極高真空カソード試験装置の開発 広大院先端　久保大輔　栗木雅夫　飯島北斗 2011.01.11 第8回　高輝度・高周波電子銃研究会

従来の熱電子銃では上記の要求に応えることができないため、 研究の背景・１ 次世代放射光源計画 ERL（ Energy-recovery linac ）を利用した次世代放射光源 　 施設の 計画がKEKで進行している。 必要とされる電子ビームは 大電流(100 [mA]) 低エミッタンス(0.1 [mm-mrad]) 超短パルス(100 [fS]) を満たさなければならない。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓↓↓ 従来の熱電子銃では上記の要求に応えることができないため、 新しいタイプの電子銃が必要となる。

研究の背景・２ NEA-GaAs光陰極 低エミッタンス・大電流で電子ビームを取り出す事が可能。 高い偏極度で電子を取り出すことが可能。 ⇒　次世代放射光源の電子源として最有力。 寿命問題 他の光陰極や熱電子銃などと比べると電子を取り出すことが 　 可能な時間（寿命）が短い。 ↓↓↓ NEA光陰極の長寿命化に向けた研究を行う必要がある。

NEA-GaAs光陰極 NEA表面形成 NEA-GaAsのバンド構造 GaAs表面にCsを蒸着する。 表面に蒸着されたCsとGaが電気双極子を作る。 真空準位が伝導帯の底よりも低くなり、バンドギャップ相当のエネルギーを 　 持った光の入射で電子を取り出すことが可能になる。

NEA表面の劣化 Adsorption Ion back bombardment NEA表面劣化の原因 ↓↓↓ 残留ガスが表面に付着する。 残留ガスが引き出された電子ビームによりイオン化され、それが逆流し 　 NEA表面に衝突する。 ↓↓↓ 真空度の向上がNEA表面の長寿命化につながる。

0号機 広島大学で稼働中の光陰極試験装置。 真空度：7×10-9[Pa] 粗排気 TMP(50L/s) 真空排気 NEGポンプ（310[L/s]）　 イオンポンプ(160[L/s]） 真空容器材質 SUS NEA形成と寿命測定を同一チェンバーで行う。 初期真空度は7×10-9[Pa]だが、NEA形成の際に真空度が悪化する。

HUES1概要 Hiroshima University Electron Source 1号機 極高真空中で光陰極の性能試験 及び 寿命測定を行うことを目標とする。 ロードロック機構を採用する。 寿命測定用のガンチェンバー NEA形成用のプリパレーションチェンバー 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　という二つの系から成り立つ。 ガス放出係数が小さいと考えられているチタンを使用して、チェンバーを製作。

HUES１ Laser

真空系 排気試験 極高真空を確立するために 真空排気 クライオポンプ（H2:２７００[L/s]） NEGポンプ（H2：１２００[L/s]） 真空系　排気試験 極高真空を確立するために 真空排気 クライオポンプ（H2:２７００[L/s]） NEGポンプ（H2：１２００[L/s]）　 粗排気 TMP(300L/s) 真空容器材質 チタン 手順 ベーキング 　　　↓ クライオ運転 NEG活性化

ベーキング ７０℃ベーキング ２００℃ベーキング 昇温・降温は30℃/hourを超えないように調整。 ベーキング時間はどちらも70時間。 1.4×10-5[Pa]　→　4.5×10-7[Pa] 5.1×10-7[Pa]　→　1.0×10-7[Pa] 昇温・降温は30℃/hourを超えないように調整。 ベーキング時間はどちらも70時間。

ビルドアップ試験 70℃ベーキング後 200℃ベーキング後 200℃でベーキングした方が、全ガス放出速度が小さくなる。 1.1×10-9 [Pa･m3/s] 1.1×10-11 [Pa･m3/s] 1.7×10-10 [Pa･m3/s] 1.3×10-12 [Pa･m3/s] 200℃でベーキングした方が、全ガス放出速度が小さくなる。

クライオポンプ運転 クライオポンプを使用して真空排気試験。（NEG未使用） 青：ベーキング無し 赤：７０℃ベーキング後 緑：２００℃ベーキング後 degas 200℃ベーキングを行った後、クライオポンプを運転し、約20日間引き続けることで10乗台到達が見込めた。 真空計測：EXG使用。

NEG活性化 Chamber温度:70℃ NEG温度:576℃ 活性化中にクライオは常時運転していた。 1カ月後の真空度 4.3×10-8[Pa] (with TMP) (1×10-5[Pa] (without TMP)) Cryo off

真空排気試験 NEGが活性化された状態でクライオポンプを運転した。（活性化後、２カ月経過） 緑：NEG未活性 赤：NEG活性 クライオポンプを運転してから約1週間で8×10-10[Pa]を計測。 真空を引き続けると、さらに真空度の向上が見込めることが分かった。 8×10-10[Pa]

Gun chamber　 寿命測定部の組み立て終了。 極高真空確立に向けて真空排気中。

Gun chamber ベーキング NEG活性化 130 hour 昇温・降温は30℃/hourを超えないように調整。

Preparation chamber NEA形成用チェンバー 真空排気 イオンポンプ（160[L/s]） 粗排気 TMP(50L/s) 真空容器材質 SUS

カソードインストール GaAs結晶(100) Znﾄﾞｰﾌﾟ(5×1019[/cm3]) ｲﾝｼﾞｳﾑをパックの上で延ばす。 16×16[mm]に切ったGaAsを乗せる。 ﾀﾝﾀﾙｷｬｯﾌﾟで固定。 ﾊﾟｯｸをﾁｪﾝﾊﾞｰ内のﾎﾙﾀﾞｰに固定。

ベーキング 40hour 昇温・降温は30℃/hourを超えないように調整。

イオンポンプ運転 NIG degas 現在の真空度：1.4×10-7[Pa] 　(CCG測定限界以下のため、NIG使用。)

まとめ NEA光陰極の長寿命化に向けて、極高真空中で光陰極の性能試験を行うことのできる装置を設計した。 真空排気試験を行った。 　　⇒その結果、8×10-10[Pa]を測定することに成功した。 NEA形成及び寿命測定ができるように光陰極試験装置を組み立てた。 Gun Chamberは極高真空確立に向け排気中。 Preparation ChamberはNEA形成試験中。 今後、両者をつなぎ極高真空中でNEA光陰極の性能試験及び寿命測定を行う。

Back up

クライオOFF

NEA形成手順

Chamber 体積評価

テーブル・パック・ホルダー