Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

RCNP におけるイオン源引出し系及び輸送系の改良と重イオンビーム開発
DEVELOPMENTS OF HEAVY ION BEAM BY MODIFICATION OF EXTRACTION AND
TRANSPORT SYSTEM OF ION SOURCE AT RCNP
依田哲彦#, A), 福田光宏 A) , 畑中吉治 A) , 鎌倉恵太 A) , 安田裕介 A) , 森信俊平 A) , 民井淳 A)
Tetsuhiko Yorita#, A), Mitsuhiro Fukuda A), Kichiji Hatanaka A), Keita Kamakura A),
Yuusuke Yasuda A), Shunpei Morinobu A), Atsushi Tami A)
A)
RCNP, Osaka Univ.

AbstractAn 18 GHz superconducting ECRIS is installed to increase beam currents and to extend the variety of ions, especiallyfor highly charged heavy ions which can be accelerated by RCNP cyclotrons. The production development of several
ions like B, O, N, Ne, Ar, Ni, Kr and Xe has been already done and the further studies for those beam extraction andtransport have been done in order to increase the beam current more injected to cyclotron. The extraction electrode andeinzel lens are modified to be applied minus voltage for the beam extraction and the extracted beam is increasing as theelectrode voltage rising. Additional steering magnets have been installed to reject the effect of magnetic field leakage
from AVF Cyclotron and the transmission of transport line has been improved with these steering magnets successfully.

1.

はじめに

大 阪 大 学 核 物 理 研 究 セ ンター（RCNP）では、AVF サイクロトロン及びリングサイクロトロンでの加速ビームの強度の増強及び加速イオンの多様化を目指し、18GHz 超伝導 ECR イオン源を導入し開発を進めてきた。これまで B,C, O, N, Ne, Kr, Xe な
どのイオン生成の開発が行われ、既に実験ユーザーにも供給されてきた。今回、更なる加速ビーム増強のため、イオン源出口電極構造の大幅な改造を行った。具体的には開口の拡大、及び印加電圧の最適化を行った。また、引出されたイオンビームの AVFサイクロトロン入射までのビーム透過効率の向上を目指し、漏れ磁場が問題となっているビーム輸送系へのステアリングマグネットの設置などを行った。
これらの改造を基にビームテストを行ったところ、ＡＶＦへの入射ビーム強度の向上が見られた。これらの改良を詳しく見るため、エミッタンスの測定も行われた。

Figure 1: 今回改造を行った出口電極の構造図。a)が改造前。b)が改造後を示す。いずれの図において、プラズマ電極を青色、引き出し電極を赤色、アインツェルレンズを緑色で示す。

タンス化が期待される。次のポイントとしては、引き出し電位の中に設置されたアインツェルレンズは設置位置に自由度が持たせられている。これにより、アインツェルレンズの最適化が可能になる。最後のポイントとして、プラズマ電極位置、及び引き出し2. 引き出し系の開発
電極位置、双方をビームテストの最中、真空を破ることなしに大気側から変更可能な構造とした。これ
2.1 引き出し電極の改造は、一つは引き出し電極位置の最適化をビーム強度イオンビーム増強のため、引き出し電極系の改造を見ながら調整可能とするためである。また、他方、を行ったが、改造前の構造は Figure 1 の(a)に、改造プラズマ電極を調節可能とすることで、できるだけ後の構造は Figure 1(b)に示しめされたとおりである。
条件を変えずに、プラズマチェンバーにおける、ミ(a), (b)ともプラズマ電極が青色、引き出し電極が赤
ラー磁場条件、プラズマ電極位置、そして、バイア色、アインツェルレンズが緑色で示されている。改スディスク位置それぞれのビーム強度に関する相関
造のポイントとしては、まずプラスに印加されていを詳細に調べることが可能となる。
るプラズマ電位に対し、引き出し電極を最大 -20kVまで印加可能とした。マイナスに印加された引き出 2.2 ビームテストと結果し電位はアインツェルレンズの領域を超え更に下流
新しい引き出し電極が製作され、設置が完了し、のバッフル部分でグランドに戻るようになっている。 ビームテストが行われた。但し、新しい電極の耐電
これにより、引き出しビームの大強度化、低エミッ 圧に多少の問題があり、引き出し電極を－６ｋＶま___________________________________________#yorita@rcnp.osaka-u.ac.jp

