柴田崇統", ^),石田正紀^),南茂今朝雄^),池上清^),大越清紀¶,神藤勝啓¶,小栗英知¶ Takanori Shibata #. ^), Masaki Ishida^), Kesao Nanmo ^), Kiyoshi Ikegami ^), Kiyonori Ohkoshi B , Katsuhiro Shinto B , Hidetomo Oguri B) ^) High Energy Accelerator Research Organization (KEK) B) Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
Abstract
Continuous operation duration of the J-PARC Radio Frequency (RF) ion source has been extended step by step these years for the goal to supply stable beam during the entire period of J-PARC user operation each year. A 3651 hours (5 months) continuous ion source operation has been achieved from Nov. 2020 to Apr. 2021. As the lifetime of the ion source is mainly limited by failure on the RF antenna coil, detailed evaluation of the antenna surface condition is required to ensure the feasibility of the further extension of the operation time. In the present study, dimension measurements and SEM/EDS analyses were applied to understand the surface discoloration of the RF antenna. The discoloration after the long-term continuous operation is due to deposition of injected cesium (for H- surface production process) and of stainless used steel (Fe, Cr, Ni) from the ion source components sputtered by plasma. The results show that the enamel coating of the RF antenna has not worn out in the long-term continuous operation for several months and, hence, extension of the ion source continuous operation duration can be extended.
1.
J-PARC高周波放電型イオン源の概要
J-PARCリニアックでは現在、400MeVの大強度負水素イオン(H-)ビームを生成し、後段の3GeVシンクロトロンに供給している。イオン源は、メンテナンス日も含めた上記期間の大半で、24時間休みなくH-イオンを内部で生成しビームとして出力する。数か月間にわたるイオン源連続運転は、2014年に導入された高周波放電型(RF)イオン源によって実現される。RF イオン源は、プラズマチャンバ内部に格納したアンテナコイルにRF周波数2MHzの高周波電力を印加することで、誘導結合型プラズマを生成する。アンテナコイルは、米国オークリッジ国立研究所SNSで製作されたものを使用している[1]。生成したプラズマは、チャンバ周囲に取り付けられたカスプ磁石によって閉じ込められる。さらに、Fig. lのチャンバを横切る方向に配置されたロッドフィルター磁石(RFM)は、プラズマ生成部からビーム引出孔周辺に流入する竜子の温度・密度を低減させる。ピーム引出孔周辺では、Cs蒸着したプラズマ竜極(PE)にプラズマ中の水素原子および正イオンが流入することで、H-イオンが表面生成される。RFMによる低電子温度・密度領域[2]は、生成したH-イオンのElectron Stripping (H- + e- → H + 2e-)による衝突周波数を比較的に低減し、十分な量のH-イオンを確保するために重要である。PEと後段の引出し竜極(EE)および接地電極(GE)の間には、10 kVオーダーの静竜圧が印加され、竜子およびH-がビームとして引き出される。EE竜極には竜子抑制磁石を取り付け、加速された竜子の大部分が竜極に流入するようにすることで、H-イオンのみがGEからビームとして出力される。近年のJ-PARC利用運転では、数か月に一度、イオン* takanori.shibata@kek.jp Figure 1: Schematic drawing of the J-PARC ion source.源の交換を実施する。イオン源交換時には、半日の交換作業だけでなく、PEへのCs蒸着、コンディショニング運転、また各電極間の放電頻度低減など安定したビーム運転に達するまで数日を要する。特に、交換したイオン源チャンバや竜極上に残存する水分・酸素等の排気は、ポンプによる排気能力だけでなく、プラズマ点灯によるチャンバ温度上昇や真空放電による表面付着物のスパッタリングが影響するため、安定化までの時間を制御することは容易ではない。このような交換時のイオン源によるビーム不安定性を回避するため、2014年のRFイオン源運転開始以降、連続運転期間の延伸がJ-PARCイオン源の課題として進められてきた[3]。当初は1.5ヶ月の運転期間から開始し、2019年のRUN#84では2445時間[4]、2020  -   2021年のRUN#86では3651時間[5]、また2022年1月から7月までのRUN#89では4001時間(約5.5ヶ月)の連続運転期間を達成した。イオン源連統運転時間をさらに延伸することで、年間を通し安定なーム供給が期待できる。本報告では、長期間連続運Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University) PASJ2022 THP054 2 MHz RF power is given in the availability of the amplifier. The value is around 52 %, which corresponds to the RF power up to 27 W. The Cs (cesium) DIFF is the line intensity of the Cs + emission (852 nm) difference from the base intensity in arbitral units. The beam current measured by Faraday Cup (FC) or Slow Current Transformer (SCT) are at the same position of the LEBT located after the ion source.転後のJ-PARCイオン源性能調査の一環として、イオン源主要機器であるアンテナコイルの表面状態を調査することで、連続運転期間延伸の実現可能性を議論する。
2.
