Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 MOP048

コンパクト ERL 電子銃の高性能化
IMPROVED PERFORMANCE OF THE CERL GUN
西森信行#, A), 山本将博 C), 羽島良一 B), 森道昭 B), 永井良治 B), 宮島司 C), 内山隆司 C) , 本田洋介 C)
Nobuyuki Nishimori #, A), Masahiro Yamamoto C), Ryoichi Hajima B), Michiaki Mori B), Ryoji Nagai B), Tsukasa
Miyajima C), Takashi Uchiyama C), Yosuke Honda C)A)
Tohoku University, 1-2-1 Mikamine, Taihaku, Sendai, Miyagi 982-0826
B)
QST, 2-4 Shirakata-Shirane, Tokai-mura, Naka, Ibaraki, 319-1106
C)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
Beam commissioning of the compact ERL (cERL) was performed from Apr. 2013 to Mar. 2016 for the nextgeneration ERL light source project. The DC photoemission gun at the cERL has stably generated average beam current
up to 0.9 mA at 390 kV. The operational high voltage was successfully increased up to 500 kV after installation of anadditional two segmented ceramics to the existing ten segmented ceramics. A problem towards 10 mA beam generation
at 500 kV is discussed.

1.

はじめにコンパクト ERL（cERL）は、次世代 X 線放射光源、大強度ガンマ線光源[1]、EUV リソグラフィー用高繰り返し自由電子レーザー（FEL）[2]を見据えた試験加速器として、2013 年 4 月から 2016 年 3 月までコミッショニングが進められた。2015 年度末までに 1mA のエネルギー回収試験を終え[3]、レーザーコンプトン散乱（LCS）X 線によるイメージング実験[4]、テラヘルツ放射光生成試験も行った[5]。
その間、cERL 光陰極電子銃はトラブル無く、安定にビームを供給した。本電子銃の 2015 年夏までの開発状況については第 12 回加速器学会のプロシーディングス[6]等に報告されている。
本報告では 2015 年夏以降の運転、開発状況について紹介する。2 章では、2016 年 2,3 月に行われた
cERL の 1mA 運転中の電子銃運転状況を報告する。
3 章では電子銃セラミック管の改造後の高電圧コンディショニングと運転状況について報告する。cERL電子銃は 500kV 運転の実績[7]はあるものの、10 段セラミック管に不具合を生じたため、8 段セラミックとして 390kV で運転を続けてきた。2015 年 7 月、新規 2 段セラミック管を増設し 500kV 運転を再度目指す改造作業を行った[6]。カソード電極とそれを支えるサポートロッド電極の無い状態で 550kV までの高電圧印加に成功した[6]。夏以降に、カソード電極とサポートロッド電極をインストールし、550kV までの高電圧コンディショニング、500kV での高電圧保持試験を行った。cERL 電子銃としては、主に390kV で運転を行ったが、450kV 運転のデモンストレーションも行った。電子銃の高電圧化により、加速ビームが低エミッタンス化することも実証されている[8]。2016 年 4 月以降も、電子銃のみの運転を続けており、500kV でのビーム生成も行った。現状の問題点として光陰極そのものから発生する暗電流が観測されており、原因を調査中である。4 章では、将来の 10mA 運転に向けた取り組みについて述べる。
また、本稿で詳細は述べないが、FEL 利用を視野に入れた高電荷ビーム生成用電子銃駆動レーザーの開Figure 1: Cathode voltage (red), vacuum pressure(green), beam current (blue), laser power (orange), andquantum efficiency (purple) during CW operation withbeam current up to 0.9 mA.

