マルチアルカリ高量子効率・	  高耐久フォトカソードの研究	
第11回日本加速器学会 	  2014年8月11日(月)	  	  清宮 裕史，栗木 雅夫，山本 記史，	  郭 磊，横田 温貴（広島大学）,	  許斐太郎（分子研）	  目次	1. 導入	  2. マルチアルカリ蒸着システム	  3. カソード性能の評価	  4. 進行中のプロジェクト	  5. まとめ	  目次	1. 導入	  2. マルチアルカリ蒸着システム	  3. カソード性能の評価	  4. 進行中のプロジェクト	  5. まとめ	  フォトカソード	
• 熱カソードと比べて	  Ø スポット径、バンチ長などに高い操作性	  Ø 低エミッタンスが狙える	  • 大電流、低エミッタンスの高輝度線形加速器での課題	  • 高い量子効率	  • 長波長励起	  ELBE	  (超伝導RF,	  FEL)	  • 高い耐久性		  cERL	様々なフォトカソード	
SbNa2KCs	

量子効率	  SbK2Cs	

NEAGaAs
MultiAlkali
Cs-Te
純金属系

寿命	
光電面技術/要素技術 |	  浜松ホトニクス	

可視光&高量子効率	

GaAs:	  高量子効率、赤色励起、短寿命	  大電流運用厳しい	
-­‐4
純金属： 低量子効率(~10 )、紫外光励起、長寿命	
マルチアルカリカソード（CsK2Sb）：	  	  高量子効率、緑色励起、長寿命	  ² 一般的に、短波長領域のレーザーはパワーを得にくい	

大電流用フォトカソードの最有力候補	

コーネル大学のCsK2Sb性能	
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Si基板	  緑色レーザー： 520nm, ～2.3W
スポットサイズ： 4.91mm2
引き出し電流値： 60mA
真空度：1.5×10-9Pa～4.0×10-9Pa
量子効率:	  6-­‐7％@520nm	  1/e	  life7me:	  30h	  	  電荷密度寿命： 1300C/mm2	  
寿命はGaAsの100倍以上	

B.	  Dunham,	  APL	  102,034105(2013)	

目次	
1. 導入	  2. マルチアルカリ蒸着システム	  3. カソード性能の評価	  4. 進行中のプロジェクト	  5. まとめ	  マルチアルカリ蒸着装置	
•••SUS基板（30mm×30mm）への蒸着	  量子効率と膜厚の同時測定を可能にする対称蒸着	  NEG,	  IPポンプ（ベース真空度5x10-­‐9Pa）	  蒸着源	  
•複数の材料金属を蒸着	装置外観	

膜厚計	  •蒸着量を制御	

光導入	  装置内部	

カソード基板	  •光電流測定	  •基板温度制御	  光学系概要	
PINフォトダイオード	  可動ミラー	  （２次元スキャン）	  数％反射	
カソード表面へ	
ビームサンプラー	  • 青色レーザー（473nm）と、緑色レーザー（532nm）が使用可能	
• 各々量子効率のマッピングが可能	
• ビームパワーのサンプル測定により、レーザーのパワー変動補正が可能（本報告の量子効率、寿命測定では未使用）	

レーザーパワーと位置の安定性	
パワー変動：温度や電源の揺らぎに依存	  	  青色レーザー：	  2.2%	  	   （レーザー筐体温度17℃)	  	  緑色レーザー：	  0.077%	  22(ΔPx,m ) = (Cx Δx ) + (ΔPtime )レーザー位置レーザー光
半遮蔽時の	   =	 揺らぎによるパワー変動	
パワー変動	X	Y	

ナイフエッジスキャン（青色レーザー）	
2

レーザー+	 パワー全体の変動	

青色：	
Δx = 31µ m, Δy = 22µ m
サイズ変動	 ΔS/S=0.4%
緑色：	
Δx = 4.1µ m, Δy = 7.7µ m
サイズ変動	 ΔS/S=0.03%

測定にほとんど影響無し	

Cx =

1 dp
Ptotal dx

目次	
1. 導入	  2. マルチアルカリ蒸着システム	  3. カソード性能の評価	  4. 進行中のプロジェクト	  5. まとめ	  マルチアルカリ蒸着実験	
マルチアルカリ蒸着手順	  1.
2.
3.
4.
5.
6.

