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K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, A.Yagishita, S.Yamamoto,
Y.Azama, H.Kato, K.Tsuchiya, A.Anami, S.Fukuda, H.Kobayashi, A.Enomoto, S.Ohsawa, T.Shidara,
S.Yamaguchi, T.Suwada, T.Kamitani, S.Michizono and K.Yamada
Advanced Status AT LEBRA in Nihon University
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7)24-28.
(2) T.Tanaka, K.Hayakawa, I.Sato, Y.Hayakawa, K.Sato, Y.Matsubara, I.Kawakami, H.Nakazawa,
K.Yokoyama, K.Kanno and T.Sakai
Improvement of the Low Power RF Phase Stabilizer Test Circuit
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7) 105-107.
(3) K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, K.Sato, Y.Hayakawa, Y.Matsubara, H.Nakazawa, T.Sakai,
K.Kanno, H.Inokawa, Y.Nakamura and K.Ishiwata
RF Phase Drift Compensation with a Function Generator
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7) 108-110.
(4) K.Kanno, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, H.Nakazawa, K.Yokoyama, T.Sakai,
K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, S,Michizono, S.Ohsawa and S.Fukuda
Analysis of Thermionic DC Electron Gun for 125MeV Linac
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7) 168-170.
(5) K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, K.Sato, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, H.Kobayashi,
H.Nakazawa, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Shinohara, N.Matsunaga, S.Anami, S.Fukuda andH.Homma
Breakdown of the Back-diode of the Pulse Modulator for FEL Linac at Nihon University
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7) 222-224.
(6) T.Sakai, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Sato, H.Nakazawa, K.Yokoyama, K.Kanno,
K.Ishiwata, H.Inokawa and Y.Nakamura
Improvement of the Long Pulse Operation of the S-Band KlystronProceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7) 228-230.
(7) I.Sato, I.Kawakami, K.Sato, Y.Matsubara, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, H.Nakazawa,
K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, E.Hashimoto, K.Fujioka,
K.Nakao, T.Murakami, A.Anami, S.Fukuda, H.Kobayashi, A.Enomoto, S.Ohsawa, T.Shidara,
S.Yamaguchi, T.Kamitani, S.Michizono and K.Tsuchiyaᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢ᒻടㅦེߩ㜞ᐲൻߣ⥄↱㔚ሶ࡟࡯ࠩ࡯ߦߟ޿ߡ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 30-33.
(8) K.Kanno, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, T.Sakai, K.Ishiwata,
H.Inokawa, Y.Nakamura, K.Nakao, E.Hashimoto, K.Fujioka, T.Murakami, S.Michizono, S.Ohsawa,
S.Fukuda and T.Suwada㔚ሶ㌂ߩૐࠛࡒ࠶࠲ࡦࠬൻߦࠃࠆ౉኿ㇱߩ㜞ᐲൻ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 73-75.

(9) T.Sakai, I.Sato, K.Hemmi, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Sato, K.Yokoyama, K.Kanno,
K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, K.Nakao, E.Hashimoto, K.Fujioka and T.Murakami
FEL ↪ࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦߩࠣ࡟࡯࠼ࠕ࠶ࡊ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 222-224.
(10) K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, K.Sato, Y.Hayakawa, Y.Matsubara, H.Nakazawa, T.Sakai,
K.Kanno, K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, E.Hashimoto, K.Nakao, K.Fujioka and T.Murakamiࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦ࠼࡜ࠗࡉ♽ߩ૏⋧቟ቯൻ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 231-233.
(11) K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Sato, I.Sato, K.Yokoyama, T.Sakai, K.Kanno໡↪㔚Ḯᄌേߣࡆ࡯ࡓਇ቟ቯᕈ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 285-287.
(12) H.Inokawa, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Ishiwata, Y.Nakamura,
H.Nakazawa, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Nakao, E.Hashimoto, K.Fujioka and T.Murakami
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Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 332-334.
(13) K.Nakao, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai,
K.Ishiwata, H.Inokawa, Y.Nakamura, E.Hashimoto, K.Fujioka and T.Murakami㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߦ߅ߌࠆ᡼኿✢⋙ⷞࠪࠬ࠹ࡓߩ᭎ⷐ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 346-348.
(14) K.Ishiwata, T.Tanaka, I.Sato, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, K.Sato, H.Inokawa, Y.Nakamura, K.Kanno,
T.Sakai, K.Yokoyama, H.Nakazawa, K.Fujioka, E.Hashimoto, K.Nakao and T.Murakami㕖⎕უဳࡆ࡯ࡓࡐ࡚ࠫࠪࡦࡕ࠾࠲࡯ߩ㐿⊒⎇ⓥ
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 270-272.
(15) T.Tanaka, K.Hayakawa, I.Sato, K.Sato, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Kanno and T.Sakai
Improvement of the Long Pulse Operation of the FEL Linac at Nihon University
Proceedings of the 2nd Asian Particle Accelerator Conference (Beijing, China 2001.9) 743-745.
(16) K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, K.Sato, Y.Hayakawa, H.Nakazawa, K.Kanno, T.Sakai,
K.Ishiwata
Suppression of Energy Fluctuation for the Free Electron Laser at LEBRA
Jpn. J. Appl. Phys. 41 Pt.1, No.7A (2002) 4758-4759.
(17) ૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶ‫ޔ‬⮮ጟ৻㓷‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽‫⨃↰⑔ޔ‬᮸‫ޔ‬᭑ᧄᡴᔒ‫ޔ‬ᄢᴛື‫⸳ޔ‬ᭉືᄦ‫↰⸰⺪ޔ‬೰‫ޔ‬ጊญ⺈຦‫℉⼱⚕ޔ‬຦‫ޔ‬㆏࿦⌀৻㇢‫ޔ‬࿯ደ౏ᄩᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢ᒻടㅦེߩ⃻⁁ߣ⎇ⓥ⸘↹Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)15-20.
(18) ⩲㊁ᶈ৻‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶ‫⮮ޔ‬ጟ৻㓷‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽ᣣᄢ FEL ↪శ㒶ᭂ RF 㔚ሶ㌂ߦ㑐ߔࠆࠪࡒࡘ࡟࡯࡚ࠪࡦ
Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)151-153.
(19) ᮮጊ๺ᨑ‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ਛየ࿻૒LEBRA ࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦߩ૏⋧ᄌേ᷹ቯ
Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)287-289.
(20) Ⴚᱞᔒ‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶ‫⮮ޔ‬ጟ৻㓷‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽
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Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)293-295.
(21) ⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫↰⸰⺪ޔ‬೰‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶࠬ࠻࡝࠶ࡊ࡜ࠗࡦဳࡆ࡯ࡓࡐ࡚ࠫࠪࡦࡕ࠾࠲࡯ߩ⎇ⓥ 㧙ࡆ࡯ࡓࡄ࡞ࠬౝߦ߅ߌࠆࡆ࡯ࡓ૏⟎ᄌേ㧙
Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)350-352.
(22) ਛየ࿻૒‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶ‫⮮ޔ‬ጟ৻㓷‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߦ߅ߌࠆടㅦེࡕ࠾࠲ߩ㐿⊒
Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)356-358.
(23) ᣧᎹᑪ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢ടㅦེ⺞ᢛጁᱧߩ⫾Ⓧ
Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)374-376.
(24) T.Sakai, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Kanno, K.Ishiwata, S.Fukuda,
K.Hemmi, M.Hino
S-Band Klystron for Long Pulse Operation
Proceedings of the 21st International Linear Accelerator Conference (LINAC2002, Gyeongju, Korea,
2002.8) 712-714.
(25) K.Ishiwata, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, T.Sakai, K.Kanno, K.Nakao,
E.Hashimoto, T.Murakami, K.Fujioka, T.Suwada
Development of Strip-Line Type Beam Position Monitor
Proceedings of the 21st International Linear Accelerator Conference (LINAC2002, Gyeongju, Korea,
2002.8) 179-181.
(26) ૒⮮ ാ‫ޔ‬ᣧᎹ ᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬Ⴚ ᱞᔒ‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫ޔ‬㐳⼱Ꮉ ፏ‫ޔ‬⑔↰⨃᮸‫ޔ‬᭑ᧄᡴᔒ‫ޔ‬ᄢᴛ ື‫⸳ޔ‬ᭉືᄦ‫ ↰⸰⺪ޔ‬೰‫ޔ‬ฎᎹ๺ᦶ‫ޔ‬㆏࿦⌀৻㇢ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߩ⃻⁁Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 1-3.
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Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 90-92.
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Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 203-205.
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Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 351-353.
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Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 431-433.
(31) ᮮጊ๺ᨑ‫ޔ‬૒⮮ ാ‫ޔ‬ᣧᎹ ᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ ↰⸰⺪ޔ‬೰‫ޔ‬Ⴚ ᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫ޔ‬㐳⼱Ꮉ ፏ
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Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 464-466.
(32) K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata, K.Nakao
Improvement of the PFN Control System for the Klystron Pulse Modulator at LEBRA
Nucl. Instr. and Meth. A 528 (2004) 239-243, Proceedings of the 25th International Free Electron Laser
Conference and 10th FEL Users Workshop (Tsukuba, Ibaraki, Japan, Sep.8-12, 2003).
(33) T.Tanaka, I.Sato, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Nogami, A.Mori, K.Kanno, T.Sakai,
K.Ishiwata, K.Nakao, S.Fukuda, A.Enomoto, S.Ohsawa, T.Suwada, K.Furukawa, S.Michizono
Operational Status of 125-MeV Linac at Nihon University
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 22-24.
(34) T.Sakai, I.Sato, T.Tanaka, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, A.Mori, K.Nogami, K.Kanno, K.Ishiwata,
K.Nakao, S.Fukuda, S.Michizono
Development of S-band Traveling Wave RF Window
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 84-86.
(35) K.Kanno, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, A.Mori, K.Nogami, T.Sakai, K.Ishiwata,
K.Nakao
Test of Multibanch Beam Extraction from LaB6 Photocathode
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 377-379.
(36) K.Ishiwata, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, A.Mori, K.Nogami, K.Kanno,
T.Sakai, K.Nakao, T.Suwada
Influence of Harmonics on the Output Signal of Beam Position Monitor Installed near the Slit
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 567-569.
(37) K.Ishiwata, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, A.Mori, K.Nogami, K.Kanno,
T.Sakai, K.Nakao, T.Suwada
Development of Beam Position Measurement System at LEBRA
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 570-571.

(38) K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Nakao
Measurement of Electron Bunch Length at LEBRA
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 602-604.
(39) K.Hayakawa, Y.Hayakawa, K.Ishiwata, K.Kanno, K.Nakao, T.Sakai, I.Sato, T.Tanaka, K.Yokoyama
The LEBRA 125MeV Electron Linac for FEL And PXR Generation
Proceedings of LINAC 2004 (August 16-20, 2004, Lubeck, Germany) 90-92.
(40) K.Yokoyama, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, K.Nakao, I.Sato, T.Tanaka
Bunch Length Measurements at LEBRA
Proceedings of LINAC 2004 (August 16-20, 2004, Lubeck, Germany) 411-413.
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Dispenser
Scandate
ANELVA
8 A/s
50MW × 1
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Accelerator Meeting in Japan, Himeji, July.12-14, 2000,
p228-230.URL:http://www-linac.kek.jp/mirror/www.sprin
g8.or.jp/JAPANESE/conference/li-me00/proc_index.html[2] ⌀ⓨࡂࡦ࠼ࡉ࠶ࠢ ᡷ⸓ ╙ 3 ‫ޔ‬㧔ᩣ㧕ࠕ࡞ࡃ࠶ࠢ㨯ࠦ࡯ࡐ࡟࡯࠻࠮ࡦ࠲࡯‫ޔ‬1989 ᐕ 3 ᦬ 31 ᣣ‫ޔ‬P34-39.

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1E-mail: yokoyama@acc.phys.cst.nihon-u.ac.jp

(b)

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[2] K.Yokoyama, et al., “RF Phase Drift Compensation with aFunction Generator ”. Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting. in Japan, Himeji, July 12-14, 2000.

[3] ᣧᎹ ᑪ‫ޔઁޔ‬̌໡↪㔚Ḯᄌേߣࡆ࡯ࡓਇ቟ቯᕈ̍ Proc.
of this Meeting.
[4] ⩲㊁ ᶈ৻‫̌ޔઁޔ‬㔚ሶ㌂ߩૐࠛࡒ࠶࠲ࡦࠬൻߦࠃࠆ
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[2] ᮮጊ๺ᨑ‫ߩ♽ࡉࠗ࡜࠼ࡦࡠ࠻ࠬࠗ࡜ࠢ̌ޔઁޔ‬૏⋧቟ቯൻ”, Proceedings of this meeting.
[3] K.Hayakawa, et. al., ”TEST OPERATION OF THE
PULSE MODULATOR OF THE 125MeV LINAC ATNIHON UNIVERSITY”, Proceedings of the 22nd Linear
Accelerator Meeting in Japan. p41

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ෳ⠨ᢥ₂
[1] W.R.Nelson,H.Hirayama and D.W.O. Rogers,"THE
EGS4 CODE SYSTEM",SLAC-REPORT 265(1985)[2] I.Sato, et al., “ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߩ㜞ᐲൻߣ⥄↱㔚ሶ࡟࡯ࠩ࡯ߦߟ޿ߡ”,Proceedeings of 26th Linear Accelerator Meeting inJapan,Tsukuba,Aug.1-3,2001[3] Y.Hayakawa, et al, “ᣣᄢࡄ࡜ࡔ࠻࡝࠶ࠢ X ✢⊒↢ⵝ⟎ߩ ᭎ ⷐ ”, Proceedeings of 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan,Tsukuba,Aug.1-3,2001[4] ਛ᧛ዏม, “᡼኿✢‛ℂߣടㅦེ቟ోߩᎿቇ”,࿾ੱ࿑ᦠ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߦ߅ߌࠆ᡼኿✢⋙ⷞࠪࠬ࠹ࡓߩ᭎ⷐ
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[1] ૒⮮ാ ઁ㧘̌ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢ᒻടㅦེߩ㜞ᐲൻߣ⥄↱㔚ሶ࡟࡯ࠩ࡯ߦߟ޿ߡ̍㧘Proceedings of the 26th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001
[2] I.Sato, et al., “Design Report on PF Injector Linac Upgradefor KEKB”, KEK Report 95-18, March, 1996, A
p286-p303[3] ↰ਛବᚑ ઁ㧘̌ࠕࡦࠫࡘ࡟࡯࠲࡯శߦࠃࠆ FEL ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߩࡆ࡯ࡓ⸻ᢿ̍㧘Proceedings of the 26th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001

Proceedings of the Second Asian Particle Accelerator Conference, Beijing, China, 2001

IMPROVEMENT OF THE LONG PULSE OPERATION OF THE FEL
LINAC AT NIHON UNIVERSITY
T.Tanaka, K.Hayakawa, I.Sato, K.Sato, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai
Atomic Energy Research Institute, Nihon University, Funabashi, 274-8501, JAPANS.Fukuda, S.Anami, S.Ohsawa, A.Enomoto
High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba, 305-0801, JAPAN

26

134

KAPTON SHEETS

50200KLYSTRON MOUNTb) With corona rings
33

2.1 Dielectric Breakdown in Transformers

PRIMARY COIL
CORE

54

54
40

Each klystron pulse modulator offers the pulse with
FWHM of 30Ps and a flattop of 20Ps. The peak voltage
applied to the klystron cathode is about 240 kV at routine
operation for infrared FEL. The klystron is mounted
together with the focusing coil on the klystron assembly

SECONDARY COIL

40

65

26

EPOXY RESIN
PLATES

50
65

134

PRIMARY COILCORE

EPOXY RESIN
PLATES
CORONA RING

150

2 PROBLEMS IN KLYSTRONASSEMBLY TANKThe structure of the heater isolation transformer isshown in a) of Figure 1. The transformer, together withthe pulse transformer, was fabricated by Nihon Denji
Kogyo Co. ltd. The corona was found around the edge of
KLYSTRON MOUNTa) Without corona rings

38

38

33

The 125MeV FEL linac at LEBRA (Laboratory forElectron Beam Research and Application) in Nihon
University has been operated since 1997[1]. The 2856
MHz RF has been supplied with two Mitsubishi PV3030
klystrons. Difficulties in the high power RF system, thedielectric breakdown around the heater transformers in
the klystron assembly tanks and the breakdown of the
klystron output RF windows, were quite serious problems
in accelerating a long pulse electron beam. The
specifications required of the high power RF from each
klystron are the peak power of 20 MW and the pulse
width of 20Ps for infrared to visible region FEL in
LEBRA.
Some improvements to the devices in the high power
RF system were made to suppress the above troubles. The
details of the improvements are discussed in thefollowing sections.

