Effect due to Cs injection upon current oscillation of the beam extracted from the J-PARC negative hydrogen ion source

J-PARC負水素イオン源から引き出されたビーム電流振動に対するセシウム導入による効果

和田 元*; 柴田 崇統*; 神藤 勝啓   

Wada, Motoi*; Shibata, Takanori*; Shinto, Katsuhiro

J-PARCでは、2MHzの高周波(RF)電力で励起されたプラズマによるHイオン源が、ビーム源として加速器に供給されている。これまで、RFQ出口でビームが2MHzで揺動していることを見つけて以来、プラズマ励起RF周波数でのHビーム揺動について研究してきた。高周波成分は、プラズマの周辺領域に存在し、位相空間でのビームの変化を明らかにするために開発した高時間分解能エミッタンス測定の結果、2MHzで振動する発散ハロー成分の存在を明らかにした。ビーム中心での変動振幅には20%未満で4MHzで振動する成分も観測された。この4MHz成分は、RF誘導電場の強度が各サイクルで2回最大になるため、RFアンテナによる高エネルギー電子の生成に関連していると考えられる。一方、RF磁場の方向と電子の流れの方向は2MHzの周波数で変化する。よって、イオン源でのHイオン生成メカニズムは、引き出されたHビームを正確に特性化することで推定できる。Hビームの揺らぎをファラデーカップで測定し、周波数成分を調べた。Csを導入する前に測定されたビーム電流は、軸磁場補正(AMFC)コイルをオフにすると、4MHzの周波数で変動した。AMFCを誘導するためのコイルを励起すると電圧が増加するにつれて、主変動周波数は2MHzに移った。イオン源にCsを導入するとHビーム電流が増加し、AMFCのオン/オフ両方の場合で、4MHz成分がほぼ消失した。本発表では、Cs導入による4MHz成分の減少に関与する考えうる機構について議論する。

A negative hydrogen (H) ion source with the plasma excited by 2 MHz radio frequency (RF) power serves as the beam source for the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). We have been studying the H ion beam intensity modulation at the frequency of plasma excitation RF power since we have found the beam carried the fluctuation at 2 MHz after the RFQ linac. Higher frequency components were found present in the peripheral region of the plasma, and the highspeed emittance measurement system developed to clarify the change of the beam in phase space revealed the existence of diverging halo component oscillating at 2 MHz. The fluctuation amplitude at the beam center was less than about 20%, while there was observed the component oscillating at 4 MHz. The 4 MHz component seems related to the production of high energy electrons by the RF antenna as the intensity of the RF induction electric field takes the maximum twice in each cycle. On the other hand, the direction of RF magnetic field and the direction of electron flow change at 2 MHz frequency. Thus, H ion formation mechanisms in the ion source can be estimated through precisely characterizing the extracted H ion beam. The H ion beam fluctuation can be observed in the H ion current measured with a Faraday cup. Before introducing Cs, the measured beam current showed the fluctuation at 4 MHz frequency when the axial magnetic field correction (AMFC) coil was turned off. The main fluctuation frequency changed to 2 MHz as the voltage to excite the coil to induce AMFC was increased. Injection of Cs into the ion source increased the H ion current, while the 4 MHz component nearly disappeared for both cases of AMFC on and AMFC off. Possible mechanisms responsible for diminishing 4 MHz fluctuation component by Cs injections are discussed.