光陰極直流電子銃から500keV-mA電子ビームの生成
原子力機構
高エネ研
広島大
名古屋大

西森信行、永井良治、松葉俊哉、羽島良一
山本将博、宮島司、本田洋介、内山隆司
飯島北斗、栗木雅夫
桑原真人

第１０回日本加速器学会年会
２０１３年８月５日 名古屋大学東山キャンパス2013年8月5日

西森信行 第10回日本加速器学会年会

2

次世代ERL放射光源• 回折限界のX線放射光源 (第３世代光源の１００倍の輝度）• 短バンチ （サブピコ秒）• XFELO （Δω／ω＝10-6-10-8 XFELは10-3)• レーザーコンプトン散乱(LCS)ガンマ線光源（既存光源比6桁以上のフラックス）
使用済み核燃料や溶融核燃料の非破壊分析

LCS-
JAEA

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3

次世代光源電子銃開発の目的
低エミッタンス大電流ビーム生成を実現
電子銃下流でのエミッタンス劣化を抑制（高電圧）カソード表面でのエミッタンス劣化を抑制（高電界）
大強度X、γ線を生成（大電流）光陰極直流電子銃仕様

目標値

電圧500kV

電界>5MV/m

電流100mA

規格化エミッタンス

0.1-1 μmrad

電子ビーム
レーザー

500kV光陰極直流電子銃は1991年に提案され、日米欧中で開発中。
放電問題のため、長らく運転電圧は350kVに留まっていた。
そこで、高電圧実現による低エミッタンス化を最優先に開発を開始

サポート電極•••

陽極陰極

多段セラミック管

500kV端子2013年8月5日

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4高電圧化の課題：放電問題を独自技術で解決
1: サポート電極からの表面電界放出電子対策•

多段セラミック管の採用

R. Nagai, et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 033304 (2010)

2: 陰極からの表面電界放出電子→ガス（イオン）生成→大放電 対策•••

真空ポンプ設置によるガス生成減
電極距離増で陽極電場を半減しイオン生成を減（d調整）
光陰極電場減を6.7→5.8MV/mにとどめエミッタンス劣化防止（r調整）

ビーム生成条件下で500kV安定印加に成功

N. Nishimori, et al., Appl. Phys. Lett. 102, 234103 (2013)

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加速ギャップ長と表面電場

12|E| (MV/m)

陽極

510

赤:d=160
NEG有青:d=100
NEG有86420300

陰極

500

700

Z (mm)

0R (mm)

800

Z (mm)|E| (MV/m)

543210Z (mm)R (mm)

0(b)

600

400

2000100505|E| (MV/m)

800

150432120000400

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6HVコンディショニング（ギャップ長160mm）
High voltage (kV)

600
500
400
300
200100Vacuum pressure (Pa)

010-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9050100

150Time (hours)

200西森信行 第10回日本加速器学会年会

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7

電子銃ビームライン
ビームダンプ、鉛放射線遮蔽

ビームプロファイルモニタ

500kV 電子銃
ソレノイド

差動排気容器

ビームサイズ拡大磁石

レーザー導入容器0m

1m

60度偏向電磁石2m

3m

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8

ビームプロファイル
デマルケスト中心穴2φ

ビームサイズ拡大電磁石でビーム走査し、プロファイルモニタ位置で2cm角に広げる。
ビーム走査前のプロファイル。ビームサイズは数mm。
ビームダンプではおよそ4cm角。
400keV、450keV、500keV 全て同様のプロファイル。

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9500keVビーム生成試験
2.5600電子銃電圧

電流（mA)

1.5

ビームダンプ電流

1.8mA@500keV

400
300

1.0200N. Nishimori, et al., APL 102, 234103 (2013)

