Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

透過光型スピン偏極電子源の時間応答性評価
MEASUREMENT OF TEMPORAL RESPONSE OF TRANSMISSION-TYPE
SPIN-POLARIZED PHOTOCATHODES
稲垣利樹#, A), 梶浦陽平 A), 許斐太郎 B), 岡野泰彬 C), 阿達正浩 D) ,山本尚人 A,E), 金秀光 F), 保坂将人 E),高嶋圭史 A,E), 加藤政博 B,E)
Toshiki Inagaki #, A), Youhei KajiuraA), Taro KonomiB) , Yasuaki OkanoC), Masahiro AdachiD),
Naoto YamamotoE), Xiuguang JinF), Masato HosakaE), Yoshifumi TakashimaA,E) , Masahiro KatohB)A) Graduate School of Engineering, Nagoya UniversityB) UVSOR Facility, Institute for Molecular ScienceC) Laser Research Center for Molecular Science, Institute for Molecular ScienceD) High Energy Accelerator Research Organization, KEKE) Synchrotron Radiation Research Center, Nagoya UniversityF) Institute for Advance Research, Nagoya University

Abstract
Spin polarized electron beam is essential for the high energy particle physics experiment "International LinearCollider". In Nagoya University, transmission-type spin-polarized photocathodes, in which the laser light is injectedfrom the back side of the photocathode have been developed. In the development of the electron source, the quantum
efficiency of 0.5 % and the polarization of ~90 % were achieved. However, the response time of the transmission-type
electron source is not evaluated. We are planning to measure the response time by using a RF deflecting cavity. In thispaper, the details of the measurement system are reported.

1.

はじめに詳細について報告する。

歪み補償型超格子フォトカソード
スピン偏極電子ビームは次世代の高エネルギー素 2.
透過光型のフォトカソードは、超格子層の電子を粒子実験「国際リニアコライダー」を実現するための必須要素とされている。このスピン偏極電子源開 励起するために必要な 700 nm 以上の波長を持つ発において名古屋大学では 90 %を超えるスピン偏極 レーザーに対してはほぼ完全に透明な GaP 基板にバッファ層、超格子層、表面層を成長させた構造を度と 0.5 %の量子効率を同時に達成している[1][2]。
3
近年、我々は歪み補償型の超格子フォトカソード 持つ［ ］。
従 来 の 歪 み 超 格 子 型 は 、 GaAsP バ ッ フ ァ 層 にによりスピン偏極度を維持したまま活性層（超格子層）の厚さを数倍に増加させる事に成功している [4]。 GaAs-GaAsP を交互に成長させた構造であり、格子活性層の厚さの増加は量子効率の向上に非常に有効 定数の違いから GaAs のみが歪む。これでは活性層であるが、デメリットとしてパルス応答性を劣化さ の厚さが増加した場合に、歪みが蓄積して緩和が起せる可能性がある。我々は歪み補償型超格子フォト こり、スピン偏極度が低下してしまう。
一方、歪み補償型のフォトカソードでは、バッカソードを用いて量子効率を現状の数倍に向上させることを計画しているが、そのためにはパルス応答 ファ層に GaAs と GaAsP のほぼ中間の格子定数を持つ AlGaAsP を用いており超格子層の GaAs と GaAsP性の評価が不可欠である。
このため、我々は 20 kV 電子源を用いたパルス応 は互いに逆方向の歪みを受けるため、あたかも全体答性測定システムを開発した。本システムでは、 と し て は 歪 ん で い な い よ う な 構 造 を 可 能 と す る
レーザーパルス(波長 800 nm、繰り返し周波数 90.1 （Figure 1）。これにより偏極度を低下させることなMHz)と同期した RF 偏向空胴(共振周波数 2612.9 く活性層の厚さを増加させる事ができる。現在では、MHz)を用いて電子ビームを進行方向に対し垂直に 偏極度を低下させることなく 36 層までの超格子層[4]蹴ることによって縦方向の情報を横方向に投影し、 を積層させることに成功している 。
第 3 節以下では、活性層の厚さの増加によるパル
その後ナイフエッジ法を用いて投影されたビームサイズの測定を行い、励起レーザーに対する時間応答 ス応答性を評価するために、活性層の厚みや基板とバッファ層の間の中間層が異なる GaAs/GaAsP 歪みを評価する。
本発表では、時間応答性評価のためのシステムの 超格子、GaAs/GaAsP 歪み補償型超格子のパルス応答性を測定、評価するためのシステムを紹介する。
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inagaki.toshiki@b.mbox.nagoya-u.ac.jp- 941 -

