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

光陰極直流電子銃から 500keV-mA 電子ビームの生成
GENERATION OF A 500-KEV ELECTRON BEAM WITH MILLIAMPERE CURRENTFROM A PHOTOEMISSION DC GUN
西森信行#, A), 永井良治 A), 松葉俊哉 A), 羽島良一 A) , 山本将博 B) , 宮島司 B), 本田洋介 B) , 内山隆司 B) ,飯島北斗 C) , 栗木雅夫 C), 桑原真人 D)#,A)Nobuyuki Nishimori ,Ryoji NagaiA),Shunya Matsuba A), Ryoichi HajimaA),Masahiro YamamotoB),
Tsukasa MiyajimaB), Yosuke HondaB), Takashi UchiyamaB), Hokuto IijimaC), Masao KurikiC), Makoto KuwaharaD)A)
JAEA, 2-4 Shirakata-Shirane, Tokai-mura, Naka, Ibaraki, 319-1195
B)
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
C)
Hiroshima University, Kagamiyama, Higashihiroshima, Hiroshima 739-8530
D)
Nagoya University, Nagoya, Aichi 464-8603Hanako Marui #, A), Taro MasuguA), Ryushi KasokuB)

Abstract
A high-brightness, high-current electron gun for energy recovery linac light sources and high repetition rate X-ray
FEL requires an exit beam energy of ≥ 500 keV to reduce space-charge induced emittance growth in the drift spacefrom the gun exit to the following accelerator entrance. We have developed a DC photoemission gun employing asegmented insulator to mitigate the field emission problem, which is a major obstacle for operation of DC guns at ≥500 kV. The first demonstration of generating a 500-keV electron beam with currents up to 1.8 mA is presented.

１．はじめにエネルギー回収リニアック(ERL)を用いた次世代光源として、リング型次世代X線光源、共振器型X線自由電子レーザー(XFELO)[1]、コンプトン散乱を利用した大強度単色X/ガンマ線源[2]、多重ビームラインを持つXFEL[3]が検討されている。これら次世代放射光源の主要開発要素の一つが、0.1-1mm-mradの低エミッタンス、かつ1-100mAの電流を生成できる高輝度・大電流電子銃である。我々は、米国ジェフ ァ ー ソ ン 研 究 所 (JLab) で 9.1mA 、 エ ミ ッ タ ン ス
8mm-mradのビーム生成の実績[4]を持つDC光陰極電子銃を開発しており、更なる高輝度化、大電流化を目指している。
DC電子銃の最大の技術的課題は、電子ビームの高エネルギー化である。500keV以上のビームを生成することができれば、電子銃出口から加速器に至るドリフト空間での電子ビームの空間電荷力によるエミッタンス劣化を避けることができ、目標とする低エミッタンス化が可能となる[5]。ビーム生成に用いる陰極を支えるサポートロッドからの電界放出電子が、セラミック管にダメージを与える問題により、運転電圧が350kV以下に留まっていたが、我々は多重分割型セラミック管をガードリングと共に用いる

図１: 電子銃陰極からの電界放出電子が大放電へと成長する仮説、及びその対策。陰極からの電界放出
電子により容器表面の吸着ガスが脱離、イオン化して陰極を衝撃して2次電子を放出する。この放電の連鎖により大放電が生じると考えた（左）。対策として、陰極と陽極間の加速ギャップ周囲に非常発型ゲッターポンプを配置するとともに、加速ギャップを広げて陽極表面の電界を下げる工夫を行った。
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nishimori.nobuyuki@jaea.go.jp- 174 -

