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HIGH GRADIENT STUDY ON UHV COPPER CAVITY AT S-BAND
FOR POLARIZED RF GUN
M.YOSfflOKA, H.MATSUMOTO, Y.TAKEUCHI，K.SAITO, H.AKIYAMA*,
E.TANABE**，K.NISHITANI***，H.MIWA****，T.SUZUKI****
KEK, National Laboratory for High Energy Physics
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305 Japan♦Hitachi, Ltd. Energy Research Laboratory
2-1 Omika-cho, 7-chome，Hitachi-shi, Ibaraki-ken, 319-12 Japan**AET Co” Ltd.
1-3-4 Kamiasao, Asao-ku, Kawasaki-shi, 215 Japan***ATC Co” Ltd.
36-7 Namiki-cho, Hachioji-shi，Tokyo-to,193 Japan****Nomura Plating Co., Ltd.
Satuki-cho, Kanuma-shi, Tochigi-ken, 322 Japan
ABSTRACTAn UHV cavity which can generate high accelerating gradient is essentially important for photocathode rf guns
for future linear colliders. A single cell copper cavity at S-band rf frequency was rinsed with ultra pure water, which
was pressurized at 20 atm., in the clean room condition. The cavity was baked at 200 degrees C for 100 hours andevacuated with sputter ion pumps and NEG pumps. The base vacuum pressure of 1.5xlO"10 torr was achieved and thecavity was rf-processed up to the maximum surface electric field of 337 MV/m without any serious rf breakdown. The
pressure rise was only 5xl0-11 torr at this field level and the minimum microscopic field enhancement factor P was 37,
which was obtained with Fowler-Nordheim plot.

偏極電子用RF-GUNのための超高真空，超高電界加速空胴
1. はじめに

次世代リニアコライダーでは，電子ビームはスピン偏極ビーム，それも偏極度が90 % 前後が当然使用できるものと期待されている。これはスタンフ才ード線型加速器センター(SLAC)のリニアコライダー(SLC)において偏極度が50%を大幅に超えるスピン偏極ビームが，ルーチン的に使用されていることから考えれば自然なことである⑴。 とはいえ，これは数年前には当事者以外あまり予想し得たことではなかった。偏極電子源の力ソードについては，本研究会における他の発表[2,3]があるので，ここでは触れないが，ガリウム砒素系の結晶をフォ卜力ソードとして用いる。このフォト力ソードの開発は，SLACを中心とするグループと，日本の中西(名大)，大森,栗原(KEK)らのグルーブが，競争と協力により，大きな貢献をしたことは，過去の本研究会におけるいくつかの発表にも見られる。いわゆる「営業運転」用フォト力ソード電子銃としてはSLAC の圧倒的に進んだ超高真空と高電圧に関する技術開発が，決定的な役割を果たしている。電子統部品製作，洗浄,組み立てにいたる諸プロセスの徹底的な管理を行い，かつ，イ才ンポンプとNEGポンプを組み合せた合理的な真空排気システム，ペーキングプロセスおよび高電圧エージンダがもたらすものでベース圧力はIO ^ T oit を切っており，直流120kV を印加したときの暗電流は2 0 n A 以下になっている[4]。また，力ソードの交換や活性イ匕などの取り扱いは，ロードロッグシステムを用い，電子銃本体のベーキングおよび高電圧エ一ジングは，最初の一回のみで済む方式にしていることも，大きく寄与している。このように，フォト力ソード電子銃はSLAC により，完全に確立した技術にまで育てられたと言える。力ソードそのものについては，量子効率と偏極度双方をさらに改善する努力が，日米でなされている。
SLACの偏極電子銃は「単バンチ」用のものである。
ところが，
JLC はじめ次期リニアコライダーにおいては，ルミノシティをlXloBcm-Zs-1 以上にするために，100 バンチ( バンチ間隔は350ps ではなく 2.8ns 程度)程度のマルチバンチオペレーションにしなければならない。 KEKの内藤らは，熱電子銃でこれを実現するために，速いグリッ ドパ ル サ ー を 開発し，20バンチのビ ー ム を 力ソ ー ドから直接発生することに成功している。我々は偏極電子源の場合は，フ 才 トカソ ー ドを用いることの特性をいかして，RF 電子銃方式を採用することにした。
2 . フ ォ ト カ ソ ー ド RFGun
リニア コ ラ イダーのための偏極RF Gun の採用については[5] を参照して頂きたい。 DC Gun ではなく RF Gun でかつ，フ オ トカソードを用いようとすると，超高真空および高電界のときの暗電流に対する要求は，さらに厳しいものになる。

