15．偏極電子ビーム

広島大学
LIPTAK ZACHARY

目

次

偏極電子ビーム
１

はじめに … …………………………………………………………………………………………………

15－１

２

スピン偏極電子源の概念 … ………………………………………………………………………………

15－１

３

GaAs陰極とビーム生成過程 ………………………………………………………………………………
３．１ 量子効率… ……………………………………………………………………………………………
３．２ 半導体… ………………………………………………………………………………………………
３．３ 直接遷移型半導体… …………………………………………………………………………………
３．４ 歪み格子と歪み超格子… ……………………………………………………………………………
３．５ NEA素過程……………………………………………………………………………………………
３．６ カソード寿命と劣化の原因… ………………………………………………………………………

15－２
15－２
15－２
15－３
15－４
15－５
15－７

４

15－８
15－８
15－８
15－８
15－８

GaAs—NEA 偏極陰極の作成 … …………………………………………………………………………
４．１ 切断… …………………………………………………………………………………………………
４．２ 洗浄… …………………………………………………………………………………………………
４．３ 台に乗せる… …………………………………………………………………………………………
４．４ アクティブ化… ………………………………………………………………………………………

５

レーザー照射システム … …………………………………………………………………………………

15－９

６

スピン偏極方法の操作 … …………………………………………………………………………………
６．１ Wien Filter……………………………………………………………………………………………

15－９
15－９

７

15－10
15－10
15－10

DC 偏極電子銃 … …………………………………………………………………………………………
７．１ Vent/Bake DC銃… …………………………………………………………………………………
７．２ Load/Lock DC銃… …………………………………………………………………………………

８

偏極度の検出 … ……………………………………………………………………………………………

15－11

９

まとめ … ……………………………………………………………………………………………………

15－11

参考文献 … ………………………………………………………………………………………………………

15－12

偏極電子ビーム生成
偏極電子ビーム
1. はじめに
スピン偏極電子ビームはバンチ内の電子の固有電気モーメント（スピン）状態が優先的に選択されたビームである。核物理や素粒子物理用の加速器を用いる実験はスピン偏極ビームで大幅に物理を精査することができる 。例えば核構造[1,2]、強い相互作用、電弱相互作用や暗黒物質やSUSY の様な標準模型を超えた新物理（BSM)[3,4]等を偏極ビームで模索できる実験が提案されたこともある。
これまで、数十年間も偏極ビームを使用する加速器が開発され、数々の実験にビームを送った。
それに加え、次世代の加速器においても偏極ビームを使用しようとする案も多い：日本の国際リニアコライダー、CERN の FCC-ee や中国の CEPC等。米 EIC はスピン偏極電子ビームだけでなく、スピン偏極イオンビームとも衝突させる予定だ。
加速器における応用以外、スピン偏極電子ビー
ムは別の分野でも興味を引いている。例えば、薄膜や表面磁性[5],電子顕微鏡[6]等。
本講義ではスピン偏極電子源のメカニズムや標的の構成を紹介する。主により多く使用されている GaAs 直接遷移型半導体の標的を叙述する。
それに関して、標的の偏極電子放出の素過程、効率を高くする技術進化の詳細、作成する方法や歴史を述べる。レーザー照射システム、スピンロー
テーターと電子銃についても紹介する。

図 1 初期偏極電子源 PEGGY の構造。

2. スピン偏極電子源の概念
円型加速器のストレージリングに回る電子は
Sokolov-Ternov 効果[7]で自己偏極化されるもののその様な利益を用いる加速器は限られている。
線形加速器、ビームの寿命が不十分なストレージ
リングや偏極方向を変更する機械はこの効果を使用できない。その場合、偏極ビームを直接生成できる電子源が必須となる。
初めての偏極電子ソースは１９３０年代に提案されたが、１９７１年には初めて加速器用のス
ピン偏極電子源が開発された[8]。イエール大学
が開発した PEGGY と呼ばれる電子源が１９７４ー
１９７９年の間に SLAC において使用され、スピン状態で区分けした 6Li 原子ビームから光イオン
化した電子を生成することに成功した。その時代
SLAC にあった加速器が必要とした 1.6μs パルスの中に 85%偏極度を出せたけれども、最高電流は≤.25 mA であり、偏極方向を変更するのは遅かった。それに不安定であったため、タイムロスもかなり多かった（数年間、〜５０％運動効率マックス）。図 １は PEGGY の構造を示す。
また、同じく７０年代後半、様々な偏極ビームの生成方法が提案されたが、主に加速器に使われる物があまり現れなかった。本講義ではこの電子源については説明を割愛する。
１９７４年、GaAs という半導体から偏極電子を出せる可能性が述べられた。実際に実験を行った
ところ、GaAs 結晶に蒸着した Cs-O 薄膜カソード
が光電効果で刺激され、予想以上の偏極度が測定された[9]。低電圧でその結果が見られてからSLAC がすぐに高電圧電子銃を開発し始め、その後
１９７８年に実現した。この電子銃で出された１
６−２２GeV 電子が重水を照射したことで、ワイン
バーグ＝サラム理論のパリティ非対称が証明され、標準模型の証となった[10]。
それ以来、GaAs 陰極電子銃が世界中の加速器に普及するようになり、定番となった。１９８０年
代にはドイツのボン大学やマインツ研究所、米MIT（マサチューセッツ工科大学）が偏極ビームを生成した。
SLAC では、１９８１年から１９９０年代まで暫
く偏極ビームの生成を中止したが、１９９２年には新たな GaAs 電子銃が開発された。
１９９０年代から２１世紀に亙り、GaAs 陰極の難点を克服しようとする研究がし続けられていた。偏極度、ビームの寿命、量子効率をより高くするため、名古屋大学、米ジェファーソン国立研
究所等で研究が行われ、GaAs 陰極改善がなされた。その上で、GaAs 結晶の格子を歪ませ、偏極度の期限を突破したり、薄膜をつけて電子放出の確率を改良したりするような方法が開発され、偏極度、量子効率、耐久性がより良くなった。

