Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-10]

Simulation of High Quality Electron Beamfrom Photocathode RF-GUN
R. Kuroda, M. Washio, S. Kashiwagi, T. Oshima, J. Urakawa∗ , Ilan.Ben-Zvi† , X.J.Wang†
Waseda University, 3-4-1 Okubo, Shinjuku, Tokyo
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801∗
Brookheaven National Laboratory, 725C BNL, Upton, NY 11973, USA†
Abstract
Low emittance sub-picosecond electron pulses are expected to be used in wide ﬁeld, such as high brightnessX-ray generation, etc. In order to produce the low emittance sub-picossecond electron pulses, we are developing
a compact a laser photo cathode RF-GUN. We have investigated for the ﬁrst time by numerical simulation in
the case of short and single pulse acceleration. In the simulation, a picosecond electron pulse from RF-GUN isaccelerated to 〜5MeV with pulse length of 10ps(FWHM), the charge of 1nC per pulse, and emittance of about
3mm mrad. We are planning to increase a bunch charge up to 〜5 nC or more for output from the RF-gun.
We will have enormous growth of emittance due to a space charge eﬀect without some eﬀort. In this paper, we
describe the numerical simulation results for the optimum operation and the high ﬁeld acceleration.

フォトカソード RF 電子銃を用いた高品質電子ビーム発生のシミュレーション
1. はじめに
近年、レーザーフォトカソード RF 電子銃（RF-チを RF-GUN で加速すると、加速空洞内でのエミッタンス増大の主たる要因の一つである、空間電荷効果

GUN）は、従来の熱電子銃では達成し得なかった低によるエミッタンス増大が支配的になることが予想さエミッタンス、超短パルス電子ビームを発生することれる。米国ブルックヘブン国立研究所の試験加速器施ができるシステムとして世界各国で研究開発が行われ設（BNL-ATF）などでは、ソレノイドマグネットを用ている。
現在、早稲田大学理工学総合研究センターにおいて、

いて空間電荷効果の補正する方法を採用しているが、サブピコ秒領域の超高速物理化学現象の探求のため、超短パルス電子ビームおよび超短高輝度 X 線の発生のための実験システムの構築が行われている。本年度
は、BNL タイプの 1.6 セル S-band レーザーフォトカ
ソード RF 電子銃 [1]（図.1）を早稲田大学理工学総合研究センター喜久井町研究棟に設置し、生成された電我々は 1〜5nC といった更に高い電荷の加速も考えているため、RF-GUN の電界強度をあげる事による空間電荷効果の軽減も現在検討している。そのため、高電界化した際に問題になる暗電流を減らすため、現在製作している高周波空洞は、空洞材料にクラス 1 の無酸素銅を加工前に HIP 処理したものを使用し、ダイヤモンドバイトによる鏡面加工を施すことにした [3]。

子ビームの特性を測定するなどの様々な実験を行っていく予定である。これまでにも、RF 電子銃に関する様々な研究が日本国内はもちろん世界各国で行われてきたが、我々はさらに電子ビーム測定システム等にも力を入れ、運転の諸条件がビームの品質にどのように影響を及ぼすか、シュミレーションの結果とも比較し系統的に検討を行っていく。
また、早稲田大学理工学総合研究センターにおけるレーザーフォトカソード RF-GUN では、カソードに従来の銅ではなく、銅カソードよりも高い量子効率が得られるマグネシウムカソードを使用する。これにより、1 バンチあたり 2nC 以上の大電流ビームの生成も容易にできる [2]。一方、このような高電荷のバン−156−

図 1: BNL タイプ S-band RF-GUN 外観

レーザーの波長266 nm

電荷量

1 nC

レーザーの波形

ガウス分布

レーザーのパルス幅

10 ps（σ＝ 4ps）

RMS 規格化エミッタンス
平均全エネルギー

3.37 mm mrad5.07 ± 0.075 MeV

スポットサイズ1.2 mm, 2.4 mm
93 MV/m

バンチ長 (FWHM)
スポットサイズ

10 ps
1.2 mm

レーザー入射位相45 度

共振周波数 (πモード)

107 MV/m
2856.25 MHz

共振周波数 (0 モード)2850.91 MHz

最大加速電界（カソード）
最大加速電界（フルセル)

表 2: 出力電子ビーム（1nC、ビームサイズ 1.2mm φ)のパラメータ

表 1: RFgun のパラメータ
果より、約 4mm mrad 以下の規格化エミッタンスを
今 回 は 、こ れ ま で に シュミ レ ー ション コ ー ド
MAGIC[4] を用いて行ってきた、種々の運転状況下で実現し、かつエネルギーを 3.5MeV 以上とする場合に得られる電子ビームの性能評価および最適運転条件

