Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THOB5SACLA 電子源ビームの高輝度化に向けて
TOWARD HIGHER BRIGHTNESS BEAM OF THE SACLA ELECTRON SOURCE
渡川和晃#Kazuaki Togawa#
RIKEN SPring-8 Center

Abstract
In the SPring-8 campus, the CeB6 electron gun which can generate a high-brightness beam was developed and has been
continuing to deliver it to the X-ray free-electron laser (XFEL) SACLA, the soft X-ray free-electron laser SCSS+, andthe SPring-8 storage ring. Although a short gain length of X-ray lasing was achieved and the power saturation levelalready reached as high as 100 GW owing to a low emittance and extremely-hard compression of the electron beam,
higher output power of XFEL is required from experimental users. In order to supply the demand, development of theelectron gun which can generate a beam with higher-brightness was stated based on the present CeB6 gun. In this paper,a scheme to upgrade the SACLA electron source is discussed.

1.

はじめにCeB6 熱電子銃 [1, 2] は、SPring-8 キャンパスにおいて X 線自由電子レーザー（XFEL）施設 SACLA[3] および軟 X 線 FEL ビームライン専用加速器
SCSS+ [4, 5] の電子銃として使われ、ユーザー利用運転のために低エミッタンス電子ビームを供給し続けている。2021 年には SACLA の線形加速器からSPring-8 蓄積リングへの電子ビームの同時入射が始
まり [6]、CeB6 熱電子銃は SPring-8 蓄積リングのための電子銃としても稼働することになった [7]。
SACLA における CeB6 カソードの短寿命問題がまだ未解決のまま残されてはいるものの、高輝度の放射光を安定に供給する電子源として十分な役割を果たしている。
SACLA では、低エミッタンスビームを縦方向に極限的な状態にまで圧縮することでパルス幅が約10 fs、ピークパワーが 100 GW レベルの極短パルス
XFEL 光を発生している [8, 9]。高密度の XFEL 光を利用した様々な実験研究が行われているが、更に高い強度の XFEL 光を望むユーザーは当然ながら少なくない。その要求に応えるために、電子ビームの低エミッタンス化に着目してそれを実現するための方策を考案した [10, 11]。

2.

XFEL の出力増強

電子ビームの特性と XFEL 強度の関係を調べるた
めに、数値計算をもとに構築された 3 次元 FEL 解析モデルを使用した [12]。
'𝐿$%𝑃!"# ≈ 1.6𝜌 ' ) 𝑃()"* = 𝜂(𝜀+ , 𝐼, , … )𝑃()"*
𝐿&
ここで、𝑃!"# は FEL 出力の飽和ピークパワー、𝑃()"* は電子ビームのピークパワー、𝜌は Pierce パラ
メータ、𝐿& 、𝐿$% はそれぞれ 3 次元、1 次元の FELゲイン長である。パワー変換係数𝜂は規格化エミッ____________________________________________#togawa@spring8.or.jp

タンス𝜀+ やピーク電流𝐼, などの電子ビームパラメータやアンジュレータパラメータの関数となる。この関係式に SACLA のパラメータ（FEL 波長：1.1810-10 m、電子エネルギー：8 GeV、磁石列周期長：18 mm、K 値：2.1、ベータ関数：22 m、エネルギー広がり：1 10-4 ）を代入し、𝑃!"# と𝜀+ および𝐼, との関係を調べた。Figure 1 にピーク電流を 10 kA に固定した場合の XFEL 出力の規格化エミッタンス依存性と規格化エミッタンスを 0.4 μm に固定した場合のピーク電流依存性を示す。

Figure 1: Emittance and peak current dependence of FEL
output power.
加速高周波やビーム航跡場、コヒーレント放射が生み出すエネルギー分布の非線形を精密にコントロールすることでピーク電流を上げる余地は残されているものの、既に極限的な状態にまで縦方向にビームを圧縮しており、パワー変換係数の増強への寄与は小さいと考えられる。
一方、規格化エミッタンスに関してはまだ改善の余地が残されており、パワー変換係数を 2 倍程度増強できる可能性がある。規格化エミッタンスはアンジュレータにおけるビームサイズを決定するので、- 185 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ビームサイズの縮小化は更なる横方向のビーム圧縮と捉えることができる。現状 SACLA のビームは、
静 止 系 に お け る 縦 方 向 の ビ ー ム サ イ ズ が 3 μm（ FWHM ） で あ る の に 対 し 横 方 向 の サ イ ズ が100 μm（4σ）を超えるかなり扁平した空間分布を形成している。電子集団としては横方向の圧縮を強めたほうがより自然な状態となるであろう。まずは規格化エミッタンスの目標値を 0.1 μm とし電子源開発を進めることにした。

3.

