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

高輝度電子銃用フォトカソード新材料の開発と高量子効率化
DEVELOPMENT OF NEW PHOTOCATHODE MATERIALS AND ITS QUANTUMEFFICIENCY IMPROVEMENT FOR HIGH BRIGHTNESS ELECTRON GUN.
佐藤大輔#, A), 吉田光宏 B), 林崎規託 C), 夏井拓也 B), 田中功 D)
Daisuke Satoh #A), Mitsuhiro Yoshida B), Noriyosu Hayashizaki C), Takuya Natsui B), Isao Tanaka D)A)Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Inst. of TechnologyB)
Accelerator Division, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)C)
Research Laboratory for Nuclear Reactors, Tokyo Inst. of TechnologyD)
Institute of Inorganic Synthesis, Faculty of Engineering, Yamanashi UniversityAbstract
New photocathode material is being developed for high charge electron guns. We succeeded in developing an iridium
cerium (Ir5Ce) photocathode and Cu:C12A7 electride photocathode. The iridium cerium photocathode has a reasonably
high QE (~ 9.1×10-4 @213nm at room temperature) and long lifetime (> LaB 6). Furthermore, the QE of Ir5Cephotocathode was increased to a maximum value of 2.70×10 -3 by heating at 1006 °C. These great advantages of Ir 5Cephotocathode led to generate the electron beams with a maximum charge of 4.4 nC/bunch using a new-type RF gun at atest bench of KEK electron linac.
Cu:C12A7 is originally an electrical insulator. Cu:C12A7, however exhibits an excellent electrical conductivity andlow work function (  2.5 eV) after a reduction process at 1100℃ for 48 hours using a titanium powder. Finally, we
found that Cu:C12A7 electride has a QE of 8.72×10-4 @213nm at 600 °C.
そのため、フォトカソード型電子銃を用いて高輝度電子ビームを生成するためには、要求される電子近年、電子加速器の高度利用研究が進むにつれ、 ビームの性能や加速器の運転状況などにより、フォさらなる高電荷・低エミッタンスの電子源が必要と トカソード材料を使い分けているのが現状ある。
本研究は、このような現状を打開することができされており、フォトカソード型電子銃の需要が拡大している。しかし、フォトカソード型電子銃の導入 るような（ⅰ）高量子効率・長寿命という理想的なにあたっては、フォトカソード材料の選定が大きな 性質を合わせもつフォトカソード新材料の研究開発問題となっている。図 1 はフォトカソード材料の寿 と（ⅱ）長寿命のフォトカソード材料の高量子効率命（Lifetime）と量子効率（Quantum Efficiency）の関 化の研究を行っている。
具体的には、(Ⅰ) 「高融点・低仕事関数」という係を示す。量子効率とは、光電子放出の発生確率を特殊な性質を合わせ持つことで知られるIrCe (iridium示す値であり、フォトカソード材料固有の値である。
cerium)化合物と(Ⅱ)アルミナセラミックスの一種でそして、理想的なフォトカソード材料とは、「高量子効率かつ長寿命な物質」であるが、図 1 からも分 ある 12CaO・7Al2O3（C12A7）という電気絶縁体に熱処理を施し、電気伝導性を持たせた C12A7 エレ
かるように現在存在していない。
クトライドという物質を新規開発し、フォトカソードとしての利用可能性を研究している。さらには、
Ir5Ce フォトカソードを用いて①ヒーター加熱やパルスレーザー加熱を利用した高温加熱フォトカソードや②金属表面で起こる表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモン励起フォトカソードなどの高量子効率化の研究にも取り組んでいる。
本稿では、フォトカソード材料の開発状況と高量子効率化に関する研究の現状について報告する。

1.

はじめに

図 1 フォトカソードの寿命と量子効率の関係

2.

