ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫(KEK加速器、ILC-GDE)► 粒子源の設計► 電子源の基礎と実際► 陽電子源の基礎と実際► まとめ
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高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

粒子源の設計-加速器科学に関する一考察(1)-► 加速器科学とは何だろう?
► 加速器を使って科学研究をすることじゃないか?
► 高エネルギー物理学► 放射光による物性、生科学► 加速器を科学的に研究することじゃないか?
► でも加速器って科学的? 技術的の間違いじゃない?
► 技術の背後には科学があるんだよ。利用している基本法則は科学的なんじゃない?

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2ILC粒子源設計の現状
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粒子源の設計-加速器科学に関する一考察(3)超伝導
超流動
非線型力学
プラズマ力学

シンクロトロン放射
コンプトン散乱Positron Linac

150 GeVe
DR­

ビーム光学

PhotonTargete­ source
HelicalUndulator

光電効果
誘導放出(レーザー)

IP

100 GeVe­ Dump

対生成
ローレンツ力e­ Dump

250 GeV

Photon
Dump

Auxiliarye­ Sourcee+ pre­accelerator~5GeV

AMDe+DRe­ Target

電磁シャワー高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

3ILC粒子源設計の現状
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粒子源の設計-加速器科学に関する一考察(2)-► 科学の定義は難しいが、とりあえず科学とは知の体系である、としよう。
► 誘導放出は科学的であるが、レーザーの設計は科学でない、という見方は形而上学的な誤り。
► 自然の神秘性や絶対性を認めることは科学的態度とは言えない。科学とは別の場所にそれがあり、科学が言及する必要はない。
► 加速器設計も、立派な科学である、と心得るべし。
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4粒子源の設計

ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫-加速器科学に関する一考察(3)-► 加速器は科学的法則を駆使して構成された技術的集成物。
► 一方、加速器設計は体系化された(あるいはされるべき)科学的手法。
► 良い加速器とは二つのバランスの上に成り立つ。
► 優秀なデバイスの開発(基礎物理プロセスの理解)► 最適なシステム設計(加速器コンポーネントの科学~システムエンジニアリング)
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5ILC粒子源設計の現状
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粒子源の設計-加速器科学に関する一考察(4)-► 加速器全体から見れば入射器はデバイスといえる(特に電子銃)。
► デバイスの基本的理解、性能向上。
► デバイスの最適な組み合わせ。

► 入射器というデバイスにも同様の構造。入れ子状となっている。
► 優秀なデバイスの開発: 陰極、レーザー、高圧部

品、真空、 空洞、等。
► 最適なシステム設計：電子銃コンセプト、陽電子
システムコンセプト、稼働率の評価、等。
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6ILC粒子源設計の現状
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電子源の基礎と実際►フェルミディラック分布と電子放出►電子の集団現象►電子銃の要素とコンセプト►ILC電子源の設計

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7ILC粒子源設計の現状
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フェルミディラック分布と電子放出

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ILC粒子源設計の現状
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フェルミ・ディラック分布
Fermi-Dirac Distribution► 真空からみれば、物質は安定な井戸型ポテンシャル。
► 金属中の自由電子はフェルミ・ディラック分布をとる。
►

温度T=0において、電子はフェルミレベルまで詰まった状態 (フェルミエネルギー, Ef).

►

有限温度では、熱エネルギーにより、より高いエネルギーにまで分布。

► 真空レベルとフェルミレベルとの差が仕事関数(Work function, φ)。電子が仕事関数より大きなエネルギーを得ると電子放出が生じる。
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9ILC粒子源設計の現状
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熱電子放出
Thermionic Emission► 充分に温度が高ければ、電子は熱的に真空レベル (E0) より高いエネルギーを得て、真空へ放出される。(熱電子放出, thermionicemission)Richardson­Dushman Law
2J = AT e
A=−kT4  emk 2h

3=1.20×10 6 [ A/ m 2 K 2 ]高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

10ILC粒子源設計の現状
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電界放出
Field Emission► 温度が低くても、表面に高い電場勾配があると、障壁が極めて薄くなり、トンネル効果により電子放出が発生。(電界放出、
field emission)► 表面電場が1E+8 V/mを越えると有意な大きさに。

