超小型RF光電子銃

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作成： 2003/10/31 鷲尾方一データ番号　　　：010256 超小型RF光電子銃目的　　　　　　：新型の超小型高品質電子線源放射線の種別　　：エックス線,電子放射線源　　　　：電子加速器（数MeV、ピコ秒パルス）フルエンス（率）：ｐC－ｎC/Pulse 線量（率）　　　：規定しない利用施設名　　　：早稲田大学・鷲尾研究室等照射条件　　　　：規定しない応用分野　　　　：パルスラジオリシス、逆コンプトンX線発生、ビーム研究、産業応用概要　　　　　　：　超小型のRF光電子銃が実用化された。この装置は、５MeVのエネルギーを持つ電子を加速するため、UV光照射により電子を発生する光カソードと1.5セルの空洞とからなる。従来の電子線装置に比べて、ビームの質（エミッタンスという量で評価される）が非常によく、ビーム研究等に広く応用が可能である。詳細説明　　　　：　RF光電子銃は、もともと、きわめて高い品質の電子ビームを発生するために開発された(参考文献１)。この装置の特徴は、空洞を用いて取り出された電子を極めて短い時間のうちに高いエネルギーまで加速することができる点にあり、特にレーザーフォトカソードを用いたタイプでは、電子ビームの品質を表すエミッタンスを極めて小さくすることができる（エミッタンスについては、参考文献２）。(図１）図1　エミッタンスの概念。平行で、サイズが小さいものが品質の良いビームとされる。（原論文2より引用）　この装置は加速空洞の長さが、全体で約10cmと手のひらに乗るサイズ（図２）である（にもかかわらず、最大加速エネルギーは５MeV程度となっている。）図2　RF光電子銃の概観写真（原論文2より引用）　電子の取り出しは、金属材料や半導体をフォトカソードとし、そこに紫外線レーザー光を照射することによって行っている。現在早稲田大学で行われている実験（図３）では、純銅がカソードとして用いられている（この場合、量子効率は0.001%以下となっている）。図3　RF光電子銃がセットされている様子（原論文3より引用）　また、紫外線レーザーとして、Nd：YLFの4倍高調波(262nm)が利用されている。カソード材料としては、銅の他にも、MgやCs－Teなどが実際に使用されているが、これらの場合は取り扱いが難しいとされている。しかし、高エネルギー加速器研究機構のATF施設では、すでに特別な真空チェンバーを製作して、Cs-Teカソードを用いたRF電子銃を供用しており、高い量子効率（数%）を達成している。　　性能的には、パルス当たり数ｎC、パルス長１０ｐｓ、エネルギー５MeV、エミッタンス１ｍｍ・ｍｒａｄが達成できるとされており、放射線化学研究のみならず、超高品質ビームを必要とされる素粒子物理実験にも重要な役割を果たすと期待されている。　　本装置の最も優れた特徴は、従来の加速器の概念から大きく異なり、極めてコンパクトなシステムで稼動することにあり、しかも、レーザーのパルス長を変えることで自由にパルス長を変化させることができるだけでなく、ビームのエミッタンスを通常の熱電子銃を用いたものの１／１００程度までに抑えることができるため、応用範囲が極めて広い。　　　現在はこの装置はもっぱら科学技術（放射線化学、加速器科学、素粒子物理などの分野）に利用されているに過ぎないが、高エネルギー加速器研究機構で実証されているように、非常に高い繰り返しで、電子ビームを発生することができるため、産業応用への展開も可能であると考えられるため、その潜在能力はきわめて広い。コメント　　　　：　　RF光電子銃はテーブルトップ電子加速器として、世界各国で稼動を始めている。加速空洞数が異なるものが何種類かあるが、1.6セル構造を持つタイプ（BNL　GunⅣタイプ）が比較的設計も簡単で、使いやすい。現在早稲田大学以外では、大阪大学、高エネルギー加速器研究機構、東京大学、京都大学等、で稼動中、また米国、ヨーロッパでも稼動中あるいは建設中である。）原論文１ Data source 1： J. Wangら Nuclear　Instrument　and　Method Physics Research, A356(1995)　p159 原論文２ Data source 2：フォトカソードRF電子銃による高品質電子ビームの生成鷲尾方一日本物理学会誌　Vol.55 　No.3、(2000)　P196）原論文３ Data source 3：逆コンプトン散乱Ｘ線源柏木茂、鷲尾方一日本写真学会誌、Vol.65 , 7 (2002) p463）キーワード：高周波加速、電子加速器、パルス、テーブルトップ、高品質ビーム,　光電子、RF Acceleration, Electron beam accelerator,Pulse generation Table top, High quality beam,Photo electron 分類コード：040102,040106,040206
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