Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 WEP111

ＲＣＮＰにおける Fe 及び Ni ビームの開発
DEVELOPMENT FOR FE AND NI BEAM AT RCNP依田 哲彦#,A)，福田 光宏 A)，神田 浩樹 A)，畑中 吉治 A)，安田 裕介 A)，
鎌倉 恵太 A)，原 周平 A)，山野下 A) 莉奈 A)，Koay HuiWenA)
Tetsuhiko Yorita #,A), Mitsuhiro Fukuda A), Hiroki Kanda A), Kichiji Hatanaka A), Yuusuke Yasuda A),
Keita Kamakura A), Shuhei Hara A), Rina Yamanoshita A), Huiwen KoayA)
A)
Research Center for Nuclear Physics (RCNP), Osaka University, JapanAbstract
In order to provide the metal beam like Fe and Ni, the introducing system for MIVOC method has been installed to18GHz Superconducting ECR ion source. The MIVOC stands for “Metal Ion from Volatile Compound” and the metallo‐organic compound with high viper pressure like metalocene is used for this method. The MIVOC system has temperature
controller to control the viper pressure of the metalocene. For the Ni and Fe beam, nickelocene and ferrocene has beenused. With this system, 56Fe13+ beam with 25 euA have been obtained successfully.
安定にビームを生成する方法である。金属ビームについては金属原子と二つのシクロペンタジニエル基が化合し大阪大学核物理研究センター(RCNP)では、２００５年 た状態である、メタロセンを使用することで、金属イオンに 18GHz 超伝導 ECR イオン源を導入して以降、Xe ま ビームの安定生成が使われることが多い。この MIVOCでの幅広い種類の重粒子ビームの供給を行ってきた[1]。 法は、特にスパッタ法などに比べ非常に安定なビームがXe,Kr,Ar などのイオン種はガスをプラズマに導入するこ 得られるため、近年広く普及している[2,3]。Ni、Fe ビームとによりビーム生成される。一方、Fe,Ni など単体や化合 生成のためにはニッケロセン Ni(C5H5)2、フェロセン物のガスが存在しないイオン種については、蒸気圧の高 Fe(C5H5)2 が用いられる。いずれの物質も室温においてい有機化合物を利用したいわゆる MIVOC 法によりビー 0.6Pa 前後の蒸気圧を持ち[4]、また、温度上昇に伴い蒸ム生成される。ＲＣＮＰでは Fe,Ni の MIVOC 法による 気圧も上昇する性質を持つ。
ビーム供給を目指して、Fe,Ni を含有する金属有機化合18GHz 超電導 ECR イオン源の改造物であるフェロセン、ニッケロセンを温度管理しながらプ 3.
ラズマチェンバーへ導入するシステムの開発を続けてき今回、既存の 18GHz 超伝導 ECR イオン源にメタロセた。今回、特にフェロセン、ニッケロセンを封入する容器 ン導入システムを追加するという改造を行い Fe, Ni ビーとイオン源のプラズマチェンバーとの間の経路の温度勾 ム生成に対応した。超伝導 ECR の概要については[1]を配を任意に制御できるよう、フェロセン、ニッケロセン蒸 参考にされたい。Figure 1 に今回追加したメタロセン導入
気導入経路を細かい区間に分けてそれぞれ独立に温度 システムの概要を示す。メタロセンを封入する容器からイコントロールするシステムを構築した。
オン源のプラズマチェンバーまで直接 SUS 管でつなぎ、そのメタロセン蒸気の導入経路の温度勾配を任意に制
2. MIVOC 法
御できるよう、真空側で３つ、大気側で２つ、合計５つのMIVOC とは“Metal Ion from Volatile Compound”の略 区間に分けてそれぞれ独立に温度コントロールするシスであり、蒸気圧の高い有機化合物などを真空中で昇華さ テムを構築した。ただし、一番プラズマチェンバーに近い

1.

はじめにせガスとしてプラズマチェンバーに導入することにより、Figure 1: Structural drawing of metalocene introducing
system.
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Figure 2: Sheathed thermocouple has been broken due tohigh heat load.

# yorita@rcnp.osaka-u.ac.jp- 1185 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 3: Typical Spectrum of 56Fe. Some peaks of carbon
and hydrogen from ferrocene are seen. Oxygen peaks ofsupport gas are also seen.

Figure 5: Temperature dependence of 56Fe13+ beam
current. The temperature is that of TC5 on metalocene
chamber shown in Figure 1.