___________________________________________# n_nishim@tagen.tohoku.ac.jp- 468 -

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クーロン引き出し後には QE は増加に転じている。
このような QE の減少と増加は、cERL 電子銃では10μA の施設検査の頃から観測されていた。例えば
2. CERL での光陰極電子銃運転2014 年 2 月 28 日の運転では、5μA の電流を数時間生成し計16mC の電荷を引き出すだけで、QE が2013 年 4 月から 2016 年 3 月までの 3 年間に及ぶ7.1%から5.7%（最初の80%）に下がった。ところ
cERL の運転中、電子銃に起因するトラブルは一度が、翌日には7%近くまで回復した。Fig.
1 では、最もなく、順調に電子ビーム供給を行った。Fig. 1 に初のビーム引き出し（横軸1hourの近辺）では5分
2016 年 3 月 29 日運転時の電子銃電圧（赤）、真空程度の時間に170mCのビームを生成した。その間、度（緑）ビーム電流（青）、レーザーパワー（橙）、光陰極量子効率 QE（ビーム電流/レーザーパワー） 確かに QE は最初の値に比べて 85%に減少している。
を示す。QE の絶対値は約 2%程度である。電子銃の しかしながら、この間の引き出し電荷は 2014 年時
標準的な運転電圧は 390kV であった。3 年間の延べ の 10 倍であり、16mC の引き出し電荷での QE 減少
運転時間は 1500 時間を超えたが、電子銃に起因す はない。このように、QE 減少と引き出し電荷の間る放電を起こすことはなかった。電子銃真空度は 1 に明確な相関が得られておらず、QE の振る舞いに×10-9Pa という極高真空を維持している。1mA 近い ついて、理解が不充分である。我々の実験データかビームを生成しても電子銃の真空度に変化はほとん ら電荷引き出し寿命の議論をするのは今のところ困難である。
ど見られなかった。
2016 年 2 月の cERL 運転開始前に、光陰極準備容Fig.1 の例では、ビーム運転開始直後には QE が急器に高空間分解能QE マップ測定システムを導入し速に劣化しているように見えるが、その後安定になた。ビーム生成試験前後のQE マップの詳細な比較り、途中からむしろ増加に転じているように見える。
が可能になった[9,10]。これにより、光陰極寿命のこの日に引き出した電荷は 14 クーロンであるが、2理解が異なる観点から進むようになると期待される。
発にも着手している。本発表では、これら cERL 電子銃の高性能化について報告する。

3.

Figure 2: HV conditioning results with central stem
electrode and cathode electrode. High voltage (red),vacuum pressure (green), and radiation (purple)
during high voltage conditioning.

500kV 運転2015 年秋にカソード電極とサポートロッド電極をセラミック管にインストールして、高電圧コンディショニングを行った。すると、180kV という低い電圧から放電が発生し、高電圧コンディショニングが進まないという事態に直面した。セラミック管単体の高電圧試験では、550kV まで放電なしに印加できることを確認していたため、新たにインストールしたサポートロッド又はカソード電極が原因である可能性が高いと考えた。特にサポートロッドはセラミック管の増設に伴い延長の必要があったため、延長サポートロッドを継ぎ足して対応していたが、その継ぎ目から電界放出電流が発生し問題を起こしていることが考えられた。確認のため、電子銃の周囲にポケット線量計を配置し、放電による放射線分布測定を行った。結果、延長ロッド継ぎ目に対応する部分で放射線が高いことが判明した。継ぎ目のないサポートロッドを急遽製作し、2 ヶ月後にインストールした。
Fig. 2 に高電圧コンディショニングの様子を示す。
サポートロッド交換の効果で、400kV 近くまで放電せずに上昇した。これまでの実績とほぼ同様であり、継ぎ目が原因で 180kV で放電していたことが明確になった。その後、コンディショニングを続け 550kVまで到達し、500kV で 4 時間無放電を達成した。これにより 500kV でのビーム生成の目処が立った。
このコンディショニング試験中に、放電停止電圧と安定に運転できる電子銃電圧に強い相関のあることを我々は発見した。メカニズムなど詳細については既に論文化されており[11]、本学会で別途発表がある[12]。

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抗を 66.6kΩから 100MΩに交換した。現在、500kVビーム生成試験に取り組んでいる。

4.

