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第二電子銃開発状況と今後
2015年9月29日（火）第91回ERL検討会
M. Yamamoto, T. Miyajima, T. Uchiyama,
Y. Honda, X. Jin, M. Kobayashi
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima
Japan Atomic Energy Agency (JAEA)
M. Kuriki
Hiroshima University
H. Kurisu
Yamaguchi University
他、PF, cERL制御＆真空関係者をはじめとする多くの関係者のご協力、ご支援を受けています。

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過去約２年間の主な進捗
主排気系の接続、極高真空生成
エージングの実施 （計４回）

2014年5月、7月、8月、2015年1月

ビーム診断部、ダンプラインの構築
微小電流ビームの発生(2015年4月～)

カソード準備系の構築（@PF）
3つのカソードの同時活性化に成功
カソード準備系を電子銃へ接続、電子銃へカソード導入

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主排気系の設置 (2014/Mar)
Bakable cryopumpの排気速度測定結果

主排気系の構成
1. Non Evaporable Getter (NEG)
D400-2 x 24 = 9600 L/s (H2)= 4320 L/s (CO)(catalog value)

2. 4K bakable cryopump~800 L/s (Ar), ~1000 L/s (N2,CO2),~1200 L/s (CH4) (measured values@1x10-9 Pa)

NEG pump set

4K bakable cryopump

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極高真空の生成 (2014/Mar~Apr)

Cryopump
start

極高真空計(3B gauge)

NEG
activation

2015年7月8日現在

7x10-10 Pa

極高真空対応型残留ガス分析器
http://www.vaclab.co.jp/product04.html

高電圧エージングの履歴 (2013/Aug ~ 2014/Jul)600

2013年8月 主排気系無しでのエージング
約300回の放電で500kVに到達

Trip voltage [kV]

500400主排気系の設置、ベーキング
極高真空生成 (~4x10-10 Pa)

300

2014年5月 エージング1回目(24回目の放電で電界放出源が生成)

2001002013.Aug2014.May
2014.Jul

050100

150

200

250

300

Number of trips

350

400

電極の取出し＆クリーニング
再ベーキング
極高真空生成2014年7月 エージング2回目(48回目の放電で550kVに到達)

電極間距離はcERL電子銃の半分以下の70mm。
光陰極表面電界は6.9 MV/m @500 kV

5カソード電極上の電界放出源 (2014/May~Jun)
2500
Dark Current

ひげ状のダスト

Current [nA]

2000

1500

1000

500

0100110120

130140150160

Voltage [kV]

-2-3log(I/V2)-4-5-6-7-8-3
6.5 10

7 10-3-3

7.5 10

1/V

8 10-3-3

8.5 10

ダストはエアガンで簡単に吹き飛ぶ。
リントフリーのワイパーで電極表面を拭き取ってから電子銃へ再度インストール。

62014年7月時のエージングおよび高電圧保持試験
1st day (~2.5 h)

4H7

2nd day (~4 h)

2H 10H 8H 8.7H

8H 8H

エージングでは実質７時間で550kVに到達した。
エージング後の500kV保持試験では、通算50時間の運転中、放電の発生は無し。

8電子銃shutdown後の再エージング2014年7月 エージング

560(48回の放電で550kVに到達)

Trip voltage [kV]

540
520

約３週間のshutdown
真空の再立上げ 約1週間

500

2014年8月 エージング

480(20回の放電で550kVに到達)

460
440420400

約3.5カ月のshutdown
真空の再立上げ 約1週間

2014.Jul2014.Aug2015.Jan

0102030

Number of trips

4050

2015年1月 エージング(23回の放電で550kVに到達)

エージングが一度うまく行うことができれば、shutdown後のエージングは手短に完了できる事を確かめた。

カソード準備系の立上げ&電子銃接続

３つのGaAsカソードの同時活性化(QE:6~10%)を実証。(2014/Sep.)

