外部磁場印加による熱陰極型高周波電子銃のビーム特性の改善
宮迫敦1、

林秀輔、 紀井 俊輝、 増田 開、
吉川 潔、 山嵜 鉄夫
京都大学エネルギー理工学研究所〒611‑0011 京都府宇治市五ヶ庄

概要
高周波電子銃の課題は、陰極から引き出された一部の加速電子が逆加速電界により逆加速され陰極に衝突する、back‑bombardment と呼ばれる現象が発生することである。この現象により陰極表面温度が上昇し電子放出量の増加が起こるため、加速効率が低下し、電子ビームの高輝度化の妨げとなる。本研究では、back‑bombardment現象の軽減方法として、高周波電子銃の外部から磁場を印加することで陰極表面に衝突する逆流電子を偏向する実験を行い、その効果を評価した。

大垣

英明

表１：高周波電子銃の仕様

共振周波数
空胴数
出力エネルギー
出力電流
パルス幅
入力高周波電力
カップリング係数β2856 MHz
4 1/2 (サイドカップル)
4 MeV
500 mA
3 µsec at 60 Hz
5 MW
3.24

１．はじめに減方法として、高周波電子銃の外部から磁場を印加
自由電子レーザー（FEL）は、従来のレーザーのすることで陰極表面に衝突する逆流電子を偏向するコヒーレントで単色であるという特徴に加え、高出実験を行い、実験により測定された電子銃の出力電力、高効率であり、しかも発振波長が連続的に可変子 ビ ー ム の 特 性から、外部磁場印加によるback‑で、原理的にマイクロ波からX線領域に至るまで非常に幅広い波長領域の光を得るという特徴を有する。 bombardment現象の軽減方法を評価した。
ただし、このような優れた特徴を持つFELの開発に２．実験
は電子ビームの高輝度化が必要不可欠であり、電子ビームの輝度には電子銃の性能が大きく関係する。
実験装置は高周波電子銃、高周波電源、並びに電この高輝度化を狙って開発された電子銃に、高周波子ビーム測定装置から成る。高周波電子銃の仕様を電子銃がある。
表１に、実験装置の概略図を図１に示す。
しかし、高周波電子銃では、陰極から引き出され本実験に用いた外部磁場印加用コイルは、逆流電た一部の加速電子は逆加速電界の影響を受け逆加速子を偏向するためのもので、図２のように陰極付近されて陰極に衝突するback‑bombardment現象が起こにC型コイルを設置した。
る。熱陰極を用いた場合、電子の陰極への衝突により陰極表面温度が上昇し、電子放出量の増加を引き起こす。その結果加速効率が低下し、ビームエネルギーが変動するため高輝度化の大きな妨げとなる。
我々は、マクロパルス内での逆流電子によるビーム特性への影響を評価するために、陰極内部での電子ビーム方向の熱伝導と逆加速電子のエネルギー分布を考慮に入れた熱伝導方程式を用いてマクロパルス内での陰極表面温度上昇を評価した。
その結果、陰極表面温度上昇に低エネルギーの逆流電子が大きく影響し、これらを取り除くことで陰極表面温度上昇を大幅に抑えることが可能であることが分かった[1]。
そこで本研究では、back‑bombardment現象の軽図１1E-mail: a-miyasako@iae.kyoto-u.ac.jp

実験装置概略図

3.2 出力電子ビーム電流と外部磁場の関係

電子銃磁力線

外部磁場印加用-電子コイル

出力ビーム電流は直線ビームライン末端のファラデーカップを用いて計測した。
図４より、外部磁場を強めるに従って、出力電子ビーム電流が減少していることが分かる。このこと
は、外部磁場印加によって、電子銃内で逆流電子だけでなく出力電子ビームも偏向されてしまうために、電子銃内で電子ビームが壁に衝突して消失するので電流が減少してしまっていると考えられる
0.45

陰極

外部磁場印加の概略図

３．実験結果
今回の実験では、パルス幅と出力ビーム電流、電子ビームエネルギーを外部磁場印加の条件のもとで測定した。出力ビームの電流とエネルギーは、外部磁場印加により変化が予想される出力電子ビームの特性を調べるために測定した。
この時の運転条件は、陰極表面温度1017 ℃であり、電子銃に投入した高周波はパルス幅6 µsで電力Pin=3.48 MWであった。

beam current (A)

図２0.400.350.30
0.250.200.150.100.050.00-20020406080

100 120 140 160

magnetic field (Gauss)
図４

電流と各外部磁場の関係

3.1 パルス幅と外部磁場の関係

3.3 出力電子ビームエネルギーと外部磁場の関係

パルス幅は加速効率が低下し、電子銃からビームが引き出されなくなるまでの時間と定義し、双極電磁石の前のパルス電流モニタ（CT）を用いて測定した。
図３より、外部磁場を強めるに従って、出力電子ビームのパルス幅が延びているのが分かる。また、このことより、外部磁場を印加することが、逆流電子の陰極への衝突を回避し、陰極表面温度上昇を抑えることに効果があるものと予想される。