長期間連続運転後のアンテナコイル状態
Figure 2には、2020年11月から2021年4月末までのRUN#86運転におけるJ-PARCイオン源運転パラメ一タおよびビーム竜流値のトレンドを示す。近年の利用運転では、イオン源後段の低エネルギービーム輸送系(LEBT)に設置した電流変換機(SCT)またはファラデーカップ(FC)にて、ピーク竜流 60±0.3 mA のH-イオンビームを出力する[6]ために、RFイオン源には約27 kWの2 MHz RF電力(Fig. 2におけるアンプ出力52 %に相当)を、繰返し周波数25 Hz・パルス幅800 μsで投入した。運転期間中、イオン源に依るものでない0.5  -  2時間の短時間ビーム停止事象(地震発生など)はあったものの、1台のイオン源を使用してトラプルなく3651時間(約5ヶ月)の連続運転が達成された。図中のCst発光線(852 nm)のトレンドは、全体的に減少傾向にあるが、これは分光計測ポートへのCsや他のスパッタされた成分付者による透過率低下が原因であり、期間中プラズマおよびピームパラメータに大きな変化は無かったことから、イオン源機器異常ではない。連続運転を延伸する上での主な課題は、RFアンテナコイルの破損によるパワー投入不可である。アンテナコイルは、RF 竜力を印加する銅配管をプラズマから竜気的に絶縁するために、琺瑯釉薬によるコーティングを施されている。運転中、プラズマスパッタにより徒瑯の厚みが薄くなったり、クラックやピンホールの発生・拡大が生じたりすると、銅配管が露出して絶縁が取れず RF パワーが投入できなくなるため、イオン源交換を余儀なくされる。ここ数年では、SNSから輸入したアンテナコイルの琺瑯をJ-PARCで再調査し、クラック・ピンホールの有無や琺瑯厚みの均一性に対して独自のグレード付けを行い、最もグレードが高いものを利用運転に使用することで、長期連続運転に対応している。長期連続運転後のアンテナコイルの目視確認・寸法測定を実施した。Figure 3に(a)新品および(b)RUN#86運転後のRFアンテナコイルの写真を示す。新品のアンテナコイルには、徒瑯釉薬の白・灰色のみが確認された。一方、RUN#86連続運転後のアンテナコイルには黒く変色した箇所が多々見られ、特にコイルのターン部内側を中心に変色が見られた。ピンホールやクラックは確認されず、琺瑯全体の絶縁も保持された状態であることを確認した。RUN#86 運転後に実施したアンテナコイル各部PASJ2022 THP054の寸法測定では、コイル直径の平均値が、運転前に5.92 ± 0.15 mmであったのに対し、運転後は5.94 ± 0.14 mmであった。アンテナコーティングの損耗はほとんど無いことは確認できたが、アンテナ表面の黒い変色部が将来的な琺瑯釉薬の損耗･絶縁性低下を引き起こし得るかをSEM/EDS測定から調査した。
SEM撮影および元素マッピング
3.
