超低エミッタンス電子源の開発

• 研究課題/領域番号: 15204019
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 中西 彊 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (40022735)
• 研究分担者: 山本 将博 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 助手 (00377962) ; 小早川 久 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 名誉教授 (50022611) ; 堀中 博道 大阪府立大学, 工学研究科, 教授 (60137239) ; 栗木 雅夫 広島大学, 大学院・先端物質科学研究科, 助手 (80321537) ; 竹田 美和 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20111932) ; 宇治原 徹 名古屋大学, 大学院工学研究科, 助教授 (60312641) ; 高嶋 圭史 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40303664)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 51,090千円 (直接経費: 39,300千円、間接経費: 11,790千円); 2005年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円); 2004年度: 13,520千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 3,120千円); 2003年度: 27,820千円 (直接経費: 21,400千円、間接経費: 6,420千円)
• キーワード: エミッタンス / 電子源 / リニアコライダー / ERL加速器 / スピン偏極電子 / 負の電子親和性表面 / 電界放出暗電流 / 極高真空技術 / ビームエミッタンス / 低エミッタンス電子源 / 偏極電子源 / NEA-GaAsフォトカソード / tip状-GaAsフォトカソード / 電子・陽電子リニアコライダー / ERL(Energy Recovery Linac) / 低エミッタンス / 負の電子親和性(NEA)表面 / 200keV直流型電子銃 / 超高真空環境 / 電極間暗電流 / Pepper-Pot法 / 正の電子親和性(PEA) / 電界放出型偏極電子源 / GaAs / ピコ秒レーザー / 超高真空 / フォトカソード

研究概要

この電子源開発を開始した背景は、計画中の2つの大型加速器計画であるリニアコライダーとERL(Energy Recovery Linac)の実現には超低エミッタンスビームを生成できる電子源の開発が必要不可欠である。具体的にはリニアコライダー用電子銃には10πmm・mrad以下の低エミッタンスを10Aのピーク電流で実現すること、またERL用電子銃にはこれより1桁以上低い0.5πmm・mrad以下の超低エミッタンスを10mA以上の平均電流で実現することが要求される。
我々は、半導体の伝導帯への光励起機構とこの伝導電子を真空中へ取り出すNEA面放出機構を組み合わせたNEA-GaAsフォトカソードを装着した200keV直流電子銃を製作することによりこの課題に挑戦した。その結果としてつぎのような成果を得た。
(1)200kV印加により、偏極電子源としては世界最高のフォトカソード電界3.0MV/mを達成した。
(2)真空度2×10^<-9>Paの超高真空環境を実現し、300時間以上のNEA表面暗寿命を実現した。
(3)チタン陰極-モリブデン陽極ペア電極の採用により、安定的に200kVが印加可能となり、低暗電流(<1nA)かつ長期的(>500時間)運転ができた。また、電極間放電による暗電流特性劣化がほとんど無く、放電後の復旧が容易であることも確認した。
(5)半導体GaAs-GaAsP歪み超格子薄膜フォトカソードにより、92%偏極度、0.5%量子効率を達成し、これを用いて、8nC/バンチ(1.6ns幅)の大電流密度・偏極電子ビーム生成に成功した。
(7)200keVエネルギーで50μA一定電流を120時間以上安定に引き出すことに成功した。これらより、我々の電子銃はリニアコライダーでの実用化条件を完全に満足できた。
さらに、ERL用電子銃の開発に関しても、つぎのような成果を得た。
(1)NEA-GaAsフォトカソードの、1mmφ領域からより生成した微弱電子ビームのエミッタンスをPepper-Pot法により測定し最小エミッタンスは0.15πmm・mradとなることを確認した。
(2)電子ビーム強度を増やしたときの初期エミッタンスの増大傾向はGaAs-GaAsP超格子フォトカソードの場合がバルク-GaAsフォトカソードよりも低く抑えられることを確認。(超格子構造の伝導帯ミニバンドの狭エネルギー帯化による効果)これらの成果により、ERLの求める初期エミッタンス0.1πmm・mradをNEA-GaAsフォトカソードにより実現できることを確認できた。ただし、このエミッタンス測定は30nA/mm^2という弱い電流で得られたものであり、今後の研究方向としては、電流をERLの実用値である10mA以上に増やした状況における、エミッタンス増加、正イオン逆流によるNEA表面の劣化という2つの難題を克服する新技術開発を続けてゆく必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Highly spin polarized Photocathode based on GaAs-GaAsP superlattice grown on mosaic-structured buffer layer(査読有) (2008)
  • 著者名/発表者名: X. G. Jin, Y. Maeda, T. Saka, M. Tanioku, S. Fuchi, T. Ujihara, Y. Takeda, N. Yamamoto, Y. Nakagawa, A. Mano, S. Okumi, M. Yamamoto, T. Nakanishi, H. Horinaka, T. Kato, T. Yasue, T. Koshikawa
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 310 ページ: 5039-5043
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] “Polarized positrons and electrons at the linear collider"(査読有) (2008)
  • 著者名/発表者名: G. Moortgat-Pick, T. Nakanishi(アルファベット順の46番目), 他72名
  • 雑誌名: Physics Reports 460 ページ: 131-243
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] “Super-high brightness and high spin-polarization photocathode"(査読有) (2008)
  • 著者名/発表者名: X. Jin, N. Yamamoto, Y. Nakagawa, A. Mano, T. Kato, M. Tanioku, T. Ujihara, Y. Takeda, S. Okumi, M. Yamamoto, T. Nakanishi, T. Saka, H. Horinaka, T. Kato, T. Yasue, T. Koshikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Express 1・4 ページ: 45002-45002
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] “High brightness and high polarization electron source using transmission photocathode with GaAs-GaAsP super-lattice layer"(査読有) (2008)
  • 著者名/発表者名: N. Yamamoto, T. Nakanishi, A. Mano, H. Nakagawa, S. Okumi, M. Yamamoto, T. Konomi, X., Jin, T. Ujihara, Y. Takeda, T. Ohshima, T. Saka, T. Kato, H. Horinaka, T. Yasue, T. Koshikawa, M. Kuwahara
