日大 LEBRA 電子線形加速器と光源の現状
STATUS OF ELECTRON LINAC OPERATION AND LIGHT SOURCE AT LEBRA INNIHON UNVERSITY野上杏子#, A), 早川建 A), 田中俊成 A), 早川恭史 A), 境武志 A), 中尾圭佐 A), 稲垣学 A), 高塚健人 A), 長島涼子 A),佐藤勇 A), 清紀弘 B)、小川博嗣 B)、榎本收志 C), 大澤哲 C), 福田茂樹 C), 設楽哲夫 C), 古川和朗 C),
道園真一郎 C), 土屋公央 C),山本樹 C)
Kyoko Nogami #, A), Ken Hayakawa A), Toshinari Tanaka A), Yasushi Hayakawa A), Takeshi Sakai A), Keisuke Nakao A),
Manabu Inagaki A), Kento Takatsuka A), Ryoko Nagasima A), Isamu Sato A), Norihiro Sei B), Hiroshi Ogawa B), AtsushiEnomoto C), Satoshi Ohsawa C), Shigeki Fukuda C), Tetsuo Shidara C), Kazuro Furukawa C), Shinichiro Michizono C),
Kimichika Tsuchiya C), Shigeru Yamamoto C)
A)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon UniversityB)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)C)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
The 125 MeV electron linac at Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) operated
approximately 1740 hr in 2014. The electron beam acceleration time was approximately 910 hr, which is about 10 %longer than that in 2013. The klystrons have been operated for some time at an RF pulse width of 12 – 16 s for user’s
experiments using free electron laser (FEL) in order to avoid frequent electric breakdown at the output RF window.
Leakage was found in the ceramic vacuum tube which was located upstream of the the first regular accelerating tube in
July 2014 and was recovered in October 2014. Based on the development of the terahertz-wave source that was begun in2010 in collaboration with AIST, the coherent synchrotron radiation generated at the FEL electron beam line has been
served for user’s experiments since 2012. The properties of the terahertz-waves generated at the PXR line have beenstudied as shorter-wavelength terahertz sources.

1. はじめに日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）では、125 MeV 電子線形加速器を基に発生させた自由電子レーザー（FEL）とパラメトリック X 線放射（PXR）の共同利用を、2004 年より行っている。これまで近赤外 FEL（1300～6000 nm）と非線形光学結晶を用いた可視光領域高調波（400～1200 nm）および 5‐34
keV の PXR の利用が進められてきた[1]。また、2012年度に THz 光の取り出しビームラインを整備し、基礎研究に加え THz 光を利用した応用実験も行われている[2-4]。リニアック電子銃のバーストモードビー
ム引出しが可能となってからは、通常のマクロパルスモード（フルバンチモード）とバーストモードの重畳加速による高い FEL 発振強度を利用した実験も行われている。

2. 加速器稼働時間とビーム・光源利用

Figure 1: Statistics of the monthly machine operation
time in terms of the klystron heater power supplies, thehigh voltage applied to the klystrons, and the beamacceleration, respectively.

Figure 1 に 2014 年度の月別加速器運転時間の推移 月にクライストロン通電時間および高圧印加時間がを示す。図では各月のクライストロン 1 号機および 増加しているが、これは 2013 年に起きたクライスト
2 号機の通電時間（青）、1 号機高圧印加時間（赤）、 ロン 1 号機 RF 出力窓での頻繁な放電が再発し、ク2 号機高圧印加時間（緑）、ビーム加速時間（黄） ライストロンエージングに時間を費やしたためであが示されている。例年 8 月は夏期休業があり、この る。もともと RF パルス幅の短い PXR 発生では利用時期を利用してメンテナンスなどを行うため、他の 実験に支障がなかったが、FEL 発生では RF 出力窓月より運転時間が短くなっている。また、2014 年 10 の放電頻度を減少させ、かつ FEL 発振が可能な条件___________________________________________# nogami@lebra.nihon-u.ac.jp

を満たすよう RF パルス幅を狭めることで利用実験に対応し、実験の合間にエージングを継続した。
2014 年度における加速器の稼働日数は 180 日、加速器運転時間は 1740 時間で、例年とほぼ同程度の稼働時間であった。さらに、電子ビーム加速時間は約914 時間であった。Figure 2 に利用目的別のクライス
トロン通電時間の割合（外円）と電子ビーム加速時間（内円）を示す。2014 年度はクライストロンのRF 出力窓の放電が発生したもののユーザー実験を優先させたため、調整および利用時間は前年に比べて10 %ほど増加している。また、PXR ラインで発生する THz 光に関する基礎研究は試験・調整運転としているので、その時間が増えている。

Figure 2: Share of the machine time for each application(outer circle), and the performance of the beam
acceleration time spent for a variety of experiments(inner circle).

