(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の偏向電磁石と複数の四極電磁石と追加速管と前記偏向電磁石の中間に設けた交代磁場とを電子ビームが直列に通過するように配設したビームクオリティ復元システムと、該ビームクオリティ復元システムから放出される電子ビームが入射するように配設したレーザ発生用アンジュレータとを備え、前記ビームクオリティ復元システムに入射する電子ビームが前記複数の偏向電磁石と複数の四極電磁石のうち前記交代磁場の上流に設けた偏向電磁石と四極電磁石を直列に通過する間に電子ビーム中の電子バンチ内にエネルギ分布に応じてエネルギの低い電子が先行するような時間的分布を生じさせ、前記交代磁場の磁場強度調整により電子ビームパスの微調整をし、前記追加速管で発生する前記電子バンチに同期したＲＦ電場の傾斜を利用して該電子バンチ内のエネルギ幅を縮小させて、前記アンジュレータでＦＥＬ光を発生させる自由電子レーザ放射ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の自由電子レーザ放射ユニットを少なくとも１基、リニアックに直結されたレーザ発生用アンジュレータの下流に直列に配設して、前記自由電子レーザ放射ユニットのレーザ発生用アンジュレータを加えた複数のレーザ発生用アンジュレータで同時に自由電子レーザを発生させるようにした自由電子レーザ装置。
【請求項３】
請求項２記載の自由電子レーザ装置であって、各段のレーザ発生用アンジュレータから放射される自由電子レーザを加え合わせる光学系を備えることを特徴とする自由電子レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアックから発生した電子ビームを用いる自由電子レーザ装置に関し、特に一旦アンジュレータを通過してシンクロトロン放射した後の電子ビームを再度利用して自由電子レーザを発生させることにより効率を高めた自由電子レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由電子レーザ（ＦＥＬ）は、コヒーレントで波長可変の高輝度な単色光であるため、医学、化学、バイオテクノロジー、あるいは群分離や核融合などの物理学分野における利用が期待されており、特にリニアックからの電子ビームを用いた自由電子レーザ装置はアメリカ、オランダ、フランス、日本等で既に利用研究が進められている。
【０００３】
例えば、２３５ＵＦ６と２３８ＵＦ６の同位体シフトによる振動エネルギの差を利用した同位体ウラン分離プロセスでは、過冷却気体状態の２３５ＵＦ６を１６μｍレーザ光により選択的に励起しさらに解離用のレーザ光を照射して解離し固体状の２３５ＵＦ６を捕集する。このレーザ光源としてはＣＯ２励起パラ水素ラマンレーザが有力視されているが、波長可変の高輝度レーザ光を得ることとができる自由電子レーザ（ＦＥＬ）を活用することも検討されている。ＦＥＬを利用すると、ガスレーザのようにレーザガスの供給・循環システムが不要であり、メンテナンスが容易で廃棄物が出ないという利点がある。
【０００４】
従来型のリニアックを用いた自由電子レーザ（ＦＥＬ）装置では、１台のリニアックからの電子ビームを１台のアンジュレータに通すことによりＦＥＬを発生させる。
図７は従来の自由電子レーザ装置を示すブロック図である。リニアックは、電子銃、サブハーモニックバンチャー、バンチャー、収束コイル等からなる初段加速部と主加速部で構成される。
【０００５】
電子ビームは、電子銃を備えた電子入射器により入射され、初段加速部において１０〜１５ｐｓの極短バンチにバンチ化され、エネルギを５〜１０ＭｅＶまで加速され、さらに主加速器でＦＥＬの波長領域に従って決定されるエネルギまで加速され、二極電磁石を含む偏向輸送系を介してアンジュレータに導かれシンクロトロン放射し、その後、下流に設けられた別の偏向輸送系によりビームダンプに導かれて吸収される。
シンクロトロン放射された準単色光は、２枚の鏡を向かい合わせた光共振器で何百回も往復する間に往路では必ず光パルスと後続の電子ビームパルスと同期するようにして自由電子レーザとし、一方の鏡から射出させて利用する。
【０００６】
外部から供給される１次電力は、ＲＦ電力発生器を介してクライストロンに供給され、ここでマイクロ波に変換される。マイクロ波は、導波管を含むマイクロ波立体回路を介して電子入射器や加速管に分配されて電子ビームを加速する。
ＦＥＬ装置では上記のように、１次電力をマイクロ波に変換し、このマイクロ波で電子ビームを加速し、さらに加速された電子ビームがアンジュレータで光のエネルギに変換される。このようにエネルギ変換を繰り返す毎にエネルギ変換効率は低下する。
特にビームエネルギからＦＥＬへの変換効率が１％以下である現状では、全体のエネルギ変換効率は０．１％程度と評価されている。この条件で連続１ｋＷのＦＥＬ出力を得るためには１次電力が平均１ＭＷ程度必要となる。