15－ 1

3.

GaAs 陰極とビーム生成過程!

現代、主に使用しているビーム生成方法は GaAs
結晶に基づく陰極である。GaAs というのは、光電効果で偏極電子を生成できる半導体である。この章では、半導体から電子を打ち出せる素過程を紹介する。
理想的なスピン偏極陰極は３つの条件を満た
す：

(３−３)

電子数でなく、放出する電流 I で表すなら、この値を直接測定するのはあまり現実的ではな
いため、実際に測れる値にしなければならない。
光電効果によるビーム電荷 Q で定義すると、
𝑄𝑄 =iii.) 寿命が長い
上記の 1.)の偏極度は、↑と↓の２つのスピン状態、N↑（↓）は↑（↓）状態の電子数を用いながら、!↑ &!↓𝐼𝐼 = 𝑒𝑒𝜂𝜂𝑁𝑁'と定義される。
Ne と Nγは電子数と光子数を表す。

ii. ) 適切な電流を出せる!↑ $!↓(３−２)"

i. ) 偏極度が高い

𝑃𝑃 =𝜂𝜂 = !!

（３−１）

で定義する。その式を鑑みて、↑も↓も丁度同じ数がある場合、偏極度が０；逆に一つの状態（↑又は↓）しか存在しない場合、偏極度は１（即ち１００％）となる。
バルク GaAs 半導体の場合、理論上の最高値は５０％（即ち３：１の状態比率）だが、様々な要因のため、実際の値はそれより低い。バルク GaAs
より最近の技術では、その比率をより高くすることも可能となった。

()*# +#,-(３−４)となる。この式における𝑃𝑃. はレーザーのパワー（出力）、𝜆𝜆. はレーザーの波長を表す。h と c はプ
ランク定数と光速である。上記の式を測定すると、
𝑄𝑄[𝑛𝑛𝐶𝐶] = 8.08 × 10$/ 𝜂𝜂[%]𝑃𝑃. [𝜇𝜇𝐽𝐽]𝜆𝜆. [𝑛𝑛𝑛𝑛] (３−５)

で提示される。
3.2. 半導体

第２章で述べた最近の偏極ビーム源は基本的に光電効果を使える半導体を基盤にしている。半導体という材質は導体（例えば金属）と絶縁体（例
えばセラミック）の中間の抵抗率を持っている材質である。金属と違って、温度が上がると共に抵抗率が下がる。ドーピングという異物を半導体バ

3.1. 量子効率

光電陰極に光を照射する度に電子が放出されるが、陰極の性能を比較できるようなパラメーターを定義することができる。そして、物質ごとにルクに入れる技術を使用すると抵抗率のプロパ
ティなどを変更できる。その異物は一般的にかな
り少量である。例えば 10-8 程度。

光を吸収する分布が違うため、波長によって電子同じ半導体結晶の中にドーピング量が異なる範囲が存在する場合、半導体接合が現れる。半導量が異なる。簡潔にいうと、入射する光子の数に体接合で電子又は＋電荷を持っているホール（正よって何個の電子が放出されるか、という量を定孔）の流れが影響を受ける。例えば、電流が一方通行になる効果がトランジスタの基本である。

めたい。
この値を量子効率と呼び、ηで書くようにする。だとしたら、その比率は電子は量子力学によって半導体の格子の中に限られている順位でしか存在できない。その順位
は波動関数に決められている。電子はフェルミ粒子であるため、パウリの排他原理によると、同じ状態で存在できない。しかし、僅かに離れている
エネルギー順位が集まる状態が現れる。これをバンド（帯）と呼ぶ。

