KU-FEL 計画

概要と現状

山崎 鉄夫1，大垣 英明，紀井 俊輝，増田 開，留高 烈，山根 功士朗，松村 慎也，高松 輝久，督 寿之，吉川 潔
京都大学エネルギー理工学研究所〒611-0011 京都府宇治市五ヶ庄

概要
京都大学エネルギー理工学研究所においては，エネルギー科学研究のための，小型で経済的な赤外〜遠赤外領域での自由電子レーザー装置を建設中である。本報告においては，全体計画の概要，計画の進捗状況に関して簡単に述べる。

１．はじめにFEL の波長可変性に代表される長所は，最近では広く知られているが，装置が大型で高価になることから，利用面では意外に進んでいない。当所では，大学の研究所レベル，産業界において使用可能な小型で経済的な自由電子レーザー（free-electron laser,FEL）装置の研究・開発を進めている。FEL は，当面当所におけるエネルギー科学研究等に使用される予定である。勿論，将来的には所外，学外のユーザも視野に入れている。FEL の波長範囲は赤外〜遠赤外領域を目標にしている。計画の概要を図１に示す。S
バンド 4.5 空胴高周波電子銃によって入射部の小型化を図り，FEL 発生後の電子ビームをリニアック加速管に戻してエネルギー回収を行う。エネルギー効率を上げることが目的ではあるが，常伝導リニアックを使用するので，回収率はそれ程期待できず，むしろ放射線遮蔽の負担を軽減することに主眼を置く。
偏光可変な FEL を考えているが，偏光可変アンジュレータを使用するか，外部で偏光可変にするかは未定である。また，通常大強度になるに従って FEL のバンド幅が広がるが，将来的には図１に示した 2 段
階の MOPA（master oscillator and power amplifier）方式等によってバンド幅を狭めることも考えている。
また，逆 Compton 散乱によって高輝度準単色 X 線を発生させることも計画しているが，この方式の短所である低収率を改善するために，FEL そのものをレーザーとして使用することを考えている。

１．リニアック加速器としては，当所において開発してきた 4.5
空胴高周波電子銃と 3 m のリニアック加速管を準備している。高周波電源は，RF 電子銃と加速管とはTrigger
Generator
Modulator

Modulator

existing
Klystron

Application
Room
X-RAY
BEAM

SingalGenerator

Klystron

RF GunFELin
preparation

Accelerator

PZT II

Undulator II

Undulator I

Amplifier

Main
Oscillator
PZT I

図１
1

E-mail: yamazaki@iae.kyoto-u.ac.jp

KU-FEL 計画概念図

用したものである。クライストロン電源は，高周波電子銃用，加速管用共に日新電機社製のもので，比較的小型で，かつ PFN 出力波形はモータ駆動によって遠隔調整が可能で，従って電子ビーム波形を観測しながら波形を調整することが可能ある。表１にある電子ビームのパラメータは予測値であり，確認したものではない。