Fawler­Nordheim Equation

4  2 m 3/2e F
J=exp 
8 h 
3 he F
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11ILC粒子源設計の現状
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ショットキー効果
Shottky Effect
鏡映電荷と外部電場を考えると、真空のポテンシャルは
2eV  z=V 0−−e Ez
16   z
ポテンシャルの最大値(実質的な仕事関数) は電場に依存、

e eEV max =V 0 −2 

Shottky EffecteE E =0 −e4
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12ILC粒子源設計の現状
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光電子放出
Photo-electron Emission► 仕事関数より大きなエネルギーの光子が電子にエネルギーを与えることにより、電子放出が発生。(光電子放出、
photo-electron emission)

Fawler Equation
0 log1

J = AT ∫0
2A=

2em
h3Pk2d0 =eE f −E zkT

Quantum Efficiency
number of photo electrons
QE=number of photons
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13ILC粒子源設計の現状
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電子の集団現象► 空間電荷効果制限流► 非線型空間電荷効果とエミッタンス

増大► ビームとバンチング

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14ILC粒子源設計の現状
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空間電荷制限Space Charge Limit► 電子は e/ε の電束を吸収する(ガウスの法則).
► 空間電荷が存在すると、この効果により電場が減少する。
► ある極限で陰極からの電場は消失。(空間電荷制限)

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15ILC粒子源設計の現状
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3/2乗則
Child-Langmuir Law► 空間電荷制限のおかげで、電場をかけて電子を引き出す場合には電流密度に上限が存在。
► 二極の一次元構造を仮定すると、その値は3/2乗則 (Child­Langmuir Law)
3/ 2V−63/ 22
J =2.33×10 S 2 =PV  A/ m dV and d : voltage and distance between twoelectrodes.
S : area size
−6 S
−3/ 2
P=2.33×10
AV
P : perveance defined as;
2d高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

16ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫(擬)平行空間電荷制限流Space Charge Limited Pseudo Parallel Flux

► 適当な形状を仮定すると、二次元あるいは三次元でも空間電荷制限状態の平行流を実現できる。
► 二次元の場合► Poisson equation : y<0► Laplace equation : y>0► Smooth connection at y=0.

V=VA
d4/3ℜziy4/3

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17ILC粒子源設計の現状
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ビームとバンチング
Beam and Bunching► ビームとは細い流れのこと。進行方向を含めた塊の状態をバンチという。高周波加速のためにはビームをバンチにしなくてはならない。二種類のバンチングの方法。
► Magnetic bunching : 運動量差とディスパージョン。けっこう大規模となるが、相対論的粒子にも有効なので、DR蓄積後の主加速の前に行う。
► Velocity bunching : 速度差、非相対論的粒子(«1)にのみ有効。小規模でよいので、入射部によく用いられる。 =  1−1/ 2高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

18速度バンチング

ILC粒子源設計の現状
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Velocity Bunching► 通常、加速周波数より低い周波数の空洞を用いる。
► バンチを頭が減速され、お尻が加速されるような位相に乗せる。
► その状態で進行させると、ある地点でバンチ長は最小となる。そこで全体を加速してやれば、そのバンチ長は相対論的効果により固定される。

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19ILC粒子源設計の現状
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バンチングの限界
Limit on Bunching► RF場は正弦波なので、非線型成分を必ず含んでいる。
► 速度変調によるビームの位相空間分布は直線ではなくS字状になり、理想的な場合でもバンチ長はゼロにはならない。
► 非相対論的領域では空間電荷効果による発散力も強く、常にバンチ長を広げる方向に作用する。
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ILC粒子源設計の現状
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電子銃の要素とコンセプト► 電子銃コンセプト► 陰極► レーザー高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

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ILC粒子源設計の現状
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ピアース電子銃
Pierce Gun (Thermionic DC Gun)
► 陰極、陽極、そして電流制御のためのグリッド電極の三極構造。
► 空間電荷制限平行流のための電場整形用Wehnelt 電極。
► 電流はグリッド電極の電圧のスイッチングにより制御される。典型的には 1 ns 程度が下限。
► この長いパルス長は擬似的に連続電流と考えられ、この電子銃は空間電荷制限状態で運転される。