The tracks of breakdown in the pulse transformer wereconcentrated around the corner of the windings. This has
implied that the radius of windings at the corner was not
sufficiently large to avoid a strong electric field.
Therefore, at the renewal of the pulse transformer, coils
have been wound with a larger corner radius than theprevious one.

50

1 INTRODUCTION

2.2 Renewal of Transformers

40

Some improvements to the high power RF system of
the 125 MeV linac have been performed to realize astable long pulse operation of the linac. The breakdownof the klystron RF window occurred in 8 klystrons at
early phase of the linac operation. However, the problem
has been avoided by the improvement to the vacuum
conductance around the RF windows and by a carefulconditioning. The Mitsubishi PV3030 type klystrons,
which were moved from KEK, have been operated
successfully at the peak output RF power of 20 MW, theRF pulse width of 20 Ps and the repetition rate of 12.5
Hz.

tank. The klystron assembly tank contains the 1:12 pulse
transformer, the heater isolation transformer and the
klystron socket, and is filled with the high voltage
insulating oil.
In the early phase of operation, there occurred frequentdielectric breakdowns in the tank. Many tracks of thedielectric breakdown were found in the pulse transformer
and in the heater transformer. Notably serious damage
was found in the secondary winding of the heatertransformer.

100

Abstract

160

SECONDARY COIL
CORONA SHIELD

Figure 1. Layout of the heater isolation transformer.

Proceedings of the Second Asian Particle Accelerator Conference, Beijing, China, 2001

the secondary winding inside the cut core in every pulse.
The breakdown was found to occur between the edge andthe polyimide ( kapton ) sheet wrapping the cut core,
which was observed with a TV camera through a viewing
window in the assembly tank.
Generally, high quality insulating oil has a dielectricstrength greater than 30kV/mm. Minimum separation of
26mm between the primary and the secondary coils wasenough if the electric field distribution was the same as
those between plane electrodes. However, it was evident
that the electric field on the thin edge of polyimide sheets
wrapping the secondary winding or on the edge of theepoxy resin plates was greater than the dielectric strength.
When the transformer was disassembled, a significant
carbonization was found extensively on the surface andthe inner layer of the epoxy resin plates.
At the renewal of the heater transformer, the following
improvements have been made to the structure of thetransformer, as shown in b) of Figure 1:
1) The inner size of the secondary coil frame has been
extended from 134×134mm to 160×150mm, while
the thickness of the epoxy plates has been reduced
from 8mm to 4mm. Then minimum separation
between primary and secondary coils has been
extended to 33mm.
2) The ordinary epoxy resin plates used as the coilframe have been replaced with the void-less ones.
Also the polyimide sheets that were used to wrap thecoils have been replaced with the kraft papers.
3) In order to avoid the strong field around the coiledges, copper corona rings have been added at bothside edges of the epoxy resin plates of the secondary
coil frame.
4) The whole edge of the cut core has been rounded off.
In the previous cut core, only the inside edge wasrounded off.
5) The polyimide sheets that were used to wrap the cutcore have been removed. The rounded copper sheets
have been substituted as the corona shields.
6) The corona ring has been added at each inside
corner of the cut core.
These improvements were performed by Nihon Denji
Kogyo Co. ltd.

thousand hours. Therefore the improvements to thetransformers as mentioned above are considered to bequite effective for the increase of the dielectric strength.

3 PROBLEM IN KLYSTRON RF
WINDOW
3.1 Dielectric Breakdown of the RF Window
The RF pulse width of 20Ps is out of the design
specification for the PV3030 klystron. The most serious
problem in the long pulse operation of the PV3030
klystron was the breakdown of the output RF window. As
the result of the diode-mode operation with the pulse
width of FWHM 30Ps, no problem was found with thecollector or the electron gun up to peak voltage of 288
kV and repetition rate of 12.5 Hz.
Eight klystrons were broken in early phase operationof the linac because of the damage of the output RF
windows. All these klystrons were moved from KEK
after being used for a long time in the injector linac of
Photon Factory. Therefore the klystrons were well aged,
but the outer surfaces of the RF windows were exposed toair for a while before reused at LEBRA.
The vacuum in the waveguide was pumped with a 60
l/s ion pump located about 2.6 m downstream the RF
window, which is illustrated in Figure 2. The vacuum
conductance at the RF window was estimated to beapproximately 8.2 l/s[2]. During the aging of the
klystrons at LEBRA the long pulse output RF from the
klystron, even at quite low power level, led to aconsiderable degradation of vacuum around the outersurface of the RF window.
At high power output operation, though the klystron
was aged carefully, the dielectric breakdown thatsometimes occurred at the RF window surface caused
degradation of vacuum instantly by 1 to 2 orders ofmagnitude. Because of low vacuum conductance, thevacuum near the RF window had not sufficiently
RFWindow

Linac

The pulse transformer and the heater transformer in
the #2 klystron assembly tank were renewed in December
1998. The running test of the klystron at the diode-mode
operation proved that no dielectric breakdown occurs in
the tank even with the pulse modulator peak output of 24
kV, which corresponds to 288 kV at the klystron cathodeand peak output RF power greater than 30 MW.
The transformers in the #1 klystron assembly tankwere also renewed in February 1999. Since then, there
has been no incidence of dielectric breakdown in theassembly tank, though the operation time is over several

Klystron

2.3 Results of Improvements

60 l/s Ion Pump
0

500 mmKlystron RF Window

Figure 2. Layout of the waveguide and the vacuum
pumping system with a low vacuum conductance.

Proceedings of the Second Asian Particle Accelerator Conference, Beijing, China, 2001

recovered before the next RF pulse, which caused thedielectric breakdown again. After these conditions wererepeated many times in the operation of the linac, thewindow was finally broken.
The rapid degradation of the vacuum after the
dielectric breakdown was never resolved even by acareful aging for a long time.

3.2 Increase of Vacuum Pumping
The second RF window on the way to the linac
accelerating tubes is shown in upper side of Figure 2,
which is placed because of convenience in themaintenance of the linac. Although there was no
essential difference from the klystron RF window on thematerial or the RF power suffered, the window was neverdamaged. The important difference seemed to be thedistance from the ion pump, which means the differenceof the vacuum conductance.
The vacuum conductance at the second RF window
was estimated to be approximately 20 l/s, which is about
2.5 times greater than that at the klystron RF window. It
suggests that a quick recovery from the degraded vacuumat the window surface is essential to avoid the damage ofthe klystron RF window.

Considering these factors, additional two vacuum ports
were put to the waveguide at about 40cm downstream the
klystron RF window as shown in Figure 3. The vacuum
conductance at the RF window associated with these
ports is estimated to be 43 l/s. For easier installation
ANELVA 8 l/s ion pump has been connected to each port.

3.3 Effect of additional pumps
A vacuum recovery simulation suggests that a fast
recovery of the vacuum is expected around the klystronRF window as shown in Figure 4, where the simulation
has been performed with an assumption that the vacuumat the surface of the klystron RF window changes
instantly from 1u10-6 Pa to 1u10-4 Pa by the dielectric
breakdown.
The dielectric breakdown in successive RF pulses has
been considerably suppressed since the vacuum system
was improved. The peak output RF power of 20MW from
PV3030 klystrons has been achieved at the pulse width of
20 Ps and the repetition rate of 12.5Hz. The klystrons
have been operated more than 1000 hr at 2 Hz without
damage to the RF windows since the vacuum pumping
was increased.
-4

Pressure[Pa]10With tw o 8L/ s ion pumps
Without

10- 5

10- 6
0.0

0.5

1.0

Time[sec]

1.5

2.0

Figure 4. The result of simulation for the vacuum
recovery after the dielectric breakdown at the
klystron RF window.

4 SUMMARY
The problems in the high power long pulse RF systemhave been solved by the improvements to the pulse
transformer, the heater isolation transformer and thewaveguide vacuum system. Specifically, the vacuum
pumps closed to the klystron RF window are quite
effective for the protection against damage to the window.

REFERENCES
Figure 3. The photograph of the waveguide with two
additional vacuum pumps downstream the klystronRF window[1] T.Tanaka et al., “Performance of the FEL Linac at
Nihon University”, APAC’98, Tsukuba Japan,
March 1998. KEK Proceedings 98-10 (1998)722.
[2] ULVAC Corporation Center, “Vacuum Handbook
III”, 1989.

Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) pp. 4758–4759
Part 1, No. 7A, July 2002
#2002 The Japan Society of Applied Physics

Short Note

Suppression of Energy Fluctuation for the Free Electron Laser at LEBRA
Kazue Y OKOYAMA, Isamu S ATO1 , Ken H AYAKAWA1 , Toshinari TANAKA1 , Kazuo SATO1 ,Yasushi H AYAKAWA1 , Hiroyuki N AKAZAWA, Koichi K ANNO, Takeshi S AKAI and Ken’ichiro I SHIWATA
Graduate School of Science and Technology, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japan
1
Institute of Quantum Science, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japan(Received November 9, 2001; revised manuscript received March 7, 2002; accepted for publication March 27, 2002)

The ﬁrst lasing of the free electron laser (FEL) was achieved in May 2001 at Nihon University. Problems occurred regarding
the energy stability of the electron beam in the pulse duration and the long operation time for the FEL. The energy stability has
been improved by compensation of the RF phase drift with a function generator and a feedback circuit.
[DOI: 10.1143/JJAP.41.4758]
KEYWORDS: FEL, RF, electron linac, feedback control, near-IR

The LEBRA (Laboratory for Electron Beam Research andApplication) electron linac has been developed to produce ahigh-power visible-to-infrared free electron laser (FEL).1–3)
FEL lasing in the short-wavelength region requires anelectron beam with a long pulse duration due to a small
ampliﬁcation gain. In addition, a narrow energy spread andlow-emittance electron beam is required.
The linac consists of a dc electron gun, a prebuncher, abuncher and three 4 m accelerating structures. The accelerating RF power is supplied from two klystrons, which areoperated at 2856 MHz with a pulse repetition rate of 2 Hz
and a peak output power of approximately 20 MW. Each
klystron is driven by a pulsed 800 W RF ampliﬁer.
The speciﬁcations for the beam pulse duration and thenormalized emittance are 20 s and 20 mmmrad,respectively. The beam extracted from the linac istransported to the FEL system through a momentum
analyzer which consists of a slit, a collimator, four
quadrupole magnets and two 45 bending magnets. Theenergy spread of the beam for the FEL is restricted to 1% by
the momentum analyzer.
In the actual operation of the linac, the transmission of thebeam in the analyzer was poor. In order to reduce the beamloss, the beam energy must remain constant in the pulse
duration. The energy gain of the linac is propotional to theintegration of the accelerating ﬁeld that the electrons
experience along the accelerator. The ﬁeld is expressed as
Ecos, where E is the amplitude of the axial electric ﬁeldand  is the accelerating phase of the bunched electrons. The
ﬂuctuation of the phase leads to beam energy ﬂuctuation. In
the LEBRA linac the energy ﬂuctuation is caused by
ﬂuctuation of the relative phase between the two klystrons,
which was found by measurement of the phase and energy
spectra in the pulse duration. Figure 1(a) shows the
waveforms of the beam current detected using a current
transformer at the dc gun, the exit of the linac and on the
FEL line. The pulse duration of the beam was found to be
reduced to 10 s in the analyzer. This is consistent with theresult of the measurement of the energy spectra, which was
carried out by utilizing the ﬁrst 45 bending magnet as aspectrometer. The energy spectra are shown in Fig. 2(a); an
energy shift of about 4 MeV is observed during the pulse.
The phase diﬀerence between the reference RF and the
klystron output was detected for each klystron using the
double-balanced mixer (DBM), as shown in Fig. 3(a). TheE-mail: yokoyama@acc.phys.cst.nihon-u.ac.jp

Fig. 1. The waveforms of the beam current detected using core monitors
placed on the beam line and a Faraday cup at the end of the beam line:
without (a) and with (b) phase drift compensation. 1) Emission from the
dc gun (200 mA/div), 2) exit of the linac (40 mA/div), 3) upstream of the
FEL system (20 mA/div), 4) end of the beam line (20 mA/div). Horizontal
scale is 5 s/div.

Fig. 2. Time-dependent energy spectra obtained every 1 s except for thetransient time region: without (a) and with (b) phase drift compensation.

