Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13A-04]

STUDY OF FREE ELECTRON LASER BY LINAC AT LASTI- LEENA PHOTO CATHODE LINEAR ACCELERATOR S.Miyamoto*), T.Inoue, S.Amano, H.Higashiuchi, D.Morishima, A.Shimoura, K.Fukugaki,M.YatsuzukaA), and T.Mochizuki
Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry (LASTI),
Himeji Institute of Technology (HIT), Koto 3-1-2, Kamigori-cho, Ako-gun, 678-1205 JAPANA)Facility of Electric Engineering, Himeji Institute of Technology (HIT)
Shosha 2167, Himeji-shi, Hyogo, 671-2201 JAPAN
Abstract
Small LINAC with photo-cathode RF gun will be started to operation at Lasti/HIT in Harima Science Garden city. It
will be used for studying bright RF gun, for operation of free electron laser and for studying interaction between matterand infrared light generated by FEL. Compton back scatter x-ray generation will be tested using a synchronized laser.

高度研におけるライナック自由電子レーザーの研究−LEENA光陰極線形加速器−
１．はじめにRF電子銃をフォトカソード動作で運転する電子源を用いることで、小型でシンプルな高性能ライナックを構成できる可能性がある。
姫路工業大学高度産業科学技術研究所ではRFフォトカソード電子銃小型ライナック(LEENA：
Laser Emitted ElectroN Accelerator）を用いて、赤外から遠赤外自由電子レーザ光源の開発、軟Ｘ線放射光との同時利用、およびそれらの産業応用研究を行う計画である。LEENAはこれまで、書写キャンパス（姫路市）に設置されており、放射線遮蔽の関係から6MeVまでの運転に制限していた。研究所の移転に伴い、現在は播磨科学公園都市キャンパスのニュースバル放射光施設内に移設を終え、今夏より15MeVまでの運転を始める予定である。
２．LEENAパラメーター
Table I に5.4MeVで動作したビームパラメーターを示す。カソードはLaB 6単結晶を用いた動作である。フォトカソード動作のレーザーパラメーターはTable II に示す。LaB6カソードでは、３倍高調波(波長351nm）を用いた。アルミターゲットからの光学遷移放射と高速ストリークカメラを用いて、ミクロパルス幅を計測した。ミクロパルスのピーク電流を、平均電流とミクロパルス幅からの計算すると、表のようになる。駆動レーザーエ
ネルギーおよび量子効率の制限から、フォトカソ*)S.Miyamoto, 0791-58-0462,

miyamoto@lasti.himeji-tech.ac.jp−68−

Table I. LEENA Performance
Operation energy
4 - 15 MeV
RF frequency
2856 MHz
Operation parameter @ 5.4MeV
RF gunThermionic/PhotocathodeEmittance ex (πmm• mrad)
10.2
4.6ey (πmm• mrad)
7.8
2.1
Energy spread%
1.81
Macro pulse lengthµs
36
Micro pulse length
ps30
16.6
Beam current
mA12010-30
Peak current
A≈1≥3
Macro repetition
Hz1
10
Table II. Photocathode drive laser system
Laser type
Micro Pulse width
Micro pulse separation
Macro pulse width
Macro repetition rate
Micro pulse energy1ω (1053 nm)
3ω (351 nm)
4ω (263 nm)

Nd:YLF oscillator+amp.
τ =14 pst = 11.2 ns
T = 10 µs
Rep=10 Hz
E=150 µJ (1.18 eV)
E3=3 (15) µJ (3.53 eV)
E4= 1 (5 )µJ (4.71 eV)

Table III. LEENA wiggler & resonator
λw=16mm
N=50
B=2 - 6.6 kG(K=0.3 -0.98)
Resonator
Au coated mirror
LengthL=3359 mm
Output hole
1-3mmφHalbach Type Wiggler

K=1, λw=16mm

100765432104681012Electron Energy (MeV)

14Fig.1 FEL wavelength on LEENA.
ードモードでのピーク電流は3A程度に制限されていたが、モードロックレーザー発振器のメンテナンスにより、最大５倍程度レーザーエネルギーを回復できたので、ピーク電流上昇試験を行っていく予定である。また、フォトニードルカソードを用いた高輝度電子源の開発も並行して進めている[1]。さらに、マクロパルスのトリガータイミングを電源周波数に同期させることにより、クライストロンのパルス毎の安定性を改善できた。また、
短時間では加速高周波とレーザーパルスのジッタ
ーは1ps程度を達成できているが、ケーブル系の温度変化等により、ゆっくりした位相シフトが発生する。このため、ビーム電流値を元に、位相シフターにフィードバックをかけて、安定化を行っている。
Table II に示すウィグラーを用い、電子エネル
ギー15MeVまでの動作で、波長10-100 µm領域(Fig.1) のFEL運転を行う予定である。この波長領域は、波長可変レーザー光源がほぼFELに限られるためこれを用いて、物質との相互作用や、遠赤外イメージングの可能性を調べる。
Fig.2には移設後の加速器及びレーザーシステム配置を示す。
３．FEL利得計算
ライナックFELの利得は次式で評価できる[2]。
G = (I / 754) λ/λ W N2K2 / (1 + K2 / 2)3 / 2 H C u(1)
C u = {J0(ξ) − J1(ξ)}2 , ξ =0. 25K2 / (1 + K2 / 2)