上記のＦＥＬ装置のエネルギ変換効率はＣＯ２励起パラ水素ラマンレーザの変換効率より１桁以上低く、実際にＦＥＬ装置を同位体ウラン分離プロセスに適用するためには、特に変換効率の一層の向上が要請されている。
【０００７】
ところで、ＦＥＬ装置ではアンジュレータで消費される電子エネルギは極く僅かであるから、これを補填して再度アンジュレータにおける放射を行わせることができれば、１台のリニアックからの電子ビームを繰り返し利用することにより全体のエネルギ変換効率はたちまち向上することになる。
ＦＥＬの出力をＰｔ、１リニアックマクロパルスの繰り返しをＲｐ、１マクロパルスからの出力をＰｕ、共振器の数をＵｎとすれば、これらの変数の間には下式（１）の関係が成立する。
Ｐｔ＝Ｐｕ×Ｒｐ×Ｕｎ                                    （１）
従って例えば、Ｐｕ＝２．５Ｗ／ＰＰＳ、Ｒｐ＝４０ＰＰＳ、Ｕｎ＝１０台とすれば、ＦＥＬ出力Ｐｔ＝１ｋＷとなる。このようにアンジュレータ１０台を用いたシステムで連続出力１ｋＷのＦＥＬを得るための１次電力は７７ｋＷと見積もられ、追加速のための電力は極めて小さいので変換効率も約１０倍になる。なお、１次電力からＲＦ出力までの効率が一般的な３６％であるときには正味のＲＦ出力は連続２８ｋＷあればよく、クライストロン２本で実現可能である。
【０００８】
ＦＥＬの波長はλＦは、電子ビームのエネルギとアンジュレータの磁場周期およびアンジュレータの磁場強度の関数として下の（２）式により表される。
λＦ＝λＷ（１＋Ｋ２／２）／２γ２                       （２）
ここでλＷは磁場周期長、Ｋは電子の蛇行を特徴付けるアンジュレータパラメータ、γは電子ビームのエネルギを表すローレンツファクタである。
（２）式は直線運動をしているエネルギの揃った電子ビームがアンジュレータで規則的な蛇行運動をするという仮定で導かれたものである。しかし、加速器で加速された電子ビームはある大きさの規格化エミッタンスεｎを持ってビーム半径ｒｂと発散角θの積を一定に保ち、ビーム輸送系に組み込まれたアンジュレータの軸に沿ってベータトロン振動をしながら通過するので、蛇行運動による電子の遅れの他にベータトロン振動による進行方向の速度幅εｎ２／（２ｒｂ２／γ２）のための遅れが加わる。
【０００９】
さらに、電子ビームのエネルギ幅の影響を加えると、進行方向の速度幅Δβｚは下の（３）式で表されるようにさらに大きくなり、ＦＥＬ発振波長に限界が生じる。
Δβｚ＝（（εｎ２／２ｒｂ２）２＋（Δγ／γ）２）１／２／γ２  （３）
ここでΔγは電子ビームのエネルギγの半値幅を表す。
最終的には、長さＬのアンジュレータを通過する間に電子の位相が光よりＦＥＬ波長λＦの１／２に相当する位相以下でなければならないため下式（４）の条件を満たす必要がある。
λＦ／２＞ΔβｚＬ                                        （４）
【００１０】
これらから、ＦＥＬ波長限界は下の（５）式で表される。
0003594406.tif 000002
ここで、Ｚはレーリ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）長で、ガウス分布した光ビームの最小スポット半径ｒ０とＦＥＬ波長λＦとから、ＺＲ＝πｒ０２／λＦで与えられる。また、ｆはフィリングファクタで、ｆ＝２ｒｂ２／ｒ０２で定義される。
従って、一定の波長λＦを有するＦＥＬを得るためには、電子ビームのエネルギ幅Δγは上記（５）式で与えられる一定の値以下でなければならない。
【００１１】
ところが、半値幅Δγ／γが０．１〜０．２％で（５）式を満たす質の良いエネルギ分布を有する電子ビームがアンジュレータでＦＥＬを発生すると、飽和パワー状態で例えば半値幅１〜２％まで質が劣化した電子ビームになり、次段のアンジュレータでは（５）式を満たさなくなり所定の波長λＦで発振することができない。
そして、通常のアンジュレータで発振して出力飽和した後の電子ビームのエネルギγの半値幅Δγは、アンジュレータの周期数Ｎを用いて下の（６）式により表される。
Δγ／γ〜１／２Ｎ                                        （６）
例えば周期数が３０であれば、発振後のエネルギ広がりは約２％となる。
【００１２】
このように、アンジュレータでＦＥＬを放出した後の電子ビームはエネルギが減少するばかりでなく、エネルギ分布が広くなって電子ビームの質が低下しＦＥＬ発生の条件を満たさず、アンジュレータにおける放射ができない。
従って、複数のアンジュレータを通過させて各アンジュレータで放射光を取り出すためには電子ビームの質を回復する手段が不可欠である。
【００１３】
この問題を解決しようとするものとして、自由電子レーザ研究所のと冨増多喜夫外により、特開平６−２９６３０号公報において、自由電子レーザ発生後のビームを再集群化（バンチング）し、再加速あるいは減速して、その下流で再び自由電子レーザを発生させる方法、およびアンジュレータの下流に蓄積リングを設置して電子ビームを再利用する方法が開示されている。