合、40 度〜70 度付近の位相幅、約 30 度程度が有効での探索の結果等について報告する。また、高電荷おあることが分かった。

は、レーザー入射時の最大電界位相を 90 度とした場

よび高電界に関するシュミレーション結果についても報告する。

2 計算機シミュレーション
シミュレーションでは、RF-GUN 空洞の共振モード（図.2）を計算し、表.1 に示したパラメータを用いて、レーザーの入射位相、パルス幅、スポットサイズ、電荷量、RF 電界強度等を変数とし最適条件を調べた。
図.3 に RF-GUN から出力される電子ビームの横方向（X）位相空間分布の一例を示す。この時の、カソード上でのレーザースポットサイズ（φ）は 1.2mm で、出力ビームの諸パラメータである電荷量、バンチ長、エミッタンスは表.2 に示している。

図 3: 出力電子（1nC、ビームサイズ 1.2mm φ) のエ
ミッタンス分布
次に、高電界化を行った場合、実際どの程度のエミッタンスのビームが得られるか、加速電界強度が 100、150、200MeV の場合についてシュミレーションを行った。図 5、6 にレーザースポットサイズ（φ）を 1.2mm、2.4mm のそれぞれについて電荷量とエミッタンスとの関係を示す。
図 5 によると、1nC 以下のチャージ量では、高電界化することによって、空間電荷効果によるエミッタンス増大を抑える効果はほとんど見られない。この原因は、RF-GUN の加速空洞内の電場をあげる事により、径方向の電場も大きくなるため、ビームが横方向モーメンタムを与えられ、エミッタンスが増大することが
図 2: 計算空洞の共振モード (πモード)考えられる。その効果を検証するために、レーザース
ポットサイズを 2 倍の、2.4mm にした場合のシュミ

そして、レーザー入射位相を変化させたときの、出レーション結果が図.6 である。これによると、1nC 程力電子ビームの電荷量が 1nC となる場合のレーザー度までのバンチ電荷量では高電界化することによって、入射位相と RMS 規格化エミッタンス及び電子ビーム逆にエミッタンスの増大を引き起こしていると言える。の平均運動エネルギーとの関係を図.4 に示す。この結これらの事より、1.5nC 以上の高い電荷量で、ビー図 4: レーザー入射位相と出力電子ビームのエミッタ

図 6: 加速勾配を変化させた時の電荷量とエミッタンンス及びエネルギーの関係

スとの関係（スポットサイズ 2.4 mm φ）

ムサイズ 1.2mm の場合は、200MV/m のような高加3 まとめ

速電界が有効であることがわかる。しかし、RF-GUN

今回のシュミレーションより、実際に RF-GUN をの加速空洞内でのエミッタンス増大の主たる原因の一運転する際、オペレーション条件としてレーザーの入つである、径方向電場によるエミッタンス増大がビー

射位相は約 30 度程度の位相範囲（最大電界点を 90 度ムサイズによっては空間電荷効果の影響よりも大きくとした場合の 40 度〜70 度付近）で、有効に使用可能なる事が理解できる。つまり、ビームサイズと空洞内であることが分かった。そして、そのときの出力電子電場によるエミッタンスの増大とは、非常に密接に関ビームは 4mm mrad 以下といった、高品質であると係しているのである。そして、レーザーのスポットサいう結果が得られた。今後は、早稲田大学理工学総合

イズ（ビームサイズ）を固定した場合、それぞれのバ研究センターにおける、RF-GUN のオペレーションンチ電荷量に対して、最適電界が存在すると考えら結果と比較を行っていく予定である。

れる。

また、高電界化については、電荷量 1nC 以下のビームに関しては径方向電場の影響より必ずしも有効な手段であるとはいえないが、それ以上の高電荷量のビームに対しては有効であると言える。そして、ビームサイズによって最適電界が存在することが分かった。今後、入射レーザーのスポットサイズおよびパルス長などを変化させ、最適解を求めていく予定である。
謝辞
本シミュレーションにあたり、電磁場解析コード

MAGIC の使用のため、高エネルギー加速器研究機構（KEK）の陳先生に協力を頂き、ここに感謝の意を表します。
図 5: 加速勾配を変化させた時の電荷量とエミッタンスとの関係（スポットサイズ 1.2mm φ）
また、今回のシュミレーションではバンチの縦方向分布（バンチ長）の横方向エミッタンスに与える影響については考察してしていないが、電場強度大きくなった場合にバンチ内の縦方向の位置による空洞内での径方向電場の影響の違いについて更に詳しく調べる必要がある。

参考文献[1] X. J. Wang et al., Proc. 1995 Part. Accel. Conf.
(1995) p.890[2] T. Srinivasan-Rao et al., Proc. 1997 Part. Accel.
Conf. (1995) p.2790[3] C. Suzuki et al., Proc. 24nd Linear Accel. Meetingin Japan, (1999) p.122[4] MAGIC home page, http://www.mrcwdc.com/[5] S. Matsumoto,”MAGIC によるクライストロンシミュ
レーション”, OHO’99, E