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)

Status of Photo-cathode Test Bench
Masao Kuriki

1,A)

A)

, Chie Shonaka , Daisuke Kubo

Kiyokazu ItoA)

A), Kenichi KanedaB)

B)

A),Hiromi OkamotoB)A), Hiroyuki Higaki, Masahiro Yamamoto , Taro Konomi , Shoji Okumi , Tsutomu Nakanishi

A)

,B)

A)

Faculty of Advanced Sciences of Matter, Hiroshima University
1-3-1, Kagamiyama, Higashi-hiroshima, Hiroshima, 739-8530B)

Fuculty of science, Nagoya University
Furo-cho, Chigusa-ku, Nagoya, Aichi, 464-8602
Abstract
Under consultation of Nagoya university, Hiroshima university Beam physics laboratory is developing Photo-cathode
test bench, which is capable to activate GaAs family photo-cathode and to examine its performance. This system wasbeing used for R&D for polarized electron source of Linear colliders. The system consists from a vacuum chamber, 160
l/s Ion pump, 310 l/s NEG pump, and other equipments. The vacuum chamber is made by SUS , finished with ElectroPolishing and it has an enough performance to realize Ultra high vacuum, which is necessary for cathode activation.
After 3 days baking in 200deg.C, the vacuum level was in a range of 1E-8 Pa. NEA surface was activated with a heatcleaning in 550 deg. C, followed by cyclic introductions of Cs and Oxygen to the surface. As a result, more than 10 %quantum efficiency was observed with He-Ne laser (633nm, 20-40W). Extraction of those electrons as a beam, thebeam diagnostics, and improving vacuum level for longer life time, are future perspectives.

フ ォ ト カ ソ ード テ ス ト ベン チの現状
屋大学において、リニアコライダーのための偏極電子源開発のために利用されてきたものであり、以上高輝度電子源はリ ニ ア コ ラ イ ダ ー [1]を はじ めと すの要求を満たすものである。図1.に本装置の概略図[2][3]
る 基礎物理研究、 ERL やFEL な ど の次世代放射光を示す。チェンバー全体はSUS製であり、内部には源、 コ ン プト ン 散乱によ る 小型X線源な ど 、 線形加電解研磨処理を施してある。排気装置としては、速器を ベース と し た 先進的な 加速器シ ス テ ム の中で、160l/sのイオンポンプおよび310l/s(水素換算)のシ ス テ ム 全体の性能を 決定する 重要な コ ン ポーネンNEGポンプが設置されている。立ち上げ時にはロート であ る 。 ま た 、 レ ーザーと 光カ ソ ード によ る ビ ータリーポンプおよびターボ分子ポンプを使用し、ム 発生は、 直接短パルス の電子ビ ーム 発生が可能で1E-5Pa程度まで真空度を上げてから、バルブを締めあ る な ど 高い操作性がそ の利点と し て 挙げら れる 。
切り真空を確立する。
ま た 、 NEA-GaAsカ ソ ー ド で は レ ー ザ ーと バ ン ド
カソードは直径50mmのMo製円筒形マウント部に置ギ ャ ッ プの合わせ込みと 電子の伝導帯における 熱化
かれ、Ta箔を介してSUSのキャップで固定されていによ り 、 極めて 小さ いビ ーム エミ ッ タ ン ス が得ら れる。内部にタングステンヒーターが内蔵されており、[4]る のも 特長であ る 。
全体を加熱してカソードの加熱洗浄をおこなう。カ
以上のよ う に高性能カ ソ ード への期待は大き い反ソードとの熱伝導を確保するため、In線をあらかじ
面、 寿命問題な ど 克服すべき 課題も あ る [5]。 広島大め加熱して熔融させ、表面を滑らかにしたうえでカ学では名古屋大学の協力のも と 、 現状のカ ソ ード のソードを置いている。
欠点を 克服し 、 高性能かつ堅牢な カ ソ ード の開発を
NEAの活性化には清浄表面をつくったうえで、Cs
め ざ し て 、 GaAsを 中心と する 半導体カ ソ ード の生およびO2の導入が必要である。直線導入器に市販の成・ 活性化と そ の性能試験が可能な テ ス ト ベン チ構
Csディスペンサーを装着し、NEA活性化時にはCs築を おこ な っ て いる 。 その現状について 報告する 。
ディスペンサーをカソード正面まで移動させ、電流導入端子を介して電流を流すことでCs蒸気を発生さ２．フォトカソードテストベンチの概要せている。また、酸素はボンベからANELVA製リーク
GaAs系カソードの活性化およびビーム発生にはバルブを介して直接チェンバー内に導入している。
1E-8Pa以下の極高真空と、カソードの加熱洗浄やNEA活性化や量子効率(QE)の評価のため、光電流NEA活性化などのプロセスをin-situで行う必要があを測定する必要がある。カソードマウントはICF202る。本フォトカソードテストベンチはもともと名古フランジで支持される構造となっているが、このフ