冨増のシステムは、磁気バンチャーによりミクロバンチを再び集群化し、さらに加速管を通過させて加減速させることにより第１段の自由電子レーザの波長と異なる波長の自由電子レーザを発生させるものである。偏向電磁石は、ビームのパスの偏向とエネルギーの分散の２つの作用を同時に行うため、エネルギーの違いに基づいてビームのパスの違いを生じさせることにより微調整することが困難である。また、加速管による追加速では前段の自由電子レーザ発振によってＦＥＬ波長に応じて生じた電子バンチ内のエネルギー分布を再び小さくすることはできない。また、電子蓄積リングを使用すると施設全体が大型になるため産業上の利用が容易でない。
【００１４】
なお、リニアック型ＦＥＬ装置に複数のアンジュレータを備えたものも従来存在していた。これら従来のＦＥＬ装置はアンジュレータと並列に加速管を配設して、上流のアンジュレータを迂回し併設した加速管を通して高エネルギ化した電子ビームを下流のアンジュレータに供給するか、上流のアンジュレータで長波長レーザを光放射してエネルギを放出した例えば８０ＭｅＶの低エネルギ電子ビームを加速管でさらに加速して高エネルギ化し、例えば１６０ＭｅＶとして下流のアンジュレータに供給し短波長レーザ光を放出させる。
すなわち上記従来のＦＥＬ装置は、電子ビームが各アンジュレータに到達するまでに通過する加速管の数あるいは長さを調整してアンジュレータに入射する電子ビームのエネルギを変えるように構成することにより、発振波長が異なる場合にも同じ１基のＦＥＬ装置で対処しようとするものである。このようなＦＥＬ装置では、複数備えた各アンジュレータで発生させる光の波長が互いに異なり、使用済みの電子ビームを再使用して同時に同じ波長の光を発生させることはできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、よりコンパクトな設備により、一旦アンジュレータでＦＥＬ発振に使用されてエネルギ幅が増大した電子ビームのエネルギ幅を縮小させて再度アンジュレータによりほぼ同じ波長の放射光を発生させることを可能とする放射光発生方法と、同時放射を可能とする自由電子レーザ装置を提供するところにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の自由電子レーザ放射方法は、前段のレーザ発生用アンジュレータを通過してきた電子ビームを静磁場中に通し、ラーマ半径の差により生ずる行路長差に基づいて電子ビーム中の電子バンチ内にエネルギ分布に応じたエネルギの低い電子が先行するような時間的分布を生じさせ、その電子ビームを電子バンチに同期したＲＦ電場中に通してＲＦ電界の傾斜により電子バンチのエネルギ幅を減少させた後、その電子ビームを交代磁場中に通して放射光を発生させることを特徴とする。
さらに、上記の自由電子レーザ放射方法を直列に複数回繰り返すことにより複数のレーザ光を発生させることができる。
なお、放射させた同じ波長の自由電子レーザを加え合わせて出射させるようにしてもよい。
【００１７】
また、上記課題を解決するため、本発明の自由電子レーザ放射ユニットは、複数の偏向電磁石と複数の四極電磁石と追加速管と前記偏向電磁石の中間に設けた交代磁場とを電子ビームが直列に通過するように配設したビームクオリティ復元システムと、ビームクオリティ復元システムから放出される電子ビームが入射するように配設したレーザ発生用アンジュレータとを備え、ビームクオリティ復元システムに入射する電子ビームが交代磁場上流の偏向電磁石と四極電磁石を直列に通過する間に電子ビーム中の電子バンチにエネルギ分布に応じた低エネルギの電子が先行するような時間的分布を生じさせ、さらに交代磁場の磁場調整によりエネルギ分布を反映した電子ビームパスの微調整を行い、交代磁場下流の偏向電磁石と四極電磁石を通過する間に電子ビームの径を再び収束させ、追加速管で発生するＲＦ電場により電子バンチ内のエネルギ幅を縮小させて、ＦＥＬ発振条件を満たすまで電子ビームの質を回復し、レーザ発生用アンジュレータで再びＦＥＬを発生させるように構成することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の自由電子レーザ装置は、リニアックに直結されたレーザ発生用アンジュレータの下流に上記の自由電子レーザ放射ユニット１基以上を直列に配設して、複数のレーザ発生用アンジュレータで同時に自由電子レーザを発生させるようにすることを特徴とする。
さらに、本発明の自由電子レーザ装置は、各段のレーザ発生用アンジュレータから放射される同じ波長の自由電子レーザを加え合わせる光学系を備えるようにしてもよい。
【００１９】
本発明の自由電子レーザ放射方法によれば、前段のレーザ発生用アンジュレータにおいてシンクロトロン放射することによりエネルギ分布が劣化した電子ビームが静磁場中で下の（７）式に従った作用を受けるため、エネルギの高い電子ほど大きなラーマ（Ｌａｒｍｏｒ）半径を持つため長い行路長となる。
