高電圧端子内イオン源によるビーム増強 研究炉加速器管理部 加速器管理課 松田 誠 高電圧端子(20MV) 20m タンデム研究会＠東海 2009.1.6 目的：タンデム加速器のビーム増強 電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源を高電圧端子内に 設置し、イオンビームの イオンビームの種類・ 種類・強度・ 強度・エネルギーを エネルギーを増強 する。 高電圧端子出口でのイオンの電荷 30 ①荷電変換 荷電変換フォイル 荷電変換フォイルの フォイルの寿命 ⇒ ビーム強度を制限 25 ②希ガスイオンの加速が不可能 G 14. 5 電荷数 20 Hz （＞1μA） ン源 オ イ EC R SuperNanogan 14.5GHz ECRイオン源 15 10 CR E Hz G 0 1 5 0 0 50 荷電変換フォイル 源 ン イオ 100 質量数 150 (16MV) 200 タンデム加速方式 Nanogan 10GHz ECRイオン源 高電圧端子内設置に向けての機器開発 設置環境：ＳＦ６絶縁高圧ガス中、放電サージの雰囲気 限られた電力と設置空間 主な開発項目 ① タンデム加速方式との両立 両立 ⇒ 永久磁石型ＥＣＲイオン源 ② イオン源、ＲＦ電源、周辺装置の高圧 高圧ガス 高圧ガス対策 ガス対策 加圧により破損したADC 高圧ガス対策後 耐圧容器内に組み上げた高周波電源 高電圧端子内設置に向けての機器開発 設置環境：ＳＦ６絶縁高圧ガス中、放電サージの雰囲気 限られた電力と設置空間 主な開発項目 ① タンデム加速方式との両立 両立 ⇒ 永久磁石型ＥＣＲイオン源 ② イオン源、ＲＦ電源、周辺装置の高圧 高圧ガス 高圧ガス対策 ガス対策 Qマスによる加圧環境下の 真空リーク試験（リークあり） 0.55 圧力 MPa 0.1 0 減圧 加圧 高電圧端子内設置に向けての機器開発 設置環境：ＳＦ６絶縁高圧ガス中、放電サージの雰囲気 限られた電力と設置空間 主な開発項目 ① タンデム加速方式との両立 両立 ⇒ 永久磁石型ＥＣＲイオン源 高圧ガス ② イオン源、ＲＦ電源、周辺装置の高圧 高圧ガス対策 ガス対策 ③ 耐放電性能に優れた設計による制御・電源機器の開発 耐放電性能 放電で破壊されたFET 光ファイバーによる 多チャンネル制御モジュールの開発 高電圧端子内設置に向けての機器開発 設置環境：ＳＦ６絶縁高圧ガス中、放電サージの雰囲気 限られた電力と設置空間 主な開発項目 ① タンデム加速方式との両立 両立 ⇒ 永久磁石型ＥＣＲイオン源 ② イオン源、ＲＦ電源、周辺装置の高圧 高圧ガス 高圧ガス対策 ガス対策 ③ 耐放電性能に優れた設計による制御・電源機器の開発 耐放電性能 ④ 運転パラメータの最適化と簡略化による 安定な 安定なビーム加速 ビーム加速の実現 加速 ⑤ 長期保守不要 保守不要、かつフェール フェール･ 保守不要 フェール･セーフ機構の構築 セーフ 真空排気装置の開発 ⑥ ターボ分子ポンプによる真空排気 真空排気 小型イオン源による実証試験 出来る限り既存の加速器システムに与える影響を抑える 開発 と改 良 大型イオン源による本格運転利用 小型10GHz ECRイオン源の搭載 高電圧端子内イオン源から加速 180°偏向電磁石 180°電磁石 イオン源 ＲＦアンプ ＥＣＲ 80kV 後段45°電磁石 ガス ストリッパー フォイル ストリッパー 7MV ２nd ストリッパー 6MV 7MV 入射電磁石 分析電磁石 1998年設置 小型10GHz ECRイオン源のビーム加速結果 ① ビーム強度 ビーム強度を 強度を10倍 10倍に増強 ただし低電荷のイオンに限る ② ビームエネルギー タンデム方式程度 ③ 希ガスイオンが ガスイオンが加速可能 ビーム加速に成功！ 実験利用も開始される。 