Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Production of intense beams of highly charged ions from 18GHz SCECR-IS at
RCNP
Tetsuhiko Yorita1, Kichiji Hatanaka, Mitsuhiro Fukuda, Mitsuru Kibayashi,
Shunpei Morinobu, Hiroyuki Okamura, Atsushi Tamii
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, Japan 567-0047
Abstract
An 18 GHz superconducting ECR ion source has been installed and developed recently in order to extend the variety
and the intensity of ions at the RCNP coupled cyclotron facility. Production of several ions like O, N, Ar, Kr, etc. has
been developed and some of them have already been used for user experiments. Further optimizations for eachcomponent like mirror filed, extraction electrode and bias probe have been done and more intense ion beams have beenobtained especially for O, N and Ar.

RCNPにおける18GHz SCECR-ISによる大強度多価イオンの生成
１．はじめに大阪大学核物理研究センター(RCNP)のサイクロトロン施設では、平成１６年度より入射AVFサイクロ
トロンの更新計画が実施されている。この計画は更なるビームの高品質化、高安定化及び大強度化を目指すもので、AVF加速高周波パワーの増強や高調波の導入によるAVFのフラットトップ化などが行われている。イオン源に関しては、ビーム強度の増強及び加速可能な重イオンビーム種の拡大のため、18GHz超伝導ECRイオン源が新規導入され、平成１８年度以降様々なイオンの生成試験やサイクロトロンへの入射、加速試験などの開発が進められている[1]。
このイオン源の概要は図１に示したとおりで、理研の18GHz超伝導ECRイオン源RAMSES[2]をベースに設計されており、RAMSES開発時の結果を参考に6極磁石の内径を90mmに、プラズマチェンバーの内径を80mmに拡大するなどの改良が加えられている。ミラーコイルは、４つのNbTi/Cu の超伝導コイルで構成され、上流１コイルと下流コイルは共通の電源より励磁する一方、上流２コイルを順方向、中心コイルを逆方向にそれぞれ励磁することでミラー磁場分

図１：18GHz 超伝導ＥＣＲ
1E-mail: yorita@rcnp.osaka-u.ac.jp-418-

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布を調整できるようになっている。ミラーコイル内と変化している。この値はプラズマチェンバー表面、部にはNEOMAX-44Hで構成された六極磁石が設置され、 即ちビーム軸周りr=40mmの円筒上での六極磁石が作その内側にプラズマチェンバーが設置されている。
る磁場の最大値～1Tに近い値であり、これによりプラズマチェンバー内は1 mm厚のアルミライナーがビーム軸方向のプラズマ閉じ込めの力がビーム軸に導入されている。プラズマチェンバーの中心軸上の対し鉛直方向の閉じ込め力と同等となったと考えら上流側からはバイアスプローブが導入されている。
れる。
これまで12C, 18O, 15N, 40Ar, 86Kr などのガスによ
また、プラズマチェンバー下流端の引き出し電極
るイオン生成やBイオンのMIVOCによる生成の開発がの材質をＳＵＳからアルミに変更した。この変更は、行われ、大強度の 16O6+,5+ や 18O6+ 、 15N6+ のビーム及び素材をアルミとすることで、電極にプラズマ電子が多価の 86Kr23+,21+ のビーム等が既に実験ユーザーに当たった際に放出される２次電子の量が増大し、プ供給されている。
ラズマ密度が上がりイオンビーム量が増えることがビームの更なる大強度化や安定化を目指し、超伝期待されるため行われた。この際、電極位置も下流導コイル電流やガス流量などのパラメータの最適化側へ9.5mm移動している。の他、プラズマチェンバー内壁及び出口電極の素材
これらの改良により表１のb)に示すとおり40Arや16O、 18O、 15Nイオンで軒並み３～４倍のビーム強度の最適化やバイアスプローブの形状及び素材の見直の増倍が実現した。
しなどの開発が更にすすめられた。