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ILC粒子源設計の現状
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高周波電子銃RF Gun► (熱陰極タイプもあるが)電子は光電効果により発生。
► 高周波共鳴空洞内には典型的に数十MV/m ~ 150 MV/m程度の高い加速場が存在。
► ビームは発生と同時に高電場で数MeVまで加速。空間電荷効果によるエミッタンス増加を抑制。
► バンチ長はレーザーと陰極の応答速度により決まる。

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23ILC粒子源設計の現状
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光電陰極DC銃
Photo-cathode DC gun► 光電効果による電子ビーム発生。
► 静電場(典型的に100 – 200 kV)によるビーム引出し。
► ビーム構造はレーザーとカソードの応答速度により決定。
► RF電子銃よりも高い設計自由度。

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ILC粒子源設計の現状
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電子銃コンセプトまとめ
CathodePierce type
Thermal(thermionic DC)
Photo Cathode
Photo­electron
DC GunPhoto­cathode
Photo­electron
RF GunThermionic RF
ThermalGun

Extraction
Field

Comments

StaticStill conventional

StaticFor special cathode

RFAdvanced

RFAdvanced

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熱陰極
Thermionic Cathode► 高い電流密度(A/cm2)の発生のためには、► 仕事関数 φ が低い► 運転温度 Te が高い► Cs の仕事関数は φ =1.9eVと低くてよいが、 Te が320K で高温に耐えられない。
► 金属陰極は仕事関数は大きいが、より高温に耐えられる: Ta(4.1eV, 2680K), Mo(4.2eV,2230), W (4.5eV, 2860)► BaO 陰極: 電気二重層の生成により仕事関数φ ~1eV、しかし空気への暴露により変質。多孔質 W に baO 染み込ませた含浸型が使われる。表面にBaOが少しづつ供給される。
► CeB6, LaB6 (2.5eV, 1800K) 比較的低温、かつ高密度が可能。
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ILC粒子源設計の現状
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光電陰極
Photo-Cathode► 金属陰極: 低い QE, 丈夫, UV 光が必要。
► Cu, Mg, Pb, Nb, etc.

► アルカリ半導体陰極: 高いQE, 丈夫でない, UV光が必要。
► CsTe, KCsTe, etc.
► ダイヤモンド: 高いQE, 丈夫, 深UV光が必要。
► NEA GaAs 陰極: 高い QE, とても弱い、- 800nm。 偏極電子、超低エミッタンス

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ILC粒子源設計の現状
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NEA GaAs陰極 (1)► 偏極電子ビームは物理実験上の極めて強い条件。
► 偏極電子は円偏光したレーザー(sz=±1) とNEA GaAs 陰極との光電効果により生成。
► Clebsh-Gordon係数 (3/2⊗1 and 1/2⊗1) により、遷移確率は図のように一意に決まる。
► 遷移がJ=3/2準位のみから生じれば、 sz=+1のレーザーを用いることで、50%の偏極電子ビーム (75% sz=-1 and 25% sz=+1)。
► レーザーのヘリシティに応じて、電子ビームのヘリシティも反転。
► この状態では原理的に50%の偏極度が最高。
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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

NEA GaAs陰極(2)► 縮退を解くことで |J=3/2, mj=±3/2>からの遷移を増進し、50%以上の偏極度を実現。
► レーザーの波長はギャップエネルギーに合わせ込む必要。
► 一般的に伝導帯の最低準位は真空準位よりも低く(Positron Electron Affinity)、ギャップエネルギー付近での遷移による光電子発生は困難。
► GaAs表面にCsと酸素を吸着し、電気二重層を作ることで、表面をNEA化(NegativeElectron Affinity)。
► NEA表面により、高い偏極度と高いQEが共存。
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ILC粒子源設計の現状
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NEA GaAs陰極(3)► NEA GaAs 陰極からの光電子は小さい余剰エネルギー(レーザーエネルギーから仕事関数を引いた値)と熱化により小さい運動エネルギーを持つ。
► ビームエミッタンス

R h −0 kT
x= 222 3 mcmc

► h-0 can be 20meV, R=1mm -> ~0.01nm @5GeV► これは1 Å波長での回折限界に相当-> 第四世代放射光の重要技術。
► 低電流極限で、0.1 µrad (nrm) を実証 (山本尚人他、TO28、2006加速器学会報告集）
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NEA GaAs陰極(4)By N. Yamamoto(Nagoya Univ.)