1 ns の射影でありながら Fig. 3 に示す一様な電子分布が安定に得られている。

高輝度熱電子源開発の課題

SACLA では、半径 1.5 mm の CeB6 カソードを1700 K から 1800 K の高温に加熱してピーク電流 1 A、規格化エミッタンス 0.6 μm のビームを引き出している。高温領域ではエミッタンスの温度依存性は非常に小さく、カソード径が支配的である。従って、エミッタンスを低減するためには、とにかく径が小さいカソードを開発しなければならないことになるが、温度以外のエミッタンスを悪化させる要素を取り除くことも必須で、その要素の一つが表面粗度である。表面の突起に起因する電子ビームの角度広がりのモデル計算 [13] によると、角度広がりの最大値は次式で表される。
ℎ𝛽𝛾𝜃* = 0.158𝐸- '(𝑟𝑎𝑑)(ℎ + 𝑤 ' )$//
ここで𝛽は光速に対する電子速度、𝛾はローレンツ因子、𝜃* は最大角度、𝐸- は表面電界（MV/m）、ℎ、𝑤はそれぞれ突起の高さと幅（100 μm 単位）である。
比較のため𝛽𝛾𝜃* を標準偏差の 3 倍と仮定し、ビームサイズで規格化した規格化エミッタンス（intrinsic emittance）に相当する量を求めた。表面粗度に対する intrinsic emittance の変化を Fig. 2 に示す。簡単のためℎ = 𝑤とした。熱運動による
intrinsic emittance 8𝑘0 𝑇/(𝑚) 𝑐 ' )に対して十分小さな値となるためには 100 nm 以下の表面粗度が必要であることが分かる。ここで、𝑘0 は Boltzmann 定数、𝑇 はカソード温度、𝑚) は電子の静止質量、𝑐は光速である。 SACLA が CeB6 単結晶を採用している理由の一つがこれであり、同系統の LaB6 では原子間力顕微鏡により 1 nm 以下の表面粗度が達成されているとの報告がなされている [14]。他系統のカソード結晶を開発する際には、同レベルの表面粗度が実現できるか否かが鍵となる。
次に重要な要素がエミッション密度の一様性とショット毎のプロファイル分布の安定性である。カソード近傍では電子ビームのエネルギーが極めて低いので、電流密度にムラがあると空間電荷力のバランスが崩れて層流が乱れ、局所的な角度広がりが増大すると考えられる。指標となる物理モデルは構築できていないが、高密度の電子ビームを生成する場合、可能な限りエミッション密度を一様にすることが求められる。また、ショット毎のエミッション分布の再現性も重要で、特に極限状態にまでビームを圧縮するケースでは、空間分布の安定性がピーク電流の安定性にも関与するであろう。CeB6 単結晶を採用しているもう一つの理由がここにあり、実際に

Figure 2: Effect of surface roughness on emittance.

Figure 3: Projected beam profile of the CeB6 gun.
さて、0.1 μm の規格化エミッタンスを達成するた
めには、カソード径を 1/3 よりも小さくする必要がある。エミッション密度はカソード径の 2 乗に反比例するため、これまでより 1 桁高いエミッション密度を実現しなければならない。熱電子カソードのエミッション密度は Richardson 方程式で与えられる。
1))5𝑗 = 𝐴𝑇 ' 𝑒𝑥𝑝 J− 2!""L, 𝜙)44 = 𝜙 − ' N67$
3
#%

(1)

𝐴は Richardson 定数、𝜙)44 は Shottky 効果による実効仕事関数、𝜙はカソード物質の仕事関数、𝐸! はカソード表面の加速電界、𝑒は素電荷、𝜀- は真空の誘電率である。カソードの昇温に限界がある場合、エミッション密度を上げるためには実効仕事関数を下げるしか解がなく、そのためには電子銃の高電界化を行うか低い仕事関数を有する新しいカソード物質の探索、開発を行うしか方法がない。SACLA ではこの両側面から開発を進めることにした。

4.