２．イオン源の最適化

2.2 バイアスプローブの最適化

次にバイアスプローブの最適化を行った。バイア
スプローブはこれまでＳＵＳ製で直径10mmの棒状のミラー磁場はこれまで各々のコイルの電流値は、ものを使用してきた。今回、プラズマチェンバー上上流１及び下流が36.3 A、中心が36.9 A、上流２が流側での２次電子の増強とプラズマに対するバイア60.5 Aで、この値に対し数％の範囲で調整が行われス電場の均一化を狙って、素材をアルミとし形状をてきた。これはRIKEN-RAMSESの参考値を元にえられ直径50mm厚さ5mmのディスク形状としたプローブをたパラメータであった。この電流値により生成され導入した。
るミラー磁場を図２の点線で示す。今回、大規模な
この改良の結果表1のc)に示すとおり40Arでは若干パラメータサーチを行った結果、上流１及び下流がのビーム強度の増強が実現した。また16Oでは約1.529.4 A、中心が30.3 A、上流２が59.6 A近傍に更な倍のビーム増強が実現した。
る最適値があることがわかった。新しいパラメータ
図３はバイアスプローブのディスク表面の位置とにより作られるミラー磁場は図２に実線で示される
40Ar11+ の強度の関係を示したものであるが、ｚがミとおりで、ミラー磁場の谷の部分の磁場は変化せず、 ラー磁場が最大値となる辺りでビーム強度も最大と下流側の山の部分のピーク値が1.14T から0.95Tへなり、これは棒状のバイアスプローブの場合でも同様であった[1]。

Ar11+ current [euA]

M ir r o r fie ld [ T ]22007Oct.~~2007Jul.
resonancechamber

10-400 -300 -200 -100

0100Z[mm]200300400

図２：ミラー磁場分布：青い点線が以前 [1] の磁場、赤い実線が今回最適化された磁場を示す。いずれも電流値を基にした計算値。一点鎖線は18GHzの共鳴磁場を示す。黒い点線は+210mmの位置のものがプラズマチェンバーの上流端を、-170mmのものが以前[1]の出口電極位置、-179.5mmが今回の電極位置を示す

2001801601401201008060402001701.9
1.89
1.88
1.87
1.86
1.85
1.84
1.83
1.82
1.81
1.8

Ar11+ current
Mirror Field (calc.)

180190200

Mirror Field [T]

2.1 ミラー磁場及び引き出し磁場の最適化

210Z[mm]

図３：バイアスプローブ下流面位置に対する40Ar11+の電流値。点線はミラー磁場の値を示す。

４．まとめと今後
大阪大学RCNPではAVF更新の一環として、18GHz超-419-

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参考文献[1] T. Yorita, et al., Review of Scientific Instruments79 (2008)
02A311[2] T. Nakagawa, et al., Review of Scientific Instruments75(2004) 1394454035302520151050

16O5+ 16O4+

136Xe

FC current [uA]

伝導ECRイオン源がビーム強度の増強及び加速可能な重イオンビームの拡大を目指し新規導入され、イオン生成試験開発が行われており、その結果、大電流化や重イオンビームの増強が実現し、ユーザー実験にも供給されてきた。
今回、更にミラー磁場の見直しや引き出し電極、バイアスプローブの改良などを行い40Arや18O, 16O,15Nといったイオンの強度について大幅な増強が実現した。
一方、より重いイオンである136Xeについては、図４や表1に示すように、30価より多価のビーム強度が現状では非常に弱い。そのため、より多くの多価ビーム生成を目指して、各種パラメータの最適化や各コンポーネントの見直しを引続き行っていく。

16O3+24+27+30+

1

1.5
22.5
BM current [arbitrary]

図４：136Xeイオン分布：RFは750W投入。サポートガスは酸素を使用。

表１：各イオン種の各価数に対するイオン電流値(eμA)。サポートガス種や引出電圧を併記する。＊印はビームテストの際にその価数に対して各パラメータの最適化が行われていることを示している： a) 以前[1]の電流値。b)ミラー磁場及び出口電極最適化後の電流値。c)バイアスプローブ最適化後の電流値。

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