Innovative cesiation deriving incredible 145 mA beam from J-PARC cesiated RF-driven H ion source

上野 彰

Journal of Physics; Conference Series, 2743(1), p.012001_1 - 012001_8, 2024/05

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2743/1/012001

2022年、J-PARCセシウム(Cs)添加型高周波(RF)駆動Hイオン源(IS)による69.9keV 120mAビームの8時間安定運転結果を報告した。多量で多数回のCsとHOの添加が必要であった。非常に高いプラズマ電極温度(T) 245Cが、耐高温性と耐高エネルギープラズマ衝突性を有する新たなCs添加状態を示唆した。Moと化学結合したHOを介したCs添加仮説に基いたCs添加方法が試された。革新的なCs添加方法により、高エネルギーLINAC用RFQに適したパルス内のビーム変動とエミッタンスを有する76.5keV 145mAビームの安定運転に成功した。更に、J-PARC IS運転エネルギー52.5keVでのビーム強度が、72mAから83mAに増強された。このビーム増強は、近い将来のJ-PARC LINAC 60mA安定運転に大きく貢献する。

Development of a new J-PARC-made internal antenna for the J-PARC RF-driven H ion source

神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 大越 清紀; 南茂 今朝雄*; 川井 勲*; 池上 清*

Journal of Physics; Conference Series, 2743, p.012023_1 - 012023_5, 2024/05

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2743/1/012023

J-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源用の新しいJ-PARC製アンテナの試験を行ってきている。最初のJ-PARC製アンテナの開発後、コーティングからの不純物ガス放出が懸念されたため、アンテナのエナメルコーティングの組成を変更した。新しいアンテナによる高密度プラズマ生成の試験中に、質量分析と分光スペクトル測定を行い、新アンテナからのガス放出特性を監視した。その結果、新アンテナからは顕著となる不純物の放出がないことを確認した。新アンテナを用いたHビーム引き出しを行い、Hビーム特性を測定した。新アンテナを使用してJ-PARCの高周波駆動セシウム添加型負水素イオン源より引き出したHビームのエミッタンスはSNS製アンテナを使用した場合と同様であることが分かった。新アンテナの耐久試験を促進するために、2MHz高周波入力電力を約60kWで5%のデューティーファクター(50Hzの繰り返しでパルス幅1ms)を新アンテナに印加し、高密度プラズマを生成した。この運転パラメータはJ-PARC加速器で運転するパラメータである2MHz高周波入力電力約30kW、25Hzの繰り返しでパルス幅0.8msに比べてはるかに高い値である。本発表では、新しいJ-PARC製アンテナの特性の結果を示すとともに、J-PARC加速器運用で使用するための新しいアンテナの実現の可能性について議論する。

Soundness evaluation of J-PARC RF ion source after 5-month continuous operation

柴田 崇統*; 大越 清紀; 神藤 勝啓; 南茂 今朝雄*; 池上 清*; 小栗 英知

Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012041_1 - 012041_5, 2022/04

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2244/1/012041

2020年11月から2021年4月までのJ-PARC利用運転において、J-PARC RF負水素(H)イオン源は3,651時間(5ヶ月間)の連続運転を達成した。イオン源は30kWの高周波出力で、Hビーム電流60mA、デューティファクター2%のビームを出力した。5ヶ月連続運転後に、イオン源テストスタンドにおいて、実際の運転条件と同じ条件でイオン源を運転し、RFQ入口の位置での位相空間分布を測定した。ビームのエミッタンスは、水平方向/鉛直方向はそれぞれ0.262/0.264mm mradで、過去の運転で用いたイオン源と比較して大きな違いはなかった。アンテナコイルを目視確認したが、コイル表面には大きな損傷はないことを確認した。これらの結果より、次の長期運転として、J-PARCの1キャンペーン(1年間)である7ヶ月連続運転への可能性が見えてきた。

Negative hydrogen ion sources for particle accelerators; Sustainability issues and recent improvements in long-term operations

Welton, R.*; Bollinger, D.*; Dehnel, M.*; Draganic, I.*; Faircloth, D.*; Han, B.*; Lettry, J.*; Stockli, M.*; Tarvainen, O.*; 上野 彰