Ｅ＝０．３Ｂ×ｒ                                          （７）
ここで、Ｅは電子のエネルギ、Ｂは磁場の強さ、ｒはラーマ半径である。
一方電子の速度はそれほど異ならないため、上記の行路長差に基づいて、電子ビーム中の電子バンチ内にエネルギの低い電子が先行し高い電子が後行するような時間的分布を生じさせる。
【００２０】
また、四極電磁石と偏向電磁石に、二極磁石の配列を有するアンジュレータなど周期的な磁場を発生させる装置を組み合わせてラティスを構成すれば、四極電磁石と偏向電磁石により電子ビームのパスとビームサイズを決定し、さらにアンジュレータの磁場強度の調整により電子ビーム中のエネルギ分布によるパスの違いを微調整するようにすることができる。したがって、偏向電磁石によりパスの調整をする場合と比較して、エネルギ幅によるパスの差を生じさせる調整の精度が大いに向上する。
さらに、アンジュレータからの放射光の放出はエネルギの２乗に比例するため、放射を積極的に利用することにより電子バンチ内のＦＥＬ波長に応じたエネルギ分布を小さくすることも可能になる。
このような２種類のアンジュレータを設置することにより、電子ビームのパスとエネルギ幅の両方を正確に調整することも可能である。
【００２１】
エネルギ水準に従った時間的分布を有する上記の電子ビームを電子バンチに同期したＲＦ電場中に通して、ＲＦ電界の傾斜が徐々に低下する部分に上記の電子バンチが対応するようにすると、低エネルギ電子がより高いＲＦエネルギを受容し、高エネルギ電子がより小さいエネルギを受容するから、バンチ内の電子が保有するエネルギ水準がより均質化することになり、電子ビームの質が向上する。
このようにして電子バンチのエネルギ幅を減少させて発振条件を満たすようにした後、その電子ビームをアンジュレータ等の交代磁場中に通すため、上流におけるアンジュレータとほぼ同じ波長のＦＥＬ光を発生させることができる。
【００２２】
本発明の自由電子レーザ放射方法では、電子ビームの質の回復のために追加するＲＦ電界エネルギは極めて僅かであるから、レーザ装置に本発明の自由電子レーザ放射方法を付加する毎にエネルギ変換効率が逓倍的に向上する。
さらに、上記の自由電子レーザ放射方法を直列に複数回繰り返すことにより、それぞれ上流のアンジュレータで光放射して質を劣化させた電子ビームの質を回復させて下流のアンジュレータに供給し、繰り返し回数分のほぼ同じ波長のレーザ光を得ることができる。
さらに、放射させた同じ波長の自由電子レーザを加え合わせて出射させることにより、光エネルギが重畳された強力なレーザ光を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の自由電子レーザ放射ユニットには、ビームクオリティ復元システム中に複数の偏向電磁石と複数の四極電磁石を組み合わせたラティスが形成されていて、通過する電子バンチ内にエネルギの低い電子が先行しエネルギの高い電子が後行するような時間的分布を生じさせ、その後追加速管のＲＦ電場で低エネルギ側により大きな電界エネルギが印加し高エネルギ側に小さなエネルギを印加して電子バンチ全体としてエネルギ分布を小さくし質を向上させた上で、アンジュレータで交代磁場によりシンクロトロン放射するようにすることができる。
【００２４】
上記のビームクオリティ復元システムを構成する偏向電磁石と四極電磁石と追加速管等の要素数は電子蓄積リングを構成する機器要素の数より少ない上、これらの構成要素が直線的に配列されるため、ビームクオリティ復元システムはエネルギ圧縮を行うにも拘わらず電子蓄積リングより小型に構成することができる。従って、本発明の自由電子レーザ放射ユニットはアンジュレータの間に電子蓄積リングを配設した自由電子レーザ放射ユニットよりコンパクトに構成することができる。
【００２５】
なお、上記のビームクオリティ復元システムは、従来電子蓄積リングに電子ビームを導入する際により多くの電子ビームを有効に利用するためエネルギ分布をシャープにする目的で使用されている電子ビームのエネルギ圧縮システム（ＥＣＳ）と似ている。電子蓄積リングにおいて電子エネルギの保持をさせるためには、注入される電子ビームは量が大きいばかりでなく電子のエネルギが高くしかもビームの質が良くなければならない。そこで、電子蓄積リングの周回条件に適合しないため無駄になる電子ビームも含めて電子ビーム注入口に配置したＥＣＳに取り込み、エネルギ幅を減少させて加速することにより電子ビーム全体の質を向上させてから電子蓄積リングに注入する技術的思想があった。しかし、従来は、このようなＥＣＳをアンジュレータの上流に配設して、一旦利用した電子ビームの再生利用を図る思想はなかった。
【００２６】