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レーザーLaser► 反転分布(負温度)媒質による光学空洞内での誘導放出による共鳴的光増幅現象。
► 自然放出光にはない特性
► 単色性
► 収束性
► 短パルス(モードロック、Q-switch)► 光電陰極での電子発生に最適な光源► 電子ビーム形状、時間構造のレーザーによる制御► しかし陰極により適合波長は異なる。レーザーと陰極の組み合わせが重要。
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ILC粒子源設計の現状
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チタンサファイアレーザー
Ti:Al2O3► カー効果による自己モードロック > 17fs 。
► 700-1100nmと広い発振波長領域、波長選択による波長可変性。
► 488nmの短い励起光源が必要。LDの直接励起不可、Nd:YAGの二倍波など高価な光を使用。
► 3.2 µsという短い蛍光寿命。マクロパルス発生には不向き。

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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

Yb:YAG レーザー
► 発振波長 1030 nm。
► 発振波長幅 10 nm、100fs程度までのモードロック動作が可能。
► 励起波長940 nm。安定・長寿命のLD(InGaAs laser diode)を励起光に使用可。全固体化安定大パワーレーザーの候補。
► 蛍光寿命 1 ms と長く、マクロパルス発生に適している。
► 波長可変性は小さい。
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Yb ファイバーレーザー

ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫► Ybイオンを添加したダブルクラッドコア光ファイバー► InGaAs LD光を励起光として第一コアに導入。伝搬中に中心コアのYbイオンを励起。
► 中心コアを伝搬するシグナル光は誘導放出により増幅。
► 高効率、低損失、大パワー(2kW)、高安定。
► 波長可変性、10nm程度。

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パラメトリック光発生
逓倍波の発生ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫► 逓倍波の発生► レーザー光を結晶中で高密度に収束させることにより、非線形分極が発生。
► 結晶が位相整合条件を満たすときに逓倍波が発生。整合しないと放射が打ち消し合い、光子の放出なし。
► 屈折率は周波数とともに増大(正常分散)し、位相整合条件はみたされない。複屈折という偏光により異なる屈折率をしめす結晶で実現。
位相整合条件n1 1n1 1=n 2 2高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

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ILC粒子源設計の現状
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OPCPA=OPA+CPA► CPA : Chirped Pulse Amplification► 波長分散を利用し、パルスを伸して密度を下げて増幅。
► OPA : Optical Parametric Amplification► シグナル光(ω1 low P)とドライブ光(ω3 high P)を非線形結晶中に位相整合条件を満たすように入射。
► アイドラー(ω2)を媒介として、パワーが直接ドライブからシグナルへ移動。
► レーザー増幅（誘導放出）と違いイオンの励起を媒介しないので、高い密度限界、高効率、しかし不安定。
位相整合条件n1 1n2 2 =n3 3高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

NOPA
Non-collinear Parametric Converter► パラメトリック光発生の原理をもちいて、周波数により入射角度を変え位相整合条件を満たすことで波長可変を実現。
► 実現すればレーザーによる発生可能波長領域が大幅に増大し、利用および材料開発に大きな進歩。
► ILC電子銃にも大きなインパクト。
位相整合条件n1 1n2 2 =n3 3
http://frhewww.physik.uni­freiburg.de/terahertz/homebuiltnopa.html
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ILC粒子源設計の現状
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Laser まとめTi:Al203
700-1100
あり
3 µs
488
よくない

