ペッパーポットを用いたNEA-GaAs஢子源のエミッタンス測定山本尚人1,A)、山本将博A)、中西彊A)、栗木雅夫B)、奥見正治A)、古田史生A)、西ૌ智博A)、
宮本延春A)、桑原真人A)、浪花健一A)、吉岡正和B)、浦川順治B)
A)

名古屋大学大学院理学研究科 物理学教室〒464-8602 愛知県名古屋市千種区不老町
B)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構 加速器研究施০
〒305-0801茨城県つくば市大穂1-1

概要
次世代の஢子線加速器‫ڐ‬画では低エミッタンス化が焦点となっており、特にERL‫ڐ‬画では、஢子源において0.5πmmmrad未満というଵ低エミッタンスビームが求められている。この実現にむけて、我々はNEA-GaAsフォトカソードと直流型‫ݗ‬஢界஢子ࢳの組み合わせによる大平均஢流・低エミッタンス型஢
子源の開発を‫ڐ‬画している。空間஢荷効果によるエミッタンス劣化を無視し得る動作条件下では、NEA表面フォトカソードが初期エミッタンスの点で有利だからである。現在、‫ڐ‬画の第一歩として名古屋大学で製作中のNEA-GaAsフォトカソード型200keV偏極஢子源のエミッタンスをペッパーポット法により測定する‫ڐ‬画を進めておりその準備状況を報告する。

１．はじめに‫ؼ‬年、‫ݗ‬エネルギー物理実験や放射光源などの加速器において஢子ビームの低エミッタンス化が求められている。特に究極の短波ସ・干渉性の‫ݗ‬い放射光生成を目指すエネルギー回収型ライナック(ERL)
では、஢子ࢳ出口において0.5πmmmrad以下というଵ低エミッタンスの஢子ビームが必要とされ、カソードから低エミッタンスビームを取り出しその後の空間஢荷効果によるエミッタンス劣化を最小限に抑えつつ光速まで加速することが必要となってくる。
我々はこの手段として、NEA-GaAsフォトカソードと直流型‫ݗ‬஢界஢子ࢳの組み合わせに注目している。
これは負の஢子親和性を持たせたGaAsのNEA表面から஢子を取り出すフォトカソードであり、真空準位が伝導帯の底よりも低いという性ࡐのため‫ݗ‬い量子効率(10%以上)と低い初期エミッタンスが期待できる。これに‫ݗ‬஢界をかけ急速に加速することによりエミッタンス劣化を最小限に抑えることが可能である。
この方式により初期エミッタンス(0.1πmmmrad)が実現できると予測されているが、この方式の有効性を実証する第一歩として、リニアコライダー用に現在開発中であるNEA-GaAsフォトカソード型200keV
偏極஢子ࢳ[1]のエミッタンスをペッパーポット法で測定する‫ڐ‬画を立てた。
1

E-mail: naoto@spin.phys.nagoya-u.ac.jp

NEA表面カソードはもともと偏極஢子源に必অのものとして研究されてきたものであり、以下のようなステップを経て偏極஢子ビームを生成している。
(1)バンドギャップエネルギーに相当する波ସの円偏光レーザーを照射して価஢子帯の஢子スピンを選択して伝導帯に偏極஢子を生成する。(2)この஢子を半導体表面にNEA表面を形成することによって真空中に取り出す。実際のNEA表面は、(a)半導体表面にp型不純物をドープすることにより表面のバンドを下向きに曲げ、さらに(b)ଵ‫ݗ‬真空中で清浄化したGaAs結晶表面にCsとO2を交互に添加して、Ga(+)Õ
Cs(-)の஢気的二重層を形成することで得られる。
このNEA状態は真空の状態に೪常に敏感でありその寿命を維持するためには、10-10Pa程のଵ‫ݗ‬真空を保つとともにイオンバックボンバーメントを抑えることが必要である。
以下において、まずは初期エミッタンス最小化にNEA-GaAsが有効であることを説明し、次に現在開発中であるペッパーポット型エミッタンス測定装置について述べる。

