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

PASJ2014-SUP032

早稲田大学における Cs-Te フォトカソードの開発
DEVELOPMENT OF A Cs-Te PHOTOCATHODE AT WASEDA UNIVERSITY
松崎脩理#, A), 坂本瑞樹 A), 西田万里子 A), 坂上和之 A), 鷲尾方一 A), 浦川順治 B)
Shuri Matsuzaki #, A), Mizuki SakamotoA), Mariko NishidaA), Kazuyuki SakaueA), Masakazu WashioA), Junji Urakawa B)
A)
Research Institute for Science and Engineering, Waseda University (RISE)
B)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract

A photocathode is a key component for a high quality, high charge and stable electron gun. We have developed aphotocathode evaporation chamber in our laboratory to prepare a Cs-Te photocathode which has much higher quantum
efficiency (Q.E.) than metal cathodes. A new cathode, which is manufactured in this chamber, can be transferred into an
accelerator without being exposed to the air owing to a load-lock system. We have succeeded to obtain high Q.E of 1.74%.
Cs-Te photocathode was established to have enough performance for RF-Gun operation. We carried out further researches
for understanding a suitable growth recipe of a Cs-Te photocathode.

1.

はじめに

早稲田大学では、フォトカソード RF-Gun による高品質ビーム生成またその応用に関する研究を行っている。近年の加速器実験の高度化により生成する電子ビームには高品質かつ高電荷量であることが求められるようになり、フォトカソード RF-Gun の電子源であるフォトカソードも進化を遂げてきた。
フォトカソードを評価する上で重要な項目は二つあり、一つ目が入射光子数に対する放出電子数の比を表す「量子効率(Quantum Efficiency : Q.E.)」、2 つ目が「寿命」である。早稲田大学では 2007 年からそれまで用いてきた Cu カソードに代えて、量子効率が 2桁程度高い(1~10%) Cs-Te フォトカソードを使用してきた[1]。しかしながら、高周波電磁場内におけるカソードの寿命や量子効率に関しては分かっていない部分が多い。そこで早稲田大学では研究室内でのフォトカソードの生成と物性研究・最適化研究を目的に蒸着チャンバーを立ち上げた。本講演では、蒸着チャンバーの詳細と、RF-Gun での Q.E.測定結果、生成条件の最適化に向けて行った蒸着チャンバー内での Q.E.の Te 膜厚依存性についての研究結果を報告する。

2.

実験装置

2.1

蒸着チャンバー

Figure 1: Outside apparent of the evaporation chamber.
(PFEIFFER VACUUM 社:HiPace300)を搭載した粗排気ユニットを更に接続し排気を行う。またこれらの真空ポンプに加えて、ベーキングを 170℃程度で 24時間行うことによってチャンバー内圧力を 1.1×107Pa まで下げることに成功している。
2.2

立ち上げた蒸着チャンバー外観図を Figure 1 に示す。Cs-Te フォトカソードは O2 などのガスにより容易に劣化する性質を持つため[2]、蒸着チャンバー内の真空度はフォトカソード生成において非常に重要である。本蒸着チャンバーにはターボ分子ポンプ(EDWARDS 社 :STP-301) 、 イ オ ン ポ ン プ (ULVAC社:PST-100CX)、NEG ポンプ 2 台(saes getters 社:St707t™) が備え付けており、またスクロールポンプ(ANEST IWATA 社:ISP-250C)とターボ分子ポンプ

蒸着源ホルダーCs-Te フォトカソードは Te、Cs の順に蒸着源を通電加熱によって蒸散させ、基板に蒸着し生成する。
本研究では蒸着源として Cs ディスペンサー(saesgetters 社 : Cs/NF/3.2WIRE)と Te 小片(ニラコ社 : 純度 99.9999%)を、基板には Mo 製のカソードプラグを用いた。蒸着源ホルダーの写真を Figure 2 に示す。

___________________________________________# matsuzaki@akane.waseda.jp- 1034 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 3: A scheme of the Q.E. measurement system.
2.5

Figure 2: A photograph of the evaporation source holder.
2.3

Te 膜厚測定

Te 蒸着は水晶振動子膜厚計(ULVAC 社 : CRTS4U)を用いて膜厚を蒸着中にリアルタイムで測定し制御する。膜厚計と基板は蒸着源ホルダーを挟んで等距離に位置しており、それぞれに同量蒸着されるとして膜厚測定を行っている。
2.4

Q.E.測定Cs 蒸着は膜厚計を使用せず、Q.E.測定をリアルタイムで行うことで制御する。Cs ディスペンサーへの通電量は時間経過と共に徐々に上げてゆき、Q.E.がピークを示してから少し経った時点で停止する。
Q.E.は UV 照射によって流れる光電流量と UV 光量から以下の式で導出される。

λ= 4.74 ×IP

3.

