The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

日本大学電子線利用研究施設の現状
佐藤勇 A)、早川菅野浩一Ｂ)、境建 A)、田中俊成 A)、早川恭史 A)、横山和枝Ａ) 、武志Ｂ)、石渡謙一郎Ｂ)、中尾圭佐Ｂ)、長谷川崇Ｂ)、宮崎慎也Ｂ)、

福田茂樹 C)、榎本收志 C)、大沢 哲 C)、設楽哲夫 C) 、諏訪田 剛 C) 、古川和朗 C)、道園真一郎 C)
A)

日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎
B)
日本大学大学院理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎
C)

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
日本大学では、普通の電子線形加速器の高度化を進め、２００１年５月、１.５μm 波長の FEL 発振に成功したが、FEL 発振は非常に不安定であった。加速器とＦＥＬシステムの不安定要素が複雑に絡み合っていたが、これらの要因の１つ１つを克服し、２００３年９月には、１.２～５μm波長の FEL 発振安定化に成功し、１０月には、共同利用実験を開始する。

達し、且つ、発振も安定になった。念願の共同利用実験も間近に迫っていることを実感している。

2電子線形加速器の高度化

短波長ＦＥＬでは、低エミッタンス、高輝度、低分散で長パルスの電子ビームが安定に供給されなければ、その目的は達成できない。電子加速器を有する多くの研究機関が短波長ＦＥＬに挑戦し、大多数の研究機関が未だにその目的を達成できない状態にあり、或いは早々に撤退したのはこの理由による。
1 はじめに既設の電子加速器施設と普通の電子線形加速器を活用
1)
し短波長ＦＥＬに挑戦する日本大学計画は、建設費やマン
日本大学電子線利用研究施設(LEBRA) では、１９９４
年度に電子線形加速器と FEL 発生装置の建設 2,3)を開始し、 パワーも少なく、その実現化は困難を極めた。専門家の間では、無謀で実現不可能であろうとの世評もあった。
１９９８年１月９０MeV、２０mA の電子ビーム加速に成本研究施設では、寄せ集めの部品で構成された電子加速
功、同年２月、自発放射光を観測した。更に同年１０月入器で、どのようにしたら、高品質の電子ビームを加速でき射部集束系を強化し、電子ビームは２２０mA に達した。
るかが最大の研究課題であり、事実、多くの故障や予想外
しかしながら、短パルス用クライストロン（ＰＶ―３０３の障害に遭遇した。
０）を長パルスで使用する試みは出力窓が破損するために特に、クライストロン(PV-3030)は短パルス(2.5μS)用で困難を極めた。又、故障が多発し、電子ビームも不安定であり、パルス持続時間が 10μs を超えると出力窓は確実にあった。そこで、ＫＥＫの協力を得て、電子ビームの高性破損し、このクライストロンで短波長ＦＥＬに必要な２０能化と高安定化を目的とする加速器の高度化を進めるこμＳを確保する見通しは絶望的であった。その上、クライとになった。更に、１９９９年９月、アンジュレーターのストロンのヒーター絶縁トランス、パルストランス、バッ4）永久磁石が放射線損傷 を受け、使用が不可能になり、赤クダイオード等の構成部品に故障が続出し次々に破損し外線用永久磁石の製作を開始した。一方、同年１１月には、た。更に、加速器の動作が不安定でＦＥＬ発振に必要な基加速器運転中でも実験室で準備作業ができるように加速礎実験すらできない惨憺たる状態であった。
器室と実験室の間の放射線シールドを強化した。２０００
しかしながら、１９９９年２月にクライストロン（ＰＶ年３月に赤外線用アンジュレーター永久磁石が納入され、－３０３０）を長パルスで稼働させる方法を×ス化に成功
１.５μｍの赤外線ＦＥＬの基礎実験を再開した。
した。一方、同年 4 月、学術フロンティア推進事業が５年同年４月、学術フロンティア推進事業が認められ、新実2計画でスタートし、同年７月から１２月まで５ｹ月間、実、レーザービームライン、パラメトリ
験棟（１３２０m ）験棟増築工事のため、加速器運転を停止した。この期間に、
ックＸ線源、Ｘ線計測装置等の建設を開始し、２００１年懸案の加速器高度化が積極的に進められ、短波長ＦＥＬ実４月に完成した。
現の障害になっていた半導体高周波増幅器の位相シフト
この工事期間、加速器運転を一時停止したが、同年４月に再開し、同年５月には１.５μm のＦＥＬ発振に成功した。 化、熱陰極電子銃の低エミッタンス化、電子ビームの簡易エネルギー昇降化、ビーム位置モニター非破壊化等の改善
その後、ＦＥＬの強度は蓄積光の約１０8 を越えたが、Ｆ作業を実施した。更に、学術フロンティア推進事業のＦＥ
ＥＬ発振は不安定で継続できず、又、飽和には到らなかっＬビームライン、パラメトリックＸ線源、Ｘ線計測装置等た。ＦＥＬの不安定要因を、色々な角度から徹底的に追究の開発作業、並びに、長パルス大電力クライストロンの開し、２００３年９月には、１.２～５μm 波長領域でＦＥＬ
発、ＦＥＬ用ビーム拡張装置の開発、バンチ計測システム発振が実現し、そのエネルギーは最大３０ｍＪ／パルスにの整備等をＫＥＫの協力の下に平行して進められた。

