Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

CONSTRUCTION OF EMITTANCE MEASUREMENT SYSTEM
FOR 200keV POLARIZED ELECTRON BEAM
N.Yamamoto1,A), M.Yamamoto A), T.NakanishiA), M.KurikiB), S.Okumi A), F.Furuta A),
M.Kuwahara A), K.Naniwa A), K.YasuiA), H.Matsumoto B), J.Urakawa B), M.Yoshioka B)
A)
Department of Physics, Nagoya University
Furo-cho, Nagoya-city, Aichi, 464-8602
B)
KEK, high energy accelerator research organization
1-1 Oho, Tsukuba-city, Ibaraki, 305-0801
Abstract
For Linier Collider projects, we have continued a study to build a high gradient polarized DC-gun. A 200keV beam
has already been extracted and experiments to improve beam qualities are in progress. Namely, we prepared an emittancemeasurement system using pepper-pot method, and preliminary measurements have been done using a 100keV polarized
beam.

200keV偏 極 電 子 ビ ー ム の エ ミ ッ タ ン ス 測 定 装 置 の 開 発
極電子ビームを生成する準備を進めている。
我々が電子源に用いるNEA-GaAsフォトカソード
我々はリニアコライダー計画 に用いる200keVスピは初期エミッタンスが小さくできることから、ERLン偏極電子源の開発を進めてお り、すでに200keVの用極低エミッタンス電子源の候補としても注目され電子ビーム引き出しに成功し ている [1]。今後の課題ている[3] 。しかしながら、200keV偏極電子ビームのは、GaAsの 負の電子親和性(NEA)表面の長寿命化とエミッタンス測定は未だ行われていない。このため引き出した電子ビームの質の検証と改善である。にもまずエミッタンスの精密な測定が必要である。
常伝導リニアコライダーでは、電子源において高本研究では、エミッタンス測定にペッパーポットい偏極度(>90%)、高いピーク電流(>9.2A)、低エミッ法を採用し図１のように、装置自身は200keVスピンタンス(<10 pi.mm.mrad)、さらに1.4ns間隔のマルチ偏極電子源 の直下流に 配置してい る。今回は 、バンチ構造をもった電子ビームが必要とされている。 100keVビームを用いた装置の最終調整について報告
このうち偏極 度とダブルバンチ構造については、エする。
ネルギー70keVではあるがこれまでの我々の研究において既に達成されており[2]、 現在は200keV電子銃を用いてリニ アコライダーの要求を完全に満たす偏１．はじめに

図 １ :エ ミ ッ タ ン ス 測 定 装 置 の 全 体
1E-mail: naoto@spin.phys.nagoya-u.ac.jp371

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C3077)でデータをWindows Bitmap形式で捉える。
これは一画素あたり8bitの解像度をもち、一画像あたり640ピクセルx480ピクセルのサイズである。最後にこのデータを解析しエミッタンスを求める。

２．エミッタンス測定装置
2.1 測定法
電子ビームのエミッタンス測定法はいくつかあるが、電子源の 初期エミッタンス評価を考えペッパーポット法を選 択した。ペッパーポット法では、電子源 に対し非 常 に近い位置 で 1pi.mm.mrad以下の エミッタンスの精密測定が可能 であり [4]、装置のコンパクト化も望めると判断したからである。
この方法はスリット法の一種で、電子ビームの切り出しにはペ ッパーポットマスクと呼ばれる薄い金属の板を用い る。この板には直径数十ミクロンのピンホールが規 則的に配列されている。このマスクによって切り出 された電子ビームが後方のスクリーンに映し出され 、そのスポットの広がりを測定することでエミッタンスを求める。

３．真空試験
この装置の設計にあたり測定系の真空度と電子銃部分の真空度のアンバランスが問題と考えられた。
電子銃部分は10-10Paの極高真空に保たれているのに対し、ペッパーポット法にもちいるプラスチックシンチレータはこれまで10-5Pa台でしか使用された実績がなかったからである。
そこで、実際に超高真空を生成し質量分析器による残留ガス分析からNEA表面への悪影響の有無を調べた。

2.2 実験装置(真空チャンバー)3.1 試験の概要

エミッタンス測定装置の概要を図１に示す。装置
はペッパーポ ットマスクとスクリーンを収めた超高真空チャンバ ーと大気中におかれたスクリーン発光の読み出し装置とに分かれる。
ペッパーポ ットマスクは厚さ10ミクロンのTi箔を使用しており 放電加工によるピンホール加工がなされている。 予測されるエミッタンスに応じてピンホール径、間 隔などを選択する。また、スクリーンには紫外光付 近の波長に発光ピークをもつ厚さ数十ミクロンのプラスチックシンチレータ(Bicron; BC422)を採用し、スクリーン上における像のにじみを最低限に抑えられるように配慮している。
さらにエミッタンス測定中、マスク及びスクリーンへのビーム 照射による真空度劣化を考慮し電子銃チャンバーと の間に差動排気系を設置してある。これは、電子銃内のNEA-GaAsカ ソードへの悪影響を防ぐためである。