Fig. 3. The waveforms of the klystron output phase compared with thereference RF over a pulse duration of 20 s: without (a) and with (b)phase drift compensation. Upper: output RF of klystron No. 1 (0.9 /div).
Lower: output RF of klystron No. 2 (2.7 /div). Horizontal scale is 4 s/
div.

reference is a cw RF from a master oscillator. As a result of
the measurement, the phase shift in the RF pulse duration of
20 s was greater than 2 for klystron No. 1 and greater than
6 for klystron No. 2. Phase drift was also observed during
long operation, depending on the change in the temperature

4758

Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) Pt. 1, No. 7A

around the RF ampliﬁer. It has been considered that theenergy shift of the beam in the pulse duration and the long
operation time was due to the phase shift of the acceleratingRF.
The CLIO4) and FELI5) linacs are also operated with along pulse duration. The FEL gain in these facilities is muchgreater than that in the present case. Therefore, theimprovement in the RF phase stability achieved at thesefacilities is not necessarily applicable to the LEBRA linac.
The phase ﬂuctuation observed in the LEBRA RF systemcomes from the semiconductor RF ampliﬁer that drives the
klystron. For FEL lasing, it is necessary to compensate forthe phase ﬂuctuation in order to suppress the energy shift in
the pulse duration.
The phase drift compensation in LEBRA was achieved bymeans of a fast phase shifter (FPS) inserted before the inputof the RF ampliﬁer, as shown in Fig. 4. The output phase of
the FPS was controlled with an output voltage from thefunction generator.
The IF output signal from the DBM is approximately
proportional to the phase diﬀerence between two input
signals having the same frequency if the signal is detectedaround the zero-cross region. The output phase shift of the
FPS is proportional to the voltage applied to the control
input. Therefore, the phase signal detected with the DBM is
useful as a source for the control signal of the FPS tocompensate the phase ﬂuctuation. From the above considerations, the control signal for the phase compensation in
the pulse duration is produced from the phase signal with thefunction generator. The phase signal as shown in Fig. 3(a) is
accumulated and processed in a personal computer, and theprocessed data is transferred to the function generator. The
voltage and timing of the output from the function generator

Fig. 4. Block diagram of the phase drift compensation system. SG: signal
generator, FG: function generator, PC: personal computer, OSC: digital
oscilloscope.

K. YOKOYAMA et al.

4759

are adjusted so that the waveform of the detected phasesignal becomes ﬂat. Since the phase drift pattern in the pulse
duration is conserved in a long operation time, no frequent
updating of the function is necessary in this method.6) As aresult of the compensation, the phase drift was reduced towithin 1 for each klystron, as shown in Fig. 3(b). The beam
current and the energy drift were greatly improved byincluding this system, as shown in Figs. 1(b) and 2(b),respectively. These ﬁgures indicate that the energy drift was
reduced from 3.3% to 0.5% and the beam pulse duration in
the FEL line was extended from 10 s to 18 s.
In addition to the phase compensation in the pulse
duration, the slow drift of the klystron output phase iscanceled using the slow feedback circuit in Fig. 4. Thus, theresultant control voltage for the FPS is a combination of theoutput from the function generator and the oﬀset voltage
from the feedback circuit. From the speciﬁcations of the
FPS, the oﬀset is applied as a pulsed voltage. The phase drift
due to a change in room temperature was reduced from 3 to
0.5 for each amplifer.7)
With the phase drift compensation system, the ﬂuctuationof the RF phase in the pulse duration and the long operation
time have been suppressed simultaneously. The system isuseful for the stabilization of beam acceleration. As a resultof the improvement, the lasing of 1.5 m FEL has beenachieved at LEBRA.
1) Y. Hayakawa, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, H. Nakazawa, K.
Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, K. Ishiwata, A. Enomoto, S. Fukuda,
S. Ohsawa, T. Tsuchiya and M. Kato: Nucl. Instrum. & Methods Phys.
Res. A 482 (2002) 29.
2) T. Tanaka, K. Hayakawa, K. Yokoyama, Y. Matsubara, K. Sato, I.
Sato, I. Kawakami, S. Fukuda, S. Ohsawa and S. Anami: Proc. First
Asian Particle Accelerator Conf. (APAC’98), Tsukuba, Japan, 1998.
KEK Proc. 98-10, p. 722.
3) T. Tanaka, K. Hayakawa, I. Sato, K. Sato, Y. Hayakawa, K.
Yokoyama, K. Kanno, T. Sakai, S. Fukuda, S. Anami, S. Ohsawa
and A. Enomoto: to be published in Proc. Second Asian Particle
Accelerator Conf. (APAC’01), Beijing, China, 2001.
4) R. Chaput, B. Kergosien, P. Joly, J. Lesrel and O. Marcouille: Proc.
4th European Particle Accelerator Conf. (EPAC’94), London,
England, 2001, p. 728.
5) Y. Morii, Y. Miyauchi, T. Keishi, A. Koga, S. Abe, I. Bessho, A.
Nagai and T. Tomimasu: Proc. 18th Linear Accelerator Meet. Japan,
Tsukuba, 1993, p. 182 [in Japanese].
6) K. Yokoyama, I. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, K. Sato, Y.
Hayakawa, Y. Matsubara, H. Nakazawa, T. Sakai, K. Kanno, H.
Inokawa, Y. Nakamura and K. Ishiwata: Proc. 25th Linear Accelerator
Meet. Japan, Himeji, 2000, p. 108 [in Japanese].
7) K. Yokoyama et al.: Proc. 26th Linear Accelerator Meet. Japan,
Tsukuba, 2001, p. 231 [in Japanese].

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2) K. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A375,
ABS25-26 (1996).
3) T. Tanaka, et al. Nucl. Instr. and Meth. A407, II103-104(1998).
4) T. Tanaka, et al., KEK Proceedings 98-10 Nov. 722-724,
1998A.
5) T. Tanaka, et al., Proc. of 23rd Linear Accelerator Meetingin Japan, 25-27 (1998).
6) I. Sato, et al., Proc. of 23rd Linear Accelerator Meeting inJapan, 22-24 (1998).
7) I. Sato, et al., The 12th Sym. on Accel. Sci. and Tech.,
Riken,Japan, 37-39(1999).
8)Y. Hayakawa, et al., The 12th Sym. on Accel. Sci. andTech., Riken, Japan, 391-394(1999).
9) I. Sato, et al., Proc. of 26th Linear Accelerator Meeting inJapan, 30-33 (2001).
10) Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth.P.R A483
(2002) 29-33.
11) I. Sato et al., Proc..13th Sym. on Accel. Sci. and Tech.
117-121 (2001)
12) K. Yokoyama, et al. ,J. J. Appl. Phys. 41 (2002) To be
published.

日大 FEL 用光陰極 RF 電子銃に関するシミュレーション
菅野 浩一1,A)、佐藤 勇 B)、早川 建 B)、田中 俊成 B)、早川 恭史 B)、横山 和枝 B) 、境 武志 A)、
石渡 謙一郎 A)、中尾 圭佐 A)、橋本 英子 A)、藤岡 一雅 A)、村上 琢哉 A) 、長谷川 崇 A) 、宮崎 慎也 A)A)

日本大学大学院理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1

B)

日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1

概要
日 本 大 学 電 子 線 利 用 研 究 施 設 （ Laboratory forElectron Beam Research and Application、以下 LEBRA）
では 100kV DC 電子銃、プリバンチャー、バンチャーから構成されている入射部を持つ 125MeV S-band
リニアックを用いて、125MeV、20Psec の電子ビームを発生させ、近赤外領域 FEL 発振に成功した。しかし、紫外領域 FEL 発振の為には、現在より良質で安定な電子ビームが必要で、更なるリニアックの高度化が要求されると考えられる。その高度化の一環として、より小さいエミッタンスを得る為に、光陰極
RF 電子銃の開発を検討している。そこで RF 電子銃の空胴解析を行った。

１．はじめにLEBRA では、2001 年 5 月の 1.5Pm 赤外領域 FEL
発振[1]以降、高度かつ先端的な利用研究に充分活用し得る良質なレーザーを利用施設に供給する為、電子ビームの安定化に関する研究を行ってきた。利用に向けての準備が進み、今年度中に開始される予定である。LEBRA が供給する FEL の波長領域は 0.3〜
5.0Pm で、紫外から赤外までの広い範囲にわたっている。現在のリニアックから得られる電子ビームを用いて 1.5Pm の赤外領域 FEL 発振を達成したが、紫外領域 FEL 発振の為にはより小さいエミッタンスの電子ビームが必要であると考えられる。そこで、電子を高電場で引き出し、加速することができる RF 電子銃[2]を開発し、電子が低エネルギー状態にある時間をできるかぎり少なくして空間電荷による影響を抑え、エミッタンスの悪化を防ぐことを検討している。
LEBRA では、熱陰極を採用した RF 電子銃の研究を行ってきた[3,4]。今回は光陰極を採用した RF 電子銃を開発する。これにより、熱陰極を使った場合に問題となるバックボンバードメントによるパルス幅の制限を取り除くことができる。光陰極 RF 電子銃[5]はよくバンチした電子を放出することができ、熱陰極に比べ電流密度の高いビームを得られる為、国内外を問わず、FEL 施設で活発に研究開発が進められている。しかし、LEBRA では電子励起時のパルス幅

1E-mail: tekkamen@lebra.nihon-u.ac.jp

は短くせず、電子銃の下流にアルファマグネットを設置してバンチングを行うことにする。

２．現在の電子ビームの質
LEBRA 125MeV リニアックは 100kVDC 電子銃、
プリバンチャー、バンチャー、4m 加速管 3 本で構成されている。表１に現在、リニアックより得られる電子ビームのパラメータを示す。電子銃から得られる電子ビームの規格化エミッタンスはマグネティッ
クレンズを、加速器下流においては四極電磁石を用いてビーム径を変化させ、その集束力とビーム径の関係から求めた。ビーム径はワイヤースキャナーを用いて測定を行った[6]。バンチ幅は電子ビームが放出する自発放射光をストリークカメラで測定して得られた。表に示されるような電子ビームを、アンジュ
レータに入射し、1.5Pm の赤外 FEL 発振に達している。LEBRA では DC 電子銃からバンチャーまでの入射部の代わりに RF 電子銃とアルファマグネットを設置することで電子ビームの低エミッタンス化を目指す。
表１．電子ビームパラメータ
エネルギー
86.8
最大 125パルス幅
20繰り返し
2〜12.5
規格化エミッタンス
電子銃
8.93
加速器下流
20.7
電流
200
電子銃放出電流
加速器下流
100
エネルギー分散
1
バンチ幅
<10

MeV
MeV
Psec
Hz
S mm･mrad
S mm･mrad
mA
mA
%
psec

現在の入射部に関して、マグネティックレンズが考慮できるように作り直された PARMELA を用いて、電子軌道計算を行った。粒子数は 999 個で、初期条件として、電子銃用相対論的電子軌道解析コード
EGUN[7]を用いて得られた結果を使用した。ここでは電子銃から 200mA の電子ビームが放出されていると

３．LEBRA
用 RF 電子銃開発の現状
３．
LEBRA では、以前より紫外領域 FEL 発振を目指し、
RF 電子銃の研究開発を行い、単セル空胴にノーズコーンをつける方法やビームの進行方向に対して垂直に弱い磁場（50〜75G）をかける方法、またはサブハーモニック RF 電子銃にすることによるバックボン
バードメント低減の効果に関する解析や、エミッタ
ンスを小さく抑えるための形状を検討し、シミュレ
ーションを行っていた。[3,4]。また、テスト空胴を製作し、リニアックの入射部にアルファマグネットとともに設置して、RF 系の試験運転を行った[8]。現在、
短パルス用クライストロン PV3030A1(三菱電機)を 2
本、20Psec のパルス幅で使用し、1 本はプリバンチ
ャー、バンチャー及び一本目の加速管へ、もう 1 本は下流 2 本の加速管にマイクロ波を供給している。
RF 電子銃を設置する場合はプリバンチャーとバン
チャーに入力している分を RF 電子銃空胴に入力する。
新しく開発する RF 電子銃では光陰極を採用する。
ドライブレーザーには、LIGHTWAVE 社の CW モー
ドロ ック Nd:YAG レー ザー を種 レー ザー とし 、
POSITIVELIGHT 社のアンプシステムを用いて増幅し、パルス切り出しを行い、第 3 高調波（355nm）にした光を使用する。アンプシステム出口でミクロパ

４．空胴解析
RF 電子銃空胴の設計を SUPERFISH[9]を用いて、1.6cell 型 RF 電子銃空胴についてシミュレーションを行った。ピーク電場が 100MV/m 程度になるようにして計算を行った。図 2 にその結果を示す。図の上部に RF 電子銃空胴形状と電磁場分布を、図の下部に電子進行方向の電場、半径方向の電場を示す。半径方
向電場に関しては中心軸上から 0.2、0.4、0.6、0.8、
1.0、1.2、1.4mm ずれた位置における計算結果を示す。
さらに、陰極付近の電場が半径方向の成分を持ち、電子ビームの拡がりを防ぐための工夫がなされた空胴形状に関してシミュレーションを行った。図 3 にはハーフセルの陰極がある面に突起をつけた形状をもつ RF 空胴を、図４には DC 電子銃のウェーネルト
電極のような形状をもつ RF 空胴に関する結果を示す。この場合ハーフセルでのビーム進行方向最大電場は陰極面ではなく少し出口側にずれる。半径方向
電場 Er は電子ビームのエミッタンスを悪くする要因となると考えられる。図より Er はディスクの角のあたりがピークになっている。また、電場は中心軸からずれるほど、半径方向成分が増え加速成分が減る
為、RF 電子銃ではビームはできるかぎり細く保つ必要があると考えられる。突起をつけた場合に比べ、ウェーネルト電極のような傾斜を持たせた場合のほうが Er のピークが陰極面に近い所に位置しており、優れていると推測される。

5
100

4
3

50

2
1

0

0
-1

Ez[MV/m]

図１：PARMELA で計算した結果得られたバンチ
ャー出口でのビームプロファイル

ルス幅が 50psec、繰り返し 89.25MHz でマクロパルス
幅 20Psec、繰り返し 12.5Hz、平均パワー1W、ジッタ
ー5psec のレーザーが得られる。ジッターは位相にして約 1°でありこれによるエネルギーの変動は問題ないと考えられる。また陰極材質は LaB6 を使用する予定である。

Er [MV/m]仮定した。その結果バンチャー出口において水平方向規格化エミッタンスが 46.9Smm･mrad、鉛直方向は43.5Smm･mrad、ビームは放出電流の 76%に減った。
また、図１にはバンチャー出口での電子ビームのプ
ロファイルを示す。加速管出口でのエミッタンス測定結果と比べるとシミュレーションでは大きくなっているが、これは集束系のモデル化が不十分であるためと考えられる。エミッタンスが最適となるリニ
アック運転時のソレノイド、マグネティックレンズ、
フォーカスコイルの磁場強度はシミュレーションに使った値と比べ小さい。各集束系の数値解析をし、その結果をもとに電子軌道計算を行う必要があると考えられる。

-50

-2
-3
-4

-100

-5
0

2

4

6

8

10

z [cm]

図２：SUPERFISH で計算した結果得られた
1.6cell 型 RF 電子銃の電磁場分布。点線が半径方向電場、実線がビーム進行方向電場。

胴に関しては陰極付近に電子ビームが集束するような電場ができるような２種類の空胴形状に関して計算を行った。その結果より陰極付近に突起をつける
より、DC 電子銃のウェーネルト電極のような形状にしたほうがエミッタンスを小さく抑えることができると推察した。
5100