10mA 運転に向けた取り組み

cERL 電子銃は JAEA において開発され、2012 年に 500kV で 2mA ビーム生成に成功した[7]。当時問題となったのが、最大電流値である。コッククロフ
ト高電圧電源は 10mA 運転仕様であったにも関わらず、2mA 以上の電流値では電圧降下が発生した。
コッククロフト電源に不具合があるのは明らかで
Figure 3: HV test without central stem electrode withあった。500kV ビーム生成試験後、直ぐに開始した
additional ceramics. Red is HV and blue is vacuum.
cERL への移設作業や、ビームコミッショニング運Fig. 3 に 2016 年 3 月末に行った 450kV 運転時の電 転のため、原因をそれ以上調査することは困難で子銃高電圧と真空を示す。このビーム調整運転では あった。高電圧電源の試験を行うためには、500kV
cERL 周回軌道のビーム輸送、エネルギー回収を実 で 10mA 流せる負荷が必要であるが、現状の電子銃施し、エミッタンス測定を行った[8]。安定に運転が を用いたビーム生成と異なる負荷（抵抗など）を、出来ていることがわかる。ビーム調整のためバース 新規製作することは予算的にも困難であった。
トモードで運転を行い、電流量は nA 程度であった。 2016 年になってから、セラミック管増設によりビーム輸送がうまくいけば、CW 運転も可能であっ 500kV 印加が可能となったため、高電圧電源の調査たが、1,2 日という限られた時間でビーム調整がそ を再開した。Fig.4 上に示す高電圧電源はコッククロフト電源本体と、その最下段の高周波電圧トランスこまで進まなかった。
cERL 運転が終わった 4 月以降に電子銃単独で運 フォーマー（cERL 電子銃の場合は 25kHz の交流転を行った。放電時のダメージを抑制するため、高 250V を 24kV に変換）に給電するためのインバータ
電圧電源とセラミック管の間に挿入している出力抵 電源で構成される。コッククロフト電源本体は電子

Figure 4: Circuit diagram of Cockcroft-Walton (CW) generator. A current transformer (CT) is used to monitor theelectric power provided from the inverter circuit during operation of the CW generator. The bottom right showswaveforms of CT signals during 390 kV with 0 mA beam (red curve) and 0.8 mA beam (blue curve).

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銃の SF6 タンク内にあるが、インバータ電源は大気 注意しなければならないのは、電流を増やし過ぎる中に置かれている。そこで、Fig. 4 左下に示すよう と、電子銃電源の電圧降下が起こることである。数にインバータ電源の出力の一つに CT（カレントト mA に及ぶ大電流ビーム加速時に電圧降下が発生すランスフォーマー）を設置して、高電圧印加中のイ ると、ビームダイナミクス的にはわずかな影響でンバータ電源出力の様子を調べた。Fig.4 右下に示 あっても、ビームハローなどがビームラインに深刻すのが 390kV 運転時の CT 波形であり、0mA（青） な影響を及ぼす可能性があり、注意が必要である。と 0.8mA（赤）の場合を示している。この結果から、 2012 年 JAEA での電子銃単体試験でも、電圧効果が390kV での最大生成電流を推定するのは困難である。 放電を誘起して光陰極にダメージを与えるなど、影そこで、550kV まで印加電圧を変えながら CT 波形 響は深刻であった。現状の装置を用いて 1mA 以上を測定した。波形データをまとめるため、各波形の の大電流ビーム試験を行う際には、電子銃電圧を常半周期分の面積（0V を基準とする）を求め、プ 時監視し、設定電圧より下がった場合にはビームをロットしたのが Fig. 5 である。ほぼ直線状にデータ 停止するなどインターロックシステムの構築が必須が分布していることがわかる。縦軸のインバータ電 である。
源出力は、390kV の 0mA と 0.8mA の差から校正し5. まとめた。
500kV で 2mA 生成に成功した実績から考えた場
2015 年夏以降の cERL 電子銃の運転、アップグ合の最大供給能力の推定値（5.7kW）を鎖線で示しレード状況について報告した。cERL 電子銃として、た。0mA で高電圧 V[kV]を印加した場合、電源回路最大 1mA 近いビームを安定に供給した。運転電圧のフィードバック制御に必要な高電圧電源電流値はが 390kV に留まっている問題解決のため、電子銃セI[µA]=0.33V[kV]-0.29 である[6]。500kV では 165µAとなり、実測値と一致する[13]。ところが、現状の ラミック管の増設を行った。カソード電極などをイ
インバータ出力は 500kV-0mA で 5kW に相当するパ ンストールし、ビーム生成条件下で高電圧試験を行ワーを供給していることになり、フィードバック電 い、550kV までのコンディショニングと 500kV で 4流値の 60 倍に相当する 10mA 分の電流が流れてい 時間以上無放電を実証した。また、cERL においてる。この電流が観測にかからないコッククロフト電 450kV ビーム生成も行った。高バンチ電荷運転のた源中のコンデンサやダイオード中を流れているのか、 めの電子銃駆動レーザー開発にも着手しており、本高周波トランスフォーマーでロスしているのか不明 電子銃を用いた高繰り返し XFEL 用の高輝度大電荷であるが、500kV では 5kW にも相当するパワーが 電子ビーム生成試験も視野に入れている。
コッククロフト電源本体のどこかで失われていることになる。ロスのない理想的な状態では Fig.5 のイ 謝辞
ンバータ電源出力/高電圧の傾きが 1/60 になるべき電子銃の真空作業、高電圧コンディショニング作である。今後、調査を進めるにあたり、空気中でも業、ビーム生成試験には、NAT
浅川智幸氏、NAT
可能な 100kV 以下で傾きが減る条件を探せばよいと
沼田直人氏、三菱電機 飯島寛昭氏、東日技研 亀思われる。
高電圧電源を現状のままで使用すると、390kV で 田吉郎氏、東日技研 路川徹也氏に御協力頂きましは 5mA 程度までのビーム生成が可能と推定される。 た。また、ERL 推進室河田洋教授、KEK 加速器第 7研究系小林幸則教授、坂中章悟教授をはじめとする
cERL 関係者の皆様から多くのご支援を頂きました。
本研究の一部は、科研費 15H03594 の成果である。

