Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-13]

HIGH POWER TEST OF THE SPring-8 PHOTOCATHODE RF GUNT. Taniuchi*), T. Asaka, H. Hanaki, T. Hori, T. Kobayashi, A. Mizuno, S. Suzuki and K. Yanagida
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)
Kouto 1-1-1, Mikazuki, Sayo-gun, Hyogo 679-5198, JAPANAbstract
RF cavities for photocathode RF gun were built and tested by using high power RF up to 27MW. The electricfield gradient on the cathode reached 140MW/m. During the RF conditioning, dark currents were measured for cavities
with different surface treatments. A laser pulse was irradiated on a copper cathode and the photo-emitted beam wasaccelerated up to 3.2MeV. An effective quantum efficiency of the cathode was obtained by changing laser power and field
gradient.

SPring-8におけるフォトカソードＲＦ電子銃の大電力試験
１ ． は じ め に 1)
SPring-8では線型加速器における短バンチ、低エミッタンスビームの生成、利用を目的としてフォトカソードＲＦ電子銃の開発を進めている。これまでに高電界発生とビーム特性評価のためのシングルセル空胴の製作、ビーム加速試験装置の設置を完了し、1999年2月にファーストビームの加速を行った[1]。その後、クライストロンの出力調整を行いながらＲＦエージングを進め、４台の空胴について暗電流の評価を行った。またこれと並行してシミュレーションコードの開発[2]を行い、実験データとの比較によりその信頼性を確認した上で、実機設計に利用していく予定である。に利用されている。さらにこの空胴は入力ＲＦ電力の一部を外部へ取り出して空胴Ｑ値を下げることにより、パルス幅の短かいＲＦでの励振を可能にするとともにビームローディングの影響が小さくなることから、高電界発生に有利な構造となっている。図１に試験空胴を、表１に主なパラメータを示す。

２．試験空胴試験空胴はカソード面において100MV/mを越える高電界の発生、暗電流の低減を目的として空胴内表面処理の異なる３空胴及び高量子効率を目的とした単結晶カソード空胴の計４台を制作した。
表面処理としては通常処理、超純水洗浄、TiNコーティングおよび超純水洗浄の３種類である。高圧
超純水洗浄が暗電流の低減に有効であることはすでに報告されてる[3]が、本空胴は半導体洗浄などで使用されてる流水による洗浄を施した。一方、TiNコーティングはTiの２次電子放出係数が１以下であることから２次電子の発生による暗電流増加を抑える効果があり、ＲＦ窓やＲＦカプラーなど
1) *)T. Taniuchi, 0791-58-0851, taniuchi@spring8.or.jp−165−

図１ 試験空胴2856
1282013000
368427861414
0.31
1.16
1.0924

繰り返し10ppsで真空度が10-4Paを越えないように行った。図３は導波管に取り付けられた方向性結合器によりモニタしたＲＦパルス波形である。空胴上流にサーキュレータを設置していないため、空胴からの反射波の影響が波形の立ち上がり（下がり）部分に見られる。本空胴では空胴からの出力波をモニタできるので、そこから空胴内の電界強度を得ることができる。
20RF Power [MW]表１ 試験空胴のパラメータ
Frequency
MHz
Number of cells
Accelerating gapmm
Bore diameter at cavity exitmmIntrinsic Q value
External Q value for input port
External Q value for output port
Loaded Q value
Filling timeµs
Shunt impedanceMΩEmax / EcathodeLaser injection angle
deg

105

３．大電力試験装置
本試験装置は線型加速器棟に併設されたマシン実験棟に設置されており、35MWクライストロン（PV-3035）をＲＦ源としている。図２に本試験で用いた大電力ＲＦ伝送系の概略を示す。

Pf
DC3Pr
DC2Pr

Pf

Pf

Pf
3dB

DC4

RF GunCavity

DC5

図２ 大電力ＲＦ伝送系
クライストロンから出力されたマイクロ波は電力分配器により試験空胴とダミーロードへ分配される。電力分配器はＴ分岐、移相器および3dB方向性結合器から構成されており、任意の分岐比でマイクロ波を分配することができる。このシステム
により、空胴にマイクロ波を投入せずにクライストロンＲＦ出力試験が可能となった。空胴と3dB 方向性結合器の間にはＲＦ窓が取り付けられており、独立した真空系となっている。空胴側の真空度は、導波管に取り付けられた排気速度100 l/sのイオンポンプ１台により10-6Pa程度に維持されている。