フォトカソード新材料

2.1

IrCe(iridium cerium)化合物について

IrCe 化合物は、既に熱陰極として次のような優れた特性をもつことが報告されている[1]。

- 540 -

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)①低仕事関数（2.57eV）。
②高融点材料（1900~2250℃程度）③長寿命（Ta の 1000 倍以上の長寿命）④イオン衝撃に強い⑤電子放出特性は雰囲気に影響されにくい
また、我々は独自にプラズマアーク溶解法を用いて IrCe 化合物を開発し、フォトカソードとしての利用可能性を研究してきた結果、以下のようなフォトカソードとしても多数の優れた特性を持っていることを発見した[2][3]。
ⅰ. 量子効率 : 1.0×10-4 @266nm,Laser cleaningⅱ. 長寿命 : Ir5Ce >> LaB6 (1000 hour)ⅲ. 低真空下(~10-6 Pa)でも高い光電子放出特性
ⅳ. 陰極表面が酸化・炭化されにくい
今回は、新たな製造方法を用いて、より単相かつ加工性に優れた IrCe 化合物鋳塊の製作に取り組んだ。
2.2

3.

材料開発

3.1

IrCe(iridium cerium)化合物

本研究では熱陰極として研究実績のある Ir5Ce と、Ir-Ce 系化合物の中で最高融点を持つ Ir2Ce[2]という 2種類の成分組成の IrCe 化合物を製作した。本化合物製作には、①プラズマアーク溶解鋳造法（PAM）、②誘導溶解法（CCIM 法）、③ホットプレス法（HP法）という 3 つの方法を用いて製作を行った。
本溶解鋳造法で製作した IrCe 化合物は、SEM による組織観察と SEM-EDX 法による半定量的な成分分析を行った。組織観察の結果、異常組織は見当たらず、また成分分析の結果、Ir5Ce、Ir2Ce 共にマクロな領域においてほぼ目標組成の化合物の製作に成功した。3 種類の方法で製作した IrCe 化合物鋳塊の完成時の状態を図 3 に示す。

C12A7 エレクトライドについて

C12A7 は CaO-Al2O3 系の化合物群の一つであり、アルミナセメントの構成成分として知られている。
図 2 にその結晶構造を示す。単位格子は 2 分子で構成され（2×C12A7 = Ca24Al28O66）、正に帯電した12 個のケージがケージ壁面を共有して 3 次元的に隣接し、[Ca24Al28O64]4+で表される結晶骨格を形成している[4]。一方、残りの 2 つの酸素イオン（O2-）
は、12 個ケージの内の 2 つに緩く包接されており、自由酸素イオンと呼ばれている。この自由酸素イオ
図 3 今回製作した IrCe 化合物ンは、高温域で高速イオン拡散し、チタンなどの還元性の強い金属と高温で反応させることにより、ホットプレス法で製作した Ir5Ce 化合物材料（図 3 C12A7 内部のすべての自由酸素イオンを電子（e−）③参照）はマイクロクラック等の欠陥が大幅に軽減で置換することが可能となる[5][6]。この還元処理にされ、加工性が優れた材料開発に成功した。
より得られた [Ca24Al28O64]4+(e−)4 （又は C12A7:e− と表記）は、電子がケージ内の特定結晶サイトを占有 3.2 C12A7 エレクトライド
し、結晶骨格とイオン結合した化合物である。このC12A7 エ レ ク ト ラ イ ド は 、 FZ 法 （ Float Zone
ように電子が陰イオンとして機能する（電子陰イオ technology）を用いて単結晶成長させたものを使用
ン）化合物は “エレクトライド”と呼ばれる。
した（山梨大学・田中功氏提供－図 4 左）。エレク
C12A7:e−の特徴は、真空中で 1000 °C 以上まで安 ト ラ イド 化 のた め の 還 元処 理 は、 Ti 材 を用 いて定であり、仕事関数が 2.5eV とアルカリ金属に匹敵 1100℃で 48 時間の真空 Ti 熱処理を行った。図 4 右するほど低い仕事関数を持つことが知られている[4]。 は、還元処理後、C12A7 表面から Ti 凝集物を取り本研究では、新たに C12A7 の結晶骨格の Ca を 除いた C12A7 エレクトライドを表している。
Cu で置換した銅置換 C12A7 エレクトライドを開発し、フォトカソードとしての利用可能性を研究した。

図2

図 4 銅置換 C12A7 単結晶（左：還元前, 右：還元後）

C12A7 の結晶構造[7]- 541 -

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)4.

