Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13A-06]

STUDY OF HIGH-BRIGHT NEEDLE PHOTOCATHODE FOR FELT. Inoue*), S. Miyamoto, H. Higashiuchi, M. Yatsuzuka A), and T. Mochizuki
Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry (LASTI)
Koto 3-1-2, Kamigori-cho, Ako-gun, 678-1205 JAPANA)

Himeji Institute of Technology (HIT) Facility of Electric Engineering
Shosha 2167, Himeji-shi, Hyogo, 671-2201 JAPAN

Abstract
In order to increase FEL power, we study to intensify electron beams using tungsten needle photocathodesthat have high electric field (>1 GV/m). It is expected that photoelectrons will be mainly emitted from tip of needle,
because quantum efficiency (QE) of tip is increased by such high electric field. QE was measured with different 2 pulse
laser; Nd:YAG laser at 355 nm, and Nd:YLF laser at 351 nm which intensity was 825 MW/cm2. For Nd:YAG QE
exceeded 10 % at about 2.6 GV/m, and for Nd:YLF current density amounted to 24 MA/cm2. And the optimum
conditions to use these needle cathodes in lineac LEENA could be found by consideration dependence of QE on field in
RF-GUN cavity, the properties of acceleration of electron beams, and thermal limitation on tip of needle.

自由電子レーザー用高輝度ニードル光陰極に関する研究
1.

はじめに用いた遠赤外 FEL の研究を行っている。本研究で自由電子レーザー（FEL）は遠赤外領域においては、LEENA における FEL の高出力化を目的として、唯一の波長可変光源であり、現在、遠赤外 FEL を高輝度ニードル光陰極の研究を行っている。

用いた利用研究が考えられている；半導体工業では半導体中の不純物準位の測定、バイオメディカルで

2.

研究目的

は原子・分子の選択的振動励起を利用した治療方法

LEENA は光陰極から放出される電子ビームを 4の開拓、産業応用では分子励起を利用した新素材の15MeV の範囲で加速し、波長 10開発。上記のような利用研究を目的として、姫路工

外 FEL を 100kW

大高度研では図１に示す電子線形加速器 LEENA をきる。しかし現時点では、65100μm の遠赤10MW のピークパワーで発生で75μm の遠赤外 FELの発振が確認されたが、そのピークパワーとしては1mW 以下であった。FEL の高出力化には、電流を上げるとともに、ビーム品質を向上し、FEL ゲインを上昇させることが必要である。電界集中の大きい、タングステンニードルカソードを用いて、電子ビームの高輝度化と大電流化を図る研究を行っている。
ピーク電流を増加させるためには、先端の量子効率を増加させる必要がある。高電界ではショットキー効果によってポテンシャル障壁が低下し、量子効率が増加すると予想される[1]。そこで GV/m 程度
図１*)

電子線形加速器 LEENA の全体図の高電界強度における量子効率の電界強度依存性

T. Inoue, 0791-58-0249, inoue@lasti.himeji-tech.ac.jpを測定した。またニードルカソードを実際の加速器−74−に用いる場合に問題となる可能性のある、電子ビーのフィッティングから求めた先端半径は、SEM 写

ムの加速特性およびニードル先端の熱解析を行い、真から求めた目視で推定した先端半径と比較するニードルカソードおよびレーザー照射位相の動作と、ファクター2 以下で一致している。

条件を求めた。

ニードル先端の量子効率の電界強度依存性

3.3
量子効率の電界強度依存性の測定

3.

印加電圧を増加させた場合に、ニードル先端から量子効率は照射光子数に対する放出電子数と定の光放出電流が急増した。F-N 理論から求めた先端義され、両者を正確に測定する必要がある。次のよ半径を用いて先端の電界強度を推定すると、ニードうな方法で両者の評価を行った。

ル先端の量子効率が電界強度依存性、電界強度の 4（図３参照）。
5 乗程度に比例することが分かった

3.1

実験装置と電流測定方法

Nd:YAG レーザーを照射した場合、電界強度が約-9電子放出を安定させるために 10 Torr 以下の超高2.6GV/m で量子効率が 10%を超えた。また Nd:YLF

真空を維持した真空チャンバー内に、ニードルカソレーザーを照射した場合、ニードル先端における電ード（図２参照）等の電極を配置し、アノードとカ10 0

Nd:YAG

ソードとの間（間隔 1.5mm）に 3kV 以下の DC 電圧

λ=355 nm
I L=22.6 kW/cm2を可変的に印加する。ニードルカソードの正面から、
Quantum efficiency

各種パルスレーザー（Nd:YAG (355nm)よび Nd:YLF(351nm)）を照射し、電界放出電流および光電界放出電流をピコアンメータで時間平均計測する。

Nd:YLF
λ=351 nm
I L=825 MW/cm2

10 -1
Space charge
limit for Nd:YLF

10 -2

η∝E51μmη∝E410 -32

図３34
Field on tip [GV/m]
量子効率の電界強度依存性

流密度は 24MA/cm2 に達した。
図２
3.2

ニードルカソード先端の SEM 写真

F-N 理論を用いた電子放出領域の評価

LEENA における

4.