基板を加熱洗浄（600℃）	  基板を冷ます(100℃)	  Sb蒸着（目的の膜厚まで）	  K蒸着（目的の膜厚まで）	  Cs蒸着（QE	  Max.）	  基板温度を室温に戻す	  	  BNL、Cornellの生成手順を参考	  T.	  Rao,	  J.	  Smedley	  ,et	  al.,Proceedings	  of	  PAC	  2011	  WEP284,	  etc.	

••••

2013/08/29	  基板温度	

100℃	

Sb膜厚	

102Å	K膜厚	  292Å	

Cs膜厚	558Å	QE@473nm	  5.6	  ±0.4%	

QE@532nm	

3.6	  ±0.03%	

電荷量寿命	 535C	

K蒸着中から量子効率を観測	  Cs蒸着時に大幅に上昇	  Cs蒸着停止後も、徐々に上昇	  QE@532nm>3%,	  	  QE@473nm>6%	

図：成膜時の光電流変化の一例	

カソード寿命	
二成分モデル	η (t ) = η0 exp (−t /	τ ) exp (−ρ / Θ)

時間寿命:	  τ	  電荷密度寿命:	  Θ	時間寿命	  電荷密度寿命	  • 時間による劣化	  	  （ガス吸着など）	  • 実効的にゼロ電流での測定	  • ビーム引出による劣化（イオン逆流など）	  • 連続レーザー照射による測定	  • 時間成分を補正	  η (t ) exp (+t / τ ) = η0 exp (−ρ / Θ)η (t ) = η 0 exp(− t / τ )時間寿命測定	η (t ) = η0 exp (−t / τ )時間寿命τ	  3500±500	  [hour]〜５ヶ月	
緑色レーザー(532nm) 〜0.7mW	
総引き出し電荷 < 1mC	
（平均電流10nA以下）	
真空度：2.0×10-8 Pa	
温度：室温	

量子効率の時間劣化	

青色レーザーの場合：	  ガス吸着などによって表面ポテンシャルが増加しても、その障壁を青色レーザーの場合は飛び越えられる	  →寿命が延びる	電荷密度寿命測定	
補正データ	

η (t ) = η0 exp (−t / τ ) exp (−ρ / Θ)
測定データ	

η (t ) = η0 exp (−t / τ ) exp (−ρ / Θ)
電荷密度寿命Θ	  • 8300[C/mm2](Preliminary)	  100mA、レーザースポット直径が	  3mm、QE	  が 1/e2まで使用	  →約２週間に相当する寿命	  • 未補正1200[C/mm2]	  	  コーネル大学の未補正	  ~50時間	
2
量子効率の引出電荷量による劣化	 	  	  	  	  	  	  1300[C/mm ]に匹敵	  青色レーザー(473nm) 〜5mW	 • 緑色レーザーでの時間寿命測定値で補正しているため真平均電流： 90μA 	
真空度： 2.8×10-8 Pa	の寿命は1200~8300[C/mm2]	  温度： 室温	量子効率の一様性	
• レーザーの二次元スキャンによりQE分布を評価。	
• 当初のレシピではQEにむら。	
• Cs過蒸着により一様性が向上。	

Cs蒸着量	QE	X軸	量子効率と蒸着条件	

• アンチモン膜厚200Å程度で高量子効率。	  
• カリウム膜厚依存性は見えない。	  
• 量子効率は温度に大きく依存し、100℃程度が適切	

今後の予定	• レーザー温調、ビームサンプル測定によるパワー補正を実装し、高精度で量子効率、寿命を測定。	
• 各々の波長による、寿命評価。	
• 量子効率、寿命の膜厚、蒸着速度、基板温度、真空度などのパラメーターに対する依存性。	

マルチアルカリプラットフォーム	
広島大学	

分子研	

KEK	

基礎研究	

• 蒸着条件依存性	
• 基板依存性	

表面分析 • UPS/XPS, LEED	• 超伝導電子銃用
SRFGun	 透過型カソード	
加速器へ • cERLでのビーム生成	の実装	 • 可搬型容器の実装	

まとめ	• 高量子効率、長寿命を持つマルチアルカリカソード生成法を確立	
• 時間寿命は3500時間(532nm)と非常に長い。	
• 電荷密度寿命 1200 - 8300C/mm2（473nm）。	
• Csを過蒸着することでQE6%以上（473nm）の、一様なカソード。	
• カソード性能は成膜時の基板温度に大きく依存。100℃程度で高量子効率。	
• 今後は、再現性の確認、精度の向上とともに、UVSORでの光電子分光およびLEED測定による最適なカソード生成条件の同定とその物理的解釈、KEKでの実用化試験に向けた準備を行う。