また、本発明の第２の自由電子レーザ放射ユニットは、上記ビームクオリティ復元システムにおける偏向電磁石の中間に交代磁界を発生する電子ビームパス調整用アンジュレータを配置したものである。上記のビームクオリティ復元システムでは、電子ビームの代表的なエネルギ状態に基づいてラティス構成や印加する磁場を定めると、実際に入射する電子ビームの条件が変化したときに対応できる範囲が限られていた。本実施例におけるビームクオリティ復元システムでは、四極電磁石と偏向電磁石により電子ビームのパスやビームのサイズの大要を決定した上で、電子ビームの走向方向に沿って延長するアンジュレータの交代磁界により電子ビームを蛇行して進行させるときに、電子ビームのエネルギ水準により蛇行半径が異なるので、電子ビーム内のエネルギ分布を反映したパス長差が生ずるように微調整することができる。
従来のエネルギ圧縮システム（ＥＣＳ）には、偏向電磁石の他に交代磁界を発生するアンジュレータ等をエネルギ圧縮システム中に用いて電子ビームのパスを調整する技術的思想は見られなかった。
【００２７】
本発明の自由電子レーザ放射ユニットによれば、ビームクオリティ復元システムをアンジュレータと組み合わせたため、前段のアンジュレータでＦＥＬ発生しエネルギ幅が増大して同じ波長のシンクロトン放射をさせることができなくなった電子ビームをビームクオリティ復元システムで再生して電子ビームの質を向上させて、後段のアンジュレータで前段アンジュレータとほぼ同じ波長のＦＥＬを発生させることができる。
【００２８】
また、リニアックに直結されたアンジュレータの下流に上記の自由電子レーザ放射ユニット１基以上を直列に配設して、複数のアンジュレータで同時に自由電子レーザを発生させるようにした本発明の自由電子レーザ装置は、同じ波長のＦＥＬ光をアンジュレータの数だけ同時に発生させることができ、自由電子レーザ装置のエネルギ効率が上記自由電子レーザ放射ユニットの数だけ向上することになる。
さらに、各段のアンジュレータから放射される自由電子レーザを加え合わせる光学系を備えたものは、強力なレーザ光を供することができる。
【００２９】
また、アンジュレータの構造とアンジュレータに入射する電子ビームのエネルギの値を適当に選択することにより、同位体ウラン分離プロセスに使用する励起用と解離用の２種類の大出力レーザ光を同時に発生させるようにすることもできる。本発明の自由電子レーザ装置を利用して同位体ウラン分離を行うと、ガスレーザの場合に必要とされるレーザガスの供給・循環システムが不要であり、また廃棄物が出ないという利点がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明に係る自由電子レーザ装置を詳細に説明する。
図１は本発明の自由電子レーザ装置の１実施例を示すブロック図、図２は図１の自由電子レーザ装置に用いるビームクオリティ復元システムを示すブロック図である。図中、同じ機能を有する要素については同じ参照番号を付すことにより理解が容易にできるようにした。
【００３１】
自由電子レーザ装置は、電子銃、サブハーモニックバンチャー、バンチャー、収束コイル等からなる初段加速部１１と主加速部１３で構成される電子リニアック１０と、第１の偏向輸送系２０と、第１のアンジュレータ３０と、第２の偏向輸送系２４と、ビームクオリティ復元システム４０と、第３の偏向輸送系２６と、第２のアンジュレータ５０と、第４の偏向輸送系２８と、ビームダンプ６０とからなり、さらに電子リニアック１０には補助装置として高電圧発生装置１５と、ＲＦ電源装置１７と、クライストロン装置１９を備える。
【００３２】
電子リニアック１０は、高電圧発生装置１５から供給される高電圧電源で駆動された電子銃で発生する電子ビームを、初段加速器１１と主加速器１３で加速して、ビームエネルギ３６ＭｅＶピーク電流０．３Ａの電子ビームとして射出する。初段加速器１１のサブハーモニックバンチャとバンチャ、および主加速部１３にはクライストロン装置１９からそれぞれ必要な周波数のマイクロ波が高周波立体回路１８を介して供給されている。クライストロン装置１９には２台のクライストロンが設置されていて高周波立体回路１８で接続されており、それぞれの電源を２５ｍｓ遅延して２０ＰＰＳで繰り返すように運転することにより４０ＰＰＳ繰り返しを達成するようになっている。
【００３３】
電子リニアック１０から射出された電子ビームは第１偏向輸送系２０で電子ビーム行路を平行にずらし、第１アンジュレータ３０に導かれ、ここでＦＥＬ光を放射する。第１アンジュレータ３０には両端の軸延長上にそれぞれ反射鏡３１が配設されていて、光共振器を構成している。
第１偏向輸送系２０は、電子ビームの行路を例えば２２．５度偏向させる２極偏向電磁石２１を１対とそれらの間に配設される幾つかの収束電磁石２２とからなり、電子ビームを元の行路と平行な行路に移動させる機能を有する。第１アンジュレータ３０の下流には同じ構成を有する第２の偏向輸送系２４が配設されている。偏向輸送系をアンジュレータの上流と下流に設けて、アンジュレータに入出射する電子ビームの行路をアンジュレータの軸から偏向させ、光共振器の反射鏡３１をアンジュレータの軸上に設置する。
【００３４】
