A 3D Particle-In-Cell calculation of J-PARC RF ion source; Effects due to near antenna electric field

J-PARC RFイオン源の3次元PIC計算; アンテナ電場近傍による効果

柴田 崇統*; 中野 治久*; 和田 元*; 神藤 勝啓   ; 大越 清紀 ; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 小栗 英知  

Shibata, Takanori*; Nakano, Haruhisa*; Wada, Motoi*; Shinto, Katsuhiro; Okoshi, Kiyonori; Nammo, Kesao*; Kawai, Isao*; Oguri, Hidetomo

大強度陽子加速器施設では、高周波駆動型負水素(H)イオン源が数か月間メンテナンスフリーで安定なHビーム特性を持った運転のための粒子源として用いられている。高周波駆動型イオン源は、入力する高周波の周波数でビーム電流や位相空間が振動する特徴がある。この振動は、加速器のTwissパラメータのミスマッチを起こす可能性がある。そこで、モンテカルロ法による粒子衝突を含めた3次元PICモデル計算を開発し、ビーム振動機構を明らかにすることを進めてきた。イオンビーム引出領域についてのシミュレーション計算の結果では、アンテナによる誘導電圧による「ポンピング効果」が見られた。このポンピング効果は、高周波のある位相でイオン源内のRFプラズマのドライバ領域での電子や陽子がビーム引き出し領域へ引っ張り出されることが示された。アンテナの電圧がプラズマ電極に対して正電圧になる場合、陽子束がプラズマ電極に引き込まれてH生成が増大化し、ビーム引出孔近傍に蓄積する。アンテナの電圧が負電圧になる場合、蓄積したHイオンがビームとして引き出される。この描像がビームが高周波の周波数で振動する原因であることが分かった。

In the high-power proton accelerator facilities, Radio Frequency (RF) driven negative hydrogen ion (H) sources are adopted as particle sources for the maintenance-free duration over several months and for the stability of the H beam characteristics in the long-term operation. Techniques of RF plasma excitation are also introduced in the fusion field as ion sources of the neutral beam injection (NBI). On the other hand, the RF ion sources have a feature that the extracted beam current and phase space show slight oscillation with input RF frequency. The oscillation of the phase space may lead to mismatches of Twiss parameters or beam loss at the accelerator cavities in the higher-power beam operation. A 3D Particle-In-Cell (PIC) modeling based on Monte-Carlo collision was developed to elucidate the beam oscillation mechanisms. The presentation reports the effects upon the beam formation due to the electric potential fluctuation caused by a capacitive coupling to the internal antenna coil.