電界放出電流は電界が集中するニードル先端かニードルカソードの動作条件ら放出されると考えられ、Fowler-Nordhiem 理論をニードルカソードを LEENA の電子源としてに用用いて先端半径（電子放出領域）を評価した[2-3]。

いる場合に、RF による各パラメータの時間変化をF-N 理論にる電界放出電流の理論式は次式のよう考慮する必要があり、次のように LEENA におけるに示されている。

ニードルカソードの動作条件を評価する。

8π 2me φ 1.5
e 3E 2j=v(y)exp 3heE
8π hφs(y) 2(1)4.1

電子ビームの加速特性

ニードル先端および加速管内でには 2856 MHz

e は電子電荷、E は電界強度、h はプランク定数、φの RF が定在しており、量子効率の時間変化およは仕事関数、me は電子質量、t(y)および v(y)は y のび電子ビームの加速特性を考慮して、モードロッ

31/2関数である、ただし y=[e E/4πε0] /φ。F-N 理論

20Emax=40 MV/m
Peak intensity
360 MW/cm215μ m

Peak current [A]相（initial phase）に対する、電子ビームのピーク電12.5μ m15によって、ニードルカソードおよびレーザー照射位

10μ m

17.5μ m流・エネルギー拡がり・パルス幅の依存性を評価した。図４に各電子ビームパラメータの特性を示す。

7.5μm

10

ここでの動作条件は、initial phase は 0
端半径は 12.5μm 以下となる。
20μ m

54.2

ニードル先端の熱問題

レーザー加熱およびジュール加熱によって、ニーr0=5μ m

ドル先端温度が変化することが予想される。これは00204060
Initial phase [deg](a)180100ら、先端半径が 10μm 以下では先端温度上昇度が20μ m
17.5μm

数百度に達する。
5.

10 μm

12.5μ mニードルカソードを用いる上で本質的な問題であり、ニードル先端半径の下限を決める。計算結果か

ピーク電流15μ m
Energy spread [%]30 deg、先まとめ
姫路工大高度研では、遠赤外自由電子レーザー用の高出力化を目指して、高輝度ニードル光陰極の研0.1究を行っている。

7.5μ mEmax=40 MV/m
Peak intensity
360 MW/cm2

r0=5μ m

数 GV/m 程度の高電界領域において、量子効率が電界強度の 45 乗に比例する。Nd:YAG（355nm）を照射した場合、2.6GV/m 程度で量子効率が 10%を超えた。ピーク強度 825MW/cm2 の Nd:YLF（351nm）

0.01を照射した場合、ニードル先端での電流密度が51015202530
Initial phase [deg]4024MA/cm2 に達した。
ニードルカソードを線形電子加速器 LEENA の電エネルギー拡がり(b)10335子源として用いる場合の動作条件を求めた。ここでは数値計算によって、RF 加速特性およびニードル

Pulse width [ps]先端の熱問題を考慮した。ニードル先端半径として

Emax=40 MV/m
Peak intensity
360 MW/cm2102

は 1012.5μm、また initial phase は 030deg と求められた。
1020μ m17.5 μm
15μ m
12.5μ m
10μ m

1

参考文献
[1] M. Boussoukaya, et al., “High Quantum Yield from
Photofield Emitters”. Nuclear Instrum. Methods A279,

7.5μm
r0=5μm0.1020[2] C. A. Spindt, et al., “Physical Properties of thin-film field

4060
Initial phase [deg]80100emission cathodes with molybdenum cones”. J. Appl.
Phys. 47, 5248 (1976).

パルス幅[3] R. D. Young, “Theoretical Total-Energy Distribution of

電子ビームパラメータの RF 加速特性

Field-Emitted Electrons”. Phys. Rev. 113, 110 (1959).

(c)
図４405 (1989).

ク Nd:YLF を照射する必要がある。簡単な数値計算