別々のものを使用する。

2.1 高周波電子銃入射器は，当所において開発してきた S バンド 4.5
空胴高周波電子銃 [1] を使用する。クライストロン
は 10 MW の Thomson TV2019B6 を使用している。カ
ソードは可能な限り現在の熱陰極型を使用したいと考えている。光陰極も考慮に入れてはいるが，レー表１ 加速管，電子ビームのパラメータ
ザーが高価になり，また現状では高輝度にするほど加速管寿命が短い。電子銃内における電子ビームの挙動は，周波数2856 MHz
当所において開発されたシミュレーション･コード
構造定勾配によって計算がなされている [2]。当所では，既にこモード2/3 πの電子銃によって 9 MeV 程度までの電子加速を行い，有効長2.9 m
図２に示す電子ビーム診断系において，電子ビームディスク内径25.00~21.84 mmφのスペクトル，プロフィール等の測定を行っている。
高周波源
エミッタンスの測定は現在進行中である（本研究会
クライストロン
三菱 PV-3030
8P-25 参照）。
ピーク出力20 MW
熱陰極型高周波電子銃の最大の短所は逆加速電子
マクロパルス幅< 10 µsec
によるカソードのヒーティングであり，当所においパルス繰返し≤10 ppsても重大な問題となっているが，当所ではその定量クライストロン電源的な測定を行い，解決法を模索している [3]。カソー
パルス幅< 10 µsec
ドの表面温度は，赤外線温度計によって計測され，リップル<
0.3 % p-p
その結果と上記シミュレーションによって，逆流電電子ビーム子ビームのパワーを定量的に算出することに成功し，エネルギー
20 ~ 40 MeV
当然ではあるが，逆流電子による影響が深刻であこ
ビームサイズ1 × 1 mm FWHMとが判明している。また，逆流電子の抑制法を試験
ミクロバンチ長<10 psec
しているが，これらの研究の最近の進展に関しては，
エネルギー幅~1.5 %本研究会の 7P-16 を参照されたい。
高周波電子銃からリニアック加速管までのアクロ
マティックなビーム輸送系の，電磁石等の部品は準本計画において FEL に使用される電子エネルギー備完了しているが，現在はまだ加速管まで接続しては，2 段階方式による大出力化や FEL 逆コンプトンおらず，図２の配置によって実験を行っている。エ
散乱を考慮しても，高々2 %である。従って，将来はネルギースペクトルは，偏向電磁石と輸送系に置か使用済みの電子を加速管の減速位相に再入射してエれたスリットによって測定しているが，加速管に入ネルギー回収することを計画している。S バンド常伝
導リニアックにおけるエネルギー回収の研究に関し
Beam-Current
Beam-Profilet
MonitorMonitorては，7P-26 を参照されたい。常伝導リニアックにおQ1Q2
いては，加速管壁における高周波の熱損失が大きく，
CT1RF Gun
BPM1
BPM2FC1
もとより高い回収率は期待できないが，低エネルギ
S1S2ーになったビームをビームダンプに入れるので，放B
Quadrupole
Ben 1射線遮蔽の負担は大幅に軽減できるものと期待してSteering CoildFaradayCMagnet
Ma inggnet
いる。さらに遠い将来計画としては，超伝導リニア
S

S1 lit1mFC2CT3

klystron modulator(existing)

図２

高周波電子銃ビーム診断系

buildingwallshieldingwall

RF gun(existing)

る電子ビームのエネルギー選別も，このスリットによって行われる。4.5 空胴高周波電子銃での加速の結果，電子ビームエネルギーが数 MeV になり，α電磁石を使用すると大きくなり過ぎるのでこの方式を選んだ。

shieldingwall

acceleratotdecelerator
beam transporting
systemwaveguides

FEL application

2.1 リニアック加速管
リニアック加速管，高周波源，電子ビームの主要パラメータを表１に示す。加速管は電総研から，クライストロンは高エネルギー加速器研究機構から借opticalcavity

klystron modulator(existing)undulator

図３

KU-FEL 配置図（近未来）

ックを使用することも視野に入れている。
リニアック通過後の電子ビームは，当面の計画を示す図３に見られるように，60º偏向磁石と四重極電磁石によるアクロマティックな輸送系を通してアンジュレータに入射される。この図では，エネルギー回収の基礎実験までは考慮されているが，FEL 逆コンプトン散乱に関しては描かれていない。

３．自由電子レーザー

3.2 光学系
光共振器，光測定系に関しては，あまり設計が進んでいない。光共振器長に関しては，上記 FELI と東大のグループの実験 [5] 同様 3.78 m を予定している。
ミラーの曲率，出力結合等の詳細は，上記 FEL シミュレーションによって決定する予定である。アンジュレータ放射，FEL の出力，スペクトルの測定系に関しても，未定である。

