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

Performance Study of High Current Photo-Cathode RF-Gun
with New Laser System
T. Kobayashi, Y. Katsumura, Y. Muroya, J. Sugahara, T. Ueda, M. Uesakam,T. Watanabe,K. Yoshii,
K. Nakajima*, X. Zhu*, M. Kando**
Nuclear Engineering Research Laboratory, Graduated School of Engineering, University of Tokyo,2-22 Shirakata-Shirane, Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1106, JAPAN*High Energy Accelerator Research Organization, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801, JAPAN**Advanced Photo Research Center, Kansai Research Establishment ,Japan Atomic Energy Research Institute, Umemidai, Kizu, Souraku, Kyoto, 619-0215, JAPANAbstract
For sub-picosecond pulse radiolysis project, a new laser system instead of the 10 ps YLF laser was installed to the linac of the University of Tokyo. The new laser system with Ti:Sapphire oscillator (795 nm) generates 300 ps pulses of0.3 TW at 10 Hz. The laser is splitted into two beams; the one is compressed to 100 fs and used for the probe pulse, theother is used to drive the RF-Gun. The gun is driven by the third harmonics (265 nm, ~200 µJ). Moreover, a new 15
MW klystron was installed for the linac RF system. The RF power is divided to the gun and the accelerating section.
Finally the time jitter between the electron beam (pump) and the probe laser is designed to be 320 fs (rms). By using thenew drive laser system, the charge of 7nC per bunch was observed at the exit of the gun. Improvement of the vacuum inthe gun (<10 -9 Torr) is most effective to obtain the high charge beam. After the two and half years operation of the gun,no degradation has been found for the Cu photo-cathode.

新レーザーシステムにおけるフォトカソードＲＦ電子銃の性能評価
１． はじめに
東京大学大学院工学系研究科付属原子力工学施設
では、BNL、住友重工及び高エネルギー加速器研究機構との共同開発により、 1997年、国内で初めてフォトカソード RF電子銃を Sバンドツインライナックの一方（ 18L）に組み込んだ[1]。YLFレーザーを RF電子銃の駆動用として用い、基本的な性能評価が行われて、 1πmm⋅mrad程の低エミッタンスビームが得られている [4]。またパルス圧縮により 240fs の電子ビームパルスの生成に成功した[2,3]。
当施設では、昨年、サブピコ秒パルスラジオリシス計画のため [5]、新たなフェムト秒 T ３ レーザーシステムを導入し、完成させた。また、システム全体の同期精度向上のため、新 15MWクライストロンを導入した。RF電子銃の真空設備も向上されている。
これら新システムにおいて、フォトカソード電子銃の性能評価を改めて行った。その結果かなり大きな電荷量（量子効率）のビームが得られた。それら詳細について報告する。以前の基本的な性能については、Reference[1-4]を参照。
２．システム２.１

フォトカソードRF電子銃

図１にフォトカソードＲＦ電子銃のシステムを示す。これらは、銅のフォトカソード、 1.6セルＲＦ空洞、エミッタンス補償のためのソレノイドマグネッ
ト、そしてビーム診断システム（ファラデーカップ及びビームプロファイラー）から成る。新たにゲッターポンプを追加したことにより、真空度が向上している (<10 -9 Torr)。レーザービームは68°の角度でカソードに照射される。

図１：フォトカソードRF電子銃システム

２.２

新フェムト秒 T3 レーザーシステム

図２は、サブピコ秒パルスラジオリシス実験のための新レーザーシステムを含め、１８Ｌライナックシステム全体を示す。このレーザーシステムは、Ti:Saオシレータ(795 nm)、ストレッチャー、再生増幅器、パルスセレクタ (10Hz)、マルチパス増幅器からなる。ライナックの RFに同期して、 10Hzで300psのパスルレーザーを出力する。レーザーパルスはライナックまで伝送され、RF電子銃の手前で２つに分けられ、それぞれ 100fs(0.15TW)に圧縮される。一方はパルスラジオリシス実験のプローブ光として使用され、もう一方の３倍高調波(265nm, ~200µJ/pulse)がRF電子銃のフォトカソードに照射される。３倍高調−144−

F電子銃のフォトカソードに照射される。３倍高調波のパルス長は、3psから10psの間で可変である。

、最大 QEが1.6×10-4である。レーザー強度を高くしていくと QEの低下（サチュレーション）が見られる。入力ＲＦパワー（電界強度）はそれほど大きくないにもかかわらず、銅カソードにしてはかなり高いQEが得られた。ゲッターポンプ追加後、真空度が良くなってからQEの向上が見られたので、真空度がQEに大きく影響していると考えられる。
また図から、カソード面におけるレーザー径が小さほど得られる電荷量(QE)が高い。

図２: サブピコ秒パルスラジオリシスのための18Lライナックおよび新レーザーシステム

２−３

新15MWクライストロン

従来は, ２つの7MWクライストロンをそれぞれ、RF 電 子 銃 用 と 加 速 管 用 と に 使 用 し て い た 。 今 回
15MWクライストロンを導入し、RF出力を２つに分配することで、システムの同期精度を向上させた。
さらに、RFアンプには、位相補償回路を持った半導体増幅器を使い位相安定性も向上させた。
最終的にこれらの新システムの下では、電子とレーザーパルスの同期精度は、設計上 320fs(rms)になると期待される。

