マルチアルカリフォトカソードの開発状況と大電流発生の検討
栗木雅夫、横田温貴、郭磊、浦野正洋、根岸健太郎（広島大学）
山本将博、宮島司、許斐太郎、清宮裕史
（KEK）

目次

1. 導入
2. マルチアルカリ蒸着試験
3. 大電流発生の検討
4. まとめERL放射光源としての要求
 ERL放射光源は、フレッシュなビームから発生する高輝度光が利点
 蓄積リングのような、平衡状態に制限されない高輝度が可能：短パルス、高輝度
 ライナック（電子銃）でのビーム電流＝発光ビーム電流
 蓄積リング型に比べて、三ケタ高い平均電流を、すくなくともリング平衡ビームより良い品質で、実現する必要がある。１０ｍA～100ｍA

電子源への要求
 大電流生成：熱カソードが有利
 短パルス、ビーム径（エミッタンス）、ビーム繰り返し（パターン）の自由度：熱カソードはほとんどないが、光カソードは高い：ERLでは光カソードを採用（当面はGaAs,将来的にはマルチアルカリを検討）
 大電流発生が可能なレーザー、大電流発生に耐えられるカソードが必要。
 マルチアルカリ（CsK2Sb)による大電流発生を検討。

様々なフォトカソード

SbNa2KCs

量子効率

SbK2Cs

NEAGaAs
MultiAlkali
Cs-Te
純金属系

寿命
光電面技術/要素技術 | 浜松ホトニクス

GaAs: 高量子効率、赤色励起、短寿命（耐久性に課題）
純金属： 低量子効率（~10-4％）、紫外光励起、長寿命
マルチアルカリカソード（CsK2Sb）：高量子効率、緑色励起、長寿命

大電流用フォトカソードの最有力候補

マルチアルカリカソード試験

マルチアルカリ蒸着装置• SUS基板（30mm×30mm）への蒸着• 量子効率と膜厚の同時測定を可能にする対称蒸着• NEG, IPポンプ（ベース真空度4.0x10-9Pa）
水晶振動子膜圧計

カソード基板•光電流測定•基板温度制御

光導入用ビューポート

マルチアルカリ蒸着源

蒸着源•複数の材料金属を蒸着

光導入装置内部

膜厚計•蒸着量を制御

カソード基板フォルダ・ＳＵＳ製31mmx31mmカソード基板
・温度制御用のヒーター、熱電対を装備
・カソード電圧印加のため周囲と絶縁蒸着源
・ステージにより移動することで、サンプル位置で蒸着を行う
・カソードと膜厚計を対称に配置、膜厚同時測定を可能にした
SbK

蒸着源

Cs

膜厚計

カソード基板光学系概要図• 532nm、405nm二つの光源の切替、二次元スキャンが可能• ビームサンプラーによるレーザーパワーの変動
モニター

Sb(Å)K(Å)Cs(Å)

CsK2Sb蒸着実験

今回の蒸着条件
基板温度

1 1010800

8600

6400

4200

2103℃

Sb膜厚

202Å

K膜厚

638Å

Cs膜厚

654Å

QE@405nm

約9%QE@532nm

約2%00204060801000120Time(min)

成膜時の膜厚と量子効率の変化••••

K蒸着中から量子効率を観測
Cs蒸着時に大幅に上昇Cs蒸着停止後も、徐々に上昇
QE@532nm…約2%, QE@405nm…約9%

Quantum Efficiency[%]

1. 基板を加熱洗浄（600℃）
2. 基板を冷ます(100℃)
3. Sb蒸着（目的の膜厚まで）
4. K蒸着（目的の膜厚まで）
5. Cs蒸着（QE Max.）
6. 基板温度を室温に戻す

Thickness[Å]3QE(%)

データ測定手順• 各々の波長での量子効率の時間変化を測定。
• 特定の点で電子ビームを引出続けることで、電子ビーム生成による影響を評価。

蒸着直後の量子効率分布
2.2%

2.0%
1.5%
1.0%
0.5%

0%
青色レーザー(405nm)で測定

緑色レーザー(532nm)で測定• レーザーの二次元スキャンによりQE分布を評価。
• およそ中心付近でQEは高いが、波長で分布が若干違う

カソード寿命二成分モデル
h (t ) = h0 exp (-t / t ) exp (-r / Q)
時間寿命 τ（sec)• 時間経過によるカソードの劣化（残留ガスの吸着など）

電荷密度寿命 Θ(C/mm2)• ビーム引出による劣化（イオン逆流など）• 電子ビームを連続引出：時間寿命＋電荷密度寿命• それ以外の点（電子ビームの引出電荷量が無視できる点）：
時間寿命

電子を引き出していない点での時間寿命（電荷密度寿命は無視）

10

Quantum Efficiency[%]

青色レーザー
8y = m2*exp(-x/m3)’lƒGƒ‰•[m2 8.0088 0.0084912
m3 4579.2103.35
ƒJƒC‚Q•æ 0.62867
NA
R 0.95494
NA18mm

h (t ) = h0 exp (-t / t )18mm
データ 308

青色レーザーを照射し続けた点

カソード中心付近の18mm×18mmの範囲で
QE_Average(%)
量子効率の平均値の時間変化を求めた（電子QE_Average(%)
を引き出し続けた点は除く）

