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論文

Development of microwave ion source for industrial applications

高橋 伸明*; 村田 裕彦*; 三堀 仁志*; 桜庭 順二*; 曽我 知洋*; 青木 康*; 加藤 隆典*; 齋藤 勇一; 山田 圭介; 池永 訓昭*; et al.

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02C306_1 - 02C306_3, 2014/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:13.22(Instruments & Instrumentation)

Microwave ion source is one of the long-life ion sources, which has been developed for industrial applications such as ion implantation. In this paper, the characteristics of the extracted Ar ion beam from the plasma were studied under various conditions, in terms of magnetic field and pressure of gas. The measured spectra show that, within the experimental condition, most of the beam constituents were singly charged ions, Ar$$^{+}$$ in contrast to ECR ion sources which permits to obtain high current useful for ion implantation. The details of the beam characteristics will be presented corresponding the magnetic field and the pressure of gas.

論文

A Transverse emittance and acceptance measurement system in a low-energy beam transport line

柏木 啓次; 宮脇 信正; 倉島 俊; 奥村 進

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A735_1 - 02A735_5, 2014/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:13.22(Instruments & Instrumentation)

A transverse beam emittance and acceptance measurement system has been developed to visualize the relation between the injected beam emittance and the acceptance of a cyclotron. The system is composed of two pairs of slits for horizontal and vertical phase-space selection, a beam intensity detector downstream of the slits for emittance measurement and a beam intensity detector in the cyclotron for acceptance measurement. The emittance is obtained through measuring beam intensity distribution by scanning the slits. The acceptance is obtained through measuring the distribution of relative transmission by injecting small emittance beams with scanning the slits. In the acceptance measurement, the beam from an ion source is deflected using a steering magnet upstream of the slits so that the effective emittance covers the entire acceptance to be measured. Measurements tests were carried out for a $$^{16}$$O$$^{6+}$$ beam injected at 50.2 keV and accelerated to 160 MeV. The emittance of the injection beam and the acceptance for the accelerated beam at the entrance of the extraction deflector were measured. The typical values of emittance and acceptance were 59 $$pi$$ mm mrad and 112 $$pi$$ mm mrad respectively. The relation between emittance and the acceptance was successfully visualized by displaying them overlapped in the same phase-plane.

論文

100s extraction of negative ion beams by using actively temperature-controlled plasma grid

小島 有志; 花田 磨砂也; 吉田 雅史; 戸張 博之; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; Grisham, L. R.*

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B312_1 - 02B312_5, 2014/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:52.34(Instruments & Instrumentation)

JT-60SAに向けて、500keV, 22Aの負イオンビームを100秒間生成するためには、大電流負イオンを長時間生成することが大きな課題である。これまでの結果から、Csによる表面生成方式を用いて負イオンを長時間効率よく生成するには、Csの付着したプラズマ電極の温度を200$$^{circ}$$C程度に維持する必要があることが分かっていた。しかしこれまでのプラズマ電極では慣性冷却方式を採用しており、パルスとともに電極温度が上昇することが問題であった。そこで、沸点の高いフッ素系冷媒を200$$^{circ}$$C程度でプラズマ電極内を循環させ、プラズマ電極を高温に保ちながらプラズマからの熱を冷却するシステムを開発した。その結果、7秒程度の短い時定数でプラズマ電極の温度を長時間一定に制御することが可能となり、1/10の引出領域から120A/m$$^{2}$$の高密度負イオンビームを、JT-60SAの目標である100秒間生成することに成功した。

論文

Improvement of uniformity of the negative ion beams by Tent-shaped magnetic field in the JT-60 negative ion source

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; Grisham, L. R.*; 秋野 昇; 遠藤 安栄; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 根本 修司; et al.

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B314_1 - 02B314_4, 2014/02

 被引用回数:12 パーセンタイル:55.08(Instruments & Instrumentation)

負イオン中性入射装置では、JT-60SAにて要求される22Aの大電流を生成するために、負イオン源内の負イオンビームの一様性を改善する必要がある。本研究では、イオン源の磁場構造を従来のカスプ磁場配位からテント型磁場配位に改良した。磁場構造を改良することによって、負イオンビームの一様性を負イオンの生成効率を劣化させることなく、10%以下に改善することができた。

論文

Influence of injection beam emittance on beam transmission efficiency in a cyclotron

倉島 俊; 柏木 啓次; 宮脇 信正; 吉田 健一; 奥村 進

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A725_1 - 02A725_3, 2014/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Instruments & Instrumentation)

