電子銃の状況報告
・200kV電子銃立上げ状況
・500kV電子銃（2号機）開発の状況

高エネルギー加速器研究機構
山本将博

AR南実験室への200kV電子銃(NPES-3)の搬入
搬送後のリークチェックではリーク箇所は特に無し。

AR南実験室へのピコ秒レーザーシステムの搬入
800nm帯で出力~900mW
81.25MHzモードロック発振電子銃、活性化系Chamberの位置出し。

活性化システムのベーキング
排気系はPFグループより借用
・到達真空度 1x10-8Pa
名古屋大で得られた真空が再現できた。

フォトカソード搬送用デシケーター

丸型Bulk結晶は割れてしまう。
（結晶ケース内で暴れたらしい）
丸型（φ23mm）の結晶については、今後1インチサイズのウェハーケースに入れて搬送。
活性化システムのテストは角型のBulk結晶を用いて今後進める予定。

電子銃から電子ビームを引出すまでの工程
・フォトカソード活性化試験
・電子銃ベーキング （約２週間）
・電子銃－活性化システム接続部ベーキング（１週間）
・電子銃高圧試験
・差動排気、ビーム移送系ベーキング（１週間）
今年中は寿命試験を行いつつビームライン（ビーム光学系、評価系）の準備。
1月頃よりビームラインへ光学系、評価系を順次インストール。

KEKにおける500kV電子銃（2号機）開発の状況
・開発の方針・進捗状況

200keV電子源の現状とERL電子源
加速電圧
電子銃真空度平均電流
Charge lifetime
カソード寿命NPES-3

ERL-Gun

200 kV
2x10-9 Pa~ 50 µA~ 20 Coulomb
120 hour> 500 kV
< 10-10 Pa> 10 mA (100 mA)> 1,000 Coulomb> 1 day

ERL電子銃実用化のために200kV電子銃（NPES-3）に加えて必要な項目
１． 極高真空（10-10Pa以下）を実現するための超低ガス放出真空容器
２．極高真空（10-10Pa以下）環境下でも高い排気能力を持つ真空ポンプ
３．高い量子効率・高パワーレーザー照射に耐えうる半導体フォトカソードの開発
４．高電圧・高電界環境下において低暗電流（<10nA）を実現する加速電極
５．新しいロードロック方式の確立（フォトカソード・リボルバー方式）

500kV電子銃（2号機）開発は以上5点を主軸に設計を進めている。

NEA表面の寿命問題
QE(t) = QE0 ・ exptτ

1111
τ = τgas+ τDC + τion
NEA表面劣化の主な要因
1. 活性分子の吸着
2. 電界放出暗電流
3. イオン衝撃（4.光吸収による加熱）
極高真空の生成と電界放出暗電流の削減が長寿命化の鍵
NEA表面寿命は装置（電子銃）の良し悪しで決まる。

NEA表面寿命
200keV-Gun（2008.Jun) 50µA, ~120時間 ⇒ ~20 Coulomb
ERL-Gun最低目標 10mA, 30時間 ⇒ ~1000 Coulomb
ERL-Gun最低目標の達成には、10-10Pa以下の極高真空の実現が必須。電子銃チャンバーに使用される各材料のガス放出量を極限まで削減が不可欠。
例えば、Chamber内表面積5m2、排気速度104L/sの場合
1x10-10Pa以下の真空を得るためにはガス放出速度を2x10-10Pa・m/s以下に抑える必要がある。
従来、真空容器に使用されるステンレス鋼（EP処理、ベーキング後）で得られるガス放出速度は10-9~10-10 Pa・m/s台。

200kV偏極電子源（NPES-3）の真空特性~80cm

名古屋200keV電子銃
排気系：850 l/s NEG, 360 l/s IP(NEGモジュール増強時~4700 l/s)

到達真空度：2x10-9Pa(NEGモジュール増強時 5.6x10-10 Pa)

真空側表面積 ~1.2m2 (うちセラミック部~0.6m2）

Chamber素材はステンレス(SUS304L、316L）でEP処理
ガス放出速度は~1x10-9Pa.m/s前後
方針１
新材料を採用して10-10Pa以下を狙う。

ステンレス鋼に代わる低放出ガス材料
H.Kurisu et. al., J.Vac.Sci.Technol. A21 L10-12¾純チタンおよびチタン合金 測定手段：流路切替法10-12以下 Pa・m/s¾BeCu
10-12以下 Pa・m/s

F.Watanabe. J.Vac.Soc.Jpn Vol.49, No6 349-356
測定手段：蓄積法＊材料の毒性が問題＊溶接が困難¾AlCu（アルミ青銅）
BeCuより低放出ガス性能＊特殊鍛造が必要¾TiNコーティング（SUS上）
10-13 Pa・m/s 以下＊コーティングの一様性など

F.Watanabe. J.Vac.Soc.Jpn Vol.49,
No6 349-356
測定手段：昇温脱離法による結果のBeCuとの比較
S.Ichimura et. al., Vacuum. 53 291-294
測定手段：流路切替法

