Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP032

ERL 電子銃のための光陰極準備系の開発
DEVELOPMENT OF PHOTOCATHODE PREPARETION SYSTEM FOR ERLELECTRON GUN
金 秀光，山本 将博，内山 隆司，宮島 司，本田 洋介
Xiuguang Jin#, Masahiro Yamamoto, Takashi Uchiyama, Tsukasa Miyajima, Yosuke Honda
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract

2nd 500 kV DC photocathode electron gun for ERL injector has been constructing at KEK. For this gun, aphotocathode preparation system also started to build at the same time. The preparation system consists of cathodecleaning chamber, cathode activation chamber and storage chamber. In order to activate cathodes effectively, thissystem was designed to treat three cathodes at same time. After construction of this system, we have found an
appropriate activation condition and achieved high quantum efficiencies from each GaAs cathodes. In addition, we also
have successfully activated two GaAs cathodes at the same time.

1.

Cathode pack

はじめにKEK で建設、試験が進められているエネルギー回
収 型ライ ナック (ERL) の実 証機で あるコ ンパク トGaAs chipsERL(cERL)は、昨年、周回部の建設が行われ、今年3 月には数 uA の低電流でエネルギー回収運転が確認
Figure 1: Cathode container. Three cathodes can beされた。
installed in this container. In the beginning, we
ERL 電子銃は、短パルス・高繰り返しで高輝度なinstalled two cathodes and tried to activate at the same
電子ビーム（規格化エミッタンス 1 mm mrad 以下、time.
平均電流 10 mA 以上）を供給し続けることが要求され、今後段階的に cERL の目標である 10 mA CW 運 2.2 カソードクリーニング装置
転に向けて電流値を上げていく計画となっている。
半導体カソード表面に負の電子親和力（NEA）表
短パルスかつ低エミッタンスビーム生成のために面を作るためには、最初に半導体表面に付いてある光陰極として GaAs 型およびアルカリ金属系薄膜を酸化物、不純物などを除去し、清浄な状態にする必使用するが、一方で従来の熱電子源とくらべ寿命が要がある。クリーニング方法として近年半導体フォ短い問題があり、長期的な運用を行う上でカソードトカソード分野でよく利用される原子状水素法を用寿命の問題を克服する必要がある。そのための一手い る 。 原 子 状 水 素 源 に は MBE-Komponenten 製段として現在、KEK では効率的に光陰極を作製・貯HABS40 を用いた。
蔵できる装置の開発を進めている[1]。
このクリーニング装置の特徴としては、一度に複数のカソードをクリーニングすることであり、図22. カソード準備系の作製に示すように 3 つのカソードを同時に扱えるように作製されている。3 つの独立なカソードヒーターに
2.1 カソードコンテナ
GaAs カソードを効率よくクリーニングし、活性 よりコンテナ上のそれぞれのパックを加熱する。
化するために、3 つのカソードを同時にインストー ヒータはタングステンフィラメントで構成され、通ルできるコンテナを設計・作製した。GaAs カソー 電による輻射熱でパック裏側を加熱し、パックの伝ドはそれぞれモリブデンのパック上に固定され、そ 熱によってカソード本体を加熱する。各ヒーターのれらパックをカソードコンテナ上に図１のように固 側面に熱電対が設置されており、代表的な温度をモニターできる機能がある。カソードを加熱している定し、導入 chamber へインストールする。
カソードコンテナは軽量化のため、チタンで製作 状態で、パック表面側から原子状水素を照射し、し、擦れ合う部分については真空中でのカジリを防 GaAs 表面のクリーニングを行う。クリーニング終了後、カソードコンテナはカソード活性化装置へ移
ぐため TiN コーティングを施した。
送される。
___________________________________________# jinxg@post.kek.jp- 540 -

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Hydrogen atom
beam source

Cathode heater

Figure 2: Cathode cleaning chamber. It has threecathode heater and one hydrogen atom beam source.
Three cathodes can be cleaned at once.
2.3

Figure 4:

カソード活性化装置

Laser system for cathode activation.