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図２: 電子銃真空容器断面図(a)と、Poissonで計算した容器内の静電場分布(b)。陰極電場(c)、電子銃
容器表面電場(d)、陽極電場(e)をギャップ長d=160mmの場合を赤実線、d=100mmの場合を青点線で表示。
空間電荷力によるエミッタンス劣化を防ぐとともに、ことでこの問題を解決した[6]。次に問題となったの
加速中の空間電荷力によるエミッタンス劣化を防ぐが、陰極と電子銃真空容器を含む陽極間での放電でことである。そのためには、空間電荷力の影響の強ある。放電により、容器表面で帯電した微細粉塵がい低エネルギー部で、素早く加速する必要がある。
陰極に引き付けられて付着すると、電界放出暗電流すなわち電子ビームを生成する光陰極面上で高電界を発生させる問題である。
であることが重要である。陰極面上の加速電場は、この問題を解決するため、陰極・陽極間距離を陰極・陽極ギャップ距離dと陰極の曲率半径rで決定100mmから160mmに変更し、特に陽極の電界を下げされるが、幾何学的な効果により主に効くのはrでる改造を行った。これにより電界放出暗電流の発生ある。ギャップ長dを増やしても、陰極面上の電場を抑制し、目標としていたビーム生成条件下でのはあまり変化せずに平均加速電場がdに比例して減550kV高電圧印加に成功した。さらに電子銃下流のるので、陽極面上の電場が大きく減ることになる。
ビームラインを用いて、世界に先駆けて500keV電子ビームを最大1.8mAまで生成することに成功した[7]。 ここでは、この陽極面の電場減少を用いて、暗電流問題の解決を試みた。
平成24年10月には、KEKで建設中の次世代放射光源
電圧印加中に突然発生する暗電流問題を解決するのプロトタイプであるコンパクトERL（cERL）へ、には、真空容器中の微細粉塵の帯電メカニズムを理本電子銃の移設を行い、据え付け調整を行った。平
解する必要がある。微細粉塵を直接帯電させるには
成25年4月から6月にかけて実施されたcERL入射器
電界放出電流だけでは小さすぎるので、我々は次のビームコミッショニングでは390keV電子ビームを安ような仮説を立てた。図1左に示すように、陰極か定に供給した。レーザー直径1.1mmで、規格化熱エらの電界放出電子が電子銃容器に衝突するとガスをミッタンス0.07mm-mradを得ている[8,9]。本報告で発生する。ガスがイオン化して陰極を衝撃すると、は、JAEAで行った500keVビーム生成試験、cERLで2次電子を発生させ、放電の連鎖に至る。この結果、の電子銃運転状況について紹介する。
小さな電界放出電流が微細粉塵を正に帯電させることのできる大きな放電に成長するという仮説である。
２．陰極・陽極間距離の変更
この仮説を基に、ガス発生の抑制とそのイオン化を陰極と非常発型ゲッターポンプを電子銃真空容器防ぐ工夫を行った。ガス発生の抑制には、図1右ににインストールしたビーム生成条件下での高電圧印示すように加速電極の周囲を非蒸発型ゲッターポン加試験で、526kVに到達したことをH24年の学会でプで覆う独自のポンプ配置を採用していたので、そ報告した[10]。しかし、電子銃容器内の微細粉塵にれを利用した。ガスのイオン化は、電子銃容器表面起因して発生する暗電流問題が未解決のままであっでのマイクロプラズマの発生などによると考えられた[10]。そこで、陰極・陽極間距離を100mmからるので、容器表面の電界を半分に下げるため、電極160mmにする改造を行い、高電圧印加に成功した。
ギャップ長dを100mmから160mmに伸ばした。陰極電子銃から高品質ビームを生成するために重要なの曲率半径は67mmで変更しなかったが、光陰極表のは、加速エネルギーを500keV以上にして加速後の- 175 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

面の電界減少は1割程度であり、ビームエミッタン

３．高電圧印可試験
陰極・陽極間距離 160mm での高電圧コンディショニングの結果を図 3 に示す。延べ 200 時間ほどのコンディショニングを経て 550kV 達成に成功し、暗電流の発生も確認されなかった。550kV では 10 分間連続無放電保持に成功した。陽極電場を半分に減らした効果が実証され、ビーム生成条件下での高電圧印加技術を確立したと考えている。
サポート電極のみの実験結果や、昨年度までのビーム生成条件下での高電圧コンディショニングの経験からは、550kV で 10 分保持することができれば、510kV では 8 時間以上の無放電保持が出来るはずである。しかし、今回の実験では 510kV では 40分保持が最長であった。この原因が、セラミック管にあることを突き止め、cERL への移設後の電圧印可は分割セラミック管の最上段と最下段をショートして行っている。最大印可電圧は 400kV 程度以下に留める必要があるが、8 時間以上の長時間保持運転は問題なく達成されている。