４．おわりに

3.1 アンジュレータ

以上，KU-FEL 計画の概要と現状に関して簡単に述
本計画では，偏光可変 FEL を目標にしている。アべた。現在文部科学省への使用施設変更申請を進めンジュレータ自体を偏光可変型とする場合，小貫型ているところであり，許可が降り次第設置を開始すと APPLE-II 型が候補として挙げられ，短周期にするる予定である。
場合は後者がやや有利と考えられるが，いずれにせ最初に述べたように，FEL の利用に関しては，当よ相当の困難が予想される。その場合は，外部にお面当所内のグループとの協力によって進めることをいて何らかの方法で偏向を変えることが考えられる考えている。当所では，炭酸ガス等の環境有害物質が，FEL 強度の問題と共に，赤外〜遠赤外領域で適を光触媒反応によって有用物質に変換する研究，生切な素子があるかどうかが鍵である。この場合，当体研究，核融合炉材料の研究等を行っているグルー所において研究を行っている staggered array 型アンプがあり，FEL の高選択性を利用して，それらの研ジュレータ [4] の使用も考えられる。
究において協力できるものと期待している。研究所
当所では，当面は旧自由電子レーザ研究所（FELI，内外の利用者も歓迎する。
現大阪大学工学研究科自由電子レーザー研究施設iFEL）と東大のグループの東大原子力施設のリニア謝辞
ックにおける発振実験の折に使用したアンジュレー
本計画においては，京都大学化学研究所の野田章タを使用する予定である。このアンジュレータは
Nd-Fe 系のもので，横型であるが，構造に関しては， 氏，岩下芳久氏，白井敏之氏，京都大学工学研究科
量子理工学研究実験センターの吉田紘二氏，産業技文献 [5] を参照されたい。周期長 40 mm，周期数 40
術総合研究所の三角智久氏，大阪大学工学研究科のである。ただし，これはギャップ間隔が固定のもの粟津邦夫氏，経済産業省資源エネルギー庁の西村栄であったので，当所において可変になるように改造
一氏，日新電機（株）の大下英次氏，当研究所の西した。ギャップ間隔が改造前の 26 mm の場合の FEL
之園善之氏をはじめとする多くの方々の御協力をい波長と理想的ゲインを図４に示す。ゲインに関してただいている。
は，単なる 1 次元計算の結果であり，重畳因子，電子ビームパラメータ等はまったく考慮されていない。
当所では，計画に沿った FEL のシミュレーションを参考文献開始しているので，詳細は 8P-6 を参照されたい。
[1] Y. Yamamoto, T. Inamasu, K. Masuda, M. Sobajima,
前述のように，偏光可変 FEL に関しては，次のス
M. Ohnishi, K. Yoshikawa, H. Toku and E. Tanabe: Nucl.
テップで考慮する。
Instr. & Meth., A393, 443-446 (1997).
[2] K. Masuda, K. Yoshikawa, M. Ohnishi, Y.
Yamamoto, H. Toku, M. Sobajima and J. Kitagaki: IEEE
1010Trans. on Microwave Theory & Tech., 46, No. 8,1180-1182 (1998).
[3] T. Kii, T. Yamaguchi, R. Ikeda, Z. Dong, K. Masuda,H. Toku, K. Yoshikawa, and T. Yamazaki: Nucl. Instr. &1011GAIN

10010-1GAINWAVELENGTH ( µm)

2WAVELENGTH

100203040

ELECTRON ENERGY (MeV)

図４KU-FEL における FEL 波長と理想的ゲイン

Meth, A475 (2001) 588.
[4] K. Masuda, J. Kitagaki, Z. Dong, T. Kii, T. Yamazaki, andK. Yoshikawa: Nucl. Instr. & Meth, A475 (2001) 608; J.
Kitagaki, K. Masuda, Z. Dong, T. Kii, T. Yamazaki, and K.
Yoshikawa: ibid., 613.
[5] E. Nishimura, K. Saeki, S. Abe, A Kobayashi, Y Morii, T.
Keishi, T. Tomimasu, R. Hajima, T. Hara, H. Ohashi, M.
Akiyama, S. Kondo, Y. Yoshida, T. Ueda, T. Kobayashi, M.
Uesaka, and K. Miya: Nucl. Instr. & Meth, A341 (1994) 39.