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マルチアルカリ高量子効率・ 長寿命カソード開発
2014年12月24日 産業技術総合研究所
広島大学 加速器物理研究室
栗木雅夫、清宮裕史、郭磊、内田和秀、横田温貴、浦野正洋
分子研 UVSOR
許斐太郎、加藤正博
マルチアルカリ陰極(CsK2Sb)
2013/08/29
基板 温度
100℃
Sb膜厚 102Å
K膜厚 292Å
Cs膜厚 558Å
QE at 473nm
5.6 ±0.4%
QE at 532nm
3.6 ±0.03%
電荷量寿命 535C カソード生成手順 1)基板加熱洗浄 (600℃) 2)Sb蒸着 (膜厚制御) 3)K蒸着 (膜厚制御) 4)Cs蒸着 (QE Max)
• 緑色励起(532nm)可能な、光電陰極物質。 • PMTのカソードとして実績 • 高耐久加速器用電子源として期待 • 100mAクラスの運転が目標
ビームモード測定 (大電流による実験)
𝜼 𝒕 = 𝜼𝟎 𝐞𝐱𝐩 −𝒕
𝝉 𝐞𝐱 𝐩 −
𝝆
𝚯
η t : 量子効率 𝜏 : 時間寿命 Θ :電荷密度寿命 r: 積算電荷密度
ダークモード測定 (極小電流での実験)
𝜼 𝒕 = 𝜼𝟎 𝐞𝐱𝐩 −𝒕
𝝉
カソード劣化モデル
量子効率の劣化が、二成分あると仮定。 • 時間(ガス吸着等) • 引出電荷密度(イオン逆流等)
カソード寿命測定(以前の結果)
時間寿命t 3500±500 [hour]〜5ヶ月
緑色レーザー(532nm) 〜0.7mW 真空度:2.0×10-8 Pa
h t( ) =h0 exp -t /t( )
測定データ
補正データ h t( ) =h0 exp -t /t( )exp -r /Q( )
h t( ) =h0 exp -t /t( )exp -r /Q( )
青色レーザー(473nm) 〜5mW 平均電流: 90μA 真空度: 2.8×10-8 Pa
電荷密度寿命Θ • 8300[C/mm2](Prelimi
nary) • 未補正1300[C/mm2]
時間寿命 電荷密度寿命
h t( ) =h0 exp -t /t( )exp -r /Q( )
光学系アップグレード
可動ミラー (2次元スキャン)
ビームサンプラー
PIN-PD
カソードへ
数%反射
• 青色レーザー(405nm)と、緑色レーザー(532nm)の自動切り替え。 • 二次元マッピング。 • ビームパワーのサンプル測定により、レーザーのパワー変動補正
QE 測定 以前の蒸着条件を再現
Sb膜厚…202Å (204)
K膜厚…638Å (600)
Cs膜厚…654Å (662)
基板温度…約103度 (100)
QE@472nmで6.8%、@532nmで1.9%
Plaser(405nm)2.17±0.03mW,(532nm)0.404±0.003mW
Spot (405nm) 0.404×0.492)=0.627𝒎𝒎𝟐(𝟒𝝈)
(532nm) 0.765×0.890=2.142𝒎𝒎𝟐(𝟒𝝈)
特定スポットの連続照射(405nm), 二波長によるQE mapping per 2 hours.
測定中の圧力:4.8×10-7 Pa(非ビーム発生時4.0e-9Pa
QE mapping at 405nm
測定開始直後
258時間後
連続照射点
X=18,y=12
X=0,z=9
X=27,z=12
QE mapping at 532nm レーザーを当てた点
X=18,z=12
測定開始直後
258時間後
レーザーを当てた点 X=18,z=12
X=0,z=9
x=0,z=9
QE@405nm (Continuous Illumination)
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_22_Time_Lifetime_Blue_Point_z=12
QE(x=18)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)
ƒGƒ‰•[’l
0.00663349.767m2
99.7884651m3
NA0.17979ƒJƒC‚Q•æ
NA0.97174Ry = m2*exp(-x/m3)
エラー値0.00663349.767m2
99.7884651m3 NA0.17979カイ2乗NA0.97174R
• Τ=4651+-100 h • レーザーパワー変動未補正 • 電荷量寿命:Θ=
1250(C)
• 電荷密度寿命:2000C/𝑚𝑚2)
(1300 in the previous exp.)