２．初期エミッタンス
これまでの加速器用஢子源に求められるエミッタンス値は比Ԕ的大きなものであったため、初期エミッタンスの優劣はそれほど重要視されることはなかった。しかし‫ؼ‬年ERL‫ڐ‬画に見られるように初期エミッタンスが議論され始めた。初期エミッタンス
はЧ極から放出される஢子が持つ横向き運動量(エネルギー)により生じるものである。この஢子が持つ横向きエネルギーは、フォトカソードの場合熱エネルギーとレーザーが与えた励֬エネルギーの2つが考えられる。レーザーにより஢子を励֬させる場合、஢子に与えるエネルギーはその物ࡐ表面が持つ真空準位以上でなければならない。さらに、஢子は励֬された直後からフォノンとの散乱によってエネルギーを失ってしまうため、真空準位よりかなり大きなエネルギーを与えることが実用に耐える量子効率を稼ぐために必要となる。この時の余分なエネルギーが初期エミッタンスを劣化させる原因となってくると考えられる。
これに対し、NEA-GaAsは真空準位が伝導帯の底よりもわずかだが低いため、バンドギャップエネル

ギーぎりぎりのレーザーを照射することによっても‫ݗ‬い量子効率が実現でき、さらに低い初期エミッタンスを実現することが可能となる。஢子の励֬エネルギーと真空準位との差がもたらす初期エミッタン
スの値は幾つかのモデルを仮定して‫ڐ‬算されており[2][3]、NEA-GaAsに対しては0.1πmmmrad以下の値が見積もられている。

３．エミッタンス測定
NEA-GaAsの初期エミッタンスを直接測定するには特殊な方法が必要である[4]。そこで本実験では஢子源直後のビームエミッタンスを測定することにす(a)(b)る。この場合でもエミッタンス測定位置はできるだ
けカソードに‫ؼ‬づけるとともに、エミッタンス測定 図２：レーザー顕微‫؛‬で捉えたペッパーポットの写真
時の脱ガスによる真空度の悪化がカソードのNEA表(a)ピンホールの直径20μm・間隔50μm、(b)ピン面を破壊することがないように配慮する必要がある。
ホールの直径30μm・間隔300μmでそれぞれ֩則的にそこで我々はエミッタンス測定法としてペッパーポット法を選んだ。これは、ペッパーポットと呼ば 配置してある。
れる小さい穴の空いた薄い金属板でビームを切り出し、その下流におけるビームサイズの広がりをシン
4.1!!PPチャンバー
チレーターなどでとらえ、エミッタンスを測定する装置であり、1πmmmrad以下のエミッタンスを正PPチャンバーには上流に可動式のペッパーポッ確に測定できることが確認されている[5]。さらに
ト・ファラデーカップ、最下流にプラスチックシン
この方法はビームの広がりを瞬時に像として捉えらチレーターが取り付けられている。
れるため、ビームの切り出しによる真空度の悪化をペッパーポットはビームを正確に切り出す必要が最低限に抑えることができると予想されている。
あるためピンホールのサイズと間隔が正確でなければならない。ピンホールのサイズとシンチレーター
４．実験装置までの‫״‬離により測定可能なエミッタンスの範囲が決まってくるため、ビームに合わせペッパーポット
現在開発中である装置の概略図を図１に示す。こをデザインする必要がある。今回使用するペッパーの装置は排気チャンバーとペッパーポット(PP)チャポットを図２に示す。これは、‫ݗ‬い融点をもつTiをンバーそして光学系の三つで構成されている。
その材ࡐに使い直径20μmのピンホールが50μm間隔で直径30μmのピンホールが300μm間隔で空いてい図1：エミッタンス測定装置の概要