15－ 2

物質から電子を取り出すエネルギーはフェル
ミ順位という値である。フェルミ順位とバンド構造によると、物質が導体、半導体か絶縁体になる。
導体の場合、フェルミ順位はバンドの中にあり、半導体の場合はバンドとバンドの間にあるが、バンド近辺にある。バンドから遠く離れている場合
は絶縁体になる。
原子の中の電子軌道と同様に低エネルギー状態からバンド構造が満たされる。最後に電子が入っているバンドは価電子帯(Valence band)と呼ばれる。金属などの導体物質では、価電子帯は隙があるので電子が自由に移動できる。即ち、マクロレベルで電流が簡単に流れることができ、抵抗率が低いというわけだ。半導体の場合には価電子帯が満載のため、金属ほど電流が流れない。
価電子帯は最後の電子が入っている順位だが、その上にもバンド構造が存在している。次のエネ
ルギー順位は伝導帯(Conduction band)と呼ばれる。そこには一般的に電子（又は正孔）が入って

図 ２ GaAs の価電子帯と伝導帯付近の詳しいバンド構造（拡大）[12]。X6 と書かれている線は伝導帯を表す。１．４２eV バンドギャップの下に価電子帯の縮退状態が見える：Heavy Holes と Light
Holes で表されている線が最高値で重なっている。

いないが、エネルギーを与えられた電子は励起され、価電子帯から伝導帯へ移動できる。その励起された電子はフェルミ順位よりエネルギーが高く、表面から取り出される。
半導体物理学の詳細は、参考[11]等に著されている。

価電子帯と伝導帯は 1.42 eV のバンドギャップ
で離れている。伝導帯へ電子を移動させるため、レーザーでエネルギーを与えて励起させることができる。特に、カソードが円偏光レーザーに照射された際、決められたスピン状態が選択される。偏極方向を変えるため、レーザーの円偏光を

3.3. 直接遷移型半導体

GaAs は直接遷移型半導体である。つまり、結晶の Γ ポイントにおける価電子帯のピークエネル
ギーは直接伝導帯の最低エネルギー順位の下にある。

反対にすると反対側の状態が選択されることになる。
電子のエネルギー順位は角運動量を持っている。GaAs の価電子帯は角運動量３/２を持っており、伝導帯は角運動量１/２を持つ。円偏光レーザ
ーは±１の角運動量を与える故、価電子帯から伝3.3.1. GaAs のバンド構造と電子放出
図２は GaAs のバンド構造を表している。図の下の方を見ると、価電子帯近辺に幾つかのバンドが集まっていることが明らかである。価電子帯の最高値に２つのバンドが隣接して縮退状態となっている。図の中でそれらは Heavy Holes とLight Holes と表されている。

導帯へ遷移させることは可能だ。しかし、ドーピングされてない GaAs のバンド構造では、価電子帯の近くに重なっている Heavy Holes と Light
Holes バンドの縮退状態による、一つの順位から移動させるのは難しくなってしまう。

15－ 3

3.4.

図 3 バルク GaAs の価電子帯と伝導帯の構造。
価電子帯の m=±3/2 と m=±1/2 が縮退状態にある。
伝導帯への励起確率は矢印に表されている；太い
線は細い線より励起確率が高い。Eg はバンドギャップエネルギーを示す。

歪み格子と歪み超格子

歪み格子以外に、他に偏極度を高める方法もある。似たような半導体を交互に重ねて超格子を作るという手段もある[16]。GaAs を例にすると、GaAs, GaAsP, GaAsIn, GaAsAl 等を交互に重ねることで、更に歪みを誘発させるができる。層は一つずつ 5-10 nm 程度であり、通常２つの材料を組み合わせる。例えば、GaAsP―GaAs の超格子が一般的である。
歪み格子層と超格子層を同時に使い、歪み超格子という結晶構造を生み出し、９０％偏極度かつ量子効率１％程度を出すことに成功した。

重なっているバンドの m 状態が問題となる。
Heavy Hole は m = ±３/２を持ち、Light Hole は

m = ±１/２を持つ。量子力学に従って、遷移確率を計算するとm = ±3/2 → ± 1/2 ∶ 3/2

𝑚𝑚 = ±1/2 → ∓ 1/2 ∶ 1/2

(３−６)
(３−７)

ということで、m =３/２の Heavy Hole バンド
から１/２の伝導帯への遷移確率は m =１/２のLight Hole より３倍だが、縮退のため優先的に選択できず、確率を５０％以上にできない。偏極度をより高くするため、その縮退状態をなくさないといけないのだ。その問題を解くのは次章のテーマとなる。図 ２にはこの縮退状態が見えられる。
GaAsP と GaAs の格子の差が歪みを誘発する。格子の歪みを起因として、P3/2 順位の m =±1/2 と m=±3/2 状態の間にエネルギーギャップが生じ、
m=±1/2 順位からの励起が抑制される。歪み格子
GaAs から、８５％以上の偏極度を測定することができた。
１９９０年代前半、GaAs の５０％期限を突破する手段が実現した[13, 14]。図 ３に表してある
価電子帯の Light Hole と Heavy Hole 縮退を解く
ように、GaAs が GaAsP の薄層の上に作られる。
歪み格子の高偏極度とともに、量子効率が落ちてしまう。例えば参考[13]の結果を参照すると、O(10-4)しかないことが分かる。