NEA 表面は GaAs カソードに Cs と酸素を交互に蒸 2.4 カソード貯蔵装置着して作る。Cs と酸素の提供量をに制御するために、 活性化されたカソードを長い寿命で保管するため蒸着中はカソードより発生する電子ビームを常にモ に、貯蔵装置を作製した。現在の貯蔵装置には最大ニターする必要がある。作製した活性化装置を図 3 6 個のカソードを保管できるが、ホルダーを付け加に示す。3 つのカソードを同時に活性化するために、 えることで最大 17 個までのカソードを保管すること独立した 3 つの Cs 源と光電子を収集するための 3 つ ができる。貯蔵装置は、1600 L/s の NEG ポンプと−10の正電位のコレクタ電極が設置されている。コレク 100 L/s のイオンポンプで排気され、真空は 8×10タ電極を使った光電流検知の方法については、cERL Pa の極高真空が得られている。
電子銃のカソード準備装置を参考にした [2]。酸素はカソードの活性化装置上側にあるリークバルブにより提供される。そ 3.
れぞれのカソードに対して独立にレーザを照射して、 3.1 カソード活性化実験
各カソードから発生する電子を各コレクタ電極で収クリーニング装置において、カソードヒーターを集する。レーザー系について図 4 に示す。真空内部 用いて、GaAs カソードを徐々に加熱する。同時にの複雑な配線には一度真空中で焼きだした真空仕様 原子状水素源にも電流を流して加熱を開始し、後ののカプトン被覆線を使用している。本装置は、200 水素導入に備えターボ分子ポンプによる追加的な排L/s のイオンポンプと 800 L/s の非蒸発型ゲッター 気も開始する。ヒーター出力がおよそ 50W でしばら(NEG)ポンプにより排気され、8×10−9 Pa の超高真空 く加熱して熱電対で 550℃付近に達した時、原子状に到達しており、NEA 作製可能な環境に達している。 水素源口のリークバルブより～10-4 Pa まで水素を導入する。その時の原子状水素源の温度は 1670℃であり、装置の排気速度、原子状水素と GaAs カソードとの距離約 100 mm の条件からカソード上の原子状水素の flux density はおよそ 2×1015 atoms/(cm2 s)であると見積られる [3]。今回のクリーニングでは、このElectron collector electrode状態を 15 分間維持した。
クリーニング終了後、GaAs カソードを活性化装置に導入する。およそ 2 時間程度の自然冷却後に電子コレクタ電極に約 100 V の正電位をかけて、レーザー光を照射しながら、Cs の蒸着を開始する。Cs 源に流す電流は 4A である。約 10 分後、Cs 蒸着で真空Cs Source
準位が下がり、エミッションカレントが発生する。
その後カレントが下がるまで Cs を蒸着し続ける。カレントが下がり切った時点で、酸素を 10−7 Pa 真空で
Figure 3: Cathode activation chamber. There are three
導入し、カレントを上昇させる。カレントが上がり
Cs sources and three electron collector electrode.
きる時点で、酸素を止め、Cs に切り替える。Cs と酸- 541 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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残留ガスの NEA 表面に対する影響を調べるために、活性化した GaAs カソードを活性化チャンバーに保管し、活性化した GaAs カソードの寿命を調べた。
放置中は、電子コレクタ電極の電源はオフにしている。
測定結果を図 5 に示す。カレントは初日の活性化直後から徐々に上昇し、その後一定な値を保っている。11 日間経過しても、カレントの値には大きい低下が見られない。これは NEA 表面を作る時、チャンバー内の残留ガスの影響を考慮し、活性化の最後にCs をやや多めに蒸着している影響によるものと考えられる。エミッションカレントの値が一定値を保ったことから、8×10−9 Pa の真空度で、カソードのNEA 表面は十分に長い時間保存でき、NEA 表面に悪影響を与える残留ガス成分は十分に少ないことがわかった。

Emission current (nA)

20015010050Laser power: 5 μW @ 532 nm
Vacuum level: ~8×10-9 Pa
0024681012Time (day)Figure 5: Time dependence of emission current after
NEA preparation. The emission current was almost
fixed for 11 days.

4.

カソード準備系の制御本装置では、多数のカソード操作（インストール、クリーニング、活性化、貯蔵）を行うため、それらを現場で効率よく操作・管理できるシステムが必要になる。また、今後の加速器での運用を考慮し、カソード準備系の各種制御について EPICS による制御を採用した。これにより現場制御のみならず、制御室等から現状のカソード準備系全体のステータスや各カソードの状況、量子効率などの状態や履歴がわかり有益である。

