Factors influencing the fluctuation amplitude of the H ion beam extracted from an RF wave excited ion source plasma

高周波駆動イオン源プラズマから引き出された負水素イオンビームの揺動振幅に影響を与える要因

和田 元*; 柴田 崇統*; 神藤 勝啓   

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

内部アンテナ型の高周波駆動負水素イオン源が、J-PARC加速器施設にビームを供給している。負水素イオンビーム電流は高い安定性を示しているが、テストスタンドでイオン源から引き出されたビーム電流をファラデーカップで測定すると、DC電流の大きさに対して、5%程度の変動がみられる。この変動には2つの周波数成分、駆動している高周波成分である2MHzとその2倍高調波の4MHzの成分が見られる。これらの成分の振幅レベルは、スリットを通過する特定の角度に向けられたビームの一部が検出されるにつれて大きく見える。全ビーム強度に小さな振幅の振動が観察される理由として考えられるのは、Hイオン生成の位置とファラデーカップに到達するその後の軌道に応じた局所ビームの平均位相シフトである。位相シフトがビーム全体の発信振幅を減少させる主な理由であるかどうかを確認するために、2MHz成分と4MHz成分の間の位相シフトを、位置を決める0.1mm幅のビーム入口スリットとファラデーカップに結合された0.1mm幅のスリットを通過するビームについて測定した。その結果、位相シフトが位置に応じて大きく変化することが示されたが、測定された位相シフトの空間分布を説明できる単純なモデルではなかった。RFアンテナ電流に対するビーム電流位相シフトの測定、バルマー光の時間発展など、Hビーム輸送に関連するビームダイナミクスを明らかにする更なる試みを行う予定である。

An internal antenna type RF driven negative hydrogen (H) ion source supplies beams to the J-PARC accelerator facility. The H ion beam current exhibits high stability, while it fluctuates with less than 5% amplitude of the DC current when a Faraday cup measures the current extracted from the source mounted on a test stand. Two frequencies are identified as the main oscillation components, 2 MHz and 4 MHz which are the driving RF frequency and the second harmonics, respectively. The amplitude levels of these components appear larger as parts of the beam directing specific angles passing through a slit are detected. A possible reason for observing a small amplitude oscillation in the total beam intensity is the averaged phase-shift of the local beam depending upon the position of the H ion production and the succeeding trajectory reaching the Faraday cup. To confirm if the phase-shift is the main reason for diminishing the oscillation amplitude for the total beam, the phase-shift between the 2 MHz and 4 MHz components were measured for beams passing through a 0.1 mm slit coupled to a Faraday cup having a 0.1 mm entrance slit. The result indicated the phase-shift changed substantially depending upon the position, but no simple model can explain the measured spatial distribution of the phase-shift. Further attempts will be made to clarify the beam dynamics relevant to the H ion beam transport including the measurements of the beam current phase-shift with respect to the RF antenna current, and the time evolution of Balmer- light emission.