図 4 歪み超格子の価電子帯と伝導帯のバンド構造。歪みの影響で価電子帯の縮退が解かれ、
m=±3/2 と m=±1/2 の間に 0.05 eV の差が生じた。

図 ４に示されたように、格子の歪みによる、
ΔE＝0.05 eV の差が誘導される。その差のおかげ
で優先的に励起確率が高い方の m=±3/2 バンドを選択することができるようになる。歪み超格子の構造は図５（イラスト）と図６（電子顕微鏡画像）に示される。なお、図７は歪み超格子の層の数と偏極度の関係を表す。
表 1 に GaAs の歪み格子、歪み格子の様々な材
料の組み合わせが表してある。その表を参照すると偏極度が高いものの量子効率がまだ低いのが分かる。いくら偏極度が高くとも、量子効率が不十分な場合は必要な電流を出すことができない。
また、最善のケースで測定すると量子効率が１％以下であれば、カソードが劣化するとともに量子15－ 4

効率が更に悪くなる。入射する光子は主に熱になってしまい、それが劣化を加速させる。

かけ、その上に歪み超格子をつけると偏極度を保ちつつ量子効率を高くできる。それを歪み補償型
超格子カソードという。図 ８がこの２４ペア層と１２ペア層の歪み補償型超格子の偏極度と量子効率を表しているが、７８０nm で２４ペア層は９２％偏極度を出しながら 1.6％の量子効率を打ち出すことが分かる。
表 1 の値に比べると量子効率が比較的高い。特に偏極度９割の InGaAs-GaAs カソードを例にすると 、 量 子 効 率 が 桁 違 い 増 え た 。

図 5 歪み補償超格子の構造。バリア層の上に歪みを誘導するペア層（GaAs と GaAsP を交互に重なっている層）が歪みを誘導する。バリア層は数百nm 程度の厚さ。

そのため、必要なレーザーパワーが小さければ小さいほど劣化が遅くなり、カソードの寿命が延びることになる。

図 7 超格子の厚さと偏極度の関係[15]。２４ペ
ア層まで偏極度が増えるが、それより厚くすると逆に減ってしまう。

ま た 、 量 子 効 率 の 問 題 を 解 く た め に DBR（Distributed Bragg Reflector）という手段も開発された。DBR とは、GaAs カソードに光を多重反射させて、吸収率を高めるような表面を作る技術のことである。DBR により、高偏極度（＞８０％）を保ちながら６％以上の量子効率が実現している[18]。
3.5. NEA 素過程

これまで伝導帯へ偏極電子を励起する手段を説明したが、伝導帯から DC 銃の真空容器へ電子
図 6 歪み補償型超格子の透過薄層の厚さは電子顕微鏡スキャンによると約５０−１００nm程度。AlGaAsP バリア層の上に９０層ペアが重なっている[15]。

歪み超格子の場合は、レーヤー数を増せば増やすほど歪みが段々緩和され、量子効率が落ちる。
歪みによるストレスを維持するため、バリア層をを放出させないと全部が水泡に帰す。円偏光レー
ザーから入射した光子は主に数百 nm のうちに吸収され、その程度の領域に電子が励起される。励起された電子が対称に放散する。表面まで辿り着
く電子は、GaAs の表面と真空の境にある電子親和度 (Electron affinity)というポテンシャルバリ
アにぶつかってしまう。

15－ 5

ｐ-ドーピングを用いて結晶中のフェルミ順位[9]。その薄膜の構造は図９で表される。薄膜の伝を下げる。同時に、p-ドーピングが表面における伝導帯の順位をも下げ、電子を放出させやすくす

導帯は真空の順位より低く、電子を出しやすくさせる効果がある。真空より伝導帯のポテンシャル

る。この２つの効果のおかげで電子親和度が減る

が低い状態は負の電子親和度(Negative Electron

ものの、それだけでは十分でない。

Affinity,省略 NEA)と呼ばれている。図１０に p-

表 1 歪み超格子の偏極度と量子効率[17]ドーピングと薄膜の負の電子親和度の素過程が陰極類
Str. GaAs on
GaAsPStr. GaAs w/ DBR
Superlattice(GaAs-AlGaAs)
Strained layer
superlattice(InGaAs-GaAs)
Strained Layersuperlattice(InGaAs-AlGaAs)
Strained layer
superlattice(GaAs-GaAsP)

描いてある。

偏極度（％） 量子効率（％）
初期の薄膜構造は Cs と酸素化する１層だけだ~85~0.1
ったが、近年では他の材料を使って薄膜のプロパ
~85
~70

~1.0
~1.0

~90

~0.05

ティを改善しようとしている。特に、初期の CsO 薄膜の寿命はかなり短いため、耐久性の高いカソードの開発を目指している。例えば、Cs を用いながら、アルカリ素を使用するとカソードの寿命が比較的長くなる。表 2 を見ると薄膜の材料の構造を比較することができる。