る。これを併用することでビームサイズにもよるが1π弱~10πmmmradのエミッタンスが測定できる。
また、Ti板の厚さは20μmでエネルギー150keVの஢子ビームを完全に遮蔽することはできない。しかしビームは十分に散乱を受けるためシンチレーター面ではバックグラウンドとして扱える。
シンチレーターは、像のにじみをේぐため短い崩壊時間を持ちできるだけ厚さの薄いものが必要となる。さらにNEA-GaAsを保‫܅‬するためチャンバーをଵ‫ݗ‬真空にする必要があり、そのためのベーキング温度に耐える融点が必要である。今回は、最初の理由からプラスチックシンチレーターを選んだ。現在用意しているシンチレーターは厚さ10μm・ピーク波
ସ375nm・崩壊時間1.6ns（BicronのBC-422）のものである。しかし、このシンチレーターは融点が70℃に満たず、２つ目の条件は満たしていない。そこで、装置をまずシンチレーターをインストールしていない状態でベーキングしଵ‫ݗ‬真空まで引いておき、その後一度チャンバーを大気開放した清浄な状態でシンチレーターをインストールし、ぎりぎりの60℃で再ベーキングする予定である。また、シンチレー
ター表面でのチャージアップをේぐため事前に薄いAlの膜を蒸着してからインストールを行う。
シンチレーターとして今後は同じくBicronのBC448mの使用を検討している。このシンチレーターはピーク波ସ425nm・崩壊時間2.1nsであり、150℃でも使えるというものであり、比Ԕ的‫ݗ‬温でベーキングできるため、よりよい真空状態を作ることができると予想される。

4.2!!光学系
この実験でシンチレーター上での発光は小さく、さらに細かい広がりを正確に捉えなければならない。
そのため光学系にも‫ݗ‬い精度が必要とされる。シン
チレーターにおける発光の測定手順は次のようである。まず、ସ‫״‬離顕微‫(؛‬Questar,QM1)で像を拡大する。次にイメージインテンシファイア(浜松ホトニクス,C4078)で像を増強しCCDカメラで捉える。
そして、その像を‫ڐ‬算機に取り込みӕ析する。この過程ではシンチレーター上において10μm以上の精度でスポットサイズを捉えることができる。

4.3!!中間排気チャンバー
஢子ࢳ൉分は装備されている真空ポンプの排気量は‫ݗ‬く10-10Pa台のଵ‫ݗ‬真空に達しているのに対し、PPチャンバーはプラスチックシンチレーター自身のチャンバー内への蒸発及びエミッタンス測定中の脱ガスなどにより஢子ࢳ൉分に対し１桁以上真空度が悪くなることが予想される。この対策として中間排気チェンバーを০ける。中間排気チャンバーには、75L/sの排気量を持つイオンポンプを２台、240L/s の排気量をもつNEGポンプを１台装着しており下流から逆流してくるガスが஢子ࢳ൉分に達するのをේぐ構造になっている。

５．まとめと今後の方針
200keV஢子ࢳにおけるNEA-GaAsのエミッタンスを測定する予定である。この測定においてまずクリアすべきӀ題は、ଵ‫ݗ‬真空の実現によるNEA表面の寿命維持の問題であると考えている。
現在測定準備に向けて以下の予備実験を予定している。
(a)シンチレーターをインストールしてのଵ‫ݗ‬真空ࠟ験(b)ペッパーポットの஢子ࢳに最適なデザインの検討
またこれらの問題がӕ決でき次第、NEA-GaAsを用いた஢子源の初期エミッタンスに関して様々な条件で測定を行い、低エミッタンスビーム生成に必要な最適化条件を探る研究を行う予定である。

参考文献[1] M. Yamamoto et al. Linac 2002 proceedings
T. Nakanishi, Linac 2002 proceedings, Gyonju, Korea,Aug. 2002
K.Wada, et al., PESP2002Proceedings, MIT, Sept., 2002
[2] K.Flottmann, “NOTE ON THE THERMAL EMITTANCE OF
ELECTRONS EMITTED BY CESIUM TELLURIDE
PHOTOCATHODES.”, DESY-TESLA-FEL-97-01, Feb
1997. 7pp.
[3] 栗木雅夫. "஢子源", OHO'02 ‫ݗ‬エネルギー加速器セミナー講義用テキスト[4] S.Pastuzka et al., J of Applied Phys. 88(2000) 6 78 8
[5] Y.Yamazaki, et al.,"High-precision pepper-pot
technique for a low-emittance electron beam",Nuclear
Instruments and Methods in Physics ResearchA322(1992) 139-145 North-Holland.