Proceedings of the 21st Linear Accelerator Meeting in Japan(September 3 0 -October 2,1996, Tokyo, Japan)[P 1 - 35〕

D.C. High Voltage Test of Stainless Steel Electrodes for a Polarized Electron Gun
C.

Suzuki, T. Nakanishi, S. Okumi, M. Tawada, K. Togawa, C. Takahashi
H. Matsumoto1,M. Yoshioka1,Y . Takeuchi1, and K. Nishitani2
Nagoya University, Department of Physics Furo-chou, Chikusa-ku, Nagoya, 406, Japan1 )National Laboratory for High Energy Physics 1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305, Japan2) ATC Co., Ltd. 36-7 Namiki-cho, Hachiouji-shi, Tokyo, 193, Japan
Abstract
In order to keep a high quantum effeciency in a GaAs type polarized electron gun, it is required to keep a ultra highvacuum and to achieve a very low dark current during a high voltage operation. A D.C. high voltage test system wasconstructed to study these subjects using an electrodes with single sh叩e. The electrodes were made by a ultra-clean
stainless steel to eliminate impurities on its surface. The surface treatment and the rinsing methods were also selected
carefully to make the surface as clean as possible. In the experiment, no field emission current was observed from a 1 cm
gap electrodes up to -120kV of operation voltage, which correspond to the electric field gradient of 1lMV/m. The
maximum field gradient was increased up to 34MV/m, where the field emission current of 88 pA was observed from thecathode surface, and the field enhancement factor obtained from the Fowler Nordheim plot was 40.
偏極電子源用ステンレス電極の直流高電圧印可試験

はじめに次世代リニア コライ ダー におい て、素粒子反応表面に強い電界をかける必要があり、これにともの生成率を上げ、物理的に重要な事象を測定する

増加 は、 電子尊撃による真空度の悪化や、結晶へた めには、1034 7cm2/ s 近いルミノシティ一が必要の イ オ ン ボ ン バードメントを引き起こし、NEA表である。 このために電子源は、大電流のマルチバ面状態を劣化させ量子効率を低下させる。 これが、1ない必然的に放電暗電流が生じる。放電暗電流のンチビームを低エミッタンスで生成することが要

フォトカソードの寿命問題であり、放電暗電流を求される” (>1010 electrons/bunch, 50〜85 bunch, <10"

低 い レ ベ ル に 抑えることは高輝度偏極電子源実用

5 rad m ) 。 また、. リニアコライダーでは、 偏極電化への重要な課題である。

子ビームを減偏極させることなく加速できるということが、素粒子実験の際に大きな武器となりう電極表面に絶縁性不純物が存在すると、激しいる 。 偏 極 電 子 ビ ー ム の 有 用 性 は 、 S L C での電子放出点となり、高電圧特性を著しく劣化させWeinberg A n g le 精密測定より明らかである。 2)次る。 4 ) そこで我々は、 この放電問題にたいする根世 代 の リ ニ ア コ ラ イ ダ ー が 目 指 す 500GeV〜ITeV

本的な解決法を見つけるために、 チ ェ ン バ ー の 徹のエネルギー領域では、超対称性粒子の探索をは底した高純度化と清浄化による不純物の排除をおじめ、 さまざまな物理的に重要な実験に偏極電子が大きな役割を果たすことが期待されている。1〉

こない、 超高真空の生成と放電暗電流の削減を追求 し 、得られた結果を電子源の設計、製作に還元

我々のグループは、 上に述べたビームパラメ一するための装置を製作した。5 ) こ の 超 高 真 空 •直夕一を満たし、 実用に耐える十分な寿命を持った
高輝度偏極電子源の開発を目的に研究をおこなっ

流高電界試験 装置で は、材 質 、表 面 処 理 、洗浄方法にたいして現在求め得る限りの技術を応用し、ている。偏 極 電 子 を 生 成 し DC 1 0 0 k V で加速するその有効性を明らかにするのが目的である。

試作装置として、偏 極 電 子 源 2 号 機 (N P E S -2 )を開発中であるが、初期の試験において、C W レーザ

2実験装置の概要：

一を照射し/ / A オーダーのフォトカレントを連続的i の 超 高 真 空 • 直流高電界試験装置では、 放電に取り出したときのガソードの寿命が、 数時間程暗電流を極限まで削減するために:、数々の新f支術

度 し か 持 た な い と い う 問 題 が 明 ら か と な っ た 。 3)が導入されている。電極表面に存在する不純物をこの克服が本研究の動機のひとつである。