75-85

0.1-0.5~80~0.3

図 ９ NEA 薄膜の構造。GaAs ウェーハの上に半導体素（e.g.,Sb や Te)が蒸着され、その上に数 Åずつの Cs とアルカリ素の層も蒸着してある。
図 ８ 歪み補償型超格子の偏極度（左側縦軸）と量子効率（右縦軸）分布。２４層ペアの偏極度は赤い丸、量子効率は青い四角、１２層ペアの量子効率は緑線で表している[15]。

近年、NEA 薄膜を蒸着する際、数 nm ほどの半導体層を先に付けると量子効率が上昇すること

ドーピング以外に、更にポテンシャルバリアをなくす必要があるのだ。
真空へ効率的に電子を放出するために、GaAs
結晶の表面に薄膜を吸着する手段が発達された

15－ 6

図 10 NEA の素過程。(a)はバルク GaAs 結晶。(b) p-ドーピングした GaAs 結晶。ドーピングの故にフェルミ順位が下げられ、表面近辺のバンドベンディングが現れた。しかし真空とのバリアが残り、電子を放出する確率が低くなる。(c) NEA 薄膜が蒸着した状態。蒸着した薄膜のため、ポテンシャルバリアがなくなり、電子を放出することが可能である。
が確認されている。例えば、Te[19]や Sb[20]を用いたら、以前より 5-7 倍程の改良がみられた。
表 2 NEA 材料の比較。Cs-O より Cs-K-Te の寿命は桁違いの差があきらか。
NEA 材質寿命 (10-3 Pa・s)

Cs-O

0.29 ± 0.03 [21]Cs-O

0.40 ± 0.02 [22]Cs-K-Te6.50 ± 0.01

異なる場合、その二箇所の間に「溝」の形を描く。
図１１でその溝が明らかに見える。
運動量による、陽イオンの逆流は様々な方法で量子効率を劣化させる[20]。高エネルギーイオン（＞5 keV）は GaAs 結晶の原子を動かして格子にダメージを与える。中エネルギー（500 eV – 5 keV）
は 表 面 の 原 子 と 衝 突 し て NEA 層 を 飛 ば す(sputtering)[24]。低エネルギーイオン（＜500 eV）
はカソード表面を歪ませ、電子放出を妨げる。その３つのプロセスの詳細はまだ未確定であり、研究 が し 続 け ら れ て い る 。

3.6. カソード寿命と劣化の原因

カソードを使えば使うほど、様々な原因でダメージを被って衰えてしまう。その劣化が進む度、量子効率や偏極度が下がり、効果を悪化させる。
最終的には加速器のパラメーターを満たせなくなり、カソードを交換するか再び NEA をアクティ
ブ化しないといけないことになる。加速器を運転している間は、なるべくタイムロスを減らすべきであるから、その交換や再アクティブ化の時間をできる限り延ばすことが重要である。
主に量子効率を劣化させる過程は３つある[19]：陽イオンの逆流(ion back-bombardment)、
熱脱離(thermal desorption)と残留ガスの吸収(chemical poisoning)だ。
陽イオンの逆流は電子ビームでイオン化されたガス分子が DC 銃の電場でカソードへ加速されて表面に衝突するプロセスである[23]。イオン化された分子は電場の中央へ漂いながらカソード
表面に引かれるから、主に同じような位置で衝突する。陽イオンは電子より遥かに質量が多いため動きが遅く、電子が放出される位置は電場中央と図 11 使用済みカソードの測定された量子効率。陽イオンのダメージの故、量子効率が落ちる。
電子放出の位置と電場中央の間の「溝」は幾つか見える[25]
残留ガスの吸収は、NEA 表面が真空容器に残っているガスと科学的に反応するプロセスである。
そのプロセスが進む度、NEA 薄膜の効果が劣化す

15－ 7

る。陽イオンの逆流も残留ガスの吸収もどちらも真空容器にあるガスに正比例するから、容器の真空を維持することは非常に重要である。
先に述べられたプロセスが量子効率を落としていっているが、常に同じ電流を出すためには更にレーザーの出力が必要となる。照射している光子は熱へ転換され、カソードの温度を上げて NEA
表面の原子を外してしまうと思われている。それは熱脱離というプロセスである。
4.

4.3. 台に乗せる

次に、結晶ウェーハの位置を固定させるため、台の上に乗せる。In 半田で台とウェーハを接着し、その上に端を覆うように金属マスクをつける。
台に定着したウェーハが図１２に表される。

GaAs—NEA 偏極陰極の作成

前章で説明された NEA-GaAs 陰極を作成するプ
ロセスはかなりデリケートである。数百 nm 程度の厚さであるが故、結晶内のストレスを保つのに慎重でなければならない。また、崩れたり汚した
りする機会も多い。
4.1. 切断

歪み補償型超格子 GaAs 結晶は企業から購入できるため、結晶のクオリティや純度は高いはずである。しかし、企業で販売している結晶ウェーハ
はカソードが必要なサイズより大きいため、適するサイズと形に切る必要がある。切断する面以外に表面を触らないように切断道具（例えばダイヤ
モンド錐）で適切なサイズに切る。
4.2. 洗浄

真空容器に入れる前に結晶ウェーハを洗浄して汚物を取る。研究所によって詳細が異なるが、概ね以下の通りである：
i.)
ii.)
iii.)