ERL電子源用半導体フォトカソード
新たに予想される問題
100mAビーム出力に必要なレーザー
パワーは、励起レーザー波長が、800nmにて量子効率1%では約15W
532nmにて量子効率5%では約4.7W〃1%では約23.3W
結晶の光吸収長が1μm程度のため、実質ビーム生成に寄与する吸収量は1割。
Bulk結晶を含む従来型のフォトカソードの場合では、半分以上のパワーが基板で熱になる。

基板吸収~56%R~32%
活性層吸収~12%

Active layer
吸収長
基板吸収率~ 100 nm~ 1µm~ 56%

方針２．透過型フォトカソードの利用
励起光を透過する基板を用い、基板でのレーザー光吸収を無くす。
名古屋大グループ（竹田研、中西研）の協力の下、フォトカソードの評価は、立ち上げた200kV電子銃・活性化システムで順次進めてゆく。

基板吸収~0%

レーザー光吸収による発熱の影響は1/5程度に抑えられるはず。

各種金属の電界放出特性
Gap 0.5mm results

Electrode shapeanodeR 24
flat top φ2gap
R 15

cathodeφ48:mmDARK CURREENT [pA]

1400
Mo115MV/m

1200

SUS42MV/m

1000

Cu
Ti50MV/m 103MV/m

800

Ti-Mo130MV/m

6004002000050100150

FIELD GRADIENT [MV/m]

Test sample

チタン陽極－モリブデン陰極の組合せがBest。

F.Furuta et al., NIM-A 538 (2005) 33-44

電極の高電圧試験（チタン・モリブデン電極）

Dark Current [nA]

1Ti anode & Mo cathode

放電回数
赤：数回後
0.8
青：約40回後
緑：約80回後

Breakdown

0.6
Breakdown

0.40.2
Breakdown

0100120140160

180200220

Voltage [-kV]

1度の放電につき約0.4kV放電電圧が上昇。
加速電圧200kVにて、電極間暗電流 <1nA、持続時間 > 900 hrs
方針３．同じ手法で電極を作製し、かつ電界放出特性の研究をさらに進める。

ERL電子銃のためのロードロックシステム案
Stock chamber
活性化した複数の 10-10 Pa
フォトカソード保存< 10-10 Pa
Gun chamber

Puckのクイック交換
Puckインストール

10-9 Pa

10-8 Pa
Atomic H

Loading Chamber
原子状水素・ヒートクリーニング
複数サンプル同時処理

Cs & O2

Activation
Chamber

Valve
Transfer line

NEA表面の複数同時形成
Puck revolver
方針４． 多重Puck機構により連続運転を保証

500kV電子銃2号機開発の進捗状況
１．電子銃Chamber
２．排気系
３．高電圧セラミック管
４．高圧電源５．電極

KEKにおける500kV電子銃（2号機）開発の状況
1. 電子銃Chamberについて
5月27日 第１案を元に詳細部の設計を開始
6月27日 極高真空の排気系の検討
7月7日 JAEA500kV電子銃1号機見学
7月9日 作製した第２案および仕様書案についての検討
再度修正し、仮図面にて見積り依頼（４社）
7月25日（予定） 第３案の確認
8月中（予定） 図面、仕様書の最終確認
9月初旬 （予定） 公示
10月初旬 （予定） 発注
3月 （予定） 納品

5月27日時点での第１案
JAEAにて現在立上げ中の500kV電子銃1号機をややコンパクト化したデザイン。
SF6タンクコッククロフト用
SF6タンク500kV絶縁セラミック
電子銃真空容器本体
極高真空(<10-10Pa)実現のため材質はチタン。
カソード電極電子ビーム取出し

ベーカブルクライオポンプ
はこの下に接続。(ICF２５３)

NEGゲッターモジュール
合計で約15000L/s(水素換算）
大口径磁気浮上
ターボ分子ポンプ
アノードバイアス機能

７月９日時点での第２案
・メンテナンス性の向上
大口径フランジ採用で、真空槽内部での作業性を向上。
・将来のアップグレード性
セラミック管の大型化にも僅かな装置の変更で対応が可能。
・カソード‐アノード配置は第１案と同じ第２案の問題点・大口径フランジ部の材料の確保およびその材料費。
・大口径フランジ部の真空シール。
（高価な特殊ガスケット）・NEGポンプとカソード電極間のスペース
・NEGポンプ活性化時の熱の影響
・レーザー取出し構造がメインChamber
内部に設置。

現時点(7/24)での第３案
第２案の問題点への対応
・大口径フランジ部を2箇所から1箇所へ減らす。
・SF6タンク接続フランジについては、一部をSUS製としてチタン部を減らす。
・NEGポンプは主に底部に配置し、TMP口などから直接見えないように配置する。
・Chamber後部にレーザー取出し用のサブChamberを挿入。（ICF152接続）
電子銃真空容器については現在、４社で見積り、納期確認中。