運転後のアンテナコイル表面状態をより詳細に調べるため、Fig. 3(b)に示したRUN#86(5ヶ月)運転後の黒い変色部と、非変色部(および新品コイル)から琺瑯コーティングの断片を剥がし、それぞれに対して SEM/EDS測定を実施した。SEM 撮影は卓上型電子顕微鏡(日立ハイテク製 Miniscope TM3000)を使用して行い、この結果にTM3000用エネルギー分散型X線分析装置(Bruker社製Quantax70)を使用し、SEM画像、元素マッピング画像、特性X線スペクトルおよび半定量値を取得した。これらの測定は、KEK環境安全管理室の協力のもとで実施した。 Figure 4には、SEMで撮影した変色部の断片(左)および非変色部の断片(右)を示す。長期連続運転で使用したRFアンテナ非変色部断片と新品のRFアンテナ断片は、同様のデータが取得されたため、本報告ではこの2片は同じ琺瑯の表面状態であるとして、変色部断片との比較・議論を進める。 Figure 5にはFig. 4の各断片に対応する元素マッピングの結果を示す。非変色部断片から測定された主な元素は、琉璃釉薬成分であるO, Na, Al, Si, K, Ti, Zrおよび試料固定用カーボンテープによるＣであった。変色部Figure 4: SEM photos of discoloration (left) and non- discoloration (right) fragments on the RF antenna used in RUN#86 operation.色部のみで琺瑯釉薬の成分以外が見られたことから、長期間のイオン源連続運転によって、釉薬自身が変化したのではなく、外部付着物があったと判断できる。特に、J- PARCイオン源アンテナで使用する琺瑯釉薬には、酸化ケイ素(SiO₂)の他に銅配管と琺瑯の密着性を高めるためNa2Oの割合が高く混合されており、変色部ではFeやCsが表面を覆うことで、上記Si, O, Naに対するEDS信号が低下している。 Csのアンテナへの付着については、イオン源内部でH-イオン生成効率向上のためにCs蒸気を導入していることに由来する。一方、Feの要因を明らかにするため、特性 X 線スペクトルおよび半定量解析結果について次節で説明する。 Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
PASJ2022 THP054
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)
特性X線スペクトルおよび半定量解析
4.
Figure 6には、アンテナコイルの(a)新品、(b)RUN#86非変色部、(c)RUN#84非変色部、(d)RUN#86変色部、および(e)RUN#84変色部の断片について、EDS測定から得られた特性X線スペクトルを示す。 Fig. 5(a) – (c)ではX線測定を行う分析装置の積算時間を100秒としている一方、(d)および(c)の変色部の測定では、微小な輝線を測定するため、積算時間を200秒としている。新品のアンテナコイル断片および長期連続運転で使用したアンテナコイルの非変色断片(a) – (c)については、スペクトル波形に見られる輝線の種類に差異は見られ無い。このことから、連続運転後も非変色である部分は、新品のアンテナコイルと同様の表面状態が実現していることが判る。一方、RUN#86およびRUN#84運転後の変色部(d), (c)では、FeとCsに加え、CrおよびNiの輝線が確認された。RUN#86とRUN#84は、イオン源連続運転を5ヶ月と3.5ヶ月実施した後のアンテナコイルであるが、その両者のスペクトルに大きな違いは見られない。数か月スパンの運転時間の違いでは、アンテナコイルの表面状態に著しい差異は確認されなかった。Csについては、前述の通り、イオン源内部に蒸気として導入したものが根源と見られる。 J-PARC イオン源では、プラズマチャンバ材にFe, Cr, Niを主成分とするステンレス(SUS)材を使用している。長期間にわたるイオン源プラズマ点灯により、これらの成分がスパッタリングされてアンテナコイルに再蒸着した可能性がある。 Table 1: Semi-quantitative Analysis Results for the Characteristic X-Ray Spectrums by EDS Measurements for the Discoloration Fragments of the RF Antenna Used
SEM/EDS measurements for (a) brand new antenna fragment and (b) RUN#86 non-discoloration, (c) RUN#84 non-discoloration, (d) RUN#86 discoloration and (e) RUN#84 discoloration antenna fragments. Table 1には、RUN#86およびRUN#84で使用したアンテナの変色部断片に対する各元素の半定量解析結果を示した。Fe, Cr, Niのみに注目すると、Feが7割近くを占め、SUSに含まれる同元素の割合と近い。実際にはスパッタされた金属元素が全く同じ割合でアンテナ表面に付着するわけではないが、上記の一致から、イオン源機器で使用しているステンレス鋼のスパッタおよび再蒸着がアンテナコイル変色の原因であると考えられる。半定量値についても、RUN#86とRUN#84の数か月程度の運転期間の違いで大きな差異が見られないことから、同程度の運転期間の延伸によるアンテナコイル表面への影響が小さいことが期待できる。
スパッタリングされたSUS成分の発生源
5.
