ナノ構造を用いた低エミッタンス電子線源の開発

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最近、多数の針状突起(Field Emission Array : FEA)から出る電界放出電子流を二次元画像表示装置などへ応用する研究が盛んにおこなわれている。本研究はこのFEAを加速器の電子銃に応用して、高性能電子加速器に適した低エミッタンス大電流パルス電子銃製造への見通しをたてることをめざしている。評価の観点は取り出し電流値、ビームエミッタンスだけでなく、数MeVの超小型電子加速器の実機への組み込みを想定し、操作、維持の容易さ、寿命に関する基礎的情報も得ることを目的とした。そのため、(1)シリコン基板上に生成したFEA(2)CVD生成ダイアモンド膜(3)カーボンナノチューブ(4)帯電防止用導電性ファイバーの4種類の材料を用いて冷陰極を構成し、それぞれの電圧-電流特性を測定した。その結果、いずれにおいても、電界効果によるトンネル電子電流が観測されたが、そのなかで、得られる電流とカソード電極作成の容易さ、性能の安定性のいずれの観点からも、カーボンナノチューブが最良であることがわかった。さらに、トムスク工大(ロシア)との共同研究により、1-4MeV程度の小型加速器の実機に近い環境でこのタイプの電子線源の実験をおこなったところ、カーボンナノチューブは電子銃として要求されるパルス電流特性を持ち得ることがわかった。今後、短パルス運転のための制御グリッド構造など、さらなる工夫を行うことにより、小型加速器の電子銃として実用化可能であると結論される。カーボンナノチューブを用いた場合、電子発生部は非常に小さくすることができるので低エミッタンス電子源となることが予想されるが、必要な電流を取り出すためには空間電荷に特性が影響されるような大電流試験を行う必要があり、さらに研究を行う必要がある。