Discoloration of RF antenna coil surface after long-term operation of J-PARC ion source

J-PARCイオン源長時間運転後の高周波アンテナ表面の変色

柴田 崇統*; 神藤 勝啓   ; 南茂 今朝雄*; 大越 清紀 ; 池上 清*; 小栗 英知  ; 石田 正紀*; 和田 元*

Shibata, Takanori*; Shinto, Katsuhiro; Nammo, Kesao*; Okoshi, Kiyonori; Ikegami, Kiyoshi*; Oguri, Hidetomo; Ishida, Masaki*; Wada, Motoi*

2020年11月から2021年4月までの間に3651時間(5か月間)のイオン源の連続運転を達成した。高周波イオン源の運転寿命は主にエナメル塗装した高周波アンテナの破損によって制限されるので、連続運転の更なる延伸を目指すためには、アンテナ表面の詳細な評価を行いその可否が必要となる。今回、5か月間運転した後の高周波アンテナの表面の変色をデジタル顕微鏡とエネルギー分散型X線分析装置搭載走査型電子顕微鏡(SEM/EDS)で調べた。EDS分析によって得られた材料マッピングと線スペクトルから、セシウムによってイオン源真空容器の壁表面がスパッタされたと思われる原子が付着していたことが示された。また、エナメル塗装の表面に付着したセシウム原子が、アンテナ変色の主要因であると考えられる。運転前後のアンテナの厚みの測定結果は、変色が表面に付着した材料によるという考えを支持するものであり、よってエナメル塗装によるアンテナのプラズマからの絶縁が維持されていると考えられる。運転後に行ったエミッタンス測定では、アンテナ表面への付着がイオン源内の高周波プラズマやイオン源より引き出されたビーム生成に影響を与えていないことが示された。

From Nov. 2020 to Apr. 2021, the continuous ion source operation for 3,651 hours (5 months) was achieved. As the lifetime of the RF ion source is mainly limited by failure on the enamel coating of the RF antenna, detailed evaluation of the antenna surface is required to ensure feasibility of the further extension of the operation time. In the present study, surface discoloration on the RF antenna coil observed after the 5 months operation is investigated by application of digital microscope and SEM/EDS analyses. The material mapping and the line spectrum obtained by the EDS analysis show that depositions of the sputtered source chamber wall materials and the injected cesium on to the enamel coating are the most possible candidate for the discoloration. The dimension measurements of the RF antenna thickness before and after the long-term operation support the idea that the discoloration is due to the deposited materials and hence insulation of the RF antenna coil by enamel coating is maintained. The emittance measurement after the operation also shows that the RF plasma and the beam formations are not affected by the deposition on the antenna.