電子銃の高電界化

CeB6 カソードの半径を 3 分の 1 の 0.5 mm とした
場合、ピーク電流 1 A を得るためには 127 A/cm2 のエミッション密度を実現しなければならない。
CeB6 電 子 銃 の 実 験 、 電 界 計 算 で 求 め た 値 、- 186 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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𝐴=19.1 A/cm2、𝜙=2.39 eV、𝐸! =12.6 MV/m を用いると、式(1)よりエミッション密度 127 A/cm2 を得るためのカソード温度が 1975 K であることが分かる。
CeB6 結晶の融点 2463 K より低いため昇温は不可能
ではないと考えられるが、蒸発速度の増加やエミッション寿命の悪化が心配される。ヒーターなど周辺部品へ多大な熱負荷を課すことにもなる。そこでShottky 効果を利用して実効仕事関数を小さくし、動作温度を下げることを考えた。Figure 4 に表面電界に対する実効仕事関数と 127 A/cm2 のエミッション密度を与える温度との関係を示す。表面電界を40 MV/m まで上げれば温度を 1890 K にまで下げることができ現実的となってくる。SACLA では既にShottky 効果によって 30%程度高いエミッション電流を得ており、効果は小規模ながら実証済みである。に新しい加速電極の構造とウェネルトの写真を示す。
この構造では、印加電圧 500 kV で 48 MV/m のカソード表面電界を得ることができる。モリブデン材は純度 99.999 %の多結晶材を用い、表面はダイアモンドペーストによる鏡面仕上げとした。CeB6 カソードの半径は 0.5 mm である。カソードからアノードまでの距離が大幅に狭まったことで、カソードからの熱輻射が強まりアノード電極が加熱され、真空度が悪化する問題が生じた。それが主な原因であると思われるが、200 kV から放電が多発して高電圧コンディショニングがスムーズに進まなくなった。
390 kV まで印加できたものの、放電により CeB6 結晶が破壊され、エミッションが激減する結果となった。最初の試みは失敗に終わったが、高電圧コンディショニング中のエミッション電流の様子からShottky 効果による大幅なエミッション密度の増強が達成できていることが確認できた（Fig. 7）。改善策としてアノード電極とステンレスフランジをろう付けで密着し、水冷の冷却効率を上げることにした。また、目標を 1 段階下げて、加速ギャップを20 mm とし、半径 1.0 mm の CeB6 結晶で試験を行うことにした。現在準備中で 2023 年度秋に試験を実施する予定である。

Figure 4: Effective work function and temperature whichgive 127 A/cm2 emission density as a function of surface
electric field.
表面電界を上げるために印加電圧を現状の 500 kVより高くすることは、入射部のバンチ圧縮の観点からも得策ではない。従って、印加電圧は 500 kV に固定し、加速電極のギャップを狭くすることで表面電界を上げることにした。SACLA では電極材料に清浄ステンレスを用いているが、20 MV/m 程度が限界であると思われる。そこでチタン製ウェネルトとモリブデン製アノードの組み合わせを試みることにした [15, 16]。チタンをウェネルト側に用いたのは、2 次電子放出係数が小さいため逆流イオンが誘発する放電を抑制できると考えたからである。モリブデンをアノード側に用いたのは、電子衝撃に強くターゲット材やコリメータ材に使われており、放電時のガス放出やイオンの発生が抑制できると考えたからである。SACLA 電子銃と同じ形状で電極を作製し、高電界試験を行ったところ、Fig. 5 に示すように最初の高電圧コンディショニングで放電回数が極めて少ない良好な結果が得られた。しかしながら長時間の高温加熱によりチタンが再結晶化して放電が多発するようになった。高温の熱電子銃にチタンウェネルトを適用するには、カソードからの伝熱を遮断する断熱性の良い構造にするか単結晶材を用いるか何らかの対策が必要であることが分かった。
チタンウェネルトの開発はひとまず中断し、モリブデン電極の組合せを試みることにした。Figure 6

Figure 5: Discharge in high voltage conditioning. Upper:
electrodes made of clean stainless steel. Lower: titanium
wehnelt and molybdenum anode.

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Figure 6: High-gradient electron gun with a small CeB6
cathode and short-gap molybdenum electrodes.

Figure 7: Emission from a small CeB6 cathode duringhigh-voltage conditioning (red circle). For comparison,standard emission data of the CeB6 gun are plotted (bluesquare).
電子銃の高電界化にパルス電源も重要である。
SACLA の電子銃は C-band クライストロン用の変調器電源 [17] を使用することを前提として設計された。従ってパルス幅が数 μs と非常に長く、電子銃の高電界化にとってかなり不利な条件となっている。
SACLA 入射器に送る電子ビームの幅は 1 ns なので、電子銃高電圧のパルス幅は 100 ns もあれば十分である。パルス幅が 1 μs を切れば放電の閾値が大幅に上がることが考えられるので、最終的には電源の単パルス化が必要となってくるであろう。パルス幅の限界を決めている電子銃システムの浮遊容量の改善やインピーダンスの見直しで電源の単パルス化が実現できるかの検討を行なっている。

5.

