RF 駆動周波___________________________________________# kshinto@post.j-parc.jp

数及びその 2 倍高調波成分を持った揺動が見られることが分かった。現在のところ、リニアックのビーム損失などに直接影響があるという測定結果は見られていないが、数~10%程度の揺動があることは、将来さらに大強度化を進めた時に問題になるのではないかと懸念される。

Figure 1: Ion plasma frequency plotted as a function of theion density and the driving frequency of the present highintensity RF H- ion source (open circle) and planned one(black star).

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プラズマやビームが揺動を持つ原因は、シース端のイオン密度が 1015 m-3 程度の高密度プラズマ生成に用いている RF 源の駆動周波数が密度の1/2乗に比例するイオンプラズマ周波数よりも低い周波数であるため、シース内のイオンが RF に追随し、電位が揺動する結果、引き出されたビームも揺動したものになると考えらえる。
Figure 1 にイオン密度に対するイオンプラズマ周波数の変化（実線）と現在 J-PARC で用いている大強度 RF 駆動型 H-イオン源の駆動周波数（2 MHz）とプラズマ密度の関係（白丸）を示す。駆動周波数がイオンプラズマ周波数よりも高いと、プラズマやビームに揺動が生じないと考えられる。
そこで、我々はプラズマ生成に用いる RF 源は安定な半導体アンプを用いること、また将来的にリニアックでのRF バケツから漏れた粒子によるビーム損失の低減の可能性や、リニアックの RF バケツに対する入射ビーム位相のマニピュレーションを考慮して、リニアックの RF 加速空洞と同じ周波数（J-PARC の場合は 324 MHz、Fig. 1 中の黒星）を駆動周波数としてイオン源内プラズマを生成する検討を開始した。
本稿では、RF 源より効率よくプラズマにパワーを投入するために 324 MHz の RF 源を用いた場合の RF マッチング回路の設計を行った結果を報告する。

ワーPRF = 38 kW のときには、それぞれ
𝑅𝑅𝑎𝑎 + 𝑅𝑅𝑠𝑠 = 1.085 Ωとなる。

𝐿𝐿𝑠𝑠 = 0.5428 μH

(2)

(3)

Figure 3: An equivalent circuit expressed as the impedance
seen at the coil terminals of 𝑍𝑍𝑠𝑠 = 𝑅𝑅𝑠𝑠 + 𝑗𝑗𝑗𝑗𝐿𝐿𝑠𝑠 .

3.

324 MHz RF 駆動大強度 H-イオン源のマッ
チング回路の検討

集中定数による等価回路を考えるときにマッチング回路は L 及び C を直列、並列につなぐことで 8 通りの回路を考えることができる。
Figure 4 に 324 MHz の RF 源を用いた電気回路を、
Figure 2 に J-PARC で用いている大強度 RF 駆動 Hイオン源でビーム引き出し時に生成する高密度プラズマ 集中定数回路素子を仮定した場合の等価回路を示す。
を発生するための 2 MHz RF 回路系の回路図を示す。 2 MHz の等価回路で示した外部インダクタンス Lx を挿入
図中で、R0 は伝送線路のインピーダンス（純抵抗、50 Ω）、 すると、周波数が高い（2 MHz の 162 倍）ために負荷側Cs 及び Cp はそれぞれマッチング回路の直列及び並列 のリアクタンス成分が非常に大きくなる。そのため、Fig. 4キャパシタ、Lx はアンテナとは別に取り付けている外部イ に示すように Lx を取り外した等価回路で考える。
ンダクタンス（2.596 μH）、Ra 及び La はそれぞれ高周波アンテナの抵抗（0.093 Ω）及びインピーダンス（0.57 μH）、Rp 及び Lp はプラズマ抵抗及びプラズマインダクタンスである。

2.

J-PARC 2 MHz 大強度 H-イオン源の RF
等価回路

Figure 4: An equivalent electrical circuit of 324 MHz RF
system for a planned high-intensity RF-driven H- ionsource.
Figure 2: An electrical circuit of the 2 MHz RF system for
the J-PARC high-intensity RF-driven H- ion source.
Figure 2 の回路のアンテナ端子部より見た部分のインピーダンスを Zs とすると、𝑍𝑍𝑠𝑠 = 𝑅𝑅𝑠𝑠 + 𝑗𝑗𝑗𝑗𝐿𝐿𝑠𝑠(1)と表せる[11]。Figure 3 に Zs を用いた等価回路を示す。
Figure 3 での Ra+Rs 及び Ls は、参考文献[12]より RF パ

324 MHz の RF 源を用いてプラズマを点ける場合には、
Fig. 5 に示す 4 通りのマッチング回路が考えられる。

4.