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 103 ページ: 64905-64905
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] “高スピン偏極度/高輝度・スピン偏極電子源"特集「高性能電子源が拓く分析装置・計測技術」(査読有) (2008)
  • 著者名/発表者名: 中西彊
  • 雑誌名: 表面科学 11 ページ: 672-672
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Highly spin polarized Photocathode based on GaAs-GaAsP superlattice grown on mosaic-structured buffer layer (2008)
  • 著者名/発表者名: X. G. Jin, Y. Maeda, T. Saka, M. Tanioku, S. Fuchi, T. Ujihara, Y. Takeda, N. Yamamoto, Y. Nakagawa, A. Mano, S. Okumi, M. Yamamoto, T. Nakanishi, H. Horinaka, T. Kato, T. Yasue, T. Koshikawa
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 310 ページ: 5039-5043
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Polarized positrons and electrons at the Linear collider (2008)
  • 著者名/発表者名: G. Moortgat-Pick, T. Nakanishi, et al.
  • 雑誌名: Physics Reports Volume 460, Issues 4-5 ページ: 131-243
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Super-high brightness and high spin-polarization photocathode (2008)
  • 著者名/発表者名: X. Jin, N. Yamamoto, Y. Nakagawa, A. Mano, T. Kato, M. Tanioku, T. Ujihara, Y. Takeda, S. Okumi, M. Yamamoto, T. Nakanishi, T. Saka, H. Horinaka, T. Kato, T. Yasue, T. Koshikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Express Vol. 1, No. 4
  • NAID: 10025080044
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] High brightness and high polarization electron source using transmission photocathode with GaAs-GaAsP super- lattice layer (2008)
  • 著者名/発表者名: N. Yamamoto, T. Nakanishi, A. Mano, H. Nakagawa, S. Okumi, M. Yamamoto, T. Konomi, X., Jin, T. Ujihara, Y. Takeda, T. Ohshima, T. Saka, T. Kato, H. Horinaka, T. Yasue, T. Koshikawa, M. Kuwahara
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics vol. 103, No. 6 ページ: 64905-64905
  • NAID: 120001442826
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] “Thermal emittance measurements for electron beams produced from bulk and superlattice NEA photocathodes"(査読有) (2007)
  • 著者名/発表者名: N. Yamamoto, M. Yamamoto, M. Kuwahara, R. Ryosuke, T. Morino, K. Tamagaki, A. Mano, A. Utsu, S. Okumi, T Nakanishi, M. Kuriki, C. Bo, T. Ujihara, Y. Takeda
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 102 ページ: 24904-24904
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thermal emittance measurements for electron beams produced from bulk and superlattice NEA photocathodes (2007)
  • 著者名/発表者名: N. Yamamoto, M. Yamamoto, M. Kuwahara, R. Ryosuke, T. Morino, K. Tamagaki, A. Mano, A. Utsu, S. Okumi, T. Nakanishi, M. Kuriki, C. Bo, T. Ujihara, Y. Takeda.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics vol. 102 ページ: 24904-24904
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] “Field Emission of Spin-Polarized Electrons Extracted from Photoexcited GaAs Tip"(査読有) (2006)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwahara, T. Nakanishi, S. Okumi, M. Yamantoto, M. Miyamoto, N. Yamamoto, K. Yasui, T. Morino, R. Sakai, K. Tamagaki, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 45 ページ: 6245-6249
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Field Emission of Spin-Polarized Electrons Extracted from Photoexcited GaAs Tip (2006)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwahara, T. Nakanishi, S. Okumi, M. Yamamoto, M. Miyamoto, N. Yamamoto, K. Yasui, T. Morino, R. Sakai, K. Tamagaki, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 45 ページ: 6245-6249
  • NAID: 40007382115
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Superlattice NEA photocathode and gun technology developed for high polarization and low emittance electron beam (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Nakanishi
  • 雑誌名: Proceedings of NANOBEAM2005(36^<th> ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop) (CDとして作成)
