RIKEN duoplasmatron ion source: The operating principles compared with ECRIS, and the direction for future

Abstract

In order to identify the operating principles and to determine the future direction of the RIKEN (Institute of Physical and Chemical Research) Duoplasmatron Ion Source (DPIS), the experimentally observed data were rationally analyzed. The analyzed subjects are the linear scaling of extracted ion beam current with respect to the gas discharge current, and the solenoidal magnetic field dependence of ion beam current curve which depicts a peak at a specific field strength. The following principles have been found: (1) formation of a Double Layer (DL) at the entrance of the Intermediate Electrode (IE); (2) establishment of the Sheath Stability Criterion (SSC) across the DL; (3) acceleration and focusing of an electron beam by a potential jump of DL; (4) free fall ions determining the size of the ion beam current; and (5) ion beam transport governed by the composite brightness. The obtained results are a correct scaling law of the extracted ion beam current, and an expression to predict the optimal field to maximize the composite brightness or the extracted ion beam current, and an advanced model for a future of DPIS.

RIKEN(理化学研究所)デュオプラズマトロンイオン源(DPIS)の動作原理を同定し、その将来の方向を決定するため、実験的に観測したデータを合理的に解析した。解析した主題は、気体放電電流に関して取出したイオンビーム電流の線形スケーリングと、特定磁場強度でピークを描くイオンビーム電流曲線のソレノイド磁場依存性である。次のような原理を見いだした。(1)中間電極の入口での2重層(DL)の形成、(2)DLでのシース安定判別(SSC)の確立、(3)DLのポテンシャルジャンプによる電子ビームの加速および集束、(4)イオンビーム電流の寸法を決定する自由落下イオン、および(5)複合輝度に支配されるイオンビーム輸送。得られた結果は、取出したイオンビーム電流の正確なスケール則と、複合輝度あるいは取出したイオンビーム電流を最大にするために最適磁場を予測する表示式と、将来のDPISのための先進的モデルである。