Proceedings of the 22na L inear A ccelerator M eeting in Japan

pp-16

Design of a 200 keV Polarized Electron Gun for a Linear Collider
S.Okunii, T.Nakanishi, K.Nakaliara, K.Togawa, C.Suzuki, C.Takahashi, F.Furuta, T.ida, K.Wada
Department of Physics, Nagoya University, Furo-cho Chikusa-ku Nagoya-shi, 464-01，
Japan
H.MaUimoto, Y/Takeuchi，M.Yoshioka
High Energy Accelerator Research Organization, Oho Tsukuba-shi Ibaraki-ken, 305, Japan
K.Nishitani
ATC Co. Ltd. 36-7 Namiki-cho Hachioji-shi Tokyo-to, 193, Japan
Abstract
Spin polarized electron beamis considered to have ail essencial role in e+e linear colliders anda200 keV polarized
electron gun has been designed at Nagoya University in collaboration with KEK. High intensity pulsed beamwith amulti bunch structure must be producedfromanNEA photocathode with high polarization andhigh quantumefficiency.
The apparatus is composed of three chambers, ahigh voltage gun chamber, apreparation chamber for activating
photocathode andastorage chamber for photocathodes.
They areconnected by two load-lock systems which enable
to exchange photocathodes between agun chamber andapreparation chamber, apreparation chamber andastorage
chamber respectively.
The maximum accelerationvoltage is set at 200 KV to overcome the effects of space charge 】
imit andserface charge
limit of anNEA photocathode.

リ ニ ア コ ラ イ ダ ー の た め の 200 keV 偏 極 電 子 銃 の デ ザ イ ン
1. は じ め に我々は高エネルギー物理の次期将来計画として進 め ら れ て い る e+e- リ ニ ア コ ラ イ ダ ー に 必 要 な 研
究の一環としてスピン偏極電子源の開発を続けている。す で に 試 作 I 号 機 （NPES I) •試 作 ！[ 号機 （NPESII)を 完 成 さ せ た 。
NPES I は 高 い 偏 極 度 及 び 高 い 量 子 効 率 の 半 導 体
フ ォ ト 力 ソ ー ド の 開 発 研 究 に 利 用 し 、NPES n は印
加 電 圧 -70 KV で フ ォ ト 力 ソ ー ド か ら 高 い ピ ー ク 電流 の パ ル ス ビ ー ム を 取 り 出 し 、空 間 電 荷 制 限 及 び

こ のNPESIIIの 特 徴 と し て 空 間 電 荷 又 は NEA表面 電 荷 制 限 電 流 値 を 大 き く し 、電 子 銃 か ら の ピ ー
ク 電 流 を 引 き 上 げ る た め に 、 加 速 電 圧 を 200KVにした。 こ の 加 速 電 圧 を 倍 加 す る こ と に と も な い 、電極間電界放出暗電流を削減するための工夫を取り入れ、 ま た 絶 縁破壊を防止するために絶縁セラ
ミ ッ ク ス を 5段 に 分 電 圧 し た 。
もう一 つ の 特 徴 は ロ ー ド ロ ッ ク機構を 持たせ たことである。 このロードロック機構は電子銃に印
加 す る -200 KV の 高 電 圧 部 と は セ ラ ミ ッ ク ス で 絶Negative Electron Affinity (NEA) 表 面 電 荷 制 限 の 研
究 に 用 い て い る 。 [1]NPESnの 発 展 と し て 、 e+e- リ ニ ア コ ラ イ ダ ー に用 い る た め に 試 作 HI号 機 （NPESffi) を デ ザ イ ン した 。 [2]

縁され、 グランド電位で操作できるようになつている。 こ の ロ ー ド ロ ッ ク 機 構 に よ り 、電 子 銃 本 体

2. 電 子 銃 の 概 略
NPES HIは 図 1 に 示 す 3 つ の チ ェ ン バ ー で 構 成 さ極に付着することによって発生する電界放出喑電れている。す な わ ち 、電子銃本体とフォト力ソーて、 フォ卜力ソードの寿命を大きく伸ばすことがド表面活性化チェンバー及びフォトカソード貯蔵できるはずである。と半導体フォ卜力ソードに負電子親和性（NEA)表面をつくるためのフォト力ソード表面活性化を
行 う 場 所 が ■離 さ れ 、 フ ォ 卜 力 ソ ー ド に O2, Cs を
添 加 し て NBA表 面 を つ く る 時 に Cs が 陰 （陽 ） 電流を大幅に減少できる。 この喑電流の削減によっチェンバーである。 これらの真空チェンバーはゲフォト力ソード表面清浄活性化チェンバーには

一 卜 バ ル ブ に よ り 互 い に 独 立 し て い る 。 さらに貯高 周 波 誘 導 加 熱 装 置 を 備 え て あ り 、 フォト力ソー
ド の み を 加 熱 清 浄 化 す る こ と が で き る 。 これによ蔵チェンバーと活性化チェンバー及び活性化チェ
ンバーと電子銃本体を超高真空を維持しながらそり加熱時にチェンバー等から発生するアウ卜ガス

れぞれ卜ランスポーターでフォト力ソードをやりを減らし、 フォト力ソード表面のみを清浄にする取りできるロードロック機構を採用している。

ことができた。

Activation
Chamber

1200
Polarized e

Photocathode
TransporterISl lsK Klv

Photocathodes
Reservoir
PhotocathodeAccess Chamber
Photocathode
Transporter

図 1 . 2 0 0 KV スピン偏極電子銃概略図

3 . 電子銃電極( 1 ) 電界強度及び電界放出暗電流
NPES-IEの電極設計をし、陰 極 に DC で - 200
KV を印加し、陽極をグランド電位にして、 これらの電極間距離を 35 mm にとって、電界解析シミュレーシヨン（POISSON)を行った。 図 2 に示す
ように、 フォト力ソード表面の電界強度は 3.1MV/mで、陰 電極の 最大 電界 強 度は 7.8 MV/mの計算結果を得た。 S L A C の S L C 偏 極 電 子 銃 は 120
KV 印加時で陰電極の最大電界強度は 7 MV/mで実用機として使用されている 。 .