徹底的に削除するという意図のもとに、 材質そのものに含有される不純物を低減させることから始GaAs型フォトカソードから大電流を引き出すた

め、 出来る限り清浄な表面を達成するための処理

めには、負 の 電 子 親 和 性 ( N E A ) を持たせた結晶を選び、 施した 。具体的 には 、チェンバーおよび

一349 —

電極に対し、以下のような方法を採用した 。5)〇 材 質 ：超 清 浄 ス テ ン レ ス 鋼 NK Clean Z 材 は Si

Mn, P, S，といった不純物元素の混入比を下げ、非金属 介 在 物 の 表 面 1mm2 あたりの存在個数を、 通常の 30個 /mm2 か ら 0.3個 /mm2 にまで低減させたス
テンレスである。電極表面に酸化物、炭 化 物 、 といった不純物が存在すると、高電界下で電子放出点として振 る舞 うため 、出来る限り清浄な材質を選択した。
〇 表 面 処 理 ：バフ研磨ど電界溶出作用とを同時におこなう電解複合研磨は表面粗度（Rmax)で 0.1
以 下 と 電 解 研 磨 に よ る 0.5/im を上回る仕上げが達成できる。 ピットには、不純物がたまりやす
く高電压特性を劣化させる原因となるため、 優れ絶縁管漏洩電流、 コロナドームから大気への放た鏡面化の可能な電解複合研磨を採用した。
また、電極以外のチェンバーに対してはクロム酸化膜 処理に より、表面の不動態化をおこない水分 子 の 活 性 化 エ ネ ル ギ ー を 0.08eV まで下げ、排気速度と到達真空度の向上を目指している。 （電出電流をも含めた全暗電流の測定は、高圧ケープル に 直 列 に 挿 入 し た 1 M il の抵抗の両端の電圧を、高 圧 に 浮 か せ た テ ス タ ー で 読みとる。 こ の 方法では、O.lnA の全暗電流の測定が可能である。
電極の形状は、 力 ソ ー ド が 直 径 48mm の円柱の解研磨表面の活性化エネルギーは 0.15eV。 )〇 洗 浄 ：各コンポーネントに対して温超純水洗浄(70°C, 18.2 MH • cm) をオ ー バ ー フ ロ ー にておこなった。 これは、活性な純水を常に使用し、 溶解力の強い状態を保つためである。
〇 組 立 環 境 ：埃などの再付着を防ぐため、 クラス

1の ク リ ー ン ル ー ム で 全ての組み立てをおこなった。
なお、最 終 洗 浄 も 同 じ ク リ ー ン ル ー ム 内でおこなわれている。

角 を R l5 m m で 丸 め た も の 、 ア ノ ー ド は 直 径 48m m の半球形である。電極に対して、最高レベルの電解複合研磨（0.5"m A1A 砥 粒 ） を施 した後 、SE M による表面調査により通常の電解複合研磨と比べて、十分均一で不純物のない表面が得られていることを確認した。
全暗電流の測定〜直流高電圧印可試験

3

装置全体を 250°Cでべ一キング、本排気後、電極

超 高 真 空 • 直流高電界試験装置の全体図を図 1に示す。試験装置ではあるが、容 積 26 £ 、 真空内表面 積 1.1m2 と実際の電子源と変わらない大きさを持っ て い る 。材質や表面処理の違いによる高電圧

間 距 離 を 1cm に設定し、 直流高電圧印可試験を行つた。_122.5kVまでセラミツク絶縁管のプロセツ
シ ン グ を お こ な っ た 後 の -120kV 安定印可試験の結 果 が 図 2 である。

特性の変化を研究するために、電極部はアノード、160

力ソードともに交換可能である。
140

電極 は マ イ ク ロ メ ー タ ー へ ッドにより真空中を可動し、0 〜2cm の範囲で電極間距離を変えること電子源に限らず、 ク ラ イ ス ト ロ ン や RF-GUNなどのさまざまな高電圧デバイスの性能改善に向けての研究が可能である。
力ソードからの電界放出暗電流は、アースと絶縁されたアノードにより受けとめられ、 これをピコアンメーターにより測定する。

-350 -

1006060sage<(

実験をおこなうことができる。 したがって、 偏極c<)lin o sgBo

により、 さ ら に 高 い 電 界 強 度 （〜数十MV/m) での1201 0

エクストラクターゲージによる真空度は、3.6X下がりの直線となり、勾 配 か ら 0 値を算出すること' 1 1 T o r r を示し、全 暗 電 流 は 0 .6 n A であった。

