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

PASJ2015 THP033

マルチカスプ磁場ガイディングを用いたレーザーイオン源の長パルス化
ELONGATION OF PULSE WIDTH FOR LASER ION SOURCE WITH GUIDING BY
MULTICUSP MAGNETIC FIELD
高橋一匡#, A), 梅澤 将充 A), 内野 拓海 A), 池上 京祐 A), 佐々木徹 A), 菊池崇志 A), 原田信弘 A)
Kazumasa Takahashi #, A), Masamichi Umezawa A), Takumi Uchino A), Keisuke Ikegami,
Toru Sasaki A), Takashi Kikuchi A), Nob. Harada A)A)
Nagaoka University of Technology

Abstract
We have demonstrated the laser plasma guiding using a multicusp magnetic field generated with eight neodymium
magnets for elongating pulse width and increasing ion current of laser ion source. A Nd:YAG laser with wavelength of
532 nm was employed to generate laser ablation plasma. Various materials such as aluminum, copper, and lead wereexamined for laser targets. Plasma ion current was measured as a function of distance from the laser target with a biased
Faraday cup. The results indicated that ion current in the magnetic field was higher than that without the magnetic fieldand pulse width increased as without the magnetic field.

1.

はじめに

2. 実験装置および方法

レーザーと真空容器および真空排気系から成る装エネルギー402 mJ および波長 532 nm の Nd:YAG
置構成で，固体ターゲットから高価数や大電流のイ レーザーをターゲット面垂直方向から 60°の角度でオンを供給することができるレーザーイオン源が注 入射し，レンズによってターゲット上に集光させて目されている．レーザーアブレーションプラズマの 照射強度 2×108 W/cm2 でアブレーションプラズマを生成にはパルスレーザーが用いられ，パルス的に生 生成した．ターゲットにはアルミニウム，銅および成されたプラズマはターゲット面に対して垂直方向 鉛を用いた．また，Figure 1 に実験セットアップのにドリフト速度をもって膨張する．任意のパルス幅 概略図を示す．プラズマ輸送管の外側に 8 個のネオを持つイオンビーム形成のため，レーザーターゲッ
トからイオンビームの引き出し電極までのプラズマの自由膨張距離を長くすることにより，ビームのパルス幅を伸ばすことが可能である．一方で，プラズ
マ密度の低下によって，引き出されるイオンビームの電流密度が大きく低下する．
ソレノイド磁場の印加によりイオン電流の増加が可能であることが示されているが[1-4]，永久磁石により形成した磁場によってプラズマのガイディングが可能であれば，磁場の形成に電源を必要としない簡便な装置構成でイオン源の電流増加が期待できる．
これまでにリング状の永久磁石を並べることにより交番磁場を形成し，プラズマの輸送が試みられたが，磁束密度の変動に伴いプラズマ密度の変動が示された[5]．
本研究では，アブレーションプラズマが磁場中を移動しないよう，輸送管中央部で磁束密度の小さくなる多数の極をもつマルチカスプ磁場によるプラズマのガイディングを検討した．進行方向以外の膨張を抑制しながらプラズマを輸送し，イオン密度の低下を抑えて長パルス化させることを目的とし，輸送距離を変えてイオン電流波形を測定することにより，マルチカスプ状の磁場配位が輸送中のプラズマに与える影響を調べた．
Figure 1: Schematic of experimental setup.

___________________________________________# kazumasa@vos.nagaokaut.ac.jp- 1030 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 2: Typical variation of the plasma ion current forvarious plasma drifting distance (L = 200, 300, 400, 500mm) using the copper target.

Figure 3: Peak plasma ion current variation as a functionof the plasma drifting distance from the laser target (Al, Cu,Pb).

ジム磁石を隣り合う磁石の極性の向きが逆になるよう円周上に並べることにより，8 極のマルチカスプ磁場を形成した．磁石の先端をレーザーターゲットから 250 mm の位置に配置して，長さ 300 mm の間で磁場を印加した．使用した磁石の表面磁束は 2×102mT であり，輸送管内壁近傍での磁束密度はおよそ90 mT であった．
直径 1 mm のアパーチャをもち，プラズマからイオンを引き出すため-30 V を印加したファラデーカップを用いて輸送管中心のプラズマのイオン電流波形を計測した．輸送距離に対するイオン電流の変化を調べるため，ターゲットからの距離 180 mm から 550 mm まで 10 mm 間隔でプラズマイオン電流の計測を行った．

3.

