フォトカソード RF ஏ子ࢠカソードロードロックシステム
照沼信浩1,A)、廣瀬友֖ B)、༃木千尋 B)、ଥહ川豪志Ｃ)、栗木雅夫 A)、早野仁司 A)、
浦川順治 A)、݄富俊和 A)、中西彊 B)、奥見正治Ｂ) 、࡮井いずみＤ)、݄野幹男Ｄ)、
野村昌弘 A)、平野耕一༰ A) 、山崎良雄 A)、‫ݗ‬田隆之助 E)、柏木茂 E)、༿尾方一 E)A)

݄エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

名古屋大学大学院理学研究科〒464-8602 名古屋市千種区不老町B)
C)

総合研究大学院大学数物科学研究科Ｄ)

E)

放射線医学総合研究所

早稲田大学理工学総合研究センター

概要
KEK にあるࠌ験加速器施৓(ATF)では本年度秋をめどにஏ子源を Cs2Te カソードを用いた RF ஏ子ࢠに変え、低エミッタンスでのマルチバンチஏ子ビーム生成を‫ٽ‬画している。ここでは Cs2Te カソードの݄い量子効率を落とさずにカソードを空洞まで導入できるように、ஏ子ࢠの৓置場所でカソード表面のクリーニング、Cs2Te 蒸着さらにカソードの RF ஏ子ࢠへの装着を一貫して真空中でおこなうロードロックシステムを৓‫ٽ‬した。

１．はじめに݄エネルギー加速器研究機構にあるࠌ験加速器施৓(ATF)では、将来のリニアコライダーで必要とされる低エミッタンスマルチバンチビームを安定に生成する技術開発を進めている。ஏ子源には 240kV
熱ஏ子ࢠを使用しており、これに 357MHz 定在波型 SHB（２台）と 2856MHz 進行波型バンチャーとを組み合わせ Injector ശを構成している。シング
ルバンチおよびマルチバンチの生成は、バンチに対応したパルスஏ圧を熱ஏ子ࢠのグリッドに加えることで実現している[1]。ATF で生成されるマルチバン
チ ビ ー ム は 、 バ ン チ 間 隔 2.8ns 、 強 度 1.0x1010
electrons/bunch で 20 個のバンチで構成されている。
しかしながら、ダンピングリングへの入射はビーム強度を 2x109 に抑えているのが実情である。これは生成されたビームの energy tail や energy jitterが beam loss を引き֙こし、放射線レベルを上げているためである。従って、本来のビーム強度を上げた状態で研究をするためにはこれらの問題をӂ決しなければならない。
‫ة‬年、様々な研究機関でフォトカソード RF Gunの開発が行われ、熱ஏ子ࢠに代わるஏ子源として使用され始めている[2][3]。フォトカソード RF Gun の特徴は݄輝度、短パルス、低エミッタンスが期待できることである。

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E-mail: nobuhiro.terunuma@kek.jp〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1〒263-8555 千葉県千葉市稲毛区穴川 4-9-1〒169-8555 東京ஞ新宿区大久保 3-4-1

ATF では昨年夏にシングルバンチのレーザーと無酸素௤カソードを用いた RF Gun のࠌ験を行った。
目的は LINAC における低エミッタンスビームの安定な生成である。実験期間は半月ほどであったが、現在の熱ஏ子ࢠシステムと比べて安定であること、特に生成されたビームが 100%リングへ入射され放射線の問題を֙こさなかったことを確認できたことの意義は大きい [4]。
本年はマルチバンチレーザーを用いた RF Gun のࠌ験を行う[5]。カソードは量子効率の݄い Cs2Te をMo プラグの表面に蒸着することで形成する[6][7][8]。
これによりマルチバンチレーザー系を現実的な強度レベルにとどめることになる。Cs2Te はଢ݄真空下で維持されないと急速にその݄量子効率の性࠽が失われてしまう。従って、蒸着から RF Gun への装着までをଢ݄真空下で行うロードロックシステムが必要となる。

２．ロードロックシステム
RF Gun の৓置は、現 ATF の SHB およびバンチャーശ分をӂ体して確保した場所で行う。現在の熱ஏ子ࢠそのものは RF Gun 実験後のシステムの復帰を考慮し、真空保持した状態で現場に維持する。横方向は作業通路や放射線シールドで制限されるため、結果として約 2m 四方の範囲にカソードのロードロックシステムを収めなければならない。この条件で配置したロードロックシステムの全体を図１に示す。
機能別に、RF Gun にカソードプラグを装着するശ
分、イオンビームで Mo カソード面をクリーニングするശ分、Cs2Te を蒸着しカソードを形成するശ分、それぞれの装置へカソードプラグを移動させる搬送系から構成される。

2.1!!ஏ子ࢠへのカソード装着
ATF の RFGun は BNL で৓‫ٽ‬されたもので、
halfcell 空洞の end plate がボルトで付け替えられるタイプのものである。ATF でのマルチバンチビーム生成では、Cs2Te カソードを使用するため end plate

図１：ATFRFGunLoad-lockSystem 構成
中心にφ16mm の穴を開けカソードプラグを装着できるように変更している（写真１）。
カソード面は図２に示す様に Mo プラグの先端ശにあり、φ15mm の大きさである。主࠰の先端に取りつけられたカソードプラグは、end plate にロー付けされた SUS ガイドに誘導されながら進行し、֖定位置のブロックに接して停止する。