プラズマインピーダンスに対するマッチン
グ回路素子の変化

Figure 5 の 4 通りのマッチング回路で集中定数回路素子の可変域を考えると、Fig. 5(a)に示す回路が実現できそうなマッチング回路であると判断し、プラズマインピーダンス Zs が変化し た時の Cs 、Cp の変化を調べた。
Figure 6 に Fig. 5(a)をマッチング回路として挿入した図を- 393 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2023 TUP38(a) Cs = 0.45 pF
Cp = 65.96 pF(b) Cs = 0.07 pF
Cp = 0.38 pF(c) Cs = 0.44 pF
Lp = 3.66 nH(d) Ls = 3.68 μH
Cp = 0.51 pF

Figure 5: Possible matching circuit for the 324 MHz RF system for the planned high-intensity RF-driven H- ion source.
示す。負荷側のインピーダンス Z は、−1 −1 −1

𝑍𝑍 = �𝑗𝑗𝑗𝑗𝐶𝐶𝑝𝑝 + {𝑅𝑅𝑎𝑎 + 𝑅𝑅𝑠𝑠 + 𝑗𝑗𝑗𝑗𝐿𝐿𝑠𝑠 + (𝑗𝑗𝑗𝑗𝐶𝐶𝑠𝑠 ) } �(4)であり、これが R0 に等しいとすることで、Cs 及び Cp はそれぞれ、−1

𝐶𝐶𝑠𝑠 = �𝜔𝜔 �𝜔𝜔𝐿𝐿𝑠𝑠 − �(𝑅𝑅0 − 𝑅𝑅𝐿𝐿 )𝑅𝑅𝐿𝐿 ��
𝐶𝐶𝑝𝑝 =�(𝑅𝑅0 − 𝑅𝑅𝐿𝐿 )𝑅𝑅𝐿𝐿
𝜔𝜔𝑅𝑅0 𝑅𝑅𝐿𝐿と表される。ここで、RL は負荷側の抵抗で

(5)
(6)

𝑅𝑅𝐿𝐿 = 𝑅𝑅𝑎𝑎 + 𝑅𝑅𝑠𝑠(7)

0.5 Ω < 𝑅𝑅𝐿𝐿 < 1.5 Ω(8)𝐶𝐶𝑠𝑠 ≈ (𝜔𝜔2 𝐿𝐿𝑠𝑠 )−1(9)𝐶𝐶𝑠𝑠 = 0.45 pF でほぼ一定(10)と表せる。この負荷抵抗 RL 範囲での、Cs 及び Cp の変化を見るととなる。

100 pF ≥ 𝐶𝐶𝑝𝑝 ≥ 50 pF(11)

とおく。負荷側（アンテナとプラズマ）のインダクタンス Lsはほぼ一定であると考えられる[11]。一方、プラズマ抵抗はプラズマの密度に依存する[11]ので、負荷側の抵抗RL の変化に対する Cs 及び Cp の変化を、Fig. 7 に示す。
J-PARC で駆動している大強度 RF 駆動 H-イオン源では、抵抗 RL は、で変化する。

Figure 7: Parallel and Series capacitance of matchingcircuit for the 324 MHz RF system plotted as a function of
the antenna and plasma resistance.
Figure 6: An equivalent electrical circuit with a matchingcircuit of the 324 MHz RF system.
周波数が 324 MHz と高いので、𝜔𝜔𝐿𝐿𝑠𝑠 ≫ 𝑅𝑅𝐿𝐿 となり、Cs は

この結果より、長時間連続で運転するときには、一度Cs を決めるとほぼ変える必要はなく、負荷側の抵抗成分の変化に対して、Cp のみを調整することでマッチングが- 394 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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取れることが分かる。

5. まとめ大強度 RF H-イオン源から引き出された H-ビームが駆動周波数及びその高調波成分で揺動することを抑制するために、我々はイオンプラズマ周波数よりも高い駆動周波数である J-PARC リニアックと同じ周波数を用いた Hイオン源の検討を始めた。今後、本設計結果を基にイオン源のテストベンチの製作を行う予定である。

参考文献[1] K. N. Leung et al., “rf driven multicusp H- ion source”, Rev.
Sci. Instrum., vol. 62, pp. 100-104, 1990.
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2018.
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doi: 10.1063/5.0057552[6] K. Shinto et al., “Operation status of J-PARC high-intensity
RF-driven negative hydrogen ion source”, The 20th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan(PASJ2023), Funabashi, Japan, Aug./Sep. 2023, FRP035,
this meeting.
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with doubled value of RF frequency in J-PARC RF ionsource”, AIP Conf. Proc., 2011, 020008, 2018.
doi: 10.1063/1.5053250[8] K. Shinto et al., “Observation of beam current fluctuation
extracted from an RF-driven H- ion source”, AIP Conf. Proc.,vol. 2011, 080016, 2018.
doi: 10.1063/1.5053371[9] M. Wada et al., “Measurement of a time dependent spatial
beam profile of an RF-driven H- ion source”, Rev. Sci.
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doi: 10.1063/1.5128015[10] T. Shibata et al., “High-speed Emittance Measurements forBeams Extracted from J-PARC RF Ion Source”, AIP Conf.
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Inductive discharges” in Principles of plasma discharges andmaterials processing (1st edition), John Wiley & Sons, Inc.,
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[12] A. Ueno et al., “Perfectly matched pulsed 2MHz RF network
and CW 30MHz RF matching network for the J-PARC RFdriven H- ion source”, AIP Conf. Proc., vol. 1515, pp. 409416, 2013.
doi: 10.1063/1.4792810- 395 -