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２００１年１月に加速器運転を再開し、クライストロンは懸案の出力電力×パルス持続時間×繰り返し数＝２０ＭＷ×２０μＳ×１２.５Ｈｚを達成し、パルス持続時間内の位相シフト量を縮小することは達成できたが、依然として、電子ビームは不安定であった。

3加速器の不安定要因

線形加速器の直線部では加速器の不安定要因は出現しにくいが、この電子ビームを電磁石で大きく偏向し軌道を厳しく制限すると、加速器の不安定性の要因は、ビーム軌道変動やビーム電流変動となって計測される。特に、日本大学のＦＥＬ装置には電子線形加速器の加速電子ビームが９０度偏向後に入射されるので、加速器の不安定要因が如実に現れる。
不安定性を詳細に分析すると、短時間変動と長時間変動に分類され、変動要因としては、電気的変動、機械的変動、室温や冷却水温度の変化等が、複雑に絡んでいた。特に、マクロパルス内の変動は半導体高周波増幅器の高周波位相変調、パルス毎の変動はＰＦＮとクライストロンのインピーダンス不整合（ミスマッチ）に加えてクライストロン・パルサーのＰＦＮへ充電中の直流高電圧変動が変動を更に増長させていたが、その他、色々な要因も含まれていた。

ンスのミスマッチと直流高電圧変動が主要因であり、微調整した結果、サイラトロンの遮断時刻の揺らぎは解消した。

「高圧直流電源の改造」
モジュレーターの高圧直流電源は３極真空管を使って高精度に制御されるので、パルサーには DeQ 回路を採用しなかった。しかし、サイラトロンが動作する直前の充電コンデンサー電圧は常に一定であったが、ＰＦＮ電圧は入力交流電圧変動に依存していた。負荷の電圧降下が大きいＰ
ＦＮ充電中は、高圧直流電源の電圧制御が不能になり、交流入力電圧変動に対応していなかった。充電コンデンサーを補充し負荷電圧降下を小さくし、高圧直流電源とパルス発生装置間のシリーズ抵抗を大きくした結果、パルス毎のビーム・エネルギー変動は大幅に改善された。

4

FEL 発振の不安定要因

交流入力電圧変動は全装置に共通する課題であり、ＦＥＬ発振以降は特に丹念に調査した。その結果、夜の 21 時から翌朝の９時まで約１２時間は、変動周期が早いことが明らかになり、この時間帯で自由電子レーザー発振の安定性を継続することは不可能であった。この異常電圧変動を東京電力と共同で調査したが、その原因の出所を突き止めることは出来なかった。又、全電源変動を同時に監視することは不可能であり、ビーム不安定に最も影響力の大きい装置を選択して、連続測定を行った。特に異常な電源は見付からなかった。

最初のＦＥＬ発振は、電子ビームのエネルギーが８６．
３MeV、ビーム電流が９０mA で達成された。しかし、発振状態は極めて不安定であった。
機械的変動の主要因は、光空洞共振器架台の脆性にあり振動は空調機や冷却装置に起因していた。
反射鏡には１.５μｍ波長で反射率が９９.５％の狭い帯域の誘電体多層膜を使用していたが、基本波レーザー強度が高まると３次高調波強度も高くなる現象が観測されていた。最も深刻な要因は、ＦＥＬ発振が強烈になった瞬時に発振が停止することであった。光空洞共振器のパラメーターを少しずらす再び発振するが、しかし、レーザーが飽和状態は観測できなかった。この一過性発振の要因は、光空洞共振器の反射鏡面が瞬時に破損するのではないかと推定したが、これは蓄積光の減衰から算出した反射率が時間経過と共に次第に低下する事実と矛盾していた。そこで、反射鏡を取り出して調べることになった。反射鏡は、上流下流ともに多層膜が痘痕状に破損していた。これは強いレーザー発振が継続できない大きな要因であった。