領域はプラズマチェンバーからの熱流入が一番大きいのでヒーターは付けず、温度の監視のみ行った。この温度制御により、導入経路の温度がニッケロセン、フェロセンの試料容器の温度より常に高い状態を作り上げることができ、その結果、導入途中で試料の蒸気が再固化することを防ぐことなどができ、長期的ビーム安定性を実現できると期待される。先述の通り、導入経路の先端部分はプラズマチェンバーからの熱流入が大きいが、イオン源を実際に運転してみて２００度程度の温度になることがわかった。このため、当初温度モニターとして採用した
シース熱伝対が熱で破損するという事故があった(Figure2)。この対策として、シース熱電対をカプトンチューブで絶縁したアルメルワイヤ、クロメルワイヤに置き換え、この結果問題なく温度モニターができるようになった。

向の閉じ込め磁場をゆるくした場合に相当する実線で示されるミラー磁場の方が、ビーム電流が 1.5 倍程度大きくなることが分かった。メタロセン導入システムのメタロセン
容器の温度は Figure 1 の TC5 で示された熱電対でモニターされるが、ヒーターによってこの温度を制御しビーム強度の容器温度依存性も調べた。メタロセン容器温度を上げるとメタロセンの蒸気圧が上がるため Figure 5 に示す通り 56Fe13+ビーム電流は増える傾向にある。ただし300-360W 程度の RF パワーではヒーター温度４０℃でビーム電流が頭打ちになる。このときサポートガス無しの場合にビーム電流が大きくなったため、サポートガスは使用していない。なお、300W の RF パワーのときの運転時はチェンバーからの脱ガスが多めだった。一方
RF630W 導入時は、より高いヒーター温度、即ち高いメタロセン蒸気圧でもビームがヒーター温度に比して増え続けることが分かった。これらの現象は、大きな RF パワーが入っているときはプラズマ温度が高くなり、多価のイオンにもエネルギーが十分分配されていることが示されていると考えられる。Figure 6 を見てもわかる通り、630W入ってる場合に高いプラズマチェンバーの圧力でも多価のビームが出ているわけである。Figure 7 で示したプラズ
マチェンバーから放出される全電流であるドレンカレントと 56Fe13+の電流との相関を見ても、630W 入っているときは多価ビームに RF パワーが分配されているのがわかる。よって、大きな RF パワーと高いヒーター温度による高4.

ビームテスト

試料容器にフェロセンを導入しビームテストを行った。
導入した試料の量は１ｇと３ｇの二通りで、56Fe の１３価及び１５価に注視して調整を行った。典型的な生成イオン
スペクトルを Figure 3 に示す。超伝導 ECR の各パラメー
タの最適化を行い、メタロセン容器の温度を 45℃とし、サポートガスとして酸素を導入し、Figure 4 の実線で示されるミラー磁場を形成した場合に 56Fe13+について 25eμA のビームが得られた。SC-ECR のミラー磁場とビーム強度の関係ついては Figure 4 の破線で示されるミラー磁場も試したが、ECR ゾーンを広くした場合、あるいは出口方

Figure 4: Mirror field distributions for 56Fe beam.

Figure 6: Temperature dependence of plasma chamberpressure.

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Figure 7: Correlation between 56Fe13+ beam current andtotal drain current.
いメタロセン蒸気圧により、更なるビーム強度が期待できるといえる。

5.

まとめ

今回、Ni, Fe ビームの供給を目指し、温度制御可能なメタロセン導入システムを既存の 18GHz 超伝導 ECR に導入しフェロセンを使って Fe ビームの生成試験を行った。
その結果、最大で 25eμA の 56Fe13+ビームが生成された。ビーム生成についていくつかの RF パワーとメタロセ
ン容器温度制御、ミラー磁場などのパラメータについて詳細に調べた結果、より大きな RF パワーとより高いメタロセン蒸気圧により、更なるビーム強度が期待される。今後、ハイパワーの高周波の導入ができるよう耐熱などの対応を施し、更に強度の高い金属ビームの生成を目指す。

参考文献[1] T. Yorita et al., “Production of highly charged heavy ions by
18 GHz superconducting electron cyclotron resonance at
Research Center for Nuclear Physics”, Review of Scientific
Instruments. 81, 02A332 (2010).
[2] J. Arje et al., “Status report of the JYFL-ECR ion sources”,
Proceedings of the 14th International Workshop on ECRSources, ECRIS99.
[3] M. Kidera et al., “Production of intense 58Fe, 64Ni beamusing the MIVOC method and new analyzing system ofRIKEN 18 GHz ECRIS”, Review of Scientific Instruments.
75 (2004) 1473.
[4] Luis Alfonso Torres-Gómez et al., “Vapour pressures andenthalpies of sublimation of ferrocene, cobaltocene andnickelocene”, Thermochimica Acta., Vol.124, 18 Feb. 1988,P179-183.

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