PF area

GTF area

活性化chamber内部の写真
電子銃にインストールしたカソードは2015年1月に活性化後、カソード貯蔵chamberで保管。2015年3月に導入。QEはほぼ活性化時と同じであった。

2014年10月末 PFエリアからAR南棟へ移設
2014年11~12月 電子銃と接続、再立上げ

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Beam Transport & Dump section
DC-GunLasersystem

ビームダンプは空冷タイプ
Screen0.5 mW LD
CW@532nm

Screen &Farady Cup

Dump

Laser system

CCD cameraboxBendingmagnet

YAG screen光陰極導入による暗電流の発生(2015/Mar)~4x10-10 Pa w/o HV~5x10-10 Pa @500kV

光陰極導入前光陰極(Bulk GaAs)導入後

500kV時、・放射線発生無し
・暗電流（アノード電流）もBGレベル（<1nA)

500kV時、・放射線 約15 uSv/h @電子銃直下
・暗電流（アノード電流） ~4nA検出
400kV以上で放射線が上昇。

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Current @ Faraday Cup [uA]

暗電流測定

10 nA

350 kV

400 kV400

HVPS voltage [kV]500

電子銃に設置された真空計からの迷光によるビーム発生(<0.5 nA)。
400 kV以上で光陰極近傍から複数の電界放出源より発生する暗電流が増加。

450 kV電圧、真空、放射線の履歴
Gun前方GV open
放電発生

Puck交換Gun後方
GV open

500kV印加状態で電子銃直下（電離箱）で放射線の発生も無い。

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今後の目標
ERL電子銃で懸案とされている「大電流ビームの長期的な安定供給ができるのか？」という疑念を我々の手で払拭できる実験結果を出す
具体的には、例えば数～10mAのCWビームを１日８時間相当、 5日間供給運転を、・単独運転可能な500kV電子銃２号機・カソードの同時活性化＆貯蔵機能をもつ準備系との組合せで実証を目指す。
カソード寿命、カソード交換システム、高圧電源＆セラミック管の健全性など総合的な評価。第一電子銃ではスケジュール的に難しい大電流＆長期供給試験を第二電子銃のメイン試験項目とする方針。

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今後の方針（案）
現状 （ビーム電流上限100nA）
・7/21の週に遮蔽材見積りのためのビームテストを実施予定

第一ステップ （ビーム電流上限100uA）
・第二ステップのための調査、準備を現状のビームライン、ダンプで実施- 現状のビームライン周囲の遮蔽整備- 放射線検知によるインターロック環境の整備- 調整モード、大電流モードの整備（PPS、MPS）

第二ステップ （ビーム電流上限10mA）・カソードの寿命試験
・高圧電源の最大出力試験、長期運転試験- 水冷ダンプ（数十kW級）の整備- ダンプライン拡張、差動排気強化- 追加遮蔽、高速インターロック整備- DCCT、BPMの整備- ワット級レーザーの整備

ビーム発生時の管理区域境界部の放射線量16

放管担当者立会いの下、詳細なスキャンで1uSv/h以上の箇所があった。

レーザー照射によって発生したビームのプロファイル例

モニター周りの遮蔽（鉛板１mm）

発生源から見てセンサー全体が1mm厚の鉛板で隠れるようにやや大きめの鉛板をL字状に架台の上に置く。

試験結果 (GunFC: 30nA)

遮蔽なし

遮蔽あり

450kV

500kV
480kV

400kV

450kV
400kV

350kV
300kV

青：ALOKAモニター

480kV 500kV

緑：電離箱

350kV
300kV

黒：簡易モニター

ALOKA、電離箱共に1mm鉛遮蔽、500kVの条件で４割程度まで低減されることを確認した。

線量の見積りと対策
GunFC

400 keVビーム40nA程度をGunFCで止めた時フェンス部で1~2 uSv/hの放射線。
今回：400 keV, 30nA, ~35uSv/h@50cm→ ~1 uSv/h @フェンス部~ 50cm
今回のセンサー位置~ 3m
フェンス
通路（20uSv/h以下が必要）

測定結果に矛盾無し。
100 uA, 500 keVビームのロスが発生した場合でもフェンス部で20 uSv/h以下を保証するためには、
今回： 500 keV, 30nA, ~83uSv/h@50cm
電流3000倍で～100uSv/h以下@50cmまで抑制
多少の余裕を考慮し、10-4程度の遮蔽で安全か？
鉛1mm厚で線量は約0.4倍@500keV
10mmあれば約10-4倍まで低減できるはず。。。

(0.4)10 ~ 1x10-4装置から50cm程度の周囲（側面と上面）を厚さ10mmの鉛板で覆うべし。

遮蔽体素案
幅 1m
高さ2m
但し、下50cmは空きスペース～1.2m～2.2m

～1.6m

地面
ビームライン
高さ1.2m～2.6m
鉛板：20cm x 50cm x t1cm 11.3kg
総数：152枚、総重量1717kg