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我々は，先ず銅製のS-バンド単セル空胴を用いて超高真空でか つ ，暗電流を減らすための,基礎的な研究から着手することにした。超伝導空胴や常伝導空胴についての高電界の研究はこれまで多くの優れたものがある[6,7]
しまた，暗電流については優れたレビューもある[8】。これらの中で, 明らかとなった重要な点を列挙する。
⑴空胴の材質(物性, 不純物の混入)について吟味すること。（2 ) 次いで，空胴表面の状態。特にマシニングやその後の処理につ い て ，影響をよく知っておぐこと。⑶最後に，表面の洗浄, 組み立てを十分に注意して行うこと。
ここで，暗電流とは縁面に沿って流れる電流ではなく，金属表面からの電界放出電流(Ie)を指している。これは，Fowler-Nordheim Plot (F-N Plot)により評価ずるするが，従来の実験では理想的な金属表面の電界強度の50〜 100倍以上の電界強度でないと説明出来ない結果となっている。 これをMicroscopic Field Enhancement Factor (のと称している。

4 .超純水による高圧洗浄

空胴，空胴に接続する両側の短管，及び導波管の4 点を10〜30kg/cm2(85kg/cm2の高圧ポンプを低圧で使用したため吐出圧が不安定となった) に加圧した超純水(比抵抗17Mncm 以上) で内面洗浄した。写真1 に示すように，それぞれの パ ー ツ に あわせて製作した1/4インチ径の ステ
ンレス製バイブ(EしGrade)に放射状に細穴を空け，ポリエチレンフランジで固定し, 水を流しながら各1吩 程 度まんべんなく，洗浄した。その後，
各パ ー ツ は銅の酸イ匕を防ぐため半導体用メダノールをさらにフイルター(0.2/4m メッシュサイズ) でろ過したもので置換する。これまでの作業はクラス100のクリーンブースで行われる。その後，各パ ー ツ はKEK に持ち込まれ( 所要時間 約2 時間)，
試_ 置を囲むクラス100のクリーンブースでメタノールを抜き，装置に組み込まれる。ガスケッ卜はフイルタ一(O.lp m)を通したメ夕ノ一ルで塵を洗い流して使用した。装置はリークチェックの後，排気工程⑴ ] に移る。

Ie/Ep2-5 〜eX P(-6.53 • 109 伞1.5 / 芦. Ep)

ここにEpは空胴の最大表面電界強度，<Dは金属の仕事関数である。KEK の松本らは，上記項目の内（1) と(2) に特に着目して，注意深く製作した3m長のS-バンド進行波加速管に200M W ものRF-Powerを供給し，45〜 50 MV/m の電界強度を安定に達成することに成功した[9】。また，
超伝導空胴は早くから(1)〜( 3 ) に注目しており，TRISTANにおける成功は，その成果と言える。また，
最近の野ロ(KEK)らのしバンド超伝導空胴における高電界試験も，良好な結果を出している【10]。我々は，これらを参考にし通常の材質および通常の方法で空胴を製作し，高圧の超純水で洗浄した後クリーンルーム条件下で組み立て,超高真空状態で高電界試験を行うことにした。即ち(3) に着目したことになる。
3 .試験空胴

本装置ではR F 最大出力は5M W と制限されているた
め300MV/m 以上の電界強度まで試験するために図1 に示すように，空胴はノーズコーン型とした。Ep と空胴電力(Pc)の関係はSUPERFISHで計算し，E[MV / m ] = 156.6VPc[MW]で与えられる。また空胴への入力電力(Pin)とP c との関係は次式で与えられる。

写真1 超純水高圧洗浄
5 .高電界発生試験
n 試®

空胴が組み込まれた試験装置を図2 に示す。試験装置のRF 系や真空装置については本研究会の別の発表[u ] に詳しい説明があるのでそちらに譲る。
TMP,2Pc

4 Pin(1 + Pinr

ROUGH
PUMP
SYSTEM

• Pin

4ION
PUMP

ここにp in はRF結合定数, C0は角周波数，
Q l は空胴の負荷Q, t はR F のパルス幅である。
M ax. E lectric Field PointCavity Length

52. 48 mm

Frequency

2856 MHzQopin1866.7
1.34

卜26.24FARADAY CUP (F1)