43Er[MV/m]

100Ez[MV/m]

50

2

-1
-2

-50

-3
-4

-100

-5
0

2

4

6

8

10

z[cm]

図３：SUPERFISH で計算した結果得られた陰極付近に突起をつけた RF 電子銃の電磁場分布。点線が半径方向電場、実線がビーム進行方向電場。

5
100

4
3

Er[MV/m]

1
0

0
-1

Ez[MV/m]

50

2

-50

-2
-3

-100

-4
-5
0

2

4

6

8

10

z[cm]

図４：SUPERFISH で計算した結果得られた陰極付近をウェーネルト電極のような形状にした RF
電子銃の電磁場分布、点線が半径方向電場、実線がビーム進行方向電場。

５．まとめ
FEL 用 125MeV 電子リニアックの入射部に関する
軌道解析を PARMELA で、光陰極 RF 電子銃空胴の電磁場解析を SUPERFISH で解析した。RF 電子銃空６．今後の課題
陰極付近をウェーネルト電極のようにするとエミッタンスが小さく抑えることができると推察したが、このことに関して電子ビーム軌道解析を行って検証する。その他の空胴形状などについても検討したの
ち、LEBRA リニアック用の RF 電子銃として最適な形状・パラメータを決定し空胴の製作をする。ただし、PARMELA ではアルファマグネットのシミュレ
ーションを行うことができない。そこで、LEBRA で独自に作成したコードを用いて計算する。このコー
ド は SPREAD （ Simulation PRogram for Electron
Accelerator Design）と呼んでおり、アルファマグネッ
トを考慮した電子軌道解析が行える。そして、RF 電
子銃空胴の低電力試験、空胴内に励振される電磁場分布の確認および導波管との結合係数の調整などを行う。また、大電力試験を行う為のテストベンチ組
み立て、大電力投入時の熱的変形、空胴内放電の有無の確認を行う必要があると考えられる。
光陰極に関しては、LaB6 陰極の量子効率の測定を行う。光陰極からの電子放出は表面状態に強く依存する。また、LEBRA 用電子銃ではマクロパルス幅が20Psec という長い電子ビームを放出する必要がある
ため陰極に関する工夫が必要と考えられる。
また、加速 RF を 32 分周した信号により、ドライ
ブレーザーにトリガーをかけ、RF に同期したレーザーパルスになる為の調整や RF 電子銃を加速器に組み込むためのレーザービームライン設計などシステムの構築を行う。

参考文献[1] Y.Hayakawa, et al., “First lasing of LEBRA FEL in Nihon
University at a wavelength of 1.5Pm” Nucl. Instr andMeth.A(2002),Vol483/1-2,pp.29-33(NIMA18811)[2] C.Travier,Particle Accelerators.36,(1991),33[3] K.Hayakawa, et al., “Sudy of an RF-GUN” Proceedings ofthe 19th Linear Accelerator Meeting in Japan, Tokai, Jul.
20-22, 1994
[4] K.Hayakawa, et al., “Study of an RF-GUN II” Proceedingsof the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan, Osaka,
Sep. 6-8, 1995
[5] J. Clendenin, et al.,”RF Guns and the production ofpolarized electrons” NLC-Note-20[6] K.Kanno, et al., “電子銃の低エミッタンス化による入射部の高度化” Proceedings of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001
[7] W.B.Herrmansfeldt, “EGUN –an electron optics and gun
design program” slac report 331 1988
[8] T.Tanaka, et al., “Test operation of the RF system of the
125MeV LINAC at Nihon University” Proceedings of the22th Linear Accelerator Meeting in Japan, Sendai, Sep.
9-11, 1997[9] James H. Billen and Lloyd M. Young “POISSON
SUPERFISH”, LA-UR-96-1834,

LEBRA クライストロンの位相変動測定
横山

和枝1,A)、佐藤境

勇 A)、早川武志 B) 、菅野A)
B)建 A)、田中

浩一 B) 、石渡

俊成 A)、早川謙一郎 B) 、中尾

恭史 A)、

圭佐 B)

日本大学量子科学研究所

日本大学大学院理工学研究科〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1

電子線利用研究施設

概要
日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）[1]では、自由電子レーザー（FEL）光の利用実験のために、電子リニアックの性能改善を行っている。光利用を目的とした FEL に於いては、安定した発振が望ましい。
リニアックに於いても、安定な加速電子ビームが要求される。そのためには、加速高周波を供給するクライストロン出力の安定化が特に重要である。クライストロンの位相や振幅の変動は、ビームのエネル
ギー変動の要因になるからである。クライストロンの位相や振幅の変動には、クライストロン入力に用いる RF アンプの変動以外の要因も考えられる。本件
は、クライストロン周辺環境温度と位相との相関を調べた結果について報告する。

図１：RF アンプ及びクライストロン RF 出力の位相と振幅測定のセットアップ。

１．はじめにLEBRA の RF 系に於いては、クライストロン RF
出力の位相変動は、主にドライブ系の 800Ｗ出力 RF
アンプの位相変動に因ることが報告された[2,3]。そこ
で、800Ｗ出力ＲＦアンプの出力位相を関数発生器及びフィードバック方式を使用して平坦且つ安定にしてクライストロン入力に用いることによって、クライストロンで生じる位相変動を調べた。実際には、
RF アンプ出力位相が平坦且つ安定であっても、クライストロンの出力位相には変動が見られる。LEBRA
では、位相がパルス内フラットトップにおいてr0.5°以内の部分が 20Ps 以上取り出せる 400WRF アンプ（日本高周波株式会社製）を導入する予定であるので、クライストロン RF 出力位相変動に及ぼす RF ア
ンプに依存しない他の要因を明らかにする必要があると思われる。

２．位相測定位相測定系の概略を図１に示す。位相測定には、ダブル・バランスド・ミキサー（DBM）を用いた。
位相のリファレンスには、マスターである 2856MHz
図２：温度と位相及び振幅の日変化。
発振器の RF 源を用いた。クライストロンモジュレー(a)温度変化。(b)RF 系の位相と振幅。
ターから発生するノイズの影響を減らすために、位①RF
アンプ出力位相をフィードバック補償した場相を検出した直後に信号を増幅してから、制御室の合。②クライストロン出力位相をフィードバック補
オシロスコープに接続してデーターを取得している。
償した場合。③フィードバック補償しない場合。
このアンプを使用したときには、位相と DBM での1

E-mail: k_yokoyama@lebra.nihon-u.ac.jp

検出電圧は、RF アンプ出力では 0.05°/mV、クライ
ストロン出力では 0.04°/mV に相当する。同時に、室温と RF アンプ、クライストロン窓、冷却水、導波管、クライストロンパルストランスタンクの表面温度をモニターした。

３．測定結果3.1 周辺環境温度の日変化
図２に各々の(a)温度と(b)位相及び振幅の日変化を示す。この結果から、低電圧系統（LV）を通電してからこれらの温度が一定の周期で変化するようになるまでには約 2 時間程度を要することがわかる。この周期は、約 30 分である。クライストロンモジュレ
ーター室は、空調機（定速式）で室温を±１℃にしているが、クライストロン周辺で測定された室温は設定値よりも高めに観測されている。また、クライ
ストロンパルストランスタンクの表面温度は 7 時間
以上経っても上昇し続けているが、これは熱容量が大きいためと思われる。

変動の傾向に近い。この変動は、室温に依存して RF
アンプ周辺温度が変化することに起因すると思われる。図４に RF アンプ出力とクライストロン出力位相の変化を示す。測定時の印加電圧は 19.5kV である。
このグラフから、RF アンプ出力 100W の変動に対して、位相は 3.5q変化することがわかる。図２(b)の①
期間では RF アンプ出力は 3%程度の変動をしている
ので、位相変動は 0.6qに見積もられる。これは室温1℃あたり 0.2qの位相変動に相当する。

図４：RF アンプ出力とクライストロン位相の変化。

3.4 クライストロンの位相変動

図２中の③期間はフィードバック補償をしない場合である。フィードバック補償をしない場合、室温
RF アンプ出力位相にフィードバック補償をかけ、 変化に対して、RF 系の位相変動は、RF アンプ出力変動をr0.2°におさえた状態で、ＲＦ系の位相と振幅では 1.3°/℃、クライストロン出力では 2.9°/℃であを測定した。この結果を図２(b)の①期間に示す。高る。さらに、測定時の RF アンプ出力変動 0.5%を考電圧（HV）のかけ始めでは、クライストロンの印加慮すると、位相変動は 2.5°/℃となるから、クライス
電圧は低く設定しており、15.0（u12, 以下省略）kV
トロン単独では 1.2°/℃の位相変動を生じているとである。その後、徐々に 19.5kV まで上げていき、約思われる。一方、RF アンプ出力位相にフィードバッ
18MW 出力にしてビーム加速に使用している。図３
ク補償をして、温度に依存する RF アンプの位相変化に RF アンプ出力を 600W にして、クライストロン印を取り除くと、クライストロンの位相変動は、1.1°
加電圧を 16.0kV から 20.5kV まで変えたときのクラ/℃となる（①期間）。同様に RF アンプ出力変動 0.3%
イストロン出力位相の変化を示す。この測定は、周を考慮すると、クライストロンで生じている位相変辺温度が充分に安定になってから行った。実線は、動は 0.9°/℃となる。したがって、クライストロンでドリフト管長約 405mm、周波数 2856MHz とした場生じている位相変動の値として、①と③の両期間に合の計算値である。印加電圧変化 0.5kV に対して位おいて矛盾しない。
相は約 13 度変化していることがわかる。パルス電圧
3.5 クライストロン窓の温度と位相変動の安定度は 0.3%であるので、印加電圧が 19.5kV であれば 1.5qの位相変動が予想される[4]。これは、温度に
図５にパルス幅を変えてクライストロン窓の温度依存しない変動である。
を変えたときのクライストロン出力位相の変化を示す。これは、RF アンプ出力位相にフィードバック補
償をして、それぞれ、温度変化の 1 周期分を測定して算出した。この図から、クライストロンの窓の温度変化は位相変化には影響していないと思われる。

3.2 クライストロンの印加電圧と位相変動

図３：クライストロン印加電圧と位相の変化。実線
は計算値。

3.3 RF アンプ出力と位相変動
周辺温度が一定の周期で変動するようになってからのクライストロンの位相変動は、RF アンプの出力

図５：パルス幅とクライストロン窓の温度及び位相の変化。

3.6 周辺環境温度と位相変動
その他のクライストロン位相変動の要因を表１にまとめる。これらの変動は小さいので、RF アンプの位相変動に依存しないクライストロンの位相変動を説明できる要因ではないと思われる。
表 1．位相変動の諸要因
要因
変 化 率 温 度 変 位相変（q/℃） 化（℃） 動（q）
冷却水温度変化[5]
0.6
r0.1
0.12
ケーブル（10m）
10-2
3.5
0.035
10-4
ドリフト管長の収縮[5]3.7 パルス内の位相変動
RF が長パルスの場合、半導体増幅器での半導体ジャンクションの温度の上昇は無視できず、それによるパルス内の位相変動は大きい。パルス内での位相変動の測定では、RF アンプ出力よりもクライストロ
ン出力の方が大きく観測されている[2]。図６に、パルス内の位相変動波形を示す。RF アンプのパルス内位
相変動はr0.6°（Ref2）で、クライストロンではr1.5°（Ref4）ある。関数発生器で RF アンプ出力位相を補償してr0.4°（Ch1）にした場合、クライストロンの出力位相はr1.3°（Ch3）になる。RF アンプで除去された位相変動のr0.2°は、クライストロン出力でも同じように除去されている。この補償の結果から、
RF アンプの位相変動が直接起因していないクライ
ストロン位相変動が、r0.9°あることがわかる。

図７：30 分ごとに測定したパルス内位相波形と位相変動補償した場合の位相波形。

４．考察
以上の結果から、クライストロンで生じる位相変動は 0.9q/℃と見積もることができる。クライストロ
ン出力のこの位相変動の要因は明らかでない。一方、パルス内でのクライストロンで生じる位相変動は
r0.9°である。この変動の原因としては、PFN 調整があげられるが、PFN 調整によって位相をどの程度まで平坦にできるかは、今のところは明らかでない。

５．まとめ
クライストロンで生じる位相変動が見積もられたが、今回、この原因の特定はできなかった。クライ
ストロンの位相変動補償はビームの安定化には必要不可欠であり、今回の位相測定結果から、温度変化が主因と考えられる長時間のクライストロン出力位
相変動は、フィードバック補償をすることでr0.2°に制御でき（図２②期間）、パルス内の位相変動はフィードフォワード的に関数発生器で平坦部をr0.3°に補償可能であることが明らかになった。しかし、現状ではこの方法では除去できないパルス間の位相変動[6]や電源変動[4]による不安定性があり、加速ビー
ムの安定性は充分でない。

参考文献
図６：パルス内の位相波形。Ch1、Ref1：0.05°/mV、
Ch3、Ref4：0.04°/mV。

3.8 パルス内での長時間の位相変動
図７にクライストロンの印加電圧を 19.5kV にしてから、30 分ごとに記録したパルス内のクライストロン出力位相波形を示す。これは、クライストロン出力位相にフィードバック補償をして測定した。パルス内の位相波形は、ほぼ保存されているように見えるが、パルスの後ろの部分はやや変化しているように見える。関数発生器を用いてのパルス内の位相変動補償では、パルスの先頭の 2Ps を除けば平坦部は
r0.3°である。しかし、pulse-to-pulse では位相の形がパルス内でも変化していることが観測されている。

[1] 佐藤 勇、他., "日本大学電子線利用研究施設の現状と研究計画" Proc. of this Meeting.
[2] 横山 和枝、他., “RF Phase Drift Compentation with aFunction Generator”, Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan, p.108, 2000.
URL:http://www-linac.kek.jp/mirror/www.spring8.or.jp/JA
PANESE/conference/li-me00/proc_index.html[3] 横山 和枝、他., “クライストロンドライブ系の位相安定化”, Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meetingin Japan, p.231, 2001.
URL: http://conference.kek.jp/lam26/PosterPr.htm#L5[4] 早川 建、他. , “商用電源変動とビーム不安定性”,
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting inJapan, p.285, 2001.
URL: http://conference.kek.jp/lam26/PosterPr1.htm#P3[5] K.Nakao. et al., “PHASE VARIATION OF HIGH POWERKLYSTRON AT KEKB LINAC”, Proceedings of the 22nd
Linear Accelerator Meeting in Japan, p.137, 1997.
URL: http://conference.kek.jp/lam26/PosterPr1.htm#P3[6] 境 武志、他., "FEL 用 S バンドロングパルスクライス
トロンの動作安定化テスト" Proc. of this Meeting.

