Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

R&D STATUS OF A HIGH-BRIGHTNESS ELECTRON GUNFOR FUTURE ERL LIGHT SOURCES
Ryoichi Hajima1∗ , Ryoji Nagai1 , Hokuto Iijima1 , Nobuyuki Nishimori1 ,Yosuke Honda2 , Toshiya Muto2
12

ERL Development Group, JAEA, Tokai, Ibaraki 319-1195 Japan.
Accelerator Laboratory, KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801 Japan

Abstract
Development of a high-brightness electron gun for future light sources utilizing energy-recovery linacs is inprogress. A 250 kV-50 mA DC gun with a GaAs photocathode has been developed. We recently had theﬁrst beam from the gun. Apparatuses for beam diagnosis to measure emittance and bunch length are underconstruction.

ERL 放射光源のための高輝度大電流電子銃の開発の現状
1.

はじめにれる。次に隣接したプレパレーションチェンバーに移送

エ ネ ル ギ ー 回 収 型 リ ニ アック (Energy-RecoveryLinac; ERL) の技術に基づく光源として、コヒーレン
ト X 線・フェムト秒 X 線の発生が可能な X 線放射光源[1]、大強度γ線源 [2] などが提案され、これら次世代放し、カソード表面に Cs と O2 を交互に付着することでNEA(Negative Electron Aﬃnity) 表面を得る。このようにして作成されたフォトカソードをカソード電極に移送し、電子銃の運転に供する。

射光源に必要な要素技術の開発、さらに、技術実証のためのコンパクト ERL[3] の建設に向けた取り組みが、国内複数期間の協力のもとで推進されている [4][5]。本稿
では、ERL 型次世代放射光源のための要素技術のひとつである高輝度大電流電子銃について、研究開発の現状を報告する。
われわれが立案した電子銃開発の計画は以下である。
まず、JAEA-FEL の物品を利用して 250 kV-50 mA 電子銃の開発を立ち上げ、大電流 DC 電子銃に必要な技術を獲得するとともに、NEA フォトカソードの作成・性能測定を進める。その後、次世代放射光源の入射器に必図 1: 250 kV-50 mA 電子銃

要な 500 kV 級の電子銃の開発に進む。
これまでに、250 kV 電子銃の組み立てを完了し、ファーストビームの引き出しに成功した。今年度からは、

500 kV 電子銃の設計と製作に着手している。

2.

250 kV-50 mA 電子銃の構成

NEA 表面の作成と維持には、極高真空が必要なことから、ロードロック、プレパレーション、本体チェンバー
は、ガス放出速度が一般的なステンレスに比べて 2-3 桁小さいチタン合金 [6] を材料としている。
ビーム引き出し後のエミッタンス補償用のソレノイ

250 kV-50 mA 電子銃の高電圧発生部は、コッククロ ド磁石は、カソード面における磁場をキャンセルするよ
フト・ウォルトン回路とセラミック管を水平に保持し、 うな設計を施している。PARMELA によるシミュレー
絶縁ガス (SF6) タンクに収納する構成である。フォト ションでは、カソードから放出される電子バンチの時カソード (GaAs 基板) はロードロックチェンバーで真 間波形を Gaussian と仮定すると、ソレノイドによるエ空中に導入した後、ランプヒーターにより加熱洗浄さ ミッタンス補償を行った場合の最小エミッタンスは、電∗ E-mail: hajima.ryoichi@jaea.go.jp

荷量 77 pC に対して 0.59 mm-mrad、7.7 pC に対して-607-

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0.11 mm-mrad となる [7]。

3.

NEA 表面の作成とビーム引き出し試験
GaAs 表面に Cs と O2 を交互に付着させながら量子効率 (QE) の高い状態を作る方法 (Yo-Yo 法) により、NEA表面の作成を行った。図 2 は、Yo-Yo 法による NEA 表

図 3: ビーム診断用ラインの構成面の作成の例である。これまでの NEA 作成実験では、635 nm のレーザ波長に対して 4% 程度の量子効率が得られている。JLAB などで 500 nm レーザで 10%の量

5.

電子バンチ初期分布の整形子効率が得られているのに比べると、われわれのカソー

フォトカソード電子銃では、ドライブレーザのパルスドの量子効率には改善の余地があると思われる。真空にを空間・時間領域で整形することでエミッタンスを小さ導入する前の化学洗浄（エッチング）、真空内での加熱くできることが知られている。これは、空間電荷による洗浄、Cs と O2 の導入速度などを最適化することで量エミッタンスの増大がバンチ中の電子分布に依存するた子効率の改善を行う予定である。

めである。レーザパルスの整形では、デフォーマブルミラーによるビーム断面の整形（空間）やパルススタッキングによる波形整形（時間）が可能であり、このような空間整形と時間波形整形を組み合わせることで、カソードから発生する電子バンチの 3 次元分布を最適化しエミッタンスを小さくすることが、フォトカソード RF 電子銃で研究されてきた [10]。
われわれは、同様の手法の ERL 電子銃への適用を検討している。フォトカソード DC 電子銃を含む ERL 入射器において、時間波形整形の効果を調べるためのシミュレーション (PARMELA) を行った。500 kV 電子

図 2: Yo-Yo 法による NEA 表面の作成

銃と 7MeV 入射加速器（2 セル、2 台）の構成を仮定作成したフォトカソードを本体チェンバーに移送し、し、電荷量 77 pC、カソードにおける電子の実効温度

2008 年 6 月 20 日にファーストビームの発生に成功した。 35 meV、最終バンチ長 2.3 ps の条件で、電子バンチ波ローパワー用のファラデーカップをアノード下流に設置 形の初期値をガウシアン分布（rms 17 ps）とフラットし、カソードに −150kV を印加し、約 2mW の He-Ne トップ分布（全幅 32 ps）とした場合のエミッタンスをレーザをカソードに照射したところ約 1µA のビーム電 計算した。図 4 に示されるように、バンチの初期波形を流を測定した。大電流のビーム引き出しは、水冷ビーム 矩形に整形することで、Gaussian の場合に比べて、約半分の大きさのエミッタンスが得られた。フォトカソー

ダンプを設置した後に行う予定である。

ド DC 電子銃においても、時間波形整形がきわめて有4.

