NEA-GaAsフォトカソードの 劣化機構 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会 NEA-GaAsフォトカソードの 劣化機構 広島大学大学院　先端物質科学研究科 飯島北斗、栗木雅夫、久保大輔（M2） 増元勇騎（M1）、細田誠一（D4）

概要 　NEA-GaAsフォトカソードは低エミッタンスで偏極した電子を発生できることから、ERL次世代放射光源の様な大型加速器のみならず電子顕微鏡などの電子源としても研究開発が進められている。一方、その寿命は他の電子源と比べて短く、これを改善することが大きな課題である。広島大学ではNEA-GaAsフォトカソードの長寿命化を目指して研究を行っている。 本日の話の内容 残留ガス吸着によるNEA劣化 QMS-TPDによる表面の吸着物の測定 まとめ 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

NEA-GaAsフォトカソード NEA状態が劣化 カソードの量子効率は時間とともに、またビームを引出すことで低下 CsとOを蒸着することでNEA表面を形成。 GaAsのバンドギャップに合わせた光で電子を放出させれば余計なエネルギーをもたずに引き出せるので低エミッタンスが実現できる。 金属カソードに比べて量子効率が高い。 円偏光したレーザーを用いることで偏極電子を取り出すことが可能。 カソードの量子効率は時間とともに、またビームを引出すことで低下 NEA状態が劣化 バンドギャップ 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

NEA状態劣化のメカニズム Adsorption Ion back-bombardment Thermal desorption 残留ガスの表面への吸着 イオンバックボンバードメント Cs/Oの熱脱離 真空度に依存 大電流引出し時に顕著 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

H2Oの分圧依存性 n = 1.01 D. Durek, et al., “Degradation of a gallium-arsenide photoemitting NEA surface by water vapour”, Appl. Surf. Sci., 143 (1999) 319-322. より抜粋 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

CO2, CO分圧依存性 CO2による劣化は起きるが、 COによる劣化はほとんどない。 T. Wada, et al., “Influence of Exposure to CO, CO2 and H2O on the Stability of GaAs Photocathode”, Jpn. Jour. App. Phys., 29 (1990) 2087-2091. より抜粋 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

光陰極試験装置（０号機） ロードロックの機構は持たないので、加熱洗浄、NEA表面の作成、寿命の計測はすべて同じチェンバー内で行っている。 ガス分析を行えるようQMSを設置。 ベース真空度 5×10-9 Pa He-Ne (633nm) 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

測定装置内残留ガスの成分 H2 O H2O CO CO2 Cl F C Ar 残留ガスの主成分は、H2、H2O、CO、CO2 O、F、ClはQMSのフィラメントから発生 H2 O H2O CO CO2 Cl F C Ar 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

Dark lifetimeの真空度依存 真空度依存 p0; 係数 p; 真空度 各真空度における分圧比はほぼ 同じ。 　各真空度における分圧比はほぼ 同じ。 　暗寿命の全圧に対する依存性は fittingによって n=2 に近い次数が得 られた。 　10-10Pa台の真空度を達成できれ ば、数千時間の寿命が可能。 実際、何が表面に吸着しているのか？ 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

昇温脱離法 昇温脱離法(Temperature Programmed Desorption; TPD) 試料を高真空下で加熱し、表面に吸着している物質の状態を調べる方法。 Thermal Desorption Spectroscopy (TDS)ともいう。 四重極質量分析計（Quadrupole Mass Spectrometer; QMA）と組合わせることで個々の物質の状態が解る(TPD- Mass Spectroscopy; TPD-MS)。 カソード表面の吸着物を詳細に調べる 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

脱離の速度 表面に吸着した物質の脱離速度はPolanyi-Wignerの式に従う。 一定の速度で温度をさせた場合。 v(t) ; 脱離速度 q ; 被覆率 n ; 頻度因子 n ; 反応次数 Ea ; 活性化エネルギー R ; 気体定数 T ; 絶対温度 b ; 昇温速度 (QMSのsignal) 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

反応次数 0次 （物理吸着） １次 （化学吸着） 2次 （化学吸着） 0次　（物理吸着） 表面被覆率が十分に高く（θ>1）、脱離の頻度が被覆率に依存しない。 １次　（化学吸着） θ<1、脱離の頻度が被覆率に依存する。表面に吸着しているものがそのまま脱離。 2次　（化学吸着） θ<1、脱離の頻度が被覆率に依存する。 例）　2OH→H2O+O 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

反応次数とTPD曲線の関係 反応速度が最も早くなる温度（Tp）の前後で非対称な曲線が得られる 吸着物がなくなると QMSからのsignalが０ になる。 反応速度が最も早くなる温度（Tp）の前後で非対称な曲線が得られる Tpの前後で対称な曲線が得られる 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

各パラメータとTPD曲線の関係 図はいずれもn=1の例。n=0, 2でも同じ傾向となる。 活性化エネルギー 頻度因子 頻度因子が小さいとTpは高温側にシフトする。 昇温速度 昇温速度が速いTpは高温側にシフトする。 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

