[論文レビュー] Systematic benchmarking of planar nitrogen-incorporated ultrananocrystalline diamond field emission electron source: rf conditioning and beam spatio-temporal characteristics

Jiahang Shao, Mitchell Schneider+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 44被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、Lバンドの常伝導RFガンにおいて、平面状窒素ドープ超ナノ結晶ダイヤモンド（N）UNCD発光体を体系的にベンチマーク化した。RFアンナーミング後、42 MV/mまで安定した発光を達成した。15 nCのピーク電荷と2.5 µs間の平均電流6 mAを達成し、発光像の解析から1 cm²あたり100個以上の局所的発光源が確認された。これは、条件付け過程における発光機構の理解が深まった高電流・耐久性に優れた電子源としての（N）UNCDの実用可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Planar nitrogen-incorporated ultrananocrystalline diamond, (N)UNCD, has emerged as a unique field emission source attractive for accelerator applications because of its capability to generate high charge beam and handle moderate vacuum conditions. Most importantly, (N)UNCD sources are simple to produce: conventional high aspect ratio isolated emitters are not required to be formed on the surface, and the actual emitter surface roughness is on the order of only 100~nm. Careful reliability assessment of (N)UNCD is required before it may find routine application in accelerator systems. In the present study using an L-band normal conducting single-cell rf gun, a (N)UNCD cathode has been conditioned to $\sim$42~MV/m in a well-controlled manner. It reached a maximum output charge of 15~nC corresponding to an average current of 6~mA during an emission period of 2.5~$\mu$s. Imaging of emission current revealed a large number of isolated emitters (density over 100/cm$^{2}$) distributed on the cathode, which is consistent with previous tests in dc environments. The performance metrics, the emission imaging, and the systematic study of emission properties during rf conditioning in a wide gradient range assert (N)UNCD as an enabling electron source for rf injector designs serving industrial and scientific applications. These studies also improve the fundamental knowledge of the practical conditioning procedure via better understanding of emission mechanisms.

研究の動機と目的

• 平面状（N）UNCDをRF加速器環境下で長期間にわたり使用した場合の性能および信頼性を評価すること。
• 広範囲の勾配（8–42 MV/m）において、RFアンナーミング過程での発光特性を体系的に特徴づけること。
• パルス状RF動作下における（N）UNCDの発光メカニズムおよび場の増幅特性を理解すること。
• （N）UNCD表面における活性発光サイトの空間的分布および密度を可視化・定量すること。

提案手法

• 900 °Cで制御された窒素ドーピングを施したマイクロ波プラズマ化学気相成長法（MPCVD）を用いて、平面状（N）UNCDカソードを製作した。
• スプリング接触を備えたアルミ・ステンレス鋼製の三部構造プラグにカソードを組み込み、RFガン内での信頼性の高い電気的接続を実現した。
• Lバンド1セル常伝導RFガン内でRFアンナーミングを実施し、電界強度を約8 MV/mから約42 MV/mまで段階的に増加させた。
• 各アンナーミング段階において、電荷、電流、発光電流密度、時間的安定性といったビームパラメータを測定した。
• 高解像度の画像測定を用いて発光サイトの空間的分布をマッピングし、1 cm²あたり100個以上の密度を持つ孤立発光源を同定した。
• Fowler-Nordheimに類似た解析を用いて場の増幅係数および有効発光面積を分析し、（N）UNCDが有する特異な状態密度構造と相関をとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFアンナーミングを体系的に行った後、平面状（N）UNCDカソードがRFガンで達成可能な最大持続電界勾配はどの程度か？
• RQ2 8–42 MV/mの範囲でRFアンナーミングに伴い、発光電流、電流密度、場の増幅係数はどのように変化するか？
• RQ3 RF動作下における（N）UNCD表面における活性発光サイトの空間的分布および密度はどのようになっているか？
• RQ4 発光行動は、特にグラフィティックなsp2界面密度および窒素含有量を特徴とする材料の固有の電子構造とどのように相関するか？
• RQ5 発光の安定性および性能は、アンナーミング履歴および電界の上昇速度にどの程度依存するか？

主な発見

• （N）UNCDカソードは、RFガン内で最大42 MV/mの電界勾配まで体系的アンナーミングに成功し、パルス動作下でも高い安定性を示した。
• 15 nCのピーク電荷と2.5 µs間の平均電流6 mAを達成し、高電流能力を示した。
• 発光画像解析により、1 cm²あたり100個以上の局所的発光源が確認され、平面表面全体にわたり高い活性発光サイト密度があることが確認された。
• 場の増幅係数および有効発光面積は、アンナーミングに伴い体系的に変化し、表面再構築および発光サイトの活性化と整合的であった。
• 観察された発光行動は、（N）UNCDが有する特異な状態密度構造と整合的であり、特に高効率発光を可能にするグラフィティックなsp2界面の役割が顕著に現れた。
• 本結果により、平面状（N）UNCDがRFインジェクタ用途において実用的かつスケーラブルかつ耐久性に優れた電子源であることが確認された。