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

早稲田大学における電子ビーム診断工藤経生 A)、川合啓 A)、黒田隆之助 A)、坂上和之 A)、濱義昌 A)、鷲尾方一 A)、柏木茂 B)
早野仁司 C)、浦川順治 C)
A)

早稲田大学理工学総合研究センター〒169-8555 東京都新宿区大久保 3-4-1
B)

大阪大学産業科学研究所量子ビーム発生科学研究分野〒567-0047 大阪府美穂ヶ丘 8-1
C)

高エネルギー加速器研究機構〒305-0081 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
フォトカソード RF 電子銃を用いた高品質電子ビーム生成及びそれを用いた応用実験を行う上で、加速器の最適パラメータを把握しておくことはきわめて重要な問題である。早稲田大学では、約 4MeV という電子ビームのエネルギーに適した電子ビーム診断技術の開発を目指して研究を行っている。現在までに、特にエミッタンスに注目して、空間電荷効果の影響が比較的少ないスリット法を採用し、電子ビームの横方向エミッタンスを測定してきた。今年度６月からは、新たに電子ビームのバンチ長を測定するために RF キッカー開発を行っている。本学会では、スリット法による横方向エミッタンスの測定結果と RF キッカーの開発過程について報告する。

ングル・スリット法、スリットを２枚使用し、ファラデーカップで電荷量を測定する方法をダブル・スリット法という。
（図１参照）

図１：スリット法の概念図

昨年度まではシングル・スリット法でエミッタンスを測定していたが、この場合、切り取られたビームの電荷量が弱いと蛍光スクリーンが光らないといった問題や電荷量1 はじめにが十分な場合でもビームが蛍光スクリーン上でにじんでしまい実際よりもビームサイズを大きく測定し、エミッタ
現在、早稲田大学では、フォトカソード RF 電子銃からンスを大きく算出してしまうなどの問題点がある。そこで生成された電子ビームをＸ線発生などの応用実験に用いることを目的として、電子ビームの高品質化を行っている。 今回は、ファラデーカップを用いてスリットで切り出された電子ビームの電荷量を測定するダブル・スリット法を取フォトカソード RF 電子銃によって生成された電子ビームり入れた。の品質は、レーザー入射位相、ソレノイド電磁石の磁場強度、ビーム電荷による空間電荷効果などに大きく左右され、
2.2 ダブル・スリット法
高品質電子ビーム生成のためには加速器の最適パラメータを把握することが重要である。
ダブル・スリット法を位相空間分布上で説明する。図２
エミッタンスの測定法としては、Q スキャン法が広く用の斜線部分がスリット１で切り取られた部分の電子ビーいられているが、早稲田大学の電子ビームのエネルギーはムである。スリット間がドリフトスペースだと仮定すると、
約 4MeV とあまり高くなく、空間電荷効果の影響が無視でスリット１で切り出された電子ビームは、スリット２に輸きなくなる。そこで、昨年度に引き続き、空間電荷効果に送される間に位相空間上で横に広がる。さらに、スリットよる測定誤差の少ないスリット・スキャン法（以下スリッ２で細かく小片に分割し、分割した小片の電荷量を測定し、ト法）を用いて横方向エミッタンスの測定を行ってきた。 それらを総合してスリット１上での運動量方向の強度分

2

スリット法

2.1

スリット法

スリット法とは、ビームライン上に設置されたスリットにより電子ビームを細かく切り取り、その下流で切り取られた電子ビームのプロファイル（形状）または電荷量を測定することにより電子ビームの位相空間分布（エミッタンス）を求める方法である。スリットを１枚だけ使用し、蛍光スクリーンでビームプロファイルを測定する方法をシ布を再現する。同様の事をスリット 1 を動かして測定すれば全体のエミッタンス（位相空間分布）が求まる。（図２参照）

図２：ダブル・スリット法による位相空間分布

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

3

実験結果

3.1

セットアップセットアップは図３のようになっている。カソードから95.5cm の位置にスリット 1（厚さ 1mm）を、117.5cm の位置にスリット 2（厚さ 2mm）を設置した。スリットはタングステンでできており、スリット幅は 200μm、スリットのスッテプ幅は 200μm とした。
図４：ソレノイド電流を変えたときの位相空間分布(A,B,Cは 100A,98A,96A（ダブル・スリット法で測定）、D は 96A（シングル・スリット法で測定）)