2 ns の マ ル チ バ ン チ （80 bunchs/pulse)ビームである。我々はこの要求に応えれるように NPES-IIを用いた基礎研究を行っており、NPES-IDを実践機と位置付けている。 [1]

また、我 々 は 既 に 「超高真空 •直 流電 界試 験装置」 によって、 3.6X10-11 Torrの真空チェンバーで、電界複合研磨した超清浄ステンレス鋼で製作した試験用電極のテス卜を実施し、電 界 強 度 34
M V /m の時、電 界 放 出 暗 電 流 88 p A の実験結果を得ている。 [3]
これらのことから 200 K V の印加電圧での電界強度として充分に小さく設計され、電極間電界放出暗電流を充分に小さく出来ると考えられる。
( 2 ) 大 電 流 • マルチバンチビームの引き出し
NPES-mの 200 KV 印加運転による EGUNシミュレーシヨンを行い、電子引き出しのフォト力ソード領域を 3 cm2 として、空 間 電 荷 制 限 値 32 A を得た。 また、 レーザースポットを 2 cm2 とし、電流密度を 3.5 A/cm2 とすると、規格化工ミッタンスは247cmm-mradと計算された。 これを図 3 に示す。
リニアコライダーの要求する電子ビームは衝突点 で 1 X1010 e/bunchの電子数をもつ、バンチ間隔4 . ロードロック機構
NPES-IIはロー ドロック機構を備えていない。
そのため、電子銃電極部でフォト力ソードに NEA表面処理をしなければならず、その度に添加するセシウムが電極等に付着蓄積される。その結果、印加電圧時の電界放出暗電流が増加し、高電圧を70 KV に制限せざるを得なくなっている。
200 KV の印加電圧では電界放出暗電流問題はもっと厳しくなってくるので、NEA表面処理は電子5 . フォト力ソード表面活性化チェンバー
図 4 に示すフォ卜カソード表面活性化チェンバ
一の目的は、搬送されてきたフォトカゾードを加熱洗浄し、NEA表面処理を施した後、 フォトカソ
一 ド の 量 子 率 の 性 能 評 価 を す る も の で あ る 。以-8o{ P B J E -E E -jd )o64osu«ujEap q «£ oz( 1 ) 超高真空の生成と結晶の加熱洗浄±!

2jo1012_141618

Laser spot diameter (mm)20

図 3. EGUNによる空間電荷制限値とビームエミッタンス
銃電極部で一切行わず、 フォト力ソード表面清浄活性化チェンバーでのみセシウム添加を実施する。
そのために、 フォト力ソードの受け渡しをするロードロック機構が必要になる。
そ の他、 ロードロック機構の導入によって、電子銃のエージングの後、高真空を維持した状態でフォ卜力ソードを陰極に取り付けられることや、ベーキング時のアウ卜ガスによるフォ卜力ソードに与える影響を回避できる利点がある。
200 KV 偏極電子銃は絶縁セラミックの中央で高電圧部を挟むことによって、 ロードロックをグランド電位に落としてある。 これによって、 ロードロック機構はコンパク卜になるとともに、 フォト力ソードの受け渡しが簡便になった。
ノボシビルスク研究所のテレコフ氏の協力で、フォ卜力ソードの受け渡しパック、カップリング、及びホルダーを製作し、 円滑にその脱着ができることを確認した。

フォ卜力ソード表面活性化チェンバーを 200 °Cで 4 0 時間べ一キングを行い、そ の 1 8 時間後に7X10-1〗Torrの真空度を得た。具体的には発振周
波 数 100 kHz、出 力 1 kW の高周波誘導加熱装置で加熱洗浄をし、 フォト力ソードの温度モニターはバイロメーターを用い、ホルダー部の温度測定には熱電対を使用した。
フォ卜力ソードを 600 °Cで 1 時間保持して加熱洗浄したところ、 フォ卜力ソード搬送パック近傍のホル ダー 部の 温度 は 120 t ：で、ホルダー前部では 40C であった。
(2 ) NEA表面処理と量子効率の性能評価
GaAs結晶に NEA表面処理後、 レーザーパワー
5 mW、波 長 633 nm の He-Neレーザーを照射し、
量 子 効 率 2.4 %のフォトカレン卜を取り出した。
そ の 寿 命 は 5 0 時間を越えるものであり、充分に安定である。 （図 4)6 . まとめ
200 KV 偏極電子銃の基本デザインが終わり、多段セラミック絶縁管、電極をはじめとして、電子銃本体の製作を進めている。 フォ卜力ソード表面活性化チェンバーは既に完成し性能テス卜をおこなっている。
参考文献[ 1 ] K. Togawa et al. This Proceedings, 1997[2] JLC Design Study, April, 1997
[3] C. Suzuki et al. Proceedings of the 21th Linear
Accelerator Meeting in Japan, 1996