多価イオン源製作に向けた磁場集束電子ビーム軌道計算
中村信行研究室
1. 背景

玉井駿宏

EBIT は主に電子銃、ドリフトチューブ（Drift1.1 多価イオン

Tube：DT)、電子コレクター、ヘルムホルツコ

本研究で扱う多価イオンとは、電気的に中性イルから構成されており、その概略図を図 1 にの原子から 2 個以上の電子を取り去ることで作示す。電子ビームは電子銃から放出され、磁場られる 2 価以上の高電離イオンのことを示す。

によって集束されながら DT1,2,3 内を通過した

このような多価イオンは太陽コロナや核融合後、電子コレクターで回収されている。多価イ炉内の高温のプラズマ中に多く存在している。

オンは電子ビームによる空間電荷ポテンシャル

プラズマとは、イオンと電子が混在している状と DT2 の電位を DT1,3 より数 10V 下げること態を示し、固体、液体、気体に続く第 4 の状態で作られた井戸型ポテンシャルによって 3 次元とされている。気体のイオン化は、気体の温度的にトラップされており、ヘルムホルツコイルが上昇していくにつれて、気体を構成する原子を使うことでトラップ領域からの多価イオンのや分子の速度が上昇していき互いに激しく衝突発光を観測できるようになっている。また、DT2することで電子が剥ぎ取られることで行われての電位を瞬間的に DT1,3 より高くすることで多いる。そのため、高温のプラズマ中では粒子同価イオンをトラップ領域から引き出し、TOF 法士の衝突エネルギーが大きくなるので、生成さなどの価数分析測定を行っている。

れるイオンの大半は多価イオンになる。一方、研究室では、Tokyo-EBIT と CoBIT(Compact

非常に低温のプラズマ中では粒子同士が衝突すEBIT)と呼ばれる 2 台の EBIT で研究を行ってるエネルギーは小さいため、生成されるイオンおり、表 1 に各 EBIT の仕様を示す。以下に各の価数は 1 価が大半を占めるようになる。

EBIT の詳細について述べる。
表 1 [1,2]

1.2 EBIT(Electron Beam Ion Trap)の構成

Tokyo-EBIT [1, 3]
Tokyo-EBIT は超高価数多価イオンを生成することを目的に電気通信大学で製作されたEBIT であり、高さが 5 m に達する大型なイオン源である。最大 300 keV の電子ビームによって自然界に存在する元素で最も重いウラン原子の裸イオンU 92+ を生成可能である。磁場の発生
図 1. EBIT の概略図

源には超伝導コイルを使用することで、 トラップ領域に最大 4.5T の磁場を発生させ、多価イオ1

ンを Penning トラップすることも可能である。

2.1 装置概要

この Penning トラップモードは、電子ビームの逐次電離による多価イオンの生成には、電子空間電荷ポテンシャルがなくても多価イオンを銃から放出された電子ビームが層流になり、電トラップすることができ、多価イオンの発光寿子ビームがイオン化領域中心で高磁場によって命の測定に用いられる[4]。しかし、Tokyo-EBIT高密度に圧縮される必要がある。計算では、高は高エネルギーの電子ビームで運転することを磁場の発生源である高温超伝導コイルの仕様を想定して作られているため、数 keV 程度の電子決め、EBIT 内の静電磁場と電子軌道計算を行ビームでは電子ビーム軌道が安定しない。そのうことで磁場集束電子ビームの最適化を行った。

ため、低価数な多価イオンを生成するには不向設計した EBIT の概略図と仕様を図 2 と表 2 にきな装置である。超伝導コイルの冷却には液体示す。

ヘリウムを使用するため運転費用が高く、装置自体も大型なため利便性の悪い面がある。
CoBIT [2, 5]
CoBIT は比較的低価数な多価イオンの発光を分光測定することを目的に Tokyo-EBIT の構造を元に作られた EBIT であり、高さが 50cm 程の小型なイオン源である。約 100 eV∼ 1 keV の

