PASJ2023 FRP36
藤村優志",岩原亘輝,加藤裕史Yushi Fujimura, Koki Iwahara, Yushi Kato Division of Electrical, Electronic and Infocommunications Engineering, Osaka University
Abstract
We have been studying efficient production of multicharged ions on an electron cyclotron resonance ion source. There are various methods for efficient production of multicharged ions. One of the methods is mixing low Z gas in the plasma. The purpose of this study is to measure parameters related to ion temperatures for typical pure Ar ion beam and He mixed Ar ion beam. The results showed that root mean square emittance of Ar 2 + ion beam in the case of Ar mixed with He was lower than that of pure Ar. In the future, we plan to conduct heating low Z ions selectively by ion cyclotron resonance with low frequency electromagnetic waves.
背景と目的
1.
電子サイクロトロン共鳴(ECR)イオン源(ECRIS)は多価イオンビームの形成が可能であり、重粒子線がん治療[1]や半導体分野などで利用されている。ECRISから引き出されるイオンピームの質を向上させるためには、多価イオン生成の高効率化が求められる。これまでに考えられてきた多価イオン生成高効率化の手法は多岐にわたる[2]。それらの手法の1つに軽質量元素ガスミキシング法がある[3]。ガスミキシング法とは、目的のイオンに対して軽い元茶のガスを混入させると多価イオン収量が増加する効果を利用した手法であり、これは効果的であるためしばしば利用される。ガスミキシング法の原理はまだ完全には解明されていないと思われるが、質量の異なるイオン同士の衝突によって重い方のイオンが冷やされることで磁場閉じ込め時間が長くなることから多価イオン生成効率が上がると考えられている。また、ガスミキシング時のプラズマに対して、従来のECRよりも低周波数のマイクロ波の導入によって軽い方のイオンへ選択的にイオンサイクロトロン共鳴(ICR)加熱を行うことで冷却効果を助長し、目的の多価イオン収量がさらに増加されることが期待されている。本研究の目的は、我々グループのECRIS[4]においてガスミキシング法による多価イオン収量増加効果を確認し、そのときのイオン温度に関するパラメータを取得することである。多価イオン収量増加効果は、典型的な純 Arプラズマ(pure Ar)に対する質量価数分布(CSD)測定の結果とHeガスミキシング時のArプラズマ(Ar/He)に対するCSD測定の結果を比較することで確認した。また、ガスミキシング前後でのイオン温度に関するパラメータは、エミッタンス測定から得られる2乗平均平方根(rms)エミッタンスをそれぞれに対して取得することで比較した。さらに、ガスミキシング前後においてラングミュアプロープによるプラズマパラメータの測定も行い、それぞれの電子密度(n e )および電子温度(T e )も比較した。
エミッタンスの原理
2.
エミッタンスとは、ビームの拡散の程度を表す物理量であり、ビームの質の評価に用いられる。ビームの進行方向をz方向として、x方向のエミッタンスεを以下の式によって定義する[5]。
ここでx'はx方向のビームの広がる角度であり、x,  z方向の速度vx 、 vzを用いてx' = vx/vzと表すことができる。次に、rmsエミッタンスを以下の式で定義する。
ここで、イオンビームの引き出し口は半径αの円形であり、ビームの空間分布がガウス分布に従うとすると、x²は
で表される。また、引き出されるイオンが温度T」を持ち、速度分布がマクスウェル分布に従うとするならばx ²は
で表される。ただし、mはイオン質量であり、k вはボルツマン定数である。引き出し口においてxとx が無相関であると仮定すると、Eq. (2)-(4)より、rmsエミッタンスはPASJ2023 FRP36
となる。ここでZは引き出されたイオンの価数であり、Vは引き出し電圧である。リュビルの定理よりビーム輸送によってエミッタンスは変化しないとすると、ビームラインでのエミッタンス測定によって引き出し口におけるイオン温度が推定できる。また、ピーム電流の累積分布関数Ｆとrmsエミッタンスεrmsは以下の関係式にあることが知られている。
マルチスリット法によってrmsエミッタンスを取得する場合は、まずマルチスリット通過ビーム電流分布からエミッタンス図を作成し、各領域でのエミッタンス値を得る。次に、典型的なビーム電流分布と対応付けることでエミッタンスの累積分布関数を表すグラフを作成する。得られたデータ点をEq. (6)でフィッティングすることによってrmsエミッタンスεrmsが算出される。
実験装置と実験手順
3.