１．はじめに

1E-mail: mkuriki@hiroshima-u.ac.jp-969-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)の状態で3時間程度のガス出しをおこなった。
その後、半日程かけて徐々にNEGおよびボディの0.25

CURRENT (mA)
DECAY NORMARIZED CURRENT (mA)
0.2

CURRENT (A)

ランジは筐体との間にセラミック管を介して絶縁されている。カソードからの光電流測定時にはフランジを含むカソードマウント部に負のバイアス電圧をかけ、流れる電流量から光電流を評価している。

３．装置の立ち上げ

0.150.1

本装置の広島大学への移送・組み上げ、ローター
0.05
リーポンプおよびターボ分子ポンプにより粗引きをし た 後 、 Canon-Anelva 製 He リ ー ク デ ィ テ ク タ ー
0050100150200250300350
Helen212を用いて洩れが無いことを確認した。リーVOLTAGE (V)
ク量の測定限界は3.0E-11 Pa･m3/sである。
図2 引き出し電流量のバイアス依存性
その後、1E-4Pa程度まで真空度が達したところで温度を下げていった。ガス放出が減尐し徐々に真空装置全体のベーキングを開始した。ベーキング中は度が改善されていくが、1E-5Pa程度になった時点で装置全体の温度を8個所の熱電対でモニターしながイオンポンプを立ち上げ、粗引き系の引き口であるら、200-250度Cに保つことを目標に行った。熱電対
アングルバルブをトルクをかけない状態でゆるく締のデータはPico-technology社製のデータロガーTC-08めた。これはポンプ側からの逆流を防ぐためである。
により記録され、それをモニターしながら温度上昇
最終的に本体の温度が室温近くまで下がった後、アが一時間あたり20度Cを超えないようにヒーター電
ングルバルブを7.0N･mのトルクで締め切り、1.6E圧を調整した。また、温度を下げる際も温度勾配が8Paの真空度を得た。
一時間あたり20度Cを超えないようにヒーター電圧を徐々に下げた。これは急激な温度上昇により装置４．NEA活性化
内部にストレスがかかり、歪みや亀裂などによる真今回使用したカソードは住友電工社製のGaAs結空洩れ事故を防止するためである。また、急激な温晶(100)であり、Znをドープすることにより結晶表度上昇は真空度の悪化をもたらすが、内部に温度勾面でバンドベンディングにより実効的に仕事関数を配があると低音部へのガス吸着がおこり、最終的な低減させている。納品された状態(as received) に対到達真空度も悪化をもたらす恐れがある。そのためするNEA活性化の前処理として、GaAs結晶の表面時間あたりの温度勾配に加えて、真空度が1E-3 Paの酸化膜除去のため、H2S04:H202:H20=4:1:1溶液によに入らないように、温度の上昇速度を調整した。今り エッ チン グ を 行っ た 。 蒸留水によ る すすぎ の後、回の立ち上げ作業においては温度を目標まであげる
イ ソ プ ロ パノ ール溶液に 浸し て 表面の 水を プ ロ パのにおよそ1.5日をかけた。真空度は1E-5Pa程度まノ ールで置換し 、 窒素雰囲気中で乾燥し た 。 こ の後、ではCCG Cold Cathode Gauge)により、またそれ以上塩酸イ ソ プロ パノ ール溶液によ り 表面処理を 行っ た 。の真空度なNIG(Nude Ion Gauge)により測定した。
最後にプロ パノ ールによ る すすぎ 、 窒素雰囲気中で温度が目標である200度C以上に達した後、イオンポンプ、Csディスペンサー、NIG、カソードベッド、 の乾燥を 行い、 デシ ケ ータ ーで保管し た 。
このように処理したGaAsを立ち上げ時に装着した。
NEGポンプのガスだしを順次おこなった。
加熱洗浄は真空装置立ち上げの後、Wヒーターに通セラミック電することによりおこない、カソード温度は熱電対バイアス電圧に加えて、ビューポートから放射温度計を用いて計測した。550度Cでの加熱洗浄によりGa表面となり、レーザーかつ仕事関数が極小となることが知られている[6]。
カソード
今回は550度Cの過熱洗浄を一時間行った。
加熱洗浄の後、カソードの温度が室温(25度C程度)まで充分に温度が低下してから、Yo-Yo法によるNEA活性化をおこなった。光源としてHeNeレーザー
NEGポンプ
イオンポンプ(波長633nm)を使用し、レーザーを照射しながらCs
図1 カ ソ ード テス ト ベン チの概略図(断面図)と酸素を交互に導入しながら光電効果による放出電流を測定した。Cs蒸着時の蒸気圧は1E-7Paから1Eベーキングの開始からおよそ三日後の時点で、真6Paであった。また、酸素はAnelva製超高真空リー
空度が5.7E-6Paに達したので、NEG活性化を開始しクバルブにより1E-7Pa程度の蒸気圧となるようチェた。NEGの活性化には温度400度Cで3時間程度、ンバー中に導入した。測定時は -100から-200Vのバ450度Cで1時間程度が目安だが、今回は400-430度Cイアス電圧をかけて電子を引き出している。図2は-970-

