DEVELOPMENT OF 2.45GHz PERMANENT-MAGNET PROTON SOURCE
Hirofumi Yamamoto ＊, Keita Kamakura, Kichiji HatanakaA), Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita,Takane Saito, Hitoshi Tamura, Mitsru Kibayashi, Keiichi Nagayama, Shunpei Morinobu,
Hiroshi Ueda, Yuusuke Yasuda
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047

Abstract
A 2.45GHz ECR proton source of a permanent magnet type was developed to increase a 400 MeV proton beam
intensity to more than 5 µA at the RCNP cyclotron facility. The 200 W, 2.45 GHz microwave power supply wasreplaced by a 2 kW magnetron, and the microwave guide system was upgraded for 2 kW power feeding. A beam
intensity of a 15 keV proton beam extracted from the 2.45 GHz ECR source was increased to more than 0.8 mA and thenormalized emittance of the proton beam was improved to 0.3 – 1.0 π mm-mrad by positioning the plasma electrodeclose to the ECR zone and modifying the structure of the extraction electrode system. Dependence of the beamemittance and transmission efficiency on the extraction-electrode voltages was evaluated for improvement of the proton
beam brightness.

永久磁石型 2.45 GHz ECR 陽子源の開発
1.

はじめに陽子源によって得られた陽子ビームの性能評価結果について述べる。

大阪大学核物理研究センター（Research Centerfor Nuclear Physics）サイクロトロン施設では２次粒子（neutron, muon 等）の生成量を増大させる ２．マイクロ波出力の増強ための陽子ビームの強度増強を目指した研究を行っプラズマ密度を高め、陽子ビームの大強度化を図ている。その研究の一環として、mA 級の低エミッタ るために 2.45GHz マグネトロン型マイクロ波電源のンス・高安定陽子ビームを生成するための永久磁石 出力を最大定格 200W から 2000W に変更した。図１型 2.45GHz ECR 陽子源の開発を進めている。にマイクロ波電源と導波管の構成を示す。電源の増
これまでに開発してきた陽子源では、マイクロ波 強に伴い、絶縁導波管を高出力マイクロ波に対応し出力 200W、加速電圧+15ｋV でおよそ 0.6 から 0.7ｍた水冷式に更新した。マイクロ波電源から方向性結A のビーム強度、50～100πmm・mrad のビームエ合器までの導波管は WR340、真空窓までは WR430 でミッタンスが得られていた。そこでさらなる高輝度化（大強度化・低エミッタンス化）と陽子源の安定 接続し、プラズマチェンバーへの連結部において性向上を目指し、マイクロ波導入部とビーム引き出 WR-284 に変換している。以上の更新によってハイパワーのマイクロ波が導入可能になった。さらに、プし電極部の改良を行った。
陽子ビームの大強度化を図るために、これまで使 ラズマチェンバー内のマイクロ波電場を高めるため用していた出力 200W のマイクロ波電源を最大出力 にプラズマチェンバーの導波管導入部の形状の最適2kW のマグネトロン型電源に更新するとともに、高 化を行う予定である。
出力対応の水冷絶縁導波管を導入し、マイクロ波のハイパワー化を行った。
また、引出ビームの高輝度化を図るためプラズマ電極の位置を ECR 領域にほぼ一致させると共に、ビームの大強度化に伴う空間電荷効果の影響を考慮したビーム引出軌道計算により引出電極部の形状、配置を見直した。その際、これまでビームの安定性を欠く原因になっていた引出電極間での放電対策として、電極間の絶縁体のサイズ・形状なども併せて見直し、高安定化を図った。
本稿では第２章でマイクロ波の高出力化について、
図１：マイクロ波電源及び導波管の構成
第３章では引出電極領域の改良点について議論する。
また、第４章では改良後の永久磁石型 2.45GHz ECR___________________________________________ ______________#