本研究において我々が使用した装置全体の上面図をFig. 1に示す。我々の装置はプラズマ生成部(ECRIS)、ビームライン、計測及び照射部(IBIS)に分けられる。 ECRISは、ミラーコイルA、B、調整用コイルC、八極永久磁石によって磁場が構成された真空容器である。代表的な磁場強度のz軸上の分布はFig. 1の中に示した。通常、コイルA、Bの電流量は150 Aであり、コイルCの電流量は10 A前後で調整される。図中の破線は、我々がECRで用いる電磁波の周波数が2.45 GHzであるため、磁場強度が0.875 Tとなる点で共鳴が起きることを表している。真空排気は、ECRISでは3000 1/sの油拡散ポンプ、ビームラインと計測部ではそれぞれ260 l/s、400 l/sのターボ分子ポンプによって行われる。ECRIS、ビームライン、IBISにそれぞれB-Aゲージを設置しており、各部での圧力を常時監視できる。ECR用の2.45 GHzマイクFigure 2: The side view of measurement part of IBIS.同軸に導入され、もう一方は下流側の真空容器側面から垂直に導入される。ガス導入にはマスフローコントローラーが用いられ、ArやHeのガス流量が調整できる。我々のECRISでは、真空容器側面からラングミュアプロープを挿入することでプラズマパラメータが測定できる。プロープは真空容器の上流側と下流側の2か所に設置されており(それぞれのプロープはLP1、LP2と呼ばれる）、どちらともx = 0~50 mmで調整できる（真空容器の軸中心がx = 0 mm )ため、プラズマパラメータのx方向に対する分布測定が可能である。また、プラズマ中のイオンは真空容器下流に設置した電極PE、El、E2によってピームラインに引き出される。通常、Vpe = 10 kVによってビームが形成され、V E 1 = −1～0 kVによって最適化される。また、ビームライン上のEinzel Lensによっても最適化は行われる。引き出されたイオンビームは分析磁石によって特定の質量価数比のイオン種のみ分離され、ファラデーカップで捕集される。ビームライン上には可動スリットが設置されており、捕集されるビーム電流量を調整できる。分析磁石の作る磁場を変動させ、ファラデーカップで捕集したイオンの電流量と変動磁場を同時に計測することでピーム電流のCSD測定が可能である。ビームライン上のファラデーカップを退避させ、ゲートバルプGV1を開くことによってIBISヘイオンビームを導入できる。計測部の側面図をFig. 2に示す。計測部にもファラデーカップが設置されており、ビーム電流量を測定できる。引き出されたイオンビームはEinzel Lens 2によって再び最適化される。計測部では、ステッピングモーターによってy方向に可動なワイヤープロープ(直径0.02 mm)を用いることでビーム電流のy方向分布測定が可能である。また、ワイヤープロープの10 mm上流にマルチスリット(縦幅0.5 mmのスリットが2.1 mm間隔で11 個並んでいる)が挿入可能であり、マルチスリット通過ビーム電流のy方向分布測定も可能である。ビーム電流のy方向分布測定をマルチスリット挿入有無のそれぞれにおいて行うことでエミッタンス計測が可能である。今回の実験では、まずECRISから引き出されたイオン
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Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan August 29 - September 1, 2023, Funabashiビーム電流量のCSDを測定し、コイル電流C、引き出し電極E1、Einzel LensによってAr8+の電流量を最適化した。次にHeガスを導入してビーム電流量のCSD測定を行うことで、Ar8+などの多価イオン電流量が増加することを確認した。このときHeガスミキシングの有無それぞれに対してエミッタンス測定を行った。また、Heガス導入を止めると多価イオン電流量が元に戻ることも確認した。
4.
実験結果
ECRIS から引き出したイオンビーム電流量の質量4.1価数分布(CSD)測定我々のECRISで生成されたpure ArプラズマおよびAr/Heプラズマに対するCSD測定結果をFig. 3に示す。 ECRIS内での動作圧力はミキシング前では2.1 × 10−4 Paであり、Heガスミキシング時は2.6 × 10−4 Paであった。マイクロ波導入は同軸上および真空容器側面の2か所から行っており、合計の入射パワーは290 Wであった。引き出し電圧V P E = 10 kVによって形成されたビームにおいて、Ar8+のビーム電流量が最大となるようにコイル電流I。、引き出し調整電圧Ve1、Einzel Lens竜圧Vaをそれぞれ最適化した。グラフの横軸は分析磁石の作る磁場(質量価数比の平方根と比例する)を示し、縦軸はファラデーカップで捕集したビームの電流量を対数で示している。青線はpure Arプラズマに対するCSDを示しており、赤線はAr/Heプラズマに対するCSDを示している。今回の実験では、Ar イオンビームのピークは1~8価のものまで確認された。また、Ar/Heにおける低価数イオン電流量はpure Arプラズマでの電流量と比べて同程度であるのに対して、Ar8+などの高価数のイオン電流量は増加していることが読み取れる。