Nd:YAG1064
なし
550 µs-800
よくない

Yb:YAG
1030
なし
1000940
良い唯一の波長可変性

連続発振可

LD励起による
高安定

波長はあうがILCの陰極励起用と考 マクロパルス
えた場合
発生は力技

波長が合わない、マクロパルス発生は得意

波長があわない、マクロパルス発生は得意

レーザーシステム
発振波長 (nm)
波長可変性
蛍光寿命
励起光 (nm)
安定性
備考

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Yb fbr1030
なし
1000940
良いLD励起による高安定、超大パワー
波長が合わない、マクロパルス発生は得意39

ILC粒子源設計の現状
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ILC 電子銃の設計► ILC電子銃の基本構成► レーザー► カソード
► バンチャー

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ILC粒子源設計の現状
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ILC電子銃の基本構成
基本パラメーター
Pulse length
Pulse reputation# of micro bunches in a pulse
Bunch separation
Bunch charge
Micro bunch length at source
Peak current
Electron Polarization

0.9ms
5Hz
2800(5600)
308(154)ns
3.2(1.6)nC
0.5­2ns
12.8A(0.5ns)
80%

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ILC粒子源設計の現状
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ＩＬＣ電子銃の基本構成 (2)► 偏極電子を要求した時点で、NEA GaAs陰極以外の選択肢は現時点ではありえない。逆にNEAGaAsを前提に仕様が決定された。
► NEA GaAs 陰極を前提とすると、DC電子銃しか選択の余地はない。RF電子銃における偏極電子発生は開発途上。
► 名古屋、SLAC、JLABなどでDC偏極電子銃の実績はあるが、マクロパルス、かつ高いピーク電流での実績はない。技術的な挑戦。
► DC電子銃の高圧化はあらゆる点で高性能化に寄与する。
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ILC粒子源設計の現状
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ILC 電子銃の基本構成(3)laserGuns

room-temperatureaccelerating sect.

sub-harmonicbunchers + solenoids

Laser requirements:
pulse energy: > 5 uJ
pulse length: ~ 2 ns
# pulses/train: 2820
Intensity jitter: < 5 % (rms)pulse spacing: 337 ns
rep. rate: 5 Hz
wavelength: 750-850 nm

standard ILC
SCRF modules

diagnostics
sectionDC gun:120 keV HVPhotocathodes:

GaAs/GaAsP strained super-lattice

Room temperature linac:
Allows external focusing
by solenoids
Same as e+ capture linac

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ILC粒子源設計の現状
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Ti:Al2O3 + OPCPADESY + Max Born
grating stretcher

Ti:Sa oscillatorτ ≤ 100 fs

Piezo

primary
synchronization loop

τ = 15 ps
G > 5 000

photodiodemixer
1.3 GHzmaster clockf = 1.3 GHz

gratingcompressor

three­crystal
OPA

synchronized
Nd:YLF Burst­Mode laser
pumping the OPAG ~ 20

τ = 12 ps(FWHM)

picosecond­pulse
output channel:
pulse trains, 800 µs longτ = 150 fs (FWHM)
Emicro = 50...100 µJ@ f= 1 MHzoutput
pulse trains
800 µs long,
λ = 790 ...
830 nmλ = 523 nm
I. Will, H. Redlin, MBI Berlin►Ti:Al2O3 oscillator + PP(Pulse Picker )でマクロパルスを生成。

up to 900 us►マクロパルスをNd:YLFをドライバーとした

OPCPA で増幅。
►Pulse energy: Emicro = 50 ~ 100 uJ

Etrain = up to 80 mJ►Available wavelength: = 790 ~ 830 nm►Pulse train: up to 0.9ms
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Output pulse trainof the OPCPA

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ILC粒子源設計の現状
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Ti:Al2O3 Macro-pulse Pump
SLAC
► Ti:Al2O3 mode lock + パルスピッカー（ポッケルスセル）でマクロパルスを生成。
► Nd:YAGレーザーをCW発振させ、Ti:Al2O3結晶を連続励起して、マクロパルスをレーザー増幅。
► 波長可変。

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ILC粒子源設計の現状
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Yb:YAG fiber laser + NOPAKEK + LAAA