hyamamot@rcnp.osaka-u.ac.jp- 1092 -３.引出電極領域の改良
図２に改良後の電極の配置図と組み立て後の外観を示す。
これまでの引出電極システムでは、各電極を支持する放熱用の銅板の間に挟んでいた絶縁碍子の厚さは全て 30mm であったが、沿面距離が短かったため隣り合う電極間の電位差を大きくしたときに大気側の絶縁碍子表面での沿面放電が起きやすくなってしまうという問題が発生していた（特に電位差が 20ｋV 以上になる引出電極 A と引出電極 B の間で顕著であった）。これを解決するために絶縁碍子（テフロン製）の厚さを 60ｍｍに大きくして銅板間に十分な距離を確保するとともに、凹凸をつけることで沿面距離を十分に長くとるような設計に改良した。以上の改良により、引出電極 A と引出電極 B の電位差を30ｋV に上げても大気側での電極間放電は抑えることができた。
また、これまでのプラズマ電極は ECR 条件を満たす磁場（0.0875T）領域から 10mm 程下流の位置に固定していたため、プラズマ電極の位置を 10mm 上流へ移すように電極を再設計した。それに合わせて他の引出電極全体の位置も上流側に移動させるとともに、ビーム引き出し軌道計算コード IGUN を用いて各電極の形状と配置をあらためて最適化した。再設計に当たっては、ビームの大電流化に因る空間電荷効果を考慮したうえで、引出ビームの透過効率が最大でかつ低エミッタンスになるように決定した。
IGUN により得られた改良後の引出電極におけるビーム軌道シミュレーション結果を図３に示す。この計算では、プラズマ電極電位+15ｋV、引出電極 A
電位+11.5ｋV、引出電極 B 電位-20ｋV、引出電極 C電位+4ｋV、 D 電位を GND、初期電流値 2mA に設定している。電極間の距離は、プラズマ電極と A 電極の間が 9mm、A 電極と B 電極の間が 36mm、B 電極と C電極の間が 14mm、C 電極と D 電極の間が 14mm である。この時、計算上のビームの透過効率は 85％、ビームエミッタンスの RMS は 12πmm・mrad、輝度は2.4×10－6 A/(mm・mrad)２であった。
2.45GHz ECR 陽子源の実ビーム生成試験においては、引出電極近傍の真空度 3.1×10－３Pa、マイクロ波電源の周波数 2.45GHｚ、出力 300W、プラズマ電極電位+15ｋV、引出電極 A 電位+8.0ｋV、引出電極 B
電位-12ｋV、引出電極 C 及び D の電位 GND の運転条件で最大電流 0.8mA 以上の陽子ビームの生成を確認した。また、陽子源から引き出したビームを ECR ス
リットで水平及び鉛直方向に±3mm、Iris スリットの開口径を約 10mm に制限して輸送した場合、AVF サ
イクロトロンの垂直軸入射ラインのファラデーカップで 72μA 観測した時の加速・引き出し後のビーム電流は～5μA、90%エミッタンスは εx=6πmm・mrad（水平方向）εy=10πmm・mrad（鉛直方向）であった。図 4 に陽子源から AVF サイクロトロンのインフレクター電極までの機器配置図を示す。

図２：絶縁碍子改良後の 2.45GHz ECR 陽子源- 1093 -図３：IGUN による引出ビーム軌道のシミュ
レーション結果図５：2.45GHz ECR 陽子源のビームエミッタンス測定結果。左図が水平方向の位相空間粒子密度分布（ｘ-ｘ’)、右図が鉛直方向の位相空間粒子密度分布（ｙ-ｙ’）。

図４：2.45GHz ECR 陽子源とビームライン

4.