素の交互提供を、エミッションカレントが飽和するところまで繰り返す。
今回インストールした 2 つのカソードに対して、まず 1 つ毎に活性化を実施した結果、コンテナ中心に置いた GaAs カソードにおいて、532 nm レーザー
パワー5 μW で、150 nA のカレントが得られており、量子効率は 7％まで達している。また、コンテナ端 4.1 制御機器に置いた GaAs カソードにおいても、同程度の量子各装置の真空モニタ（5 系統）、カソードヒー効率が確認されている。二つのカソードでそれぞれ ター電源 3 台および温度モニター（3 系統）、原子高い量子効率が得られており、今回実施した活性化 状水素源電源 1 台、Cs 源用電源 3 台、光電流コレク条件が適切であることが分かった。
タバイアス用電源 1 台について、cERL で標準制御系
2 つ GaAs カソードに対して活性化を確認できたた として採用されている Linux+EPICS 環境が実装されめ、次に同時のクリーニングおよび活性化を試みた。 た Yokogawa 製 PLC（F3RP61 および I/O モジュール
その結果、コンテナ中心の GaAs カソードにおいて 群）を使用して制御している（図 6 参照）。光電流
レーザーパワー3.8 μW で 112 nA のカレント；端の およびレーザーパワーの測定（各 3 系統）には、フGaAs カソードにおいてレーザーパワー5μW で 214nA のカレンドが得られた。量子効率はそれぞれ 7％と 10％であり、2 つの GaAs カソードを同時に最大の量子効率にはできないものの、実用上十分な量子効率が得られるクリーニング・活性化を行うことができた。2 つの GaAs カソードの量子効率の差は、それぞれの Cs の蒸着速度と酸素の提供速度の違いによるものであり、作られる NEA 表面状態に多少の差があるためである。
本装置ではカソードのクリーニングおよび活性化の一連の操作にかかる時間は現状でおよそ 6 時間程度（うち冷却時間が 3 時間）であるが、本装置には複数のカソードコンテナ（最大 3 つ）をインストールすることが可能であり、クリーニング後の冷却待ちの時間中に別のカソードをクリーニングできることから、8 時間程度あれば 6 個のカソードを活性化できる。
3.2

寿命測定

蒸着した Cs-O の安定性と、活性化チャンバー内の- 542 -Figure 6: PLC modules and power supplies forcathode preparation system.

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ERL 実現にとって大きな助けになると考えている。
今後は、3 つの GaAs カソードの同時活性化を試みるとともに、8×10−10 Pa の極高真空に達しているカソード貯蔵装置で GaAs カソードの寿命を測定し、年内に 500kV 電子銃 2 号機へ接続、電子銃へカソードを送りこむ予定である。

5.

本研究を進める上で、KEK 河田洋 教授、小林幸
則 教授、坂中章悟 教授をはじめとする ERL,PF 関係者の皆様より多くのサポート・激励を頂きました。
特に真空作業ならびに電源配線、測定系の構築について三菱電機システムサービスの飯島寛昭氏のご協力、EPICS 制御については、KEK 帯名崇 准教授、長橋進也 技師ならびに東日本技術研究所の路川徹也氏にご助言、ご協力頂きました。ここに深く感謝の意を表します。

Figure 7:
Main control panel for cathodepreparation system.
ローティングかつ高入力インピーダンス環境が必要になるため、これらを 20 ch スイッチカードを実装した Keithley 2700 に接続し、LAN 通信経由で各 chを 1Hz 間隔で読込む EPICS 制御を採用した。これら機器の制御、モニター値の表示に必要となる GUI 環
境には CSS[4]を採用した。
4.2操作

トランスファーロッドによるカソードの移動操作は手動であるため、カソードの移動情報は GUI 上で手動で入力する必要があるが、最初のカソードイン
ストール操作時のカソード名の入力以外は、基本的に GUI パネル上のボタン操作だけでカソード移動操作および移動履歴の記録が自動的に行われる操作パネルを作成した（図 7 参照）。カソードインストー
ル、クリーニング、活性化操作用のサブ操作パネルはこのパネルから起動できる。現時点では、クリーニングおよび活性化時の各電源のパラメータ設定は操作パネル上の欄にその度に数値を手動入力することで行っているが、これらの操作の最適条件がわかれば、操作中の各モニターの温度や真空、光電流値などの情報から、クリーニングや活性化の操作の一部は自動化が可能であり、カソード活性化一連の操作の簡易化・効率化が行えると思われる。半自動化プログラムの開発は今後の課題である。

5.

謝辞

参考文献
[1] M. Yamamoto et al., "ERL 第二電子銃の開発状況", 第 10回加速器学会年会, 名古屋大学, 2013, SUP34.
[2] N. Nishimori et al., ."ERL 放射光源 500kV DC 電子銃の光陰極準備システムと高電圧真空容器開発", 第 6 回加速器学会年会, 東海村, 2009, FPPSA10.
[3] K. G. Tschersich et al., "Design and characterization of athermal hydrogen atom source", J. Appl. Phys. 104, 034908(2008).
[4] Control System Studio at KEK.
http://www-linac.kek.jp/cont/epics/css/

まとめと今後500 kV 電子銃用のカソード準備系を作製した。本装置はカソード導入部、カソードクリーニング装置、カソード活性化装置とカソード貯蔵装置より構成されている。本装置の特徴は、カソードを効率よく処理するために、3 つの GaAs カソードを同時にインストールおよび活性化できる点であり、実際に 2 つのGaAs カソードを同時に効率よく活性化できることを確認した。今後の大電流運転により高頻度でカソード交換が必要となる場合でも、短い期間で多数のカソードを準備できるこの装置が立ち上がれば、- 543 -