カ ー ト リ ッ ジ 式 C s2 T eカ ソ ー ド Ｒ Ｆ ஢ 子 ࢳ出羽 英紀1,A)、佐々൉ 順B)、安積 隆夫A)、小林 利明A)、༖木 伸介A)、
ૌ内 努A)、冨澤 宏光A)、水野 明彦A)、柳田 謙一A)、花木 博文A)、上坂 充C)
A)
財団法人‫ݗ‬輝度光科学研究センター〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町光ற1-1-1B)
浜松ホトニクス株式会社〒434-8601 浜北市平口5000
C)東京大学大学院工学系研究科ൂ属原子力工学研究施০
〒319-1188 茨城県జ珂郡東海村白方白根2-22

概要
カートリッジ式のCs2TeカソードＲＦ஢子ࢳを開発した。交換可能なカソードはカートリッジ式であるので工場生産が可能で஢子ࢳ本体にカソード製膜装置が不要である。リボルバー式ホルダーに４個のカートリッジを収納できる。ＲＦ空洞は70時間におよぶＲＦエージングを経て100MV/mの஢界を発生させることに成功した。カソードの量子効率は工場測定値で8.3％であったが、28時間のସ時間ビーム発生ࠟ験後1.1％まで低下してしまうことが分かった。
またCs2Teカソードの暗஢流はＲＦエージングとともに 低 下 し た が 、 90MV/m の ஢ 界 強 度 に お い て1.3nC/pulseの஢流が発生し、これは同じ交換型の௷カソードと比Ԕして約2倍多いことが確認された。

１．はじめにフォトカソードＲＦ஢子ࢳはピコ秒短パルスかつ低エミッタンスの஢子ビーム発生が可能な‫ݗ‬品ࡐ஢
子ビーム発生用஢子ࢳである。このような‫ݗ‬品ࡐ஢
子ビームはたとえば次世代放射光光源であるSASEFEL(Self-Amplified Spontaneous Emission Free
ElectronLaser)用の஢子ࢳとして不可欠なものと考えられている。それ以外にもレーザコンプトン光発生用஢子ࢳ、短時間現象ӕ明のためのポンプ＆プローブ実験用の஢子ࢳとして有用である。
これまでSpring-8においては単空洞のＲＦ஢子ࢳの研究を進めてきた。この研究は主として低エミッタンス஢子ビーム発生の実証を目的としており、これまで2πmmmradのエミッッタンスビームをパルスあたり0.1nCの஢荷量において発生することに成功している[1] 。現在さらに低エミッタンス化を目指して開発を進めているところである。この一連の研究においてはカソード材料として௷を用いているが、実用的な観点からいえば量子効率のより‫ݗ‬いカソード材料を用いたほうが、஢子ビームの大஢流発生が容易となり、また同じ஢流を取り出すことを考えてもレーザパルスのエネルギーを小さくできるので

1

E-mail: dewa@spring8.or.jp

レーザー装置が簡単となる。一方‫ݗ‬い量子効率をもつ物ࡐの多くは大気にさらすと劣化し量子効率が下がるので、通常஢子ࢳ本体にカソード製膜装置が必要となる。また比Ԕ的短い使用時間で量子効率が下がるので定期的にカソード膜を付け直すことが必要であり、実用上不便なことが多い。
これらのことをふまえて（財）‫ݗ‬輝度光科学研究センター、浜松ホトニクス（株）並びに東京大学は共同でカートリッジ式カソードのＲＦ஢子ࢳの開発を開始した。このカートリッジ式カソードにおいてはCs2Teを蒸着したカソードがガラス製のカートリッジ管内に真空封止されており、真空中でカソードをカートリッジ管からとり出して空洞のカソード位置に導入する仕組みとなっている。カソードカート
リッジ管の製造は工場で行えるので、஢子ࢳに製膜装置は不要である。また使用中に量子効率が低下した場合は、4本のカートリッジ管がリボルバー式カートリッジホルダー内に装填できるので大気開放無しに最大3回のカートリッジの交換が可能である。
これまでにカソード交換可能なＲＦ空洞のࠟ作、カートリッジ式Cs2Teカソードのࠟ作、カソード交換装置のࠟ作が完了し、空洞ＲＦࠟ験、カソードの量子効率劣化ࠟ験をおこなったので報告する。