ビームの性能評価

今回改良した陽子源から引き出されるビームのエミッタンス及び輝度のパラメータ依存性やサイクロトロン入射時のビーム輸送効率との関係を明らかにするため、引出電極の電圧を変えたときのビーム電流値とエミッタンスなどを測定した。ファラデー
カップ（FC）、ビームスリット、ビームプロファイルモニター（PM）などの主な機器の配置は図４の通りである。ビームエミッタンスは、偏向電磁石 BM2の下流に位置するビームスリット（ECR スリット）のギャップを 3mm に固定した状態で水平方向及び鉛直方向に 3mm ずつ移動させ、その下流に位置する回転式ビームプロファイルモニター（回転式 PM）によりビームの電流密度分布を逐次測定する方法により計測した。
4.1 ビームエミッタンスのパラメータ依存性
2.45GHzECR 陽子源の運転条件を真空度 2.6×10Pa、マイクロ波電源の出力 800W、プラズマ電極
電位+15ｋV、引出電極 A 電位+5.7ｋV、引出電極 B
電位-17ｋV、引出電極 C 及び D 電位 GND に設定し、引出電極下流に設置した水平方向のビームスリットや分析電磁石 BM1 の下流に位置する鉛直方向のビームスリットは全開（分析後の陽子ビーム電流値３８０μA）、ECR スリットは水平方向、鉛直方向とも±3mm の状態でビームのエミッタンスを測定したとこ
ろ、鉛直方向のエミッタンスは 60πmm・mrad（規格化エミッタンス 0.34πmm・mrad） 、水平方向のエミッタンスは 190πmm・mrad（規格化エミッタンス1.1πmm・mrad ）であった。エミッタンス測定結果を図５に示す。
ま た 、陽 子源 の パラ メータ （ 引出 電極 A 電 圧（VA）、引出電極 B 電圧（VB））を変化させたとき－３の鉛直方向のビームエミッタンス及び ECR-FC でのビーム電流値の依存性を調べた（図６－a～d）。
引出電極 A の電圧を変化させたときの結果（6－a）
から、VA=＋3kV の点に注目すると VB の値に関わらずエミッタンスはほぼ一定だが、VB をマイナスの方に大きくすることで得られるビーム電流値は増大している（6－c）。つまり、VA と VB の電位差を大きくすることにより輝度が大きくなることが分かる。
また VA を大きくするとエミッタンスも小さくなり（6－a）、より輝度が大きくなっていることが見てとれる。しかしながら、今回のテストでは、引出電極 A の電圧を上げることにより陽子源の安定性が悪くなってしまったため、これ以上の電圧での測定は行っていない。
引出電極 B の電圧を変化させたときの結果からは、
VA=+3kV の点を除いて、VB に印加するマイナス電圧を大きくするほど（よりプラズマ電極との電位差を大きくするほど）エミッタンスが小さくなり（6－b）、且つビーム電流値が大きくなる（6－d）、つまり高輝度のビームが得られることが分かる。この結果は IGUN による引出ビーム軌道計算の結果によく一致している。計算結果によると VB=-35kV 付近で得られるビームの輝度が最大になることが予想されるが、現在使用している高圧電源の定格電圧は±20ｋV であるため、今後電源の更新も検討している。
4.2

ビーム輸送効率の測定

2.45GHz ECR 陽子源にて生成された陽子ビームをAVF サイクロトロンに入射し加速した時のビームの輸送効率を調べるため、垂直軸入射部のファラデーカップ（FC2）とインフレクター電極（Inf）でのビーム電流について測定を行った。（測定機器の場所については図４を参照）- 1094 -6-a

図７：IRIS スリットの開口径を変えたときのAVF サイクロトロン垂直軸入射時のビーム強度とビーム透過効率の変化

6-b

その結果、AVF サイクロトロンへの垂直軸入射時の FC2 から Inf への陽子ビームの透過効率は、Irisスリットによるビームの制限を行わなかった場合においても７割以上は確保可能であった。
また、Iris スリットをφ10mm 以下に制限することでビームの８～９割をサイクロトロンに入射させることが可能であることが分かる。このことは、サイクロトロンへの入射効率を高め、加速されるビーム強度を増強するためには更なる陽子源の高輝度化が必要であることを示唆している。

6-c

参考文献
6-d[1] H.Yamamoto, et al., “永久磁石型 2.45GHz 陽子源の開発とエミッタンス測定”, 第８回日本加速器学会年会報告集, つくば市 (2011).

図 ６ ：鉛 直方 向の ビー ムエ ミ ッタ ンス 及びECR-FC でのビーム電流のパラメータ（引出電極 A 電圧及び B 電圧）依存性
運転条件を真空度 2.7×10－３Pa、マイクロ波電源の周波数 2.45GHｚ、出力 500W、プラズマ電極電位+15ｋV、引出電極 A 電位+8.1ｋV、引出電極 B 電位16.7ｋV、引出電極 C 電位及び D 電位を GND に設定して、ECR スリットを上下±３ｍｍ、左右±３ｍｍに制限した状態で入射ビーム強度及び透過効率の測定を行った。（図７）- 1095 -