0.0 100

1.0 10-6

1.5 10-6

Time [µ sec]

４．暗電流測定
ＲＦエージングを進めながら、空胴直下流に取り付けられたファラデイカップにより暗電流の測定を行った。図４ａに、超純水洗浄を行った空胴におけるエージングに伴う暗電流の変化を示す。
約６時間のＲＦエージングでカソード面電界で100MV/mに達しているが、さらにエージングを続け18時間後に140MV/mに達すると、暗電流量は約１桁小さくなった。また、図４ｂに示すような
Fowler-Nordheimプロットを行うとエージング後のβ(field enhancement factor) が小さくなっており、空胴表面の平滑化が進んでいることが示唆される。

10-26時間後-31010-4

18時間後
10-510-660

３．ＲＦエージング
空胴のＲＦエージングは、ＲＦパルス幅1µsec、5.0 10-7

図３ ＲＦ波形の例

[A]

DC1Pf

0

ピーク電流

KLY

DC2-Pf
DC4-Pf
DC4-Pr
DC5-Pf

1580

100120140

カソード面最大電界 [MV/m]

図４ａ ＲＦエージングによる暗電流の減少

カソードの量子効率については図６に示すように124MV/mで最大3.7×10-5 を得ているが、他所のデータと比較すると若干低いようである。今後真空ポンプを増強するとともに、長時間のレーザー照射による効率改善が見られるかどうかを確認したい。

I/E2.5 [A･(m/V)2.5 ]

10-22

10-23

6時間後
β = 113

10-24

18時間後
β = 75
10-25

0.8
0.7

8.0 10 -9

1.0 10 -8

1.2 10 -81.4 10 -8

1.6 10 -8

1/E [m/V]

図４ｂ F-Nプロット
図５に示すように、４種類の空胴について暗電流を比較すると、超純水洗浄を行った空胴が最も小さかった。TiNコーティングは暗電流の低減に効果が無かったことから、この空胴において２次電子発生による暗電流増大は起こっていないと推定される。またF-Nプロットから得られるβが他の空胴より大きいことから、TiNコーティングにより表面の平滑度が悪化し、暗電流が大きくなっ ていると思われる。

I/E2.5 [A(m/V)2.5 ]10-22
Normal ( β=72)
Single crystal cathode (β=68)
Pure water rinsed (β=76)
TiN coating (β=91)10-2390MV/m, Q.E.= 2.4 x 10-5-5124MV/m, Q.E.= 3.7 x 100.6

1.8 10 -8Charge [nC]

10-26
6.0 10 -90.50.40.30.20.10.0020406080100

Laser Energy [µ J ]図６ 電界強度と量子効率６．今後の予定
現在のレーザーは出力が不安定であるために測定値のエラーが大きく、エミッタンスの正確な測定が困難である。今後、高安定レーザーを導入して詳細な測定を行うとともに、開発したシミュレーションコードや試験空胴での経験をもとに、実機システムの設計を行っていく予定である。
参考文献

10-24[1] T. Taniuchi et al., Proc. of the 1999 Part. Acc. Conf.
2015 (1999).
[2] A. Mizuno et al., Proc. of the 24th Linac Meeting in

10-25

8.0 10-9

1.0 10-81.2 10-8

1.4 10-81/E [m/V]

図５F-Nプロットによる４空胴の暗電流比 較Japan 125 (1999).
[3] H. Akiyama et al., Proc. of the 20th Linac Meeting inJapan 170 (1995).
[4] A. Mizuno et al., Proc. of this meeting.

５．ビーム測定
ビーム測定ではカソード表面電界90MV/mにおいてエミッタンスの測定を行い、最小エミッタンス約15πmmmradを得ている。これはシミュレーション結果とほぼ一致しており[4]、現在達成している
カソード面電界140MVmではさらにエミッタンスは小さくなることがシミュレーション結果で得られている。一方、実験とシミュレーションを比較する上で、レーザーの安定度の改善や、実際のレーザープロファイル形状の測定など進めて精度を上げる必要がある。