図３：セットアップ

3.2 シングル・スリット法とダブル・スリットの比較
まず、エミッタンス補正用ソレノイド電磁石の電流量を変えてシングル・スリット法とダブル・スリット法によりそれぞれの場合における電子ビームの横方向エミッタンスを測定しその比較を行った。
図４より、ソレノイド電流を変えることにより位相空間分布（エミッタンス）を制御できることがわかる[1]。また、
図４(C,D)は、ソレノイド電流量を同値にして、シングル・スリット法とダブル・スリット法で再現される位相空間分布を比較したものである。どちらの方法で測定しても位相空間分布やエミッタンス値の変化の傾向はほぼ同様になることがわかる。エミッタンスが小さくなるときは、シングル・スリット法とダブル・スリット法のエミッタンスの値の差が広がり、エミッタンスが大きくなっているあたりでは逆に差は縮まっている（図５参照）。これは、エミッタンスが小さいときは電子ビームも絞られるため、電荷密度が高くなり、蛍光スクリーン上でのビームのにじみの効果が大きくなり、シングル・スリット法ではエミッタンスを大きく算出してしまうと考えられる。またエミッタンスが小さいときは、電子ビームは広がっているため、蛍光スクリーンが発光せず、シングル・スリット法ではエミッタンスを小さく算出してしまうと考えられる。
この実験での電子ビームの電荷量は、１バンチあたり約0.5nC であった。

図５：ソレノイド電流 VS エミッタンス

3.3

レーザー入射位相とエミッタンスの関係

次に、カソード上でのレーザー入射位相を変化させ、各位相ごとにソレノイド電磁石の電流量を変えて、エミッタンスを測定した。今回は、すべてスリットのステップ幅を400μm にし、ダブル・スリット法でエミッタンスを測定した。
図６は、ソレノイド電流量を変えたときの横方向エミッタンスの変化を各位相ごとにプロットしたものである。
図７は、各位相ごとの横方向エミッタンスの最小値をプロットしたものである。

図６：ソレノイド電流量とエミッタンスの関係

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

図８は実際に HFSS で電磁場設計した図である。XY 平面にプロットされているものが電場であり、XZ 平面にプロットされているものが磁場である。空洞の中心部に近づくほど磁場が強くなっている。
電子ビームは紙面の手前から奥側へと輸送される過程で XZ 平面上の磁場で垂直方向に蹴られることになる。

図７：位相とエミッタンスの関係
図６より、電子ビームのエネルギーが異なると、エミッタンスが最適値をとるソレノイド電磁石の電流量も異なることが確認された。また、図７より、レーザー入射位相を大きくしていくと、エミッタンスも大きくなることがわかる。これは、レーザー入射位相を大きくしていくとショットキー効果によりビームの電荷量も大きくなり、空間電荷効果の影響が大きくなることと、空洞出口でのＲＦによるビーム発散の効果による影響のためと考えられる。

図８：ＲＦ空洞内の電磁場5まとめと今後の予定

早稲田大学では、今年度新たにダブル・スリット法を導入し横方向エミッタンスの測定を行った。今後は、スリットのステップ幅を小さくしたり、バックグラウンド除去方法を工夫したりして、測定精度を上げていく予定である。
また、電荷量を一定にしてレーザー入射位相を変化させ、4 バンチ長測定
横方向エミッタンスを測定し、ＲＦによるエミッタンス増大の影響も測定していく予定である。それとともに、シン4.1 ビームスペクトラム法
グル・スリット法でのスクリーンの滲みによる効果を消すために、ワイヤースキャン等の他の測定法でエミッタンスバンチ長を測定する方法のひとつにビームスペクトラを測定し、ダブル・スリット法で測定されるエミッタンス
ム法[2]がある。ビームスペクトラム法とは、電極により電と比較する予定である。
子ビームの信号を誘起し、それにより得られるビームスペまた、ＲＦ空洞を作成し、ＲＦキッカーを用いたバンチクトラムを解析することで、バンチ長を求めるものである。
長の測定を行い、ビームスペクトラム法の測定結果と比較
この方法は簡単にバンチ長を測定でき、常時モニターとししていく予定である。ては有効であるが、ビーム信号を解析し、RMS バンチ長を測定しているため、バンチの形状を測定することはできな
参考文献
い。

4.2

RF キッカーＲＦキッカー[3]とは、ＲＦ空洞内に生じた磁場（あるいは電場）によって電子ビームを横方向に回転させるようにキックすることで、時間方向の情報を空間情報に変換できるものである。
これによりキックされた電子ビームのプロファイルを下流に設置したプロファイルモニターで測定することで、バンチ長の測定が可能となる。早稲田大学では、
S-band(2856MHz)で共振する方形空洞に TM120 モードを立たせ、その中心部の水平方向に生じる磁場で、ビームに垂直方向の力を与えることによってバンチを傾かせ、バンチ長を測定する。
現在は、Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)を用いて、３次元電磁場設計を行っている。

[1] D.T. Palmer, Proceedings of PAC, 1997, p.2843[2] R. Kuroda, et al., Proceedings of EPAC, 2002. , 1783
[3] X.J. Wang, et al., Nucl. Instr. And Meth., A 356, 1995,
159-166