第１アンジュレータ３０に入射する前の電子ビームは、アンジュレータにおける光放射の条件を満たしエネルギ半値幅が例えば０．１％以下となっているが、第１アンジュレータで光放射をした後の電子ビームは、エネルギ半値幅が拡大し２％以上になっていて、このままでは発振条件を満たさないためビームダンプに捨てていた。
【００３５】
本発明の自由電子レーザ装置では、第１アンジュレータ３０から放出され第２偏向輸送系２４で偏向された電子ビームをビームクオリティ復元システム４０に輸送する。
ビームクオリティ復元システム４０は、図２に示すように、複数の四極電磁石４１と複数の二極電磁石４３と１式の追加速管４５とからなる。四極電磁石４１は収束電磁石で電子ビームの空間的広がりを抑制する機能を有する。
【００３６】
図３はビームクオリティ復元システム４０の作用を説明する図面である。図中、（ａ）のグラフはビームクオリティ復元システム４０に入射する電子ビーム中の電子バンチのエネルギ分布を時間を横軸にして模式的に表したもの、（ｂ）のグラフは偏向電磁石を通過した後、追加速管４５に入射する電子バンチのエネルギ分布を表したもの、（ｃ）のグラフは追加速管４５に印加されるＲＦ電圧波形を（ｂ）の時間軸に対応して表現したもの、また（ｄ）のグラフはビームクオリティ復元システム４０を出射する電子バンチのエネルギ分布を時間軸に対して表したものである。図中、横軸を任意スケールの時間軸とし、縦軸を（ａ）（ｂ）（ｄ）については電子ビームのエネルギ、（ｃ）についてはＲＦ電圧にとってある。
【００３７】
二極電磁石４３には静磁場が形成されていて、第１アンジュレータ３０でシンクロトロン放射して、図３の（ａ）に示すようにエネルギ分布が劣化した電子ビームが二極電磁石４３の静磁場を通過すると、上記の（７）式に従ってエネルギの高い電子ほど大きなラーマ半径を持つ行路を走行し、エネルギが低い電子ほど小さなラーマ半径を持つ行路を走行することになるので、行路長が電子の持つエネルギによって異なることになる。一方、電子の速度は変わらないため、エネルギの高い電子と低い電子の行路長差に基づいて、電子バンチ内にエネルギの低い電子が先行し高い電子が後行するような、図３の（ｂ）に示す時間的分布が生じる。
【００３８】
複数の二極電磁石４３および複数の四極電磁石４１のラティスを適切に設計すると、ビームクオリティ復元システム４０の中間で一旦広がった電子ビームの径が出口で再び収束するようにすることができる。上記の適切なラティスを通過してビームクオリティ復元システム４０から射出された時間的分布を有する電子バンチは、次に追加速管４５に導入される。
【００３９】
追加速管４５は、高周波立体回路１８からＲＦマイクロ波の供給を受けて、電子バンチと同期した正弦波状の電界を発生している。ここで、図３の（ｃ）に示すように、正弦波の立ち下がり傾斜位置に電子バンチが対応するように調整すると、電子バンチ内の低エネルギ電子がより大きなエネルギを受容し、高エネルギ電子がより小さいエネルギを受容して、加速される。従って、追加速管４５を通過してビームクオリティ復元システム４０を出射する電子ビームのエネルギ幅は、図３の（ｄ）に示すように小さくなり、アンジュレータにおける光発振条件を満たすようになる。なお、加速のために印加するエネルギは、第１アンジュレータ３０で光発振するために消費されたエネルギを補填する量であるから、全体の１％程度と僅かでよい。
【００４０】
ビームクオリティ復元システム４０を出射した電子ビームは、第３偏向輸送系２６により後段の第２アンジュレータ５０に入射させられて、その交代磁場中で光放射する。
第２アンジュレータ５０では、上記（２）式に従い第１アンジュレータ３０における波長と同じ波長でＦＥＬ発生を行うことができる。
第２アンジュレータを通過した電子ビームは第４偏向輸送系２８によりビームダンプ６０に投入されて安全に吸収される。
【００４１】
上記のように、本発明の自由電子レーザ装置によれば、ひとつの電子リニアックから供給される電子ビームを用いて、直列に配設された同じ条件のアンジュレータで繰り返し光発振させることができるから、自由電子レーザ装置のエネルギ変換効率が向上する。
【００４２】
図４は本発明の自由電子レーザ装置の第２の実施例を示すブロック図、図５は図４の自由電子レーザ装置に用いる自由電子レーザ放射ユニットを示すブロック図である。図中、前出の図面と同じ機能を有する要素については同じ参照番号を付すことにより理解が容易にできるようにした。
本実施例の自由電子レーザ装置は、初段加速部１１と主加速部１３で構成される電子リニアック１０と、第１偏向輸送系２０と、第１アンジュレータ３０と、第２偏向輸送系２４と、参照番号７０で表される自由電子レーザ放射ユニット９基と、各自由電子レーザ放射ユニットの間に設置される偏向輸送系８０と、最終段の自由電子レーザ放射ユニット７０の下流に接続された最終段の偏向輸送系８８と、ビームダンプ６０とからなる。
なお、電子リニアック１０には補助装置として高電圧発生装置１５と、ＲＦ電源装置１７と、クライストロン装置１９を備える。
