レーザー結合ECRプラズマを用いた小型高輝度金属イオン源の開発

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ECRイオン源は、その安定性、ビーム強度の強さから加速器用イオン源、多価イオン衝突実験などに幅広く利用されている。しかし生成イオンはガス試料からの導入が基本であり、固体試料からのイオン生成が大きな問題点となっている。本研究では、固体試料から安定的にイオンを生成するために、レーザーアブレーションを利用してECRプラズマ中に固体試料元素を外部導入する方式の開発を行った。大電流金属イオン源として、またECRイオン源がイオン化効率の高いことを利用して固体試料の微量元素分析装置として応用出来る。本研究では、まずレーザーアブレーション試験装置の開発を行った。使用したNd:YAGレーザーはパルス幅8ns、波長λ=1064nmで50mJのエネルギーを持つ。標的上での最大レーザー照射強度は、λ=1064nmで1.4×10^9W/cm^2となる。標的として3mm厚のCu板を用いた実験では、ドリフト距離500mmの位置で、-400Vの電子サプレッサーを備えた内径10mmのファラデーカップにより0.12mAのビーム電流値が得られた。ビーム電流パルスはレーザー照射後13μsでピークを持つ、これは速度として3.8×10^4m/sとなり、エネルギーで約470eVとなる。加速電圧2kVでは、ビーム電流値が0.51mAとなった。小型レーザーイオン源でも大強度のイオンビームを生成出来ることを実証した。またレーザーアブレーションによる中性粒子の生成効率を、分析電磁石によりイオンと中性粒子を振り分けて調べた。本研究に用いた小型2.45GHz-ECRイオン源は、RF導入部を径方向入力としている。ECRプラズマ閉じ込めを永久磁石で行っており、小型軽量化が図られている。レーザーアブレーションにより抽出した粒子は軸方向からECRプラズマ内に導入される。ECRプラズマによるレーザーアブレーション抽出粒子の捕獲効率を測定した。実験結果から小型高輝度金属イオン源の実用化に対する目処が得られた。この研究成果を元に、レーザー生成粒子を既存の超伝導14.5GHz-ECRイオン源のECRプラズマ中にトラップさせる実用的装置の開発段階に進んでいる。