DEVELOPMENT OF VERY SMALL ECR H+ ION SOURCE WITH
SMALL PEMANENT MAGNETSYuji Nasu#A), Ryunosuke KitaharaA), Yasuhiro FuwaA), Hiromu TonguA),
Yoshihisa IwashitaA), Masahiro IchikawaB)
A)
Institute for Chemical Research, Kyoto University, Gokasho, Uji City, Kyoto 611-0011
B)
Japan Atomic Energy Agency, 2-166, ObuchiOmotedate,Rokkasho-mura, Kamikita-gun, Aomori 039-3212

Abstract
The neutron attracts attention as a probe of material structure. While the small neutron ion source is widely required,
there are few neutron facilities is limited and we cannot feel free to use the facility. To develop the small neutron source
using a proton linac, we started to develop a very small ECR H+ ion source with small permanent magnets.
Overmuch gas flow to an ion source caused by continuous gas supply increases the load to the vacuum pumping system,
while following accelerator such as an RFQ requires high vacuum. We are now developing a new ion source. In thision source, pulse driven piezoelectric gas valve can supply proper volume of hydrogen gas. Because of this idea, the ion
source can generate plasma particles efficiently with the adequate amount of gas. We are trying to extract the highcurrent beam from the small H+ ion source.
Among several key components of the ion source, we revised the pulse gas valve for a good reproducibility.

小型永久磁石を用いた ECR 水素イオン源の開発	 	 ECR イオン源ではプラズマチェンバー中に軸方向の磁場をかける。これにより、チェンバー内で電子が近年、中性子の利用に注目が集まっており、中性その磁場に巻き付く方向にサイクロトロン運動を行子は様々な分野での応用が期待されている[1]。一方、うようになる。そのサイクロトロン周波数に等しい中性子実験施設の数は日本国内では数えるほどであ周波数の RF を加えることによりサイクロトロン運り、それゆえマシンの利用時間に大きな制約がかか動をしている電子が共鳴的にエネルギーを吸収し、る。今後の中性子科学分野の発展を考慮すると、広電子の運動エネルギーが大きくなる（図１）。
く普及可能な小型中性子源の開発が急務となっている。
そこで当研究室では陽子線形加速器ベースの小型中性子源の開発をめざし、その第一歩として、一次陽子ビーム生成のための H+イオン源の開発を行っている。開発にあたり、引き出されるビームはパルス的で、J-PARC の中性子源に合わせ 25Hz での繰り返し運転ができ、小型かつ長寿命であることを目的とした。加えて大強度の中性子ビームを得るために大電流を得ることが不可欠である。これらの条件を満たすイオン源として、我々は小型永久磁石を用いた
図１：ECR の原理図
ECR(Electron Cyclotron Resonance)イオン源に着目した。ECR を利用するため効率よく電子にエネルギーよって大きなエネルギーを持った電子がチェンバーを与えることができ、低 RF パワーでも大電流を得内の中性ガスに衝突し、中性原子の電子を剥離し、ることが出来る。また、電磁石でなく永久磁石を用イオン化させる。電子のサイクロトロン運動の周波いることで電力供給が必要なく低コストを実現して数はこの磁場のチェンバー内で ECR を起こさせるいる。今回、本イオン源のガス弁の新規製作を行い、部分にかかる大きさで決まり、以下の関係を持つ。
新ガス弁の性能評価を行った。

1.

はじめに

2.

本 ECR イオン源の概要（１）

我々が得ようとしているのは H+イオンであるため、水素原子の軌道電子を引きはがす必要がある。ECR ここで Becr は ECR 領域における磁場強度、f は RF
周波数、me は電子の質量、e は電気素量である。
イオン源は電子との衝突による電離を用いている。
#

nasu@kyticr.kuicr.kyoto-u.ac.jp- 1078 -Ncpk _l cl r
k _e l cr

Screw&for&adjus.ng&the&distance&between&magnets,&chamber&and&electrodeMagnets(NEOMAX?48H)

     Ns jqc
e _q!
t _jt cPulse&Gas&Valve

図２：KBS-27DA-5A

Nj_qk _af _k ` cp

Cvrp_argml
cjcarpmbc

Extrac.on&Electrode	  	  	  	  	  図４：イオン源断面図

表１：KBS-27DA-5A の仕様
Diameter of metal baseDiameter of piezoelectric element
Total thickness
Thickness of metal baseResonance frequency
CapacitanceElectric strength(catalogue spec.)

Plasma&Chamber

27.0±0.1mm
20.2±0.1mm
0.53±0.1mm
0.25±0.03mm
4.6±0.5kHz
20±0.3nF
30Vp-p	  大電流ビームを引き出すには中性ガスを多く流す必要がある。しかし本イオン源では、RFQ 等に入射することを考慮し、できるだけ加速管内の真空度を悪化させないことを目的としている。そこでガス流量を調整して真空排気系への負担を減らすべく円盤状の圧電素子（京セラ、KBS-27DA-5A、図２）を用いてパルスガス弁を構成している[2]。図３に示すように、電圧をかけると変形する圧電素子の性質を利用し、電圧をかけないときにはガスの流路を塞いでいるが（以下 OFF 時）、電圧をかけると（以下 ON時）流路が開くという原理で動作している。
本イオン源の断面図を図４に示す。左側から流入する水素ガスはガス弁を通してチェンバー内に到達する。小型永久磁石により生み出される ECR 領域での磁場はおよそ 0.22T ほどであり、式（１）から求められる共振周波数の RF がチェンバーに加えら れ て い る 。 チ ェ ン バ ー の 設 計 に はPoisson/Superfish シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 、 円 筒 形 のチェンバー内部の構造に関しては HFSS シミュレーションを使用している。引き出し電極部の形状はシミュレーションソフト PBGUNS を用いて設計されており、25keV での引き出しを目標としている。