洗浄用アセトン液体に浸す
純水バスに２、３回浸す
エタノールリンスで濯ぎ、残るエタノールを蒸発させる

図 12 真空容器に入れる前の台。洗浄したウェーハが上に半田付けされ、金属マスクに覆われている。
ウェーハの位置を固定するため以外に、マスク
は端近辺の電子の放出を防ぐ役割もある。端から放出される電子はうまく加速されず、不正な軌道で動き、壁又は DC 銃の陽極に衝突して真空状態を崩してしまうことがある。ウェーハを接着した
ら、真空容器に入れることができる。図１３は真空内容の様子を示す。
4.4.

アクティブ化

GaAs 結晶と NEA 材料が真空容器に入っている状態で粗排気ポンプを使い、容器内の気圧を下げる。気圧が 10-4 Pa ほどに至ったら、真空容器の加熱（ベーキング）を始める。均一に全体を２００ºC まで加熱する。通常、加熱した状態を８０
時間前後維持したのち、ポンプへのバルブを閉
じ、イオンポンプをつける。NEG ポンプもアクテ
ィブ化し、数時間程度で 10-8 Pa、あるいは更に低気圧まで落とすことができる。
カソードの表面に残っている排出したガスを取るため、２時間程度５００ºC になるまでカソードを加熱し、常温に戻す。常温の状態になれば、

15－ 8

電圧をかけたままで NEA 材料を蒸着できる。蒸着する際に、カソード表面に交互に材料を接着させる。目指す量子効率に至るまで、層の段を付ける。
薄膜の厚さを調整する方法は２つ存在する：
i.) 蒸着している間、光を照射し、光電効果の電流を測定する。光電流が落ちるならば、その層での蒸着を中断して次の層へ進む
ii.) 薄膜コントローラーを使用する

RF ビームラインに使えるビーム構造を作るには DC レーザーを使用するのは不可能ではないが難点が幾つかある。RF ビームラインに合わせるた
めに、パルスバンチャー又は RF チョッパー[25,26]という手段が存在するが、理想的ではない。バンチャーはエネルギースプレッドを導入し、チョッパーはビームを捨ててしまうから効率が悪い。
それより、同期入射する手段が幾つかある。RF
位相に合わせたレーザーパルスを陰極に照射して RF と一致した構造ビームを作る方が効率的である。パルス幅は数十 ns 程度が普通。このようなモードロックというレーザーの出力は比較的高く、GHz で稼働できる[27,28]。
もう一つの手段は gain-switching と呼ばれる。
この場合、ダイオードレーザーにサインウェーブを与える。サインウェーブで頻度とパルス幅が決められるが出力が低い。100 mW 程度以上のパワーが必須の場合、特別な技術やテレコム用のファイバー線が必要となる[29,30]。
6.

スピン偏極方法の操作

図 13 真空内容の挿絵。カソード台と薄膜コント
ローラーの間に薄膜材料ディスペンサーが置かれている。光がビューポートから入射してカソードを照らす。

レーザーで励起した電子の偏極ベクトルはビームの方向と（逆）平行のままで生成される。しかし、一般的に偏極ビームを使う際、指定している方向で送らなければならない。通常、これはビーム運動方向に平行である。

上記の ii.)の薄膜コントローラーはピエゾ効果結晶を用いて薄膜蒸着の厚さを測定する道具である。その道具をカソード台の反対側に設置し、カソードと同様に薄膜を接着させる。
結晶の固有振動の頻度は蒸着した量によって変わるため、その頻度を測定すると厚さが明らかになる。精密な測定をするためには薄膜材料ディスペンサーが左右に均一に蒸着材を出すことが重要だ。コントローラー結晶の振動頻度は５―６
kHz が一般的である。薄膜の厚さは Å レベルの精
密さで測れる。

6.1 Wien Filter

ビームが加速器のエレメントを通る度に水平面で歳差運動する(precess)。それに、円型加速器のストレージリングを回る場合、ベンディング磁
石の磁場に対してスピンベクトルが直角で回転されるので垂直方向で維持され、衝突点の前後へ回転するシステムが必要となる。
生成する時、歳差運動をなくすため、一般的にWien Filter という道具が使用される[31]。

5. レーザー照射システム
節 3.3 で述べたように、GaAs のバンドギャップ
エネルギー近辺の円偏光レーザーで照射すると偏極電子が優先的に放出される。GaAs の場合、バン ド ギ ャ ッ プ は 1.42 eV で あ る か ら 、 ℎ𝑐𝑐/
1.42 𝑒𝑒𝑒𝑒 ≈ 870 𝑛𝑛𝑛𝑛より少し短い波長が必要となる。通常、780-850 nm レーザーが用いられる。企業から問題なくこの辺の波長レーザーを購入することができる。Ti:Sa レーザーはこの範囲の波長を出せ、多く使われている。

