Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

理研 28 GHz 超伝導 ECR イオン源からの X 線測定
MEASUREMENT OF X-RAY FROM RIKEN 28 GHZ SUPERCONDUCTING ECR ION
SOURCE
大関和貴#, A), 日暮祥英 A), 大西純一 A), 中川孝秀 A)
Kazutaka Ozeki #, A), Yoshihide HigurashiA), Jun-ichi Ohnishi A), Takahide NakagawaA)
A)
RIKEN Nishina Center

Abstract
In order to search the ion source parameter which can reduce the X-ray heat load in the cryostat of the RIKEN 28
GHz superconducting ECR ion source, we conducted the measurements of bremsstrahlung X-ray emitted from the ion
source under various configurations of the mirror magnetic field, along with the measurements of beam intensity of124
Xe20+. From obtained energy spectra, we derived the spectrum temperature and the amount of radiation (count rate) ofbremsstrahlung X-ray assuming the Maxwell distribution. For these measurements, we found that the emission ofbremsstrahlung X-ray toward axial direction is increased by enhancing the radial magnetic field intensity. Based on theresult, we propose a new method to reduce the heat load of refrigerator.

1.

はじめに多くの実験施設において、大強度の RI ビームを供給するための外部イオン源として、超伝導 ECRイオン源(SC-ECRIS)が製作されている[1-4]。近年、イオン源内のプラズマから放射される制動 X 線が SCECRIS のクライオスタットに数 W 以上の熱負荷を与えることが報告された[2, 3]。通常、SC-ECRIS のよ
うな小型の超伝導マグネットシステムの場合、クライオスタットを低温に保持するために小型冷凍機(GM 冷凍機など)を用いる。この場合 4.2 K における冷凍能力は数 W が上限であるのが現状である。このような場合、前述の制動 X 線による熱負荷が大きいと、イオン源内に導入できる RF パワー、ひいてはビーム強度が、冷凍機の冷却能力によって制限されうることが容易に推測される。
この問題点の回避方法の一つとして、イオン源のパラメーター調整によって制動 X 線の放射量や放射方向を調節することが挙げられる。本研究では、理研 28 GHz SC-ECRIS[1]においてミラー磁場の形状を様々に変化させながら、124Xe20+のビーム強度ならびに制動 X 線の測定を行った。その結果を基に、制動X 線に起因するイオン源の冷凍機の熱負荷を低減させる方法について提案する。

2.

せて 124Xe イオンの電荷分布を測定すると同時に、イオン源より放射される制動 X 線のエネルギースペクトルを測定した。124Xe イオンを生成するためのサポートガスとして酸素を使用した。

Figure 1: Setup of X-ray measurement.
イオン源内の軸上のミラー磁場分布を Figure 2 に示す。ビーム引き出し側の最大磁場(Bext)を 1.04, 1.14,1.23 T の 3 通りに固定し、チェンバー壁面における動径方向の磁場強度(Br)をそれぞれ変化させて(0.95T ~ 1.31 T)測定を行った。

測定

本測定におけるセットアップを Figure 1 に示す。
イオン源の軸方向下流に 2 mmφ×150 mm の銅製のコリメーターと NaI(Tl)シンチレーションカウンターを設置した。18 GHz, 500W のマイクロ波をイオン源内に導入し、イオン源のミラー磁場を様々に変化さ________________________________________#Figure 2: Axial mirror magnetic field distributions.

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あるミラー磁場分布における 124Xe イオンの電荷分布および制動 X 線のエネルギースペクトルを
Figure 3, 4 に示す。

Figure 3: Charge distribution of 124Xe ion.

