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)

Development of Li Beam with NEOMAFIOS at RCNP
Tetsuhiko Yorita1, Kichiji Hatanaka, Mitsuhiro Fukuda, Mitsuru Kibayashi
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, Japan 567-0047
Abstract
NEOMAFIOS[1] is the 10 GHz ECR ion source for light and medium mass ions. Li ion, one of those ions, wasproduced by a LiF rod sputtering method with helium support gas and more intense and stable beam was required forsome experiments. For that purpose, a Li oven system has been developed and we obtained about one order intense Li
ions in comparison with LiF sputtering method. Li atoms are evaporated from pure metal and introduced into the ECR
plasma chamber. For a long term stability of Li beam, installation of a Ta hot liner to avoid Li condensation on the ECR
plasma chamber wall and optimization of the material of Li oven head also has been done. FInally very stable Li ion
production has been achieved. Currently about 10-30 euA 7Li2+ beam with about 3.5 days lifetime is produced withconditions of 400deg.C oven temperature, hellium support gas and 2 mmΦ hole on the face of oven head.

RCNPにおけるNEOMAFIOSを使用したLiビームの開発す。このオーブンはNEOMAFIOS本体の改造をせずに済むよう、ガス導入管から挿入可能な直径10mm
大阪大学核物理研究センター（RCNP）のサイク以下の筒状となっている。構造としては、プラズマロトロン施設では、中軽量イオンビームの生成にチェンバー側下流端にLi蒸気を放出する窓を持つLi
10 GHz ECRイオン源であるNEOMAFIOS[1]が使用さ金属容器であるオーブンヘッドを、上流側からヒーれている。Liイオンビームもその一つであり、これターで熱するようになっており、熱せられた容器内までNEOMAFIOSのガス導入管よりLiF結晶を挿入のLiが蒸気となってプラズマチェンバー内に導入さし、プラズマによって結晶をスパッタさせることにれる仕組みとなっている。オーブンヘッドの容量はよって供給されてきたが、実験利用者の要望として、およそ1ccである。ヘッドの材質は当初Cuが使われ、統計精度の向上と系統誤差の縮小のため、より高い後に後述の通りSUS製に変更された。ヒーターは下ビーム強度と安定性が望まれていた。このためLi金流端にボルト構造をもつSUS製の円筒内に熱伝対付属蒸気生成によるLiビームの開発が行われた。
きカートリッジヒーターを装着したもので、オーブンヘッド側あるのタップ穴に装着される。ヒーター
２．Ｌｉマイクロオーブン装置の構成
温度は温調器により±３℃程度に制御される。オー
強度増加のため、Li金属蒸気を発生させるLiマイブンヘッドはヒーター近傍に設置されているホト
クロオーブン装置をDECRIS-14-2, Dubna[2]の例を参ベール製インシュレータによりNEOMAFIOSガス導考に製作した。図１にこのオーブン装置の概要を示
入管に直接接触しないようになっており、輻射熱以

１．はじめに

図１：Liマイクロオーブンシステム：Li蒸気を放出する窓を持つLi金属容器のオーブンヘッドを上流側から熱伝対付きカートリッジヒーターで熱する。オーブンヘッドの容量はおよそ1cc。ヒーター温度は温調器により制御される。オーブン全体はホトベール製インシュレータによりNEOMAFIOSガス導入管に直接接触しないようになっている。
1

E-mail: yorita@rcnp.osaka-u.ac.jp-421-

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表２：Li蒸気圧の温度相関[3]いかなかった。
このようにマイクロオーブン装置の導入により、LiFスパッタ方式に比べ大電流が得られるようになった。

図２：Liイオンスペクトル：サポートガスはHe、引出電圧は15kVである。温度はカート
リッジヒーターの温度で、ｘは図１で示したオーブンの位置ｘに対応する。使用したオーブンヘッドの蒸気穴径は2mmΦ。

