HIGH POWER TEST OF THE SPring-8 PHOTOCATHODE RF GUN
T. Taniuchi
*), T. Asaka, H. Hanaki, T. Hori, T. Kobayashi, A. Mizuno, S. Suzuki and K. Yanagida
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)
Kouto 1-1-1, Mikazuki, Sayo-gun, Hyogo 679-5198, JAPAN
AbstractRF cavities for photocathode RF gun were built and tested by using high power RF up to 27MW. The electric field gradient on the cathode reached 140MW/m. During the RF conditioning, dark currents were measured for cavities with different surface treatments. A laser pulse was irradiated on a copper cathode and the photo-emitted beam was accelerated up to 3.2MeV. An effective quantum efficiency of the cathode was obtained by changing laser power and field gradient.
SPring-8におけるフォトカソードＲＦ電子銃の大電力試験
１ １ １ １ ．．．． はははは じじ めじじめめめ にににに1) SPring-8では線型加速器における短バンチ、低エ ミッタン スビー ムの生成 、利用 を目的と してフ ォ トカソー ドＲＦ 電子銃の 開発を 進めてい る。こ れ までに高 電界発 生とビー ム特性 評価のた めのシ ン グルセル 空胴の 製作、ビ ーム加 速試験装 置の設 置 を完了し、1999年2月にファーストビームの加速 を 行った[1]。 その後、 クライス トロンの 出力調整 を 行いなが らＲＦ エージン グを進 め、４台 の空胴 に ついて暗 電流の 評価を行 った。 またこれ と並行 し てシミュレ ーション コードの 開発[2]を 行い、実 験 データとの比較によりその信頼性を確認した上で、 実機設計に利用していく予定である。 ２ ２ ２ ２ ．．．． 試試試試 験験験験 空空空空 胴胴胴胴 試験空胴 はカソー ド面におい て100MV/mを越 え る高電界 の発生 、暗電流 の低減 を目的と して空 胴 内表面処 理の異 なる３空 胴及び 高量子効 率を目 的 とした単 結晶カ ソード空 胴の計 ４台を制 作した 。 表面処理としては通常処理、超純水洗浄、TiNコー ティング および 超純水洗 浄の３ 種類であ る。高 圧 超純水洗 浄が暗 電流の低 減に有 効である ことは す でに報告さ れてる[3] が、本空 胴は半導 体洗浄な ど で使用さ れてる流 水によ る洗浄を 施した。 一方、 TiNコーティングはTiの２次電子放出係数が１以 下 であるこ とから ２次電子 の発生 による暗 電流増 加 を抑える 効果が あり、Ｒ Ｆ窓や ＲＦカプ ラーな ど に利用 されて いる。 さらに この空 胴は入 力ＲＦ 電 力の一 部を外 部へ取 り出し て空胴 Ｑ値を 下げる こ とによ り、パ ルス幅 の短か いＲＦ での励 振を可 能 にする ととも にビー ムロー ディン グの影 響が小 さ くなる ことか ら、高 電界発 生に有 利な構 造とな っ ている 。図１ に試験 空胴を 、表１ に主な パラメ ー タを示す。 図１ 試験空胴 1)*) T. Taniuchi, 0791-58-0851, [email protected] −165−Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)
[12P-13]
表１ 試験空胴のパラメータ
Frequency MHz 2856
Number of cells 1
Accelerating gap mm 28
Bore diameter at cavity exit mm 20
Intrinsic Q value 13000
External Q value for input port 3684
External Q value for output port 2786
Loaded Q value 1414
Filling time µs 0.31
Shunt impedance MΩ 1.16
Emax / Ecathode 1.09
Laser injection angle deg 24
３ ３ ３ ３ ．．．． 大大大大 電電電電 力力 試力力試試試 験験験験 装装装装 置置置置 本試験 装置は 線型加速 器棟に 併設され たマシ ン 実験棟 に設 置され てお り、 35MWクラ イス トロ ン （PV-3035）をＲＦ源としている。図２に本試験で 用いた大電力ＲＦ伝送系の概略を示す。 DC1 DC2 Pr Pf 3dB DC3 DC4 DC5 RF Gun Cavity Pf Pr Pf Pf KLY Pf 図２ 大電力ＲＦ伝送系 クライ ストロ ンから出 力され たマイク ロ波は 電 力分配器 により 試験空胴 とダミ ーロード へ分配 さ れる。電力分配器はＴ分岐、移相器および3dB方 向 性結合器 から構 成されて おり、 任意の分 岐比で マ イクロ波 を分配 すること ができ る。この システ ム により、 空胴に マイクロ 波を投 入せずに クライ ス トロンＲＦ出力試験が可能となった。空胴と3dB 方 向性結合器の間にはＲＦ窓が取り付けられており、 独立した真空系となっている。空胴側の真空度は、 導波管 に取 り付け られ た排気 速度 100 l/sの イオ ン ポンプ１台により10-6Pa程度に維持されている。 ３ ３ ３ ３ ．．．． ＲＲＲＲ ＦＦ エＦＦエ ーエエー ジーージジジ ンンンン ググググ 空胴のＲＦエ ージングは、Ｒ Ｆパルス幅1µsec 、 繰り返 し10pps で真 空度 が10-4Paを 越え ない よう に 行った 。図３ は導波 管に取 り付け られた 方向性 結 合器に よりモ ニタし たＲＦ パルス 波形で ある。 空 胴上流 にサー キュレ ータを 設置し ていな いため 、 空胴か らの反 射波の 影響が 波形の 立ち上 がり（ 下 がり） 部分に 見られ る。本 空胴で は空胴 からの 出 力波を モニタ できる ので、 そこか ら空胴 内の電 界 強度を得ることができる。 0 5 10 15 20 0.0 100 5.0 10-7 1.0 10-6 1.5 10-6 DC2-Pf DC4-Pf DC4-Pr DC5-Pf RF Power [MW] Time [µsec] 図３ ＲＦ波形の例 ４ ４ ４ ４ ．．．． 暗暗暗暗 電電 流電電流流流 測測測測 定定定定 ＲＦ エージ ングを 進めな がら、 空胴直 下流に 取 り付け られた ファラ デイカ ップに より暗 電流の 測 定を行 った。 図４ａ に、超 純水洗 浄を行 った空 胴 におけ るエー ジング に伴う 暗電流 の変化 を示す 。 約６ 時 間 の ＲＦ エ ー ジ ング で カ ソ ード 面 電 界 で 100MV/mに達し ているが 、さら にエージ ングを 続 け18時間 後に140MV/mに 達する と、暗電 流量は 約 １桁 小 さ く なっ た 。 ま た、 図 ４ ｂ に示 す よ う な Fowler-Nordheimプロットを行うと エージング後のβ (field enhancement factor) が小さくな っており、空胴 表面の平滑化が進んでいることが示唆される。 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 60 80 100 120 140 ピーク電流 [A] カソード面最大電界 [MV/m] 6時間後 18時間後 図４ａ ＲＦエージングによる暗電流の減少
10-26 10-25 10-24 10-23 10-22 6.0 10-9 8.0 10-9 1.0 10-8 1.2 10-8 1.4 10-8 1.6 10-8 1.8 10-8 I/E 2.5 [A･(m/V) 2.5 ] 1/E [m/V] 6時間後 β = 113 18時間後 β = 75 図４ｂ F-Nプロット 図５に 示すよ うに、４ 種類の 空胴につ いて暗 電 流を比較 すると 、超純水 洗浄を 行った空 胴が最 も 小さかった。TiNコーティングは暗電流の低減に効 果が無か ったこ とから、 この空 胴におい て２次 電 子発生に よる暗 電流増大 は起こ っていな いと推 定 される。ま たF-Nプロ ットから 得られるβが他の 空 胴より大きいことから、TiNコーティングにより表 面の平滑度が悪化 し、暗電流が大き くなっ ている と思われる。 10-25 10-24 10-23 10-22 8.0 10-9 1.0 10-8 1.2 10-8 1.4 10-8 Normal (β=72)
Single crystal cathode (β=68) Pure water rinsed (β=76) TiN coating (β=91) I/E 2.5 [A(m/V) 2.5 ] 1/E [m/V] 図 ５ F-N プ ロ ッ ト に よ る ４ 空 胴 の 暗 電 流 比 較 ５ ５ ５ ５ ．．．． ビビビビ ーー ムーームムム 測測測測 定定定定 ビ ーム 測定 では カソ ード 表面 電界 90MV/mに お いてエミ ッタン スの測定 を行い 、最小エ ミッタ ン ス約15πmmmradを得ている。これはシミュレーショ ン結果とほ ぼ一致し ており[4] 、現在達 成してい る カソー ド面電 界140MVm ではさ らに エミッ タン ス は小さく なるこ とがシミ ュレー ション結 果で得 ら れている 。一方 、実験と シミュ レーショ ンを比 較 する上で、レーザーの安定度の改善や、実際のレー ザープロ ファイ ル形状の 測定な ど進めて 精度を 上 げる必要がある。 カソ ードの 量子効 率につ いては 図６に 示すよ う に124MV/mで 最大 3.7×10-5を得 ている が、 他所 の データ と比較 すると 若干低 いよう である 。今後 真 空ポン プを増 強する ととも に、長 時間の レーザ ー 照射に よる効 率改善 が見ら れるか どうか を確認 し たい。 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 20 40 60 80 100 90MV/m, Q.E.= 2.4 x 10-5 124MV/m, Q.E.= 3.7 x 10-5 Charge [nC] Laser Energy [µJ ] 図６ 電界強度と量子効率 ６ ６ ６ ６ ．．．． 今今今今 後後 の後後ののの 予予予予 定定定定 現在 のレー ザーは 出力が 不安定 である ために 測 定値の エラー が大き く、エ ミッタ ンスの 正確な 測 定が困 難であ る。今 後、高 安定レ ーザー を導入 し て詳細な測定を行うとともに、開発したシミュレー ション コード や試験 空胴で の経験 をもと に、実 機 システムの設計を行っていく予定である。 参考文献
[1] T. Taniuchi et al., Proc. of the 1999 Part. Acc. Conf. 2015 (1999).
[2] A. Mizuno et al., Proc. of the 24th Linac Meeting in Japan 125 (1999).
[3] H. Akiyama et al., Proc. of the 20th Linac Meeting in Japan 170 (1995).
