Cs-Teフ ォ ト カ ソ ー ド ஢ 子 源 の ス ピ ン 偏 極 度 測 定 ‫ ڐ‬画和田宮本 延春1,A)、浪花 健一A)、杉山 ຨ栄B) 、古田 史生A)、中西 彊A)、奥見 正治A)公路A)、山本 将博A)、西ૌ 智博A)、桑原 真人A)、山本 尚人A)、‫ݗ‬嶋 圭史B) 、小早川A)
名古屋大学理学研究科
B)
名古屋大学工学研究科〒464-8602 愛知県名古屋市千種区不老町

概要
Cs-Te半 導 体 フォ ト カ ソー ド は ‫ݗ‬い 量 子 効 率（QE>10%@266nm）を持つフォトカソードであり、KEK-ATFのRF-Gunへの適用にも成功している。しかし、その偏極度は未だ測定されず不明のままである。そこで無偏極஢子源としては成功しているCsTeフォトカソードを偏極஢子源としても使用する可能性を探るべく、我々はそのスピン偏極度測定を企画した。ここではすでに開発済みのਰ止஢位型Mott散乱偏極度測定装置の性能と、この測定装置とCsTeフォトカソード஢子源とを結ぶビーム移送系の০‫ڐ‬準備状況について報告する。

１．はじめに現在、スピン偏極஢子ビームは、研究分野を問わず数多くの研究機関での実験に使用されている[1] 。
また、次世代のリニアコライダー建০‫ڐ‬画においても、ଵ対称性粒子検索の有力な手段としてスピン偏極஢子ビームの利用が想定されている[2]。このリニアコライダー建০に向けて、KEK-ATF で開発した
RF-gunに、名古屋大学でࠟ験してきたCs-Teフォトカソードを装着してマルチバンチビームを生成する実験は、2002年に行われ良好な実験結果を得ることができている[3] [4]。
RF-gumの特徴は‫ݗ‬輝度、短パルス、低エミッタンスが期待できることであり、リニアコライダーには適した஢子ࢳであるとۗえる。しかし、現在RFgunを用いた偏極஢子源は存在しない。これは、偏極஢子の引き出しに不可欠なGaAsのNEA（NegativeElectron Affinity）表面 [5] [6]をRF-Gun空洞の中で良好な状態を維持することが難しいのが原因である。
我々はこれまでに無 偏極஢子源としての Cs-Te
フォトカソードの基礎研究を行ってきているが、さらに偏極度を測定するためには、஢子源と測定系を結ぶビーム移送系と、偏極度測定装置が必要になる。
そして、これらの装置の০‫ڐ‬条件として、測定に用いる஢子ビームのエネルギーに適した装置であることが要求される。
フォトカソード開発においてカソードに印加する஢圧は、必要の無い限り低い方が絶縁の処置が簡単であり、取扱いがしやすい。今回の実験ではビーム
1

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

久B)

移送の事を考えて−3kVを選択した。このエネル
ギーに適した測定系として、我々はすでにਰ止஢位型Mott散乱偏極度測定装置の開発は済ませており、現在は移送系の作製、஢子源系の改良に取り掛かっている。

２．偏極度測定装置2.1 偏極度測定原理
஢子ビームの偏極度を測定する方法はいくつかあるが、今回のように3keVという低エネルギーでの偏極度測定を可能にし、かつ装置の小型化を目指した
場合Mott散乱を用いた測定装置が適していると判断した。
ターゲットである金箔の原子核とMott散乱した஢
子は、そのスピンの向きに応じてスピン軌道相互作用を受ける。この相互作用によって左右の散乱断面積が೪対称となり、この೪対称度（A）を測定することで偏極度（P）を知ることができる。ただし、測定できるのは検出器を০置した散乱平面に対して直Ԓ成分の偏極度のみである。
n2.2oi 実効シャーマン関数
tc 0.1nu
f 050keV
100keVn -0.1
amr -0.2eh -0.3
S120keV-0.4-0.5050100150

Scattering angle (degree)

図１：シャーマン関数の理論値

200具体的な測定方法は、まず左右に০置した஢子検出器でMott散乱した஢子をカウント（NL 、NR）して、その個数から೪対称度（A=NL -NR/NL +NR）を測定する。そして、偏極度と೪対称度はシャーマン関数（S）で結ばれている（A=SP）ので、シャーマン関数の値がわかれば偏極度は求められることになる。
図１にシャーマン関数の理論値のグラフ[7] を示してあるが、現実のMott散乱ではターゲットに厚さがあるため多重散乱の効果が加わり、実際に用いる実効シャーマン関数はターゲットの厚さにも依存する関数になっている。

2.3 ਰ止஢位型（Mini Mott）の特徴

散乱した஢子と弾性散乱した஢子をエネルギー的に区別することは出来ない。そこで、MCPの前にਰ止஢極であるGridを০置して、マイナスの஢圧を印加することにより೪弾性散乱した஢子の入射をਰ止する০‫ڐ‬になっている。また、検出器の০置Ԓ度は、シャーマン関数の‫ݗ‬い120度方向を選択してある。

2.4 ਰ止஢極のエネルギー分ӕ能
この装置に使用したਰ止஢極のエネルギー分ӕ能の測定を行った。図３のグラフは入射஢子のエネルギー3keVで、横ࡃはਰ止஢圧、縦ࡃは஢子のカウント数である。
Number of Electrons N [A.U.]