WALLCURRENTMONITOR

図2 真空装置

PUMP

JA ER I-C onf 94-0032)RFブロッセッシング

排気を終えた空胴の真空度が全圧で1 X10-10 Torr程度になったら，t=2fi sec, 繰り返しlOppsで運転を始めた。
約2 時間かけてPinを50kW まで上げたところで突発的な真空度の悪化(1 X 1 0 - 8 T o i t 以上まで上昇)が数分に一度の割合で起りはじめた。繰り返しを0.5pps に下げブロッセッシングを続け，RF 投入時間にして約10 日後50kWで突発的悪化はあるものの，インターロック（10_8Torr)は働かない状態になった。それから10 日かけて400kWまで電力を入力出来るまでになった。再び繰り返しをlOppsに戻し運転を続け約1か月後に試験装置出力のほぼ限界である4.8M W までブロッセツシング出来た。 Pin
は真空度と暗電流および空胴に貼り付けてあるシンチ
レー夕，サ一べメータ出力がブロッセッ シングにより徐々に低下し安定になったことを確認してから上げた。
ブロッセッシング途中では各波形, 真空圧力(全圧,分圧)，ビ ー ム エネルギー などを計測した。
4 . 試験結果
Ep=297MV/mのときの暗電流の運動量分布を図3 に示す。電流は図2 のF 2 で計測した。運動量の最高値は6MeV/c に達している。

Av lli v
ulznjcccr
fcr

MOMENTUM [MeV/C]

図3 暗電流運動量分布
F -N ブロッ卜を図4 に示す。図中の( 数) はRFブロッセ，シングが進む段階の順番を示す。
10、:Ep=33*7MV/m5:■

ッセッシングが完全でないためと思われる。 しかしその後頻繁に放電が起るようになったため，t を再度2 Msecに戻した(8)。このとき身はさらに悪くなったがそのままブロッセッシングを続けることで(9)となり卢は改善された。RF才ン(Ep が307 MV/m) とオフでの残留ガス分圧変化を図5 に示す。
10 *10^□ RF OFF (1.62 X10*10 TORR)
H RF ON (1.79 X1010 TORR), EP=297MV/m

tu
3 10”
10-12
1 0 1‘

1020 25 30 35
MASS NUMBER45

図5 残留ガスの分圧

5 . まとめRF電子銃にとって，高加速電界と超高真空の条件を同時に満たすことは必須の条件である。今回の実験では空胴を加圧した超純水で洗浄することが超高真空，高電界を実現する上で有効であることが明らかとなった。
300 MV/m 以上の電界強度でも圧力上昇は5xl0-u torrと僅かであり，また電界放出電流も少ない。今回，図4 に示すように, 非常にきれいなF-N plot を再現性よく得た。
Microscopic field enhancement factor, p , の最小値37であつ たがブロツセツシングを続ければこれはさらに小さくなると思われる。今後，空胴の洗浄のみでなく，材質や製作方法まで改良し，さらに真空度や電界を上げる実験を予定している。

謝辞
本研究は, JLC 開発研究の一環としてなされたものである。同開発グルーブのみなさまの協力に感謝致します。また SLAC の Jym Clendeninn ,David Schultz両氏にはSLACにおける経験を快く教えて頂いたs【E / > /】
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参考文献

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6 10*8

1/Ep 【m/V】
図4 Fowler-Nordheim Plot
図から分かるようにブロツセツシングが進むと卢が/J、さくなる。（6)の4.8M W までブロツセツシング出来た
時点での卢が37 で最小値を示した。その後E p を高くするためt を2 から4 卢s e c に広げ(7) になった。この時芦が大きいのはこれまでの経過からみてt を広げた後のブロ[1]D. Schultz et al., SLAC-PUB-6060 (1993), contributed tothe 10th Int. Symp. on High Energy Spin Physics, Nagoya,Nov. 9-14,1992[2】M.Tawada,本研究会[3] Y. Kurihara,本研究会[4】D. Schultz, J. Clendenin (SLAC), Private communications[5] J. Clendenin et al” Nucll. Instr. and Meth. A340 (1994)
133 -138[6] K. Saito et al., Proc. 9th Symposium on Accelerator
Science and Technology, Tsukuba, Japan* 1993
[7] H. Matsumoto et al” Proc. 18th Linear Accelerator
Meeting in Japan, KEK Proc. 93-10, Aug. 1993A[8] R. V. Latham et al., Vacuum, Vol.42, No.18 (1991) 1173
[9] H. Matsumoto et al.,本研究会[10] S. Noguchi, K. Saito,本研究会及び私信
rill K. Nishitani.本研究会