アルカリアンチモン光陰極高電圧電子銃からmAビーム生成
東北大学 多元研
量研

西森信行
永井良治、沢村勝、羽島良一

Aug. 2, 2017概要
• 大電流光陰極電子銃• QSTにおける光陰極電子銃開発• QE=5.8%のCs3Sb光陰極の成膜• mA級ビーム生成• まとめ

西森信行 第14回加速器学会 北海道大学

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Aug. 2, 2017

大電流電子ビームによる応用

J. Gardelle et al., PRSTAB12, 110701 (2012)

800MeV ERL-FEL

スミスパーセル FEL• 10kW EUVリソグラフィー光源•コンパクトテラヘルツ光源

N. Nakamura, IPAC17, MOPVA020.

CEA-CESTA, France

入射器要求性能
Chargeεn (µm)

Ipeak (A) Iave. (mA)

60 pC

0.603010

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Aug. 2, 2017アルカリ光陰極からの大電流発生例
コーネル大研究所

電子銃

ロスアラモスコーネルJLab

光陰極JLab

電流 mA

レーザー

QE %

寿命 h433MHz RF K2CsSb

32527nm

32.3

D. H. Dowell et al., APL 63, 2035 (1993)

250kV dc

K2CsSb60520

630

B. Dunham et al., APL 102, 034105 (2013)

250kV dc

Cs3Sb

34520

4.5

long

350kV dc

NaKSb

75520

4.566

200kV dc

K2CsSb5532

1.7

L. Cultera et al., APL 103, 103504 (2013)
R. R. Mammei et al., PRSTAB 16, 033401 (2013)

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Aug. 2, 2017

QST光陰極電子銃開発③ビームライン②250kV-50mA光陰極電子銃

プロファイルモニタ

ビーム生成用レーザー

偏向磁石
カソード電極①アルカリアンチモン光陰極成膜装置

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1. アルカリアンチモン光陰極成膜装置開発 (2013~)
コーネル大学の手法を参考
L. Cultera, “Fabrication, characterization and use of alkali antimonides in a dc gun”, P3 Workshop 2012.

a) トランスファーロッドa)f) タングステンヒーターc)b) 膜厚計CRTS-4 (ULVAC)c) 回転
パックホルダーb)d)e)d) NEGポンプ
MBE容器

アルカリアンチモン光陰極成膜装置e) AS-6-Cs-415-V(ALVATEC)
Mo boatSb 99.9999%

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Cs3Sb光陰極の成膜 （2016春）

1.5 150

10-6310-6

1.010-7

210-70.55010-8110-80010-9010-9

QE (%)

15 mmin height

33 mm in diam.

012time (hrs.)

3404time (min.)8vacuum (Pa)

10-5vacuum (Pa)4QE (%)Sb
Mo パック(cERL 互換)
Si(100) 基板

2.0 200

Cs evaporation
10-5T(degC)

2日後にQE増Aug. 2, 2017

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2. 光陰極直流電子銃開発 @QST
開発開始は2006年頃
R. Nagai et al., Proc. Of PAC09, 545 (2009)
R. Nagai et al., RSI 83, 123303 (2012)

250kV-50 mA HV 高電圧電源

 180kV-1µA ビーム生成
ガリウムヒ素光陰極

SF6 insulator gas tank

ガリウムヒ素光陰極準備容器

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cathode electrode2002001501501001005050

0010-80.5

真空 (Pa)

0.4
0.3
0.2
0.1
10-9048time (hrs.)120.0

放射線 (uSv/h)

高電圧 (kV)

250

高電圧電源電流 (uA)

カソード電極有の高電圧印加試験西森信行 第14回加速器学会 北海道大学

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ビームプロファイル

3. ビームライン
ソレノイド
偏向磁石
差動排気システムビームプロファイルモニター

beam dump

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150kV運転。
1.26uA@51uW@532nm → QE=5.8%
7x10-925200

2.0

6x10-9201.56x10-9

1.0

4x10-950

0.53x10-95002x10-9250150

100

Beam dump current (µA)

2.5051015time (min.)201510radiation (uSv/h)

250

Gun vacuum (Pa)HV (kV)

初ビーム生成 （成膜1週間後）

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Aug. 2, 2017

200

40

10-53010-6

2010-7501010-80010-90.6

150

100

00.2

0.4time (hrs.)

Beam dump current (µA)

10-4Beam dump current (µA)

505010408306204102000

2.0
1.0532nm laser power (mW)

QE (%)

250

Gun, beam dump vacuum (Pa)HV (kV)

50µA ビーム生成 （成膜4.5ヶ月後）

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Aug. 2, 2017mA ビーム生成 （成膜7ヶ月後）

Beam dump current (mA)

HV (kV)

5100

10-2

410-4

3210-650110-8

0010-10100

00.2

0.4time (hrs.)

0.60.855443322

11006000200
400532nm laser power (mW)

QE (%)

150

1.8mA with 200 mW laser
4.3mA with 500 mW laser

Gun, beam dump vacuum (Pa)250

20010+26Beam dump current (mA)

300

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Aug. 2, 2017

真空事故
300

10+26vacuum incident
Beam dump current (mA)

HV (kV)

200

100

51.5mA with 200 mW laser
3.6mA with 500 mW laser

410-2

310-4

210-6

50

110-8

0010-10

150

100

00.2

0.4time (hrs.)

0.6

0.8Gun, beam dump vacuum (Pa)250

Aug. 2, 2017

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まとめ
 QE=5.8%のCs3Sb光陰極を成膜（電子銃移送後の値）
 150kV - 4.3 mAビームを生成今後 真空作業、ベーキング、高電圧コンディショニング、光陰極成膜、ビーム生成
謝辞
本研究の一部は科研費(15K13412)の助成を受けたものである。