• [雑誌論文] High field gradient polarized electron gun for ILC (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Yamamoto 他12名
  • 雑誌名: Proceedings of Polarized Sources and Targets(PST2005) (印刷中)
• [雑誌論文] Generation of polarized electrons by field emission (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Kuwahara 他 名
  • 雑誌名: Proceedings of Polarized Sources and Targets(PST2005) (印刷中)
• [雑誌論文] “Reduction of Field Emission Dark Current for High Field Gradient Gun by Using a Molybdenum Cathode and Titanium Anode"(査読有) (2005)
  • 著者名/発表者名: F. Furuta, T. Nakanishi, S. Okumi, T. Gotou, M. Yamamoto, M. Miyamoto, M. Kuwahara, N. Yamamoto, K. Naniwa, K. Yasui, H. Matsumoto, M. Yoshioka, K. Togawa
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methodes for Physics Research A538 ページ: 33-44
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] “Highly Polarized Electrons from GaAs-GaAsP and InGaAs-AlGaAs Strained Layer Superlattice Photocathodes"(査読有) (2005)
  • 著者名/発表者名: T. Nishitani, T. Nakanishi, M. Yamamoto, S. Okumi, F. Furuta, M. Miyamoto, M. Kuwahara, N. Yamamoto, K. Naniwa, O. Watanabe, Y. Takeda, H. Kobayakawa, Y. Takashima, H. Horinaka, T. Matsuyama, K. Togawa, T. Saka, M. Tawada, T. Omori, Y. Kurihara, M. Yoshioka, K. Kato, T. Baba
  • 雑誌名: Journal of Applied Phys ics 97 ページ: 94907-94907
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] “スピン偏極電子ビーム源の開発物語-リニアコライダーでの実用化を目指して"(査読有) (2005)
  • 著者名/発表者名: 中西彊
  • 雑誌名: 加速器 2・2 ページ: 211-211
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reduction of Field Emission Dark Current for High Field Gradient Gun by Using a Molybdenum Cathode and Titanium Anode (2005)
  • 著者名/発表者名: F. Furuta, T. Nakanishi, S. Okumi, T. Gotou, M. Yamamoto, M. Miyamoto, M. Kuwahara, N. Yamamoto, K. Naniwa, K. Yasui, H. Matsumoto, M. Yoshioka, K. Togawa
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methodes for Physics Research A538 ページ: 33-44
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Highly Polarized Electrons from GaAs-GaAsF and InGaAs-AlGaAs Strained Layer Super lattice Photocathodes (2005)
  • 著者名/発表者名: T. Nishitani, T. Nakanishi, M. Yamamoto, S. Okumi, F. Furuta, M. Miyamoto, M. Kuwahara, N. Yamamoto, K. Naniwa, 0. Watanabe, Y. Takeda, H. Kobayakawa, Y. Takashima, H. Horinaka, T. Matsuyama, K. Togawa, T. Saka, M. Tawada, T. Omori, Y. Kurihara, M. Yoshioka, K. Kato, T. Baba
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97 ページ: 94907-94907
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] ILC計画に向けた200keVスピン偏極電子源の開発 (2005)
  • 著者名/発表者名: 安井健一 他13名
  • 雑誌名: 第30回リニアック技術研究会報告集 ページ: 355-357
• [雑誌論文] 高輝度スピン偏極電子源の開発 (2005)
  • 著者名/発表者名: 桑原真人 他11名
  • 雑誌名: 第30回リニアック技術研究会報告集 ページ: 105-107
• [雑誌論文] スピン偏極電子ビーム源の開発物語-リニアコライダーでの実用化を目指して- (2005)
  • 著者名/発表者名: 中西彊
  • 雑誌名: 加速器 Vol.2 ページ: 211-217
  • NAID: 40006877219
• [雑誌論文] Reduction of Field Emission Current Dark Current for High Field Gradient Gun by Using a Molybdenum Cathode and Titanium Anode (2005)
  • 著者名/発表者名: F.Furuta, T.Nakanishi, 他11名
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methodes for Physics Research A538 ページ: 33-44
• [雑誌論文] “High Spin Polarization of Conduction Band Electrons in GaAs-GaAsP Strained Layer Superlattice Fabricated as a Spin-Polarized Electron Source"(査読有) (2004)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuyama, H. Takikita, H. Horinaka, K. Wada, T, Nakanishi, S. Okumi, T. Nishitani, T. Saka, T. Kato
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 43 ページ: 3371-3375
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] High Spin Polarization of Conduction Bane Electrons in GaAs-GaAsP Strained Layer Superlattice Fabricated as a Spin-Polarized Electron Source (2004)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuyama, H. Takikita, H. Horinaka, K. Wada, T. Nakanishi, S. Okumi, T. Nishitani, T. Saka, T. Kato.