Journal of Physics; Conference Series, 2244, p.012045_1 - 012045_13, 2022/04

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2244/1/012045

高輝度負水素イオン源は、世界的な多くの科学施設で、広範囲に使用されている。負水素イオンビームは、円型の加速器や蓄積リングへの蓄積入射に適している。種々の負水素イオン源(RF、フィラメント、マグネトロンとペニング駆動)を使って、いくつかの施設では、数年以上の長期運転経験を有している。代表的な施設のリストに、米国核破砕中性子源(SNS)、J-PARC、英国ラザフォード・アップルトン研究所(RAL-ISIS)、米国ロス・アラモス中性子科学センター(LANSCE)、米国フェルミ国立加速器研究所(FNAL)、欧州合同素粒子原子核研究機構(CERN LINAC-4)があり、その他の多数の施設では、D-Pace社製イオン源が使用されている。本論文では、これらの施設で経験された重要なイオン源の持続可能性問題を総括し、それらのイオン源が、どのように最近改善されているのかを議論する。

J-PARC H ion source and space-charge neutralized LEBT for 100-mA high energy and high duty factor LINACs

上野 彰

Review of Scientific Instruments, 91(3), p.033312_1 - 033312_9, 2020/03

https://doi.org/10.1063/1.5126365

2019年7月、J-PARCで、3GeV 920kWビーム10.5時間運転に成功した。この間、Hイオン源と線形加速器(LINAC)は、ビームデューティファクター(BDF)1.25%(0.5ms25Hz)で安定運転され、出射ビーム強度は、各々、58と50mAであった。別途、イオン源とLINACは、BDF1.5%(0.6ms25Hz)、出射ビーム強度72と60mAでの安定運転が可能なことも確認された。イオン源テストスタンドでの100mA、BDF5%(1ms50Hz)運転に基き、入射エネルギー64keV以上の高周波4極線形加速器(RFQ)を使用することで、100mA高エネルギー高デューティファクター線形加速器が可能であることを報告する。予測以上に有効であった、低エネルギービーム輸送系での空間電荷中和効果についても報告する。更に、イオン源ビーム引出系の最短化による約8%のエミッタンス改善についても報告する。

How to make extraction electrode current lower than beam and corresponding beam qualities in J-PARC cesiated RF-Driven H ion source 66 mA operation

上野 彰; 大越 清紀; 池上 清*; 高木 昭*; 神藤 勝啓; 小栗 英知

AIP Conference Proceedings 2011, p.050002_1 - 050002_5, 2018/09

http://doi.org/10.1063/1.5053300

J-PARC Cs添加型高周波駆動Hイオン源を66mAビーム強度で安定に運転するために、ビームと同時に引き出される電子が主成分の引き出し電極電流(I)を最小化する条件を調べた。ロッドフィルター磁場(RFF)、Cs密度、軸磁場補正(AMFC)を最適化することで、約40mAとこれ迄の運転条件時の1/4程度のIで、安定運転できることが分かった。特に、40Gauss程度の少ないAMFCによるIの縮小効果(約1/3)は、最も有効であった。この条件での95%ビーム横方向エミッタンスは、強めたRFFと高めたCs密度の影響で、約24%悪化していた。測定結果を基に、安定運転とビーム性能の両立が図られる。

Observation of beam current fluctuation extracted from an RF-driven H ion source

神藤 勝啓; 柴田 崇統*; 三浦 昭彦; 宮尾 智章*; 和田 元*

AIP Conference Proceedings 2011, p.080016_1 - 080016_3, 2018/09

https://doi.org/10.1063/1.5053371

In J-PARC, peak H current of several tens mA is produced from a cesiated hydrogen plasma generated by a solid-state RF amplifier with the frequency of 2 MHz. In case of the high-intensity H beam extracted from the ion source, the plasma density in the source chamber is so high that the ion sheath around the beam extraction area follows the RF oscillation. Because the ion plasma frequency defined by the ion density is much higher than the driving frequency. The potential fluctuation of the plasma is combined with the driving RF electric field and causes motion of charged particles in the plasma some changes. As a result, the H beam extracted from the source plasma also fluctuates. The beam current signal from a Faraday cup was measured by a spectrum analyzer. A powerful frequency component at 2 MHz which is as same as that of the RF amplifier was also observed after the acceleration of RFQ linac located at the downstream of the ion source.