• Darklife correction is not applied.
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_22_Time_Lifetime_Blue_Point_z=15
QE(x=15)
QE(x=18)
QE(x=21)
QE(
%)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0127699.4354m2 151.334053.1m3
NA0.66358カイ2乗NA0.92089R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0125619.1512m2 226.414930m3
NA0.64565カイ2乗NA0.88692R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.010268.866m2 182.954825.7m3
NA0.43055カイ2乗NA0.91874R
QE @ 405nm (Near CI, discrete)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0127699.4354m2 151.334053.1m3
NA0.66358カイ2乗NA0.92089R
x=15,z=9
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0125619.1512m2 226.414930m3
NA0.64565カイ2乗NA0.88692R
x=18,z=9
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.010268.866m2 182.954825.7m3
NA0.43055カイ2乗NA0.91874R
x=21,z=9
QE @ 405nm (Near CI, discrete)
x=15,z=12
x=21,z=12
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0111958.3981m2 532.187688.1m3
NA0.51764カイ2乗NA0.78665R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0098889.034m2 126.674124m3
NA0.39812カイ2乗NA0.94445R
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_22_Time_Lifetime_Blue_Point_z=12
QE(x=15)
QE(x=21)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)
ƒGƒ‰•[’l
0.0098889.034m2
126.674124m3
NA0.39812ƒJƒC‚Q•æ
NA0.94445R
y = m2*exp(-x/m3)
ƒGƒ‰•[’l
0.0111958.3981m2
532.187688.1m3
NA0.51764ƒJƒC‚Q•æ
NA0.78665R
QE @ 405nm (Near CI, discrete)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.00898439.2058m2 112.584117.2m3
NA0.32865カイ2乗NA0.95521R
x=18,z=9
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0111638.8551m2 136.353985.9m3
NA0.50683カイ2乗NA0.93233R
x=15,z=9
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.00970118.0282m2 237.245381.5m3
NA0.38596カイ2乗NA0.89455R
x=21,z=9
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_22_Time_Lifetime_Blue_Point_z=9
QE(x=15)
QE(x=18)
QE(x=21)
QE(
x=15
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0111638.8551m2 136.353985.9m3
NA0.50683カイ2乗NA0.93233R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.00898439.2058m2 112.584117.2m3
NA0.32865カイ2乗NA0.95521R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.00970118.0282m2 237.245381.5m3
NA0.38596カイ2乗NA0.89455R
QE @ 405nm (Far from CI, discrete)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.00641234.6277m2 115.923501.3m3
NA0.16652カイ2乗NA0.93656R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.013014.1964m2 235.713336.2m3
NA0.68429カイ2乗NA0.7828R
x=27,z=12
x=0,z=9
0
1
2
3
4
5
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_22_Time_Lifetime_Blue_Point_z=12
QE(x=27)
QE(x=0)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.00641234.6277m2 115.923501.3m3
NA0.16652カイ2乗NA0.93656R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.013014.1964m2 235.713336.2m3
NA0.68429カイ2乗NA0.7828R
電荷量寿命(405nm)
時間寿命による補正
7688(hour)
電荷量寿命:Θ=3779(C)
電荷密度寿命:Θ/0.627=6027C/𝑚𝑚2)
3985(hour)
ともに負となる(時間とともに上昇)
5381(ℎ𝑜𝑢𝑟)
電荷量寿命:Θ= 28136.5(C)
電荷密度寿命:Θ/0.627=44874.9(C/𝑚𝑚2)
/exp/exp0 Qtt t
QE @532nm (CI)
0
1
2
3
4
5
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_18_Time_Lifetime_Green_Point_z=12
QE(x=18)
QE(x
=18)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)
ƒGƒ‰•[’l
0.0186592.2363m2
75.3221126.6m3
NA1.3092ƒJƒC‚Q•æ
NA0.79605R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0186592.2363m2 75.3221126.6m3
NA1.3092カイ2乗NA0.79605R
• Τ=1130+-75 h • レーザーパワー変動
未補正
• Darklife correction is not applied.
