Development of a Cs-seeded RF-driven H¯ ion source for the J-PARC
Saishun Yamazaki1, A), Akira UenoA), Yuya NamekawaB), Kiyonori OhkoshiA), Kiyoshi IkegamiA), Akira TakagiA),
Isao KoizumiA), Hidetomo OguriA)
A)
J-PARC Center
Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1195
B)
Nippon Advanced Technology Co.,Ltd.,
Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1112

Abstract
A cesium (Cs) seeded RF-driven H¯ ion source using an internal-antenna developed at the SNS (Spallation NeutronSource) is under development for the J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). The requirements for theJ-PARC second stage are an H¯ ion beam of 60mA within normalized emittances of 1.5mmmrad both horizontallyand vertically, and a flat top beam duty factor of 1.25% (500s25Hz). The RF-driven H¯ ion source was developed on
the basis of a J-PARC ion source driven with a tungsten (W) filament. The axial magnetic field optimization by using
an axial magnetic field compensation (AMFC) coil significantly enhances the H¯ ion beam by typically 10%. An H¯ ionbeam with a flat top duty factor of 2.5% (1ms25Hz) of 77mA, whose about 90% (corresponding to about 70mA) ofemittance of each direction is within 1.5mmmrad, is successfully extracted. During a demonstration operation over
100-hours, an H¯ ion beam over 66mA was successfully produced with a relatively low RF power of about 40kW byseeding Cs for 4-minutes a day.

J-PARC 用セシウム添加高周波駆動負水素イオン源の開発状況
1.

はじめに駆動負水素イオン源の開発を行った。本論文では、
J-PARC 高周波駆動負水素イオン源の構成と、これまでに得られた実験結果について報告する。

J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)
では、セシウム(Cs)不使用の六ホウ化ランタンフィラメント(LaB6-fil.)を用いた負水素イオン源を稼働中である [1] 。LaB6-fil.イオン源では、J-PARC 第 1 ス 2.J-PARC 高周波駆動負水素イオン源の構成
J-PARC 高周波駆動負水素イオン源は、J-PARC 用テージの要求ビーム 30mA の生成は可能であるが、セシウム添加してもビームがほとんど増加せず、 W-fil.イオン源試験機[3]を基本に、プラズマ生成室に38mA が限界であった[2]。J-PARC 第 2 ステージの目 ロッドフィルターと、SNS イオン源で使用されてい標であるビーム出力 1 MW を達成するためには、イ る内部アンテナを設置したものである。本イオン源
オン源ビーム強度：60mA、ビームフラットトップ の断面図を図 1. に示す。プラズマ生成室は、内径
パルス幅： 500s、繰り返し：25Hz が必要であり、 120mm、内長 127.5mm の内面ニッケルメッキを施かつ、LaB6-fil.イオン源と同等のイオン源寿命(50 日 した無酸素銅製である。プラズマ電極(PE)に温度制程度)が要求される。J-PARC でテストを行ったタン 御用銅製冷却板を設け、ここに流す圧縮空気の流量グステンフィラメント(W-fil.)を用いた負水素イオン 調整により PE 温度 50~120oC の任意値に制御する。
源では、セシウム添加により要求ビーム強度は十分 運転中の PE 温度は、PE 表面に設置した熱電対で測満たす性能を得たが、フィラメント寿命が、3 週間 定している。セシウムは天板に設置したセシウム
程 度 が 限 界 で 不 十 分 で あ っ た [3] 。 一 方 、 米 国 の オーブンによりプラズマ生成室内に添加する。セシSNS(Spallation Neutron Source)では、内部アンテナを ウムオーブンは、セシウムを蓄えるリザーバー、セ使用した高周波駆動負水素イオン源が稼働しており、 シウム添加停止およびメンテナンス時のリザーバー
ビーム強度：約 40mA、ビームフラットトップパル 真空保持のためのバルブ、およびセシウム導入口をス幅：1ms、繰り返し：60Hz で 27 日間連続運転を 備えたチューブから構成される。それぞれの部分に行っている [4] 。SNS イオン源は、ビーム強度は J- マントルヒーターと熱電対を取り付け、それぞれ個PARC 第 2 ステージ要求性能を満たしていないが、 別に温度設定を行っている。試験時は、バルブと繰り返しの違いを換算したイオン源寿命が 65 日と チューブ温度はセシウム固着防止のため 320oC、リ見込め要求性能を満たしている。そこで、J-PARC ザーバーの温度は 240oC とし、バルブ開放時間によ用 W-fil.イオン源に内部アンテナを設置した高周波 りセシウム添加量を制御する。W-fil.イオン源では、
1