図２：EndPlate ശ詳細。左側が RFGun 空洞。

写真１：カソードガイド付き EndPlate.
Mo プラグの先端付‫ة‬にはバネ構造をした BeCuのコンタクト（写真２）が取りつけられる。コンタクトはカソードプラグが֖定位置に達する 0.8mm
手前で end plate に接するが、さらにプラグが֖定位置まで送られることで end plate とのஏ気的接触を確保する構造になっている。
֖定位置に達した後もカソードプラグを押し続けてしまうと end plate に必要以上の力が加わり halfcell 空洞の周波数が‫נ‬容値をଢえてずれてしまう。
そのため主࠰の駆動装置にはトルクリミッターが৓

写真２：BeCu コンタクト。
けられており、৓定したところで停止する৓‫ٽ‬になっている。

2.2!!カソード面のクリーニング
Mo プラグのカソード面はダイヤモンド研磨によって؈面状態にされる。これは暗ஏ流を減少させるためである。࠽の良い Cs2Te を形成するためには可能な限り不純物を取り除いた清浄な表面であることが望ましいので、本装置では 5 keV の Ar イオンࢠ
でカソード面をスパッターし清浄な表面を作るイオンクリーニングを行うことにした。カソード面のスパッター量は 50nm 程度である。Mo プラグはその後、清浄な表面を維持したまま真空中を蒸着装置へと送られる。イオンࢠを稼働しているときは Ar ガスを供給しているので真空度は 10-3Pa 程度にとどまる。このため、クリーニング用チェンバーをゲートバルブで他と隔離し、蒸着系への影؉を最小限に抑える。また、バルブで区切られたことにより単独での大気開放ができ、外ശとの Mo プラグの出し入れが可能となる。

2.3!!カソード形成
クリーニング後、Mo プラグは蒸着用チェンバーに搬送され、カソード面への Cs2Te 形成が行われる。
Cs2Te は始めに Te、その上に Cs の蒸着を行うことで形成される[7][8]。蒸着中、カソード面は内径 10mmの穴のあいた板でマスクされ、カソードശの縁やBeCu コンタクトなど暗ஏ流の原因になりそうなശ分に不必要にஏ子放出源を作らないようにしている。
Te の蒸着量は約 15 nm で膜厚‫ٽ‬でモニターしながら調整する。Cs の蒸着は量子効率を測定しながら最大（˜10%）で安定するまでおこなう。量子効率の測定は、回折格子で単色化された Xe ランプ光をカソード面に照射し引き出されるஏ流を測定することで行う。Cs2Te 形成に要する時間は９０分ほどであろう。
蒸着中の真空度は 10-7Pa 台を維持できるよう 400l/s のイオンポンプを用いる。蒸着系と主࠰系との間にゲートバルブが৓けており、蒸着中のൗ囲気が主࠰側（RFGun 空洞側）に流れないように、また、素材の入れ替えや蒸着系の変更などで必要以上にシステムが大気開放されないようにしている。

2.4!!カソードの搬送および保管
前述した各装置へのカソードの搬送は磁気カップリング式の直線導入機で行う。࠰の先端に付けられたプラグ受けを Mo プラグの後ろから差し込み回転させてロックする。この際、プラグ自身は下方から台座で支持されており、࠰の抜き差しや回転に対して抑えられている（図３）。この台座も磁気カップリング式の直線導入機に取りつけられており、上下移動と回転ができる。
カソードプラグは前述したクリーニングശで出し入れする以外に、装置内（真空中）に５個保管できるようにしてある。これにより条件の異なるカソードを短時間で RF Gun に装着し生成されたビームの評価をすることが可能となる。

図３：カソードプラグ支持機構。
カソードプラグが৓置や保管される場所での真空は、形成した Cs2Te の݄い量子効率を維持するために酸素などの量を低減させることが重要である[9] 。
実際には 10-8Pa 台以下の真空を達成し対処する事になるが、できる限り大気開放することなく装置を維持することが効率の良い運転にとって大事である。

3．今後の予定
本装置は７月中の組立、その後の Cs2Te カソードの形成ࠌ験を経て、９月のビーム運転に備えるべく作業が進められている。Cs2Te カソードの寿命は真空に強く影؉を受けることが知られており、十分なベーキング期間の確保と清浄なカソード面の維持に特に注意をしたい。ATF では２週間単位で運転と準備期間を繰り൶しており、様々な条件を変えたカソードのࠌ験を行い、その後にビーム加速運転を通して実৻的に評価することができる。加えて、Cs2Teをэえる量子効率を持つカソードの探索や暗ஏ流低減化のための表面処理などをࠌ験し、リニアコライダーなどで使用できる低エミッタンスマルチバンチ
ஏ子ࢠとしての技術を確立させたいと考えている。

参考文献[1] M. Kuriki, et al., HEACC 2001, Tsukuba, P1lc14.
http://conference.kek.jp/heacc2001/[2] S. Schreiber, “Performance status of the rf-gun based
injector of the TESLA test facility linac”, EPAC 00, p309311.
[3] H. H. Braun, et al., “The photoinjector option for CLIC: Past
experiments and future developments”, PAC 2001, p720.
[4] ଥહ川他、“ATF におけるマルチバンチ RFGun を用いた実験”、本研究会 (7P-14).
[5] 山崎他、“マルチバンチフォトカソード RF ガン”、
本研究会 (7P-51).
[6] E. Chevally, et al., “Production of a high average current
electron beam with Cs-Te photocathodes”, CTF3 Note020(2001).
[7] A. Di Bona, et al., J. Appl. Phys., 80 (5) (1996), p3024.
[8] 古田他、“スピン偏極 RF-gun に向けた基礎研究”、第２４回リニアック研究会、p192-194.
[9] P. Michelato, et al., “Cs2Te photocathode for the TTF
Injector II”, EPAC 96.