15－ 9

図 14 米ジェファーソン国立研究所の CEBAF の第２と第３偏極電子源に使用されている Wien
Filter. 下の図には磁石が省かれている[31]。
Wien Filter とは、静電場と静磁場を垂直に発生させる道具である。電場も磁場もビーム粒子の進
行方向に垂直である。その電磁場の中で、電子はG⃑ = 𝑞𝑞𝑞𝑞 + 𝑞𝑞𝒗𝒗
ローレンツ力𝑭𝑭G⃑ × GG⃑
𝑩𝑩を感じられるが電場と磁場の効果を反対にしてなくすことができる。具体的に、電子の速度を𝛽𝛽𝑐𝑐 = 𝐸𝐸/𝐵𝐵(6-1)
で入射するとローレンツ力が０になり、電子の軌道が変更されない。
電子の運動が変わらなくても、Wien Filter の中の磁場が電子のスピンを電場の面に回転させる。図１４は米ジェファーソン国立研究所のCEBAF に使われている Wien Filter を表している。
この Filter では、１００ keV 電子のスピンベクトルを±１１０º回転させることができる。詳細は[31]を参照。

7.

わっている。このシステムは比較的作りやすいが、すべてのコンポーネントが同じ容器に入っていることは様々な問題を引き起こす。当然なことに、毎度陰極を交換する際、数日間の加熱をしなければならないのはかなりのタイムロスになる。特に、スピン偏極陰極は耐久性がまだ理想的でないた
め、この問題の解決が急務だ。
タイムロス以外に、電子銃のコンポーネントにも難点が現れる。例えば、アクティブ化している
うちに、NEA 蒸着材が GaAs ウェーハだけでなく、陰極電極にも蒸着してしまう。この蒸着が進むといずれ電界放出が起こってしまい、電極のクリー
ニング又は置換を必要とさせてしまう。クリーニ
ングも置換もかなりの時間を要し、その間に貯まる水分を出すために加熱が更に長くなってしま
うのは非常に大変だ。
また、頻繁に真空容器を加熱するとフランジ、
ガスケットなどのパーツが酸化してしまう可能性があり、酸化した部分が真空容器に入ってしまうことがある。耐熱フランジ等を選択するとこの問題が緩和される。

図 15 CEBAF で使用された Vent/Bake DC 電子銃[31]。

図 15 は米ジェファーソン研究所/ CEBAF で使用していた Vent/Bake DC 電子銃を表す。
7.2 Load/Lock DC 銃

DC 偏極電子銃

光電効果 DC 銃は主に２種類ある：Vent/Bake とLoad/Lock。本章でその２種類を紹介し、それぞれの利点と欠点を述べる。
7.1 Vent/Bake DC 銃

Vent/Bake DC 銃は名前の通り、カソードを交換する度に真空をなくして常圧に戻し（Vent）、カソードを入れてから加熱する（Bake）必要がある。
Vent/Bake 銃には、アクティブ化の蒸着材やコン
トローラー、高電圧源と真空装置が同じ容器に備

Vent/Bake DC 銃 の 問 題 を 解 決 す る た め 、Load/Lock と い う デ ザ イ ン が 用 い ら れ る 。
Vent/Bake デザインと違い、全部のコンポネント
は同じ容器に備わっていない。代わりにバルブで隔たれている別容器があり、常圧から真空へステップアップされたデザインである。
重要なポイントは、アクティブ化のプロセスは
電子銃の電極と同じ空間でしないことである。真
空内は常圧に接触しないから、交換する時に加熱せずに新しい陰極を使うことができる。それに、

15－ 10NEA 蒸着材は電極と一緒に蒸発させられない故に汚す恐れがなく、電界放出も起こらない。

出器に測定された電子数を N で定義すると非対称は!↑ $!↓

𝐴𝐴 = !↑ &!↓ = 𝑆𝑆)00 × 𝑃𝑃

図 16 SLAC の 偏 極 電 子 源 に 使 用 し て い た
Load/Lock DC 電子銃。左下の容器にカソードがアクティブ化され、置換する時に右上の容器へ移される。容器はバルブで隔たれているから電極は常圧と接触せず、交換する度に加熱する必要がな
い。

Vent/Bake のデザインの問題を回避するため、多くの研究所は Load/Lock デザインを使用する。図（８−１）に表されている。
式（８−１）で P はビームの偏極度（式（３−１））であり、S は検出器の Sherman 関数
である。Sherman 関数は検出器の構造により計算できる関数[33,34]だが、現実的にシミュレーションやカリブレーションでしか知られていない。
Mott 電子偏極検出器の詳細は参考書[35]で参照する。
数 MeV 程度以上の電子偏極度を検出する機械もある。例えば、高エネルギーコライ
ダーで衝突点周辺の偏極度を検出したい場
合、Mott 電子偏極検出器に対して運動量が高すぎるので、別の方法を使用しなければならない。その場合、レーザーの光子を直接電子ビームと衝突させ、コンプトン散乱を検出するシステムもある[35]16 は SLAC で使用していた Load/Lock を例えとして表している[32]。
89偏極度の検出

