Proceedings o f the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan (September6—8,1995,Osaka, Japan)《> - 1 6

Design and Construction of Accelerating Electrodes
for a 120keV Polarized Electron Gun at Bonn University
K.Togawa, C.Takahashi, M.Tawada, S.Okumi, T.Nakanishi
Department of Physics, Nagoya University, Nagoya, 464-01, Japan
S.Nakamura' S.Voigt, W.v.Drachenfels, D.Husmann
Physikalisches Institut der Universitat Bonn, Nussallee 12, D-5300 Bonn 1 F.R.G.
*Present address: Nagoya University, Nagoya 464-01，Japan，，Abstract
A 120keV polarized electron gun is being developed for the experimental check of Gerasimov-Drell-Heam sum ruleat 3.5GeV Bonn stretcher accelerator ELSA. The gun has three accelerating gaps of electrodes, and 40kV is applied foreach gap in order to minimize the high voltage discharges. We used the simulation code of POISSON in an electricfield calculation and the code of EGUN in an electron trajectory calculation to determine the geometrical shape of theelectrodes. The 316L stainless steel was used as the material of the electrodes whose surface were polished byelectrochemical buffing method and rinsed with ultra-pure water, after the machining. The measured total dark currentof this gun at a high voltage of 120keV was below lOnA, which satisfied the design criterion.

ボン大学120keV偏極電子銃用加速電極の設計と製作
1 . はじめに可能にしている GaAsフォトカソードの NEA

現在、ボン大学の 3.5GeV電子ストレッチャーリ(Negative Electron A ffinity) 表面は高電圧を印加

ング加速器ELSAに於いて GDH総和則の検証実験したときの電極間暗電流に非常に敏感である。暗を行う為の準備が進められている m 。 GDH総和則■

は円偏光ァ線とスピン偏極核子との 2 種類の散乱時としてその機能を殺してしまうことも起こりう

はフォトカソードの寿命を縮めるだけでなく、断 面 積 （スピンの向きが平行と反平行)を測定する。従って、暗電流を可能な限り削減した長時間ることにより検証が可能となるが、 この円偏光 r線は縦偏極した電子ビームを Tagging Magnetで曲の加速器運転に耐えうる加速電極の設計、製作は偏極電子銃開発のなかの最重要課題の一つである

高偏極電子ビームはこの実験に不可欠な道具であと言える。
ボシ大学偏極電子銃は 120kVの高電圧印加時にる[2]。

発生する放電等のトラブルを回避するために 3 段げたときに発生する制動放射光が用いられるため、ELSAは 20MeV入 射 リ ニ ア ッ ク 、 0.5 〜 1.8GeVブ ー加速電極構造（一段あたりの印加電圧 4 0 k V ) を採ス タ 一 シンクロトロン、 0.5 〜3.5GeV加 速 ス ト レ ッ用した。図 1 に 偏 極 電 子 銃 の 全 個 を 示 す 。以 下 、
シミユ レーションコードPOISSON及び EGUNを使っチャーリングより構成される [3]。 20MeV リ ニ ア ッ
クに入射する電子ビームに要求されるパラメーターはそれぞれ、 エ ネ ル ギ ー 120keV、 パルス幅 1.0恥 、た加速電極の設計、暗電流を削減するために行っ

ピークカレント10〜 100mA、 繰り返し50Hzである。

た高電圧印加試験の結果について述べる。

偏極電子 ビ ー ム の 生成には GaAsフ ォ 卜力ソ ー ドが用いられる。偏極電子を真空中に引き出すことをた加速電極の表面処理、 そしてボン大学で行われ

GaAs Photocathode

120kV

Anode Stagp-40kV
ioe

2 段 目 （3 段目）加速電極のギャップは電子ビー
Groundムの経路からはセラミックスを見えなくするように30mmと初段より短い値とした。 電極先端の曲率を 4mmとして電界計算を行った結果、加速電極

図 1 ボン大学偏極電子銃全体図の最大表面電界は陰極側で 14kVたm、陽極側で37kV/cm、 トリプルジヤンクション付近の表面電2 . 電極表面電界計算
加速電極及びガードリングの形状決定の為にシミュレ一ションコードPOISSONを使い表面電界を界は初段加速電極と同じという結果が得られた。
初段電極と同様に絶縁破壊は起こらないと思われる。