結果と考察

3.1

RF-Gun 内での Q.E.評価

Cs-Te フォトカソードを RF-Gun にインストールし、カソード生成から 2 週間後に実際に電子ビームを生成して Q.E.測定を行った。Figure4 に示すように 1 バ
ンチ当たり 4.6nC のビーム電荷量が得られ、Q.E.は1.74%という値であった。この結果から加速器運転に十分使用できる Cs-Te フォトカソードの生成に成功したといえる。
5Laser Power : 1.24μJ/pulse
4

Beam Charge(nC)

Number of Emitted Electrons
Number of Incident Photons
Ie=PhcQ.E. =

ロードロックシステム

すでに述べたように Cs-Te フォトカソードは大気に触れると容易に劣化してしまう性質を持つ。そのため本蒸着チャンバーには Load-Lock システムを採用し、生成したフォトカソードは NEG ポンプを備え付けた Transfer-rod に入れて輸送し、大気に触れることなく RF-Gun にインストールできるようになっている。

3210-1
ここで I は光電流値[A]、P は入射レーザーパワー[W]、-40-20020406080100120
e は素電荷、h はプランク定数、c は光速を表し、入Phase(deg)射レーザー波長λは 262nm である。なお光源としてXe ランプ(日進電子社:LH-SA3H)を用い、分光器(リFigure 4: Beam charge as a function of RF phase.
ツー応用光学社製 : MC-10DG)を通して UV 光(λ=262nm)を取り出している。以下に Q.E.測定系概念
図を示す。カソードには-100V の電圧が掛けられて 3.2 Q.E.の Te 膜厚依存性
Te 膜厚 3nm、10nm、20nm の Cs-Te フォトカソー
おり、UV 光を照射して放出される光電流の補完電ドを各2 サンプルずつ生成し、蒸着チャンバー内で流値を測定している。
Q.E.の Te 膜厚依存性の評価を行った。Cs 蒸着時に得られた Q.E.推移のグラフは以下に示すように、Q.E.がピークに達した後に減少し、Cs への通電を停- 1035 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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止するとすぐに安定するものと、ピークに達した後に減少し、Cs 通電を停止すると再び上昇してから安定するものの 2 パターンが得られた。
8peak

7Q.E.(%)

6543stable

24.

10020

406080100Time(min)Figure 5: A typical Q.E. transition during Cs deposition.
7peak
6

結果から分かるように、Q.E.のピークの値に関しては膜厚が薄いほうが高くなる傾向が見受けられる。
しかし、最終的に得られる Q.E.の安定値に関してはTe 膜厚よりも Q.E.回復が生じたか否かが大きく関係していることが分かる。Q.E.回復は各膜厚すべてで確認され、また同じ膜厚であっても生じる場合と生じない場合があるため、この現象が Te 膜厚に依存したものではないことがわかる。Cs ディスペンサーの交換を行った直後から Q.E.回復を示すようになったことなどから、我々は要因が Cs の蒸着速度にあると考えており、Cs 蒸着時に膜厚計を使用できるよう改良した蒸着源ホルダーを近々インストールして検証を行う予定である。

まとめと今後の展望

本研究ではフォトカソード蒸着チャンバーを立ち上げ、十分な電荷量をもつ電子ビーム生成が可能なCs-Te フォトカソードの生成に成功した。また Cs-Teの物性研究・最適化研究として Q.E.の Te 膜厚依存性を調査し、Te 膜厚以外に Q.E.を決定付ける要因が存在するという結論に至った。今後は改良した蒸着源ホルダーを用いて Cs 蒸着条件が Q.E.に与える影響に関しての研究を進めていく予定である。Figure 7 はその設計図である。

stableQ.E.(%)

5432100100200300400500Time(min)Figure 6: A Q.E. transition during Cs deposition with
Q.E. recovery.
Figure5 の Q.E.推移パターンを Q.E.回復なし、
Figure6 の Q.E.推移パターンを Q.E.回復ありとして各膜厚で得られた結果を Table1 にまとめる。
Table 1: Relationships between Te Thickness and Q.E.
Te thickness[nm]
31020

3.0
3.0
10.3
10.1
20.0
19.9Q.E.[%]PeakStable
7.20
2.11
5.60
4.61
4.991.61
6.16
5.37
3.98
3.63
5.36
2.27

Q.E.
Recovery
×○×○○○

Figure 7: A plan of a new evaporation source holder.
この蒸着源ホルダーは最大 4 種類まで蒸着源を保持できるよう設計したため、将来的には K-Cs-Sb な
どのマルチアルカリフォトカソード生成を行うことも視野にいれている。さらに蒸着チャンバーには新たに基板加熱機構をインストールすることも検討しており、生成条件最適化に関してさらなる調査を続けていく。また Q.E.測定精度の向上を図るため新たな Xe ランプの導入なども検討している。

参考文献[1] K.Sakaue, et al., “Cs-Te photocathode RF electron gun for
applied research at the Waseda University”, Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research B 269 (2011)2928-2931.
[2] H.Sugiyama, “セシウムテルライド薄膜フォトカソードの特性”, Doctoral Thesis at Nagoya University, 2005.

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