量子効率測定本研究では、Nd:YAG laser の第四高調波（λ =266nm）と第五高調波（λ = 213nm）という波長の異なる紫外光源を利用した。

4.1

IrCe(iridium cerium)化合物

波長 266nm の光に対する Ir5Ce の量子効率は、方法①によって従来の約 6.5 倍、方法②によって約 6 倍までそれぞれ上昇した。また、方法①と方法②の高量子効率化の複合的な効果により、表面温度が1006℃のときに従来の量子効率の約 15 倍に相当する 2.70×10-3 まで上昇した。

本測定では Heat treatment という表面処理を行っ 4.2 C12A7 エレクトライドた後に量子効率を測定した。図 5 は、Heat treatment
本測定では、600℃程度の温度で 15 分間陰極表面による表面処理後の量子効率測定結果を表している。
をベーキングした後の量子効率（室温）と高温加熱
本測定では、波長 266nm の紫外光源のみを使用した。
時（約 600 ℃）の量子効率をそれぞれ測定した。
横軸に Heat treatment 時のカソードの表面温度、縦Cu:C12A7 エレクトライドの量子効率の波長依存性軸に処理後の量子効率をプロットした。なお、Heatの測定結果と一般的な純金属系フォトカソードの量
treatment は、カソードを所定の温度で 1 時間加熱し、子効率[8]を図 7 に示す。
室温に戻ったのを確認してから量子効率を測定した。
図 5 より、Heat treatment による表面処理によってAl
10-2
Ir5Ce の量子効率は室温で約 1.54×10-4 まで上昇した。
Au
Cu

Quantum efficiency

0.000160.00014
Quantum efficiency

0.000120.00010.00008
0.00006
0.00004

10-3

Cu:C12A7 electride
Cu:C12A7 electride(Heater)

10-4
10-5
10-60.00002

10-700

図5200

400
600
800
Temperature(℃)

10001501200

Ir5Ce の量子効率と表面処理時の加熱温度の関係（測定結果）

図7

次に、①高温加熱と②極短波長レーザー照射(λ=213nm)による高量子効率化に関する測定結果について述べる。本測定では、ヒーター加熱とNd:YAG laser の第五高調波照射による高量子効率化に関して検証を行った。本測定における測定結果を
図 6 に示す。
Ir5Ce@213nm
Ir5Ce@266nm

×10-425

Quantum Efficiency

20×1515105×6.5×610200400600800250300350
wavelength (nm)400

C12A7 エレクトライドの量子効率測定結果

図 7 より 、我々は元々、電 気絶縁体であ った
Cu:C12A7 単結晶に還元処理を施すことで、純金属系フォトカソードよりも高い量子効率をもつエレクトライド化に成功した。

5.

KEK 電子入射器におけるRF gun commissioning

現在、高エネルギー加速器研究機構（KEK）の電子入射器では SuperKEKB 計画に向けてアップグレードが行われており、新たに導入された Disk andWasher (DAW) type フォトカソード RF 電子銃のフォトカソード材料として Ir5Ce 化合物が採用された。
そして、KEK 電子入射器に設けられた 3-2 セクター
RF 電子銃テストベンチでの試験運転を行ってきた。
その試験運転結果について図 8 に示す。上部の 2 つの グ ラ フ は 各 BPM で の 電 子 ビ ー ム の 通 過 位 置（mm）、最下部のグラフは、BPM での電子ビームの総電荷量（nC）をそれぞれ表している。

1000

Cathode Temperature(℃)

図6200

Ir5Ce における表面温度と量子効率の関係- 542 -

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

面の表面温度の時間変化を表している。
1200
T(t)

図8

Surface Temperature (℃)

1000

RF gun study の結果

本試験運転では、最高で 4.4 nC の電子ビームをLinac end まで加速して輸送することに成功し、Ir5Ceを用いて高電荷電子ビーム生成が可能であるということが試験運転で確かめられた。

6.