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用いたビームサイズ測定は困難となる。そこで、ビームサイズの測定にはナイフエッジ法を採用した。
ナイフエッジ法の概略図を Figure 3 に示す。ナイ
フエッジ法とは、金属板で完全にビームを遮った状態から金属板を徐々にビーム軌道からずらしていき、その下流にあるファラデーカップで電荷量の変化を測定することでビーム径を求める方法である。この手法を用いると精度よく電子ビームサイズを測定することが可能であるが、系の安定度が非常に重要となる。本測定は直流型電子源を用いているため、安定な測定が期待できる。

Figure 1: The structure of GaAs/GaAsP straincompensated superlattice photocathode.

3.

RF 偏向空胴を用いたバンチ長測定

3.1

RF 偏向空胴を用いたバンチ長測定の原理

透過光型電子源のパルス性能を評価するためにRF偏向空胴を用いたバンチ長測定システムを開発することにした。この測定方法は、高周波空胴内に、共振現象で誘起した電磁場で、電子ビームを横方向にキックし、時間方向の情報を空間情報に変換する方法である。キックされた電子ビームの空間プロファイルを測定することでバンチ長を求めることが可能である。バンチ長測定の模式図をFigure 2に示す。
このバンチ長測定でバンチ長σz は、モニターのRF-offの時のビームサイズσy0 、RF-onの時のビームサイズσy、空胴出口からモニターまでの距離Ls 、空胴内の最大磁束密度B0、ビームが空胴に入射するときの位相φ、電子ビームの速度vz (=βc)、相対論的な電子のエネルギーE(=m 2)などを用いて次の式(1)で求めることができる[5]。
＝{()}Figure 3: Schematic of the knife-edge.
3.3

RF 磁場と電子ビームの同期について

RF 磁場を用いて電子ビームのパルス長を測定するためにはこれらを精度よく同期する必要がある。
このために空胴の共振周波数は電子ビームの繰り返し周波数の整数倍とした。電子ビームの繰り返し周波数はフォトカソード励起用レーザーの繰り返しで決まり、本研究の場合は 90.1 MHz である。空胴の共振周波数は、数 ps~数百 ps のバンチ長測定が可能である 2612.9 MHz を採用した(ビーム繰り返し周波数の 29 倍) [6]。
本研究で構築した同期システムの概要を Figure 4に示す。

√Figure 2: The principle of measuring bunch length.
3.2

ビームサイズの測定方法

本測定において電子ビームのエネルギーは 20 keVであるため、フォトカソードのパルス応答性を測定するためには電荷量を抑え電子ビームの空間電荷効果を抑えなければならない。このため蛍光板などを

Figure 4: Synchronization System.
レーザーパルスは Signal Generator が発信する 90.1
MHz の信号に同期し出力される。RF 系回路に Phase
Shifter を組むことで、空胴内に誘起される RF 磁場の位相と電子ビームのタイミングの同期をとる。RF- 942 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

電力は Signal Generator が発信する 90.1MHz の信号を位相同期回路（PLL 回路）で同期した周波数逓倍器を用いて空胴の共振周波数である 2612.9MHz と同期し出力、その信号を最大 40 W の CW-RF アンプを介して空胴に供給する。
RF 信号とパルスレーザーをフォトダイオードで取り込んで得た信号の時間差ジッターは、帯域幅 4GHz のオシロスコープ（Teledyne LeCroy 社
WaveRunner 640Zi）とフォトダイオード（ElectroOptics Technology 社 ET-2030）を用いて少なくとも32.6 ps 以下であることを確認している。
3.4レーザーシステム

は、ファイバーの分散曲線 [7] から約 41 ps と見積もった。
波長分散の補償は、回折格子を用いて波長に応じた回折角の違いを利用し、Figure 6 に示す Stretcher内で光路差が生じさせることで行う。補償量は、
Figure 6 中の Transvers Retroreflector をステージにより平行移動することで調整する。本研究では、刻線数 1500 grooves/mm の回折格子（SPECTROGON 社
Grating 番号:715.700.600）を用いることで、およそ 1ps~20 ps の範囲の任意のパルス性能を持つレーザーの照射を可能とするシステムを組み上げた。
Figure 7 に実際の Stretcher の写真を示す。

本研究で用いたレーザー発振器はモード同期型
Ti:sapphire レーザー（Mira, Coherent 社）であり、平
均出力 700 mW、中心波長 800 nm、バンド幅 13 nm、パルス長 130 fs である。
下の Figure 5 に Figure 4 中の Laser System の全体図を示す。

Figure 6: Schematic of the stretcher.

