Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13A-01]OBSERVATION OF SASE SPECTRA IN THE REGION FROM INFRAREDTO SUBMILLIMETER WAVELENGTH
R. Kato∗), T. Igo, M. Kuwahara, T. Konishi, M. Fujimoto, R. A. V. Kumar,
S. Mitani, S. Okuda, S. Suemine and G. Isoyama
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University
Mihogaoka 8-1, Ibaraki, Osaka, 567-0047 JAPANAbstract
We are conducting experiments of Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) in the region from far infrared
to sub-millimeter wavelength by using a high brightness single-bunch beam from the L-band linac at ISIR, Osaka
University. We measured the spectra of SASE radiated from the single-bunch beam passing through the wiggler for theexisting infrared FEL system. The measured wavelength spectrum has the spectrum width that is two times wider thanthat derived with the one-dimensional model. The spectrum of light interpreted as a second order higher harmonic waveof SASE has been observed, too.

赤外からサブミリ波領域での SASE スペクトルの観測
1.

では、SASE の光強度の K 値依存性と電荷量依存性

はじめに阪大産研のＬバンド電子ライナックは最大電荷についての報告をおこなった。その後、電子銃から73ｎC/bunch の単バンチを加速できる高輝度電子ラの入射パルスのピーク電流を増加させルことによイナックである[1]。我々はこのＬバンドライナック

り、分光測定が可能になった。今回はこれまでに得を駆動源として赤外自由電子レーザーられた波長スペクトルとその解析結果について報（Free-Electron Laser; FEL）の研究開発を行ってい告する。

る。これまでの研究は、発振型 FEL の発振波長の長波長化を中心として進められてきた。その結果、

2.

実験配置

RF ライナック・ベースの FEL としては最長の発振

阪大産研のＬバンド電子ライナックは３台の波長 150µm を達成した[2]。これに加えて、昨年度SHB により構成される入射器を持つ。単バンチ運より赤外 領域で 単一通 過 型 FEL（ Self-Amplified

転モードの時には、電子銃（YU-156、EIMAC 社製）

Spontaneous Emission; SASE）の原理検証のための研より最大ピーク電流 20A、パルス持続時間 5 ns の電究を開始した[3]。SASE は、共振器を構成できるよ子ビームが SHB システムに入射される。ここでうなミラーのないＸ線領域で、レーザーを実現する500ps 程度まで圧縮された電子パルスは加速周波数ための有力な候補の一つと考えられている。阪大産

1.3 GHz のプリバンチャー、バンチャー、主加速管

研では 1991 年に波長 20 µm と 40 µm で最初の SASEにより、11 から 32 MeV まで加速される。この電子を観測している[4]。現在は、共振器ミラーの一つをビームはアクロマティック輸送路により、FEL シス取り外し、他の一つの曲率半径を変更するといったテムに導かれる。ウィグラーは、周期長 6 cm、周最小限度の変更だけで、既存の FEL システムをそ期数 32 の Halbach 型ウィグラーで、K 値は磁極間のまま利用した実験を行っている。昨年の本研究会

隔を変えることにより 0.013 から 1.472 まで可変で∗)R. Kato, 06-6879-8486, kato@sanken.osaka-u.ac.jp

−59−

ータ
Electron beam
Accelerating freq.
EnergyEnergy spread
Charge/bunch
Bunch length
Peak current
Normalized emittance
Repetition
Mode

1.3GHz11-32 MeV
1.1-4 % (FWHM)> 20 nC
20-30 ps
> 1 kA
150-250 π mm mrad
60 Hz
Single bunch

Wiggler
Total length
Magnetic period
No. of periods
Magnet gap
Peak field
K-value

1.92 m60 mm
32120-30 mm
0.37 T
0.013-1.472

optical intensity (arb. units)

表 1. 電子ビームとウィグラーの主要パラメ

210-0.50time (µ s)0.51

図 1. SASE 光の時間プロファイル。13 MeV の電子ビームが、K=1.472 のウィグラーを通過した時の放射。実際の SASE 光の持続時間は電子ビームのバンチ長よりも短い数 ps と考えられるので、この時間プロファイルはGe:Ga 検出器の時間応答性を示している。

ある。この電子ビームとウィグラーの主要なパラメ

は波長 110 µm から 140 µm にかけて急激に感度が減ータを表 1 に示す。

少するが、170 µm を超えるところまで僅かに感度SASE 実験時には、光共振器の上流側ミラーを取り外し、下流側ミラーを局率半径の異なるものに交を残している。そのため、非常に高強度の光に関しては長波長側でも検出が可能となる。

換して、ウィグラー内で電子バンチが放射する光を下流側ミラーで一度反射して上流側に戻し、発振実3.