Measurement of ion species in high current ECR H/D ion source for IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility)

神藤 勝啓; Sene, F.*; Ayala, J.-M.*; Bolzon, B.*; Chauvin, N.*; Gobin, R.*; 一宮 亮; 伊原 彰; 池田 幸治; 春日井 敦; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02A727_1 - 02A727_3, 2016/02

https://doi.org/10.1063/1.4933342

A high current ECR ion source producing 140 mA/100 keV D ion beams for IFMIF accelerator is now under commissioning at Rokkasho in Japan, under the framework of ITER Broader Approach (BA) activities. The ion source for IFMIF is required to produce positive deuterium ion beams with a high D ratio. After the mass separation in LEBT consisting of two solenoids, the D ratio should be higher than 95 % with less molecular ions and impurity ions at the entrance of RFQ linac to be installed downstream. The ion species have been measured by Doppler shift spectroscopy between the two solenoids. With hydrogen operation in pulsed and CW modes, the H ratio increases with RF power or plasma density and reached 80% at 160 mA/100 keV. The value was compared with that derived from the emittance diagram for each ion species measured by an Alison scanner installed nearby the viewport for the spectroscopy in the LEBT. It was found that the spectroscopy gives lower H ratio than the emittance measurement.

Numerical study of plasma generation process and internal antenna heat loadings in J-PARC RF negative ion source

柴田 崇統*; 西田 健治朗*; 望月 慎太郎*; Mattei, S.*; Lettry, J.*; 畑山 明聖*; 上野 彰; 小栗 英知; 大越 清紀; 池上 清*; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B128_1 - 02B128_3, 2016/02

BB2015-1473.pdf:4.28MB

https://doi.org/10.1063/1.4931787

J-PARC高周波(RF)イオン源のアンテナコイル熱負荷とプラズマ熱流束の関係を明らかにするため、プラズマ輸送過程と電磁場分布を同時に解析する数値シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションから、ロッドフィルターおよびカスプ磁石により、アンテナコイル近傍で、磁束密度の絶対値が30-120Gaussの値を取る領域が生じる。このような磁場中では、イオン源内の電子が磁化されるため、コイル近傍で電子密度増加が起こる。すると、水素分子・原子のイオン化が促進されるため、局在的にプラズマ密度が増加する。このとき、アンテナ電位が負の値を取ると、イオン化で生じた水素の正イオンがアンテナに向かって加速され、アンテナの特定部位に熱負荷が集中する結果が得られた。これより、フィルター、およびカスプ磁石の配置変更により、コイル近傍の磁場構造を改変することで、熱負荷が低減されることが指摘された。

Measurement of heat load density profile on acceleration grid in MeV-class negative ion accelerator

平塚 淳一; 花田 磨砂也; 小島 有志; 梅田 尚孝; 柏木 美恵子; 宮本 賢治*; 吉田 雅史; 錦織 良; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B137_1 - 02B137_3, 2016/02

https://doi.org/10.1063/1.4935636

負イオンの引出・加速の物理を理解するために、ITER原型加速器において加速電極上の熱負荷密度分布を初めて測定した。熱負荷密度分布を測定するために、加速電極孔周辺領域をそれぞれが熱絶縁された34個の銅ブロックで構成し、それぞれの銅ブロックに熱電対を接合することで、空間分解能3mm程度の熱負荷密度分布測定に成功した。これはビーム径16mmのビームのテイル成分を測定するのに十分な分解能である。この測定により、加速電極孔周辺において熱負荷密度分布に2箇所のピークを発見した。ビームオプティクスやガス密度分布を変化させる実験により、これら2つのピークは負イオン及び2次電子の衝突であることが明らかになった。これは負イオンや2次電子の軌道を理解するために必要な初めての実験結果である。