FEL-SUT における遠赤外自由電子レーザの設計・製作
小池英仁 A)、 傍島正明 A)、Vasilly M. Popik B)、横山稔 A)、河合正之 A)、
豊田浩一 B)、黒田晴雄 B)、中井浩二 B)
A)

川崎重工業株式会社〒278-8585
B)

東京理科大学総合研究所〒278-8510

技術研究所

千葉県野田市二ツ塚 118
赤外自由電子レーザー研究センター

千葉県野田市山崎 2641

概要

た FIR-FEL 装置について述べる。

東京理科大学と川崎重工業（株）の共同開発グループは発振波長域 300〜1000µm をターゲットとした遠赤外自由電子レーザ（FIR-FEL）の設計を 2000 年に完了し、2002 年 4 月に東京理科大学赤外自由電子レーザ研究センターに設置を完了した。本 FIR-FEL
装置は S バンドリニアックで加速された電子ビームを導波管型共振器内で FEL 光を増幅させるための構成となっている。

２．導波管をもちいた共振器
S バンドリニアックを用いて生成される電子ビームのミクロバンチ長は数ピコ秒と短く、特に長波長領域では電子の併進速度と光の郡速度の相違から生じるスリッページが問題となる。本設計の FIR-FEL
では郡速度を遅延させる目的で導波管を適用した。
さらに、導波管の適用は長波長領域の回折を低減させ、さらにフィリングファクターや電子の感じる電場を強める。
導波管の間隙は 4.5mm であり、K 値 3.4 でゼロスリッページ状態になるように決定した。ゼロスリッ
ページでの現象はフラスカチにて実験的、解析的に研究され、2.4mm 付近で発振に成功している［3］。
導波管間隙 4.5mm にて波長域 300〜1000µm の発振を達成するために電子ビームエネルギー10MeV、アンジュレータ周期長 70mm（アンジュレータ周期数25）と決定した。
また、4.5mm の導波管内面間にこれと同程度の厚みをもつ円筒ミラーを挿入する共振器構造となっており、アンジュレータチャンバの外にミラーを設置するタイプの共振器で起こり得る損失を低減させる構造である。ミラーと導波管の隙間から生じる損失はせいぜい数％と見積もられる。

１．はじめにFEL−SUT は川崎重工業（株）が設計・製作した S
バンドリニアックを用いた中赤外域（４〜16 µm）に発振領域をもつ中赤外自由電子レーザ（MIR-FEL）の初発振を 2000 年 6 月に達成した。その後、2001
年 6 月より波長域４〜16 µm の FEL 光をユーザーへ供給するユーザー運転を開始している［1］。
FIR-FEL は MIR-FEL で用いている RF 源を共有するかたちで設計された。（主な構成を Figure1 に RF切替器部を図 2 に示す） S バンドを用いたリニアッ
クを用いた長波長領域で問題となるスリッページ、長波長領域での回折の問題を低減するためにアンジュレータ間に設置する真空チャンバを導波管構造としたことに特徴を有する［2］。ここでは、製作されalpha-M

QM QM QMCM GV STQM QM BM BM BM BM

ST

1.5M ACC
LASER
OUT ⇒

GV

QM QM

QM
QM

STGUN
BMGUN
ACC

Kawasaki RF Gun
accelerator tube

UNDU
QM

undulator
quad. magnet

BMbend. magnet

STsteering coilST

GV BPM CM

ST

BPM

ST

UNDU

BPM

BPM

MR-A
CM

current monitor

BPM

position monitor

GVgate vulve
mirror control

MR-A
MR-B

mirror control(mirror with a hole)

Figure 1 Schematic view of FIR-FEL at FEL-SUTBM
BPM
MR-B
LASER
OUT ⇒CMBPM
BEAM
DUMP

↓α電磁石RF ガン

Table 1

Design parameters of FIR-FEL at FEL-SUTFEL radiation
300〜1000µm

Energy after RF Gun〜1.9

MeV

Energy after Accelerator

10MeV

Macropulse current

150mA

Energy spread (fwhm)

2.0%

Normalized emittance

30mm-mrad

Wavelength
Electron Beam
RF 切替機加速管
MIRMIR-FEL

Figure2

FIRFIR-FEL

MIR（（左）FEL および FIR（右）（右）-FEL（右）Undulator

３．加速部の特徴

Type

HalbachFigure1 のとおり、FIR-FEL の加速器部は MIR-FELの加速器部と同じ構成であり、熱陰極 RF ガン、アルファ電磁石、全長 1.5ｍの加速管で構成されている。
クライストロンからの 45MW パワーは RF 切替器にて MIR-FEL か FIR-FEL のいずれかの装置に供給される。
電子ビームの性質は 32-40MeV リニアックを用いた MIR-FEL の実験結果より予想することが可能である。熱陰極 RF ガンは最大約 1.9MeV まで初段加速可能であり、1.5ｍ加速管は初段加速された電子ビームを最大 15MeV まで加速することができる。アルファ
電磁石内のビームスリットにて低エネルギービームをカットした後でマクロパルス 5.5µs、マクロパルス電流 150mA、エネルギー幅約 200keV を得ることが可能である。
なお、MARKⅢでは同様の構成にて 0.7ps 以下のミクロバンチを得ているように［3］、ミクロバンチ長はアルファ電磁石およびシケイン電磁石の磁場調整により 1〜10ps 程度で可変であると考えられる。

Period70

Number of periods

25K value

2.0〜3.4

４．まとめ
東京理科大学と川崎重工業（株）の共同開発グループは発振波長域 300〜1000µm をターゲットとした
遠赤外自由電子レーザ（FIR-FEL）の設計を 2000 年に完了し、2002 年 4 月に東京理科大学赤外自由電子
レーザ研究センターに設置を完了した。

mm

Optical Cavity
Waveguide size ( Y×X )4.5×70mm2

Mirror Curvature

2.0m

Cavity length

2.5m

Coupling hole

〜1.5mm

設計・製作した導波管およびミラー構造はスリッ
ページ、回折損失を低減する。
まお、本装置は 2002 年８月ごろより運転調整を開始する予定である。

参考文献[1] M. Yokoyama, F. Oda, K. Nomaru, H. Koike, M. Sobajima,
M. Kawai, H. Kuroda, Proceeding of the 23th. International
FEL conference[2] G.P. Gallerano, A. Doria, E. Giovenale and A. Renieri,Infrared Phys. 40 (1999) 161[3] E.B. Szarmes, A.D. Madden, J.M.J. Madey, Nucl. Instr. andMeth. A358 (1995) 220-223