代表的なイオンのピーム電流量として、Ar²+電流量はpure Ar とAr/Hのどちらに対しても4.0 × 10−7 Aであり、Ar8+電流量はpure Arでは5.7 × 10−9 Aであるのに対して Ar/Heでは1.1 × 10−8 Aであった。今回取得したCSD測定結果ではArとHe以外のピークも見られ、これらは主にH、C、 N、Oなどの不純物によるものであると考えられる。 Ar²+ビームに対するエミッタンス測定4.2 ECRISで生成したpure ArプラズマとAr/Heプラズマにおいて、計測部まで引き出したAr²+ビーム電流量のy分布をワイヤープロープによって測定した(Fig. 4)。このとき、Ar²+ビームはEinzel Lens 2によって調整されている。次に、マルチスリットを挿入した時のビーム電流量のy分布を、pure ArプラズマとAr/Heプラズマのそれぞれに対して測定した(Fig. 5)。マルチスリット通過ビーム電流のピークはそれぞれ6本ずつ確認された。Figure 5かいら各ピーク幅を読み取り、マルチスリットのスリット間隔およびマルチスリットとワイヤープロープの距離を考慮してマルチスリット通過 Ar²+ビームの広がる角度をそれぞれのピーク位置において計算し、エミッタンス図(Fig. 6)を得た。図中の各領域での面積がエミッタンス値を表しており、得られた全領域でのエミッタンス値はpure ArではPASJ2023 FRP36 ε = 423 mm mradであるのに対して、Ar/Heではε = 242 mm mradであった。 ECRISにおけるプラズマパラメータ測定4.3 ECRISに挿入した可動式ラングミュアプロープに電圧を印加し、そのときに流れた電流特性から得られたプラズマパラメータのx分布測定結果をFig. 7とFig. 8に示す。プラズマパラメータ測定はpure ArプラズマとAr/Heプラズマの両方に対して行った。実験時の動作圧力は2.1 × 10−4 Paであり、Heガスミキシングによる圧力変化はほほとんど見られなかった。また、マイクロ波は同軸上と真空容器側面の2か所から導入され、合計の入射パワーは290 Wであった。Figure 7ではｘ＝ 0～50 mmの位置で測定された電子密度を示した。この図からはHeガスミキシングの有無による電子密度の変化はほとんどないことがわかった。また、Fig. 8ではx = 0～50 mmの位置で測定された電子温度を示した。電子温度もHeガスミキシングの有無による変化はあまり見られなかった。
考察
5.
Figure 6のグラフの中で囲まれた領域の面積がエミッタンス値となる。それぞれのエミッタンス図をFig. 4で示したAr²+ビームプロファイルと照らし合わせることによって各位置のエミッタンスとビーム電流の累積分布関数の対応関係を得た(Fig. 9)。Figure 9のグラフ中の曲線は、プロットされた点を理論式Eq. (6)によってフィッティングした線であり、このときrmsエミッタンスεrmsが算出される。今回の実験で得られたpure ArでのAr²+ビームのrmsエミッタンスはεrms = 297 mm mradであり、Ar/HeでのAr²+ビームの rms エミッタンスはεrms = 151 mm mradであった。これらの結果から、Ar²+ピームにおけるrms エミッタンスはHeガスミキシングによって約半分にまで減少
することが確認された。 rms エミッタンスの解析手法は、ピーム電流の累積分布関数とエミッタンス図から得られるエミッタンス値を理論式にフィッティングする方法以外に、rmsエミッタンスの定義式 Eq. (2)中の変数をマルチスリット挿入時のビームプロファイル(Fig. 5)から直接算出して代入する方法も存在する[6]。これら2通りの解析手法による結果をTable 1にこ示して比較する。表中では、前者の方法をmethod 1、後者の方法をmethod 2とした。それぞれの解析手法によって得られたrmsエミッタンスには差があったが、Heガスミキシング時に減少する特徴はどちらの解析手法でも確認できる。2つの解析手法で近い値の結果が得られなかったのは、マルチスリット通過ビーム電流のプロファイル(Fig. 5)がイオンビーム全域にわたって得られなかったことが原因であると考えられる。この課題は今後の計測系の修正によって改善される予定である。
まとめと今後の予定
6.
本研究では、pure ArプラズマとAr/Heプラズマのそれぞれに対してピーム電流のCSD測定、エミッタンス測定、プラズマパラメータ測定を行い、それらの結果を比較した。ビーム電流のCSD測定結果の比較によって、HeガスミキシングによるArプラズマの多価イオン収量増加効果が確認された。また、エミッタンス測定から得られたrmsエミッタンスの比較によって、HeガスミキシングによるAr²+ピームのrmsエミッタンスεrmsの減少が確認された。さらに、プラズマパラメータ測定結果の比較によって、HeガスミキシングによるArプラズマの電子密度n。および電子温度Tの変化はほとんどないことが確認された。今後はエミッタンス測定装置の修正および解析手法の改善を行い、より高価数のArイオンビームや、Heイオンビームに対してもrmsエミッタンスを取得する予定であ
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る。また、軽質量元素ガスミキシング時に ICR 加熱用電磁波を導入し軽質量元茶ガスを選択的に加熱することによって、さらなる多価イオン収量増加を目的とする実験も行う予定である。