12000

Faraday Cup

Insulator

10000

Inner HemisphereElectrode

8000+40kV

6000
4000

Slit
Grid

MCP

2000
0-3050-3000-2950-2900-2850-2800

Retarding Voltage E [V]

図３：ਰ止஢圧に対する஢子カウント数の変化

Outer HemisphereElectrode

Collimator

Beam Axis

この得られたデータを平均化し、‫ؼ‬似したのが実線であり、これを஢子数が立ち上がる領域で微分したときの半値幅をਰ止஢極のエネルギー分ӕ能と定義すると図４のようになり、4.8eVという値を得る。
この値は、弾性散乱ピークと೪弾性散乱バックグラ
ウンドを効率良く落とすのに十分な値である。

100mm我々が作製した、ਰ止஢位型Mott分析器の仕組みについて説明する。カソードから出た஢子のエネル
ギーは3keVであるが、このままではエネルギーが低いため、シャーマン関数が低くなり、精度よく偏極度を測定することは不可能である。そこでMini Mottの内൉に০置した内൉球形஢極にプラスの஢圧を印加することにより、内൉に入射した஢子を加速させ、散乱時に十分なエネルギーを与えることができる০‫ڐ‬になっている。この場合+37kV印加すれば散乱エネルギー40keVが得られることになる。散乱後の஢子はアースレベルの外൉球形஢極に向かうので減速され、弾性散乱した஢子であれば3keVのエネルギーで検出器に入射することになる。しかし、この装置で用いている検出器MCP（Micro Channel Plate）は、低エネルギーの஢子検出は可能であるが、エネルギー分ӕ能は極端に悪く、金箔ターゲットで೪弾性

Derivative Number of Electrons
dN/dE [A.U.]

図２：ਰ止஢位型Mott散乱偏極度測定装置

800700600500400

FWHM = 4.8 eV3002001000-100-3010-3005-3000-2995-2990-2985

Retarding Voltage E [V]

図４：ਰ止஢極のエネルギー分ӕ能-2980

2.5 実効シャーマン関数の決定
既存の100keV-Mott 散乱測定器では、あらかじめ膜厚の異なる複数枚の金箔ターゲットを০置して、自分自身で実効シャーマン関数をԔ正できる০‫ڐ‬になっているが、Mini Mottでは小型化を重視しているので、あえてターゲットは1枚しか০置していない。
そこで、同じ偏極஢子源からのビームを２つの装置に交互に通し、ビーム偏極度を100keV-Mottで測定し、೪対称度をMini Mott で測定することで MiniMottの実効シャーマン関数を決定するという方法をとった。

ンサーへの入射直前に஢子ビームを収束させると出口直後で再びビームが収束できるという特徴がある。
これを活かすために、カソードから引き出した஢子を集束レンズで絞り、これから極力‫ؼ‬い位置に球形コンデンサーを০置する০‫ڐ‬にした。
Mini Motte-Cathode rod

Spin vector

e-UV

0.20

Effective Sherman function

0.190.180.17

Viewing Port

Cs-Te film

0.16
0.15

2550.140.13

図６：偏極ビーム移送系Chamber

0.12
0.11

４．今後の予定

0.10200400600

800

1000

Energy loss window [eV]

12001400

現在、偏極度測定系の作製は終了し、移送系のChamberの০‫ڐ‬も終え作製段階に入ってきている。
図５：実効シャーマン関数のਰ止஢圧依存性
今後はCs-Te஢子源系のカソードベースの材ࡐ変更が容易に出来るように、カソードロッドを改良する
図５のグラフは、同じ偏極度、同程度のQEを持つことを予定している。また、この装置はCs-Teに限偏極஢子ビームを用いてデータを取ったものである。
らず他の物ࡐをフォトカソードにして、偏極度測定
縦ࡃは実効シャーマン関数、横ࡃはカソード஢圧かまでࠟ験できる装置として使用することができる。
らਰ止஢圧を引いた分のエネルギーであり、カソード3kVでਰ止 ஢圧2.8kVな らEnergy loss window は参考文献200eVというものである。このグラフからEnergy loss
windowが狭くなるに連れて೪弾性散乱஢子の割合が[1] Proceedings of Polarized Electron Source (PES2000)
減り、೪対称度と共に実効シャーマン関数が‫ݗ‬くなWorkshop, Nagoya, Japan (2000)[2] T.Nakanishi et al. “Polarized Electron Source” JLCることが見て取れる。結果として膜厚1000Åの金箔
Design Study, KEK Report 97-01(1997) p.36-48に対して、実効シャーマン関数の値は、Energy loss
[3]N.Terunuma
et al. Proc. of the 27th Linear Accelerator
windowが200eVのとき0.18 0.01を得た。
Meeting in Japan (2002) p.145-147[4] T.Hirose, Ph. M.Thesis, Nagoya University (2002)
３．ビーム移送系
URL:
http://plib.phys.nagoyau.ac.jp/MC/2002/hirose-sp/hirose-sp.pdf
図６に移送系の০‫ڐ‬図を示す。フォトカソードか[5] M.Yamamoto et al. Proc. of the 28th Linear
Accelerator Meeting in Japan (2003) on thisら஢子ビームを引き出すとき、レーザーࡃが量子化
proceedingࡃとなるので、カソードから出てくるスピンの向き[6]T.Nishitani
et al. Proc. of the 28th Linear Acceleratorは進行方向に平行になる。しかし、Mott散乱を用いMeeting in Japan (2003) on this proceedingての偏極度測定は、スピンが散乱面に直行でなくて[7]Shin-R
Lin, “Elastic Electron Scattering by Screenedはならない。すなわちスピンの向きを縦偏極から横Nuclei”, Phys. Rev. 133 (1964)偏極へ変える必要がある。そこで本実験ではコンパクトに০‫ڐ‬した球形コンデンサーを用いて஢子の軌道を90 曲げることにした。஢子のエネルギーが3keVと低エネルギーの場合には஢場で軌道を90 曲げてもスピンの向きには殆ど影‫؜‬を及ぼすことは無い。また、球形コンデンサーの利点として、コンデ