RF«GUN USING LASER-TRIGGERED PHOTOCATHODE
食H. Akiyama, Y. Otak©9T. Naito, Y. Takeuchi andYoshioka

KEK, National Laboratory for High Energy Physics,

1-1, O h o 9Tsukuba, ibaraki, #305, Japan
食The Graduate University for Advanced Studies
1-1，Oho, Tsukuba, Ibaraki, #305, JapanAbstract
The high current and low emittance beam is required for JL C (Japan Linear Collider). An RF-gun
using laser-triggered photocathod© is being developed to generate th© beam of JLC. We fabricateda pillbox type hatf cell cavity at 2856 MHz and have processed ftup to the accelerating vottage of 40
MV/m. An RF-gun Is triggered by laser pulses with short pulse width of less than 10 psec, which iscomisted of a Nd:YAG mode»Iock©d laser and a puls© compressor system using optical fiber andgratings. A pl^ase^ock system of th© mod.lock©d laser and a klystron is also developed. This report
describes aboirt the R F system, th© laser system and th© beam dynamics.

レ ー ザ ー と フ ォ 卜 力 ソ ードを用いた R F 電 子 銃1•緒专
JLC で は 図 1 に示すような構造の短パルス、低エミッタンスのビームが要求される。 レ 一 ザ一 と フ 才 卜 力 ソ ー ドを用いたR F 電子銃はこのようなビーム構造を実現する可能性をもつ電子源である。 ここでは、加速空飼と 1次元モデルによる解析、 レ ー ザ ー シ ス テ ム 、 モ ー ド 同 期 レ— ザ一と R F ソースとの同期について報告する。

Z R F ^ 子銃の加速空胴と 1次元モデルによる解析
R F 電子 銃は R F 空涧内に力ソードを配置し高電界の高周波電場により加速する電子銃である。
一般によく知られているように放電限界となる電界は直流電場よりも交流電場の方が高くなる。
従って R F 電子銃では D C 電子銃より高 I 、電界強- J U1.4 ns
度で加速することが可能となる0 このときビームを短時間で光速まで加速するので、低エネル
図 1 J L C のビーム構造
ギ 一 部 で の ビームの拡がりを小さく押さえかつデバンチング効果を押さえることができる0 加えて大電流を取り出す点からも有利である。 D C 電子銃から取り出される電流は一般には印加電圧のぼ2 乗に比例する。 R F « 子銃では D C ® 子銃と違い力ソードから直接バンチ化したビームが放出されるため、 D C S 子銃と同じ扱いはできないが、電界強度が高ければ加速できる電荷量は大きくなる。
逆 に、同じ電荷量を加速しようとした場合には、加速電界を高くすれば空間電荷による影響を小さくすることができる。
今回設計した加速空洞は、 R F 電子銃の基本特性を測定することを目的としている。 R F 電子銃のビームの性質を決定するのはエネルギーが低く、空間電荷の影響が大きい領域である。従って大電流、低エミッタンスのビームを発生させるためには初段となる低エネルギー部の空洞内の現象を理解しなければならない。 この考えにもとづき、今回設計した加速空洞は初段の 1/2セルの空洞である。空洞の形状はもっとも単純なピルボックス型にした。 ビルボックス型は電磁場分布がわかりやすく、計算モデルにおいて外部入力場の設定が容易であり、解析が容易である。 この空洞を用いて、 出力
ビ ー ム の エネルギー、 エネルギー幅、 バンチ長などの様々なパラメーターを測定し、 解析モデルとの比較をすることにより R F 電子銃の基本特性を押さえることができる。加速電場が高ければ加速する電子数が多くても空間電荷効果の影響を少なくすることができる。 しかし、電場が高くなると放電を起しやすくなる0 このJO速空胴では加速電場が 40 M V / m の場合、電子统の出口でビームのエネ
ル ギ 一 は 約 860 k ® V となる。 このエネルギーは初期実験としては十分高いと考えるが、空洞のブロセッシングの進行状態及び力ソードの寿命の状況によってはより高い加速電場、例 え ば 100MV/m での実験もありうる。 力 ソード部と空胴とのR F 接触方法にはチョーク構造とスプリングなどに よる コ—208—

ンタクト方式がある。本空胴ではマルチパク夕の発生を考慮しコイルスプリングを用いた構造を採用した。
空洞の設計にあたっては、SUPERRSHを使用して形状を決めた。以下に、SUPERFISHによる空洞の主なパラメータ一の計算結果を示す。