イオン源から引き出されたビームの解析を行うためには図５のようなテストベンチを用い、イオン源から出たビームをまずアインツェルレンズで集束させ、アナライザーマグネットで H+、H2+、H3+などを分離し、ファラデーカップでそれぞれの電流値を測定することができる。また、下流側のフランジから分光器を用い、プラズマの発光スペクトルから H+イオンの生成効率を見積もる研究も進行中である[3]。テストベンチの写真を図６に示す。

図５：ビームライン水平方向断面図

図６：テストベンチ
図３：パルスガス弁動作原理- 1079 -2.5 10-610

2 10-68

1.5 10-66

1 10-645 10-7

20200400600

800

1000

1 10-568 10-656 10-64

4 10-63

2 10-6210200

4006008001000Hydrogen Gas Pressure(hPa)

図８：繰り返し周波数 25Hz、パルス幅1ms のときの流量と CW の ON/OFF 比まとめ	  京都大学化学研究所では小型永久磁石を用いたECR イオン源の研究開発に取り組んでいる。今回、ガス弁の真空度の変化を通してガス弁の性能を調査した。以前のガス弁では上流側ガス圧が低いときに、ガスはほとんど流入しなかった。しかし、H+イオンの比率を増やそうとすると上流ガス圧は低い方が望ましい。そこでガス弁の改造を行った。新ガス弁では低いガス圧でもガス圧に対応する量のガスが流入できるようになり、流量も増加した。しかし OFF 時のときの流量が大きく、ガス弁が閉まりきっていないことが考えられる。今後ガス弁座にスペーサーを挟み込むなどして、ON/OFF 比の向上を目的としたさらなる改良を試みたい。

00

ON/OFF ratio(CW)04.

ON/OFF ratio(CW)

ON/OFF Ratio

Flow Rate(Torr m^3/s)

flow rate(OFF/PULSE)
flow rate(ON/PULSE)

flow rate(OFF/PULSE)
flow rate(ON/PULSE)

ON/OFF Ratio

ビームライン内真空度の善し悪しは、イオン源の性能評価を行う上でとても重要である。また、イオン源上流からガスを流入させるため、ガスバルブ系が構成する真空系には特に気を配らなければならない。したがって、ガス弁が正常に機能するかを確かめることが必要である。
図７は圧電素子にかけるパルス電圧の繰り返し周
波数 250Hz、パルス幅 2ms でガス弁をパルス駆動（以下 PULSE とする）させたときの上流側ガス圧変化に対する水素ガスの流量をプロットした。また、圧電素子に一様電圧をかけつづけ以下 CW とする）
弁が開いている状態を ON、閉じている状態を OFFとし、それらの比（ON/OFF 比）もプロットした。
ガ ス 圧 が 500hPa 以 上 で は 流 量 は 増 加 す る が 、400hPa 以下では流量に変化は見えず、ガス弁が開いていないことが分かる。しかし、経験的にチェン
バー内のガス密度が低い、すなわち上流ガス圧が低いときにはイオンの再結合が起こりにくく、H+イオンの比率は向上する傾向があり、低いガス圧での実験が重要となってくる。そのためガス弁を交換し、新しく取り付けたガス弁の性能評価を行った。

を設け、ガス弁と弁座の間のスペースを埋めることで ON/OFF 比の向上を図る予定である。

Flow Rate(Torr m^3/s)

ガス弁の評価3.

1200

Hydrogen Gas Pressure(hPa)

図 ７ ： 繰 り 返 し 周 波 数 250Hz 、 パ ル ス 幅
2ms のときの流量と CW の ON/OFF 比

参考文献[1] http://www.jrias.or.jp/report/pdf/tyusei_kiso_05.pdf[2] M.Ichikawa, et al., “DEVELOPMENT OF VERY SMALLECR H+ ION SOURCE WITH PULSE GAS VALVE”,
測定条件としてパルス電圧は繰り返し周波数
Proceedings of the 23th Particle Accelerator Conference in
25Hz、パルス幅 1ms、デューティ 2.5%としている。
Canada, Vancouver, May. 4-8, 2009
図８も図７と同様、PULSE 駆動において流入させる
http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/pac2009/papers/mo6
水素ガス圧に対する水素の流量と CW での ON/OFFrfp032.pdf
比がプロットされている。以前のガス弁と比較して、 [3] M.Ichikawa, et al., “IMPROVEMENT OF ECR H+ ION
SOURCE WITH PERMANENT MAGNETS”	 第７回日
低いガス圧でもガス圧の増加に伴って流量も増加し
本加速器学会年会プロシーディングス, 姫路, Aug. 4-6,ている。その一方で PULSE 駆動させたときの流量
2010

は OFF 時の流量と大差がなく、OFF 時にガス弁が閉まりきっていない。それゆえ、ON/OFF 比も以前に比べ減少している。原因として、ガス弁の組み立ての際、圧電素子がへこみ、そのためにガス弁が閉まりにくくなったと考えられる。従って圧電素子を交換するか、圧電素子と接触する弁座にスペーサー- 1080 -