2023 Fiscal Year Annual Research Report

Production of cold ion plasma for studying dynamics of high quality beams

Research Project

Project/Area Number	21H03737
Research Institution	Hiroshima University
Principal Investigator	伊藤清一広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 助教 (70335719)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	荷電粒子ビーム / イオンプラズマ / 空間電荷効果 / バッファガス冷却
Outline of Annual Research Achievements	本課題の目的は，イオントラップに捕捉したイオンプラズマを低温のヘリウムガスで冷却することで集団振動が発現するのに十分な状態にし，これを用いて集団振動が加速器ビームの安定性に与える影響を実験的に調査することである．これまでに真空系，クライオスタット，クライオスタットによる冷却可能なイオントラップの製作・組み立てを行ない，ベース真空度は10の-8乗Pa台に達すること，ヘリウムガス冷却用の熱交換器を4.8Kから300Kの範囲で制御できること，イオントラップの温度を90Kから300Kの範囲で制御できることを確認しており，いずれも本課題で目標とした性能を十分に満たしている．本年度はこの装置を用いて実際にイオンプラズマの捕捉・冷却実験を行い以下の結果を得た． 1) Heガスを導入しない状態でのプラズマ閉じ込め時間は約5秒である． 2) 室温のヘリウムガスを導入すると，閉じ込め時間は2.7倍に増加した．これはヘリウムガスによりイオンプラズマが冷却されたことを示している． 3) 10 Kのヘリウムガスを導入すると，閉じ込め時間は18倍に増加し冷却したヘリウムガスを用いた方がイオンプラズマの冷却効果が大きいことを確認した．このように当初の目論見通り，低温のヘリウムガスを用いることでイオンプラズマをより低温に冷却できることが確かめられた．ただし，実験開始当初にイオントラップに捕捉できたイオン数は1万個程度と従来使用していたイオントラップに比べ3桁程度少なく，十分な強さの空間電荷効果を得ることはできていなかった．これを改善すべく試行錯誤を行い，本年度末にようやく従来のイオントラップと同程度のイオンの捕捉に成功した．今後はこの装置を用いて課題期間内に調べることができなかった集団振動が加速器ビームの安定性に与える影響の実験的な調査を継続する予定である．
Research Progress Status	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。