表面被覆率とTPD曲線の関係 0次反応 Tpでのシグナル強度 が大きくなるとともに Tpが高温側にシフトす る。 1次反応 2次反応 全体のシグナル強度が大きくなり、Tpは低温側にシフトする。 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

Temperature Programmed Desorption（全圧） 　N.I.G.による全圧測定。 　清浄表面からのピークは観測されない （青線）。 　清浄表面を10日放置してもピークは観測 されない（緑線）。 　NEA活性化を行うとピークが観測される （橙線）。 　それぞれのピークは時間の経過とともに 増大する（赤線）。 昇温速度　20 K/min NEAを行うとTPDピークが現れる→ 残留ガスはGaAsではなく Cs/Oに吸着している 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

Temperature Programmed Desorption（分圧） 全圧 　NEA表面から脱離してくるガ ス種をQMSで計測（40日間の寿 命測定後の試料）。 　CO2、CO、H2の脱離ピークが 観測される。 　H2O、O2のピークは観測され ない。 H2 CO CO2 H2O O2 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

NEA表面へ吸着過程の考察 試験装置内の残留ガスにはH2、H2O、CO、CO2が存在する。また、表面 活性化時にはO2を用いている。 H2O、CO2の分圧が高いと寿命が短くなることが報告されている。また、 H2Oの寿命依存性の次数は1次である。 全圧の寿命依存性の次数は2次であった。 QMSによるTPD曲線からCO、CO2の脱離は観測されたが、H2O、O2の ピークは観測されない。 Cs2O2、CsO2やCs11O3では左の様な反応が起きないならば、結果NEA表面の状態を限定できるかもしれない？ 吸着過程の可能性 さらに、、、 Cs2O + H2O → 2CsOH 2CsOH + CO2 → Cs2CO3 + H2O Cs2O2; 過酸化セシウム CsO2;　超酸化セシウム Cs11O3; クラスター Cs2O; 酸化セシウム 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

M/Z = 44 (CO2)曲線比較 活性化40日後と1日後の違い はCO2被覆率の違いによる。 　TPD曲線はどちらもTpに対して 対称。　→　2次反応 　Tpの位置はどちらも150℃。　 →　1次反応 　結果が矛盾する！！ NEA活性化４０日後 S/Nが悪い 温度の分解能が悪い NEA活性化１日後 TPD曲線の形状を悪くしている？ 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

QMS設置場所変更後、M/Z=44 QMS設置位置を移動 測定間隔を調整 　これまでは見えていなかったが、 80℃、380℃付近にピークが存在 する。 　170℃付近のピークには高温側 にもう一つのピークが存在している。 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

まとめ NEA-GaAsはフォトカソードとして有用であるが、長寿命化は重要な課題であ る。 量子効率劣化の原因の一つは残留ガスの吸着によるもので、H2O、CO2な どが量子効率を劣化させることが報告されていた。 表面活性化後、寿命測定を行ったGaAsに対してQMSを用いたTPDにより、 表面に吸着している物質を観測した。 TPDのピークは表面活性化によって現れることから、残留ガスは主にCs/Oに 吸着していると考えられる。 表面から脱離してくる成分はH2、CO、CO2が支配的であり、H2Oのピークは 計測されなかった。 TPD曲線の分解能を上げるため、QMS位置の変更と測定間隔の調整を行っ た。これにより今までは見えていなかったピークが測定されるようになった。 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

カソード試験のサイクル 加熱洗浄（550℃、1時間） 表面活性化（Yo-Yo法） 寿命測定（真空度依存、温度依存、、、） 加熱洗浄（表面に吸着したガス分析） GaAs基板：住友電工社製 GaAs(100), Zn=5×1019/cm3。 2008/11/26に化学洗浄、チェンバーにインストール。 2010/9まで、62回の過熱洗浄、NEA表面作成、計測を繰り返した。 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

Yo-Yo法によるNEA表面作成 活性化時のQEの変化 QEの履歴 9.8±1.1 % CsとO2を交互に蒸着。 　通常、5回目の酸素蒸着で活性化を終了。 　He-Neレーザー（波長633nm)に対し、10％程度の量子効率を得られる。 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会

寿命曲線（典型例） 温度、真空度を 温度、真空度を 変えて寿命を測定 変えて寿命を測定 Dark lifetime （ビームを引出していない時の寿命） T = 23.4 ± 0.5 [℃] P = 5.8 ± 0.1 [×10-9 Pa] Beam lifetime （ビームを引出した時の寿命） T = 22.8 ± 0.2 [℃] P = 7.0 ± 1.5 [×10-9 Pa] Q.E.の劣化が始まってから寿命を算出 温度、真空度を 変えて寿命を測定 温度、真空度を 変えて寿命を測定 2011/1/12 第8回高輝度・高周波電子銃研究会