２．排気系の検討

NEG内部水素濃度と平衡圧力の温度依存性
シーベルツ則NEG内部の水素を数十分の１程度に十分に涸らせば、式の上では平衡圧力は3桁程度改善。

NEG活性化時の排気時間の見積り

800L/sの大型TMP（引き口ICF253、磁気浮上型）での排気では、NEG内部の水素を涸らすには最低でも10~20時間程度の活性化時間が必要か。

極高真空仕様のクライオポンプ

ベーキングがあまりできない冷凍機部分とメインChamberがコンダクタンスが小さな状態で接続される構造。

国内メーカー2社と協議中

３．セラミック管
セラミック材の候補
・微粒子-高純度アルミナセラミック
・耐沿面放電セラミック（2種類の遷移金属を添加し、表面の不対電子を処理した新しいセラミック）・500kV電子銃1号機セラミック管との互換性をもたせる。
（トラブル発生時に臨機対応できるようにするため。）
・熱膨張差によるベーク時のリーク問題の回避
・銅製ガスケット（メタルOリング）シール
これらを満たすため、セラミック管フランジはチタン合金とする。
チタンとセラミックのロウ付けはあまり一般的ではない。
J-PARCセラミックダクトのフランジはチタン製であり、担当された斎藤芳男氏よりチタン-セラミック接合に関して助言を受ける。
大型セラミック管作製およびチタン-セラミックのロウ付けの実績のある国内メーカー2社と協議。まずは候補のセラミックについて真空特性試験を進める。

フランジ（チタン）

セラミックス分割リング（チタン）

1組10段分割構成

1組5段分割で2組構成

セラミック部でリークが発生した場合、 1組10段分割構成の場合全部取替え(修理)となるが、作製時は多少割高でも2組構成にすると、故障した組だけの交換で済む。

セラミック部のトラブルの対処案（２）もし、セラミックの径が十分でないという状況がわかれば。

特に高電界となる下部のセラミック管の径を大きくしたもので対応。

４．高圧電源
・コッククロフト回路
・CTT（Cross Transformer Technology）方式高圧回路
コッククロフト回路方式による電源は最大5000kV、100ｋW級出力の実績のあるメーカーが国内に少なくとも1社あり。

Kaiser-750kV, 100mA

Glassman-500kV, 10mA

ERL09 Bruce Dunham氏スライドより
CTT方式の高圧電源はサイズが小さく、高電圧・高出力が可能。
コーネル大電子銃の高圧電源で実績。
国内の代理店は無かったが、これを機に国内電源メーカー１社がKaiser社と代理店・保守契約を7月中旬に交わす。

PESP2008 ワークショップでのU.Uhmeyer氏発表スライドより。ここでの紹介は一部のみ（http://conferences.jlab.org/PESP2008/program.htmlよりダウンロードできます。）

Cross TransformerTechnology(CTT)High Voltage Power SuppliesPESP 2008
Jefferson Lab
October 2, 2008
Uwe Uhmeyer
Kaiser Systems, Inc.
Beverly, MA

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Insulated Core HV Transformers
ICT• In use for many years• Secondary windings inclose proximity tosecondary core sections• Multiple Gap design• Flux leakage occurs atfringes of gaps.

Conceptual Diagram(Middle phase ckts not shown)This Document Contains Confidential Information Proprietary To Kaiser Systems Inc.

CTT Stack Card
Building Block17”

12.5kV

12.5kV, 100mA

16”

0V

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CTT Stack Card Building Block• Zoom in on 4 elements

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1 Element of CTT Stack Card
• Output series
limiting resistor• FluxCompensation
Capacitor• Planar secondary
xfmr windings
Ntyp = 2/5• Per element fuse
• Voltage Doubler
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CTT Stack Card Building Block• 32
IdenticalCircuits• Eachproducesup to 400Vdc• All inseries• 12,500V
per stackcardtypicalThis Document Contains Confidential Information Proprietary To Kaiser Systems Inc.

Building a CTT stack
Section ferrite tiles
2x insulating films
12.5kV stack cards(green)Grading rings

Primary winding
Ferrite bottom bar

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Building a CTT stack
Dome (corona shield)
Ferrite top bar

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５．カソード電極の設計
カソード・アノード間距離 約７cm
アノード中心穴径 φ30mm
条件での等電位線・電界強度分布

500kV電子銃2号機開発の今後の予定
・最終仕様書のまとめ
・電子銃Chamber・高圧電源
・セラミック管・クライオポンプ
納期の関係からこれらは8月末～9月初旬を目処に。
・電子銃支持機構の設計
・電極周り（サポート管、調整機能）の設計
・新しいカソード準備装置の設計
カソード準備Chamber（活性化システム）は、電子銃系の設計がほぼ完了した段階で進めてゆく予定。
予算、納期的に今年度で全て揃えるのは厳しい見込み。200kV
電子銃活性化システムの流用を含め、段階的に新しい活性化システムを立ち上げてゆく。