最後にスピン偏極度の測定を紹介する。
生成したビームを実験に使うなら、どの割合が偏極しているかを把握しなければならない。偏極の検出についての詳細は本講義
では概念のみを叙述する。
低エネルギービーム及びビームを生成した時点で偏極度を検出するなら、主に Mott
電子スピン偏極検出器(Mott Polarimeter)が使われる。この検出器は eV〜MeV 程度の電子に用いられる。
Mott 電子偏極度検出器の中のターゲットに電子ビームを入射し、ターゲット膜に背面散乱した電子の非対称を測定する機械である。再び↑と↓の方向で定義をしたら、その非対称は式（３−１）に関係がある。検まとめ

本講義で偏極電子ビームの生成の基本を紹介した。現代で最も使われている GaAs 半導体の偏極電子の生成における素過程、またそれを改善するための研究と技術や GaAs 製の陰極の作り方を記した。そして、照射するレーザーの概念、スピンの操作の仕方、DC 電子銃と偏極度の検出の概念も紹介した。
このテキストを纏めるため、過去の素晴らしい偏極電子のレビューを随分参考とさせていただ
いた。特に参考文献[25]、過去の OHO セミナーの[36]に感謝する。

15－ 11

[26] Q. Chen et al., Nucl. Instr. Meth. A, 755, 78-84(2014)

参 考 文 献[1] K. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 75, 25-28 (1995)[2] K. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 75, 346-350 (1995)[3] J. Erler and A. Freitas, Phys. Rev. D 98, 030001(2018)[4] H. Davoudiasl et al., Phys. Rev. D 92, 055005 (2015)[5] E. Bauer, Rep. Prog. Phys. 57, 895 (1994).
[6] M. Suzuki et al., Appl. Phys. Express 3, 026601(2010)[7] A. A. Sokolov and I. M. Ternov, Sov. Phys. Dokl. 8,1203 (1964)[8] M. J. Alguard et al., Nucl. Inst. Meth. 163, 29-59(1979)[9] D. T. Pierce et al., Appl. Phys. Lett. 26, 670-672(1975)[10] C. Y. Prescott et al., Phys. Lett. B 77, 347-352 (1978)[11] P. Y. Yu and M. Cardona, Fundamentals of
Semiconductors. Springer, 2005[12] J. S. Blakemore, J. App. Phys. 53, R123-R181 (1982)[27] M. Poelker, Appl. Phys. Lett. 67, 2762 (1995)[28] C. Hovater and M. Poelker, Proceedings of the1997 Particle Accelerator Conference (Cat.
No.97CH36167) 3, 2861-2863 (1997)[29] J. Hansknecht, M. Poelker, Phys. Rev. ST-Accel.
Beams 9 063501 (2006)[30] C. K. Sinclair et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 10,023501 (2007)[31] J.M. Grames et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 7,042802 (2004)[32] R. Alley et al., Nucl. Instr. Meth. A 365, 1-7 (1995)[33] K. Tamura and M. Kotera, 第３７回真空に関する連合講演会プロシーディングス (1997)[34] A. Narayan et al., Phys. Rev. X 6, 011013 (2016)[35] T. J. Gay and F. B. Dunning, Rev. Sci. Instr. 63,
1635-1651 (1992)[36] M. Kuriki, OHO 2021

[13] T. Nakanishi et.al., Phys. Lett. A 158(6–7), 345–349(1991)[14] T. Maruyama et al., Phys. Rev. B 46, 4261-4264(1992)[15] X. Jin et al., Appl. Phys. Lett. 105, 203509 (2014)[16] T. Nakanishi et al., AIP Conf. Proc. 421, 300–310(1998)[17] T. Nakanishi et al., Nucl. Instr. Meth. A, 455, 109112 (2000)[18] W. Liu et al., Appl. Phys. Lett. 109 252104 (2016)[19] J. K. Bae et al., Appl. Phys. Lett. 112(15), 154101(2018)[20] J. K. Bae et al., J. Appl. Physi, 127(12), 124901(2020)[21] K. Miyoshi, Master’s Thesis, Hiroshima University(2013)[22] G. Lei, Master’s Thesis, Hiroshima University(2014)[23] J. Grames et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 14,043501[24] N. Chanlek et al.,Phys. 47 055110

2014 J. Phys. D: Appl.

[25] J. Grames and M. Poelker, Polarized Electron
Sources. In: Méot, F., Huang, H., Ptitsyn, V., Lin,F. (eds) Polarized Beam Dynamics andInstrumentation in Particle Accelerators. Particle
Acceleration and Detection. Springer (2023)

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