で印加するところまでを、一旦 20Ne6+ビームによ- 533 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)が増加する、一方、CH4 ガスによる大強度の 12C5+ビームの場合も引出電圧を印加することによりビーム強度が増大するが、印加電圧-4kV のところで最適値となることがわかった。また、Einzel の印加電圧の最適値は引出電圧に対して 1.2kV 程度であった。
MAINC ION addST1 addST2 FC1 FC2/FC1 FC3/FC1[A][A][A] [uA][%][%]
0 12C5+00 24087.583.3
1000 12C5+00 240
31.31000 12C5+0.280.3 240
79.2
75
0 16O6+00 690
78.3
72.5
1035 16O6+
0.450.28 630
66.7
66.7

Figure 2: ＳＣ－ＥＣＲのビーム輸送系と各コンポーネントの配置図。ST1, ST2 はステアリング、BM は偏向電磁石、TQ1, TQ2 は静電 Triplet Q
lens、FC1, FC2, FC3 はファラデーカップ、addST1,addST2 はステアリング電磁石である。
るテストを行った[4]。その後、調査を行いポテンショメータと高圧部の接続箇所の絶縁材に問題があったことを突き止め、改良したものの再設置を行い、ビームテストを行った。但し、一旦解決した絶縁だが、長時間運転の結果、別の個所でカーボン汚れと思われる絶縁不良が再発したため、今回も結局のところ、引き出し電極－６ｋＶまでの印加でのビームテストとなった。
12C5+で行ったビームテストの結果を、Figure 3に示す。Figure 3 の左図が引出電圧とビーム強度の相関について、右図は引出電圧と Einzel 電圧の差分とのビーム強度の相関についてである。データ点が丸や三角等と種類が違えてあるのは、引出電圧の違いを示すことで左図と右図とでデータ点の同定が出来るようにしている。電極の径は、プラズマ電極、引き出し電極ともにφ１０、電極間の距離は２０ｍｍとした。ビーム電流は Figure 2 中の FC1 で示したファラデーカップで測定した。ビーム電流が 50uA以下と 150uA 以上の２群あるのは、CO2 ガス導入により生成した低強度の 12C5+ビームと、CH4 ガス導入による 12C5+ビームのデータが両方記載されていることによる。
ビームテストの結果、CO2 ガスによる低強度の12C5+の場合は引出電圧をあげるに従いビーム強度

Table1: MAINC:AVF メインコイル電流,
FC1~3:Fig.2 で示した各ファラデーカップ及びそこまでのビーム透過率, addST1,2:新設ステアラー電流(A)。addST1 は水平方向に Figure 4 の L から R への補正を、addST2 は垂直方向に上から下への補正を行っている。MAINC=1000 の 12C5+の透過効率
は、MAINC=0 の場合において、最適化された
Triplet Q 等のコンポーネントのパラメータそのま
まに MAINC のみ励磁して測定されたもの。それ以外は各々の MAINC の状態において、各イオンビームが FC3 において最大電流になるように各コンポーネントが最適化されている。

3.

ビーム透過率の改善

3.1

漏れ磁場対策としてのステアリング電磁石

ＡＶＦへ入射されるビーム増強のためビーム輸送系の見直しも行った。特にかねてから問題とされてきた、ＡＶＦからの漏れ磁場のビーム透過率に対する影響[3]を低減するためビーム輸送ラインにステアリング電磁石を２台設置した。Figure 4 にイオン源のビーム輸送系とＡＶＦのマグネット等を上方から重ねてみた図を示す。イオン源ビームラインとＡＶＦの Median Plane は６ｍの高さの差がある。また、Figure 2 中で addST1, addST2 で示したのが増設したステアリング電磁石である。Figure 2 を見てわかる
ように TQ1, TQ2 の領域には今回設置した addST1,addST2 を 除 い て は ビ ーム方向を制御できるコンポーネントが無かったが、今回の設置により、ビームの透過率の向上が期待された。
3.2

