HIGH QUANTUM EFFICIENCY AND LONG LIFETIME PHOTOCATHODE
MATERIALS (Ir5Ce) FOR THE SUPERKEKB ELECTRON PHOTOINJECTOR.
Daisuke Satoh #A), Mitsuhiro Yoshida B), Noriyosu Hayashizaki C)
Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Inst. of Technology, Tokyo 152-8550, JapanB)
Accelerator Division, High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Ibaraki 305-0801, JapanC)
Research Laboratory for Nuclear Reactors, Tokyo Inst. of Technology, Tokyo 152-8550, JapanA)

Abstract
The suitability of Ir5Ce as an electron source for the SuperKEKB electron linac was investigated. The quantum
efficiency (QE) of Ir5Ce was increased to 1.02x10-4 through laser activation using the fourth harmonic of a Nd:YAG laser.
The QE of Ir5Ce for p-polarized light is about 2.2 times larger than the QE for s-polarized light. The properties of electron
emission of Ir5Ce were stable even under bad vacuum conditions (7x10-6 Pa). The lifetime of the Ir5Ce photocathode wasfound to be more than several hundred hours.

SuperKEKB 入射器における高量子効率・長寿命フォトカソード新材料(Ir5Ce)の研究開発
1.

はじめにSuperKEKB 計画は、KEKB で達成されたルミノシ
ティの世界最高値の 40 倍に相当する 8×10-35 cm-2s-1が目標としており、その実現のためには電子入射部に対して、さらなる高電荷・低エミッタンスの電子ビーム生成が要求される。SuperKEKB 電子入射部に要求される性能は、5 nC 、10 mmmrad の電子銃であり、フォトカソード RF 電子銃の導入を考えている。
フォトカソード RF 電子銃において重要なコンポーネントのひとつが、カソード材料である。図 1 に
図 1：フォトカソードの寿命と量子効率の関係
フォトカソード材料の寿命と量子効率の関係を示す。
理想的なフォトカソード材料は、高量子効率かつ長そこで、我々は、「高融点・低仕事関数」という寿命な物質であるが、現在存在していない。そのた 特殊な性質を合わせ持つことで知られる Ir5Ce 化合物
め、一般的に、高輝度な電子ビームを生成する方法 に着目し、フォトカソードとしての利用可能性を研としては、（1）Cs2Te 等の高量子効率材料を用いる 究している。本稿では、Ir5Ce 化合物の製作・特性評
方法と、（2）純金属などの低量子効率材料と高出力 価についての現状について報告する。
レーザーシステムを組み合わせる方法の 2 つがある。
しかし、この 2 つの方法では、それぞれ以下のよう 2.
Ir5Ce の特徴な問題点を抱えている。
Ir5Ce 化合物は、既に熱陰極として次のような優れた性質をもつことが報告されている[1-2]。
表 1 タイトルを入れる
カソードの欠点

システムの欠点

方法（1）①短寿命②イオン衝撃に弱い③超高真空が必須④空洞内の汚染
長期安定運転に不向き

方法（2）①低量子効率高出力レーザーが必要

SuperKEKB 電子入射部では、1 年間のメンテナンスフリーの営業運転を目指しており、長寿命なフォトカソード材料と高出力レーザーを組み合わせたシステムの導入を考えている。

①融点が約 2200℃と高融点②仕事関数が、表面温度が 1300 K のときに 2.57 eVと LaB6 の仕事関数と同程度かそれ以上に低い③熱陰極の寿命を決める蒸発速度が 1.6×10-9 g/s/cm2とかなり遅い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く、10-4 Paの高真空を維持すれば安定した電子放出特性を維持可能
これらの Ir5Ce 化合物の熱陰極としての優れた特性は、フォトカソードにも当てはまると考えられる。
すなわち、①はフォトカソードとして使用した際にレーザー照射に対する耐久性が高いこと、④と⑤は___________________________________________#

satou.d.ad@m.titech.ac.jp- 1070 -SuperKEKB のような加速器の長期安定的な運転に適することを意味する。

3.

