Design of RF Linac Driving Near-Infrared FEL
M .O goshi ，M .Takabe ，H.Sakae ，S.Mandai v*S.Hiramatu
Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.，Ltd.
.National Laboratory for High Energy Physics

ABSTRACTThe compact synchrotron light source system called ’LUNA’ has been successfully operated at
IHL We plan to utilize its Linac as the driver of FEL. For this purpose, we design the alternative
new injection system which consists of a thermionic microwave gun and a magnetic buncher inaddition to the present injection system. The design of the near-infrared FEL system and itsperformance predicted by the beam simulation analysis are presented.
リ ニ ア ッ ク に よ る 近 赤 外 FELシ ス テ ム の 設 計

1 •はじめにI H I におしゝて開発を行った小型シンクロトロン放射装置LUNA の入射器として用いられているライナックは、 ビームを約 50M e V まで加速可能であるため近赤外領域の FEL 発振が可能である。 ただし、現在達成されているエミッタンス（約 30 71 m m m m d) 、 およびビークビーム電流（約 7 A ) では近赤外のF EL 発振には不十分である。 そこで本検討では、高周波電子銃とマグネティックバンチャーで構成される入射装置を従来の静電型電子銃に併設した場合の加速管の下流のウィグラ一部で得られるビームおよび F E L の性能の評価を行った。以 下 で は本 F E L システムの概要とビームシミュレーションで予想される性能について述べる。

2 •目標仕様と装置概要(1) 目標仕様
本装置のビームエネルギーは一定（〜 50 M e V ) とし、 ウイグラーのK値を変えて発振波長の調整を行うこととする。 ウイグラーには、 プレーン型（周 期 数 5 0 ,周 期 長 50 nrni)を用い、K値 が 0.4 5 〜 2. 8 の範囲で調整可能だととすると、発 振 波 長 は 3 〜 1 2 " m となる。 この近赤外領域の FEL 発振に必要な目標ビーム仕様を以下に示す。

a. ビームエネルギーb •エネルギー拡がり
c . エミッタンス

4 ビーム電流e ビーム径〜 50MeV
0.5 % 以下
9 . 2 兀 mm mrad 以下
30 A 以 上 （ビーク）
3 m m 以下

200m A 以 上 （平 均 ）(2)装置概要
本 装 置 の 構 成 を 図 1 に示し、本装置を構成する入射系、加速系、 ビーム輸送系（ウイグラー部）の各概要について以下にまとめる。

a•入射系
入射系には、FEL 用として高周波電子銃とバンチ圧縮およびエネルギー選択機能を備えたビー
ム 輸 送 系 を 設 置 す る こ と と し た 。高周波電子銃はS バ ン ド 2856 M H zの熱陰極型である。 ビー
ム エ ネル ギ ーは0.9 M eV 、 平均ビーム電流は2.5 A とした。高周波電子銃の下流には、 180度偏向のアクロマティックビーム輸送系を設置！
^ バンチ圧縮およびエネルギー選択を行う。

b •加速系
加速系は、 1.5 m の 加 速 管 1本 と 2 m の 加 速 管 2 本より構成される。各 加 速 管 は 2 / 3 兀モードの進行波型で共振周波数は、 2856MHz である。加速管に高周波電子競を加えたビームローディン
グ 特性 を図 2 に示す。本図より、 目標ビーム電流値（2 0 0 m A ) で 5 0 M eV を越える十分なエネルギ一が得られことが分かる。

c• ビーム輸送系（ウィグラ一部）
ウィグラ一部では、光学系と加速器の干渉を避けるためにシケイン状にビームを輸送するものとする。 またエネルギー拡がりによる位置および時間のずれを抑えるために、本 輸 送 系 は 2 重ア
クロマテック型 S ベ ン ド 2 組で構成した。

3 〒想性
本装置の設計においては、 ビームシミュレーションを用い、 ウィグラ一部でビーム径およびエネルギ一拡がりを小さく、 かつ高輝度ビームが得ちるように本装置のパラメータを調整した。以下に本装置の予想性能をまとめる。

(1) ビーム性能
図 3 に入射系および加速系でのビーム軌道とエネルギー拡がりを示す。 また加速管下流のビーム
輸 送 系 で の ビ ー ム 径 と ” 関数の変化を図 4 に示す。 ウィグラ一部のビーム径は水平、垂直方向とも1.5 m m 以下となった。 またビームバンチ幅は、 図 5 - 2 に示される様に 1 5 度 （全 幅 ）に圧縮されており高いビーク電流が得られた。 ただしエネルギー拡がりは、カロ速管内でのエネルギー拡がりの影響が 大 き く 半 値 幅 で 1.7 o/o ( 図 5 - 1 ) と目標値より大きな値となった。予想ビーム性能を以下にまとめるO
ビームエネルギーエ ネ ル ギ ー 拡がり

平均電流
ビ ー ク 電流電荷量
規格化エミッタンス

57MeV—
L7MeV ( 半 値 幅 ）300 mA
43 A
106 pc
2.4 7Tmm mrad ( X ) 1 . 2 n mm mrad ( Y )(2)F E L ゲイン
得られたビーム性能を用い理論式 2) を基に F E L のゲインを求めた結果を図 6 に示す。 ウィグラ
一の K 値 の 調 整 範 囲 （0.45 〜 2 . 8 ) においてゲインは 0.13 〜 6 .6 となり、本波長領域の光共振器での損 失 （約 0 .0 5 ) を越える十分な値が得られた。 ただし、 ここではビームエネルギー拡がりの効果を考慮していないため実効的なゲインはこの値よりは低下することが予想される。

4 .まとめ高周波電子銃とエネルギー選択機能を備えたマグネティックパンチャーを組み合わせた入射装置を設置することにより、現 状 の エ ミ ッ タ ン ス は 約 1 / 1 0 にビーク電流は 6 倍に改善され、 これにより近赤外領域の FEL 発振に必要なビーム性能が得られることが分かった。 ただしビームのエネルギー拡がりは、目標値を越える大きな値となったが、 これは主に加速系でのビーム収束装置および加速管のパラメータの調整が十分行われていないためだと考えられるので、今後はエネルギー拡がりを抑えるようにこれらのパラメータの最適化を行う予定である。

参考文献

1)M.Takabe et al., Proc.of the 16th Linear Accelerator Meeting in Japan, Sept. 1991
2) C.Pellegriiii, IEEE Transactions on Nuclear Science，Vol.NS-26, No.3, June 1979

名称静霉型筑子铳
パンチヤー
加速管(No.i -3)
高周波電子統マグネテイフクパンチヤー
俱向甩磁石
四重压甩磁石ダプレフト
四抵压苽磁石トリプレプト
ウ< ゲラーnw

図 1 F EL 装 置 配 置 図

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MBBMQdQt
WG【叫(1)V 関数~w—w-Z(on](3) ニネル’
ギー拡がり
100.0

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図 3 入射系お よ び 加 速 系 で の ビ ー ム 軌 道 と エ ネ ル ギ ー 拡 が り30004101214

図 4 ビー ム 輸 送 系 で の ビ ー ム 径 と ” 関数エ ネ ル ギ ー [KeV]-1 0 0 0 0 -5 0 0 0

2

位相[g]
10000-5-2、，yb I s

4E

1600-5o0

図 5- 丨エネルギー分布t1.52K値
図 5-2位相 分 布

図 6F EL ゲイン

2.516