yamazaki.saishun@jaea.go.jp- 260 -

タングステンの PE への蒸着によるセシウム効果の 始当初 30 分程度、総添加時間 200 分を超えると 4減少に対抗するためにチューブに PE 近くまでの延 分程度)でセシウム効果が再現性良く観測可能なこ長パイプが設置されているが、高周波駆動イオン源 とが判明した。なお、W-fil.イオン源と比較してリでは、延長パイプは設置されていない。尚、W-fil. ザーバー温度を高温にしなければならない直接原因
イオン源では、吹き付けセシウム量が多い為、PE は延長パイプの省略であるが、セシウム添加方法を孔からのセシウムの漏れも多く、長時間の運転によ変化させた以下の測定結果からロッドフィルター磁る引き出し、および加速ギャップでかなりの頻度(1場による Cs+イオンの閉じ込めが副因となっている回以上/1 時間)の放電発生が観測された。
LaB6-fil.イオン源で観測されたビーム軸磁場補正 と理解される。
によるビーム強度増加効果の試験を行う為、軸磁場 ①プラズマ停止状態でのセシウムバルブ開放では、
補 正 コ イ ル ( 以 降 、 AMFC- コ イ ル :Axial Magnetic
添加時間が数分でも引き出し加速ギャップでのField Compensation – coil と呼ぶ)を、アンテナの位置放電が生じた。その後のビーム引き出し時のセに設置している。
シウム効果はあったが、放電は継続した(数回/1
ビーム引出系は、プラズマ電極、引出電極および時間)。
接地電極の 3 枚の電極で構成され、プラズマ電極と ②プラズマ点灯状態でのセシウムバルブ開放では、引出電極間には約 10kV（引出電圧）、引出電極と総添加時間が 200 分を超えても放電頻度は低接地電極間には約 40kV（加速電圧）の電圧をそれかった(1 回以下/1 日)。
ぞれ印加して 50keV のビームを引き出している。引上記二つの添加方法を比べると、①に比べて②の出電極内には、電子抑制永久磁石が設置されており、引き出された電子をここで除去している。電子抑制 添加方法の方がビームを安定して引き出せる状態に磁場およびロッドフィルター磁場により、負水素イ なるまでのセシウムの総消費量は増加する。しかしオンビームは傾いて出射されるが、その出射角は、 ながら、J-PARC 高周波イオン源では、放電のリス接地電極直後に設置されている出射角補正電磁石で クを軽減し、かつ、高ビーム強度を達成するセシウ補正される。図 2. に示されるとおり、イオン源か ム添加方法として、②の添加方式を採用することにら 引 き 出 さ れ た 負 水 素 イ オ ン ビ ー ム は 、 1 台 の した。
LEBT-ソレノイド電磁石で収束し、ビーム強度やエミッタンス等のビーム性能を測定している。

図 2. LEBT-ソレノイドおよびビーム測定系図
図 1. J-PARC 高周波駆動負水素イオン源断面図

3.

実験結果

3.1

セシウム添加方法

3.2

リザーバー設定温度(Tr)を W-fil.イオン源でセシウム効果が観測された 190oC 程度にして、セシウム効果測定を開始したが、セシウム効果は観測されなかった。リザーバー温度を変化させた結果、
Tr=240oC では、比較的短いバルブ開放時間(運転開ビーム軸磁場補正効果

LaB6-fil.イオン源ではビーム軸磁場補正により、ソレノイド磁場のキャンセルによるビーム強度増加効果が観測された。また、東北大学の安藤らが開発を行っているアンテナ式高周波駆動イオン源では、ビーム軸磁場強度を増加させることにより、プラズマ密度の増加とそれに伴うビーム強度の増加が報告されている[5, 6]。本実験においても AMFC-コイルによる軸磁場補正のビーム強度に対する影響を調べた。
AMFC-コイル使用時のビーム強度変化を図 3. に示す。LEBT-ソレノイド電流は 400A(59040AT)とした。AMFC-コイル電流の正値は、LEBT-ソレノイド- 261 -磁場と重畳する方向に磁場が加えられていることを示している。図 3. が示すように、軸磁場の変化がビーム強度に影響を与えており、LEBT-ソレノイド磁場と重畳する側で 880AT 時にビーム強度が最大となり、77mA を達成した。
AMFC-コイルの効果を定量的に評価するために、計算コード Poisson[7]を用いて軸方向の磁場を計算した。AMFC-コイル電流を変化させた場合の磁場強度計算結果を図 4. に示す。図中横軸において、アンテナは-5cm 付近、PE 表面は 0cm に位置している。
AMFC-コイルを用いることで、軸磁場強度が増加していることが分かる。また、AMFC-コイル無しでもプラズマ生成室内に磁場強度があることから、LEBT-ソレノイドが作る磁場が生成室内にまで影響していることが分かった。