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 43 ページ: 3371-3375
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Surface photovoltage effect and its time dependence in GaAs-GaAsP superlattice studied with combination of synchrotron radiation and laser (2004)
  • 著者名/発表者名: S. Tanaka, T. Nishitani, T. Nakanishi, S. D. More, J. Azuma, K. Takahashi, 0. Watanabe, M. Kamada
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics Vol. 95, No. 2 ページ: 551-556
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] An electrode with Molybdenum-Cathode and Titanium-anode to minimize field emission dark currents (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Nakanishi^a, F.Furuta^a, 他10名
  • 雑誌名: Proceedings of XXII International Linear Accelerator Conference LINAC2004
• [雑誌論文] Highly Polarized Electrons from GAAS-GAASP and INGAAS-ALGAAS Strained Layer Superlattice Photocathodes (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Nakanishi^a, T.Nishitani^a, 他10名
  • 雑誌名: Proceedings of XXII International Linear Accelerator Conference LINAC2004
• [雑誌論文] Ultra-High-Vacuum Problem for 200 keV Polarized Electron Gun with NEA-GAAS Photocathode (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Nakanishi^a, M.Yamamoto^a, 他11名
  • 雑誌名: Proceedings of XXII International Linear Accelerator Conference LINAC2004
• [雑誌論文] Highly Polarized Electrons from GaAs-GaAsP and InGaAs-AlGaAs Strained Layer Superlattice Photocathodes
  • 著者名/発表者名: T.Nishitani, T.Nakanishi^<a)>, 他21名
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (accepted)
• [雑誌論文] Present Status of the 200keV Polarized Electron Source at Nagoya
  • 著者名/発表者名: M.Yamamoto, N.Yamamoto, T.Nakanishi, 他10名
  • 雑誌名: Polarized Electron Sources and Polarimeters (PES2004) (to be published)
• [産業財産権] スピン偏極電子源 (2008)
  • 発明者名: 宇治原徹, 金秀光, 竹田美和, 中西彊, 山本尚人, 坂貴, 加藤俊宏
  • 権利者名: 名古屋大学, 大同工業大学, 大同特殊鋼
  • 産業財産権番号: 2008-079292
  • 出願年月日: 2008-03-25
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] スピン偏極電子発生装置 (2006)
  • 発明者名: 中西 彊
  • 権利者名: 名古屋大学
  • 産業財産権番号: 2006-084303
  • 出願年月日: 2006-03-24
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] スピン偏極電子発生装置 (2006)
  • 発明者名: 宇治原徹, 竹田美和, 中西彊, 山本将博, 陳博
  • 権利者名: 名古屋大学
  • 産業財産権番号: 2006-060673
  • 出願年月日: 2006-03-07
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Tanata 他7名: "Surface photovoltage effect and its time dependence in GaAs-GaAsP superlattice studied with combination of Synchrotron radiation and laser"Journal of Applied Physics. 95. 551-556 (2004)
• [文献書誌] M.Yamamoto 他14名: "A 200KeV Gun with NEA-GaAs photocathode to produce Low Emittance Beam"FEL-2003 Proceedings. (印刷中).
• [文献書誌] N.Yamamoto 他14名: "Emittance measurement for 200KeV-electron beam extracted from NEA-GaAs photocathod using a pepper-pot method"FEL-2003 Proceedings. (印刷中).
• [文献書誌] 山本将博 他16名: "200KeVスピン偏極電子源の開発状況"Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan. 1. 99-101 (2004)
• [文献書誌] 西谷智博 他18名: "高い偏極度、高い量子効率を併せ持つGaAs-GaAsP超格子フォトカソードの開発"Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan. 1. 102-104 (2004)
• [文献書誌] 吉田史生 他12名: "チタン及びモリブデン表面からの電界放出暗電流の測定"Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan. 1. 111-103 (2004)