ATF における Cs-Te フォトカソードによる஢子ビーム生成
照沼信浩1,A)、ଥહ川豪志 B)、栗木雅夫 A)、早野仁司 A)、浦川順治 A)、中西彊 C)、奥見正治 C) 、
࡮井いずみＤ)、݄野幹男Ｄ)、野村昌弘 A)、平野耕一༰ A) 、山崎良雄 A)、‫ݗ‬田隆之助 E)、༿尾方一 E)A)
B)

݄エネルギー加速器研究機構

総合研究大学院大学数物科学研究科
C)
Ｄ)

E)

〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

名古屋大学大学院理学研究科

放射線医学総合研究所〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1〒464-8602 名古屋市千種区不老町〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川 4-9-1

早稲田大学理工学総合研究センター〒169-8555 東京ஞ新宿区大久保 3-4-1とは無く、ATF で本来必要なビーム強度で開発研究が進められる状態に改善された。
ATF フォトカソードシステムの特徴はカソード生
KEK にあるࠟ験加速器施০(ATF)では Cs-Te フォト成から装着までが同じ真空システム中で行うことでカソードを用いた RF ஢子ࢳのࠟ験を昨年９月からある。外൉からカソードを導入する場合に不可欠な始め、現在通常のビーム実験に使用するまでに至っ真空立ち上げによる時間ロスをなくし、加速器運転た[1] 。昨年の本研究会ではフォトカソードの生成に関するロードロック装置の০‫ڐ‬制作状況を報告した。 中のわずかな停止時間で新֩カソードの生成から装着が可能である。この利点により、フォトカソード
今回はその後の基礎ࠟ験や実際に加速器ビーム運転のࠟ験とともに ATF の各種開発実験がスムーズにを通して得られた結果を報告する。カソードの量子遂行できた。また、ユーザーの要請などで、短時間効率の劣化や暗஢流の量は当初懸念したほどではな
ではあるが೪常に‫ݗ‬い量子効率の状態中に強度の‫ݗ‬
く、量子効率に至っては５週間の運転において１％いビームを生成することも可能である。
以上を保つことを確認した。

概要

１．はじめに入射ビームのࡐの改善をねらい昨年夏の停止期間に ATF では RFGun を導入した。ATF の運転で必要とされる஢子ビームは、パルスあたり最大 20 個のマルチバンチビームで、バンチ間隔 2.8ns、強度 1.0˜2.0（最大）x1010 electrons/bunch である。このマルチバンチはRFGun に使用するレーザーパルスをマルチバンチ状にすることで生成する。レーザーの強度は1mJ/bunch 程度とするとカソードの量子効率は１％以上あることが要求される。そのため、Cs-Te をカソードに採用することになり、ロードロック装置を開発した[2]。
RFGun によるビームࠟ験は昨年９月から開始された。はじめは無酸素௷のカソードプラグ上に Cs-Teを生成してࠟ験を行った。この間、RFGun の調整やカソード生成を繰りඉした結果、ATF の各種開発実験へのビーム供給に耐えうると判断し、以後 ATF では RFGun をビーム源に使用することに決定した。
１１月からはカソードプラグを無酸素௷からモリブデンに変更し、より安定なビーム供給が可能になった。その後もカソード生成ࠟ験やレーザー系の改善を進めており、よりࡐの良いマルチバンチビーム生成を目指している。
RFGun 導入の目的の一つに熱஢子ࢳの時に問題であったビームの energytail や energyjitter を改善し、beamloss を低減させ、放射線レベルを下げることがあった。RFGun に変えた現在では、以前と同じ条件で運転しても放射線レベルが問題になるこ
1E-mail: nobuhiro.terunuma@kek.jp

２．フォトカソード生成
2.1!!プラグ表面の処理
カソードプラグはカソード面をダイヤモンド切削で可能な限り滑らかにしたもの（無酸素௷およびモリブデン）と研磨により‫؛‬面に仕上げたもの（モリブデンのみ）を用意した。これらをさらに清浄な表面にするために 5keV の Ar イオンࢳを使用しカソード面をスパッターしている。スパッター量は 50nm程度である。この処理以後、カソードプラグは真空中で取り扱われる。

写真１：Cs-Te を蒸着したモリブデンプラグ。

2.2!!Cs-Te 生成時の量子効率

QE of Cs-Te on Cu plug

543QE(%)

Cs-Te は始めに Te、その上に Cs の蒸着を行うことで形成される[3][4]。Te の蒸着量は膜厚‫ڐ‬でモニターしながら調整する。Cs の蒸着は量子効率を測定しながら行う。量子効率の測定は、回折格子で単色化された Xe ランプ光を照射し引き出される஢流を測定することで行う。図 1 に Cs 蒸着中の量子効率の変化を示す。最終的に到達した量子効率は無酸素௷
サンプルで 5％程度、モリブデンサンプルでは 15%程
度で最大では 16.5％にも達した。モリブデンプラグ
については、表面加工を切削だけと研磨までしたものの両者があるが、生成された Cs-Te の量子効率に違いは確認できなかった。しかしながら、暗஢流および‫ݗ‬周波中の放஢対策として、ビーム運転に使用するモリブデンプラグは研磨により‫؛‬面に加工したものだけにしている（写真１）。

210-1000100 200 300 400 500
ElapsedTime(Hours)

図２：ＲＦ印可による量子効率の低下（無酸素௷）。急激に低下後 0.4%で安定した。

Cs evaporation on the Mo Plug
20

Cs-Te with Moplugs
2015Te 10nm: Q.E. ˜ 3%

10Te 5nm: Q.E. ˜ 3%

Q.E. %

QE(%)