現在、加速空胴は入力電力_ k W 、加速電界40MV/mまでブロセッシングが終了した段階である。
空胴内のビームのダイナミックスの解析の第 1段階として1次元シー卜ビームモデルによる許算をおこなった。この解析によればレー
ザ一の入射位相によってはビームはレ 一 ザ 一のパルス幅より圧縮される、つまり、バンチ圧縮の効果があることがわかった。図2は入射位相と空胴出口でのバンチ長の関係を示している。 この計算では加速電界は40MV/m、AMレ ー ザ ー の パルス幅は10psである。

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表 1 RF電子絲の加速空腕のパラメータ2856 MHz
共振周波数
2.56 cm
空胴長
空胴内径8.126 cm
ビ ー ム ホ ー ル 直径ZO cm
Q値12831
シヤントインビーダンス
62.74 MQ/mr:, t 00- 80- SO» 4(5* 2Q

Phase (degree)

図2 レーザー入射位相とバンチ幅

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1 1 1圖 圖 _ _ 圖國 圖_ 變 驪 圖 圍 國 驪 圖圖8

フォト力ソードとレーザーを用いたRF電子銃
では、 レーザ一パルスがフ才卜力ソードを照射したときのみ電子が発生する。 したがって、電子统部で極めて短いパルスビームを発生できる。
また、加速マイクロ波の周波数は2856 MHz、周期 350psである。出力ビームのエネルギー幅を極力小さくするためにレーザーのパルス幅はできるかぎり狭くなければならない。 レーザ
一は、 C W N d :YAGモード同期レーザーで波長は1064 nm、パルス間隔は5.6nsである。 レーザ一のパルス幅はレーザ一オシレー夕一出口では60»100psでこれをファイバ一とグーレティングを用いたレ_ ザ一パルス圧縮装置《SpectraPhysics^:製)により 10psまで圧縮する。図2はオー卜コリレーターにより観測されたパルス圧縮後のパルス波形である。 CW レーザ一パルス列をポッケルスセルにより1 as ®度のバルス列に切りだし増幅した後にSHG(2次高調波発生》により波長を5 3 2 n m に変換する。図3はバイプラナ光電管泣ち上がり6 0 p s ) と4.5GHzのオシロスコープで®j定したレーザーパルス波形である。このようにして得られたレーザーの出力は 1 パルス列あたり20 mJ、 1 パルスあたり11.2 M W 、 光子数にして4 .0 X 1014個である 。 フ才ト力ソードの量子効率を0,1%とした場合、4.0X1011個の電子が得られることになる。
レーザーのパ ル ス 間隔はモ ー ド同期の周波数_ 酬1画I

3 . レ ー ザ 一 システム

図3 オートコリレ ー タ ー によるレ ー ザ 一 波形《パルス幅 FWHM10 psac)の変更、および麵鏡などを用い光路差を変更することで容易に調節可能である。従って、

図4 レーザーパルス波形(Ins/div、パルス間隔5.6ns)—209—

レ ー ザ ー バ ル ス を調節すれば原理的には任意のパ ル ス 間隔の電子ビ ー ム を 容易に発生させることができる。このためにJLCのビーム構造のような複雑なパルス構造にも対応できるし、 2 バンチのビームによるウェ一クフイールドの実験などの用途にも対応可能である。

4. 加速局 周波とモ ー ド ロ ッ ク レーザーの同期
図5はRF電子銃のレ一ザ一部とRF部のブロックダイアグラムを示している。RF電子銃ではビームを安定に供給するためにレーザ一の入射位相と高周波の位相を高精度で同期させなければならない。.
初期実験ではこの同期は2つのシンセサイザーを用いておこなう。一方をレーザーのモードロック用の89.25MHzの信号発生器として使用し、 もう一方を高周波の2856MHzの入力用として使う。両シンセサイザ一は、89.25MHz側の基準信号である10MHzをリファレンス信号として2856MHz側に入力することにより同期させている。この方法では短期間での位相のジッ夕一が20ps程度であった。
今後は、実機に向けて安定なビームを発生させるためにジッターを数ps内に押さえることが可能なシステムを構築する予定である。
各トリガ一系は!Jn® Sync•及び遅延回路によりタイミングを調整している。ただし、これらについてはジッターは数で 十分 であ り実現 され ている 。

図5 レ一ザ一部とRF 部のブロッグダイアグラム

5. 結言
現在実験システムは完成しs加速空胴のプロセッシングが初期目標の40MV/mに達し、 レーザー、フ才トカソード等の調整をおこなっている。
今後はビームの加速試験を行い動作を確認したのち、 ビームの各パラメ一夕、 ビーム電流、エネルギー及びエネルギースべクトル、ノくンチ長、エミッタンスなどを測定する。また空胴内のビームの振舞いについては横方向の運動についての考察をすすめていく。