J-PARCイオン源では、プラズマチャンバおよびRFMを格納するケースにSUS材を使用しているため、アンテナコイル表面付着物のSUS成分発生源はこのいずれかである。Figure 7は、運転後のイオン源を分解し、プラズマチャンバとRFMケースのみ残したものを、PE側から撮影した写真である。RFアンテナコイルは、写真のRFMケースより奥に取り付けられ、その周囲でプラズマが生成される。イオンビームは図中の矢印方向に出力される。 RFMケースの側面(図中点線で囲われた部分)、特にプラズマ生成部に近い領域ではSUS材が変色した痕跡が見られた。イオン源の運転では、写真の上下方向に磁場が形成されるようにRFMが配置される。この磁場強度は中心軸上で400 Gauss, RFMケース付近では2 kGaussを超えるため、誘導結合型プラズマ中の各種イオンや竜子は磁力線に捕捉されて RFM ケースの側面に衝突する。これにより、プラズマ生成部付近で高熱負荷とそれに起因するスパッタリングが生じたと考えられる。さらに、スパッタされたFeなどのイオンは、磁力線に沿ってプラズマ中心部へと戻ることで、アンテナコイル表面付近に輸送される。Figure 3(b)に示した連続運転後のイオン演アンテナコイルにおいて、RFMに比較的近いターン部で黒く変色した領域が多く見られたのは、上記アンテナコイル表面付着物が RFM ケースのスパッタリングに由来することと一貫する。
6.
まとめ
イオン源交換作業に伴うJ-PARC利用運転期間中数日間のビーム不安定化を解消するため、J-PARCイオン源では1台のイオン源における連続運転期間を徐々に延伸しており、2019 – 2022の間に3.5 – 5.5ヶ月の長期連続運転を達成した。本報告では、運転後の J-PARC RFイオン源に対するアンテナコイルの表面状態調査を美施した。長期間連続運転後のアンテナコイルに対する目視確認および寸法測定から、アンテナ表面には黒い変色部が随所に見られたものの、コイル径の減少は確認されなかった。また、変色部および非変色部に対するSEM/EDS測定から、アンテナコイル変色の原因は、イオン源でH-イオンの生成効率を向上させるために導入するCs、およびプラズマスパッタされたイオン源機器を構成するSUS材(Fe, Cr, Ni等)の表面付着物であることが判った。イオン源長期連続運転により、アンテナコイルの琺瑯釉薬自体が損耗しているのではなく、Cs やスパッタされた金属が付着する。上記結果から、5 か月連続運転後のアンテナコイルで絶縁性能は維持されており、イオン源連続運転期間のさらなる延伸が期待できる。運転後のイオン源内部観察から、アンテナ付着物はH-イオン生成のためのRFMを格納するSUSケースへのプラズマスパッタによって生じている可能性が高い結果が得られた。そのため、現在より長いスパンのイオン源の連続運転を実施すると、アンテナコイルへのSUS付着が進行し、いずれは琺瑯釉薬全体が金属付着物に覆われる状況が考えられる。このような場合にアンテナコイルを介してRF竜力を供給しようとすると渦竜流が発生し、それに伴う過度な熱負荷によって、結果として琺瑯が損耗してfailureモードが引き起こされる可能性がある。このような観点から、数年スパンで稼働できるような、より安定性の高いイオン源開発のためには、RFMケースのプラズマスパッタ対策(例えば、耐プラズマスパッタ金属材料によるRFMケースのコーティングなど)が課題の1つであると言える。