プラズマ密度の状態や引き出し条件が異なるためと考えている。
ビーム強度 77mA 時の、ビーム電流、引出電流、RF 進行波及び RF 反射波を図 5. に示す。本測定では 1.0msec パルス幅でビームを引き出している。
ビーム電流波形を見るとパルス立ち上がりから、0.4sec 程度までは、電流値が変動しているが、それ以降は安定していることが分かる。また、パルス内ビーム電流変動は 8%程度である。

図 3. 軸磁場補正によるビーム強度変化
LaB6-fil.イオン源で観測されたビーム軸磁場補正によるビーム強度増加効果は、ソレノイド磁場と逆方向に軸磁場補正を加えた時に生じた。これは、ビーム強度増強効果が現れる軸磁場の補正方向が、本イオン源とは逆となっていることになる。高周波
イオン源はロッドフィルター磁石を設置しており、ロッドフィルター磁石の無い LaB6-fil.イオン源とはビーム軸における磁場の違いから、引き出し条件が異なっているためと考えられる。
安藤らによるアンテナ式高周波駆動イオン源の実
験では[5, 6]、軸磁場強度が J-PARC テスト機より高い 160G までの試験が行われており、軸磁場強度が高いほどプラズマ密度が高くなっている。J-PARC
では、図 3. に示したように、AMFC-コイル電流880AT(AMFC-コイル中心で約 50G)の時に軸磁場補正効果が最大となり、その後補正効果は減少した。
安藤らによるアンテナ式高周波駆動イオン源では、磁場補正コイルはアンテナより手前と奥の二か所（高温プラズマ領域）に設置してある。一方で JPARC 高周波イオン源では、アンテナ上に設置してある。これはロッドフィルター磁石から PE までにある低温プラズマ領域の軸磁場増加を行うことで、低温プラズマ密度の増加を期待し、磁場補正を加えているためである。本実験において、軸磁場補正の効果に最適値があるのは、ロッドフィルター磁石付
近の軸磁場が安藤らの実験とは異なり、その結果、

図 4. Poisson による磁場計算の結果（上;AMFCcoil:0AT、下;AMFC-coil:880AT。 ATAMFC-コイルは-5cm、PE は 0cm に位置している。）

図 5. ビーム強度約 77 mA 時の、ビーム電流(赤線:20mA/Div.)、引出電流(緑線:50mA/Div.)、RF 進行波(青線:100mV/Div.)、RF 反射波(水色線:20mV/Div.)
横軸は 0.2ms/Div- 262 -

3.3

エミッタンス

AMFC-コイル電流 880AT、LEBT-ソレノイド電流
400A 時(図 3. 中にてビーム強度が最大になる条件)のエミッタンス測定結果を図 6. に示す。規格化
RMS エミッタンスの値は、水平方向及び垂直方向でそれぞれ 0.45、0.44mm・mrad であり、規格化
RMS エミッタンスの値としては W-fil.イオン源におけるビーム強度 76mA 引出時より大きな値となった[3]。これは、RF 電磁場によるビームの位置変動が一因であると考えている。AMFC-コイルによる磁場補正の結果からは、コイル電流の変化はエミッタンス変化に大きな影響を与えていないことを確認している。
J-PARC で使用している RFQ のアクセプタンス設
計値 1.5mm・mrad 内のビームフラクションは、水平 方 向 お よ び 垂 直 方 向 で そ れ ぞ れ 89.8% お よ び90.4%であり、その結果水平方向、および垂直方向の 1.5mm ・ mrad 内 の ビ ー ム 強 度 は そ れ ぞ れ 、69.6mA および 70.1mA であった。したがって、RFQで の ビ ー ム 透 過 率 90% を 満 た す ビ ー ム と し て 約70mA のビームを供給できることになる。

880AT、LEBT-ソレノイド電流は 400A とした。5 日間の連続運転において毎朝、計 5 回セシウムを追添加した。1 回目のセシウム添加時間は 16 分間、2 回目の添加時間は 6 分、その後は各回 4 分間である。
図 7. をみると、セシウム添加 1 回目後のビーム強度の時間変化が 2 回目以降の添加時と異なる結果となった。これは、実験開始日前の 2 日間は運転を行っていなかったため実験開始日初日の PE 表面のセシウムが酸化し、連続運転中に PE 表面の酸化セシウムが剥がれたため、ビーム強度が低下せずほぼ一定となったと考えられる。2 回目以降では、セシウム追添加によりビーム強度は約 70mA まで回復するとともに、ビーム強度の減少速度はほぼ同じであった。2 回目以降のデータにおいて、セシウム添加後の約 1 時間経過時からのビーム強度の減少速度は、約 0.1mA/h であった。引出電流については、2回目追添加以降のデータにおいて、セシウム添加直度に約 90mA まで低下し、その後は運転時間の経過に従って電流が増加した。追添加 4 回目において、ビーム強度 66.4mA 時（4 回目添加時より約 29 時間後）にエミッタンスを測定したところ、1.5mm・mrad 内でのビームフラクションは水平方向、および垂直方向でそれぞれ 92.7%および 92.6%であり、その結果水平方向、および垂直方向の 1.5mm・mrad 内のビーム強度はそれぞれ、61.5mA および61.4mA であった。