ここで、J0 及びJ1 は0次及び1次のベッセル関数である。有限なSlipage効果、ｴﾈﾙｷﾞｰ拡がり効果、ｴﾐｯﾀﾝｽの効果により、以下の利得低下が加わる。
Slipage効果
C c = 1 / (1 + N λ R / 3σz )(2)エネルギー拡がり効果
C e = 1 / (1 + 1. 7(4N σe )2)

LEENA室(遮蔽室)ComptonLalaser

Klystronpulser

Klystron
IR Spectrometer(3)

ST :Steering magnet
Q :Quadrapole magnet
CM:Current monitor
SM:Screen monitor
BM:Bending magnet
RF preamp

OSC2856MHz

1/32

89.25MHz

Photocathodedrivelaser

AmpforComptonlaser

FEL Resonator
BMCM

DUMP
SMWave guideWiggler
SMCMBM
FEL ResonatorST
Q ST
Q Q ST Q
BM
SM CM

STRFGunPhotocathodedrive Laser

Fig.2 Layout of RF Gun Linac (LEENA) at "Harima Science Garden City" site.

エミッタンス効果
C x = 1 / (1 + (2N π K (1 + K 2 / 2)ε n / λw)2)

Table IV. Laser system for Compton scattering

C y = 1 / (1 + 2(2N π K (1 + K 2 / 2)ε n / λw)2) (4)LEENA-FELにおいて、それぞれの効果で利得が1/2となる値を目安として求める。Slipage効果
は、波長が長い場合に顕著であるが、E=4MeV、K=1においても、パルス幅tp=9 psecで利得半減であるので、FEL波長が100 µm以上で考慮する必要がある。エネルギー拡がり効果による利得半減値
は、∆E=0.4%であり、現状の1%を改善することが利得改善に大きく効果あることが分かる。エミッタンス効果による利得半減値は、正規化エミッタンスで ε n =10π µm･radである。これは、実測エミッタンスの１／５程度であり、利得改善にはエミッタンス改善も主要課題である。フォトニード
ルカソードによるエミッタンス改善性能も調べる予定である。
４.レーザーコンプトン散乱X線源
LEENAはモードロックレーザーによる光電子を電子銃として利用するため、ビームに高精度で同期したレーザー光を容易に発生できる。このため、1.5GeV電子蓄積リングNewSUBARUでの逆コンプトン散乱実験の予備試験として、レーザーコンプトン散乱X線の発生と計測を試験する。逆コンプトン散乱光子エネルギーhωx は

hω x ≅ 4hωγ 2 /(1+ γ 2θ 2 )(5)となる。ここで、h ωは入射レーザーエネルギー、γは電子の相対論的係数、θは電子の初期進行方向に対する散乱光角度である。これからわかるように、散乱X線エネルギーは入射光子エネルギーに比例する。一方、電子エネルギーに対しては２乗で変化する。
例えば、LEENAの15MeV電子（γ＝30）でYLFレーザー光（波長1μm、h ωは約1.2eV）を散乱した場合、発生するX線は０度方向で約4keVの軟X線となる。
このようなコンプトン散乱断面積は、仁科Kleinの式で与えられる。LEENAの場合、発生X線エネルギーに対する微分散乱断面積は次のように表される。

dσ= 4π r0 2 (2ε 2 − 2ε + 1)dεε =S ω / ( S ω )(2)γγ θ = 0 は最大エネルギーに
ここで、対するX線エネルギーの割合。散乱断面積に、相互作用する電子と光子の数をかけ、電子ビームとAmplified laser for compton scattering
Laser type
Nd:Glass slab 4-pass amp.
Micro Pulse widthτ =14 ps
Macro pulse width
T = 10 µs
Macro repetition rate
Rep=1 Hz
Average power
P = 10 W
Micro pulse energy
E = 10 mJ (1053 nm)
レーザーが相互作用する断面積で割れば発生するX線の個数が求まる。１秒間に相互作用領域を通過する電子数はN e=I/e(electron/sec)、また光子数はN p =P/h ω(photon/sec)で与えられる。ここ
で、Ｉは電子ビーム電流、eは電子の電荷、Pは相互作用するレーザーパワー。電子ビームの相互作用断面積をS、レーザー光断面積は電子ビーム断面積と同じと仮定すれば、コンプトン散乱イールドY(photon/sec)は、

Y=N e N p dσSdε(6)で求められる。
LEENAで逆コンプトン散乱実験に用いるレーザーシステムをTable IV に示す。フォトカソード励起用レーザー(Nd:YLFレーザー)の基本波長の一部を取り出し、ガラススラブ増幅器で４パス増幅を行い、約200倍に増幅する。このレーザーを用いて、毎秒107程度の散乱X発生が可能である。発生するX線は、透過型グレーティング分光器あるいは結晶分光器とX線CCDカメラを組み合わせて、スペクトル計測を行う。
５．まとめ
LEENA小型ライナックはNewSUBARU放射光施設サイトに移設され、放射線発生装置使用許可取得後、電子ビーム性能改善と自由電子レーザー試験を行う。さらに、赤外光と物質の相互作用研究、同期増幅レーザーを用いた、逆コンプトン散乱X発生の予備実験を行う予定である。
参考文献[1] T.Inoue et al., this meeting.
[2]"入門自由電子レーザー", 日本原子力学会編(1995). G.Dattori and A.Renieri,"Experimental and theoretical aspects of thefree electron laser," in Laser Handbook Vol.4,
eds. M.L.Stitch and M.Bass (North-Holland,Amsterdam, 1985) p.25.