[論文レビュー] Production And Studies Of Photocathodes For High Intensity Electron Beams

E. Chevallay, S. Hutchins+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2000

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、RFガンにおける高強度電子ビーム生成を目的として、セシウムテルルリド（Cs-Te）およびルビジウムテルルリド（Rb-Te）光陰極を対象とし、光学的パラメトリックオシレーター（OPO）を用いたスペクトル的量子効率（QE）測定により、量子効率（QE）および発光閾値を分析した。主な発見として、使用後のCs-Teでは光起電圧閾値が高エネルギー側にシフトするのに対し、Rb-Teは安定していることが判明した。また、CsBr被膜はQEを低下させるだけで寿命の向上には寄与せず、CLICドライブビーム応用に向けた材料特異的な老化機構の重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

For short, high-intensity electron bunches, alkali-tellurides have proved to be a reliable photo-cathode material. Measurements of lifetimes in an RF gun of the CLIC Test Facility II at field strengths greater than 100 MV/m are presented. Before and after using them in this gun, the spectral response of the Cs-Te and Rb-Te cathodes were determined with the help of an optical parametric oscillator. The behaviour of both materials can be described by Spicer's 3-step model. Whereas during the use the threshold for photo-emission in Cs-Te was shifted to higher photon energies, that of Rb-Te did not change. Our latest investigations on the stoichiometric ratio of the components are shown. The preparation of the photo-cathodes was monitored with 320 nm wavelength light, with the aim of improving the measurement sensitivity. The latest results on the protection of Cs-Te cathode surfaces with CsBr against pollution are summarized. New investigations on high mean current production are presented.

研究の動機と目的

• 高電場RFガン条件下におけるアルカリテルルリド光陰極の老化機構を理解すること。
• レーザー照射および電界の影響が光陰極の性能および寿命に与える影響を評価すること。
• CsBr被膜がCs-Te陰極の汚染に対する保護効果を有するかを評価すること。
• 最大の量子効率を得るためのCs-Teの化学 stoichiometric 比を最適化すること。
• CLICドライブビーム要件を満たす高電荷電子ビーム生成能力を実証すること。

提案手法

• 210 nm から 710 nm の連続可変波長を発生させるために、周波数倍算を併用した光学的パラメトリックオシレーター（OPO）を用い、スペクトル的QE測定を実施した。
• QEスペクトルのフィッティングにスプリンガーの3段階モデルを適用し、光起電圧閾値および材料パラメータを抽出した。
• 100 MV/m 以上の電界強度で動作させたCTF II RFガンにおける前後でのQEを測定し、劣化を評価した。
• 測定感度を向上させるために、リアルタイムで320 nm光を用いて陰極の準備をモニタリングした。
• Cs-Te陰極に2 nmのCsBr膜を蒸着し、保護被膜の有効性を検証した。
• CsおよびTeの化学 stoichiometric 比を制御するため、蒸着中に石英オシレーターを用いて膜厚をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cs-Te光陰極は、高電場RFガンで使用した後、光起電圧閾値がどのように変化するか？
• RQ2 Rb-Teは使用後、Cs-Teとは異なり閾値シフトを示さないが、その理由は何か？
• RQ3 CsBr被膜は、UHV条件下でのCs-Te光陰極の保存寿命を向上させることができるか？
• RQ4 Cs-Te光陰極の量子効率を最大化するための最適なCs/Te化学 stoichiometric 比は何か？
• RQ5 Cs-Te光陰極は、CLICドライブビーム応用に必要な高平均電流を維持できるか？

主な発見

• CTF II RFガンでの使用後、Cs-Teの高エネルギー光起電圧閾値は3.5 eVから4.1 eVに上昇しており、材料劣化を示している。
• Rb-Te光陰極は使用後、発光閾値のシフトを示さず、QEは全体的に低下するのみであり、運用条件下でのより高い安定性を示している。
• 100 nmの金膜上に形成されたCs-Te陰極では、低エネルギー発光ショルダーが消失しており、基板材料が表面電子構造に影響を与えていることが示唆された。
• 2 nmのCsBr被膜は、266 nmにおけるQEを4.3%から1.2%に低下させたが、保存寿命の向上には寄与しなかった。これは、保護効果が限定的であることを示している。
• 高QECs-Te膜におけるN_Te/N_Cs比は2.85であったが、これは理想的なCs2Teの0.5とは大きく異なるため、非化学 stoichiometric または混合相の形成が示唆された。
• 初期QEが5%および15%の陰極はCTF IIで同一の寿命を示したため、初期QEが運用寿命に影響しないことが示された。