2020 Fiscal Year Research-status Report
稀少不安定原子核反応研究のための静止不安定核標的の開発
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20K20526
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
若杉 昌徳 京都大学, 化学研究所, 教授 (70250107)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小川原 亮 京都大学, 化学研究所, 助教 (00807729)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | イオントラップ / 標的 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、稀少なRIを有効に利用するためのビームリサイクル技術を搭載した重イオン蓄積リングを用いた不安定核（RI）同士の核反応研究の実現を目指して、蓄積リングに挿入する不安定核内部標的（RIIT: RI Internal Target）を開発することを目的としている。本研究で鍵となるのは、高密度で不安定核イオンをトラップする技術である。不安定原子核は生成量が少なくこれまで核反応等の標的として利用することができなかった。しかし限られた領域に高密度で集中させることにより、反応研究に利用できるほどの厚さの標的とすることで、新しい核反応研究領域を開拓する。不安定核を標的開発のためのベースとなる技術としてEBIT（電子ビームイオントラップ）を採用している。数十keVの大電流電子ビームを用いて、その優れた多価化能力と、イオンをトラップするに十分な閉じ込めポテンシャル生成能力を利用することで、多価イオン状態でRIを凝縮する。
令和２年度は、その標的装置のプロトタイプとなるEBIT原理を用いた、イオントラップ装置を製作した。ソレノイド磁場の環境下でイオンをトラップするための大強度連続電子ビームを安定して供給するための要素である電子銃、真空チェンバー、真空内構造物、およびビームモニター装置等を製作し、イオントラップポテンシャルを与える電極システムを実装した。これによりイオントラップ試験を実施し、残留ガスをイオン化してトラップすることに成功している。本システムを用いて得られた電子ビーム電流は20mAで、トラップしたイオン数は約10^8個と推定された。またトラップイオンを取り出し、価数分布等を評価するための偏向電磁石を用いた分析ビームラインを構築し、その価数分布も測定し、尚且つ単一価数の特定イオンのみを取り出す仕組みを付加することにより、トラップイオン量等を評価した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和２年度は、本研究を実施するための装置の設計および基幹部分の製作と実装、およびその試験実験を実施した。標的装置のプロトタイプとなるEBIT原理を用いたイオントラップ装置であり、まずソレノイド磁場の環境下で電子ビームを、そのサイズを1mmφ以下に維持したまま輸送する光学系の設計、および消費電力削減のため大電流を回収するコレクタの設計を行い、この電子ビームシステムの要素である電子銃、真空チェンバー、真空内構造物、およびビームモニター装置等を製作した。ソレノイド磁場中において、イオンをトラップするポテンシャルを与えるための電極システムを実装した。本システムを用いて得られた電子ビーム電流は20mAで、真空状態の向上とともに電流値と引き出し電圧は向上することが見込まれる。目標電子ビーム設定値は50keV-100mAである。
今年度の段階では、トラップするイオンとして残留ガス、特にC^q+、N^q+を対象とした。これによりイオントラップ試験を実施し、それらのイオンをトラップすることに成功している。トラップしたイオン数は約10^8個と推定された。またトラップイオンを取り出し、価数分布等を評価するための偏向電磁石を用いた分析ビームラインを構築し、その価数分布も測定し、尚且つ単一価数の特定イオンのみを取り出す仕組みを付加することにより、トラップイオン量等を評価した。
初年度において本装置の骨格が形成され、予想通りのイオントラップ状態を作り出すことができたことは、自己評価としてはA以上と考えている。よって概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度におおては、装置評価をより詳細に実施する。まず、電子ビーム出力の向上を目指した調整を行い、50keV-100mAを達成する。続いて初年度に製作したイオントラップ装置に加えて、外部イオン入射システムを構築する。初年度は残留ガスイオンについての実験および評価を行なってきたが、実際の不安定核イオントラップの想定では、1価のRIイオンを入射しトラップすることになるので、外部イオン入射システムが必要である。2021年度は外部イオン源の設計、製作、10keVに加速器した1価の入射イオンビーム輸送系の設計製作が主となる。それに伴ってビームモニターシステム、入射と取り出しの分離装置、またそれらの制御装置などの製作を予定している。
ここで、内部標的の実現可能性のために評価すべきは入射イオンのトラップ効率、トラップ寿命、イオン密度分布、価数分布とその時間変化など、大電流電子ビームでのイオンの挙動についての詳細なデータを取得することである。外部イオン源としては、23Naまたは40Ar（希ガス）イオン源を予定している。また、初年度での測定に用いた残留ガスは外部入射イオンにとってはバックグラウンドとなることが予想されるので、真空度を向上させ（10^-9Pa程度）これを除去して標的としての純度の向上と必要な標的厚を確保することが大きな狙いとなる。これらの研究を2021年度は論文として報告することが目標の一つである。
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