Horizontal

Vertical
図 6. エミッタンス測定結果（電子抑制磁場と水平および垂直方向）

図 7. 長時間(約 100 時間)連続運転時のビーム強度および引出電流の時間変化

長時間連続運転試験の結果から、1 日 4 分間の添加でビーム強度の減少が許容範囲内に収まることを
3.4 100 時間連続運転考えると、50 日連続運転する場合、長時間連続運
1 日数時間の断続的な運転試験を数日間行い、セ 転試験前に添加した時間約 200 分も加味して、積算シウム効果が再現性良く観測可能なことを確認した で約 400 分間の添加が必要と考えられる。今回の実o後に、長時間（約 100 時間）連続運転を行った。な 験条件であるリザーバー温度 240 C 時のセシウム消お、試験開始前にビーム性能の確認等を行うために、 費量のデータは未だ無いが、同一のセシウムオーブンを使用した J-PARC イオン源テストスタンド実験10~35 分のセシウム添加を数回行い、合計で約 200の結果から推測できる。テストスタンドでは、セシ分間添加を行った。長時間連続運転時のビーム強度
ウム充填したリザーバーを 173oC の温度で使用した(IH-)および引出電流(Iext)の時間変化を図 7. に示す。 場合、271 時間で 2.2g 消費した。セシウムの 173oC
こ の 時 の AMFC- コ イ ル 電 流 は 今 ま で と 同 様 に と 240oC における蒸気圧は、それぞれ 2.2x10-2Pa お- 263 -よ び 3x10-1Pa で あ る こ と か ら 、 リ ザ ー バ ー 温 度 参考文献
240oC で 50 日の運転に必要なセシウム量は約 0.74g[1] H. Oguri, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 010401と見積もることができる。なお、長時間連続運転試(2009).
験中の引出または加速ギャップでの放電発生頻度は、 [2] H. Oguri, et al., Rev. Sci. Instrum., 81, 02A715 ( 2010).
[3] A. Ueno, et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 02A720 (2010).
1 回以下/1 日であった。
ビーム強度と 2MHz-RF 出力の関係を図 8. に示す。 [4] M. P. Stockli, et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 02A729 (2010).
図から分かるように、ビーム強度は 2MHz-RF 出力 [5] A. Ando, et al., Rev. Sci. Instrum., 81, 02B107 ( 2010).
[6] A. Ando, private communication.に大きく依存している。長時間連続運転中は RF 出 [7] Reference Manual for the Poisson/Superfish Group of Code
力によるビーム強度調整は一度も行っておらず、RF 出 力 調 整 に よ り 現 状 の ビ ー ム 強 度 減 少 率(0.1mA/h)を低減できると考えている。
イオン源構成機器への RF ノイズの影響を考慮し、イオン源プラズマ生成室の外側を金属製のシールドで覆った。これにより長時間連続運転試験中、イオン源の側に付設された真空計や PE 温度計は RF ノイズの影響を受けることなく動作した。

図 8. 2MHz-RF 出力を変化させた時のビーム強度変化

4.

まとめ

J-PARC でテスト中の高周波駆動負水素イオン源に、AMFC-コイルによる軸磁場補正手法を用いた結果、ビーム電流 77mA、さらに 1.5mm・mrad 内エミッタンスにおいて約 90%のビームフラクションを得た。基本ビーム性能としては J-PARC 第 2 ステージの要求値を十分満たす結果である。
プラズマ点灯状態でセシウム添加する方法を採用
して長時間連続運転実験を行った結果、1 日一度セシウム追添加によりビーム強度の減少速度は約0.1mA/h であり、また引出または加速ギャップでの放電発生頻度は、1 回以下/1 日であった。実用運転
規模の連続運転試験は未実施であるが、長時間連続運転に関して大きな問題は無いと考えている。
今後は、セシウム添加量低減のための添加条件の最適化や、2MHz-RF 出力のフィードバック制御及びセシウム添加の自動化によるビーム強度の安定化を行い、ビーム強度の減少率低下を目指す。

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