FEL ↪ S ࡃࡦ࠼ࡠࡦࠣࡄ࡞ࠬࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦߩേ૞቟ቯൻ࠹ࠬ࠻
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E-mail: sakai@lebra.nihon-u.ac.jp

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2~12.5 Hz
210~249kV
195~226A

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University at a wavelength of 1.5Pm", Nucl. Instr. andMeth. A (2002), Volume483/1-2,pp.29-33 (NIMA18811)[2] T.Sakai, et al., "Improvement of the Long Pulse Operation of
the S-Band Klystron", Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Himeji, July.12-14, 2000,
p228-230.URL:http://www-linac.kek.jp/mirror/www.sprin
g8.or.jp/JAPANESE/conference/li-me00/proc_index.html[3] Ⴚ ᱞᔒ,ߘߩઁ, "FEL ↪ࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦߩࠣ࡟࡯࠼ࠕ࠶ࡊ",Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tsukuba, August.1-3, 2001, p222-224. URL:
http://conference.kek.jp/LAM26/[4] ᮮጊ ๺ᨑ,ߘߩઁ,"ࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦ࠼࡜ࠗࡉ♽ߩ૏⋧቟ቯൻ",Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tsukuba, August.1-3, 2001, p231-233. URL:
http://conference.kek.jp/LAM26/

ストリップライン型ビームポジションモニターの研究―ビームパルス内におけるビーム位置変動 ―石渡 謙一郎1,A)、佐藤 勇 B)、早川 建Ｂ)、田中 俊成 B)、早川 恭史 B)、横山 和枝 B)、
諏訪田 剛Ｃ)、境 武志 A)、菅野 浩一 A)、中尾 圭佐 A)、橋本 英子 A)A)

日本大学大学院 理工学研究科 量子理工学専攻〒274 –8501 千葉県船橋市習志野台 7- 24 –1 日本大学理工学部船橋校舎
B)

日本大学 量子科学研究所 電子線利用研究施設〒274 –8501 千葉県船橋市習志野台 7- 24 –1 日本大学理工学部船橋校舎
C)

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要

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BPM3

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単結晶
４極電磁石

実験室へ

実験室へ

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４極電磁石

偏向電磁石

ビーム
ダンプ

４ｍ加速管

４極電磁石

Ｘ線 発生装置

E-mail: ishiwata@lebra.nihon-u.ac.jp

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４極電磁石

偏向電磁石 ４極電磁石

偏向電磁石

ビ ーム ダ ンプ

1

CM6
BPM2

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１２５ＭｅＶ電子線形加速器
４ｍ加速管

偏向電磁石

自由電子レー ザー発生装置

日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設（LEBRA）では、KEK との共同研究により、赤外線
自由電子レーザー（FEL）用アンジュレーターによって、2001 年 5 月に 1.5Pm 赤外線 FEL の発振に成功し[1]、波長領域 0.8〜5Pm の FEL 実用化に向けて大強度・波長可変の自由電子レーザーを発生させるために 125MeV 電子線形加速器の高性能化を進めている。
また、パラメトリック X 線放射（PXR）用ビームラ
インが完成し実用化に向けて基礎実験を開始した。
FEL を効率よく発生させるには光共振器中を通過する電子ビーム軌道の高精度の制御が重要になる。
FEL ビームラインで以前に使用していた破壊型のビームプロファイルモニターでは、強い放射線が生じ
アンジュレーターの永久磁石の磁場を劣化させた。
そのため、破壊型のモニターの使用をやめたため、FEL 用ビームラインにはビーム位置をモニターできるものがなかった[2]。そこで、電子ビームが誘起する
RF をダクト中に挿入したアンテナで検波する、電子

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CM5

BPM1
４極電磁石

反 射 鏡 ２

１．はじめに

運動量分析
電磁石

ビーム
ダンプ

反射 鏡 １

加速器を運転中にビームを遮ることなくビーム位置を知るためにストリップライン型ビームポジショ
ンモニターを製作した。製作した BPM の較正を高エネルギー加速器研究機構（KEK）のテストベンチを用いて行い、ビームテストは LEBRA の FEL 用ビー
ムラインのアンジュレーターの入口・出口および加速器出口付近に設置した。これにより実験中にビー
ムを遮ることなく常時モニターが可能になる。今回、125MeV 電子線形加速器の電子ビームを使用して、各BPM の 4 つの電極から出力される RF をクリスタル
検波器で検波し、オシロスコープで電圧を測定し、RF 電力に換算し較正曲線よりビーム位置を求めた。
電子ビームのパルス幅が長くPs ある特徴から、ビームパルス内におけるビーム位置変動の測定と FEL
ビームラインにおけるビーム軌道の測定を同時に行った。

ビームを遮ることのない非破壊型の BPM を３台製作し破壊型のかわりに使うことにした[3]。この BPMの較正を KEK のテストベンチを用いて行なった。そして BPM をアンジュレーターの入口と出口および加速器出口付近に設置し（図１参照）、パルスビー
ム内におけるビーム位置変動の測定と FEL ビームラ
インにおけるビーム軌道の測定を同時に行ったので、その報告をする。

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実験室へ

実験室

図１．BPM1,2,3 と CM5,6 の設置個所

２．BPM
の構造
２．
LEBRA の電子線形加速器は加速周波数 2856MHzの RF と同周期でバンチしたビームが BPM を通過する際、誘起された 2856MHz のマイクロ波が電極とビームの距離に依存した強度で検出される。BPM の電極はストリップライン型で、同軸ケーブルの特性イ
ンピーダンス 50Ωに一致するようにつくられている。
また、電極の長さは 26.25mm としてある[3]。

３．BPM
の較正
３．
BPM の 較 正 は Signal Generator か ら 周 波 数
2856MHz,CW,5dBm の RF を RF アンプを用いて増幅し、約 25dBm の RF を直径 0.5mm のタングステンワ
イヤーに伝送させることにより擬似ビームを作り、各電極から出力される RF をクリスタル検波器で検波し、ワイヤーの位置と検波信号をオシロスコープで測定することにより行なった。また、BPM の各電極に取り付けた長さ 12m の RG-55/U 高周波同軸ケー
ブルの減衰量を含め較正係数 kxij,kyij を求めた[4]。このとき、較正係数の次数を 3 次までとると、BPM の中心から半径 4mm 以内の範囲で較正曲線からビーム位置に変換した値とワイヤー位置との差が 0.1mm 以内
で較正ができた。

ともにパルス内においてビーム変動が 0.3mm 程度起
こっていることがわかった。

（a）BPM1

X＋側電極出力,
X−側電極出力
X＋側

Y＋側電極出力,
Y−側電極出力X−側

４．ビームパルス内におけるビーム位置の
検出

Y−側
Y＋側

4.1 測定方法
BPM の各電極からの信号は、長さ 12m の RG-55/U
高周波同軸ケーブルを用いて、加速器本体室から実験 室 ま で 運 び 、 ク リ ス タ ル 検 波 器 （ Agilent
Technologies 製,423B,0.01〜12.4GHz）で検波し、オシロスコープで検波電圧を読み取った。
この電圧を RF 電力に換算し（１）式の較正曲線よりビーム位置を導出する[4]。
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P1  P3 ， 6 x
3'yP2  P4 ， 6 y（b）BPM2

X＋側電極出力,
X−側電極出力X−側

Y＋側電極出力,
Y−側電極出力
X＋側

Y＋側

j

Y−側

(1)

j

（c）BPM3P1  P3P2  P4

ここで、X : BPM 中心から水平方向のビーム位置、
Y : BPM 中心から垂直方向のビーム位置、
kxij,kyij は較正係数、P1,P2,P3,P4 はそれぞれ＋X 側,＋Y
側,−X 側,−Y 側の各電極からのケーブル減衰量を含めた RF 出力電力である。

4.2 測定結果
測定は、ビームエネルギー86.8MeV、パルス幅Ps、
繰り返し 2Hz で行った。このとき BPM 電極出力の検波波形を図２に示す。また、ビーム電流の波形を図３に示す。各モニターの設置個所は図１に示した。

X＋側電極出力,
X−側電極出力
X＋側X−側Y＋側電極出力,
Y−側電極出力

Y＋側
Y−側

図２．BPM の電極出力の検波波形(a),(b),(c)：BPM1,2,3 の電極出力の検波波形(a),(b),(c)ともに、縦軸：20mV/div 横軸：4Ps/div

4.3 ビーム位置の評価得られたデーターから式(1)を用いてビーム位置を求めた。オシロスコープで取り込んだデーターは S/N
比が 30 倍程度あり、ノイズによりビームが 0.2mm 程
度の変動してみえるため、80ns ごとにデーター20 個の平均を取り、S/N 比が 120 倍程度にしノイズを除去した。ノイズ除去後のパルス内におけるビーム位置の変動を図４に示す。
加速器出口付近の BPM1 の X,Y
方向ともに、パルス内におけるビーム位置変動が0.1mm 程度で安定しているが、45°偏向電磁石で 2回曲げられた FEL ビームラインの BPM3 の X,Y 方向

CM5：加速器出口：96[mA]

CM6：アンジュレーター入口：54[mA]
ファラディーカップ：54[mA]

図３．CM5,CM6,FC の出力波形
縦軸 CM5：20mA/div、CM6：10mA/div、FC：10mA/div
横軸：4Ps/div

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（a）：BPM1

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（c）：BPM3

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（d）

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BPM1


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パルスビーム内におけるビーム位置の変動が BPM
３台中アンジュレーター出口に取り付けた BPM2 で確認できた。しかし、アンジュレーター入口に取り付けた BPM では電極の１つに異常な信号出力が検出されたので、今後原因を追求する。
今回、FEL の発振実験を BPM 取り付け後行なってないので、FEL 発振時のビーム軌道のデーターを取り、FEL 発振とビーム軌道の関係を追及していく。
現在この BPM により実験中にビームを遮ることなくビーム位置がオシロスコープを使用してモニターが可能になった。しかし、各電極の出力を同じ電圧にすればビームがダクトの中心を通過していることになるわけではない。これではビーム位置の変化とおおよその位置は確認できるが、運転時にビームの正確な位置が知ることができない。今後の課題として、クリスタル検波器で検波した電圧を 10bitADC
で AD 変換しパソコンに読み込み、ビーム位置に換算を行い、随時正確なビーム位置を表示できるようにする。位置検出を 0.1mm の精度で行う予定なのでS/N 比を今回の測定から推測すると 100 倍以上にすることが必要と考えられるのでノイズ対策も必要となると考えられる。

参考文献

BPM2

BPM3

しかし、BPM2 の X 方向のビーム位置は最大0.65mm 変動している。この波形はビーム電流の波形（図３の CM6）の形が顕著に表れていることから、
図２の X＋側電極出力波形と X−側電極出力波形を比較すると、X＋側波形の方が出力が大きいにもかかわらず、波形が平坦になっており、異常な信号出力だと考えられる。原因としては、まず、検波器の特性が考えられるが Signal Generator の出力を加速周
波数 2856MHz で測定したときには検波器の出力電圧120mV 以下の範囲で検波出力の飽和は起こらなかった。また、45°偏向電磁石直後に設置してあり水平方向のビーム進行方向右側の電極であり、ビームによる影響などが考えられるが、原因は不明である。
また、BPM2 の信号に異常があるが、図４(d)において BPM2 と BPM3 を比べると FEL ビームラインでビーム軌道はダクトに対して斜めに通過していると考えられる。

５．まとめと今後の課題

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             

（b）：BPM2                          



図４．パルス内におけるビーム位置の変動(a),(b),(c)：BPM1,2,3 のパルス幅Ps における時間とビーム位置 X,Y の位置変動。
(d)：パルス内において 80ns 間隔でビーム位置 X-Yをプロットしたものを線で結んだ。プロットの塊から伸びた線はビームの立ち上がりと終わりである。

[1] 佐藤勇 他， 日本大学電子線形加速器の高度化と自由電子レー ザ ー に つ い て ， Proceedings of the 26th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001,
p30-33[2] I.Sato, et al., “Advanced Status at LEBRA in Nihon
University”, Proceedings of the 25th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Himeji, July. 12-14, 2000, p24-28[3] 石渡謙一郎， 非破壊型ビームポジションモニターの開発研
究 ，Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001, p270-272[4] T.Suwada and H.Kobayashi “Test-Bench Calibration System
of Stripline-Type Beam-Position Monitors for The KEKB
Injector Linac”, Proceedings of the 23rd Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tsukuba, September.16-18, 1998,
p175-177

日本大学電子線利用研究施設における加速器モニタの開発
中尾圭佐1,A) 佐藤勇 B) 早川建 B) 田中俊成 B) 早川恭史 B) 横山和枝 B) 境武志 A) 菅野浩一 A) 石渡謙一郎 A)
橋本英子 A) 藤岡一雅 A) 村上琢哉 A) 長谷川崇 A) 宮崎慎也 A)A)

日本大学大学院 理工学研究科 量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎 電子線利用研究施設
B)

日本大学量子科学研究所〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎 電子線利用研究施設

概要
日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では、電子線形加速器の周辺機器及び周辺環境を常時モニタするシステムを開発している。現在商用電源変動及び実験室内γ線量モニタが稼動しており、監視データ
は Web で公開し簡単にアクセスできるようになっている。本稿ではこのシステムの概要を述べる。

１．はじめにLEBRA では、2001 年 5 月に自由電子レーザ(FEL)
発振に成功し、今年の秋以降 FEL を使うユーザ実験が始まる予定である[1]。ユーザ実験が始まると運転停止期間を最小にする要求があるが、そのためには加速器及びその周辺機器の健康管理が必須である。しかし現状では健康管理に必要な長期間の連続したデータがない。また航空機のフライトレコーダのような、トラブル時の手がかりになるもの必要である。
そこで加速器とその周辺機器及び周辺環境を常時モニタし、その記録を公開するシステムを構築している。

２．何を測るか
上記のような要求から、測定点は網羅的にならざ
るを得ない。そこで以下のような測定点を考えている。
z ビーム電流z ビームエネルギz 電子銃のエミッション電流z Klystron 出力 Powerz RF アンプの出力 Powerz 偏向電磁石の入力電圧及び電流z 加速管、導波管内の真空z 加速器及び周辺機器付近の温度z 冷却水温度z 商用電源電圧z 運転者の操作量
商用電源電圧を測定する理由は、商用電源電圧の変動がビームに影響することがわかっているからである[2]。運転者の操作量は、トラブル時に運転者の意
1E-mail: nakao@lebra.nihon-u.ac.jp