0.5

100

0.000123456時間（分）
プレスリリース 2013年3月14日「次世代光源用光陰極直流電子銃から500keV大電流ビーム生成に成功」
日刊工業新聞 2013年3月19日朝刊29面「原子力機構など、500キロ電子ボルトの大電流ビーム生成ー次世代光源に道」
日本経済産業新聞 2013年4月4日朝刊11面「瞬時の化学反応動画に 原子力機構 撮影時にX線点滅」

高電圧（ｋV)

5002.0西森信行 第10回日本加速器学会年会

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10440keVビーム1mA長時間運転試験
600

1.2
電子銃電圧

500
400

0.8
ビームダンプ電流

0.61mA@440keV 30分

300
200

0.41/e寿命46C

0.20.00102030

時間（分）

40

100
50

060

高電圧（ｋV)

電流（mA)

1.02013年8月5日

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11cERL (次世代光源用試験加速器）

500kV光陰極直流電子銃

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12

電子銃のcERLへの移設と立ち上げ（JAEAとKEK共同作業）

シールド内で電子銃の足場組み立て（2012/10/22）

クリーンブース内で電子銃チェンバの組み立て（2012/10/23）

SF6タンク

電子銃

入射器空洞モジュール

組み立てられた電子銃のSF6タンク（2012/10/30）

カソード電極カソード電極の取付け（2013/3/5）

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13

ビーム運転中の電子銃の安定性
500

400.4

10-7400.2

電圧変動6x10-5400.0

400

300
10-8200

100

012:00

15:00

18:00

時間

21:00

10-924:00

真空度 (Pa)

高電圧 (ｋV)

399.8
399.6
12:00

15:00

18:00

21:00

24:00

時間

• 安定な高電圧印加• 長時間電圧変動は6.3x10-5程度• 400kV印加 延べ200時間程度（4/22-6/28)• 真空度は1.4x10-9Pa（下流ビームライン接続時）

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14GaAsカソード 寿命
8PD1(低出力用レーザーパワーメーター）PD2(高出力用）

6

ビームダンプとビームラインFCで電流測定、レーザーパワー値からQE。

PD2

PD1

QE(%)

YoYo7.5%@532nm (4/15) 0日に設定
30日から80日までを最小2乗法でフィット
1/e寿命は5000時間（7ヶ月程度）

42

100A以下のcERLコミッショニングには充分使える目処。

■はビームダンプ電流●はFC電流00102030• レーザーパワーの校正は40日

50607080本田洋介 「ERL試験加速器入射部における光陰極電子銃用レーザーシステムの開発」 SAP107

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15

第一電子銃開発状況
JAEAでの試験結果
 ビーム生成条件で500kV安定印加、光陰極表面電界5.8MV/mを達成し、高電圧技術を確立
 世界に先駆け500keV-1.8mA ビーム生成に成功
cERLでの試験結果
 390keVビームを安定に供給（無放電、光陰極無交換）
 GaAsカソードの1/e暗寿命は7ヶ月。
• 入射器コミッショニング開始••

宮島司 (KEK) 「compact ERL 入射器コミッショニング運転」 MOOT13
本田洋介 (KEK) 「ERL試験加速器入射部における縦（横）方向ビーム性能評価」 SUP010,SUP011

残された課題 高電圧電源の能力不足の解消（500kV-10mAを目指す）
 多段セラミック管の修理（10段を8段で使用している。来春修理しcERLで500keVビーム生成） カソード開発

謝辞：本研究は文科省受託研究：量子ビーム基盤技術の助成を受けたものである。

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16

光陰極直流電子銃の発展

500kV(JAEA)

500
高電圧（ｋV)

500kV PCgun提案(1991)

400350kV(Jlab,Cornell,ALICE)

300200kV(名大)200

ビーム電流(mA)

100
8065mACsK2Sb(Cornell)

60
402032mACsK2Sb
(Boeing/Los Alamos)

01990

1995

9mA
GaAs
(Jlab)

2000

2005
西暦0.05mA
GaAs
(名大)

10mA
GaAs
(JAEA)

20102015