調べた [4]。初段加速電極に対し、印加電圧 40kV、ギャップ50mm (EGUNによりレ一ザ一径が3 . 電子ビーム軌道計算のとき空間電荷制限電流値が 260mAと要求値を十分に満たすことを確認している）、陽極外径前節で決定した加速電極構造を用いて、 シミュ
レーションコ一ド EGUNを 使 い フ 才 卜力ソードか54mm、陽極先端曲率 2.5mm、ガードリング先端曲率4mmの形状パラメー夕一で電界計算を行った。

タンスのレーザ一径依存性を調べた [5]。 電流値計算の結果、加速電極の最大表面電界は陰極側で7kV/cm、陽極側で27kV/cmであることが分かった。

ら100mmの 位 置 （40keV加 速 後 ）でのビームエミッ100mA、50mA、 10mAに対する結果をそれぞれ図3 に不す。

この値はKirpatrick Criterionと比較して十分小さ I 、
極内径 50mm) とビームサイズに比べて十分大きい値に選び、電子ビームのハローが陽極に衝突し発生する陽イオンが逆流してフォ卜力ソードにダメー ジを与えるのを防ぐ形状とした。 卜リプルジャ
ンクション付近の表面電界は陰極真空側 17kV/cm、陰極大気側 16kV/cm、陽極真空側 12kV/cm、陽極大気側 13kV/cmであり沿面絶縁破壊の起こらない安全な値であると思われる。図 2 に初段電極の等ポテンシャル線の様子を示す。

EE3E E O O H N mIoPUEJEe
BsEe
P9ZIIBUUJ0Z

安全な値である。 また、陽極孔の径を 30mm (陽45678La se r spot siz e (mm)9

図 3 エミッ夕ンスのレーザ一径依存性

10この結果は最小のビームエミッタンスを与えるレー超純水洗浄後、各電極をそれぞれ窒素封入パッ

ザ一径の最適値が引き出す電流値に依存することクをしてボン大学に輸送し、組み立てを行った。

を示しており、加速器の運転状況によってレーザー径を変化させる必要があることを示している。図4 に電流値 100mA、 レーザ一径8mmでの電子ビーム軌道図を示す。

5 . 高電圧印加試験-120kVの直 流電 源電 圧を 3 本 の 分 圧 抵 抗 （一本当り 100M Q ) を使い 40kVず つ 3 分割して各電極間に印加した。初段電極間に流れる暗電流の測定結果 を 図 5 に示す。第 2 段 及 び 第 3 段電極に対してもほぼ同じ結果が得られ、全暗電流を約 10nAまで削減できたことを確認した。

21

4 . 電極表面処理sto3{ v s c a uon a図 4 電子ビーム軌道図*

暗電流を削減する為に電極の表面処理は不可欠な作業である。 電極材料にはステンレス SUS316L

020406080
Applied Voltage (-kV)

100120図 6 初段加速電極の暗電流を選んだ。 電極表面の研磨方法として電界複合研磨を採用した。 電界複合研磨によって金属表面の凹凸が0.1k以下に抑えられることが報告されてい6 . まとめる间。図 5 に電界複合研磨処理を施したステンレス表面の写真を示す。旋盤による切削の痕跡が依

ボン大学偏極電子銃の加速電極の設計、製作を行った。 -120kVの高電圧印加試験では シ ス テ ム 全然残っているものの全体的に滑らかに仕上がって体の暗電流が 10nA以下という非常に良好な結果をいる様子が見られる。

得ることに成功した。現在、偏極電子统から20MeV リ ニ ア ック までのビーム移送系の構築及びノ、。
ル ス レ ー ザ ー 照射による電子ビーム引き出し試験の準備を行っており、近日中に ELSAへの偏極電子ビームの入射を行う予定である。
参考文献

図 5 電界複合研磨処理をした電極表面表面処理の最終過程には抵抗値 18MQcmの超純水洗浄を行った。放電暗電流の種となる金属表面に付着した埃を取り除くのに超純水洗浄が有効であると言われており、実際、 RFキヤビティ一の暗電流削減に非常に有効であることが KEK グループ
により報告されている P ]。

fl]ELSA Proposal,*'Measurement of the Drell-HeamGerasimov Sum Rule”[2] T.Nakanishi et.al., Phys. Lett. A158(1991)345-349[3] BONN-IR-87-30[4] LA-UR-87-115[5] W.B.Hemnannsfeldt, SLAC-Report-331 (1988)[6] Y.BABA and K.SATO, 15th International
Symposium on Discharge and Electrical Insulationin Vacuum, 1992, Darmstadt[7] M.Yoshioka et.aJ., Proceedings of the 1994
International Linac Conference, vol.l, 302-304