Figure 4: Energy spectra of bremsstrahlung X-ray. See
text for detail.
得られたエネルギースペクトル(濃灰)からバックグラウンド(薄灰)を差し引き、検出器の前にある物質(フランジ、検出器の窓)による X 線の吸収の補正を行った(黒)。補正後のエネルギースペクトルにつFigure 5: Br dependences of a) beam intensity of 124Xe20+,
いて Maxwell 分布を仮定してフィッティングを行い、b) spectrum temperature of X-ray, and c) count rate of X制動 X 線のスペクトル温度と軸方向への放射量を導ray.
出した。
124
Xe20+のビーム強度、制動 X 線のスペクトル温度および放射量の Br 依存性を Figure 5 に示す。横軸は Br のうち磁場強度が最小となる場所での値とした。
124
Xe20+のビーム強度と制動 X 線の軸方向への放射量は、Br の増加に従って増加し、Br ~Bext (Bext より若干大きい値)で最大値を取り、Br が更に強い領域ではほぼ一定、もしくは減少に転じるという傾向が見られた。また、各最大値は Bext の増加に従って増加する。一方、制動 X 線のスペクトル温度は、Br の増加に従って減少し、~Bext より強い領域では一定という傾向が見られた。

3.

考察

3 次元電磁場解析ソフト Opera-3d [5]を使用して、イオン源内の磁場分布を計算した。Br を変化させた
場合の磁場分布について Figure 6 に示す。磁場強度が Bext に等しい領域が赤で示される。

Figure 6: Magnetic field distribution in the ion source
calculated by OPERA-3d.

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ECR イオン源は、ミラー磁場を用いてプラズマを長時間閉じ込めることによって多価イオンを生成している。プラズマ中の電子はミラー磁場によって閉じ込められているが、ロスコーンと呼ばれる部位から逃走する。ロスコーンの大きさはミラー比に依存し、ミラー比が大きい場合はロスコーンは小さく、ミラー比が小さい場合はロスコーンは大きくなる。
ビーム引き出し側のミラー比(Bext/Bmin)が動径方向の最小 ミラー比 (Br/Bmin) よりも大 きい場合 、つま り
Bext>Br の場合は、高エネルギー電子が動径方向に流れ込んでチェンバー壁面を叩き、そこが制動 X 線の発生源となると考えられる。一方、Br が増加してBext<Br となる(動径方向のロスコーンの方が小さくなる)と、高エネルギー電子がビーム引き出し側に流れ込むようになってプラズマ電極を叩き、そこが制動X 線の発生源になると考えられる。Figure 5c において、Br の増加に従って軸方向に放出される制動 X 線の量が増加するのは、このことに起因するものと推察される。
この現象を積極的に利用して、冷凍機の熱負荷の低減ができるものと期待される(Figure 7 参照)。制動X 線の発生源を液体ヘリウム容器の端の方へ移すことで、X 線の発生源から液体ヘリウム容器を見込む立体角を減らすことができる。また、発生源周辺の遮蔽を厚くすることによって液体ヘリウム内への制動 X 線の入射量を更に減らすことも可能になる。

ウムに付与する熱を減らすことができると期待される。冷凍機の熱負荷の低減は、イオン源内に導入できる RF パワー、引いてはビーム強度の増加につながる。

参考文献[1] T. Nakagawa et al., Rev. Sci. Instrum. 81 (2010) 02A320H.
[2] D. Leitner et al., Proceedings 19th Int. Workshop on ECR
ion sources, 2010, Grenoble, France, p. 11.
[3] H. Zhao et al., Rev. Sci. Instrum. 81 (2010) 02A202.
[4] T. Sun et al., Proceedings 19th Int. workshop on ECR ion
sources 2010, Grenoble, France, p. 4.
[5] Opera-3d, Trademarks from Vector Fields Limited, Oxford,England.

Figure 7: Suggestion for reducing the head load ofrefrigerator of the ion source.

4.

まとめ

理研 28 GHz SC-ECRIS において、冷凍機の熱負荷の低減を実現するためのイオン源のパラメーターの探 索 を行 っ た。 ミラ ー 磁場 分 布を 様々 に 変え 、
NaI(Tl)シンチレーションカウンターを用いてイオン源より放射される制動 X 線を測定した。その結果、動径方向の磁場を強くすることで軸方向への放射量が増加することが確認された。チェンバー壁面の磁場が引き出し側の磁場より高くなることで、制動 X線の発生源が引き出し側に移行するためと考えられる。
この現象を積極的に利用し、かつ引き出し側の周辺の遮蔽を厚くすることによって、液体ヘリウム中に入射する制動 X 線の量ならびに X 線が液体ヘリ- 532 -