500kV 電子銃用セラミック管の設計

500kV 電子銃用セラミック管の設計

KEK 武藤　俊哉•設計指針•セラミックの設計

POISSON による電界計算GPT による粒子トラッキング

•まとめ

セラミック管に対する設計指針

目的： ERL 用 500kV 電子銃用のセラミック管の設計を行う。

設計条件•印加電圧　 500kV•分割方式のセラミック管を採用•カソードロッドからセラミックが直接見えないようにするガードリングを取り付ける（電界放出による電子がセラミックに衝突しないようにするため）•放電の原因となるトリプルジャンクションでの電界を小さくする。

真空放電の許容電界強度 Evac=10MV/m

セラミックの許容電界強度 Ec=2MV/m　　　分割電極間の電界強度の指針とする。

セラミック管について

ガードリングを含んだセラミック管の内径 Rカソードロッドの半径 rカソードロッド表面の電場 Ers

rEsE r)(

グランドーカソードロッド間の電場（同軸形状）

印加電圧

r

R

r r

rEr

RrEdssEV

ln)(reR

Er →min

V=500kV, Er=10MV/m r=50mm → 　　 R =136mm

ガードリング形状

L: 全長、　　　 n: 分割数L1: 一段当たりの長さ、　 E1: 電極間の電界d 　 : 電極間距離　、　 : 角度　、Rc : セラミック内径

1

1

11

1

1

Sin

sinsin

sintan

sinsin

LE

V

L

V

nL

nV

d

VE

n

LRLRR

n

LLd

c

電極間の電界は分割数によらない

全長（と分割数）を決めると一意に形状が決まってしまう

光学的にセラミックを覆うガードリングを考える

実際のガードリングの形状取り付け部形状名大 200kV 電子銃用ガードリング日立原町提供分割セラミックガードリングを参考にした（ほぼコピー）

取り付け部の長さ 16mm

全長　 659mm分割数　 10 段

→ セラミック内径　 182mm角度　 22 度

　　やや浅い 30 度程度が適当では？　　

電界計算 VERSION 0 （ POISSON ）(MV/m)

セラミック表面の電界

電極付近での電界

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 104

54.6 54.8 55 55.2 55.4

VER0L600alongCeramic

Ez(V/cm)

Ez(V/cm)

Z[cm]

トリプルジャンクション付近での電界　　　 0.5MV/m 以下になっている

セラミック管設計 2 （ Ver.1)

見積もり時の寸法　　　全長　 659mm　　　セラミック内径　165mm　　　　　　　　 分割数　 10 段　　　フランジ　ＩＣＦ 406

設計寸法全長 659mmセラミック内径　

182mm( 角度 22 度の

時）分割数　 10 段フランジ　ＩＣＦ 457

予算、他の装置の大型化等から考えるとあまり大きなセラミックにしたくない。したがってもともとの寸法でできないか？

今の設計ではカソード表面の電界強度がリミットしている。許容電界の条件を緩和できるか？　　　もともとの設計では真空放電の限界強度 20 ～ 30MV/m であるので　　　安全係数 3 程度を見ている　－＞ 15MV/m 程度は大丈夫？　　　 Cornell 大　ＥＲＬ用電子銃 設計電圧 750kV （ L~450mm ,Rc~160 ｍｍ）　　　　　　　　　－＞おそらく許容電界強度を 15~20MV/m に設定している。　　　　　　　　　　　　　　　　（ただ実際には 500kV かかっていない）

見積もりの寸法で角度 30 度とした時のセラミック管を計算してみる

J-Lab 500kVgun L~610mm(24in) Rc~150mm(6in)

電界計算 Ver. 1 (POISSON)

最大電界12.4MV/m

GPT による粒子トラッキングカソードロッド

ガードリング表

ガードリング裏

運動量 0 の電子を生成

直接発生することはないと思うがガードリング裏から発生した電子はセラミックに衝突する。

GPT による粒子トラッキング 2GPT は電子の散乱を考慮することはできる。（ただし、銅に対する散乱のみ　＋　二次電子放出は考慮できない）

反跳を考えると電界が高い部分から出てきた電子がセラミックに当たる。

ガードリングの向きは電界を小さくするためにはポテンシャル面に沿う方向にした方が良いがセラミックに電子が衝突することを防ぐというガードリングの役割からすれば任意にとれる。　→　ガードリングの向きを変えて同様の計算をしてみる。

電界計算 Ver.1R

最大電界15.24MV/m

対策が必要

GPT (VER.1R)

ガードリングの裏から出た電子はセラミックに到達しない

→ 　セラミックから出た電子も？

カソードロッド

ガードリング表

ガードリング裏

ガードリングをすり抜けてセラミックに到達する。ただしガードリングのマイナーチェンジで対応可能だろう

GPT2 (VER.1R)

Ver.1 と同様に反跳粒子がセラミックに衝突するがカソードロッドの電界が弱い場所から出た電子による　→　こちらの方が有利か？

電界の軽減 VER.1.1R

ガードリング先端にＲ５の丸みをとった。

15MV/m→11MV/m

GPT VRR.1.1R

カソードから直接セラミックに衝突する電子も防ぐことができるようになった。

まとめ

500kV 電子銃のためのセラミックのガードリングの設計を行った。ガードリングによってカソードロッドからの電子がセラミックに衝突しないかをＧＰＴを使って確かめた。

今後詳細を詰めて製作に入りたいと考えている。