エミッタンス測定系に真空計(ULVAC; WIN-N3)と質量分析器(LEYBOLD INFICON; TH200)を取り付けシンチレータの有無による真空度の変化を調べた。
また、真空計は差動排気に、質量分析器は200keV電子銃にそれぞれ配置した。
まずシンチレータのない状態での真空試験を行い、全真空チャンバーを約200℃でベーキング、本排気し、残留ガスの分圧と全真空度を記録した。つぎにシンチレータ有りの状態の真空試験を行ったが、シンチレータの融点は80℃未満であり高温でのベーキングは行えない。そのため、バルブによってチャンバーの一部を真空的に隔離し、その部分を乾燥N2 ガスで大気に比べ揚圧に保ちながら速やかにシンチレータをインストールした。これは、湿気を含んだ空気や埃がチャンバー内に入るのを防ぐためである。
その後常温において、全チャンバーの本排気を再度行い真空度が飽和した状態でチャンバー内の真空状態を調べた。

2.3 光学系
光学系の模式図を図２に示す。まず、長距離顕微鏡(Quester; QM-1)でスクリー ン上の発光を拡大する。前述した ように使用しているスクリーンは非常に薄く、100keV電子のエネルギー損失が微量のため、その発光量は 極端に少ない。そこで、イメージインテンシファイア(浜松ホトニクス; C4078)で発光を103から106 倍に 増強し、CCDカメ ラ(浜松ホトニクス;

図２：光学系の模式図

図 3 :シ ン チ レ ー タ 試 験 の 結 果

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3.3 結果
真空度は 、シンチ レータ の インスト ール前 で6.7x10-8Pa(室 温 22℃)、シンチレータのインストー
ル後は5.2x10-8Pa(室温 20℃)とシンチレータの有無による真空度 の劣化はみられなかった。また、この値においてシ ンチレータ挿入後の方がかえって良い真空度となっ た理由は外気温や総排気時間が異なったためである。
残留ガス分析の結果を図３に示す。図には、真空チャンバー内 の主要な残留ガス成分とその割合の変化が示してあ る。シンチレータをインストールしたことによる残 留ガス成分の大きな変化は見られないことがわか る。さらに質量数200までの残留ガス分析を行ったが異常はなかった。
以上の結果から我々はシンチレータを挿入しても超高真空状態が維持できると判断した。

４．予備的ビーム試験
4.1 試験の概要
エミッタンス測定試験は、200keV電子源を使い、NEA-GaAsカソードにHe-Neレーザー(波長; 633nm)を45度の角度か ら連続的に照射して引き出したテストビームを用いて行った。引き出し電圧は~100kV（カソ ード上の 電界強度 は~1.5MV/m ）で、ペッパ ーポットマスクを照射した電子ビームの電流は数百nAであった。こ の大半はペッパーポットマスクでカットされるので直接シンチレータに達した電子は数pAであると推測される。
4.2 結果像だと予想した。つまり、チャンバー内部でのレーザー光の乱反射が相対的に高い強度をもっており、シグナルとして捉えたいシンチレータ発光が埋もれてしまっていると判断した。
ただし、電子ビームのマスク照射の有無によって画像全体の明るさがわずかに変化することも確認しており、これが本来捉えたいシンチレータ発光によるものであろうと考えている。
この解決策として、真空チャンバーと長距離顕微鏡の間にカソード励起用レーザーの波長を遮断するフィルターを挿入してシンチレータ発光以外の入射光をカットする準備をしている。この方法はシンチレータ光と励起レーザー光の波長が違うために可能である。

５．まとめと今後の課題
NEA-GaAsカソードを用いた200keV電子銃におけるエミッタンスを測定する研究を進めた。
100keV電子ビームを用いて予備試験が進行中である。現在は、励起レーザーの反射光がシンチレータ発光を覆い隠しバックグラウンドとなるという問題の解決に取り組んでいる。
この問題を解決した後に、引き出し電圧を目標の200kV(電界強度: 約3MV/m)まであげたビームを用いたエミッタンスの研究を行い、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。
また、これらの実験研究と併行して、エミッタンスをシミュレートするプログラムの開発も続けていく予定である。
最後に、この測定装置はKEKが熱電子銃エミッタンス測定用として開発したものを土台とし、新たにNEAÕGaAs偏極電子源用に改変した部分を付け足して構成したものであり、小林仁氏をはじめとするKEK入射器グループに感謝します。

この試験によりCCDカメラで得られた画像を図４に示す。この 画像にはペッパーポットマスクのピンホールパター ンが明確に捉えられている。しかしながら、この 画像は偏向レンズにより電子ビームを振ってもほと んど変化しなかった。このことから捉えられた画像(図４)はシンチレータの発光ではなく、 参考文献
ペッパーポッ トマスクを通過したカソード付近での励起レーザーの反射光をCCDカメラが捉えてできた[1] M.Yamamoto, et al., Proceedings of FEL 2004, Tsukuba,

Sep. 7-10, 2003
T.Nakanishi, Linac 2002 proceedings, Gyonju, Korea,Aug. 2002
K.Wada, et al., PESP2002 Proceedings, MIT, Sept., 2002
[2] K. Togawa, et al., Nuclear Instruments and Methodes inPhysics Research A414(1998) 431
T.Nishitani, et al., 第 28 回 リ ニ ア ッ ク 研 究 会 プ ロ
シ ー デ ィ ン グ ス , Tokai, Jul. 30- Aug. 1,2003[3] N.Yamamoto, et al . , Proceedings of FEL 2004, Tsukuba,Sep. 7-10, 2003
N.Yamamoto, Ph. M.Thesis, Nagoya University (2003)
URL:
http://plib.phys.nagoya-

図 ４ :ビ ー ム 試 験 で 捉 え た レ ーザーが原因だと思われる画像

u.ac.jp/MC/2003/yamamoto-sp/yamamoto-sp.pdf[4] Y.Yamazaki, et el., Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A322(1992) 139-145 North Holland373