図３：高電圧コンディショニングの様子。電子銃電圧（上）と真空度（下）を時間の関数としてプロット。

４．500keV電子ビーム生成試験

高電圧コンディショニングに成功したので、ビームラインを電子銃下流に接続してビーム引き出し試験を行った。JAEAにおける電子銃ビーム生成試験用スの劣化を最小限にすることができた。
ビームラインの詳しい構成については、文献[10]に電極ギャップ長dの延長に伴う陰極面上の電場変化について、静電場計算を行った結果を図2に示す。 既に述べられている。
レ ー ザ ー 導 入 真 空 容 器 は 、 400-800nm波 長 で AR
100mmから160mmと、大きくギャップ長を伸ばしたコートを施した合成石英ビューポート（浜松ホトニにも関わらず、陰極面上での電場変化は最大10%程クス製）と銀コーティングモリブデンミラー度であることがわかる。陽極電場変化について、（Rocky Mountain Instrument, Co製)を備えている。
Z>700mmでは、半分程度に減っている。
ミラー中心からGaAs光陰極までの距離は約630mm、

図４：500keVビーム生成試験結果（上）を時間（分）の関数としてプロット。赤線がビームダンプ電流、青線が高電圧を示す。下図は440keVビーム生成試験結果で、1mAで30分間のビーム生成を行った。
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ビーム軸に対するレーザーの入射角は約2.3度である。GaAs光陰極を電極にインストールした状態で測定した、入射窓直前と出射窓直後のレーザーパワーの比は20%程度であった。GaAs光陰極のλ=532nmのレーザーに対する反射率の実測値は32%程度であったことから、レーザー導入容器のミラーやビューポートでレーザーロスが生じていると考えられる。
波 長 532nm の レ ー ザ ー で 10mA 引 き 出 す に は 、2.3[W%]のレーザーと光陰極を組み合わせる必要があり、ワットクラスの高出力レーザーが必要となる。
そ こ で 、 最 大 出 力 2.4W の 半 導 体 レ ー ザ ー （ λ=532nm）Millennia Pro (Spectra Physics社製)を用いた。レーザービームライン上に設置した偏向板を回転させ、レーザー出力をリモート切り替えできる。レーザーは光陰極中心に照射し、集光ミラーを
図５：GaAs光陰極の量子効率の変化。cERLの入用いてサイズをσ=0.1mmにした。
射器コミッショニング中の測定値であり、1/e寿高電圧電源とセラミック管の間の出力抵抗は高電命200日が得られている。
圧コンディショニング時は100MΩであるが、大電流ろでレーザーパワーを固定した。始めの 10 分程度
ビーム生成試験時は66.6kΩに変更する。出力抵抗は徐々に電流が増加したが、やがて下がり始めた。
での電圧ドロップの影響を防ぐためである。
図 4 上図に 500keV ビーム生成試験の結果を示す。 電流を出し始めてから 30 分程度で光陰極の電荷寿命測定に十分なデータを取得できたため、ビーム生横軸は時間（分）で電子銃高電圧（青）、ビームダ成試験を終えた。電流の減衰カーブから、光陰極のンプで測定したビーム電流（赤）を示す。レーザー
1/e 電荷寿命 46C が得られた。