参考文献

Figure 5: Inverter output power as a function of highvoltage of Cockcroft Walton generator.

[1] 羽島良一 他、「レーザー・コンプトン散乱による高輝度ガンマ線の実現とその利用」、第 12 回加速器学会プロシーディングス, WEPOM07, 79 (2015)..
[2] 中村典雄 他、「ERL を用いた高出力 EUV-FEL 光源の S2E シミュレーション.スタディ」、本プロシー
ディングス、TUP074 (2016).
[3] 坂中章悟 他、「コンパクト ERL におけるビーム電流 約 1mA の 運 転 」 、 本 プ ロ シ ー デ ィ ン グ ス 、WEOM15 (2016).
[4] 赤木智哉 他、「レーザーコンプトン散乱による小型高輝度Ｘ線源開発」、第 12 回加速器学会プロシー
ディングス、THP114, 1331 (2015).
[5] 本田洋介 他、「cERL 周回部におけるバンチ長と放射スペクトルの測定」、本プロシーディングス、
MOP077 (2016).
[6] 西森信行 他、「コンパクト ERL 電子銃の現状とアップグレード計画」、第 12 回加速器学会プロシー
ディングス、WEP037, 511 (2015).

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Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, JapanPASJ2016 MOP048[7] N. Nishimori et al., Appl. Phys. Lett. 102 (2013) 234103.
[8] 島田美帆 他、「コンパクト ERL におけるエミッタンスおよびオプティックス測定」、本プロシーディン
グス、TUP063 (2016).
[9] 山本将博 他、「大電流 CW ビーム運転前後の半導体フォトカソード量子効率分布測定」、本プロシーディングス、MOP043 (2016).
[10] 亀田吉郎 他、「光陰極の 2 次元高解像度 QE 分布測定装置の開発 」、本プロシ ーディングス 、TUP096(2016).
[11] M. Yamamoto and N. Nishimori, Appl. Phys. Lett. 109(2016) 014103.
[12] 山本将博、西森信行、「超高真空における電子刺激脱離と直流放電現象の関係」、本プロシーディングス、
MOOL07 (2016).
[13] N. Nishimori et al., “Development of a 500-kV
photocathode DC gun for the ERL light sources in Japan”,
Proc. Of FEL2009, TUPC17, 277 (2009).

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