The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

短パルスエミッターを用いた透過型低エミッタンス電子銃の開発
長谷川 豪志,∗ 早野 仁司 a)
総合研究大学院大学加速器科学専攻 茨城県つくば市大穂 1-1a) 高エネルギー加速器研究機構 茨城県つくば市大穂 1-1
電子銃の概要概要

2

RFGun は、低エミッタンス電子銃として実用化され一定の成果を上げてきた。しかし 、高周波電場を用いた電子ビーム引き出しの為、さらにビームの低エミッタンス化を目指し加速勾配を引き上げた場合 RF エミッタンスの増加という相反する問題が出てくる。そこで、
RFGun 空洞のカソード 部分に非常に短いパルス電圧を印可し〜1GV/m の高い加速勾配でビーム引き出し加速出来る全段加速機構を作ることによって、放電限界の上昇と RF エミッタンスを抑制した電子銃について検討を行った。本報告では、この電子銃の概要及びシミュレーションについて報告する。

RFGun 空洞部分については BNL GunIV タイプを用い、カソード 部分を改良してエミッターを設置する。エミッター部のカソードは、光陰極とする。レーザーは現
在 ATF の運転で用いているマルチバンチ生成用レザー(10ps@FWHM,〜1µJ/bunch) を用いる為、量子効率が高い Cs-Te を使用する。以下にエミッターとパルス電圧の概要及びカソードについて述べる。

1 はじめにKEK-ATF では、将来のリニアコライダー実現に向けて低エミッタンス、マルチバンチビームの生成、ビーム測定系の開発を行っている。この一貫として熱電子銃とバンチャー系からなるインジェクター部をフォトカソード を用いた RFGun に置き換えるべく 2001 年には銅カソード を用いたシングルバンチビーム実験、2002年には Cs-Te を用いたマルチバンチビーム生成実験を行った。これら一連の実験結果に基づき、2002 年 10 月の運転からインジェクター部に RFGun を常設しビームの高品質化に向けた R&D を進めている。そして、これまでの研究から KEK-ATF のリニアック部においても数 πmm.mrad の低エミッタンスビームが得られるまでになっており、ビームの低エミッタンス化に RFGun は一定の成果を上げている。しかし 、RFGun でさらに低エミッタンス化を考えた場合 RF エミッタンスが問題となってくる。これは、空間電荷によるエミッタンス増大を抑制する場合高い加速勾配、つまりは高い周波数が要求されるが 、RF エミッタンスを抑制する場合には低い周波数が要求されるという相反する問題である。
そこで RFGun 空洞のカソード 直前に電子エミッターを設置し 、非常にパルス幅の短い高電圧を印可し初期加速を行った後更に RFGun で加速するすることで RF 効果によるエミッタンスを抑制する電子銃が考えられている。この電子銃を開発する上で我々は、RFGun 空洞部分の製作、調整、実機の運用を過去２年間経験している為エミッター部分と短パルス高電圧装置の開発を重点的に行うことが出来るという利点もある。本報告では実用化に向けた高電圧短パルスエミッターを用いた RFGunの概要、及びそのシミュレーション結果、カソードとして使用予定の Cs-Te について蒸着試験を行ったのでその結果について以下に述べる。
∗ khase@post.kek.jp

2.1 エミッターとパルス電圧
この電子銃で用いるパルス電圧として、次の条件を満たす事とする。

1. 電圧パルス幅は、ビーム幅より十分長くエミッターを通過しているビ ームを加速し 続ける。しかし 、放電限界を十分引き上げることが出来る長さである事。
2. パルス電圧による加速勾配が、RF による加速勾配より高くなるようピーク電圧、電極間距離を決める。
約 10ps@FWHM のレーザーを使用する為、数 ns のパルス幅で印可できれば十分である。放電を考えた場合パルス幅が短いほど 限界は引き上げられる。これらのことからエミッター電極間距離を 2mm 、電圧を 2MV とした。そのとき加速勾配は 1GV/m となり RFGun のカ
ソード 表面での加速勾配と比べて非常に高いものとなり上記の条件を満たす。図 1 は、シミュレーションで用いたエミッター形状と電場分布を示している。
ここで電極間距離を 2mm とした場合、10ps のレーザーパルスは約 3mm のためビーム先端が加速区間を過ぎてもビームはすべて生成されていないことになる。電圧のパルス幅をビームに対して十分取っている為ビームが存在するときは、電極間に DC 電圧が印可されている。よって以下で行うシミュレーションでのエミッター部分は、DC 電圧での加速として扱う。