４．ビームの長期安定化

外の熱接触が無いようになっている。オーブンの設置位置は可変である。

３．イオン生成試験製作されたマイクロオーブン装置によるLiイオンビーム生成試験を行った。図１に生成試験で得られたイオンスペクトルを示す。ここで、サポートガスはHeを使用、引出電圧は15kVである。ヒーター温度とオーブンヘッド位置を変化させながらイオン生成の様子を見たところ、ヒーター温度400℃以上、ヘッド先端位置がプラズマチェンバーに数mm入ったところ、という条件において大強度のLiイオンが得られた。このときの電流値は表１にまとめたとおりで、旧来のLiFスパッタ方式に比べ約１桁のビーム増強が実現した。また、このとき、OやNといったバックグラウンドがLiと反応することで除去される様子が見て取れる。400℃以上の温度のときのLi蒸気圧は表２にしめすとおり10-2Paのオーダーであり、これはプラズマチェンバーの引出電極下流側の運転時真空度の 10-5Paのオーダーに比して３桁程度高いとなっている。このとき更に温度を上げて更なるビーム増強を狙ったが、オーブン温度がプラズマにより上昇し、プラズマが制御不能となりうまく

4.1 Taホットライナーの導入
次にLiビームの長期安定性を調べる試験を行った。
その結果、数分から数十分といった間隔で定期的にビーム電流が暴走するという現象が見られた。この現象について、NEOMAFIOSのプラズマチェンバー壁面は冷却水により冷却されているが、この壁面へのLi金属蒸気の吸着・蓄積し、プラズマ条件の微妙な変化によりスパッタされてイオン生成に寄与することで起こるということがまず考えられた。
この現象を避けビームの安定化を図るため、
CNS HyperECR[4] の例を参考にチェンバー筒内にTaのホットライナーを導入した。ホットライナーは図３に示すとおりTaの薄板を円筒形に加工したもので、プラズマチェンバー内壁より数mm浮かせて設置してある。これによりプラズマに対してチェンバー壁が断熱された格好となり、Liの吸着が低減すると期

表１：7Li イオンビーム強度 (eμA)：下段がLi
オ ー ブ ン を 使 用 し 、 ヒ ー タ ー 温 度 を 416 ℃ 、オーブン位置x=-5mmとしたときの値。上段はLiF結晶をスパッタさせる方式の場合[1]。

cdba

図３：Ta ホットライナー装着の様子： a)プ ラ ズ マ チ ェ ン バ ー b) ホ ッ ト ラ イ ナ ーc)RF導入口 d)ガス導入口-422-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)

待された。
実際、このライナー導入の結果、Liビームの暴走の頻度が低減した。
4.1 Liオーブンヘッドの素材の見直し
Liオーブンヘッドは当初、ヒーターの温度を効率よく伝えられるよう、Cuで製作した。しかし、その熱伝導率の良さによって、容易にプラズマによる温度変化を受けることとなり、これもビームの不安定要因の一つとなっている。また、CuとLiの化学変化やCuの熱変形などといった不安定要因もあるため、オーブンヘッドの素材をCuからSUSへと変更した。
このSUS製ヘッド導入の結果、Liビームの暴走はほぼ皆無となり、Liビーム生成の長期安定性が実現した。

５．まとめ
NEOMAFIOSによって生成されるLiビームの更なる大強度化と高安定性を目指して、Li蒸気発生用のLiマイクロオーブン装置を開発した。ビーム生成試
験の結果、旧来のLiF結晶をスパッタさせる方式に対し約１桁強度の高いビーム生成が実現した。また、プラズマチェンバー内へのTaホットライナーの導入
やSUS製オーブンヘッドの導入の結果、長期にわたる安定なLiビーム生成が実現した。
現在10～30 eμAの 7Li2+ビームが、ヒーター温度400℃、Heサポートガス及びオーブンヘッドのLi 蒸 気 穴 が 2mmΦ と い う 条 件 下 で 約 3.5 日 間 に渡って得られており、また蒸気穴 3mmΦ の場合は 50～100 eμAのビームが約2.5日間に渡り得られている。

参考文献[1] M. Tanaka et al., RCNP Annual Report 1991 p215
K. Takahisa et al., RCNP Annual Report 1994 p190
H. Takahisa et al., RCNP Annual Report 1996 p172
H. Tamura et al., RCNP Annual Report 1997 p289
[2] A. Efremov, et al., Review of Scientific Instruments69(1998) 662[3] C.B. Alcock, Handbook of chemistry and physics, 73rd
Edition, p.5-80[4] Y. Ohshiro, private communication-423-