大型イオン源の搭載へ 大型14.5GHz ECRイオン源の搭載 イオン源を 負イオン入射側に移動 180度偏向電磁石 180°偏向電磁石の利用により イオン選択性や加速管への 入射条件を改善 ファラデーカップ 10GHzイオン源位置 前段加速管 静電Qレンズ 入射90度 偏向電磁石 14.5GHz ECRイオン ECRイオン源 イオン源 ターボ分子ポンプ アパーチャー ＆ファラデーカップ イオンポンプ HE側加速管 LE側加速管 イオンビーム 14.5GHz ECRイオン源の設置作業 ’03年10月 ガスストリッパーの撤去 ’05年 4月 入射90°偏向電磁石設置 ’05年 8月 小型ECRイオン源を 新入射器へ移設 ’07年11月 大型ECRイオン源へ更新 14.5GHzECRイオン 14.5GHzECRイオン源 イオン源 イオン源からの漏洩磁場の抑制 イオン源が強力永久磁石 鉛直ビーム軸上で約2mTの漏れ磁場 ビームが曲がり加速できない？ 保守作業の安全性 鉄板シールドでおよそ1/10にした ビーム加速に問題なし！ シールド無し シールド有り １００ｃｍ アルミフレーム ＋アルミパネル ＋鉄パネル 加速されたイオン電荷とビーム強度 タンデム加速器出口で得られたビーム強度 （ビーム通過率はほぼ100％） Beam Intensity (14.5GHz ECRIS) VT=15MV, FC 04-1, Jul 2008 22 A r( 13 6 86 0W /9 %) (9 0 Kr )/10 9W -7 10 nat )/6 .9% Xe (8 0% )/8 0 W 9W Beam Current [particle A] 40 (9 9 Ne -6 10 -8 10 197 Au/tandem -9 10 -10 10 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 charge state 400MeV 到達! 到達! 加速されたイオン電荷 高電圧端子での荷電状態の比較 30 RIS C E z H 14.5G Charge State 25 20 15 CRIS E z H 10G （16MV） 荷電変換フォイル 10 5 0 0 50 100 Mass [amu] 150 200 加速されたイオンビームの強度 -5 Beam Current [particle A] 10 tandem accelerator 10GHz TECRIS 14.5GHz TECRIS N O Ne Ar Kr -6 10 Xe 14.5 GHz TEC RIS -7 10 10G Hz T ECR IS tandem -8 10 0 20 40 60 Atomin Number 80 ビーム品質と利用状況 利用状況 ビームプロファイル フォイルによる散乱やエネルギー分散なし 昨年度38％、平均30％の利用率 2007年度 Fビーム 負イオン源から タンデム加速 197Au 136Xe 98Ru 86Kr 82Kr 64Zn 58Ni 40Ar 36S 34S 32S 31P 28Si 19F 18O 16O 15N 14N 12C 11B 7Li 6Li 1H イオン種 Xeビーム 高電圧端子内イオン源 から直接加速 ﾀｰﾐﾅﾙｲｵﾝ源 ：38.1% 負ｲｵﾝ源 S-5：17.1% 〃 S-4：30.5% 〃 S-3：14.3% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 利用日数 まとめ ECRイオン源を用いた 高電圧端子内重イオン入射装置の開発を行った。 • ビーム強度 ビーム強度は 強度は、10～ 10～100倍 100倍 • エネルギーは エネルギーは、50～ 50～80％ 80％増加 イオン電荷を自由に選択することで広範な領域の エネルギーのビームが得られる。（Xe；10～500MeV） • 希ガスイオンが ガスイオンが利用可能 また荷電変換フォイルを使用しないので、 良質な高強度ビームを長時間安定に加速可能 さらに、超伝導ブースターを利用することで、 10MeV～ 10MeV～１GeVの広範なエネルギー領域（連続可変）にわたる GeV 高輝度重イオンビームが提供可能である。 今後： 今後：改良を 改良を続けながら、 けながら、金属イオン 金属イオン加速 イオン加速を 加速を目指す 目指す？！
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