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)

NEA活性化の後、引き出し電流量をバイアス電圧の関数として示したものである。レーザーパワーは本研究を通じて20-40W程度、引き出し電流量は数A以下であったが、この領域では -50Vの電圧で引きPRESSURE (Pa)Q.E. (%)

14O2 Cs O2 Cs O2 Cs

12-73 10-7

2.5 10-782 10Cs-76

1.5 10O2-741 1025 10-800500

PRESSURE (Pa)10Q.E. (%)-7

3.5 1001000 1500 2000 2500 3000 3500

TIME (s)Cs

図3 NEA活性化の例
Date

初期真空度
[Pa]

Max QE[%]

寿命[min]５．まとめと今後の計画
今回は広島大学におけるカソードテストベンチの移設と立ち上げ、および得られているカソードの性能の現状を報告した。移設後の真空立ち上げ作業の結果、1E-8Pa程度の真空度を達成し、NEA活性化により10%を超える量子効率を実現できた。しかしカソードの寿命はまだ数時間程度にとどまっており、真空度を改善することにより寿命を延ばすことがテ
スト装置の基本性能として必要である。そのためには性能劣化が危惧される真空ポンプの更新や追加、TiN-Platingによるチェンバーからのガス放出の減尐 [8]などに取り組む必要がある。また、それに加えて、アノードを設置することによりビーム引き出し、Mott散乱を利用した偏極度測定装置[9]、障壁型エネ
ルギー広がり分析装置[10]などによりビームの性能測定に取り組む予定である。

６.謝辞

1/28*

1.6E-83.3-

1/29**

2.6E-84.0-

1/30

2.4E-84.2-

本研究は高エネ ルギ ー加速器研究機構の大学等加速器総合支援事業の支援によ り 行われま し た 。 加速器研究施設の神谷所長、 浦川教授、 河田教授に感謝いた し ま す。

2/7

1.4E-8

10.3

46.6

参考文献

2/8**

1.8E-8

6.7

406

3/27

8.3E-99.6

179[1]ILC Reference Design Report, ILC-Report-20071,2007

3/31**

1.0E-8

3.5 / 2.2

218 / 174[2] ”コ ン パク ト ERLの設計研究”,KEK Report 2007-7, 2007

4/1**

8.9E-92.2-4/3

1.0E-8

2.2-[3] “The European X-ray Free Electron Laser Technical
Design Report”, DESY 2006-97, 2006

4/11

1.1E-8

4.2

108

5/13

9.0E-92.21155/15

1.0E-81.9196

表1： NEA活性化のまとめ。*はCsのみ、**は加熱洗浄を行わずに追加的にCsと酸素を導入した。

[4] N. Yamamoto et al., “Thermal emittance measurements forelectron beams produced from bulk and superlattice
negative electron affinity photocathodes”, JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS 102, 024904, 2007
[5] T. Rao et al.,”Photocathode for the energy recovery linacs”,
Nucl. Instr. and Method A, 557, 124-130, 2006
[6]O.E.
Tereschenko,
S.I.
Chikichev,A.S.

Terekhov, ”Atomic structure and electronic
出し電流量は飽和しており、カソード表面におけるproperties of Hcl-isopropanol treated and vacuum
annealed GaAs(100) surface, Appl. Surface Science
空間電荷制限効果はこれ以上の電圧をかければ無視
142, 75-80, 1999
できることがわかる。
[7] K. Togawa et al.,“ Surface charge limit in NEA
図3.はNEA活性化の一例である。縦軸に量子効率
superlattice photocathodes of polarized electronと真空度をとり、横軸は時間を表している。Csと酸
source”, Nucl. Instr. and Method A414, 431, 1998
素を交互に導入することで量子効率が増加と減尐を[8]塚原園子,”超高真空材料とし て 眺めた 金属材料と繰り返し、量子効率が最大化できることが知られて[7]
水素”,
応用物理69,22-28,
2000
おり ,この場合もピーク値が徐々に上昇している。
この例では最高で10.3%の量子効率を記録している。 [9]S. Qiao et al.”New compact electron spin polarimeterwith a high efficiency”, Rev. Sci. Instrum. 68(12),
表1にNEA活性化の結果をまとめてある。4月以降の4390-4395, 1997
データは加熱洗浄の温度などの条件を変更している[10]Y. Zhou, et al., “Compact high-resolution retardingので単純には比較出来ないが、3月までの550度Cでfield energy analyzer for space-charge-dominated
加熱洗浄を行っているデータに限ってみると、洗浄electron beams”, PRSTAB,5, 072801, 2002
後のNEA活性化においては5%以上の量子効率がほぼ得られており、数時間から数十時間の寿命であった。
-971-