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。