実験結果と考察ターゲットとして銅を用いて異なる輸送距離で計測した典型的なイオン電流波形の変化を Figure 2 に示す．Time of flight の原点はレーザー照射のタイミングを示しており，図中の数値はターゲットからの輸送距離を示している．イオン電流波形の概形は磁場 の 無 い 条 件 と 大 き く は 変 化 せ ず ， shiftedMaxwellian[6] 様 の 波 形 が 得 ら れ た ． 一 方 で ， タ ーゲットから 500 mm の位置での波形は 200 mm ~ 400mm までの Time of flight の立ち上がりが早くなることが示され，この傾向はアルミニウム，銅，鉛のいずれでも同様であった．
レーザーターゲットからの距離 L に対するイオン電流 J のピーク値の変化を Figure 3 に示す．アルミ
ニウム，銅，鉛のいずれも磁場の無い領域ではプラズマイオン電流 J はプラズマの三次元的な膨張に伴い J∝L-3 の関係を保って減少するが，マルチカスプ磁場を輸送中はイオン電流の低下が抑えられ，後半
では J∝L-1 に近づくことが明らかになった．一方で磁場の領域にプラズマが進入しても直ちに磁場に対する応答を示さず，イオン電流の増加の開始位置や増加量はターゲット材料に依存し，軽いイオンほどFigure 4: Pulse width (FWHM) variation as a function ofthe plasma drifting distance from the laser target (Al, Cu,Pb).
増加量が大きい傾向が示された．
磁束密度に対するプラズマガイディング効果の関係を検討するため，磁気圧とプラズマの圧力の比較を行う．レーザーターゲットから 250 mm 輸送した
磁場に入射するプラズマのイオン数密度 n はイオン
電流 J を表す下記の式から求められる．

J = ZenvA(1)

ここで，Z はイオン価数，e は素電荷，v は速度，Aはファラデーカップのアパーチャ面積を示し，1 価イオンを仮定し，ピークの位置でのプラズマ中の密度を求めるとアルミニウム，銅，鉛のピーク値の位置における速度 v は Time of flight から計算すると，それぞれ 40 km/s, 30 km/s, 20 km/s であることから 1011~1012 個/cc 程度と見積もられる．また，この 108
W/cm2 のオーダーのレーザー照射強度では電子温度を数 eV として[4]- 1031 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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p = (Z +1)nkT(2)を用いてプラズマの圧力を見積もると 0.1 ~ 1 Pa のオーダーである．また，磁気圧はpB = B 2 / 2 μ 0(3)で計算することができ，輸送管内壁面上で測定された 90 mT で見積もられる磁気圧は 103 Pa オーダーである．これは磁場の開始地点であるレーザーター
ゲットから 250 mm の位置でのアブレーションプラズマの圧力と比較し十分大きい．すなわち，Figure 3の結果から，マルチカスプ磁場によるガイディングの効果は磁気圧がプラズマ圧力より十分大きくても磁場領域に進入して直ぐに中心部には影響を与えないことが示唆される．
Figure 4 はレーザーターゲットからの距離に対するパルス幅の変化を示す．パルス幅はイオン電流波形の半値全幅 (FWHM) として評価を行った．いずれのターゲット材料もパルス幅の増加は磁場が無い線形の増加よりも高くなる領域があり，輸送距離によって変動するもののマルチカスプ磁場内を輸送中は磁場の無い条件と同程度のパルス幅の増加の傾向を持つことが示された．

4.

まとめ

マルチカスプ磁場を用いたアブレーションプラズ
マのガイディング効果を検討するため，レーザーターゲットからの輸送距離に対するイオン電流波形の変化を調べた．その結果，マルチカスプ磁場で輸送中のプラズマのイオン電流は自由膨張時と比較し，低下を抑えられることが示された．また，パルス幅の増加は磁場が無い場合と同程度であり，電流密度を維持したままパルス幅を長くすることができることが示された．

参考文献[1] L. G. Gray, R. H. Hughes, R. J. Anderson, J. Appl. Phys., 53,6628 (1982).
[2] M. Okamura, A. Adeyemi, T. Kanesue et al.: Rev. Sci.
Instrum. 81 (2010) 02A510.
[3] K. Takahashi, M. Okamura, M. Sekine, E. Cushing, P.
Jandovitz: AIP Conf. Proc. 1525 (2013) 241.
[4] 高橋一匡、他:電気学会パルスパワー研究会(2013) PST13-055,PPT-13-040,ED-13-045[5] K. Takahashi, S. Ikeda, F. Isono, K. Takayama, J. Hasegawa,
M. Nakajima, K. Horioka, J. Plasma Fusion Res., 8,1206005-1 (2013).
[6] R. Kelly and R. W. Dreyfus, Surf. Sci. 198 (1988) 263.

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