► Yb:YAG mode lock + PP + Yb: fiber laser amp. + NOPA。
► LD 励起の全固体による高安定レーザー。
► Yb fiber laser による超大パワー(2kW)。
► NOPAによる波長可変性。
► 波長可変性により多くの陰極に対応、大きな波及効果。
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ILC粒子源設計の現状
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カソード
► GaAs/GaAsP 歪み超格子陰極► QE~1.0%► 偏極度90%► QE寿命► Dark life time: 残留ガスとの化学変化による寿命 2.2E+4 hours by JLAB.
► Beam life time: ビーム電流密度に比例した
寿命、 2.0E+5 C/cm2 for 1/e by JLAB.
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ILC粒子源設計の現状
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表面電荷制限Surface Charge Limit► カソードの応答特性時間により、バンチ長の下限は20ps程度。
► 現状のDC引出しでは、空間電荷制限により引出し電流は数A/cm2に制限。
► 開発途上で、新たな制限機構が発見された; 表面電荷制限。
► NEAをつくるためのバンドベンディングによる表面近くのギャップに電子がトラップ。
► それによりNEA準位が上昇、電流を制限。
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ILC粒子源設計の現状
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歪み超格子 GaAs 陰極► 捕獲された電子は正孔との再結合により消滅。
► 燐を高密度添加したGaAsは高い正孔密度をもち、再結合プロセスを促進。
► 表面にこの層をつくることにより、表面電荷制限を~5A/cm2.程度まで克服。ふたたび空間電荷制限状態へ。

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ILC粒子源設計の現状
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バンチングBunching► ピーク電流はChild-Langmuir 則により表される空間電荷制限効果により決定。
► 120kV, d~5cm, 1cm 直径を仮定すると、ピー
ク電流は~3A 程度。3.2nCを得るには1.1 ns程度必要。
► これにより、ビームを加速可能な10~20ps程度のバンチ長まで縮める必要がある。
-> バンチング

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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

バンチャー
► SHB (Sub Harmonic Buncher) : 2ns -> 50ps.
► 108 and 433 Mhz の常伝導空洞。
► 各々への入射パワーは 360 と 220W 。
► この出口で50ps。
► Buncher : 50ps -> 10 ps► 1.3GHz の常伝導加速管。
► RFパワー10MW で 12 MV/m を発生。
► この出口で 11.3 MeV 。
► バンチ長は10ps で、エネルギー広がり 2.4% dE/E(4) .
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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

バンチャー(2)► 10ps、2.4%のエネルギー拡がりは DR のアクセプタンスの設計値 1%より大きい。
► バンチのテイルなどによる入射損失を考えると、アクセプタンスよりも充分に小さく抑える必要。
► C-L則より、電流は V3/2.に比例するから、高圧化は短バンチ化に寄与する。
► 例えば電圧が倍(240kV)にできれば、 ~3 ps、0.8 % dE/E が可能。
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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

HV Operation

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M. Yamamoto

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エネルギー圧縮

ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

by ILC-GDE electron AG► DRへの入射エネルギーである5GeVまで加速後、ディスパージョン+加減速によるエネルギー圧縮。
► 有効だが、大規模なセクションが必要。
Before RF Compression

ΔE=2 %
E

After RF Compression

ΔE=0.5 %E高エネルギー加速器セミナー2006 (Oho-06), 八月二十九日

54Overall Schematic

ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

by ILC-GDE electron AG► 冗長性のための dual injectors。
► 超伝導により入射エネルギー、5GeVまで加速。
► DRへの入射前にスピン回転、エネルギー抑制。
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ILC粒子源設計の現状
栗木雅夫

ILC電子源のまとめ► 三つの電子発生の基本プロセス。
► カソードの種類と電子引出し方法の組み合わせによる複数の電子銃コンセプト。
► ILCはNEA GaAs 陰極による偏極陽電子発生を軸に、DC型光電陰極電子銃を採用。
► GaAs/GaAsP 歪み超格子陰極が現在のベースライン。
► 高燐添加陰極による表面電荷制限の緩和と高圧運転による空間電荷制限の緩和による短パルス化が望ましい。
► マクロパルス生成に必要なレーザーは開発途上。競合する複数の案。
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