【００４３】
本実施例の自由電子レーザ装置の電子リニアック１０、第１偏向輸送系２０、第１アンジュレータ３０、第２偏向輸送系２４、ビームダンプ６０、および電子リニアック１０の補助装置の高電圧発生装置１５、ＲＦ電源装置１７、クライストロン装置１９については、第１実施例の自由電子レーザ装置と変わるところはないため、略図で表してある。本実施例の自由電子レーザ装置が第１実施例の自由電子レーザ装置と相違する点は、自由電子レーザ放射ユニット７０を１基でなく９基設けたところである。
【００４４】
自由電子レーザ放射ユニット７０は、図５に表したように、ビームクオリティ復元システム７２と偏向輸送系７４とアンジュレータ７６を直列接続したユニットである。これらの要素の構成と機能は第１実施例において説明した通りである。
ビームクオリティ復元システム７２の追加速器は、導波管を介して高周波立体回路１８からＲＦマイクロ波の供給を受けて加速する。アンジュレータ７６で消費するエネルギは全体の１％程度と僅かであるから、電子のエネルギを同じ水準に戻すとしても補填するエネルギは極く僅かである。
アンジュレータ７６には光共振器７８が組み合わされていて、（２）式に従い電子ビームのエネルギとアンジュレータの交代磁場の条件によって決まる波長の自由電子レーザを発生する。
【００４５】
このように、自由電子レーザ放射ユニット７０は、ビームクオリティ復元システム７２により前段のアンジュレータでシンクロトロン光放射をしてエネルギを放出しエネルギ幅を劣化させた電子ビームの質を回復してアンジュレータ７６に供給し、アンジュレータ７６及び光共振器７８により再度自由電子レーザ光を放出させることができる。
各アンジュレータと光共振器が同じ構成を有し、電子ビームのエネルギを同じ水準に回復させる場合には、第１アンジュレータ３０を含めた各アンジュレータから同じ強度で同じ波長の自由電子レーザ光を同時に発生させることができる。
【００４６】
本実施例の自由電子レーザ装置では、電子リニアック１０から射出された電子ビームは第１偏向輸送系２０により第１アンジュレータ３０に導かれシンクロトロン放射を行い第１アンジュレータ３０に配設された光共振器で自由電子レーザ光を発生する。
第１アンジュレータでＦＥＬ光発生した後の電子ビームは、エネルギ半値幅が拡大し例えば約２％になっていて、このままでは発振条件を満たさない。
第１アンジュレータ３０から放出された低エネルギ電子ビームは第２偏向輸送系２４により自由電子レーザ放射ユニット７０に供給され、自由電子レーザ放射ユニット７０内で追加速を受け電子バンチのエネルギ幅を減少させて自由電子レーザを発生する。
自由電子レーザ放射ユニット７０で光放射して質の低下した電子ビームは、偏向輸送系８０を介してさらに後段の自由電子レーザ放射ユニット７０に入射してエネルギ幅を減少させて前段の自由電子レーザ放射ユニットと同質の自由電子レーザを発生する。
このようにして、アンジュレータの段数だけ電子ビームの質の回復とレーザ光放出を繰り返し、最後に最終段の偏向輸送系８８によりビームダンプ６０に投入されて安全に吸収される。
【００４７】
本実施例の自由電子レーザ装置は、アンジュレータを１０基備えているためエネルギ変換効率が約１０倍となり、容易に連続出力１ｋＷ水準のＦＥＬを得ることができる。
なお、各光共振器の出力を加え合わせることにより１本の自由電子レーザ光とし１０倍程度の強度のレーザ光を得ることが可能である。
また、それぞれの光共振器は独立に波長を選択するようにもできるので、分子法レーザ同位体分離に必要な励起用と解離用の２種類の光を同時に発生させるようにもできる。
なお、本実施例では自由電子レーザ放射ユニットを９基備えているが、必要とされるレーザ光の特性に応じて自由電子レーザ放射ユニットの設置数を増減することが可能であることはいうまでもない。
【００４８】
上記実施例の自由電子レーザ装置に用いた自由電子レーザ放射ユニットでは、対象とする電子ビームの性状に基づいて適当なラーマ半径を有しかつ適当な行路長差が発生するようにラティス構成を決定する。したがって、設計時と異なるエネルギ水準やエネルギ分布を有する電子ビームが入射する場合には、この両方が最適な状態になるような運転条件を選ぶことができない。一般にはラティスの配列を保存するためラーマ半径を合わせるように運転するから、適当な行路差長を与えるようにすることができなくなる。
そこで、本発明の第２の自由電子レーザ放射ユニットは、図２における第１の自由電子レーザ放射ユニットにおいてビームクオリティ復元システムの中央に配置された偏向電磁石４３を中央で分割して、その間にアンジュレータを配置して構成することを特徴とする。
図６は、この第２の自由電子レーザ放射ユニットにおけるビームクオリティ復元システムの部分を表すブロック図である。図６では図２と同じ機能を有する要素に同じ参照番号を付して説明を簡約化した。
【００４９】