Figure 3: 12C5+ビーム強度と引出電圧、Einzel 電圧との相関。左図が引出電圧との相関について、右
図は引出電圧と Einzel 電圧の差分との相関について。データ点の丸や三角等の種類の違いは引出電圧の違いを示し、これにより左図と右図のデータ点の対応がつく。

ビームテストと結果

ＡＶＦのメインコイルを励磁して、新設のステアリング電磁石によるビーム透過率の改善が見られるか、12C5+及び 16O6+でのビームテストを行った。
結果は Table 1 に示した通り。ステアリング設置以前はＡＶＦメインコイル励磁なしのとき FC3/FC1 が８０～９０％となるのに対し、ＡＶＦメインコイル電流がおよそ１０００Ａのとき５０％まで低減していたが、ステアリングを使った場合はビーム透過効率が改善することが分かった。但し、励磁なしの場合に比べ依然透過効率が数％劣るので、更なる最適化の方法を検討する必要がある。一方、ＡＶＦ励磁- 534 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

4.

Figure 4: イオン源ビーム輸送系とＡＶＦ電磁石等を上方から重ねてみた様子。イオン源ビームラインとＡＶＦの Median Plane は６ｍの高さの差がある。
なしのときの 16O6+の透過効率が 12C5+の場合に比べて小さいのはビーム強度の違いによる空間電化効果の影響などが考えられる。
3.3引出電圧とエミッタンス引出電極の改造によりビーム増強が実現したがエミッタンス改善の寄与があるのか確認するためビームエミッタンスの引出電圧依存性を測定した。
16O6+ビームに対する測定結果は Figure 5 に示すとおり。エミッタンスはＸＹスリットと NEC BPM82を使用した高速測定型のもの[5]を使用した。測定の結果は、ビーム透過効率及びエミッタンスは引出電圧に依存せず一定値をとった。この結果は、エミッタンス測定装置が FC3 の直下流に設置されており途中でビームが切られてしまっていることを示している可能性が考えられる。一方、Figure 3 の 12C5+のビーム強度の引出電圧依存性の傾向に対して、600uA 超の 16O6+は引出電圧に対して単調増加の傾向を示している。これは空間電化効果の寄与が複雑である可能性を示していると考えられる。

まとめ

重イオンビームの更なるビーム強度の増強を目指して、ＲＣＮＰの１８ＧＨｚＳＣ－ＥＣＲの引き出し系、及び輸送系の開発を行った。
引き出し系は電極の改造を行った。放電などの解決すべき問題が残っているものの、簡単な引き出し電圧印加テストを行った。その結果、引き出し電圧によってビームが大幅に増強されることが示された。
また、輸送系におけるビーム透過率に関して、透過率を悪化させる原因と考えられるＡＶＦメインコ
イルの漏れ磁場をキャンセルさせるためにステアリング電磁石を２台新設した。これにより、ビーム透過率の向上が見込まれたが、ＡＶＦ励磁なしの場合の透過率８０～９０％を達成するためには更に詳細な開発が必要であることが分かった。また、エミッタンス測定を通して、途中でビームが切られている可能性が高いが、これらの詳細な調査、改善により更なるビーム透過効率の改善が期待される。
今後、実ビームの測定と並行してシミュレーション計算による検証も行うことで、更なるビーム増強を目指す。

参考文献[1] T. Yorita, et. al, Rev. Sci. Instrum. 79, 02A311 (2008)[2] T. Yorita, et. al, Rev. Sci. Instrum. 81, 02A332 (2010)[3] T. Yorita, et. al, Rev. Sci. Instrum. 83, 02A335 (2012)[5] T. Yorita, et. al, Proc. of PASJ’12, WEPS019[4] K. Kamakura, et. al, Proc. of PASJ’12, WEPS075

Figure 5: 15O6+のビーム強度及びエミッタンスの引出電圧依存性。ビーム透過効率 FC3/FC1 は引出電圧によらず約 70%、ビームエミッタンスも引出電圧によらず約 200 pi mm mrad である。
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