SASE 光の波長スペクトル験で用いている既設の光輸送路により、分光器に導SASE 光の分光測定実験は 12-13 MeV の比較的低く。輸送路の入射側は、0.2 mm 厚のダイアモンドエネルギーの電子ビームと K 値が 1 以上となるウ窓により、ライナック側の高真空と輸送路側の低真ィグラー磁極間隔で行われた。Ge:Ga 検出器により空が隔てられている。分光器は平面回折格子を用い実際に測定されるのは図 1 に示すような時間プロたクロス・ツェルニー・ターナー型で、輸送路と同ファイルを持つ信号である。この光信号のピーク値じ真空系に接続されている。分光器には、格子定数を波長の関数として波長スペクトルを求めた。これ

0.126 と 0.2 の 2 種類の回折格子があり、ブレーズを図 2 に示す。このときの電子ビームのエネルギー波長は各々113 µm と 179 µm である。分光器内の入は 12.8 MeV で、エネルギー広がりは 3.1 %(FWHM)、出射スリットの幅と回折格子の刻線数により波長バンチあたりの電荷は 11.6 nC である。ウィグラー

分解が決まる。このときの波長分解はおよそ 2 µm

磁 極 間 隔 は 30, 32, 34 mm で 各 々 の K 値 は程度である。分光器により単色化された光は、2 mm

1.47,1.33,1.19 である。この波長領域は大気中の水厚の単結晶水晶窓を通して大気中にとりだされ、液蒸気による光の吸収がもっとも顕著な領域であり、体ヘリウム温度に冷却された Ge:Ga 検出器に入射測定されたスペクトルの形が歪んだところには、そされる。
Ge:Ga 検出器は 105 µm に最高感度を持つ。

れに対応する水蒸気の吸収が存在する。これは、単それよりも短波長側では比較的なだらかに感度が色化された光が分光器を出てから、検出器に入射さ減少するが、入射窓の短波長カットフィルターによれるまでに数 cm だけ大気中を通過することに起り、最短の波長は 50 µm に制限される。長波長側で因すると考えられる。このスペースは、短波長カッE=12.8MeV∆E=3.1%(FWHM)Q=11.6nC

0.6

E=12.8MeV∆E=3.1%(FWHM)
Q=11.6nC
K=1.472303234intensity (arb. units)

0.5intensity (arb. units)

0.3

gap=

0.4

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.00.012014016018060200

wavelength (µm)

図 2. SASE 光の波長スペクトル。ブレーズ波長
113 µm の回折格子で分光測定した。電子ビームのエネルギーは 12.8 MeV で、エネルギー広がりは 3.1 %(FWHM)、バンチあたりの電荷は 11.6 nCである。

100140180220wavelength (µm)

図 3. SASE 光の波長スペクトル。図 2 に示された磁極間隔 30 mm のスペクトルの表示範囲を拡大いたもの。90 µm 付近に小さなピークが見られ、100 µm の短波長カットフィルターを挿入することによりこのピークだけがなくなることが確認された。

トフィルターの交換や、光を減衰させるためのテフロン板の挿入用に設けてあるが、予想以上に水蒸気あり、完全には打ち消しあわなかった可能性がある。

による吸収が大きいことから、これらを真空内で行えるように準備を進めている。

4.

まとめ

図に示される波長スペクトルが水蒸気吸収によ

我々はサブミリ波領域で SASE 光を分光測定しり歪んでいるとして、磁極間隔が 34 mm のときのた。この領域では、SASE のスペクトル幅は 1 次元150 µm 近傍の 3 つのデータ点をマスクして、ガウモデルで予測される幅の 2 倍程度に拡がっている。

ス分布をフィットさせるとその r.m.s.幅は 7.3 µm とまた 2 次の SASE 光と推測される光を観測した。

なる。この値は、1 次元モデルで予測されるスペクトル幅 3.4 µm (r.m.s.) のおよそ 2 倍になっている。

参考文献

また、磁極間隔 30 mm のスペクトルをより広い[1] S. Okuda, et al., Proceedings of the 24th Linear

範囲で測定したものを図 3 に示す。この図で興味深

Accelerator Meeting in Japan, Sapporo, July 7-9, 1999, p.164.

いのは 90 µm 付近に見られる小さなピークである。

[2] R. Kato, et al., Proceedings of the 24th Linear Accelerator

これは、100 µm の短波長カットフィルターを挿入

Meeting in Japan, Sapporo, July 7-9, 1999, p.54.

することによりこのピークだけがなくなることと、[3] T. Okita, et al., Proceedings of the 24th Linear Accelerator

基本波のピークが 180 µm 付近に存在することから、

Meeting in Japan, Sapporo, July 7-9, 1999, p.57.

2 次の SASE 光と推測される。通常、ウィグラー放[4] S. Okuda, et al., Nucl. Instr. and Meth. A331 (1993) 76.

射をビーム軸上で観測した場合、偶数次の光の位相は軸の左右で逆になるため、奇数次の光しか観測できないはずである。2 次光が観測されたということから、ビーム軸と光輸送の軸との間に僅かなずれがあるか、電子ビームの断面や磁場分布に非対称性が