マルチアルカリ高量子効率・長寿命カソード開発 - …nkocbeam.kek.jp/schedule/img/20141224_HiroshimaMK.pdf2014/12/24 · マルチアルカリ陰極(CsK 2 Sb)

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


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


0.0125619.1512m2 226.414930m3

NA0.64565カイ２乗NA0.88692R


0.010268.866m2 182.954825.7m3

NA0.43055カイ２乗NA0.91874R

QE @ 405nm (Near CI, discrete)


0.0127699.4354m2 151.334053.1m3

NA0.66358カイ２乗NA0.92089R

x=15,z=9


0.0125619.1512m2 226.414930m3

NA0.64565カイ２乗NA0.88692R

x=18,z=9


0.010268.866m2 182.954825.7m3

NA0.43055カイ２乗NA0.91874R

x=21,z=9


x=15,z=12

x=21,z=12


0.0111958.3981m2 532.187688.1m3

NA0.51764カイ２乗NA0.78665R


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


QE(x=15)

QE(x=21)

QE(%

)

Elapsed Time(h)

y = m2*exp(-x/m3)

ƒGƒ‰•[’l

0.0098889.034m2

126.674124m3


NA0.94445R

y = m2*exp(-x/m3)

ƒGƒ‰•[’l

0.0111958.3981m2

532.187688.1m3


NA0.78665R



0.00898439.2058m2 112.584117.2m3

NA0.32865カイ２乗NA0.95521R

x=18,z=9


0.0111638.8551m2 136.353985.9m3

NA0.50683カイ２乗NA0.93233R

x=15,z=9


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


QE(x=15)

QE(x=18)

QE(x=21)

QE(

x=15

)

Elapsed Time(h)


0.0111638.8551m2 136.353985.9m3

NA0.50683カイ２乗NA0.93233R


0.00898439.2058m2 112.584117.2m3

NA0.32865カイ２乗NA0.95521R


0.00970118.0282m2 237.245381.5m3

NA0.38596カイ２乗NA0.89455R

QE @ 405nm (Far from CI, discrete)


0.00641234.6277m2 115.923501.3m3

NA0.16652カイ２乗NA0.93656R


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


QE(x=27)

QE(x=0)

QE(%

)

Elapsed Time(h)


0.00641234.6277m2 115.923501.3m3

NA0.16652カイ２乗NA0.93656R


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


NA0.79605R


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)


0.0175481.9137m2 110.421306.7m3

NA1.1753カイ２乗NA0.72148R


0.018132.2673m2 76.4931160.8m3

NA1.2399カイ２乗NA0.80098R


0.0178051.7871m2 221.111786.6m3

NA1.2409カイ２乗NA0.58076R


0.0175481.9137m2 110.421306.7m3

NA1.1753カイ２乗NA0.72148R


0.018132.2673m2 76.4931160.8m3

NA1.2399カイ２乗NA0.80098R


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



0.0175641.9187m2 112.241319m3

NA1.1784カイ２乗NA0.7192R


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)


0.0175641.9187m2 112.241319m3

NA1.1784カイ２乗NA0.7192R


0.0182252.0939m2 205.971846.1m3

NA1.303カイ２乗NA0.62065R


0.0182252.0939m2 205.971846.1m3

NA1.303カイ２乗NA0.62065R

x=15,z=12

x=21,z=12



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


0.0183592.2174m2 75.9651136m3

NA1.2686カイ２乗NA0.79644R


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


QE(x=15)

QE(x=18)

QE(x=21)

QE(%

)

Elapsed Time(h)


0.0127699.4354m2 151.334053.1m3

NA0.66358カイ２乗NA0.92089R


0.0125619.1512m2 226.414930m3

NA0.64565カイ２乗NA0.88692R


0.010268.866m2 182.954825.7m3

NA0.43055カイ２乗NA0.91874R

QE@532nm (far from CI, discrete)


0.0170060.24488m2 604.441105.5m3

NA1.0853カイ２乗NA0.15946R


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)


0.0170060.24488m2 604.441105.5m3

NA1.0853カイ２乗NA0.15946R


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


膜厚計

2014年9月

Sb : K : Cs = 3.8 : 1 : 1.75


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。

Documents

マルチアルカリ高量子効率・ 長寿命カソード開発 - …nkocbeam.kek.jp/schedule/img/20141224_HiroshimaMK.pdf2014/12/24 · マルチアルカリ陰極(CsK 2 Sb)

マルチアルカリ高量子効率・長寿命カソード開発 - …nkocbeam.kek.jp/schedule/img/20141224_HiroshimaMK.pdf2014/12/24 · マルチアルカリ陰極(CsK 2 Sb)