Ir5Ce 化合物の製作・分析

今回使用する Ir5Ce 化合物は、株式会社コベルコ
科研の協力のもと、プラズマアーク溶解鋳造法で製作した。Ir よりも Ce の溶解時蒸気圧が高いため、溶解前の素材重量と溶解後の鋳塊重量との差は、Ceの蒸発ロス量と見なして濃度制御を行った。
本溶解鋳造法で製作した Ir5Ce 化合物は、SEMEDX 法による半定量的な成分分析を行った（図 3）。
成分分析の結果、Ir と Ce の組成比は、原子数濃度
図 4：測定装置図（%）で 14.8：85.2 であり、ほぼ目的の Ir5Ce 化合4.2 測定条件・結果物が製作できていることが確認できた。
フォトカソードの光電子放出特性は、材料の表面状態によって大きく左右される。そこで今回は、数mJ 程度のレーザーを 5～10 分程度照射する Laser
activation[3] という表面処理を行った後に量子効率を測定し、図 5 のような結果が得られた。横軸は表面処理の際に照射したレーザー（波長 266nm）のエネルギー密度であり、表面処理時間に関しては、すべて 15 分間の連続照射で統一した。結果的に、Ir5Ceの量子効率は約 1×10-4 であり、純金属のフォトカ
図 2：今回製作した Ir5Ce 化合物
ソードの量子効率よりも比較的高い量子効率をもつことがわかった。
QE

10-410-5
Ir5Ce@266nm

10-6

図 3：SEM-EDX 法による成分分析結果

4.

量子効率測定4.1

測定装置

0246810

Energy density of Laser@266nm (mJ/cm2)

図 5：Ir5Ce の量子効率測定結果

光電子放出過程は、フォトカソードが持つ固有の 5.
電子放出特性の偏光依存性仕事関数以上のエネルギーをもった光を照射するこ
フォトカソードの光電子放出特性は、照射するとで起こる物理現象である。今回の量子効率測定は、レーザー光の偏光状態にも大きく影響される。特にSuperKEKB の運転で使用予定である、波長が 266nm
カソード表面に対して垂直方向から、ある角度傾け（1 光子当たりのエネルギー；4.66 eV）のレーザーた方向から入射するとその効果が表れる。そして、（Nd:YAG laser 第四高調波、パルス幅；10ns、繰返
一般的に S 偏光の光よりも P 偏光の光を照射したほし；10Hz、入射角度；55°）で行った。図 4 に測定
うが、量子効率が高いことが多くのフォトカソード装置の概略図を示す。
で確認されている[4-8]。これらの要因に関して多くの研究がなされており、①偏光による反射率の違い [5]、②偏光による陰極内電子の励起確率の違い [8] 、③surface photoemission の発生 [4,7]、など多くの要因が- 1071 -

1.0

1200

LaLa

LaMz

900

LaMa

CKa

1500

OKsum

Counts1800

CKsum OKa

BKa

考えられる。
つのカソード材料は、形状加工後、ともに大気にさ本測定では、レーザーをカソード表面に対して垂 らした状態で保存していたものを分析した。図 7 は直方向から 55°傾けた方向から照射した。その際に、 SEM-EDX 法による分析結果を示しており、(a)は多ポラライザーを使用してレーザー光の偏向角度を変 結晶 LaB6 の、(b)は Ir5Ce の分析結果である。
化させて照射し、量子効率の偏光依存性を測定した。
2700
その結果を図 6 に示す。P 偏光と S 偏光の場合で、(a)2400
量子効率が約 2.15 倍異なることがわかる。
))
2100

600

00.01

P-偏光

1.01

1.51

2.01

2.51

3.01

3.51

4.01

4.51

keV

12000

0.4(b)