QE@532nm (near CI, but discrete)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_18_Time_Lifetime_Green_z=9
QE(x=15)
QE(x=18)
QE(x=21)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0175481.9137m2 110.421306.7m3
NA1.1753カイ2乗NA0.72148R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.018132.2673m2 76.4931160.8m3
NA1.2399カイ2乗NA0.80098R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0178051.7871m2 221.111786.6m3
NA1.2409カイ2乗NA0.58076R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0175481.9137m2 110.421306.7m3
NA1.1753カイ2乗NA0.72148R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.018132.2673m2 76.4931160.8m3
NA1.2399カイ2乗NA0.80098R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0178051.7871m2 221.111786.6m3
NA1.2409カイ2乗NA0.58076R
x=15,z=9
x=18,z=9
x=21,z=9
QE@532nm (near CI, but discrete)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0175641.9187m2 112.241319m3
NA1.1784カイ2乗NA0.7192R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0182252.0939m2 205.971846.1m3
NA1.303カイ2乗NA0.62065R
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_18_Time_Lifetime_Green_z=12
QE(x=15)
QE(x=21)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0175641.9187m2 112.241319m3
NA1.1784カイ2乗NA0.7192R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0182252.0939m2 205.971846.1m3
NA1.303カイ2乗NA0.62065R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0182252.0939m2 205.971846.1m3
NA1.303カイ2乗NA0.62065R
x=15,z=12
x=21,z=12
QE@532nm (near CI, but discrete)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0185132.1356m2 215.821894.4m3
NA1.3469カイ2乗NA0.61197R
x=21,z=9
x=15,z=9
x=18,z=9
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0183592.2174m2 75.9651136m3
NA1.2686カイ2乗NA0.79644R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0177861.9624m2 110.281313.7m3
NA1.2081カイ2乗NA0.72386R
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_22_Time_Lifetime_Blue_Point_z=15
QE(x=15)
QE(x=18)
QE(x=21)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0127699.4354m2 151.334053.1m3
NA0.66358カイ2乗NA0.92089R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0125619.1512m2 226.414930m3
NA0.64565カイ2乗NA0.88692R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.010268.866m2 182.954825.7m3
NA0.43055カイ2乗NA0.91874R
QE@532nm (far from CI, discrete)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0170060.24488m2 604.441105.5m3
NA1.0853カイ2乗NA0.15946R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0175810.71563m2 97.514734.42m3
NA1.0983カイ2乗NA0.55412R
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 50 100 150 200 250 300
2014_12_18_Time_Lifetime_Green_Point_z=12
QE(x=27)
QE(x=0)
QE(%
)
Elapsed Time(h)
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0170060.24488m2 604.441105.5m3
NA1.0853カイ2乗NA0.15946R
y = m2*exp(-x/m3)エラー値
0.0175810.71563m2 97.514734.42m3
NA1.0983カイ2乗NA0.55412R
x=0,z=9
x=27,z=12
cERL実装試験
マルチアルカリカソードをKEK-cERL(ERL実証器)で実証試験。
真空輸送容器を利用し、シールド外の蒸着装置で生成したカソードを加速器に実装。
真空輸送容器:KEK担当により製作。
広島大学は蒸着容器の製作を担当。
真空輸送容器対応蒸着装置
cERL用蒸着漕
カソードパックとホルダー
蒸着源
膜厚計
heater
イオン ポンプ
Gate valve (輸送容器へ)
蒸着源
カソードホルダー
ヒーター
膜厚計
cERL実装用蒸着装置の現状
• ベーキングを行っても真空の下がりが遅い • バイトンリングがバルブ直下に装着されていることが判明。 • 取り外したところ、大きく改善。 • 現在立ち上げ作業中。
今後の予定(cERL実装試験)
2015年一月より蒸着試験開始
真空度10-9Pa台で蒸着試験
高量子効率、
均一性、
寿命試験、
再現性、
真空度依存性、
基板依存性のデータ取得
SUS, Si(100), Si(110), Si(111), Mo
KEKに移送、cERLでの試験運転(2015?)