64

緑色レーザー
2y = m2*exp(-x/m3)
青色レーザー(405nm)
約2.3mW’l ƒGƒ‰•[0.005438
時間寿命 m2τ =1.6356
4600±𝟏𝟎𝟎時間(約６カ月)
m3 1530.6
37.842
緑色レーザー(532nm)
約0.4mWƒJƒC‚Q•æ 0.23825
NA
時間寿命 Rτ =1530±𝟒𝟎時間(約２カ月)
0.94658NA

平均真空度：4.0×10-8 Pa
00

50 100 150 200 250 300 350 400

Elapsed Time[h]電子を引き出した点での時間寿命（電荷密度寿命は無視）




t

exp
t/0
2015_01_17_Time_Lifetime_Green&Blue_QE_Average_x=6ƒŒ[ƒU[Æ ŽË“__BlueQE[%]ƒŒ[ƒU[Æ ŽË“__GreenQE[%]

青色レーザー

Quantum Efficiency[%]

10y = m2*exp(-x/m3)
青色レーザー(405nm)
’l
ƒGƒ‰•
[
時間寿命 m2
τ =8.9938
53000.0054193
80時間(約7カ月)
m3 5297.5
78.381
緑色レーザー(532nm)
ƒJƒC‚Q•æ 0.25749
NA
時間寿命 τR =0.97991
1450 40時間(約２カ月)
NA
y = m2*exp(-x/m3)’lƒGƒ‰•[• 電子ビームを引き出している点と、
m2 1.9857 0.0075783
引き出していない点で、時間寿m3 1450.3
39.143ƒJƒC‚Q•æ 0.45973
NA命には有意差が無い。
R 0.93694
NA• CsK
Sbの高い耐久性を示唆±8±64

緑色レーザー
220050 100 150 200 250 300 350 400Elapsed Time[h]電荷密度寿命測定ŽüˆÍ‚Ì•½‹ÏŽžŠÔŽõ–½‚ðˆø‚­(%)‚p‚d[“]

y = m2*exp(-x/m3)
補正データ
 ' ’lt ƒGƒ‰• 0 ' exp /[9.5m2 8.9932 0.0055418
m316227
3348.5ƒJƒC‚Q•æ 0.26875
NAR y0.33219
測定データ= m2*exp(-x/m3)NA

2015_02_07_積算電荷量 _Blue_2.3mW

 ' t    (t ) expt /   t  ’l 0ƒGƒ‰•exp[  /  9QE[%]

10m2 9.0017 0.005333
m3 1148.616.4
青色レーザー(405nm)：約2.3mW
ƒJƒC‚Q•æ 0.24053
NA2
スポット径：0.627𝑚𝑚
R 0.98124
NA8.587.5
7020406080100

平均電流： 67μA
電荷引出時間：380時間
真空度： 4.0×10-8 Pa
カソード温度： 23℃

積算電荷[C]

電荷密度寿命Θ• 未補正1830±𝟑𝟎[C/mm2]• レーザー照射点の周りの８点の平均時間寿命(5730±140時間)で補正：16600～50000[C/mm2]

寿命と引出電流の関係モデルの妥当性評価のため、カソード寿命引出電流依存性を評価した。

引出電流値：約67μA → 約28μA（約42%）平均真空度：4.0×10−8 Pa →7.3×10−9 Pa（約20%）電子を引き出していない点での時間寿命
QE_Average(%)
QE_Green_Average(%)

QE[%]

10

青色レーザー864

緑色レーザー

20050 100 150 200 250 300 350 400Elapsed Time[h]18mmレーザー照射点以外での平均時間寿命

2015_02_13_Time_Lifetime_Blue_Average
16:23:40 218mm
青色レーザーを
y = m2*exp(-x/m3)
照射し続けた点’lƒGƒ‰•[m27.6036 0.0031409
m317462550.53
ƒJƒC‚Q•æ 0.097155
NAR 0.91425
NA

青色レーザー(405nm)
約1.0mWy = m2*exp(-x/m3)
時間寿命 τ = 17500±𝟓𝟓𝟎時間(約3.8倍)’lƒGƒ‰•[m2 約0.4mW
1.3062 0.0032324
緑色レーザー(532nm)
m3 4969.9
271.1
時間寿命 τ = 5000±𝟐𝟕𝟎時間(約3.2倍)ƒJƒC‚Q•æ 0.10004
NA-9
平均真空度：7.0×10R 0.79319
Pa（1/5に減少）
NA・真空圧力が減少するとカソードの時間寿命が増加する傾向が見える。
・真空度の減少の割合と時間寿命の増加の割合は単純な比例関係からはずれている。

電子を引き出した点での時間寿命
Blue_
ÆŽË“__QE[%]
Green_ÆŽË“__QE[%]

10

青色レーザーQE[%]

