永久磁石を用いた高出力マイクロ波 放電型イオン源の開発 環境計測学研究室　黒　裕二 永久磁石を用いた高出力マイクロ波放電型イオン源開発の報告を始めます。 報告は環境計測の黒がさせて頂きます。

当研究室の研究概要 Nier型イオン源では限界 分子イオンを振動基底状態にそろえるための 静電型イオントラップの開発 　Nier型イオン源のビーム電流量：50 nA Nier型イオン源の特徴 　　 ・電子衝撃型 2現在、当研究室では、分子イオンの解離性電離反応や、解離性電子捕獲反応を調べています。分子イオンの解離性反応の反応確率は分子イオンの振動状態に依存すると考えられるため、分子イオンを振動基底状態に冷却する静電型イオントラップの開発を進めています。 現在、このトラップに入射するイオンを生成するために用いているNier型イオン源でのビーム電流量は50 nA程度です。このオン源は電子衝撃型であり、生成されるイオンのエネルギー幅が小さいといった特徴があります。当研究室ではビーム電流量をアップさせるためにこのイオン源で電子の供給に用いるフィラメントを長くしたり、ガス分布調整などの改良を進めてきましたが限界が見えてきました。 Nier型イオン源では限界

研究目的　　　　 高出力 　Nier型イオン源の100倍以上 小型化 マイクロ波放電型イオン源の設計、開発

マイクロ波放電型イオン源の概要 イオン生成 特徴 イオンの生成 マイクロ波により電子を加速 加速された電子と原子が衝突 フィラメント不要 　特徴 フィラメント不要 マイクロ波によって加速された電子が原子と衝突することで、原子は電離しイオンになる。これを引き出すことでイオンビームを生成する。 マイクロ波放電型イオン源の特徴は電子の供給の際、フィラメントが不要となることである。このためイオン源の連続運転時間が長くなり、またフィラメントを燃やす原因となる酸素のような活性ガスの使用が可能となる。 ・長時間の連続運転可能 ・酸素のような活性ガスの使用可能

開発したイオン源によるビーム生成 プラズマ生成室 2.45 GHz マイクロ波 イオンビーム 強磁性体 ガス 非磁性体 絶縁体

磁場による大電流化 高出力には磁場が必要 電子、イオン共に磁力線に沿って サイクロトロン運動 電子の壁面への衝突回避による電子の高密度化 荷電粒子 磁力線 電子、イオン共に磁力線に沿って サイクロトロン運動 電子の壁面への衝突回避による電子の高密度化 高密度のイオン生成 高密度イオンの効率よい引き出し 1　磁石の選択 2　磁場のシミュレーション

磁石の選択 永久磁石の採用 ・ソレノイドコイルより 小型化可能 ・電力が不要 40 mm 50 mm アルニコ磁石：高温耐性 15 mm N S ・ドーナツ型 ・表面磁場 0.1 T

磁場のシミュレーション1 パターン1 ・プラズマ生成室：最大0.008 T ・電極間：0.001 T程度 ① ガス導入部 ② ベースフランジ 強磁性体 非磁性体 ① ガス導入部　 ② ベースフランジ ③ 引き出し板　 ④ 引き出し電極 ビーム軸方向 ② ① ③ ④ パターン1

磁場のシミュレーション2 パターン2 ・プラズマ生成室内では ほぼパターン1と同じ ・電極間：最大0.01 T ① ガス導入部 強磁性体 非磁性体 ① ガス導入部　 ② ベースフランジ ③ 引き出し板　 ④ 引き出し電極 ビーム軸方向 ② ① ③ ④ パターン2

結果まとめ パターン2に決定 ・④引き出し電極まで ビーム軸方向の磁場延長 パターン2 イオン放出面 イオンが効率よく放出面まで輸送 　・④引き出し電極まで 　ビーム軸方向の磁場延長 　　 　　　イオンが効率よく放出面まで輸送 　　 　されるため大電流が期待できる ビーム軸方向 パターン2

装置図 マイクロ波コンポーネント イオン源 ガス導入口 永久磁石 5 cm 30 cm コネクタ 同軸導波管変換器 同軸ケーブル パワーユニット

ビーム測定実験 最大ビーム電流：7.0 mA 実験条件 ガス：Ar 入射マイクロ波電力：150 W 引き出し電圧：1200 V バックグラウンド真空度：4.6×10－6 Torr 動作時真空度：3.0×10－5 Torr 最大ビーム電流：7.0 mA

ビーム電流の引き出し電圧依存 ・引き出し電圧に比例して電流量は上がっている ・高電圧用の電源を用意できれば大電流が望める

まとめ 最大ビーム電流量：7.0 mA Nier型イオン源の約140倍 小型化 永久磁石を用いることで 　　永久磁石を用いることで 　　内径55 mmの2 inchダクトに取り付け可能 目的を十分に満たしたイオン源を製作できた

目次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

・生成されるイオンのエネルギー幅が小さい プラズマ生成室 電極間 ガス導入口 永久磁石 ・生成されるイオンのエネルギー幅が小さい

マイクロ波放電型イオン源の概要 イオン生成 特徴 イオンの生成 マイクロ波により電子を加速 加速された電子と原子が衝突 フィラメント不要 　特徴 フィラメント不要 マイクロ波によって加速された電子が原子と衝突することで、原子は電離しイオンになる。これを引き出すことでイオンビームを生成する。 マイクロ波放電型イオン源の特徴は電子の供給の際、フィラメントが不要となることである。このためイオン源の連続運転時間が長くなり、またフィラメントを燃やす原因となる酸素のような活性ガスの使用が可能となる。 ・長時間の連続運転可能 ・酸素のような活性ガスの使用可能