155Te 1nm: Q.E. ˜ 1.5%
10

Cs Off
5000.5

11.5

2ElapsedTime(Hours)

図１：Cs 蒸着による量子効率の増加（モリブデン）。
Cs の蒸着速度が速すぎて一時的に量子効率が低下。

２．ビーム運転
2.1RF 印可による量子効率の変化

0050100Elapsed Time (hours)

150

図３：ＲＦ印可の影‫（؜‬モリブデン）。急激に量子効率が減少後、1~３%で安定。

余地はあり、安定値の上昇には可能性があると考える。

Cs-Te カソードは最大で 15%もの‫ݗ‬い量子効率を示したが、RFGun に装着し、RF を立ち上げていく段
2.2 暗஢流階からすでに量子効率の低下が始まってしまう。し我々の RFGun の Halfcellendplate には Cs-Te
かし、しばらくすると一定の値に落ち着き安定する。
カソードを取り付けるために直径16mm の穴が開い再現性は良い。図 2 に無酸素௷の場合、図 3 にモリている。カソードはガイドブロックにより機械加工
ブデンの場合を示す。サンプルによって安定する値の精度で位置決めされるが、カソードプラグとはばらつくが、無酸素௷の場合は数時間で約 0.4%、endplate の間には 0.5mm ほどの隙間ができる。コンモリブデンの場合は１日ほどかかって１％程度になタクトスプリングによりお互いの஢気的接触は取るる。真空度に大きな変化は見られない。立ち上げ中が、この൉分からの暗஢流が問題になるのではないに RF がトリップするような放஢が何度か֬こってかと心配していた。
いる事実があり、蒸着された Cs-Te の吸着が弱いも図 4 に測定結果を示す。カソードのエージングおのが飛ばされているのかもしれないが確認は難しい。
よびビーム運転時間とともに暗஢流は減少し、合‫ڐ‬RF のトリップは量子効率が安定しても幾度となく֬
100 時間をଵえる頃にはほぼ現時点と変わりないレこっている。しかしながら、蒸着条件など改善するベルに達した。これは ATF の運転には問題ないレベ1Dark current(nA)aging34+beam13
aging34+beam58
aging34+beam83

0.6

15

0.5hours
4.5hours
8hours
11hours
17hours
42.5hours

105aging~1
aging18(hours)

0.820Q.E.(%)

ルであり、また一昨年ࠟ験した RFGun に比べて 1/10の低い値である。懸念した隙間の影‫؜‬は今のところ問題なさそうだとۗえる。この改善の主要因は現在使用している RFGun が昨年 KEK 工作センターにおいて X バンド空洞のଵ精密加工技術で製作されたことにある。
Cs-Te の暗஢流に対する影‫؜‬をカソードプラグへの蒸着の有無で調べたが、特に差は無いようである。

0200 220 240 260 280 300 320 340 360

Wave length(nm)図５：Cs-Te 波ସ依存性（モリブデン）。量子効率の低下は全波ସ領域に渡る。時間経過と共にピークの位置が短波ସ側にシフトしていく様子が見られる。

0.40.202345678RF-INPUT(MW)

図４：暗஢流の推移。RF 12.5Hz, 1.6ms.タイトルに書かれた数字はエージングおよびビーム運転に使用した時間。

2.3 波ସ依存性
回折格子の০定を変えて量子効率測定の波ସを変えた結果を図 5 に示す。ビーム運転時間の経過とともに全波ସで量子効率の低下が確認できる。また、量子効率最大の波ସが時間とともに短波ସ側に多少シフトしていることが確認できる。これは Cs-Te の組成が変化しているためと考えられる。

2.4 ସ期ࠟ験
平成１５年１月からのビーム運転ではカソードを週ごとに生成し差し替えるのではなく、できる限りସく使用し量子効率の安定度を調べることにした。
ビームユーザーとの調整で連続３週間のサンプルと連続５週間のサンプルが得られたが、共に初期に安定レベルに落ち着いてからは量子効率に変化が見られないとۗうものである。
RFGun の真空は 5x10-7Pa である。Cs-Te カソードを採用するにあたっては経験者から 10-8Pa 台のଵ‫ݗ‬
真空でないと寿命が短く使い物にならないと助ۗをもらい、また我々もそう考えていたが現状は一桁悪い状態でも十分に使えている。これは RFGun が数ヶ月に渡って真空封じされており、Cs-Te を劣化させる酸素などの不純物のレベルが十分に低い状態にあること、我々のカソードシステムでは蒸着から装着までを一貫して同じ真空システム内で行うため限りなく酸素の混入を排除できているためであろう。

まとめ
昨年９月から Cs-Te フォトカソードを用いた RF஢子ࢳのࠟ験を始め、現在では ATF 加速器の஢子源として運用するに至った。Cs-Te フォトカソードは生成直後は 15%もの‫ݗ‬い量子効率を示すが、RF 印可により低下し、その後、安定することが判明した。
同一サンプルによる連続したビームࠟ験では、５週間におよびビームを供給し続けても、量子効率は安定で 1%程度あることを確認した。

参考文献[1] 栗 木 他 、 “ Multi-bunch beam generation by
Photo-cathodeRFgun”、本研究会 (WP-22).
[2] 照沼他、“フォトカソード RF ஏ子ࢠカソードロードロックシステム”、第２７回リニアック研究会、
p145-147[3] A. Di Bona, et al., J. Appl. Phys., 80 (5) (1996), p3024.
[4] 古田他、“スピン偏極 RF-gun に向けた基礎研究”、第２４回リニアック研究会、p192-194.