図を推測するための手がかりであり、加速器制御プ
ログラムによって記録される[3]。

３．システム構成
システム構成を図１に示す。本システムは、測定機器のアナログ信号を A/D 変換してデータベースに記録する Device Server と、測定データを保持する
Database と Database に格納されたデータを公開する
Web Server からなる。
ユーザは Web ブラウザで Web サーバにアクセスし、データの種類、期間、フォーマットを指定して Submit
ボタンを押すと指定されたデータを閲覧することができる。現在サポートしているフォーマットは、グ
ラフ表示とカンマ区切りテキストである。Submit ボ
タンを押すと Web ブラウザは CGI を呼び出す。CGIは Web サーバ上で動作するプログラムで、ユーザからのリクエストを受け取ると、データベースにアクセスし指定された種類、期間のデータを取得し表示する。フォーマットに「グラフ表示」が指定された場合は、取得したデータを gnuplot に渡してグラフを画像として生成し、その画像を表示する HTML を出力する（図２）。カンマ区切りテキストは表計算ソフトで解析が必要な場合の利便性を考えたもので、
Web ブラウザでダウンロードすることができる。
これらの CGI、Device Server プログラムは C++で書かれている。

４．測定対象の追加
２章であげた測定対象以外の測定点を追加したいという要求が出てくるのは想像に難くない。そのためにはまず Device Server で動作しているプログラムに追加する測定対象を A/D 変換するように書き換えなければならない。この書き換えが簡単でなければ、測定対象を追加する度にバグが混入し不安定になってしまう可能性が高いだけでなく、柔軟性の低いシ
ステムの烙印を押されてしまう。
しかし各測定対象は、測定間隔が異なっていたり、瞬時値が必要なもの、サンプリングが必要なものなど様々である。

Web Server
Database
Device Server
DeviceDevice
図１ システム構成

図３ クラス図 クラス図はクラスやインター
フェースなどの相互の静的な関係を表す。クラス TimerTask は execute, wait, addObserver の３つのメンバ関数を持つ。DataTakerA 及び B は抽象
クラス Observer から派生させ、takeIn メンバ関数を再定義している。

図２

商用電源変動グラフ表示例

例えば商用電源変動を記録する場合、実効値を記録したいので、交流波形をサンプリングして実効値を計算する必要があるが、γ線量を記録する場合はγ線量計の瞬時値で十分なのでサンプリングする必要はない。
そこで、C++のオブジェクト指向という特徴を生かし測定対象毎の処理をクラスで隠蔽し独立性を高めた。このクラス構造を図３に示す。ここではデザイ
ンパターンの一種である Command パターン[4]を適用した。Command パターンは処理をカプセル化する。
クラス構造の一部を図３に示す。
クラス DataTakerA、DataTakerB は、測定対象 A 及
び B のデータ取得処理をカプセル化することを目的としたクラスで、抽象クラス Observer から派生し、その処理を takeIn メンバ関数に記述する。
TimerTask は複数の Observer オブジェクトを持ちその Observer オブジェクトの takeIn メンバ関数を順次呼んでいく execute メンバ関数を持っている。
プログラムは複数のスレッドを持ち、各スレッド
でひとつずつ TimerTask オブジェクトを生成する。
スレッドを一定時間待機させた後 execute メンバ関数

図４ シーケンス図 シーケンス図はオブジェ
クト間の相互作用を時系列で表している。オブジェクト TimerTask は DataTakerA 及び B の takeIn メ
ンバ関数を呼び出し後一定時間待機し、これを繰り返す。
を呼ぶループを作れば、一定時間毎に測定を行うことができる (図４) 。
測定対象を追加するには、Observer クラスを派生し、派生したクラスの takeIn メンバ関数にデータを取得する処理を記述した後、任意の TimerTask オブ
ジェクトにその派生クラスを登録すればよい。

５．実装
現在商用電源変動及び実験室γ線量常時モニタが本システムで稼動している。現在クライストロンの真空度とアンジュレータ付近の気温の常時モニタの追加作業中である。

Device Server は、Microsoft Windows2000 で動作している。Web Server には Apache HTTP Server2を、データベースには PostgreSQL3を使用している。
Apache と PostgreSQL は同じ PC 上で稼動しており
この PC の OS には Debian GNU/Linux4を採用した。

６．評価
本稿執筆時点で稼動開始から約 3 週間が経過しているが、稼動開始当初 Device Server が Database にア
クセスできないとプログラムが強制終了するというバグがあったが、修正後安定して稼動している。
Device Server 及び Database/Web Server に使用している PC は買い替えで余った PC を使用しており、また Windows2000 と開発環境のライセンス料、A/D 変
換ボード代を除けば無料であるため、開発コストは低く抑えられている。
動作速度に関しては CGI の動作が遅い。これは CGI
が Database に接続する処理が遅いためである。これを改善するために、起動時に Database との接続をあらかじめ確立しておく、コネクションプールを保持しておくことが一般に有効とされているが CGI はブラウザからアクセスされたときに起動するため、コネクションプールでは改善できない。現状では我慢できるレベルであるが、測定点が多くなるにつれてデータベースの負荷が大きくなるので CGI の処理がいっそう遅くなることが予想される。アクセスの多いデータをキャッシュするなどの対策が必要になるかもしれない。
ビーム電流等の加速器の運転に有用なデータのモニタが始まると、制御室でリアルタイムに表示したいという要求が出てくることが考えられる。前述のとおり CGI の動作は遅く、そもそも HTTP にはリア
ルタイム性は考慮されていない。そのため Web/CGIに変わるデータ公開法として CORBA を検討している。[5][6]６．まとめ
日本大学電子線利用研究施設では加速器及びその周辺機器のパラメータや周辺環境を常時モニタするシステムを開発しており、商用電源電圧モニタと、実験室γ線量モニタが、現在安定に稼動している。
モニタしたデータは Web ブラウザを用いて誰でも閲覧することができる。
今後は測定点を増やすとともに、リアルタイム性をもつ監視データの公開方法を探っていく。

2

http://httpd.apache.org
http://www.postgresql.org
4
http://www.debian.org
3

参考文献[1] 佐藤勇 他 「日本大学電子線利用研究施設の現状と研究計画」Proceedings of this meeting.
[2] 早川建 他 「商用電源変動とビーム不安定性」the 26th
Linear Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3,
2001, p285-287[3] 早川建 他 「加速器調整履歴の集積」 Proceedings ofthis meeting.
[4] Eric Gamma, et al., 「デザインパターン」Softbank,ISBN4-89052-797-4[5] 上窪田紀彦 他 「Java と CORBA を使った加速器状態
リアルタイム表示システム」 the JPS meeting in Osaka,
Apr.2000,
http://www-linac.kek.jp/~kami/report/jps00_osaka/ohp/htm
l/JPS00.htm[6] T.Tanabe, et al., “Distributed-Object Based Design of
RIBF
Control
SystemUsing
Java/Corba”
Proceedings of the 13th Symposium on Accelerator
Science and Technology, Suita, Osaka, Japan, Oct.
2001, p108-

加速器調整履歴の蓄積早川建1,A)、横山和枝 A)、田中俊成 A) 、早川恭史 A) 、佐藤

勇 A) 、

武志 B) 、菅野浩一 B) 石渡謙一郎 B) 、

境A)

日本大学量子科学研究所〒274-8501 船橋市習志野台 7−24−1
B)

日本大学理工学部理工学研究科〒274-8501 船橋市習志野台 7−24−1

概要
日大 LEBRA の電子線形加速器はビームを維持するために、オペレーターが付いて調整していなければならない。オペレーターの負荷を軽減するために，半自動もしくは自動運転ができることが望まれる。
加速器運転中はビーム維持のために，オペレーター
はマイクロ波の位相とステアリングコイルを含む収束系の調整を行なっている。この調整操作を記録し，その記録を解析することによって，加速器の挙動と運転制御の手法を評価する。この結果とビーム変動
要因の解析に基づいて自動運転のシステムを構築する予定である。

１．はじめに
現在加速器の運転操作は、タイミングの調整､クライストロンパルス電圧の昇降､電子銃の操作を除いて、全てパソコンを通して行なっている[1]。従って､オペレーターの行った調整行為を記録するのは比較的容易である。第 2 章で､制御システムのハードウエ
アーの概要を､第 3 章でデーター集積を含むソフトウ
エアーを簡単に説明する。第 4 章で､蓄積されたデーターの例を紹介する。

２．制御システム

Celeron プロセッサーを搭載しており、この用途には十分な性能を持っていると思われる。各機器の配置を図１に､パソコンと各種機器との接続形態を図２に示す。制御用パソコンからは 3 系統のインターフ
ェイスを通して機器との間で信号のやり取りを行なっている。一系統はシリアルインターフェイス（RS232C）を介して OMRON 社製のシーケンサー3台に接続されている。クライストロンのパルス変調器から発生するノイズの影響を避けるため､信号を光に変換して伝送している。シーケンサーの内、2台はパルス変調器の制御に使われ､１台が収束系の電源制御その他に使われている。
シリアルインターフェイスのもう一つのポートは、
もう 1 台のパソコンに接続されている。このパソコ
ンは GP-IB バスを介して､運動量分析系の９０度偏向電磁石及び、四極電磁石の電源に接続されている。
このパソコンはサーバーとして動作しており､制御用パソコンで動く制御プログラムからの指令により､
電流値の設定及び､読み込みを行なう。このような方式にした理由は GP-IB バスのアクセス時に発生する
オーバーヘッドを軽減するためである。また、バスの延長とパルスモジュレーターのノイズの影響を避けるため､光延長ケーブルを採用している。
移相器及び減衰器は制御用パソコンの PCI バスに接続された汎用の 16bit 入出力ボードを介して制御している。

制御用に使っているパソコンはクロック 1GHz のSignal generator
RF amp.
FC
Klystron
Undulator

Attenuator
Phase shifter

Coil

Steering coil

Q triplet

Magnetic lens

Prebuncher

Buncher

4m Acc Tube

4m Acc Tube

4m Acc Tube

図１．マイクロ波伝送系及びコイル、電磁石の配置図。
1

E-mail: hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp

Analyzerンターフェイスを介して､モーターの駆動量を読み取っている。高速φA は、位相と振幅の補償を行な
うためのフィードバックループの構成要素であり､調整には使わない。

２.１ 収束系

収束系の制御は 1 台のシーケンサーが受け持っており､12 組の xy ステアリングコイル､3 組のアンジュ
レーター内ステアリングコイル、5 組の Q トリプレット、3 台のマグネティックレンズ、3 台のソレノイ
３．制御プログラム
ドコイル及び､数台の補助的コイルの電源が含まれ制御プログラムは Windows2000 の元で動くプログる。ここに繋がれている電源は全て制御電圧に比例
ラムとして､簡便性と、メインテナンスしやすさからした電流を出力する方式で制御されている。シーケ
Visual Basic で記述した。マイクロ波系と、その他のンサーは電源の数に対応するチャンネル数の DA コ
系統は別のプログラムとして製作したが､別プログ
ンバーターを持ち､制御用パソコンからのデーターに基づいて制御電圧を発生し､電源に印加している。 ラムにする意味は特に無く､単に開発の都合によるものであり､いずれ統合する予定である。
また､ステアリングコイルなど、極性の切換えが必要
移相器･減衰器の制御プログラムは指定された機なものは､出力部にリレーが取り付けられており、こ器の選択とON/OFF 操作､デジタル電圧計の読み取り
れもシーケンサーからの信号によって切換えられる。
をするだけである。ディスプレイに表示されたフォーム上には機器を選択し､ON 操作をするためのコマ
２.２ 移相器､減衰器
ンドボタンと電圧計から読み取った値を表示するた
移相器､減衰器は新旧取り混ぜ、様々な形式のもめのテキストボックスが配置され､位相は角度（相対のが使われている。RF アンプの入力段に使われてい値）に変換して表示し､減衰量は対応するポテンショ
る高速φA を除いては、全て可動部を持ち､それらをメーターから読み取った電圧の値をそのまま表示しモーターで動かすことにより位相及び減衰量を調節ている。入出力ボードへのアクセスは、ボードに付している。モーターにステッピングモーターが使わ属のコントロールを使って行なった。調整履歴は､１
れている機器と、AC モーターが使われている機器と分毎及びどれかのコマンドボタンが押されるたびにがあり､AC モーターの場合は､リレーを使って直接ハードディスク上のファイルに記録している。
接点を開閉し、ステッピングモーターの場合は、以収束系を操作するプログラムは加速器全体の制御
前マイクロトロンの制御用に使っていたステッピンと、監視を行なっているプログラムの一部である。
グモーターコントローラーを流用している。移相量
シリアルインターフェイスを介して､シーケンサー
及び減衰量はモーターの移動量をポテンショメータのモジュールを操作することにより制御を実現してーで読み取る方式になっている。このコントローラ
いる。マン・マシンインターフェイスは２台のディーはデジタルの電圧計が組み込まれており､同じイ
スプレイとマウス及びキーボードである。ほとんど
Sequencer

Klystron pulse modulator #1

Sequencer

Klystron pulse modulator #2
Devices

Opt. link

Power sup.

Magnet/CoilPower sup.

Magnet/CoilPower sup.

Analyzer Magnets

Opt. link
Sequencer
GP-IB
PC

GP-IB
Opt. link

RS232CPC

Universal I/O
board

Stepping motor
controller
Digital volt meter

Relay module

Phase shifter/
Attenuator

Phase shifter/
Attenuator

図２．制御系接続図。三系統のインターフェイスが使われている。シリアルインターフェイスの２系統
は電磁石とパルスモジュレータｰの制御に使われ､汎用入出力ボードを介して､移相器と減衰器を制御している。

ムの状態は絶えず変化している。オペレーターはこの操作はマウスによって行なう。対象が多いので､操のビームの変動を抑制するように調整を行なってい作性を高めるため、ディスプレイ上に加速器の概略図を描き、各電磁石･コイルの置かれている位置に、 るのである。
一例として図３から５に５月３１日における移相
対応する処理を呼び出すコマンドボタンを配置した。
器と減衰器の調整記録を示す。この日は午前１０時
操作履歴の記録は、シーケンサーへのアクセスを全頃クライストロンパルスモジュレーターの LV を入て記録することにより実現した。制御プログラムは､れ､１０時半頃 HV を投入している。ビーム加速を行立ち上がった直後に、シーケンサーに設定されていなったのは１２時からで､ビーム調整後、１２時４０
るデーターを全て吸い上げるので､この方式で､データーを取り落とすことはない。
分から午後２時２０分頃まで中断し、その後９時頃まで連続的にビーム加速及び FEL の実験を行なっている。図３は全移相器の位相調整の記録で､１２時頃
４．調
４．調 整 履 歴のビーム立上げ時と、１４時２０分頃の再開時に比概要で述べたように､本研究の当面の目的は電子較的大きく位相を動かしているのがわかる。図４は線形加速器のビーム維持の自動化である。現在は保バンチャーの位相と減衰量を調整した記録で､最初存されている収束系と移相器･減衰器などの値を使の調整時に、減衰量の調整も試みていることが読み
えば、再現性良くビームを出すことができる。只エ取れる。また、約２時間半の周期で､バンチャーの位
ネルギーを合わせるための微調整は必要である。加相が動かされている。これは FEL の発振を維持させ速器は電源投入後、クライストロン、導波管､加速管るための操作だと思われるが､この周期は加速器室などの温度が上昇する。おおむね２時間程度で定常の室温の変動周期にほぼ一致しているので､何か関状態に達するが[2]、定常状態に達した後も、±１℃程連がありそうである。図５はクライストロン２号機
度変動する室温と、±０．２℃程度変動する加速管と加速管#3 の位相である。図１からわかるように、
冷却水および商用電源変動の影響によって､ビーム
クライストロン２号機の位相は加速管#2 の位相と同の状態が変化する。マイクロ波の位相は、高速φA
じで､加速管#3 の位相はこれに相対的な位相である。
を利用した位相補償回路によって、クライストロン
この２本の加速管の位相を調整することによって､の出口では、±０．３度程度に安定化されている。
エネルギーとスペクトルの両方を調整することか出
しかし、これは立体回路および加速管の変動を補償来るので、最も頻繁に操作する位相である。この日するものではない。これらの変動によって､電子ビー
も１４時２０分以降実験が終了するまで継続的に操作が行なわれている。
600
自動運転を実現するためには勿論ビームの状態を500
Kly #2
データーとして取り込めるようにすることが不可欠
Pre-buncher
400である。この部分は準備中である。これらの記録を300蓄積し､環境因子と合わせて解析することにより､加速器の挙動が明らかになり､変動の予測ができるよ200
Buncher
うになると期待される。それによって、自動運転を100実現する予定である。
0

Acc #3-100

参考文献

Acc #1
-200
10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

図３．全移相器の調整記録横軸は時刻､縦軸は相対位相（度）
。

160

700

150

690

140

Buncher phase (left scale)

670

120

660

110

650

100

640

80
10:00

Buncher attenuation

12:00

14:00

16:00

-20

560

-30

550

680

130

90

[1] K.hayakawa, et al, "CONTROL SYSTEM OF FEL
LINAC AT NIHON UNIVERSITY" Proceedings of the 23rd
Linear Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Sep. 16-18, 1998
[2] K.Yokoyama et al, these Proceedings.