 t  t 2

2
 P0  202T  z, t    2 T  z, t  e ztz CP  r 2
κ は熱拡散率(m2/s)、α は吸収率、ρ は密度、Cp は比熱(J/kg･K)、P0 はピークレーザーパワー(W)、r はレーザーのスポット径、σ は、レーザーの時間構造をガウシアンと仮定した際の分散の平方根、をそれぞれ表している。Ir5Ce 化合物は、80％以上がイリジウムであるため今回は、純イリジウムの各値を用いて近似的に加熱のためのパラメータを決定した。
図 9 は、波長 1064 nm（Nd;YAG レーザーの基本波）、σ = 2.5 ns、r = 4mm、P0 = 45.963 MW、パルスレーザー光を 55 degree 入射の場合のカソード表

600400200001020t (ns)3040

図 9 パルスレーザー加熱によるIr5Ce フォトカソードの表面温度の時間変化

今後の展望

現在、フォトカソード RF 電子銃からの電子ビームによる陽電子ビーム生成に関しても検討している。
陽電子ビーム生成には、現状の電子銃で得られている約 2 倍の 10 nC/bunch の電子ビームが必要であり、擬似進行波型サイドカップル型 RF 電子銃という新たな電子銃を開発中である[9]。その際、Ir5Ce フォトカ
ソードを室温ではなく、高温加熱し、高量子効率化させたものを使用して高電荷電子ビーム生成に対応しようと考えている。しかし、高温加熱フォトカ
ソードは「加熱機構の開発」と「暗電流」に関して大きな問題がある。
そこで我々は、新たなフォトカソードの加熱方式としてパルスレーザー光照射によるパルスレーザー加熱を導入しようと考えている。この加熱方式であれば、カソードを加熱するためのヒーター等の加熱機構は不要となり、かつパルス加熱であるため高温となるのは、数 10ns 程度のごく短時間であるため、暗電流の問題も最小限に抑えられるのではないかと考えている。
我々は、1 次元熱拡散方程式[10]を用いて、IrCe
フォトカソードの表面を約 1000℃加熱するのに必要なレーザーのパラメータを決定した。

800

今後は、これらのパラメータを参考に実際にパルスレーザー加熱による高量子効率化の検証実験を行おうと計画している。
パルスレーザー加熱以外にも、表面プラズモン励起による高量子効率化の研究を進めている。

謝辞
Cu:C12A7 単結晶の材料提供ならびにエレクトライド化に関する御指導・御協力頂いている山梨大学・クリスタル科学研究センターの田中功教授に深く感謝致します。

参考文献[1] G.I.Kuznetsov, "IrCe Cathodes For EBIS.", Journal ofPhysics: Conference Series 2 (2004) 35–41[2] D. Satoh, et al., “HIGH QUANTUM EFFICIENCY AND
LONG LIFETIME PHOTOCATHODE MATERIALS(Ir5Ce)FORTHESUPERKEKBELECTRON
PHOTOINJECTOR.”, 第 9 回日本加速器学会, THPS064[3] D. Satoh, et al., “Development of Better Quantum Efficiency
and Long Lifetime Iridium Cerium Photocathode for High
Charge electron RF Gun”, Proceedings of IPAC2013,
Shanghai, China, MOPFI023.
[4] 戸田 喜丈 “低い仕事関数と化学的安定性を併せもつ物質（C12A7 エレクトライド）とその電子放出素子への応用”[5] S. Matsuishi, et, al., Science 301,626-629 (2003)[6] S. W. Kim, et al. Nanoletters, in press[7] 駒 谷 洋 平 , “ 銅 置 換 ア ル ミ ン 酸 カ ル シ ウ ム (CuxCa12xAl14O33)単結晶の育成とエレクトライド化” H22 年度
山梨大学修士論文,[8] Christian Travier, "An introduction to photo-injector design",
Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA340 (1994) 26-39[9] T. Natsui, “QUASI TRAVELING WAVE SIDE COUPLE
RF GUN FOR SUPERKEKB”, Proceedings of IPAC2013,Shanghai, China, TUOCB103[10] M. Borland, et, al., “PULSED LASER HEATING OFTHERMIONIC CATHODES IN RF GUNS”- 543 -