コーネル出張報告(本田)9/8~26(3週間弱)の滞在
主に電子銃周辺についての意見交換
最後の週はビーム運転も• NEAカソード• ドライブレーザー• ビームライン

カソードNEAシステム•••

NEA化手順などはビームラインのシステムではルーティンワーク、決まった手順を繰返している。
ロードロックのシステムは一通り動いているが、完全に満足いっているわけでもなさそう。
GaAsカソードでgreenレーザーを使う。780nmだと時間応答が悪いのでむしろ避けたいとのこと。

チェンバーの全体構成

ローディングプレパレーション

チェンバ

チェンバ

クリーニング
チェンバ

メイン

チ
ェ

ン
バへの輸

送輸送

• ローディング -> クリーニング -> プレパレーション と輸送• プレパレーション -> 電子銃チェンバ と輸送• プレパレーションチェンバの中にストレージ(今は1つ、多数置けるように改良予定)。

クリーニングチェンバー
ゲートバルブ

反対側

ゲートバルブロードロック軸
ロードロック軸

イオンポンプヒートクリーニング(60l/s)（コイルで加熱）
上側

冷却の為の熱接触パックをのせる鞍を直線導入及び回転
原子状水素クリーニング••••

原子状水素(市販、oxford instrument)
ヒートクリーニング(コイルでセラミックを加熱するもの、市販)
ヒートクリーニングは600度、ただしモニターシステムは無い。
ヒートクリーニング後、温度を下げるために上蓋から金属棒を導入して熱接触をとる。

反対側

プレパレーションチェンバー 電子銃
へ電子銃

ゲートバルブ

質量分析のロー

ドロック軸

電子銃
へのロー

ドロッ
ク軸

電子銃

軸

クッ

ロ

ドー

NF3導入

ダイオード
Cs導入

ードロ

ッ

ク

軸

ロ
電子コレクタロ

下側

パックをスワップする為の一時避難•••

イオンポンプ(60l/s)

NEA作成のもろもろストレージ軸を受け渡しする為に鞍を上げ下げ、回転出来上がったカソードを1個ストレージできるパックをのせる鞍を
直線導入及び回転レーザ

Csディスペンサ
電子銃

電子コレクタロード

ロック
軸

プレパレーションチェンバの中身

QEマッピング装置(今は無い)

電子コレクタ

ロード

ロック

NEG

NEGカソードをスワップする•

プレパレーションチェンバを上から覗いた図。

ために引っ掛ける軸

輸送ロッド垂れ下がりを補正••

ベローズチェンバで前後の動き•

真空的にベローズはあまり良くないと言っている。

するネジ

パックをつかむ/はなす には、先端が開いたり/閉じたり する。

ここを引っ張ると先端が開いてパックをつかむ

パック
電極に位置決めする面

ロッドの先端が開いて、ここのくぼみに引っ掛けて固定される•

これまでGaAsとGaAsPをテスト。(GaNもテスト予定)•••

直径2インチモリブデンのパック、タンタルの蓋インジウムフォイル(50um)で熱的、電気的接触をとる

パックの収まり方

バネ(ニッケル合金、モネル)

車輪(Ti)

ここが位置決め、以前はテーパー型だったが良くなかったので平面に変えた。

• 回転させてロックするのではなく、バネで押さえる方式。
• これはこれで満足いっている感じでもない。
• ウエハが割れる問題も何度も起こっているようだ。

わずかに隙間NEA手順•••••••

化学洗浄は硫酸と過酸化水素水で行う。(塩酸とイソプロパノールでAs面にするというのはやってない)
ロードロック装置に取り付ける際にCO2を吹き付ける。
ローディングチェンバーでUVランプで200度まで加熱して水分を飛ばす。
原子状水素クリーニングは新しいウエハを仕込んだ最初の1回のみ。
ヒートクリーニング、600度。2時間くらいかけて上昇、2時間キープ、１時間くらいで冷却。
NEAはCsとNF3を交互にだいたい5~10分づつ。

•••

QEが半分になるあたりまでCsで落とし、NF3でピークまで上げる。
全部で10サイクルくらい。
Csでの落とし方は我々と違うが、その辺りを変えてもほとんど変わらないと言っている。

新品のウエハだと10サイクルくらいかかるが、使用を繰返していると、7サイクルくらいで完了し、また最後のQEも高くなる。いいときはQE17%、安定して10%は超える(ただしgreenレーザー)。
NF3
Cs
NF3
Cs
NF3
Cs
NF
Cs

Csで50%まで落とす~10サイクルドライブレーザー•••

一通りの物は揃った感じ。
ジッターなど、課題はありそう。
時間整形、空間整形などはこれから。

レーザーシステム

測定系(auto correlatorなど)