18:00

630

20:00

620
22:00

図４．バンチャーの位相（左目盛）と減衰量（右目盛、数字が大きいほど減衰量が大きい）
。

-40

540

Kly #2
-50

530
520

-60

Acc #3
510

-70
-80
10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

500
22:00

図５．クライストロン２号機と加速管#3 の位相の推移。

Proceedings of LINAC 2002, Gyeongju, Korea

S-BAND KLYSTRON FOR LONG PULSE OPERATION
T.Sakai†*, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Kanno*, K.Ishiwata*,
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Institute of Quantum Science,
Nihon University, Funabashi, 274-8501, Japan
S.Fukuda, Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
Tsukuba, 305-0801, Japan
K.Hemmi, M.Hino, Mitsubishi Electric Corporation (MELCO), Amagasaki, 661-8661, Japan
Abstract
The electron linac for infrared to ultraviolet freeelectron laser has been developed at the Laboratory forElectron Beam Research and Application in Nihon
University. Each S-band klystron is required to provide apeak RF output power of 30MW with the pulse durationof 20μs at the repetition rate of 12.5Hz. The output powerof the current Mitsubishi PV-3030A1 klystrons is
restricted to approximately 20MW due to damage to the
output RF windows at higher output powers. An upgradeversion of PV-3030A3 type, i.e. a PV-3040N klystron
was fabricated for a durability test of the RF window at an
output power around 30MW. The PV-3040N klystron has
an improved vacuum port to protect the RF window frombreakdown by quick vacuum recovery. Furthermore, thematerial of the RF window has been replaced by the oneused in PV-3050 type, which will improve the output
power limit at long pulse operation.

1 INTRODUCTION
A high performance electron linac for free electron
laser (FEL) has been studied at the Laboratory forElectron Beam Research and Application (LEBRA) in
Nihon University as collaboration with High Energy
Accelerator Research Organization (KEK) [1]. The Sband high power RF has been supplied by two Mitsubishi
PV-3030A1 klystrons, which were moved from KEK
after being used for several years in the injector linac of
photon factory (PF). The maximum operating power of
the klystrons has been restricted to approximately 20MWat the pulse duration of 20μs due to damage to the
klystron output RF windows.
The FEL system in LEBRA currently serves infrared(IR) FEL at a wavelength of 1.5μm [2]. The klystron
output RF power of 30MW is necessary to achieve lasingin the visible to ultraviolet range. Although the PV3030A1 klystron was designed for relatively short output
pulse, operation with the pulse duration of 20μs has been
attained at the peak output of 20MW and the repetition
rate of 12.5Hz by the increase of the vacuum pumping
system downstream the RF window. However, increase of
the output power up to 30MW seemed quite difficult
without improvement of the dielectric strength at the RF____________________________________________

window. Thus, a PV-3040N klystron was fabricated as an
upgrade version of PV-3030A3 type. This paper reports
about the effect of increased vacuum pumping on the RF
window and the property of the PV-3040N klystron.

2 PROBLEM IN KLYSTRON RF WINDOW
2.1 Status of klystron operation
The status of klystron operation from 1997 through2001 is listed in table 1. In this period nine klystrons werebroken due to the dielectric breakdown frequently
repeated at the RF window surface [3]. The breakdown
phenomenon was monitored with the power supply
current of the ion pump placed downstream the RF
window. However, the current of the ion pump power
supply for the klystron indicated no signal of breakdown.
The klystrons had been already used for a long time in theinjector linac of PF at KEK, therefore the inside the
klystrons might be sufficiently aged. These facts suggestthat the damage to the RF window was caused by thebreakdown on the outer surface of the RF window andinstant degradation of the vacuum in the waveguide.
Table 1:Status of the klystron operation
Kly
No

#1

#2

Tube
Type

NumberMountedA1

87514

97.02.25

A1

90503

A1

90507

A2

Dismounted

StatusBrokenMax.
Performance
24MW×20μs
×2Hz

Broken98.02.07

99.02.15

99.05.24

00.04.19

Broken91506

99.02.15

99.05.24

BrokenA1

89511

00.04.19

A1

88516

98.02.09

98.05.26

BrokenA2

91502

98.05.27

98.06.18

BrokenA2

92505

98.06.19

98.07.08

BrokenA2

92502

98.07.08

98.12.10

BrokenA2

92503

98.12.10

99.06.11

BrokenA1

89506

99.06.12

Running

Running

20MW×20μs
×12.5Hz19MW×13μs
×2Hz
20MW×20μs
×10Hz
21MW×8μs
×2Hz
26MW×20μs
×2Hz
21MW
×12.5μs×2Hz
26MW×20μs
×2Hz
26MW×20μs
×2Hz
20MW×20μs
×12.5Hz

2.2 Damage of klystron RF window
The photograph of a sample of damage at an RF
window is shown in figure 1. There are notable tracks of†sakai@lebra.nihon-u.ac.jp*also, Graduate School of Science and Technology, Nihon University712

Proceedings of LINAC 2002, Gyeongju, Korea
dielectric breakdown on the flange surface and pinholes atthe ceramic window plate.

the conductance from 8.2l/s to 43l/s. By the combination
with ANELVA 8l/s ion pumps the effective pumping
speed around the RF window was estimated to be 17l/s,
which is greater than the effective pumping speed of 15l/s
at the second RF window.
㫃㫀㫅㪸㪺㩷
ᵟᵬᵣᵪᵴᵟᴾᴾᵖᶊᵍᶑᴾᵧᶍᶌᴾᵮᶓᶋᶎ

(c)
(a)
(b)
Figure 1: Damage to the klystron RF window. (a) A
photograph of the flange surface. (b) The ceramic RF
window. (c) Close-up of a pinhole.

ᵩᶊᶗᶑᶒᶐᶍᶌ
ᵰᵤᴾᶕᶇᶌᶂᶍᶕ

2.3 Waveguide vacuum pumping system
The layout of the vacuum pumping system downstream
the klystron RF window is illustrated in figure 2. The
vacuum in the waveguide is pumped with a 60l/s ionpump located about 2.6m downstream the klystron RF
window. The vacuum conductance of the waveguide
between the klystron RF window and the ion pump was
estimated to be 8.2l/s [4]. The second RF window
isolating the vacuum between the klystron and the linac
has the same structure as the klystron RF window. The
RF power passing through the second window is almost
the same as that passed through the klystron RF window.
However, the second RF window was never damaged by
the RF power. The conductance between the second RF
window and the ion pump was estimated to be 20l/s,
which is about 2.5 times larger as compared to that for the
klystron RF window. This suggests that the difference ofperformance between the two RF windows was caused by
the difference of the vacuum conductance.
4( 9KPFQY.KPCE

Figure 3: The photograph of the waveguide with two
additional ANELVA 8l/s ion pumps located about 40cm
downstream the klystron RF window.
The behaviour of the vacuum recovery in the
waveguide around the klystron RF window has been
simulated on the basis of the pumping speed as discussed
above. Figure 4 shows the result of the simulation after
the pressure suddenly changed from 10-6Pa to 10-4Pa by
the emission of gases out of the RF window surface
carried by the dielectric breakdown. An improvement of
the vacuum recovery time by the additional pumps isevident in the figure 4.
By the increase of the vacuum pumping system, theoutput power of 20MW was achieved at the pulse
duration of 20μs and the repetition rate of 12.5Hz.
Although nine klystrons were broken by damage to theRF windows before the improvement of the vacuum
pumping system, no klystron was broken in the operationof the linac over 3,900 hrs after the improvement.
However the operation has been restricted to the output
power of 20MW due to possible damage to the RF
windows at higher output powers.

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Figure 2: Layout of the waveguide and the vacuum
pumping system downstream the klystron RF window.

3 IMPROVEMENT TO VACUUM
PUMPINGA quick recovery of the vacuum around the RF window
is important to suppress further dielectric breakdown at
the next RF pulse. In order to increase the pumping speed
around the klystron RF window, two vacuum pump ports
were added at the waveguide close to the RF window, asshown in figure 3. These ports were estimated to increase713㪧㫉㪼㫊㫊㫌㫉㪼㪲㪧㪸㪴-N[UVTQP

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Figure 4: The result of simulation for the vacuum
recovery after the dielectric breakdown at the klystron RF
window.

Proceedings of LINAC 2002, Gyeongju, Korea㩷㪈㪇㪇㪧㪭㪄㪊㪇㪋㪇㪥
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Figure 7: Typical power transfer characteristic as afunction of RF drive power.
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㪜㪽㪽㫀㪺㫀㪼㫅㪺㫐㩷㪲㩼㪴A new klystron, PV-3040N type, was fabricated for adurability test at higher output powers than 20MW,
provided that the pulse duration is 20μs and the repetition
rate is 12.5Hz. The PV-3040N klystron is an upgradeversion of PV-3030A3 type that has common
configuration with PV-3030A1 type [5]. Therefore, nochange is required for the klystron assembly tank.
Figure 5 shows the photograph of the PV-3040N
klystron. The klystron vacuum pump is located close to
the waveguide as compared with PV-3030A3 type, as thevacuum duct was replaced with a short and thick one. The
RF window was replaced with the same one as used in ahigher power PV-3050 type.
The result of simulation for
the vacuum recovery inside
the RF window is shown infigure 6. It is evident that thetime spent to recover thevacuum from 10-4Pa to 10-7Pa
is significantly reduced by the
improvement of the vacuum
conductance between the RF
window and the ion pump.

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4.1 PV-3040N klystronCorporation. Figures 7 and 8 show the characteristics of
the PV-3040N klystron, the power transfer curve,
efficiency and output power obtained in the test, where
the operating condition was the repetition rate of 50Hz
and the RF pulse width of 4μs. The power transfer curveof the PV-3030A1 klystron is also shown in figure 7 forthe comparison. The maximum output power of 42.3MW
was obtained in the test operation at the above condition.

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4 FABRICATION OF PV-3040N
KLYSTRON

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Figure 8: Typical efficiency and RF output power
characteristics at saturation as a function of beam voltage.

5 CONCLUSION

㪧㫉㪼㫊㫊㫌㫉㪼㩷㪲㪧㪸㪴(b)(a)
Figure 5:The Photograph of the PV-3040N klystron. (a)Overview of the PV-3040N klystron. (b) Close-up aroundthe klystron ion pump.

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6 REFERENCES

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㪫㫀㫄㪼㩷㪲㫊㪼㪺㪴A quick vacuum recovery around the klystron RF
window is effective to avoid window breakdown,
especially for the klystron operation at high power, longpulse width and high repetition rate.
The PV-3040N klystron is expected to achieve theoutput power of 30MW at the pulse width of 20μs and therepetition rate of 12.5Hz. High power test of the PV3040N klystron at a long pulse width and high repetition
rate is intended in 2002.

㪊

㪋Figure 6:The results of vacuum recovery simulation for
PV-3030A1 and PV-3040N klystrons.

4.2 Operation test of PV-3040N klystronA preliminary high power test of the PV-3040N
klystron was performed at a bench in Mitsubishi Electric714[1] T.Tanaka et al., Proc. 1st Asian Particle Accelerator
Conf. (APAC’98), Tsukuba, Japan (1998) 722.
[2] Y.Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 483(2002) 29.
[3] T.Tanaka et al., Proc. 2nd Asian Particle Accelerator
Conf. (APAC’01), Beijing, China (2001) [to be
published].
[4] ULVAC Corporation Center, “Vacuum Handbook III”,(1989) [in Japanese].
[5] S.Fukuda, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 368 (1996)
561.