8青色レーザー(405nm)
y = m2*exp(-x/m3)
2015_02_19_Charge&QE_Power_1.0mW’lƒGƒ‰•[
時間寿命 τ = 14800±450時間m2 8.5434 0.0040441(約2.8倍) m3 14797
453.43y = m2*exp(-x/m3)
緑色レーザー(532nm)
ƒJƒC‚Q•æ 0.16074
NA’l ƒGƒ‰•[NA
時間寿命 τR =0.91844
5500±260時間
m21.584 0.003028(約3.8倍)m35516257.436ƒJƒC‚Q•
æ 0.08813
R 0.835694

緑色レーザー
20050 100 150 200 250 300 350 400

Elapsed Time[h]NANA・真空圧力が減少するとカソードの時間寿命が増加する傾向が見える。
・真空度の減少の割合と時間寿命の増加の割合は単純な比例関係からはずれている。

量子効率の引出電荷量による劣化
10

電荷密度寿命測定9.5

 ' t  0 ' exp   / y = m2*exp(-x/m3)
補正データ

BlueQE[%]ÆŽË“_‚ÌŽüˆÍ‚W“_‚Ì•½‹ÏŽžŠÔŽõ–½19600ˆø‚­QE[%]






’l
ƒGƒ‰•
[m28.544 0.0041111
m3 5443.7678.16
測定データ
ƒJƒC‚Q•æ 0.16454
NAR 0.49593
NA 0y = m2*exp(-x/m3)’lƒGƒ‰•[電荷密度寿命Θ
m2 8.5449 0.0040988m3134241.296 2]• 未補正2140±60[C/mmƒJƒC‚Q•
æ 0.16188
NA• レーザー照射点の周りの８点の平均時間寿R 0.91783
NA ' t    (t ) exp t /  

9QE[%]

2015_02_19_Charge&QE_Power_1.0mW t    exp  /  

8.5
87.5
705

101520253035Charge[C]青色レーザー(405nm) ：約1.0mW
スポット径：0.627𝑚𝑚2
平均電流： 28μA
電荷引出時間：400時間
真空度： 7.3×10-9 Pa
カソード温度： 24℃

40命(19600±700時間)で補正：7000～11100[C/mm2]• 引き出し電流量を変化させても電荷密度寿命は変わらない？
• 従来のイオン逆流が電荷密度寿命の原因という仮説と矛盾。（測定精度を向上させて実験的に検証していく必要あり。）

大電流発生の検討

CSK2SBマルチアルカリカソード寿命測定まとめ
引出電流67 mA

27 mA

真空圧力

4.0ｘ10-8Pa

7.3ｘ10-8Pa

時間寿命（ビーム引出無し）1530±40時間

5000±270時間

時間寿命（ビーム引出あり）

1450±40時間

5500±260時間

電荷密度寿命（補正無し）

1830±30[C/mm2]

2140±60[C/mm2]

電荷密度寿命（補正あり）>16600[C/mm2]>7000[C/mm2]

••
•
•
•

時間寿命は真空圧力を下げると、大きくなる傾向
ビーム引出のある無しで、時間寿命に有意な差がない
時間寿命はいずれの条件でも充分に長い。
電荷密度寿命の真空圧力依存性は小さい
時間寿命を補正すると、電荷密度寿命は発散傾向

引出電流密度が、電荷密度寿命に比べて小さいエミッタンスと寿命
 エミッタンスとビームサイズ：ε𝑛 = 2𝑅𝑀𝑇𝐸𝑅=0.56𝜇𝑟𝑎𝑑/𝑚𝑚
𝑚𝑐 22(I. Bazarov. Et al., arxiv 1105.2221)

 引出可能電荷量

Emittance(mm.mrad)Chargelife(C): 𝑄 𝐶 =𝜃Time
life(10mA)(hour)

Timelife(100mA)(hour)

0.1

800-2800

22-78

2.2-7.8

1.0800028000

220-78022-78

𝐶𝑚𝑚22𝜋𝑅 = 𝜃𝜋2𝜀𝑛 20.56

𝜃 = 7000 𝐶/𝑚𝑚2

𝜃 = 2000 𝐶/𝑚𝑚2

 初期量子効率2.0%、0.5%まで運転可能とすると1/e寿命の1.4倍程度。
 0.1mm.mrad、100ｍAでおよそ3.1時間以上の運転が可能。
 10mA, 0.1mm.mrad、100ｍA,1.0mm.mradでは31時間。
 今後、寿命特性（二成分モデルの妥当性）、真空圧力依存性がより明確となれば、 0.1mm.mrad、100ｍAにでの運転可能がより長く確保できる可能性がある。
 課題：
二成分モデルの妥当性
 真空圧力依存性
 イオン化断面積
 レーザー照射による効果
まとめ CsK2Sbマルチアルカリ試験装置により、カソードを蒸着生成し、その寿命特性を評価した。
 時間寿命にして1500－5000時間（真空圧力に依存）、電荷密度寿命にして>２０００C/mm2（真空圧力依存性見えず）を得た。
 時間寿命は実用上、充分大きな値。
 0.1mm.mrad, 100mAでの運転時間は3時間以上。他の条件では、実用運転に耐えうる。
 電荷密度寿命は、大きい可能性があるが、定量的評価にはモデル依存性の検証、測定精度の向上が必要。