Influence of 30 MHz and 2 MHz RF plasma upon plasma electrode potential in the J-PARC RF-driven H ion source

J-PARC高周波負水素イオン源でのプラズマ電極電位に対する30MHz及び2MHzプラズマへの影響

柴田 崇統*; 高木 昭*; 神藤 勝啓   ; 池上 清*; 大越 清紀 ; 南茂 今朝雄*; 小栗 英知  ; 内藤 富士雄*

Shibata, Takanori*; Takagi, Akira*; Shinto, Katsuhiro; Ikegami, Kiyoshi*; Okoshi, Kiyonori; Nammo, Kesao*; Oguri, Hidetomo; Naito, Fujio*

J-PARC高周波負水素イオン源でのプラズマ電極バイアス印加のために、高周波プラズマ条件下でのプラズマ電極の電圧変動の特性を調査した。J-PARCでは、高周波放電のために周波数30MHzで10から100Wの電力の連続高周波と周波数2MHzで5から20kWの電力のパルス高周波を重畳して入射している。各々の場合でのイオン源容器から浮遊したプラズマ電極との間に発生する電圧の時間構造を電圧計といくつかの抵抗を用いて測定した。30MHz高周波によりEモードでプラズマを発生した時と、2MHz高周波によりHモードでプラズマを発生した時では、測定される電圧波形が大きく異なった。この結果は、容量性結合電場と誘導性結合磁場の生成によって、イオン源容器に向かって行き来する正と負の荷電粒子の運動が決まることを示唆する。J-PARCのユーザー利用運転と同じ条件下のプラズマ中では、イオン源容器とプラズマ電極の間に60から80Vの電位差が生じ、2MHzと30MHzを重ね合わせた波形になることが分かった。高周波放電中でプラズマ電極に連続的にバイアスを印加するためには、この電圧の振動を打ち消す分布定数回路を追加した上で、バイアス印加用の高電圧電源が必要である。

For the application of bias voltage in J-PARC Radio Frequency (RF) negative ion source, characteristics of the voltage variation on the plasma electrode are investigated with different RF plasma conditions. A continuous 30 MHz RF power up to 10 - 100 W and a pulsed 2 MHz RF power up to 5 - 20 kW are injected from internal RF antenna coil. In each case, time structure of the voltage between the plasma electrode and the isolated source chamber is measured by voltage probe with different measurement resistances. Behavior of the measured voltage differs strongly whether the RF plasma is in the E mode phase by 30 MHz RF injection or in the H mode phase by 2 MHz RF injection. The results suggest that formation of capacitively coupled electric field and inductively coupled magnetic field decide the positive and the negative fluxes coming into the chamber wall. Under the same plasma condition as in the J-PARC user operation, peak value of the voltage between the source chamber and the plasma electrode is around 60 - 80 V and frequency of the voltage is a combination of 2 MHz and 30 MHz. For the continuous bias voltage application on the plasma electrode, additional distributed constant circuit to cancel these voltage oscillation and high voltage bias power supply are required.