パワーは偏光板の回転によりコントロールしているレーザーを電極中心から外して電子ビームを生成ため、階段状にビーム電流が増えていることがわかする、オフセンター運転により電荷寿命を延ばすこる。500kV では最大 1.8mA のビームの生成に成功しとができることが知られている。レーザーサイズσた。
=0.1mm と い う 今 回 の 実 験 条 件 に 近 い 米 国 ジ ェ
この試験では 10mA のビーム生成を目指して比較
ファーソン研究所のデータでは、5mm オフセンター的短時間に電流を増やした。ところが、2.2mA 以上運転で最大 600C が得られるものの、オンセンタ―では電圧がドロップすることが判明した。3 回試験
運転では 100C 以下となり我々の 46C と大差ない。
を繰り返したが同じ結果が得られ、高電圧電源の容今後、寿命を長くするには、オフセンター運転と量不足であると結論付けた。図 4 上図の電流が 2mAビームダンプでの真空劣化の抑制が重要である。
を越える部分では、電圧が 500kV から 494kV にド長寿命化には光陰極を変更するオプションもある。
ロップしている。電圧降下に伴いビームエネルギー
米国コーネル大では K2CsSb 光陰極を用いて、65mAが変化すると偏向電磁石での偏向角が変わるため、のビームをほぼ連続 8 時間運転することに成功してビームダクトに衝突したビームが多量の放射線を発いる[11]。運転前後で QE の劣化はほとんど見られ生させ、真空の劣化や放電を引き起こす。3 回目のておらず、波長 530nm のレーザーを使う限りにおい試験後に、放電の影響からか 500kV の電圧印可がでては、エミッタンスも GaAs 光陰極と大きな違いはきなくなった。そのため、長時間ビーム生成試験のない。
実施を断念した。
放射線は電子銃近くに設置した NaI 放射線検出器で計測した。電子銃側で放電を起こした時にも計測５．cERLへの移設と運転できるようにするためであったが、ビーム生成時のJAEA での 500keV ビーム生成試験を終え、2012 年放射線量が予想以上に多かった。ビームの外側に薄10 月には KEK で建設中の cERL への移設を開始した。
く広がるビームハローの影響かとも思われたが、偏12 月までにセラミック管単体の電圧印可試験を
向電磁石下流のビームダクトの遮蔽強化が放射線低行ったところ、420kV で放電が発生し、電圧の安定減に最も効果があったため、ビームラインの放射線な印可が困難であることが判明した。原因を調査し遮蔽不足によると結論付けている。ビームダクトはたところ、分割セラミック管の最上段、最下段のセ遮蔽ができないため、ビームダンプからの 2 次電子ラミック内面の汚れにより放電が発生していることや反跳電子がビームラインに戻り、ビームダクトにが明らかとなった。応急処置として最上段、最下段衝突して放射線を発生すると考えている。のセラミック管をショートし、10 段の分割セラ
図 4 の下図に示すように、エネルギー440keV、ミック管を 8 段として当面使用する。
ビーム電流 1mA 程度で長時間の運転試験を行い、光2013 年 4 月 22 日から 6 月 28 日までの 2 ヵ月に陰極寿命の測定を行った。レーザーパワーを徐々に及ぶ cERL 入射器のコミッショニングにおいては、増やしながら電流を上げてゆき、1mA を越えたとこ- 177 -