3. 電子線形加速器の真空トラブル

エージングを行い、2014 年 1 月末に漸く安定に動作するに至った。しかし、2014 年 9 月末に再びクライストロン 1 号機 RF 出力窓での放電が頻発するようになった。RF パルス幅を短くすると放電の頻度が減少したので、このときには RF パルス幅を FEL 発振が可能な範囲で狭くし（12～16 s）、ユーザーの利用実験が継続できるよう対応した。また、ユーザー実験がないときはクライストロンのエージングに時間を費やした。その後、RF 出力窓の放電はほぼ起こらなくなったので RF パルス幅 20 s で電子ビーム加速を行っている。2015 年にもこのような現象が再発しており、同じような対応をしながら加速器を稼働させているが、この放電を繰り返す原因の究明が必要である。

Figure 3: The behavior of the vacuum in the ion pumps
obtained from the records of the ion pump currents. The
data stored in the database (DB) system was averaged
every 1 month.

3.1 加速管の真空度
この約 10 年間、1 本目のレギュラー加速管を真空 4. PXR ラインにおける THz 光源の開発に引いているイオンポンプ（ACC#1）の電流は他の箇所、特にその下流部 3 本目の加速管付近のイオン 4.1 放射過程と基礎研究ポンプ（ACC#2）の電流に比べて明らかに多かった。 2010 年から産業技術総合研究所と共同で進めてき2014 年 7 月のリーク探査の結果、バンチャー加速管 た THz 光源開発においては、FEL アンジュレータに下流のコアモニタ用セラミックダクト接合部での 電子ビームを導く 45°偏向電磁石（Figure 4 の赤丸リークが原因であることが判明した[1]。Figure 3 に で示す）で発生する THz 領域（0.1~0.3 THz）のコ
2014 年 6 月以降の ACC#1 および ACC#2 で得られた ヒーレントシンクロトロン放射（CSR）の利用に向真空度の経過を示す。リーク部を特定した直後は、 けて、専用の取り出しビームラインが 2012 年に整備応急処置として真空用シリコングリースの塗布を試 され、THz 光を FEL 輸送ラインに導光することで実し効果はあったが、同年 9 月末に再び真空度が悪化 験室での利用を可能にした[4,5]。さらに、PXR 発生したため、結局セラミックダクトを交換した。これ 装置の前後にある 45°偏向電磁石（Figure 4 の緑丸により以前と比べて 1 桁以上真空度が改善した。そ で示す）でも CSR は発生しており、現在これを新たの後、緩やかな変化はあるものの、加速管の真空度 な光源として整備することを目指している。PXR 発は概ね良好に維持されている。
生ライン上の電子ビームは、入射ラインのバンチ磁
3.2