表面分析
マルチアルカリカソードの生成条件の最適化のため、量子効率以外の指標が必要
XPS/UPS, LEEDによる表面評価
XPS/UPS:元素分析、結合状態分析
LEED:結晶性分析
UVSOR-BL2Bを利用
清宮、許斐
ビューポート
トランスファーロッド
イオンポンプ
蒸着源用Zステージ
蒸着装置
サンプルフォルダ
粗排気AV 基板の交換
レーザー光入射
蒸着装置内部
サンプルホルダー 膜厚計
Sb K
Cs
蒸着装置(測定室とゲートバルブを介して接続)内で蒸着。 サンプルホルダーを測定室にトランスファーロッドで移動 in-situに測定
トランスファーロッド BL2Bヘ
蒸着源
蒸着源
カソードパック
カソードフォルダ
膜厚計
表面分析用蒸着装置
Si(100)
UPS experiment at UVSOR UVSOR BL2B (25 – 250 eV UPS, XPS, LEED) に
て、UPS測定を実施。
CsK2Sb蒸着チャンバーを構築。
Sb, Cs, K, 蒸着源、基板温度制御(含む、加熱洗浄)
405nm, 530nm laser for QE measurement.
排気系:IP(50l) + NEG (200l).
ベース圧力:5.0e-8Pa.(セラミックシート除去、ロッドの焼き不足?)
UVSOR BL2B-CsKSb蒸着装置現状
• LEEDは準備中。 • XPS、UPS(UVSOR BL2B)は使用可能。 • 7/22 UPSデータ取得をめざし、初のビームタイム。
• BL2Bの調整不足。SRのフラックスが不足。 • 蒸着装置の調整不足により、QE確認できず。またサンプル移送に失敗し、データとれず。
• 9/22、二回目のビームタイム。 • BL2Bの調整が進展。 • サンプル移送に問題がないことを確認。 • CsKSbのUPS測定に成功。
• 12/8、三回目のビームタイム。 • BL2Bの真空トラブルによりビームタイムは3月に先送り。
Experiment Procedure
CsK2Sb is formed as thin film on Au thin-film on Si baseplate.
Evaporation process.
10nm Sb.
K giving a peak QE.
Cs giving a peak QE.
For each evaporations, UPS spectra were taken.
Binding Energy (eV) Element K 1s L1 2s L2
2p1/2 L3
2p3/2 M1 3s
M2 3p1/2
M3 3p3/2
O (8) 543.1 41.6
Si (14) 1839 149.7 99.82 99.42
K (19) 3608.4 378.6 297.3 294.6 34.8 18.3 18.3
Element M1 3s
M2 3p1/2
M3 3p3/2
M4 3d3/2
M5 3d5/2
N1 4s N2 4p1/2
Sb (51) 946 812.7 766.4 537.5 528.2 153.2 95.6
Cs (55) 1211 1071 1003 740.5 726.6 232.3 172.4
Element
N3 4p3/2
N4 4d3/2
M5 4d5/2
O1 5s
O2 5p1/
2
O3 5p3/
2
Sb (51) 95.6 33.3 32.1
Cs (55) 161.3
79.8 77.5 22.7 14.2 12.1
BL2B : 6-55 nm; 24-205 eV 解像度 ΔE/E : 2000~8000 (回折格子依存) MgKα: 1253.60 eV + AlKα: 1486.70 eV
ビームタイム風景 Au evaporation on Si Set in sample holder (puck)
Puck is set for UPS measurement.
Puck is loaded.
Two prominent young researchers.
光電子分光解析
電子のMFPのユニバーサルカーブを用いた深さ方向の元素分布解析。
劣化プロセスの観察
0
5E+3
1E+4
1.5E+4
2E+4
2.5E+4
3E+4
15202530354045
Au+Sb(10)+K(47)+Cs(64)
Au
+S
b(1
0)+
K(4
7)+
Cs(
64
)
Binding energy [eV]
Sb 4d 3/2
Sb 4d 5/2
Cs 5sK 3p
蒸着源
カソードフォルダ
膜厚計
2014年9月
Sb : K : Cs = 3.8 : 1 : 1.75
カソードフォルダ
スケジュール
2014 2015 2016 2017
1.蒸着条件
2. 寿命試験
3. 基板依存性
4. 加速器試験
5. 表面分析
6.透過型試験
Summary
広島大でCsKSbカソードの蒸着技術確立。より精度の高い寿命の測定。
連続照射、QEマッピング、波長切り替えのできるシステムが稼働。
概ね以前の結果を再現。
cERLでの実装準備をすすめている。2015年度試験になんとか間に合わせたい。
UVSORでのUPSデータを取得。次回ビームタイムは2015年3月。
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