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ビームエネルギー390keV で運転を行っている。延表面の電界を下げ、マイクロ放電を抑制することにべ電圧印可時間は 200 時間を超えたが、電子銃に起成功したためと考えている。下流ビームラインと接因する放電現象は皆無であり、安定なビーム運転に続し、500keV電子ビームを最大1.8mA生成すること貢献した。長時間(7 時間)電圧変動は 0.063%(rms)に成功した。440keV電子ビームを1mAで30分間連続と測定されており、電子銃からのビームエネルギー的に生成し、1/e寿命46Cを得ている。既に180keV電は極めて安定である。真空についても、エクストラ
子ビームを10mA生成することに成功しているので、クターゲージで 1.2x10-9Pa が得られており、目標とビームエネルギー、電流の目標値をそれぞれ独立にする極高真空を実現している。
達成した。
また、390kV は光陰極 DC 電子銃の運転電圧とし
cERL@KEKへの移設も無事終了し、cERL入射器て世界最高である。2014 年の 3 月以降にセラミッコミッショニングのために390keV電子ビームを安定ク管表面の汚れ問題の解決に着手する予定であり、に供給することに成功した。高電圧のトラブルはな
cERL での 500keV ビーム生成については、その後にく、光陰極の量子効率の劣化も少なかった。ビーム
挑戦する。500kV ビームの実現により低エミッタンス化はもちろんのこと、入射器コンポーネントに要ダイナミクスの出発点となる電子源の性能として、求されるアラインメント条件が緩和される効果が期今のところ十分な性能を発揮している。光陰極の長待される[12]。
寿命化が今後の最大の開発要素であり、アルカリ光高電圧と並ぶ、光陰極電子銃の最重要課題が高量陰極開発に取り組む。また、500keVビームをcERL子効率、長寿命の光陰極開発である。cERL の当面で供給するため、セラミック管内面の汚れ除去にものコミッショニングにおいては GaAs 光陰極を用い取り組む。
ることにしている。これまでの開発経験が豊富なためである。図 6 に、cERL の運転時に測定した GaAs
謝辞
光陰極の量子効率の日変化を表す。光陰極活性化時を 0 日としてプロットしてある。活性化直後の QE
本研究の一部は、科研費基盤 (C) 23540353、文部は 7.5%@532nm であった。運転電流は最大 0.3A で科学省受託研究：量子ビーム基盤技術開発プログラあり、データは静的寿命を表す。ビーム電流はム、KEK大学連携支援事業の成果である。
cERL 入射器のビームダンプ、ファラディカップで測定し、レーザーパワーはピークパワーの高低に応参考文献
じて 2 種類の計測器で測定している。パワーが低い場合に PD1、高い場合に PD2 を用いた[13]。データ[1] 坂中章悟 他, 「コンパクトERL入射部の建設と周回部の建設状況」, 本プロシーディングス, (2013).
を最小 2 乗法を用いてフィットすると、1/e 寿命[2] 羽島良一 他, 「コンパクトERLにおけるレーザーコ5000 時間(約 7 ヶ月)が得られた。本装置のこれまンプトン線の発生と核種非破壊測定実証試験の計での実績として寿命 2000 時間が最長であったが画 」 , 第 8 回 加 速 器 学 会 プ ロ シ ー デ ィ ン グ ス , 953[14]、それを上回っている。
(2011).
このように、QE の劣化がほとんどなかったため、[3] J. N. Corlett et al., “Design studies for a VUV-soft X-ray
cERL の入射器コミッショニングにおいては、光陰FEL facility at LBNL”, Proc. of IPAC’10, 2639 (2010).
極の再活性化を一度も行わずにビーム運転を 2 ヶ月
[4] C. Hernandez-Garcia et al., “A high average current DC
間継続した。ミリアンペア以下の運転には、充分耐GaAs photocathode gun for ERLs and FELs”, Proc. ofえ得る性能を示している。一方で、10 ミリアンペ
PAC05, 3117 (2005).
ア以上の運転には、寿命性能の点で GaAs 光陰極は[5] I. V. Bazarov and C. K. Sinclair, PRSTAB 8, 034202 (2005).
最適でないと考えられており、アルカリ光陰極の開[6] R. Nagai et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 033304 (2010).
[7] N. Nishimori et al., Appl. Phys. Lett. 102, 234103 (2013).
発が世界的に進められている[11]。我々も、広島大[8] 宮島司 「compact ERL 入射器のコミッショニングで開発中の光陰極を cERL でテストを実施できるよ運転」, 本プロシーディングス (2013).
う、準備を進めている[15]。
[9] 本田洋介 他、「ERL試験加速器入射部における横方ソレノイドスキャンにより熱エミッタンスと同程向ビーム性能評価」, 本プロシーディングス (2013).
度のエミッタンスが得られていることが確認され[10]
西森信行 他、「JAEAにおける500-kV光陰極DC電子[9]、電子ビームのバンチ幅もレーザーパルス幅と銃の開発」,第9回加速器学会プロシーディングス,同程度が得られている。ビームダイナミクスの出発(2012).
点となるビーム性能としては十分な電子源性能を現[11] B. Dunham et al., Appl. Phys. Lett. 102, 034105 (2013).
時点で示していると考えている。
[12] C. Gulliford et al., PRSTAB 16, 073401 (2013).

６．まとめ・今後の予定
次世代放射光源のための500kV-10mA光陰極電子銃の開発を行った。高電圧に関して、ビーム生成可能な状態で550kVまでの印加に成功した。陰極・陽極間距離を160mmとすることで、陽極や電子銃容器[13] 本田洋介 他、「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」, 本プロシー
ディングス (2013).
[14] 西森信行 他、「500-kV光陰極DC電子銃の開発」,第8回加速器学会プロシーディングス, 20 (2011).
[15] 山本記史 他、「CsK2Sb光陰極の電子引き出し寿命に関する研究」, 本プロシーディングス (2013).

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