「高周波位相シフト」「光空洞共振器架台の強化」

クライストロンの前置増幅器である半導体高周波増幅器はパルスで動作するが、稼働して１０μＳを経過すると位相が約１０度ずれた。当面の対応策は、単位時間当たりの位相ずれを計測し、入力高周波位相を逆にシフトさせ、位相シフトを１度程度に押さえ込み、９０度偏向ビーム輸送路によるビーム損失は大幅に改善され、最初のＦＥＬ発振を可能にした。室温変動による遅い位相変化は位相負帰還回路を付け加えて抑制した。しかし、不規則であるが、パルス内とパルス毎の位相シフトは観測され、位相シフトの少ない半導体素子を用い長パルスでも位相シフト小さい高周波増幅器を開発し導入した。その結果、パルス内の高周波位相シフトは更に抑制され、パルス持続時間内のビーム・エネルギー変動 6)も改善された。

電磁石等の冷却水を循環させるとその振動が光空洞共振器反射鏡架台に伝達し、架台は最大振幅が 0.6μm 固有振動数が約８Hz で振動していた。
これは架台の剛性不足が原因であり、FEL 発振の不安定要因の１つになっていた。
光空洞共振器架台に鉄板を貼り付けた結果、最大振幅は２０ｎｍ、固有振動数は約３０Ｈｚになり、剛性は大幅に改善された。

電気的変動「交流入力電圧変動」「サイラトロン動作の揺らぎ対策」
クライストロンパルサーのサイラトロンは動作停止時
刻に揺らぎがあり、これがパルス電圧の要因と思われていたが、ＰＦＮインピーダンスとクライストロンインピーダ「ビーム電流の変動対策」
小径熱陰極の活用とウエーネルト構造の最適化によって、電子銃低エミッタンス化に成功しＦＥＬ発振に寄与した。しかし、不規則なビーム電流変動が観測され､電子銃の絶縁耐圧不足を示唆していた。電子銃の支持パイプを細くし放電耐圧を上げ、グリッド制御の応答時間を早まるよ
うに回路構成を改良し、ヒーター電流を空間電荷制限領域に設定し、更に、電子銃、イオンポンプを交換した結果、ビーム電流の鋸歯状変化は消滅し不規則なビーム電流変動は大幅に改善された。

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「ＦＥＬ発振の一過性対策」
光空洞共振器の反射鏡を大電力に耐性の高く可視光領域でも反射率が高い銀蒸着金属鏡に交換した結果、一過性のＦＥＬ発振現象は消失し、波長領域も１.３～５μｍに広がり、飽和と思われる現象も観測されており、発振は比較的安定になった。

参考文献

1) I.Sato, et al., Proc. of 22nd Linear Accelerator Meeting inJapan, 104-106 (1997).
2) K.Hayakawa, et al., Nucl.Instr.and Meth. A375,
ABS25-26(1996).
3) T.Tanaka,etal.,Nucl.Instr.andMeth.A407,II103-104(1998).
4)
I.Sato, et al., The 12th Sym. on Accel. Sci. and Tech.,
5 研究施設の現状
Riken,Japan, 37-39(1999).
１）３０ＭＷクライストロン(PV-3040N)テスト実験 5) Y.Hayakawa, et al., Nucl.Instr.and Mrth.A82002),Vol
483,1-2,pp.29-33.
クライストロンが破損し、新クライストロンに交換した。 6) K.Yokoyama,et.,Jpn.J.Appl.Phys.41(2002)pp-4758-4759
２０ＭＷ×２０μＳ×５Ｈｚの耐久テストをクリアした。

２）ビーム位置モニター
電子ビームの中心位置を±０.１ｍｍの精度で常時電子ビームの位置観測が可能である。電子線形加速器に４台、ＦＥＬシステムに４台が設置され、ＦＥＬ発振にその威力を遺憾なく発揮している。

３）レーザービーム輸送システム
ビーム・エックスパンダーが加速器室に設置され、ＦＥＬ発生装置と新実験棟のレーザー照射室を結ぶレーザービームラインが貫通した。特にビーム・エックスパンダーは、楕円鏡と放物線鏡の組み合わせ、レーザービームを平行ビームにする装置であり、優れた性能を発揮している。

４）パラメトリックＸ線源の整備
パラメトリックＸ線発生装置は既に完成し、加速器室に設置されており、このＸ線源を使う蛋白質Ｘ線構造解析装置やＸ線回折装置も既に導入された。Ｘ線ビームラインの放射線施設検査に合格後に、本格的テスト実験を行う予定
である。

6

おわりに

日本大学に於ける短波長ＦＥＬ計画は、高度利用研究を目的としており、ＦＥＬ実用化は必須条件であった。又、短波長 FEL の実用化には電子ビームの高性能、超安定、長パルス化が要求されるために、特に通常電子線形加速器の高度化による短波長 FEL 実用化は、予想以上に実現の壁が高かった。更に、通常の電子線形加速器性能限度を超え、これまでの加速器技術の常識が通用しない世界に踏み込んだ思いであった。
続発する故障や立ち塞がる性能限界に悩まされたが、これらの問題を１つ１つ克服し、短波長 FEL の実用化に耐えうる加速器が実現しつつある。