IrMa

11000
10000

S-偏光

9000
8000

4000
3000
2000

0.50

1.00

1.50

IrMr

5000

CeLa

FKa

6000

IrMz

050
100150polarization angle(degree)

7000

CeMa
OKsum

0.0

CKa

0.2

0.51

CKsum OKa

0.6300CountsQ/Qmax

0.81000

図 6：量子効率の偏光依存性

00.00

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

keV

この要因について Ir5Ce フォトカソード表面の反図 7：SEM-EDX 法による分析結果射率に着目し考察を行った。ここでは、Ir5Ce 内の含有元素の約 85%以上が Ir であるため、波長が 266nm
図 7 の分析結果を見ると、Ir5Ce は LaB6 と比較しの光に対する純 Ir の複素屈折率（1.2670+2.5754×i） て、大気中で保管していたにもかかわらず、酸素やの値[9]を利用して P 偏光と S 偏光の反射率を計算し 炭素などの不純物の付着が圧倒的に少ないことがわた。P 偏光と S 偏光の反射率は、フレネルの式より、 かる。この結果から、Ir5Ce カソードが大気中の成分それぞれ Rp = 0.4077、Rs = 0.7311 と計算でき、P 偏 と反応が起こりづらく、そのため、比較的低真空下光の方が S 偏光の光よりも約 2.2 倍、Ir に吸収され でも安定的な電子放出特性が得られるのだと考えらるという計算結果が得られた。この偏光による反射 れる。
率の違いが、量子効率の違いに大きく寄与しているまとめと考えられる。また、実際に波長 266nm の光に対す 7.
る Ir5Ce の反射率を測定したところ、P 偏光の光に我々は、Ir5Ce フォトカソードを材料製作から行い、対して Rp = 0.3783 となり、比較的計算値と近い値が 量子効率が 1×10-4 と純金属系のフォトカソードの得られた。
量子効率よりも高く、低真空下でも良い電子放出特6.

低真空下での電子放出特性と表面分析

Ir5Ce は、熱陰極の場合、非常に悪い真空条件下（≒10-4 Pa）でも非常に良い電子放出特性を示すことが知られている [1]。そこで、フォトカソードの使用条件としては悪い 7×10-6 Pa の真空度で Ir5Ce
フォトカソード使用し続けた際に、その光電子放出特性がどのように影響されるのかを量子効率を測定することで検証した。すると、5 日間使用し続けた後でも、その電子放出特性が全く変化しないという結果が得られた。この測定結果から、Ir5Ce は、フォトカソードとして使用した際も比較的低真空下でも安定的な電子放出特性が得られるということがわかった。
次に、Ir5Ce の電子放出特性が真空度に影響されにくいという性質を理解するために、SEM-EDX 法を用いて、カソード表面の元素分析を行った。比較サンプルとして多結晶 LaB6 の測定も行った。これら 2性を示す、といったフォトカソードとしての有用性を見出した。また、現在、寿命測定についても行っており、数 100 時間の連続照射に対しても、電子放出特性（量子効率）が低下しないというような良い結果が得られてきている。

参考文献[1] G.I.Kuznetsov, "IrCe Cathodes For EBIS.", Journal ofPhysics: Conference Series 2 (2004) 35–41[2] G.Kuznetsov,” High temperature cathodes for high currentdensity”, Nuclear Instruments and Methods in Physics
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in Physics Research A318 (1992) 377-3lî0[5] K.Sakaue, et al. "Cs–Te photocathode RF electron gun for
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2928–2931[6] T. Srinivasan-Rao, et al. "Sputtered magnesium as aphotocathode material for rf injectors", REVIEW OFSCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 69, NUMBER 6JUNE 1998
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Printed in Great Britain. 1976
[8] J.K. SASS, "EVIDENCE FOR AN ANISOTROPICVOLUMEPHOTOELECTRIC
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Academic Press- 1073 -