クライストロン RF 出力窓の放電

2013 年 10 月にクライストロン 1 号機を交換したが、2013 年 11 月末には RF 出力窓の放電が頻発するようになった。RF パルス幅の狭い PXR 利用実験は実施できたが、パルス幅 20 s での FEL 発振は困難であったため、利用実験よりクライストロンのエージングを優先させた。約 2 ヶ月クライストロンの気圧縮効果を用いて、FEL ライン入射前に比べて短バンチに出来るため、より短波長の THz 光が期待できる。また、予備的な実験結果として THz 光の強度は予測の数倍あり、FEL 入射ラインより高強度であった。これは CSR に加えコヒーレントエッジ放射（CER）も混合して観測されたことが原因であると考えられた。そこで、様々な条件の下で偏光の違いによる空間分布の振る舞いを測定することによって、 5. まとめ
THz 光発生箇所に対応した放射過程（CSR または2014 年 7 月に 1 本目加速管の上流にあるセラミッCER）の同定を試みたが、まだ明確な結果は得られクダクトにリークが発見され、同年10 月初めに交換ていない[6]。
を行った。これにより加速管の真空度は、以前の真PXR ラインでは偏光電磁石で発生する CSR（または CER）以外に、電子ビームライン上にターゲット 空度より 1 桁以上改善され、現在では緩やかな変化となる結晶を挿入することで遷移放射（CTR）によ はあるものの良好な真空度が維持されている。また、
る THz 光を発生させることができる（Figure 4 の青 2013 年に交換したクライストロン 1 号機の RF 出力丸の位置）。そこで、PXR 用 Si ターゲットで発生す 窓での放電が、2014 および 2015 年の一時期にも頻る CTR に加えて、その下流にあるスクリーンモニタ 発し、解消するまで数ヶ月エージングに費やすことを流用して新たなターゲットを設置し、ここで CTR になった。この期間は RF パルス幅 20 s で電子ビーによる THz 光の発生を可能にした[7]。ターゲットに ム加速が困難になったが、RF パルス幅を狭くするこは Ti 箔（厚さ 50 m、直径 40 mm）を採用している。 とによって FEL 利用実験に対応した。
2010 年から産業技術総合研究所と共同で進めてき4.2 実用化に向けた整備
たTHz 光源の開発研究では、2012 年から FEL ライ初期の基礎実験の結果から、PXR ラインで発生すンで発生したTHz 光（CSR）の利用実験に活用される THz 光は光源としての利用が十分期待できる。している。短バンチの電子ビームからのTHz 光発生がかし、現状では THz 光の強度や空間分布などの基礎特性の測定は加速器本体室に検出器を設置して行っ 可能な PXR ラインでは、より短波長の THz 光（CSR、ているため、このままでは様々な利用実験への実用 CER および CTR）が発生しており、今後、光源とし化が難しい。そこで、偏向電磁石および Ti 箔で発生 ての利用を目指し整備を進める予定である。
する THz 光を、PXR 発生装置の下流にある真空槽を改良し PXR 輸送ラインに導光することを検討してい 参考文献
る[8,9]。また、PXR 用 Si ターゲット結晶で発生した [1] K.Nogami et al., “STATUS OF ELECTRON LINAC
THz 光は、X 線反射用結晶（第 2 結晶）で反射させ
OPERATION AT LEBRA IN NIHON UNIVERSITY”,
ると PXR 出力ポートから取り出せる。そこで、2015
Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, p.380, 2014
年 2 月、Ti 箔を設置するとともに PXR 発生装置出口[2]N.Sei et al., “Development of Intense Terahertz-waveに集光用ホーンを取り付け基礎実験を進めている。
Coherent Synchrotron Radiations at LEBRA”, Proceedings
今後、基礎実験とともに利用に向けた整備を進めてof FEL2012, p.480, 2012
いく予定である。
[3] N.Sei et al., “Observation of intense terahertz-wave coherent

Figure 4: Top view of the accelerator facility illustrating
the position of the sources and the transportation linesof the terahertz-waves.

synchrotron radiation at LEBRA”, Journal of Physics D:
Applied Physics, 46, 045104, 2013[4] N.Sei et al., “Characteristics of the transported terahertz-wave
coherent synchrotron radiation at LEBRA”, Proceedings ofFEL2014, p.541, 2014[5] N.Sei et al., “Complex light source composed fromsubterahertz-wave coherent synchrotron radiation and an
infrared free-electron laser at the Laboratory for Electron
Beam Research and Application”, J. Opt. Soc. Am. B, 31,
p.2150, 2014[6] K.Nakao et al., “MEASUREMENT OF INTENSITY
DISTRIBUTION OF CSR IN LEBRA PXR BEAMLINE”,
Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, p.1006, 2014[7] N.Sei et al., “Development of coherent terahertz wave sources
using LEBRA and KU-FEL S-band linacs”, submitted toFEL2015, 2015[8] Y.Hayakawa et al., “CONCEPT DESIGN OF A THz
BEAMLINE SUPERIMPOSED ON AN X-RAY
BEAMLINE AT LEBRA”, Proceedings of the 12th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Tsuruga,
Aug. 5-7, 2015[9] Y.Hayakawa et al., “Project of the superposing beamline forparametric X-ray radiation and coherent transition in THz
region at LEBRA”, RREPS-15 (2015)