原子力機構サイクロトロンは、プロトンからオスミウムまで様々なイオンを加速してバイオ技術や材料科学の研究にイオンビームを提供する。ユーザが求めるビーム電流量は、同一イオン種、同日内の実験においても$$mu$$Aから$$mu$$Aまでと幅広い。各実験においては、必要なビーム電流を確保した上で長時間の安定性が求められ、素早いイオン源の再調整が必要である。しかし、イオン源出口において電流量を2倍にしてもビームの輸送効率が低下するためユーザの要求する電流が得られない場合があった。この原因を探るため、イオン源の再調整に伴う輸送効率の変化を調べた。また、ビーム入射ラインに設置したエミッタンス・アクセプタンスモニタを使用して、加速器側との位相空間上のマッチングを調べた。この結果、イオン源の再調整に伴いエミッタンスやビーム強度のピーク位置が変化し、サイクロトロンのアクセプタンスとのマッチングが悪化することが分かった。そこで、アクセプタンス測定値に基づき入射ラインのステアラー電磁石を再調整し、マッチングを向上させた結果、ユーザの要求するビーム電流量を得ることができた。

論文

A Liquid-helium-free superconducting coil system forming a flat minimum-magnetic-field distribution of an electron cyclotron resonance ion source

吉田 健一; 奈良 孝幸; 齋藤 勇一; 横田 渉

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A917_1 - 02A917_3, 2014/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.8(Instruments & Instrumentation)

近年のECRイオン源研究では閉じ込め磁場強度の増加だけでなく軸方向のミラー閉じ込め磁場強度B$$_{rm min}$$も多価イオン生成効率に関係すること、さらに従来はクラシカルタイプが一般的であったそのB$$_{rm min}$$形状もフラットタイプの方が多価イオン生成効率が高いことが分かってきた。一方、超電導技術の観点からは、GM冷凍機による伝導冷却型の超電導装置は非常に有利であるが、フラットタイプのB$$_{rm min}$$形状にするには複数のソレノイドコイルが必要になるために熱侵入が多くなり、伝導冷却型では冷凍機が多数必要になってしまう。そこで、フラットB$$_{rm min}$$形状について、低インダクタンスかつ少ない電流導入数で実現できるような磁気回路を考案した。本論文では、このフラットB$$_{rm min}$$に特化した液体ヘリウムを使用しない超電導ECRイオン源の開発について報告する。この磁気回路は、フラットB$$_{rm min}$$の形成を2つの閉じ込め用コイルの他に複数の中心コイルで行った。さらに、電流導入数を少なくするため、その中心コイルをシリーズに繋ぎ、様々なB$$_{rm max}$$でもフラットB$$_{rm min}$$形状となるよう、コイル形状を工夫した。

論文

Production of fullerene ions by combining of plasma sputtering with laser ablation

山田 圭介; 齋藤 勇一; 横田 渉

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A920_1 - 02A920_3, 2014/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.8(Instruments & Instrumentation)

A C$$_{60}$$$$^{+}$$ production with combination of plasma sputtering and laser ablation was carried out. A C$$_{60}$$ sample put in an electron cyclotron resonance type ion source was negatively biased and sputtered by argon plasma. A beam current of C$$_{60}$$$$^{+}$$ decreased rapidly and recovered transiently by a single laser shot for ablation of the thin sample surface on the sputtered area. The time variation of beam current with laser shots at few-minute intervals is reported.

論文

Long-pulse beam acceleration of MeV-class H$$^{-}$$ ion beams for ITER NB accelerator

梅田 尚孝; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 戸張 博之; 渡邊 和弘; 大楽 正幸; 山中 晴彦; 井上 多加志; 小島 有志; 花田 磨砂也

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B304_1 - 02B304_3, 2014/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:49.27(Instruments & Instrumentation)

原子力機構では、ITER中性粒子入射装置用加速器を実現するため、静電5段加速の負イオン加速器の開発を行なっている。これまで目標値のビームエネルギー1MeV、電流密度200A/m$$^{2}$$の負イオンビーム加速に対して、850keV, 185A/m$$^{2}$$の加速に成功しているが、高い電極熱負荷によりビームパルス幅は0.4秒に制限されていた。今回、フィルター磁場によるビーム偏向を補正するため、0.5mmの孔軸変位を採用した新たな引出部を開発した。これにより、フィルター磁場によるビーム偏向を6mradから1mradに低減し、負イオンの衝突による電極熱負荷を23%から15%に低減した。この結果、高パワーでの長時間加速が可能となり、ビームエネルギー881keV, 電流密度130A/m$$^{2}$$の負イオンビームを8.7秒間加速することができ、100MW/m$$^{2}$$を越えるパワー密度でパルス幅を1桁上げることに成功した。

論文

Development of negative ion extractor in the high-power and long-pulse negative ion source for fusion application

柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 戸張 博之; 小島 有志; 吉田 雅史; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 前島 哲也; 山中 晴彦; 渡邊 和弘; et al.