２．カソード交換可能なＲＦ空洞
カートリッジ式カソードを導入するにあたり、カソード交換可能なＲＦ空洞が必要となり、これまで研究してきた単空洞のカソード中心൉に穴を開け、またカソード側端板を交換できるように০‫ڐ‬変更しＲＦ空洞を新たに製作した。基本的な‫ݗ‬周波特性は同等である。製作したＲＦ空洞の写真を図１に示す。
カソードプラグが入るφ7.8の穴が端板の中央に空いている。また端版の真空止めはヘリコフレックスを用いている。空洞の切削ミスおよびへリコフレッ
クスの締めつけ圧による空洞の変形により共振周波数が০‫ڐ‬値より2.6MHzずれる問題が発生したが、動作周波数をずらせて使用したので実験には支障はなかった。空洞の基本的なパラメーターを表1に示す。

カートリッジ式カソードの製造は浜松ホトニクス（株）豊岡製作所でおこなった。カソードプラグの基材はモリブデンでその上にクロムを300Å蒸着しさらにテルルを500ÅつけてCsと反応させてCs2Te膜を作成する。カソード製造時に量子効率を測定したが、このときの量子効率は8.3％＠260nmであった。
なお現状では量子効率は安定して‫ݗ‬い値はでていな
いので、製造されたもののうち量子効率の‫ݗ‬いものを選択してࠟ験をおこなった。

図１

表１

カソード交換可能なＲＦ空洞(カソード側より撮影)

ＲＦ஢子ࢳ空洞主要パラメーター

周波数（০‫ڐ‬値）
2856MHz外൉Q値
2786
シャントインピーダンス1.16MΩ
加速ସ
2.6cm
レーザー入射Ԓ度 66degree

３ ． カ ー ト リ ッ ジ 式 Cs 2 Teカ ソ ー ド
量子効率はカソードの製造条件に大きく依存し、‫ݗ‬い量子効率を得るために多くの条件出しが必要であった。これにはカートリッジ管の構造が複ߙで工程が多いこと、またセシウムを側面から導入しないといけないことも関係していると思われる。カート
リッジの構造を図2に示す。

４．カートリッジ導入機構
カソードプラグを真空中でＲＦ空洞に導入できるように図3に示すようなカソード導入機構を開発した。このカソード導入機構はＲＦ空洞の背面側に取りつけられる。カートリッジ式カソードはリボルバー式のカートリッジホルダーに収納されているが、カソード導入時には、リボルバーを回転させて目的のカソードを選ぶ。そして回転直線導入機を回転させることにより図２の導入用ねじに回転直線導入機を結合させる。そしてカソード導入用ベローズを左に押していくと、カートリッジが空洞端板に‫ؼ‬づいたところで左側に取り付けた爪が開きながらコバール膜が破れる。さらに回転直線導入機を左に押し込むとカソードプラグは破れたコバール膜及び開いた爪を抜けて空洞中心の穴に挿入される。

カソードプラグ
カソード導入用ベローズ
R F空 洞爪Ｃｓ２Ｔｅ蒸着カソードプラグ
コバール膜
真空ベローズ

カソード用
直線回転導入機導入用ネジ
図２

カートリッジ式カソード

カソードと空洞のＲＦコンタクトのために、ベリリウム௷製のリング型のＲＦコンタクトをカソードプラグにはめ込んである。カソード導入時には後述
する導入機構によりコバール膜が破れ、その後導入用ねじが右側から押されてベローズが伸びてカソードプラグが左に動き、破れたコバール窓を通過して空洞のカソード位置に挿入される。