効であることがわかった。

ビーム診断ラインの構築

ところで、このような時間波形整形行うには、カソーフォトカソード DC 電子銃で発生した電子バンチをドの時間応答が十分に速くなければならない。GaAs の計測するためのビーム診断ラインの設計を終え、構築ような半導体カソードの時間応答は、レーザの吸収深を始めている。ビーム診断ラインは図 3 に示すように、さ、生成されるキャリア (電子/ホールペア) の拡散速度、エミッタンス測定用のダブルスリット、バンチ長計測用キャリアの寿命などのパラメータに依存する。Cornellの偏向空洞、大電流ビームダンプ（水冷）から構成され大学で行われた最近の研究でも、時間応答がカソード材る。エミッタンス測定、バンチ長測定については、別途料と量子効率に依存する実験結果が示されている [11]。

報告している [8][9]。ビームダンプからのアウトガスがわれわれの電子銃においても、偏向空洞を用いたカソー電子銃本体に影響しないよう、ビームダンプまでの距離ドの時間応答特性の測定を行い、カソード材料の最適化を十分にとり、偏向磁石で曲げた後にダンプする設計とを含めて、波形整形による高輝度電子発生を目指した研している。

究を予定している。
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設計を行っている。ガードリングの形状を変えながら、

2.5

Gaussianflat-top

表面電位（中心導体含む）が所定の値以下になるようcurrent (A)2に、また、中心導体からの放出電子がセラミック表面を直接叩かないように、静電場解析と放出電子軌道解析を1.5進めている。セラミック管は今年度中に製作する予定で1ある。

0.5

7.
0-60-40-200time (ps)2060

エネルギー回収型リニアックに基づく次世代放射光源のための高輝度大電流電子銃の開発を進めている。

3normalized emittance (mm-mrad)

40Gaussianflat-top

250 kV-50 mA 電子銃ではファーストビームの引き出しに成功し、エミッタンス・バンチ長測定のためのビーム2.52

診断用ラインの組み立てを進めている。今後は、カソー

1.5ドの初期エミッタンス、時間応答特性の測定を行い、カ1ソード材料の最適化を行うとともに、大電流動作時の様々な問題（カソード寿命など）の解決にも取り組む予0.5定である。これらと並行して、放射光源の実機で用いる
000.5

11.5

22.5z (m)

33.5

44.55

図 4: 時間波形整形によるエミッタンスの低減の計算例。

500 kV 電子銃、7 MeV 入射加速器の構成。

6.

まとめ

500 kV 電子銃の設計と製作にも着手したところである。
500 kV 電子銃の開発では、広島大学の栗木雅夫、名古屋大学の中西彊、奥見正治、山本将博の各先生の協力を得ている。また、本研究の一部は、科学研究費補助金(20360424) による。

500 kV 電子銃に向けて

参考文献[1] R. Hajima, Proc. APAC-07, pp. 11–14.

250 kV 電子銃の開発と運転で得た知見を生かして、放[2] R. Hajima et al., J. Nucl. Sci. Tech. 45, pp. 441–451(2008)

射光源の実機で用いる 500 kV 電子銃の実現に向けた研究を開始している。これまでに運転実績のある DC(CW)[3] “コンパクト ERL の設計研究”, 羽島 他 (編), KEK Report 2007-7/JAEA-Research 2008-023.

電子銃では、JLAB-ERL の 350 kV が最大電圧であり、これを上回る 500 kV 電子銃を実現するにあたっての最[4] S. Sakanaka et al., Proc. EPAC-08, pp. 205–207(2008).

大の課題は DC 500 kV を安定に保持できるセラミック[5] 坂中章悟 他, “ERL 放射光源に向けた R&D の現状”, 本
論文集.

管の開発である。
セラミック管に必要な性能は、(1) 内面からの 2 次[6] H. Kurisu et al., J. Vac. Sci Technol. A21, pp. L10-L12(2003).

電子放出が少ないこと、(2) 一様な電位分布を実現し、チャージアップを抑止するために適度な電流が流れるだけの抵抗値を有すること、(3) 極高真空の阻害となる[7] 永井良治 他, 2007 年加速器学会年会論文集, pp. 673–675(2007).

アウトガスが少ないことなどである。2 次電子防止には[8] N. Nishimori et al., Proc. ERL-07, to be published.

TiN コーティング (上記 250 kV-50 mA 電子銃）が、一様な電位分布の実現には内面への抵抗膜のコーティン[9] 西森信行 他, “ERL 高輝度電子ビーム診断のための偏向空洞の特性”, 本論文集.

グ (Cornell ERL 1 号機)、セラミック自体に抵抗成分を持たせる “bulk resistivity 方式”(Cornell ERL 2 号機、Daresbury ERL)、セラミックを多段分割し段間に高抵[10] H. Tomizawa, Journal of the Particle Accelerator Society of Japan 3, pp. 251-262 (2006).
[11] I.V. Bazarov et al., Phys. Rev. ST-AB 11, 040702(2008).

抗を接続する方式 (JAEA 250 kV FEL 電子銃、名古屋
大 200 kV 偏極電子源) などの先例がある。
われわれは、500 kV 用セラミック管として多段分割方式を採用することとし、このためのガードリングの-609-