1.3GHz発振器

パルス圧縮

時間整形(not installed)

プリアンプ
SHG
Pockels cell
切り出し

高出力アンプ•••繰返し1.3GHz, 波長green, 平均パワー20W, パルス長20ps(ﬂat-top)、が仕様•

部屋の空調は0.2度の安定度。

写真正面の壁の向こう側にビームラインがある。
発振器、パルス圧縮、プリアンプ、高出力アンプ、Pockels cell、SHG、時間整形、の順。このあと加速器室に入って20mくらい？飛んでから電子銃に入る直前で、パワー調整フィルター、空間整形。そして、カソード入射、反射光パワーモニタとなる。

1.3GHz発振器

ジッターをモニターしているの図：
基準信号でトリガーしたスコープで波形のトレースの幅の太さを見て、ps以下だと。

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コーネル電子銃用にメーカーに開発してもらった。今は市販品になっている。

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波長1.04um, パワー20mW, パルス長20ps
外部同期にサイン波で1.3GHzを入力する。ジッターは1ps以下、測定精度限界。

メーカー: PriTel(シカゴの会社)、通信用の1.5um帯のファイバー発振器を主に作っている。

••

1.0umはファイバーの分散の正負が違って短パルスにするのがそれなりに難しい。

•

日本に帰ってから試しに見積りをとってみた、1000万円。

もともとはパルス長2psの仕様で開発してもらったが、20psになっている。今は外付けで20ps->2psの圧縮を行っている。

•
•
•
•

•

非線形性と分散でパルス波形を決める。

基本繰返し(全長に対応)は4MHz。
harmonic mode locking、330パルスを周回させることで1.3GHzを得る。
通常のharmonic mode lockingではパルスが等間隔にならないのが問題だが、変調機を加えて外部から1.3GHzでゲイン変調を加えることで等間隔にできる。
実際に自分たちでharmonic mode locking を開発していたが、どうしてもこの等間隔問題のせいで10psくらいのジッターがでてしまい、あきらめてメーカーに頼んで、今に至る。

oscillator
FWHM = 35 ps-100-50050Time [ps]1001

ソリトン領域で動作するファイバーモードロック発振器。

••

0コーネルの担当者自身は中身の詳細がどうなっているのかは知らない、構成のブロック図はこんな感じだ、と。

Spectrum [a. u.]•1

Intensity [a. u.]

発振器の中身0oscillator

FWHM

Δλ = 0.7 nm

2.3 ps, gauss

1036

1038 1040 1042
Wavelength [nm]1044

piezo tension

outputYb fiber amp.
Amplitude
modulator

全長は1.3GHzのサブハーモニックにぴったり一致していなければならないので、フィードバック制御している。ピエゾでテンションをかけたドラムにファイバーをぐるぐる巻きにしたようなもの。

1.3GHzサイン波
isolator

etalonを入力

パルス圧縮••発振器のパルス長が20psなので、外付けでつけた。

•

多少ロスがあるので、20mW->10mWに。

レーザー光はチャープしているので、一般的なグレーティン
グを使った方式で2ps程度に。

Intensity [a. u.]

0oscillator

compressor

FWHM = 35 ps

FWHM = 4 ps

Spectrum [a. u.]

1

10-100-50

050Time [ps]100compressor

この箱の中

1036

1038 1040 1042
Wavelength [nm]20mW, 20ps
grating

10mW, 2ps

1044

アンプ
••

プリアンプ

•
•

高出力アンプ

10mW -> 150mW
シングルモードファイバーアンプ、30cmくらい

励起光高出力アンプ•••

Large mode area fiberwith drums

150mW -> 45Wの増幅、励起光は300W。
ダブルクラッド、ファイバーアンプ。偏光面保存。
全長3.5mを5cmくらいの円筒に巻き付けて横方向高次モードを減衰。

プリアンプ

Ouput power [W]

50efficiency = 57 %40

シングルモードファイバーアンプ

3020

励起用ダイオードレーザー

100020406080

ポッケルスセル
ポッケルスセル

切り出し前のCW

バーストパルス

50ns• バンチ電流は高い状態で低電流で運転するときはパルスを切り出して行う。
• ポッケルスセルで50nsくらい(1.3GHzの70バンチ)のバースト状のパルスにし、これをkHzくらいで出している。

• 立ち上がりは5ns、電源の性能。本当はもっと速いのが良い。

SHGと時間整形
SHG

••
•

結晶はLBO、長さ15mm。

•

長さを指定したYVO4結晶3つを使ってパルスを偏光で分割、屈折率の違いから時間差をつける。というもの。

40W IR -> 15W green。
この後、副屈折結晶で時間整形、フラットトップパルスを作るものが入るが、まだ設置されていない。よって、今はビーム運転は2psバンチでやっている。