図 1: エ ミ
ッタ ー 形 状 。
横軸がビーム軸、縦軸が垂直方向としたときのエミッターの電場分布を表している。

[ mm]
210025[ mm]The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

2.2

カソード

カソードは、使用するレーザー側からの要請から量子効率の高い Cs-Te を用いる。レーザー径は、初期エミッタンスを小さくする為 1nC が取り出せる最小径より多少余裕を持った大きさとする。ここで仮定した最小ビーム径は、実際に ATF での運転で引き出されているビームのレーザー径と量子効率から電流密度を計算し 求めた径である。
蒸着基板にはダイヤモンドを用いレーザーを背面から入射する透過型カソードとする。これにより、レーザー入射の軌道調整が容易となり、更に直前にピンホールなどを設置する事でカソード 上でのレーザー照射位置や強度などの安定化に効果が期待できる。

3 ダイヤモンド 基板への Cs-Te 蒸着試験
透過型カソード の実現性を調べる為、ダ イヤモンド基板に Cs-Te を蒸着し寿命測定を行った。使用した人工ダ イヤモンド は、紫外光領域 (266nm 領域) で十分な透過率を持つ IIb タイプで、大きさは一辺が 2.5mm の正方形、厚さが 0.5mm 、表面はスカイフ盤研磨されている。このダ イヤモンド を φ2.4mm の穴が開けられたホルダーに固定し 、大気中で入射光のパワーに対する透過率を測定した。この時、波長に対する透過率の依存性も測定し 既知のデータと同じである事も確認した。次に蒸着用真空チェンバー内に設置し Te を 10nm 蒸着した。そしてカソードに電圧を印可し光電子を測定しながら Cs を量子効率が最大値から下がり始めるまで蒸着した。この時紫外光は背面から照射した透過光を用いた。
蒸着終了後は、5×10−7 Pa 以下の真空度で保管し 、量子効率の変化を測定した。蒸着約１日後からの量子効率の変化を図 2 に示す。通常蒸着で用いている Mo カソー
ド など の初期量子効率が 10%を越えるのに対し 、今回のダ イヤモンド 透過型測定では初期値が 2%程度とかなり低い傾向にあった。また測定から得られた寿命は、約30 日である。

4 シミュレーション
4.1 シミュレーションコード
今回の研究においてエミッターの電場とエミッタンス補正用ソレノイド 磁場、及び RFGun 加速空洞内電場の計算は、それぞれ POISSON-SUPERFISH[1] を用いて行った。更にこれらのコードで計算した電磁場の結果をマップ 情報として General Particle Tracer(GPT)[2] に取り込みシミュレーションを行った。
GPT は、ビームを指定したレーザー幅で引き出すことができる。つまり 10ps のレーザーは 10ps の時間間隔で電子をカソードから引き出している。更に全マクロ粒子について指定した時間幅で計算、出力させる事が出来る為各コンポーネント内でのビーム軌道を時間もし くは空間でトレースすることが可能である。

4.2 シミュレーション
始めに Poisson で計算したエミッターの形状と電場分布を図 1 に示す。引き出されたビームは電極間で加速後アノード 孔と RFGun 空洞のハーフセルで発散方向の電場を受ける。よってカソード を半径 4mm の球面とし 、ウェーネルト電極の傾きを最適化した。これによりビームは収束力を受けて RFGun 空洞に導入される。またアノード までの距離は、高電界を確保する為 2mm とした。
次にエミッター出口 (z=5mm) を RFGun のカソード 面として Superfish で計算したエミッター付き RFGun 空洞の電場分布を図 3 に示す。RFGun 空洞先端に Poisson で計算したエミッターと同じ形状を最上流に作り、周波数(2856MHz) 、フィールドバランス調整を行った。そしてシミュレーションでは、カソード 最大電場：100MV/m を仮定した。更に RFGun 出口には、エミッタンス補正用ソレノイド 電磁石を設置し 、ド リフトスペース後 z=0.78mでの最小エミッタンスを RFGun 空洞の位相調整とソレノイド の磁場調整を交互に何度か行い最適値を計算した。
[cm]
4.20012 [cm]