Figure 5: General view of Laser System.
Delay Stage では、ディレイステージを用いて発振器からフォトカソードまでの光路長を変化させることにより、照射タイミングを制御する。用いたディレイステージは移動範囲 25 mm、位置分解能 0.05μm であり、生成される電子ビームに対する時間分解能は、要求性能を十分に満たす 0.33 fs である。したがって、先に述べた Phase Shifter と組み合わせることで広い位相調整範囲かつ非常に高い分解能で電子ビームと RF 磁場の位相を合わせることが可能となる。
レーザー発振器と電子銃は約 30 m 離れて設置されているため、その間の輸送にフォトニック結晶ファイバーを用いた。本研究で用いたフォトニック結晶ファイバーは NKT Photonics 社の LMA-25 である。ファイバーの長さは 30 m、ファイバーの径は中心波長 800 nm の輸送効率から 25 μm に決定した。
フォトニック結晶ファイバーを用いてレーザーを輸送する際には波長分散が生じる。本研究では、以下に述べる Stretcher を用いることで、任意の量の逆向きの波長分散をかけ、パルス長調整が可能なレーザーの照射システムを組み上げた。ここで、波長分散を補償しないときに想定される輸送後のパルス長

Figure 7: Stretcher.
3.5

RF 偏向空胴

空胴の形状は、空胴内に誘起される近傍モード間の共振周波数間隔が広く、近傍モードからの電子ビームへの影響を少ない直方体とした。直方体空胴内のビーム軌道上に横方向の磁場を誘起する電磁場モードで最も低次なモードである TM120 モードを採用した。
空胴の辺の長さなどの基本的なパラメータはマックスウェル方程式から解析的に算出し、誘起される電磁場や RF 入力ポートとモニターポートの形状、Q 値などの 3 次元的な詳細設計、基本的なパラメー
タの確認は Ansoft 社の 3 次元電磁場解析ソフト
HFSS（High Frequency Structure Simulator）を用いた。
これらの設計を元に、自然科学研究機構分子科学研究所装置開発室で粗加工を行い、高エネルギー加速器研究機構（KEK）機械工学センターで調整加工し、製作を行った。空胴の材料には、Q 値、真空、入力パワーを考慮して無酸素銅を採用した。

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次に製作した空胴の周波数調整機構について述べる。空胴には周波数調整用のチューナーを合計 6 本取り付けた（Figure 8）。チューナーは TM120 モードにおいて空洞内に誘起される電場の分布を考慮し、電場の腹の部分に対応するよう配置した。電場分布に合わせ空胴を変形させることで効果的に共振周波数を変化させることが可能であると考えたからである。このチューナーを用いて空胴をわずかに変形させることで共振周波数を変化させることできる。
Figure 9: Result of a measurement by the bead
perturbation method.

Figure 8: Tuner and its positions.
空胴の製作完了後、共振周波数変化とチューナーの頭と空洞の外壁との距離（Figure 8 中の X）を測定し、チューナーによる周波数調整可能範囲を見積もった。その結果を Table 1 に示す。Table 1 は、
Figure 8 中のチューナーをその番号順に X を変化させて、共振周波数を約 20 kHz 変化させたときの Xの変化量（ΔX）を表している。
Table 1: Adjustment test result of the resonancefrequency.

Figure 10: Result of a measurement by HFSS.