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B320_1 - 02B320_3, 2014/02

 被引用回数:24 パーセンタイル:76.32(Instruments & Instrumentation)

ITER, JT-60SA及びDEMO用の核融合炉の加熱・電流駆動に必要なNBIに向けて、高パワー・長パルス用負イオン引出し部の電極を今回新たに開発した。まず、長パルスの間、十分除熱できる電極を熱解析で設計した。次に、負イオン加速試験で、新しい電極の負イオン生成と電子抑制能力について実験的に検証した。その結果、負イオン電流は1.3倍増加し、懸念していた電子電流の増加は抑えることができ、さらにビーム発散角も4mradまで十分低減できることを明らかにした。

論文

Dependence of beam emittance on plasma electrode temperature and rf-power, and filter-field tuning with center-gapped rod-filter magnets in J-PARC rf-driven H$$^{-}$$ ion source

上野 彰; 小泉 勲; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 山崎 宰春; 小栗 英知

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B133_1 - 02B133_5, 2014/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:33.97(Instruments & Instrumentation)

J-PARC第二ステージの要求性能である水平・垂直両方向の規格化エミッタンス1.5$$pi$$mm$$cdot$$mrad内に60mAのビーム強度、フラットトップビームデューティファクター1.25$$%$$(500$$mu$$s$$times$$25Hz)と50日以上の寿命を達成したプロトタイプ高周波駆動H$$^-$$イオン源の実験結果を、第3回負イオンシンポジウム(NIBS2012)で報告した。メンテナンス時間の短縮に必須の天板からプラズマ電極(PE)迄ユニット化したイオン源を人力でビームラインに設置可能な重量とするため、プラズマ容器の材質を無酸素銅からステンレス鋼に変更しビーム試験を行った。両イオン源の比較から、(1)ビームエミッタンスがPE温度(T$$_P$$$$_E$$)と高周波電力に依存すること、(2)中央部にギャップを設けたロッドフィルター磁石のギャップ長を変更することでフィルター磁場の微調整が可能で低高周波電力で必要ビーム強度が達成できることの2つの重要な事実が判明したので報告する。

論文

Development of a high current H$$^{-}$$ ion source for cyclotrons

衛藤 晴彦*; 青木 康*; 三堀 仁志*; Arakawa, Y.*; 密本 俊典*; Yajima, S.*; 桜庭 順二*; 加藤 隆典*; 奥村 義和

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02B107_1 - 02B107_3, 2014/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:49.27(Instruments & Instrumentation)

医療用サイクロトロンの大電流化が、ガン治療や医療用アイソトープ製造などの用途に必要とされており、そのためにサイクロトロン用負イオン源の大電流化が必要である。多極磁場型の負イオン源を新たに設計、製作し、試験を行った。フィルター磁場強度や引出電極などの最適化を行い、ごく少量のセシウムを負イオン源に添加した状態で、16mAの直流負イオンビームを安定に得ることができた。プラズマ源のアークパワーは2.8kWと低く、長時間の運転が可能である。

論文

Measurements of electron-induced neutrons as a tool for determination of electron temperature of fast electrons in the task of optimization laser-produced plasma ions acceleration

榊 泰直; 西内 満美子; 前田 祥太; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; Pikuz, T.; Faenov, A.*; 小倉 浩一; 深見 智代; 松川 兼也*; et al.

Review of Scientific Instruments, 85(2), p.02A705_1 - 02A705_4, 2014/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:13.22(Instruments & Instrumentation)

高強度レーザーとプラズマの相互作用によるイオン発生において、電子特性の計測は不可欠である。そのため、様々な計測手法が提案されているが、今回我々は、光核中性子反応による中性子を計測することで、精度よく電子特性の計測を行う新規性の高い手法を提案する。この手法は、イオン加速エネルギー計測と共にピークパワー1$$times$$10$$^{21}$$W/cm$$^{2}$$のJ-KARENレーザーによって実証された。イオン加速エネルギーと本手法による計測結果は極めて相関をもつことがわかり、改良を重ねて行けば非常に良い計測器になり得ることがわかった。

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