調整ステージなど
写真撮るの失敗

ビームライン内レーザー輸送
壁伝い
CCDカメラソレノイド

カソードをCCDカメラで覗く為のミラーを直線導入
電子銃

戻り光モニター•

壁伝いにパイプの中で輸送。途中に1箇所レンズ系があって、径5mmくらいに保つ。

•

電子銃のすぐ脇にレーザーテーブル。
光量調整のためのフィルタ、ピンホール、空間整形してフラットトップにする市販のレンズシステムがくる。

••

空間整形(not installed)

NDフィルタピンホールの像がカソードに移る設計
カソードへのアライメントはCCDカメラでカソード表面を見て行う。
ピンホール

レーザーを分割してカソードと同等の位置にCCDカメラを置く(not installed)ビームライン••モニター関係がまだほとんど立ち上がっていない。スクリーンのみ。

••

電子銃は250kVで運転。空洞後のビームエネルギーは4~5MeV。

今のところ、なんとかビームを通しました、という程度。空洞後のスクリーンでみるとビームの形はぐちゃぐちゃ。まだ理解出来ないでいる。
測定装置の立ち上げ、まともな形のビームにする、ことが当面の目標。

L0ビームライン
CLEO検出器(解体作業、ILCウィグラー設置作業中)

2Fにクライストロン

••
•

ルーム

コントロール

高出力ダンプ(not installed)

レーザー部屋

制御ラック

A1(電子銃)、A2(超伝導空洞)、A3(マッチング)、A4(診断)、A5(高出力ダンプ)
B1(マージャテスト)、低出力ダンプ
C1(シケイン)、C2(ダンプへ)、低出力ダンプ1m

A1(電子銃エリア)
ソレノイド1

バンチャー

バンチャー

ステアリング
レーザー回収ソレノイド2 ソレノイド2
スクリーン1
BPM
ステアリングソレノイド1ゲートバルブ

BPM

•
•
•

レーザー入射

写真は左右反対••••ステアリングアノード カソード

クライオモジュール接続
PMT(ロスモニター)（GVはモジュールの中）
カソード上のレーザー直径は通常2mm。アパチャーで切ったものがカソードに投影される。
電子銃のフランジは特別に奥まった形をしていて、アノードは機械加工の精度でそこに固定されている。
ソレノイドの中にストリップラインBPMとステアリングが入っている。BPMはまだちゃんと動作していない。
スクリーン1ではレーザーのアパチャーに対応するイメージが見える。常に濃淡に動きが見られ、レーザーのポインティング安定度は1mmくらいと思われる。
ソレノイド1を振って、スクリーン1での動かないように最初のステアリングを調整。ソレノイド2への調整は不可能。
バンチャーはカップラーにマルチパクタリングの問題あり、今は使っていないようだ。
PMTにCsIを付けたロスモニターやGM管で放射線を見ている。

A2(超伝導空洞エリア)
ゲートバルブ

ゲートバルブステアリングビーム••••

空洞のアライメント精度は1mm以下と言っている。

•電子銃エリアのソレノイド2の中心を通っているか、も分からない。

空洞のHOMを測定する電極はあるが、それを利用したビーム位置モニターは、まだ動いていない。
このエリアにモニター出来る物が全くないので、ビーム軌道を調整出来ないでいる。
空洞を一つづつオンにして真ん中を調べる、というのをやりたくても次のエリアのスクリーンにイメージが見えない。全ての空洞をオンにするとそれぞれ収束力があるので簡単にはいかないようだ。

A3-A4-A5(計測系と高出力ダンプ)
スクリーン
ファラデカップ
フライングワイヤ
スリット

BPM

BPM スクリーンビーム

ラスター電磁石

ディフレクティング空洞
ビームラインスイッチ

ディフレクティング空洞
スリット(for V)

スリット(for H)•

スリット、固定式、スキャンはしない、ビームを振る。2重ベローズタイプでないので精度が出ないのだと思う。

•••

ディフレクティング空洞、1.3GHz、円筒TM110モード。

••

ファラデカップもまだ動いていない。

フライングワイヤ、10um?カーボン、まだ使った事は無い。
BPM、1.3GHzのλ/4の長さのストリプライン。各電極を1.3GHz->12.5MHzにdown mixし50MHzでサンプリング。
ラスター電磁石、6極を順番に励磁してビームをぐるぐる回し、ダンプの壁全体に当てるもの。

C1-C2(シケインライン)
スクリーン

BPM

フライングワイヤ
スクリーン
BPM

BPM

スリット(for V)
CSRモニタ(not installed)••ビームエネルギーを測定できるライン。空洞の位相調整はここのスクリーンでのビームの動きを見ながら行う。
エネルギー測定のラインは重要そう。