リボルバー式
カートリッジホルダー

図3

カソード導入機構

５．空洞ハイパワーࠟ験ＲＦ空洞へのＲＦ源として東芝製80ＭＷクライス
トロンE3712を用いた。エージングはCs2Teを製膜していない無酸素௷製のカソードプラグをカソード൉に挿入して実施した。約70時間のエージングにより約100MV/mの஢界強度が得られた。
図4に暗஢流の通常の単空洞との比Ԕをしめす。

暗஢流は通常の空洞と比Ԕして約2.5倍多い。交換型カソードにおいては、カソード周囲のＲＦコンタクト൉の形状による暗஢流への悪影‫؜‬が主として考えられるが、この௷カソードには輸送中にカソードのエッジ൉に傷（幅500μm,深さ56μm）が生じていたのでその影‫؜‬も含んでいる。

図４

図5にビームࠟ験開始後からの量子効率の時間的な変化を示す。ビームࠟ験開始後約5時間に急激に量子効率が低下した。この量子効率の低下はＲＦをかけない通常環境下では֬こり得ないもので、そのメカニズムは良く分かっていない。また実験開始時の量子効率は約3％であり、製造時の8.3％と比Ԕするとずいぶん少ない。これはカソードのカートリッジ管からの開封および2時間のＲＦエージングでのカソード劣化を示していると考えられるが、測定条件の違いもあるので単純な比Ԕはできない。また測定中4回の量子効率の回復が見られた。真空‫ڐ‬のモニタリングによれば同時刻に放஢がおきていたので、放஢によりカソード面になんらかの変化が生じたと考えられる。この実験では約27時間の測定をおこない量子効率1％付‫ؼ‬で劣化が止まったようにみえるが正確にはもう少しସ期の検証が必要であろう。
同時に暗஢流の時間的変化も測定した。その結果を図6に示す。暗஢流が時間とともに緩やかに低下していくことがわかる。Cs2Teカソードの暗஢流は交換型の ௷カ ソー ドと 比Ԕし て約 2倍 程度 多く 、90MV/mで1.3nC/pulse程度である。

通常空洞とカソード交換型空洞の暗஢流比Ԕ。

６．ビームࠟ験
約70時間のＲＦエージング後、カソードを௷カソードからCs2Teカソードに交換し、さらに２時間のエージング後ビームࠟ験を開始した。光஢子発生用のレーザーはTi:Sapphireレーザー(ThalesLaser,Alph-10A/US)の3倍‫ݗ‬調波（波ସ263nm）を使用した。
量子効率を測定するためにレーザーのパルスエネルギーをOphir社PD10を用いて測定した。またビーム
஢流は空洞直後にファラデーカップを配置しローパ
スフィ ルタ ーを 通し て、ピ コア ンメ ータ ーKeithley487で測定した。このときのカソード上での஢界強度は90MV/m,レーザーの平均的なパルスエ
ネルギーは約120nJ、空洞の真空度は1.2 10-7Paであった。パルスの繰りඉしは10ppsである。

図６

暗஢流の時間的な変化

７．まとめと今後の予定
カートリッジ式Cs2TeカソードＲＦ஢子ࢳを開発しＲＦハイパワーࠟ験および量子効率の測定をおこなった。100MV/mの加速஢界を達成し、約1日のビームࠟ験後において量子効率1％が得られた。暗஢流は通常の௷カソード空洞と比Ԕすると多い。量子効率の改善および暗஢流の低減に関して、カソードの構造、及びカソード材の研究をさらに進める必要がある。さらにビームエミッタンス測定などを行い総合的評価を進めていく予定である。

参考文献
[1]

H. Tomizawaet al., Proceedingsof the 2002
European Particle Accelerator Conference,
pp.1819, Paris, July 2002

図５

量子効率の時間的な変化