低仕事関数カソード開発

SACLA 特有の CeB6 カソードの劣化現象を解明してこの問題を解決するために、高温カソードの量子効率スペクトルから精密な仕事関数を測定する装置を開発した[18, 19]。CeB6 結晶の仕事関数周辺のエネルギーをカバーする可変レーザーを使用しているので、低仕事関数カソードの開発にも適している。
以下、着目している低仕事関数カソードの候補を紹介する。

1） 単原子層物質のコーティング：最近、LaB6 結晶の表面に 1 原子層の h-BN（hexagonal boronnitride）をコーティングすると仕事関数が低下することが Los Alamos 国立研究所の山口尚登氏らのグループにより報告された [14]。h-BN とLaB6 表面の間で電荷の移動が起こり、局所的発生した電場により仕事関数が低下したと解析されている。当グループと協力し CeB6 熱電子カソードに対して有効性であるか否かの調査を行なっている。
2） 窒素ドーピング：窒素を LaB6 にドープすると仕事関数が低下するとの報告がある [20]。仕事関数低下に窒素がどのように関与しているかは理解できていないが、CeB6 系低仕事関数カソードの候補の一つと考えている。
3） Iridium-Cerium (IrCe)カソード：高エネルギー加速器研究機構の吉田光宏氏らが大電流を必要とする Super KEKB 用 RF 電子銃のために高い量子効率を有するフォトカソードとして導入した[21]。仕事関数が希土類ホウ化物と同程度に小さく（ϕ=2.57 𝑒𝑉）、熱エミッションの密度も高いことが報告されており、有望なカソードとして着目し、吉田グループと共同研究を行なっている。IrCe とカーボンの相性が悪いため高温結晶の保持方法が課題であることが分かり、高融点金属を使ったアッセンブリーの開発を行なっているところで、試作器では低電圧ながらφ3 mm のカソードから 5.7 𝑘𝑉、0.2 𝐴の電子ビームを引き出すことに成功している。
4） 遷移金属炭化物カソード [22]：遷移金属炭化物
カソードは融点が非常に高いため、超高温の環境に対して強固であると期待できるが、一般に仕事関数は低くない（𝜙~3.5 𝑒𝑉）。しかし、酸化した遷移金属炭化物は CeB6 レベルの低仕事関数を有するとの報告もある [23]。効率良く加熱できるヒーターの開発が鍵となるであろう。
5） レーザー励起：赤外線レーザーを結晶に照射して結晶内電子の Fermi 分布を高エネルギー側にシフトさせ、相対的に仕事関数を下げることが可能か否かの検討を行なっている。

6.

低エミッタンスビームの XFEL 調整

SACLA では電子銃の直下流に丸穴のコリメータを置き、数 μs の長パルスから 1 ns の単バンチを切り出すとともに理想的な一様ビームに近づけるために外輪部の除去を行なっている。ビーム径が確定する丸穴のコリメータは仮想的な電子源と見なすことができ、この点で電子源ビームの条件を接続すると、入射部以降のビーム調整が容易となる。原理的にはコリメータの上流に 2 台の磁気レンズを設置すれば良い。カソードの小径化により変化した電子銃ビームの初期条件はここで補正する。

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10 MeV 以下の低エネルギーでは、ビームエンベロープは空間電荷力が支配的となって決まるので、丸穴のコリメータの出口でピーク電流値、ビーム径、大局的な発散角度を合わせておけば、これまでと同じ電磁場により同じエンベロープでビームを輸送出来ると考えられる。高エネルギー加速部ではダンピング効果で自然にビーム径が小さくなるが [24]、電子密度の変化によりビーム航跡場やコヒーレント放射の影響の変化が予想されるので、これについては数値計算等で評価しておく必要があると考えている。

7.

最後にSACLA は R&D 開始から 20 年、供用開始から 10年が経過し、次世代のアップグレードを計画する時期に差し掛かっている [25]。将来、飛躍的に増大したピーク輝度を持ちかつ安定な XFEL 光をユーザーに提供することが求められる場合には、電子源の技術的選択肢として熱陰極方式が適しているのか光陰極方式が適しているのかを再び検討し直し、長期利用運転も含めた総合的な見地から方式を選択しなければならない。本稿で述べた熱電子銃のアップグレードはその重要な判断材料の一つになると考えている。

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