出力電子ビームエネルギーは、双極電磁石とビームライン末端のファラデーカップを用いて測定した電荷量をもとに、平均エネルギーとして算出した。
図５より、印加磁場約15 Gaussまでは出力電子ビームエネルギーの上昇が見られたが、それ以降はあまり変化が見られなかった。印加磁場により逆流電子だけでなく、磁場の影響を受けやすい低エネルギー出力電子も偏向し、消失したために平均エネルギーが多少上昇したものと考えられる。
3.0

beam energy (MeV)

pulse width (μ(μs)
s)

3.5
3.4
3.3
3.2
3.1
3.0
2.9
2.8
2.7-20020406080

100 120 140 160

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0-10図３

パルス幅と各外部磁場の関係

010203040

magnetic field (Gauss)magnetic field (Gauss)
図5

出力電子ビームエネルギー

5060

４．考察

５．結論

cathode temperature (K)

図４，５より、逆流電子を偏向するための外部磁今回の実験により分かったことを以下に示す。
場として有効と考えられるのは約20 Gauss程度であ・外部磁場を印加することによって、出力電子ビーると考えられる。図３より、20 Gaussの外部磁場をムのパルス幅を伸ばすことができる（20 Gaussの印加した時の電子ビームのパルス幅は約3.06 µsで外部磁場を印加することで、出力電子ビームのパあり、外部磁場を印加しなかった場合に比べて約ルス幅が約0.4 µs伸びることが測定できた）。ま0.4 µs伸びていることになる。
た、粒子と熱のシミュレーション計算により外部
20 Gaussの外部磁場をかけた状況について、粒子磁場の印加をすることで逆流電子の陰極表面へのシミュレーションと電子ビーム方向と熱伝導を考慮衝突を回避し、陰極表面温度上昇を抑えることにに入れた１次元熱伝導方程式を用いた解析を行った。
効果があることが分かった。
粒子シミュレーションにはParmela(V3.27)[2]を用いて逆流電子の個数とエネルギーを求めた。尚、・印加する外部磁場として20 Gauss程度が、本実験
V3.27からParmelaでは外部静磁場のバックグラウンの条件では最適であると考えられるドを取り入れる計算が可能になっている。そこで、本コイルにより発生できる磁場分布の３次元分布を、 ・外部磁場の印加することで電子ビーム特性を大幅
計 算 コ ー ド Radia[3] を 用 い て 計 算 し 、 こ れ をに改善するには至らなかった。
Parmelaに入力した。熱伝導シミュレーションには本研究グループで開発した計算コード[4]を用いた。 ・外部磁場を印加することで出力電子ビームの電流
図６にその結果を示す。図６より、外部磁場を印値を下げてしまい、出力電子ビーム特性が劣化す加していない時の陰極表面温度上昇はマクロパルスるという問題点が生じることが分かった。
長 3.0 µs の 間 に 11.5 ℃ で あ る の に 対 し て 、 20Gaussの外部磁場を印加した時の陰極表面温度上昇
今後はこれらの問題点に留意して、ビーム特性のは10.3 ℃であり、約10.4 %温度上昇を抑えられる更なる改善を試みる必要がある。
ことが示された。また、外部磁場を20 Gauss印加した際の温度上昇のシミュレーション結果を外挿する
６．今後の方針と、およそ0.33 µsの時間経過後に外部磁場を印加
本研究の結果よりback‑bombardment現象のより効した場合の陰極表面温度が、外部磁場を印加しな果的な軽減方法について検討する。陰極表面温度上かった場合の陰極表面温度に到達する。この値は実昇に大きな影響を与える低エネルギーの逆流電子が験で得た値である0.4 µsとほぼ一致している。
陰極表面に衝突することを回避するためには、陰極半径を小さくすることが考えられる｡これは、陰極半径が小さいと、弱い磁場でも逆流電子の陰極表面への衝突を回避することができ、また、出力電子
1286ビームにも影響が少なくなると考えられるからである｡
0 Gauss1284
20 Gauss
よって陰極半径を小さくし、かつ最適な外部磁場を印加することで、より電子ビーム特性の改善に繋1282がるものと考えられる｡
1280
1278

７．参考文献1276[1]山根 功士朗：京都大学エネルギー科学研究科エネル
ギー応用科学専攻修士論文(2003)[2]James H.Billen Loyd M.Young.PARMERA,chapter LA-UR96-1835.2002.
[3]P. Elleaume, O. Chubar and J. Chavanne：Proc. PAC97
Conference, Vancouver, "Computing 3D Magnetic Fields
from Insertion Devices" (9P27) (1997)[4]T.Kii,et al.,Nucl.Instr.and Meth.A 483(2002)310-314

1274
1272
0.0

図６0.5

1.0

1.5

2.0

time(μs)2.5

陰極表面の温度上昇計算結果

3.0