図３: 電荷量とバンチ長vs. 位相

３．フォトカソードＲＦガンの性能評価
３.１ 電荷量測定
RF電子銃の出口（FC1、図１参照）において、電荷量とバンチ長を、それぞれファラデーカップ、蛍光スクリーンによって測定した。スクリーンの発光をストリークカメラで測定しバンチ長とした。測定条件は以下の通りである。駆動レーザーのパルス長
3〜4ps、カソード面でのレーザー径 3mm, 入力ＲＦ
パワー 5.2MW（電界強度： 85MV/m）、ソレノイド
磁場1.3kガウスである。図３に測定結果を示す。図は、レーザーの入射位相を横軸に、電荷量（上）とパルス長（下）をプロットしたものである。最大6nC以上の大電荷量が測定されている。ただし、ライナック出口では 2nC以下で、加速管における電荷量の透過率は低い。 図から、大電荷量では、ピーク位相が10°程ずれている現象が見られる。
バンチ長は 7ps〜30psである。短いバンチの測定は、スクリーン（デマルケスト）の発光特性により10ps程度が限度である。電荷量が大きいほうがバンチ長が伸びていることから、明らかに空間電荷効果が現れてると考えられる。
３.２

図４： 量子効率（異なるレーザ径に対するQEの変化）

図５：ショットキー効果

量子効率 (QE)

図４は、照射レーザー強度に対する電荷量 (FC1)の変化を測定した結果である。またカソード面でのレーザー径を変えて測定した。レーザー強度250µJ/pulseにおいて、 7nCもの高い電荷量が得られた。量子効率(QE)にして1.4×10-4である。プロットの傾きから、最大 QEが1.6×10-4 である。レーザー強度

３.３

ショットキー効果

入力ＲＦパワー（電界強度）を変え、電荷量を測定した。図５に示すように、縦軸・横軸をそれぞれ電荷量・電場の平方根でプロットすると直線になり、ショットキー効果が見られる。

３.４

電子・レーザーパルスの同期性能

ライナック出口において、電子・レーザーパルスの同期精度を評価するため、ストリークカメラを用いて、電子ビームとレーザパルスの時間間隔を測定した。電子ビームはシケインによりサブピコ秒に圧縮されている。図６に、 200回ほど測定した結果をに示す。上が各データで下がヒストグラムである。
この結果、時間ジッター（標準偏差）は 1.9psとなる。図６（上）から分かるように、この時間ジッターの値は長時間のゆっくりとした変化によるところが大きい。この変化は、加速管の温度ドリフトによると考えられる。この温度の揺らぎを抑えることによって、時間ジッターは300fs程度になると期待される。現在、加速管の冷却系を改変し温度揺らぎを0.01℃以下にすることができた。再度時間ジッターを評価する予定である。

＝1.4×10-4）もの大電荷量ビームが得られた。真空システムを強化することで量子効率に向上がみられ、高い電荷量を得られることが分かった。２年半以上の運転において、銅カソードに劣化は見られず、その耐久性が実証された。ただし、表面を見たところ数多くの小さな穴がある。しかし今のところ問題は起きていない。現在、今回の測定結果に対してPALMERAを用いたシミュレーションを行っている。

図７：フォトカソード表面

図６：電子・レーザーパルス間の時間ジッター

４．フォトカソード表面
図７は、マイクロスコープCCDカメラ*を用いて、レーザー入射口から覗き見たカソード表面の映像である。表面全体にいくつもの穴があるのが分かる。
穴の大きさは、大ざっぱに見積もって 0.10~0.25mm程である。この窪みはレーザーによるものではなく放出電子が逆方句に加速されて表面を叩くバックボンバードによるものと考えられる。しかし詳細は、取り出して調べる必要がある。これだけ多くの穴があっても、今のところ特に問題なく性能が出ている。図８に、幾度か測定した F-Nプロットを示す。
エンハンスメント係数 βは80~100でそれほど悪い値ではない。典型的な値の範囲である。
５．まとめ
サブピコ秒パルスラジオリシス計画のため、 18L
ライナックに新たに導入したフェムト秒 T3レーザーシステム用い、改めてフォトカソードＲＦガンの性能評価を行った。その結果、銅カソードで 7nC（QE*KEYENCE VH-7000

図８： Fowler-Nordheimプロット

REFERENCES[1] F. Sakai, et al., Proc. of 23rd Linear Accelerator Meeting inJapan, p.43, 1998
[2] M. Uesaka, et. al., Proc. of EPAC98, p.776, 1998.
[3] M. Uesaka, et. al., Proc. of AAC‘98, p.908, 1999.
[4] M. Kand, et atl., Proc. of 24th Linear Accelerator Meetingin Japan, p.128, 1999
[5]
[6]
[7]
[8]

Y. Muroya, et al., Proc. of PAC99, p.2602, 1999
D, T. Palmer, et al., Proc. of PAC95, p.982, 1995
W. Schottky, Z. Phys. 14, p.63, 1923
J. W. Wang, G. A. Loew, Proc. of the Joint US-CERNJapan International Acc. School, 1996