図 2. 無冷媒超伝導 EBIT の断面図

電子ビームでは、鉄原子の場合最大Fe16+ の多価
表 2. 無冷媒超伝導 EBIT の仕様

イオンを生成可能である。磁場の発生源には、高温超伝導コイルを使用することで、トラップ領域に最大 0.2 T の磁場を作れるが、このような低磁場では Penning トラップによる測定ができない。高温超伝導体を冷却するのに液体窒素を使用できるため、CoBIT の運転費用は、液体ヘリウムを使用する Tokyo-EBIT よりも安価に本 EBIT では、Tokyo-EBIT や CoBIT と同じ済む。

パービアンスのピアス型電子銃を使用し、磁場2. 無冷媒超伝導 EBIT の設計の発生源には高温超伝導コイルを使用すること現有の 2 台の EBIT の間の領域の電子ビームを想定している。高温超伝導体は極低温まで冷エネルギーでは、軌道が安定しないため中価数却せずに超伝導状態になるため、高価な液体ヘ程度の多価イオンの生成が困難である。また、リウムを使用せずに済む。このとき、CoBIT のCoBIT の磁場が低いため低価数領域の多価イオように液体窒素(77 K)による冷却で超伝導状態

ンでは Penning トラップによる発光寿命の測定にすることが可能だが、この温度では臨界電流ができていない。そこで、中価数程度の多価イによって十分な電流が流すことができない。そオンの生成と強磁場の発生を目的とした無冷媒のため、本 EBIT では 30 K まで冷却可能な冷超伝導 EBIT の製作を計画しており、本 EBIT凍機を使用することを想定している。電子銃内の磁場集束電子ビーム軌道の計算を行った。の磁場調整には磁気シールドとバッキングコイ2ルを使用している。バッキングコイルには、イ磁場が一定の傾きで増加し、急激に増加しないオン化領域とは逆方向の磁場を発生させることように設計した。ドリフトリューブの 3 つの電で電子銃内の高温超伝導コイルからの磁場を減極の間隔はとても短いので１つにまとめても電少させ、磁場分布を最適な形にしている。バッ子ビームの軌道計算にはほとんど影響を及ぼさキングコイルはスノート電極による高電位上でないので、計算の簡略化のために、ドリフトチ動作しているため、冷却系には絶縁性の高い油ューブを一つの電極として計算を行った。電子を利用することを想定している。

コレクターでは、コレクター電極の電位を 3 kVにすることで電子ビームを減速させ、エクスト

2.2 電子ビーム軌道計算

ラクターにカソード面に対して負の電位を印加

電子銃から放出された電子ビームがドリフトすることで電子ビームを押し返すことで、電子チューブ中心で層流になり、コレクターですべビームを全てコレクター電極で回収可能にしてて回収されるような電子ビームの軌道計算を行いる。

った。図 3 に電子ビーム軌道及び軸上電位・磁3. 永久磁石を用いた室温 EBIT の設計

場分布の計算結果を示す。

EBIT の小型化などの利便性の向上を目的として永久磁石を用いた室温 EBIT の製作を行うために、電子ビーム軌道の計算を行った。
3.1 装置概要(a)EBIT 内の電位: (i)ｶｿｰﾄﾞ 0.0 V (ii)ﾌｫｰｶｽ －80 V

永久磁石を用いた EBIT では磁場の発生源に(iii)ｱﾉｰﾄﾞ 4.0 kV(iv)ｽﾉｰﾄ 6.0 kV(v)ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ 50 kV