Figure 11: The bead perturbation method.
空胴の設計値と最終的に得られた空胴パラメータを Table 2 に示す。各結合定数や Q 値はほぼ設計値通りであることが確認できた。共振周波数は目標周波数よりも 1.2 MHz ずれているが、Signal Generator
チューナーは 1 本あたり最大 X を 2 mm まで変化の発信する信号の周波数を 90.14MHz とすることにさせることが可能である。したがって、6 本のより製作した空胴のパラメータ（2614.1 MHz）に合チューナーにより共振周波数を合計約 2900 kHz 下
わ せ る こ と に し た 。 こ れ は 実 験 の 結 果 、 Signal
げることができる。
Generator によりレーザー装置に影響を与えることな
次にビーズ摂動法により測定した空胴のビーム軌
く RF 信号とレーザーの周波数を変えられることが道上の磁場分布を Figure 9 に示す。測定は、市販の確かめられたからである。ここで 90.14 MHz は位相釣り糸に直径 3 mm の真鍮の球を取り付け、2 mm 刻同期回路（PLL 回路）の許容誤差範囲内である。
みで釣り糸を Figure 11 の矢印が示すように動かし製作が完了した後、空胴を電子銃下流約 45 cm の行った。この結果により、HFSS で計算した TM120位置に接続し真空テストを行った。約 150 度のベーモードの空胴のビーム軌道上の磁場分布（Figure 10）
キングの結果、電子銃直下流部において 10-9 Pa 台のとほぼ同じ分布であることが確認された。
真空度、空胴下流部においても 10-8 Pa 台の真空度を達成しており、電子銃の運転において十分な真空度が得られることを確認した。Figure 12 には空胴が接- 944 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

続された電子銃の全体写真を示す。
また実際に 20 kV 連続電子ビームと空胴を用いてビーム偏向試験を行った。その結果、製作した空胴は 20 keV 電子ビームを偏向するのに十分な性能を有していることが確認できた。
Table 2: Design value and final characteristic parameters.
設計値2612.9共振周波数(MHz)1.02
入力ポート結合定数 β10.002
モニターポート結合定数 β210582
QL 値
21385
Q0 値
最終的なパラメータ
2614.1
共振周波数(MHz)1.02
入力ポート結合定数 β10.003
モニターポート結合定数 β210155
QL 値
20565
Q0 値

空胴に加えて 3.2 節で述べた空胴下流のビームサイズの測定系もインストールを完了している。
4.2

今後

ストリークカメラを用いてレーザーパルス長を測定し、ストレッチャーの性能を確かめる。
システムが正常に働くことを確認した後、活性層厚みや基板とバッファ層の間の中間層が異なる
GaAs/GaAsP 歪み超格子、超格子構造に AlGaAsP の中間層を持つ GaAs/GaAsP 歪み補償型超格子のスピン偏極電子源のパルス応答性を測定、評価していく予定である。

謝辞
高エネルギー加速器研究機構の高富俊和氏には周波数調整加工や溶接作業など製作全般に協力して頂き深く感謝致します。また、分子科学研究所装置開発室の青山正樹氏、水谷伸雄氏には空胴を製作して頂き感謝致します。早稲田大学の坂上和之助教には、バンチ長測定原理や空胴の設計、製作について多くの助言を頂きました。感謝致します。
本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費基盤研究(C)No.11007344（財）による助成（代表者 山本尚人）で行った。

参考文献[1] T. Nakanishi, The XXI International LINAC
Conference(1998)[2] Xiuguang Jin, Institute for Advanced Research, Nagoya
University, Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012)
108004, “Fourfold Increase in Quantum in Highly SpinPolarized transmission-Type photocathode”[3] 山本尚人, 名古屋大学大学院理学研究科 2007 年博士論
文 “NEA-GaAs 型超格子薄膜結晶を用いた高輝度•
高スピン偏極度• 大電流密度ビームを生成する電子源の開発”[4] Xiuguang Jin, Institute for Advanced Research, Nagoya
University, Applied Physics Express 6 (2013) 015801,“High-Performance Spin-Polarized Photocathodes Using a
GaAs/GaAsP Strain-Compensated Superlatice”[5] Kazuyuki Sakaue, et al “Electron Beam Bunch Length
Measurement Using Higher Mode RF Cavity”
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj2_lam30/Proceedings/20P089.pdf[6] 丹羽貴弘, 名古屋大学大学院工学研究科平成 24 年修士
論文 “透過光スピン偏極電子源のためのバンチ長測定システムの開発”[7] NKT Photonics 社, LMA-25, Single-Mode 25μm Core
Fiber, Dispersion Curve

Figure 12: General view of Electron Gun

4.

まとめと今後

4.1

まとめ

本研究では、RF 偏向空胴を用いたバンチ長測定システムを構築した。
RF 偏向空胴の共振周波数は 2614.1 MHz であり、TM120 モードでビーム軌道上に磁場を誘起する。また、電子励起用パルスレーザーは Signal Generator の90.14 MHz で発振させる信号と同期している。さらにストレッチャーにより、およそ 1 ps~20 ps の範囲でパルス長が任意に調整可能なレーザー照射システ
ムを組み上げた。

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