ができる。

また、図 3 はこのときの力ソード表面上の電界強図 4 に、 実 験 結 果 を F - N プ ロ ッ ト によって表し度の分布をシミュレ一シヨンにより求めたものであり、最 大 で l l M V / m となっている。通常、偏極たものを示す。 はじめに、電界放出電流を測定した
ときの プ ロ ッ ト が （a) であり、 さらに カ レ ン ト コ

電 子 源 で は N P E S -2 で 5MV/m (lO O kV 印可時）、

ン デ イ シヨ ニ ン グを続けて3 日後に得られた プロッ

S L C の G U N で 7MV/m ( l2 0 k V 印可時） の最大ト が ( b ) である。34M V /m での電流値は、3600pA電界強度となっているが、 今回の実験ではこれら

か ら 8 8 pAへと減少し、電 界 強 度 を 3 8 M V /m までを越える電界強度でも電界放出暗電流は検出され上げ、最終的に得られた0 値 は 4 0 . 0 であった。

ず、 さらに高い電圧での安定印可が可能である。
F-N PLOT

gap 1 mmE( M4-5<_lE/AS iua p Josetn()

LU

68( 、- g) o-5一)

to

5co

06Position (mm)1/E ( E: V/m )力ソード表面上の電界強度分布2

図36図4(座 標 は 、 力 ソ ー ド の 中 心 を ゼ ロ と し 、半径方向をプラスにとる。）

5F-N Plot

まとめ
今回の実験では、 g叩 1cm、-120kV (llM V /m ) に

4電界放出暗電流の測定〜電極特性試験

おいて、全 暗 電 流 0.6nA、真 空 度 3.6X10-n T o r r を次に、電 極 間 距 離 を 1 m m まで縮め電界放出電達成した。 さらに、電極間距離を縮め、gapl m m 、流をとらえることにより、電極の高電圧特性の測定-34kV(34MV/m )、の時、電 界 放 出 暗 電 流 8 8 pA ,をおこなった。電界放出電流は、理想的な金属表面

電 界 増 倍 係 数 0 = 4 0 を得た。に強電界が作用したとき、薄くなったポテンシャル

これは、 材質の選択からはじめた不純物の徹底障壁を、電子がトンネル効果によりすり抜けてくる• した排除が十分に効果を発揮し、暗電流の絶対値を現 象 で あ り 、 Fowler-Nordheimの 式 に 従 う 。 4)実験減らすことにつながっていると思われる。清浄で均においては、何らかの電界を増倍する構造が表面に一な表面を達成し、その後も汚染されることなく良存在すると考え、 この理論式からのずれを電界増倍い状態を保ち得たことが、暗電流放出点の増加を防係 数 を 導 入 す る こ と に よ り 評 価 す る 。 ，値は、電ぎ、優れた電極性能を示す#値および微少な暗電流極からの電子放出のしやすさを示し、 1 に近いほどに結びついていると考えられる。

理想的な表面に近いと考えられ、電極の高電圧特性を表す重要な指針となる。電極の材質、形状、表面今回 の試験装置の製作で採用した方法は、 すべて実際の電子銃に適用可能なものであり、将来のよ処理によって 丨
3 値はさまざまに変化するが、直流電り高電界型電子銃実用化への指針となるはずである。

圧 下 で は 通 常 150〜3 5 0 程度となることが報告されている。 6 ) 仕 事 関 数 yKeV) を持った理想的な金属

参考文献

表面 に 、電 界 強 度 E (V /m ) を加えたときに観測さ

1) JLC Group, KEK Report 92-16 Dcember 1992

れ る 電 流 値 1 ( A ) は、電 子 放 出 点 の 面 積 を S (m2) と2) SLD Collaboration, SLAC-PUB-6456 March 1994
3 ) 本研究会渡川らの発表を参照のこと、し た 時 Fowler-Nordheim の式 に よ っ て 表 さ れ る 。
卢値を導入し、 こ の 式 を 17E2 と 1 /E の関係として表すと次式のようになる。
logf -4-1= -6.53 x 109[E2p E log|----------------------------Tl ^ l ^ x l O ^ x l O 4520 xSP\-

実験結果をこの式でフイットするとグラフは右

4) R. V. Latham, High Voltage Vacuum Insulation '.PhysicalBasis
5) C.Suzuki et al., Proceedings of the 20th Linear Accelerator
Meeing in Japan6) R. V. Latham and N. S. Xu, Vacuum volume 42 number 18(1991)-351 -