図６において、前段のアンジュレータでシンクロトロン放射して図３（ａ）に示すようなエネルギ分布を有する電子ビームが四極電磁石４１により整形を受けながら２個の二極電磁石４３を通過する。電子ビームは、電子のエネルギと静磁場の強度に基づくラーマ半径により定まる行路を走向して、下流側の二極電磁石４３の出口に達する。この時、電子ビームの中心は行路の軸上にあり、エネルギ分布に基づいた広がりを有する。電子ビームは四極電磁石９１で進行方向に整形されてアンジュレータ９３に入射する。この広がりを有する電子ビームはアンジュレータ９３内を交代磁界により蛇行しながら進行する。このとき電子の持つエネルギが大きいほど蛇行半径が大きくなるので光路長が大きくなり、アンジュレータ９３を通過したところにおける電子ビーム内の電子の進行方向分布がエネルギ分布を反映して図３（ｂ）に示すような状態になる。この分布状態はアンジュレータ９３の交代磁界強度により微調整することが可能である。アンジュレータ９３はシンクロトロン放射を行わせる通常のレーザ発生用アンジュレータと異なり、電子ビームの光路長差を発生させることを目的とするものであるので、区別のためには電子ビームパス調整用アンジュレータということとする。
【００５０】
電子ビームパス調整用アンジュレータ９３の下流には２個の二極電磁石４３と複数の四極電磁石４１が上流と対称的に配列されていて、上流側の電磁石列で電子ビームパス調整用アンジュレータに入射されるまでの間に一旦幅方向に広がった電子ビームがこれらの電磁石列を通過する間に収束して、再び細い電子ビームとなって図示しない追加速管に入射しエネルギ圧縮を受けて、図３（ｄ）に示すようなエネルギ分布を有するようになり、自由電子レーザ放射条件を回復する。
なお、この追加速管は上記のようにエネルギ圧縮の作用を担うものなのでエネルギ幅圧縮管と呼ぶこともできる。
電子ビームのエネルギ水準が異なる場合にも偏向電磁石の強度を調整することにより同じ程度のラーマ半径を有するようにすることができるから、この第２の自由電子レーザ放射ユニットでは、四極電磁石と二極電磁石で電子ビームの偏向行路を支配し、エネルギ分布に従う電子分布を電子ビームパス調整用アンジュレータで調整するようにすることができる。このため、電子ビームの性状が変化する場合にも、最適な運転が容易に可能となる。
第２の自由電子レーザ放射ユニットは、前述の第１の自由電子レーザ放射ユニットと全く同等に自由電子レーザ放射装置に組み込むことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の自由電子レーザ発生方法と自由電子レーザ装置により、アンジュレータの間に電子蓄積リングを介設させたものと比較してよりコンパクトな自由電子レーザ装置を構成することができ、また、他のレーザ装置に遜色ないエネルギ変換効率を達成することができる。
従って、連続可変波長を有し高輝度な自由電子レーザの特長を生かしてより広い用途に利用することが可能となり、特に励起用と解離用の２種類の光を同時に使用する必要がある同位体ウラン分離プロセスに活用することも可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自由電子レーザ放射装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】図１の自由電子レーザ放射装置に用いるビームクオリティ復元システムを示すブロック図である。
【図３】本発明に用いられるビームクオリティ復元システムの作用を説明する図面である。
【図４】本発明の自由電子レーザ装置の第２の実施例を示すブロック図である。
【図５】図４の自由電子レーザ装置に用いる自由電子レーザ放射ユニットを示すブロック図である。
【図６】図１の自由電子レーザ放射装置に用いるビームクオリティ復元システムの別の例を示すブロック図である。
【図７】従来の自由電子レーザ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  電子リニアック
１１  初段加速部
１３  主加速部
１５  高電圧発生装置
１７  ＲＦ電源装置
１８  高周波立体回路
１９  クライストロン装置
２０  第１偏向輸送系
２１  ２極偏向電磁石
２２  収束電磁石
２４  第２偏向輸送系
２６  第３偏向輸送系
２８  第４偏向輸送系
３０  第１アンジュレータ
３１  反射鏡
４０  ビームクオリティ復元システム
４１  四極電磁石
４３  二極電磁石
４５  追加速管
５０  第２アンジュレータ
６０  ビームダンプ
７０  自由電子レーザ放射ユニット
７２  ビームクオリティ復元システム
７４  偏向輸送系
７６  アンジュレータ
７８  光共振器
８０  偏向輸送系
８８  最終段偏向輸送系
９１  四極電磁石
９３  電子ビームパス調整用アンジュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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