第5回高輝度・高周波電子銃研究会２００７年１２月４日 1

JAEAにおけるERL用電子銃開発の現状

原子力機構　ERL-Gr.

永井良治、羽島良一、西森信行、飯島北斗、沢村勝、菊澤信宏、峰原英介

2

250kV DC 電子銃の構成

main chamberpreparationchamber

load-lockchamber

e-beam

solenoid

beam diagnosis

3

主加速器下流でのビーム変動の計算

recirculating beam to main linac

3-dipole mergerQ-mag.

solenoidbuncher

e-guninjector booster(3-cell×5)

70MeVの位置でのビームの評価

-40

-20

0

20

40

60

-1.0 10-3 -5.0 10-4 0.0 100 5.0 10-4 1.0 10-3

Arrival Time (Peak) Fluctuation [fs]Arrival Time (Ave. in FWHM) Fluctuation [fs]

Arri

val T

ime

Fluc

tuat

ion

[fs]

Ripple

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

-1.0 10-3 -5.0 10-4 0.0 100 5.0 10-4 1.0 10-3

Bunch Energy (Average) Fluctuation [keV]Bunch Energy (Ave. in FWHM) Fluctuation [keV]

Bun

ch E

nerg

y Fl

uctu

atio

n [k

eV]

Ripple

バンチ平均エネルギーバンチ到着時刻

電子銃電圧リップルの影響

4

電子銃電圧リップルの影響

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

RMS Bunch Lengsth FWHM Bunch LengthTransverse Emittance

Fluc

tuat

ion

Ripple-1E-3 -5E-4 5E-4 1E-30

リップルは1×10-4以下に！

主加速器下流でのビーム変動の計算

5

Cockcroft-Walton回路の小型・高安定化のトライ

][2

VnCf

IV ⋅=δ

リップルを小さくするには大きな静電容量が必要

LCフィルタで小型・高安定化

出力抵抗（耐電圧）が大きい

サージアブゾーバで小型化

トライ　１

従来型 改良型

トライ　２

6

Cockcroft-Walton回路の改良放電特性の改善

出力抵抗、サージアブゾーバ、ＬＣフィルタの最適化

改良前改良後

コンディショニング履歴

curr

ent (

mA

)

7

Cockcroft-Walton回路の改良電圧リップルの低減

開発中 最終目標

電圧－電流 250kV-50mA 500kV-100mA

駆動周波数

各段静電容量

段数

フィルター　Ｌ

フィルタ－　Ｃ 1.4 nF 1.4 nF

リップル（計算値） 1.4 x 10-4 1.7 x 10-5

リップル（実測値）

20 kHz 40 kHz

8.4 nF 16.8 nF

6 12

1.2 H 1.2 H

1.9 x 10-4

8

電子銃（真空チャンバ）

9

カソード輸送システム

10

クライオポンプの排気試験

試験チャンバ（材質：SUS、表面処理：複合電界研磨、容積：約7ℓ、表面積：約0.28m2）を用いて排気試験

大気圧から排気後40時間で<1×10-8Paを達成

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

103

-300

-200

-100

0

100

200

300

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0

Pressure(BA) [Pa]Pressure(AxTran) [Pa]

Cryo-Panel Temp. [deg-C]Cryo-Case Temp. [deg-C]Chamber Temp. [deg-C]

Pres

sure

[Pa]

Temperature [deg-C

]

Time [h]

新規カソードを導入して中１日で加熱洗浄、NEA化。

ロードロックチャンバーの迅速な排気

11

ソレノイドレンズの設計・製作

R24

0

R15

0 Yoke (Pure Iron)

Main Coil

Backing Coil

Cathode

97.5

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Magnetic Field (ELF/Magic) [mT]Magnetic Field (Poisson) [mT]Magnetic Field (Measured) [mT]

Position [m]

0

5

10

15

20

25

30

35

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

Peak Field (ELF/Magic) [mT]Peak Field (Poisson) [mT]Peak Field (Measured) [mT]

Backing Coil Current (ELF/Magic) [A]Backing Coil Current (Poisson) [A]Backing Coil Current (Measured) [A]

Peak

Fie

ld [m

T]

Backing C

oil Current [A

]

Main Coil Current [A]

Mag

netic

Fie

ld [m

T]

カソード磁場をゼロ、かつ、エミッタンス補償

主コイル：280A x 36 turnヨーク中最大磁場: 1.32 T

12

Parmelaによる計算

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

SigmaX (mm)

SigmaY (mm)

ex (mm-mrad)

ey (mm-mrad)

Bea

m R

adiu

s (m

m,rm

s)

Norm

arized Emittance (m

m-m

rad,rms) 0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0

1

2

3

4

5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

SigmaX (cm)

SigmaY (cm)

ex (cm-mrad)

ey (cm-mrad)

Bea

m R

adiu

s (m

m,rm

s)

Norm

arized Emittance (m

m-m

rad,rms)

Position (m)

77pC B = 25.1mT, εn = 0.59 mm-mrad7.7pC B = 23.8mT, εn = 0.11 mm-mrad

13

ソレノイドの据え付け

ミスアライメントによるエミッタンスの増加

1

2

2345

67

89

1011

12

00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

X方向の角度

ずれ　[m

rad]

X方向の位置ずれ　[mm]

14

レーザ導入機構

カソード電極

アノード電極

プリズムミラーガラス基板・金蒸着

25×25×25mm

入射方向

反射方向（CCDカメラへ）

主要構成部品はSUSで作成

電子ビーム

15

レーザ導入機構（集光試験）

He-Ne レーザー

レンズ(f=150mm)

レンズ(f=60mm)

プリズム型ビームスプリッター

ミラー(固定）

ミラー(入射位置調整用）

レーザー導入機構プリズム型ミラー

パワーメーター

～50%

自動ステージ上に設置

• ランダム偏光型He-Neレーザーを使用（<2mW）• 1枚目のレンズの位置を変えることでカソード

上でのスポットサイズを調整

Off-lineでの集光テスト

12mm

12m

m

スポットサイズ　φ0.6mm

16

まとめ

250kV DC電子銃の開発は、ほぼ順調に進んでいる。高電圧発生回路は、初期に見られた放電→整流素子破損の現象が解決。大電流運転時のリップル対策にも目処が立った。真空チャンバーの組み立て、真空試験が完了。エミッタンス補償用ソレノイドの設計、製作、磁場測定、据え付け完了。レーザ導入機構の設計、製作、集光試験、据え付け完了。