図 3: Superfish で計算したエミッター付き RFGun 形状。
横軸がビーム軸、縦軸が垂直方向としたときの電場分布を示している。

図 2: ダイヤモンド 基盤に Cs-Te を蒸着したときの量子効率の変化。測定は透過光を用いて行っている。

入射レーザーは、ビーム軸に対して進行方向と横方向に分けそれぞれガウス分布 (±3σ) と均一分布 (r=0.9mm)を仮定した。レーザーサイズは、ATF での運転において実際に取り出されているビームの電荷量とそのときのカソード 上レーザスポットサイズを仮定したうえで最大電流密度を計算し 、1nC を取り出す事が出来る最小半径を下回らない大きさ (r>0.56mm) で最適化した値である。
また粒子の初期エネルギーとして 0.4eV を仮定し 、均一に速度分布を与えた。以上のエミッター及び RFGun 空The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

表 1: エミッター及び RFGun の初期条件
カソード 電位-2MV
カソード 半径1.25mm
カソード 曲率4mm
電極間距離2mm
アノード 孔1.24mm
電荷量
1 nC
レーザーパルス幅 (FWHM)
10 ps
レーザーサイズ (均一)
1.8 mm粒子の初期エネルギー（ 均一）0.4eV
共振周波数2856MHz
カソード 最大電界強度100MV/m

ド 磁場によるエミッタンス補正効果が有ることが分かる。エミッター後エネルギー幅は増加したが、バンチ長は緩やかな増加に抑制された。この事からエミッターにおいて 2MeV 程度まで加速したビームは RFGun 空洞で品質を損なうことなく加速できる事が分かる。z=0.78mでは、電荷量:0.99nC 、エネルギー:7.2MeV 、エネルギー幅:0.90% 、バンチ長:16.3ps 、エミッタンス 1.48πµm という結果を得た。

図 6: 電荷量に 対するエミッタンスの変化。電荷量とスポットサ
洞における初期条件を表 1 にまとめる。この条件の下、 イズを最適化シミュレーションを行った。図 4 は、エミッター部分ですることでのマクロ粒子 100 個を仮定したときの Horizontal 平面 1πµm を下回に射影したビーム軌道の変化を進行方向に対して示しるビ ー ムがている。球面カソード を仮定している為外側の粒子が生成できる。
z=0.2mm から放出されており、収束効果でアノード 孔での発散が抑制されていることが分かる。このビームが受ける加速電場は、アノード 孔が有る為完全な平行平板
図 6 は 、電荷量を変化させた時のエミッタンスの変の場合に比べて低くなる。しかし 、平均の加速勾配は、化を示している。電荷量を減少させたときは、その都度約 0.65GV/m となっており RFGun と比較して 6 倍以上
レーザースポットサイズ、RF 位相、ソレノイド 磁場の大きい。
調整を行い最適化した。またレーザースポットサイズも先に仮定したように最小半径を下回らないよう注意した。RFGun 単体では難しい 1πµm 以下のエミッタンス
図 4: 進 行を小電流域で生成出来ることが分かる。
方向に対するビーム軌道の変化。ビーム
5 まとめと今後の予定が球面上から
現状の RFGun 空洞にエミッター機構を設置すること引き出されてRF 、空間電荷エミッタンスの抑制を行い低エミッタでいる事と収束ンス電子銃の開発を進めている。カソードには、ダ イヤされている様
モンドを用い透過光を用いてビームを生成する透過型子が分かる。
カソード を予定している。
この実現性を調べる為、Cs-Te の蒸着試験およびエミッター付き RFGun のシミュレーションを行った。蒸着の結果、透過光でも光電子を引き出せる事が分かっ1nC でエた。更にシミュレーションで最適化の結果、
図 5: 進行方
ミッタンス：1.48πµmを得た。また電荷量を減少させて向に対するエいくと 1πµm を下回るエミッタンスのビームが生成でミッタンスのきる事が分かった。
変化。RFGun
今後更にエミッター形状の最適化を進め 1πµm@1nC空洞で増加し以下の低エミッタンス化を目指す。また、パルス電源のたエミッタン製作に取りかかり、パルス電圧を印可した時の Cs-Te のスが、ソレノ特性測定やエミッターの高電圧試験を行う予定である。
イド 磁場によって補正されているのが分6 REFERENCESかる。

図 5 は 、進行方向に対するエミッタンスの変化を示している。エミッタンスが 、RFGun 空洞内で一度増加するが測定位置ではほぼ同じ 値に戻っておりソレ ノイ[1] J.H.Billen nad L.M.Young,”POISSON-SUPERFISH”
Los Alamos National Laboratory report LA-UR-961834(revision March 14,2000)[2] GPT User Manual, Pulsar Physics, Flamingostraat24,3582
SX Utrecht,The Netherlands.