永久磁石を使用しているため、コイルを冷却す(vi)ｺﾚｸﾀｰ 3.0 kV (vii)ｴｸｽﾄﾗｸﾀｰ －2.0 kVるためのクライオスタットが不要となり、装置全体の大きさを CoBIT より小型化させることが可能である。また、CoBIT などで使用していた電子銃内のスノート電極を取り除くことで装置の大きさを小さくしている。永久磁石によっ(b)電位分布て生じる磁場分布が超伝導コイルとは異なる独自な磁場になるため、一部の電極に鉄を利用することを考えて設計を行った。図 4 に装置の断面図を示す。

(c)磁場分布図 3. 電子ビーム軌道及び軸上電位・磁場分布
電子銃からから放出された電子ビームが層流になるかどうかは、電子銃内の磁場の形状に依存しており、カソード表面の磁場が 0 T でかつ傾きが 0 になっていなければならない。また、
図 4. 永久磁石を用いた室温 EBIT の断面図

カソード表面から磁気シールドの外に向けて、
33.2 電子ビームの軌道計算

4結論

本 EBIT の電子ビーム軌道計算では、永久磁新たに多価イオン源を製作するために、 各石による磁場が独特なため、目標の仕様を設定

EBIT の磁場集束電子ビームの軌道計算を行っせずにどの程度のエネルギーの電子ビームならた。無冷媒超伝導 EBIT は、中価数の多価イオば扱えるかの確認を行った。図 5 に永久磁石をンの生成と高磁場の発生を目的としている。設用いた EBIT の電子ビーム軌道及び Z 軸上の電計した仕様は、最大電子ビームエネルギー：50位・磁場分布を示す。

keV、最大電子ビーム電流：100 mA、最大磁場：3 T となり、このときの電子ビーム軌道は十分に圧縮された層流になっていることを確認できた。永久磁石を用いた室温 EBIT は、永久磁石を用いることで EBIT の利便性の向上を目的と(a)電子ビーム軌道:(i)ｶｿｰﾄﾞ 0.0 V (ii)ﾌｫｰｶｽ －30 Vしている。永久磁石によって生じる磁場に対応(iii)ｱﾉｰﾄﾞ 900 V (iv)ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ 1,2,3 830,800,830 Vするために、一部の電極の素材に鉄を使用し、(v)ｺﾚｸﾀｰ 800 V (vi)ｴｸｽﾄﾗｸﾀｰ －100 V

電子銃内のスノートを取り除いて設計した。このとき、特定の電子ビームエネルギーならば電子銃からコレクターまで電子ビームを通すことができた。今後は、この計算結果を元に実際に製作する多価イオン源を決め、具体的な電極などの 配置を検討し、再度電子ビーム軌道計算を(b)電位分布(c)磁場分布行い、実際に装置の組み立てを行っていく。

図 5. 永久磁石を用いた室温 EBIT の電子ビー
ム軌道及び Z 軸上の電位・磁場分布
参考文献
永久磁石の磁場は、イオン化領域中心から離れ[1] 西沢一生 修士論文 電気通信大学 (1997).ていくにつれて減少していき、一度逆向きの磁[2] 菊池浩行 修士論文 電気通信大学 (2007).

場が生じた後ゼロ磁場に近づいていく。このよ[3] S. Ohtani et al, JSP, Science and Nuclear
Fusion Research 73, 1063 (1997)

うな磁場中に電子ビームを通すと電子ビームを[4] Guise N D et al Phys. Rev. A 89(4) 040502

すべてコレクターで回収することが困難になる(2014)

ため、アノードの素材にも鉄を使用することで、この逆向きの磁場を最小限に抑えている。また、[5] N. Nakamura, H. Kikuchi, A. Sakaue, and T.

今回の計算では、図 5(a)に示した電極の電圧のWatanabe Rev. Sci. Instrum. 79,063104 (2008).

ときのみ、電子銃から放出された電子ビームを電子コレクターで全て回収することができた。
永久磁石を用いた EBIT ではイオン化領域中心の磁場を変化させることはできないため、各電子ビームエネルギーに最適な磁場分布を作るにはカソードの位置を調整する必要がある。

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