Proceedings of LINAC 2002, Gyeongju, Korea

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㧡㧚߅ࠊࠅߦෳ ⠨ ᢥ ₂1) I.Sato, et al., Proc. of 22nd Linear Accelerator
Meeting in Japan, 104-106 (1997). 2) K.Hayakawa, et al., Nucl.Instr.and Meth. A375,
ABS25-26(1996). 
3)T.Tanaka,etal.,Nucl.Instr.andMeth.A407,II103-104(1998). 
4) I.Sato, et al., The 12th Sym. on Accel. Sci. and Tech.,
Riken,Japan, 37-39(1999). 
5) Y.Hayakawa, et al., Nucl.Instr.and Mrth.A82002),Vol
483,1-2,pp.29-33. 6)K.Yokoyama,et.,Jpn.J.Appl.Phys.41(2002)pp-47
58-4759商用電源変動とビーム不安定性Ⅱ早川建1,A)、田中俊成 A)、早川恭史 A)、佐藤 勇 A)、横山和枝 A)、中尾圭佐 B)、境C)

金井 泉 、本郷礼二
A)武志 B)、

C)

日本大学量子科学研究所〒274-6501 船橋市習志野台 7-24-1
B)

日本大学理工学部〒274-6501 船橋市習志野台 7-24-1
C)

東京電子株式会社〒327-0103 佐野市石塚町 568-11

概要
前回、同じタイトルで報告した[1]時には原因不明であったクライストロンパルス電圧と電源変動の相関が明らかになった。問題は PFN の充放電に伴う大きな負荷変動にあった。高圧直流電源は､この変動を補償するように動作するが､その変動幅が補償範囲を超えていたのである。この状態になると、DC 電源は
単なる整流平滑回路になってしまうので､商用電源の変動が PFN の充電電圧の変動として現れていた。

１．はじめに当施設の所在地（船橋市習志野台）に於ける、商
電源電圧の変動の状況は前回の報告時に比べて好転はしておらず、むしろ悪化していると言ってよい。
すなわち周期が数秒の速い変動（～1.5% p-p）は平日
は夜間午後９時から、翌日の午前９時まで続き、週末は終日現れている。平日の昼間はこの変動の振幅が比較的小さい（～0.5% p-p）のだが､夜間と同じ程度の変動を示す日もある。長い周期の変動は昼夜を問わず存在する。これらの様子を図１に示す。この5日は平日にもかかわらず、日中も振幅の大きな変動が起きていた．しかし、AVR の出力を見ればわかる
ように､夜間の変動とは異なる性質を持っている。商用電源に我々の求める安定度を期待することはでき
ないが､せめて夜の部の変動が何とかならないか東京電力に申し入れしたのだが､解決しなかった。
昼の部の変動でも､そのためにパルス電圧が変動していることには変わりなく､その浸入経路を見つけてこれを遮断しなければ、自由電子レーザの安定化は果たせない。商用電源が変動すると、パルスモ
ジュレーター内の装置､特にサイラトロンが影響を受け，その結果がパルス電圧の変動として現れる。
この問題はサイラトロン周りの電源の前に AVR を挿入することによって解決した。しかしそれでもパルス電圧が電源変動のパターンで変化するので､パルスモジュレーターの給電ラインに大型の AVR を挿入して安定化をはかった。パルストランスのバイ
アス電源まで含めて AVR の内側に入れたのにもかかわらず、依然としてパルス電圧の変動は止まなかった。図 2.に示すように､電源変動に対応して､全く同じパターンでパルス電圧、RF 出力などが､変動し
ている。

0.5

3

4
3

2

0

パルス電圧二次

2

1
-0.5

RF出力

(%)

1

(%)

(%)

パルス電圧一次

0

0
-1

商用電源

-1

-1
-2
-3
4:00

8:00

12:00

16:00

20:00

-1.5
0:00

図 1．平日の電源変動パターン､上が AVR 出力（右側目盛り）、下が商用電源｡

1

E-mail: hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp

-2
18:00

18:30

19:00

19:30

図 2．電源変動とパルス電圧，クライストロン・マ
イクロ波出力。上から順に、一次側パルス電圧､二次側パルス電圧、マイクロ波出力（検波器出力）、商用電源電圧。

高圧DC電源

PFN
サイラトロン
クライストロン

AC400

ヒーター
リザーバー
キープアライブ
電源

パルストランス
バイアス電源トリガー回路ヒーター電源AC200

図３．パルスモジュレーター、直流電源、クライ
ストロンアッセンブリｰ概略図

２．電源変動の侵入経路はないかと思い至り、バッテリー駆動のオシロスコープによる測定も試みたが､結果は同じであった。サイラトロン周りを安定化したにもかかわらず変動していることから明らかであったが､PFN の充電電圧もまた変動していた。ここに至って、電源変動の侵入経路は高圧直流電源以外に考えられなくなった。
そこで、充電中の電圧を測定する事にした。チャージングチョークの電源側に高圧プローブが取り付けられているので､これを利用した。充電中の電圧波形
は、充電電流波形をひっくり返したような形の落込みを示している。充電電流を多く流す時には、供給側の容量が不足して､電圧が落込むのである。この電圧の落込んだ底の部分の電圧を長時間に渡って測定した。この測定の結果を図４に同じ時刻の電源変動と共に示す。明らかに、同じパターンで変動している。高圧直流電源が充電中に変動していることが分ってしまえば､その侵入経路を推定することは容易である。すなわち､充電中、高圧直流電源は安定化されていないのである。

図 3 にパルスモジュレーターのブロック図を示す。
この図から分るように、商用電源から電力を供給されているのは､高圧直流電源、サイラトロンヒーター
電源、サイラトロンリザーバーヒーター電源、トリガー回路、クライストロンヒーター電源､パルストラ ３．高圧直流電源
ンスバイアス電源、および図には示さなかったが、高圧直流電源は前記のように、仕様どおり 10-4 程
クライストロン収束コイル電源である。最後のクラ度の安定度を示しており、それで安心しきっていた
イストロン収束コイル電源については､たとえこの電流が変動してもパルス電圧に影響するとは考えら のだが､元々は定負荷用に作られた電源であるので､れないので､除外した。前記のように、サイラトロン パルスモジュレーターのように変動の大きな負荷に周りの電源が変動すると確かにパルス電圧が変動し 接続した時の振る舞いをもっとよく考えておくべきていた。そこで、商用電源変動の影響を除去するた であった。直流電源回路のブロック図を図５に示す。
この図では、昇圧トランスと整流回路を電池の記号
めに、電力供給ラインに AVR を挿入した。この結果､
パルス電圧変動は劇的に低下した。しかしそれでも で表している。破線及び括弧内の数値は改造前の状
商用電源変動のパターンでパルス電圧が変動してい 態である。これから分るように、トランスで昇圧した。商用電源の比較的時間スケールの長い変動は た後整流した 3kV 程度の電圧を制御用電子管のカソ
AVR によってほぼ完全に除去できるので､AVR から ード・アノード間に印加する。その電圧に IVR で昇給電される装置はこのパターンでは変動しないはず 圧後、整流した約 20kV 程度の電圧を積み重ねている。
定負荷時は、電子管の吸収電圧が 1.5kV 程度になるである。そこで、大容量の AVR を導入して､サイラようにグリッドのバイアス点を定める。この場合出トロン周りだけでなく､高圧直流電源を除く全ての電源を AVR から給電するようにした。ところが状況 力は 21.5kV 程度になる。入力あるいは負荷変動によは一向に改善されないのであった。高圧直流電源は って､検出点 A の電位が動かないように吸収電圧を仕様どおり 10-4 程度の安定度を示しており､全く問題 調整する。パルス負荷の場合、負荷変動が大きすぎないように見えた。あるいは、測定系の問題なので て、電子管による調整範囲を超えてしまったと考えられる。実際､充電中のカソード・アノード間の電圧
0.4

12 H

PFN充電電圧020 ｋ V

-0.4

540Ω

5μF
(2.5μF)

50 MΩ
20μF

直流電源電圧ボトム

(%)

3 ｋV

12μF
100μF
(2.5μF)

-0.8

(18Ω)

A

(2.5μF)(0μF)
10 ｋ Ω

-1.2
商用電源電圧-1.6
15:10

グリッド制御回路

15:40

16:10

16:40

図４．充電中の高圧直流電源電圧と PFN に充電された電圧の変動。商用電源と同じパターンで変動している。

図５．高圧直流電源のブロック図．破線及び括弧内の数値は改造前の状態。出力抵抗増強と検出点の移動、コンデンサーの容量増加が変更点。

を測定した結果を図６に示す。充電が開始されると、測定点 A の電位の落ち込みを補償するように電子管
は吸収電圧を小さくしてゆくが､遂には放出すべき電圧を全て失ってしまう。こうなってしまうと、この電源は入力変動にも負荷変動にも対応できないた
だの整流回路になってしまう。従ってこの時の商用電源電圧が、そのまま出力に反映するようになってしまうのである。

４．電源の改造
問題は電源の制御系が､負荷変動に追随しようとして、結局追随しきれず､全く制御を失ってしまうことにある。負荷変動の最大の要因は無論、放電によって PFN の電圧が一気にゼロまで落ち込む現象である。これに、PFN のコンデンサーやインダクターの室温変動による容量変化、サイラトロンの変動等が重畳されるのであるが､これらは電源変動に比べて十分小さいと仮定できる。そうであれば､電源は必ずしも負荷変動を見る必要が無い。電源変動だけを補償するように働けば良いのである。負荷変動はむしろ見えないほうが良い。負荷を電源から隠蔽する方法は幾つか考えられたが､ここでは、システムの挙動になるべく影響を与えないように、出力抵抗を大きくする方法を採用した。出力抵抗を 18Ωから 590Ωに増強し､かつ、電圧の検出点を出力抵抗の電源側に移動した。またこの措置による充電電圧の低下を軽減するため､負荷側のコンデンサーを増強した。検出点を出力抵抗の電源側にしたのは、前述のように負荷を隠蔽するためである。改造の結果､図７に示すよ
うに､吸収電圧波形の振幅は小さくなり､充電中も調整範囲に収まるようになった。調整できる範囲は±500V ほどあるので、20kV に対して、±2.5%の商用電源変動を補償することができる。改造後、充電時の電圧を測定した結果を図８に示す。このときは、±1%程度、商用電源が変動していたが、充電電圧はほとんど変化していない。これは直流高圧電源本来の安定度を示しているように見える。

５．ビームへの影響
直流高圧電源の改造によって、商用電源変動の影
響が取り除かれるようになった結果、定量的な評価は未だ行なっていないが、以前より安定な電子ビー
ムを FEL に供給できるようになった。また、夜間の大変動時においても影響なく実験ができるようにな
った。

６．まとめ

図６．改造前の電圧制御用電子管の吸収電圧波
形、充電中に吸収電圧を全て放出してしまっている。

長年の懸案であった商用電源変動のパルス出力への回り込みの現象は、今回の一連の研究によって、充電時における高圧直流電源の挙動にその原因があることが判明し、電源の改造によって、解決を見た。
わかってみれば、もっと早い時期に気がついてしかるべき問題ではあった。

参考文献[1] 早 川 建 、 他 , ” 商 用 電 源 変 動 と ビ ー ム 不 安 定 性 ”,
Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan.
p285
1

0.5

0.75

商用電源電圧

0.5

0.25

(%)

0.25
0

0

-0.25
-0.5

直流電源電圧ボトム

-0.25

-0.75
-1
17:45

図７．改造後の電子管の吸収電圧波形。充電中
大きくスウィングするが、制御可能範囲を超え
ていない。

17:55

18:05

18:15

18:25

18:35

-0.5
18:45

図８．改造後、充電中の高圧電源電圧変動（右側目盛）と商用電源電圧の変動（左側目盛）。商用電源電圧の変動はほぼ完全に取り除かれ､直流電源本来の安定度を示している。

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図1．シケインを用いた場合のRF電子銃システム概略図
1

E-mail: tekkamen@lebra.nihon-u.ac.jpƶǣȈȦǩÓൟരư

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B)

ইŏ¾ RF஢ࠃࢳ ِ௱ ƳǴȨ ÓȒ ƔƊ Ǔष ‫ݜ‬ƶȋȮǼସ඄ҠưǲǬǟȮଽ‫ۼ‬ƶǣȈȦǩÓൟരºইŐ¾ǲǬǟȮǚୋƝƲƌष‫ݜ‬ƶ஢ࠃ֭௶ӕ৖ ‫ڤ‬үºA)஢ࠃ֭௶¹B)ȋȮǼସ඄ҠºǲǬǟ Ȯҟ ໙Ƴ০୩ƟƧǩȞǾȒ)#%bbƶǴȥǾȃ
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ƊƫƧ ºǆ Ƨ¹ǣȈȦǩÓൟരƶ඄Ҡǚഒơºই+D)C)ǐǒ¹ȋȮǼ ৯௧൉ƳƊǓୢǣȈȦǩÓ஢ࠃƔࡷǒࣩƓǔƮƌǓ ƛưƔǗƓǒ¹પƕƲ‫ܢ‬ƔǒԒǚ࠮ƫƮƌǓưǗƓ Ǔºੱஶ඄ଳƶы‫؜‬ƔƊǓƛưǊƛƶ
ইő¾ǣȈȦǩÓൟര඄ҠºA)RF ஢ࠃࢳଽ‫ۼ‬¹B) SlitইǐǒǗƓǓ ºϱरǐǒ¹‫ݶ‬Ӗ‫ڸ‬௟ƟƧ஢ࠃࢳƷ¹Ōଽ‫ۼ‬¹C) Slit2ଽ‫ۼ‬¹D)ǲǴȁțƶ‫ۼޚ‬º஢ࠃ ǣȈȦǩÓƶ ԥ Ƴȋ Ȯ Ǽସ Ɣ ସƌ Ƨ ǉǣȈȦǩÓ‫ܢ‬ƔǒƔપƕƗƲƫƮƟǆƫƮƌǓºƥƶƧǉ¹ੱஶ඄ଳƶы ‫؜‬ƔƊǒǣȈȦǩÓൟരƔ඄ҠƟƮƟ ߣ ݂ ൫ ‫ڼ‬ǆƫƮƌǓ ƛưƔǗƓǓº(#'BZK୷ஶƯ*%ehƶ஢ࠃȎÓțǚǲǬ ǟȮƯȋȮǼơǓष‫ݜ‬Ʒੱஶ඄ଳƔ֬ [1] Y.Hayakawa, et. al. “First Lasing of LEBRA FEL in
Nihon University at a wavelength of 1.5 _m”
ƛǒƳƗƌ୷ ஶƶǣȈȦǩÓ‫ތ‬ǚȋȮǼఝƳƬƗǓ
Proceedings of the 23rd International Free Electron Laserഁ຤ƔƊǓư݂ƐǑǔǓºConference and 8th FEL User's Workshop (Darmstadt,
Germany 2001.8), NIM A483 (2002) pp. 29-33.

ő¼ǆưǉ
ǲǬǟȮǚພƌƮȋȮǼϜࢹǚơǓG;஢ࠃࢳǲǴȁțƳƬƌƮ ‫ڸ‬௟ƟƧ‫ڤ‬ү¹‫ݶ‬Ӗ‫ڸ‬௟ƟƧG;஢ࠃࢳ

[2] ৼ৵৆ ઁ¹ “࠺຀஢ࠃȧÓǱÓພ܎஢Ч‫ئ‬ƶ Ӭದ”, The review of Laser Engineering, Vol. 23, No.
1 January 1995,pp.55-67.

FEL↪
FEL↪S䊋䊮䊄ᄢ㔚ജ䉪䊤䉟䉴䊃䊨䊮䈱㐳䊌䊦䉴䊁䉴䊃ㆇォ
,A)

境 武志1
B)

、佐藤 勇 、樋野 雅司 、吉田 清彦 、福田 茂樹 、田中 俊成

B)

C)

D)

B)

B)

A)

A)

B)

A)

C)

A)

、

早川 建 、早川恭史 、横山和枝 、菅野浩一 、石渡謙一郎 、中尾圭佐 、長谷川 崇 、宮崎慎也

A)A)〒274-8501

日本大学大学院 理工学研究科
千葉県船橋市習志野台7-24-1日本大学理工学部船橋校舎物理実験B棟
B)〒274-8501

日本大学 電子線利用研究施設
千葉県船橋市習志野台7-24-1日本大学理工学部船橋校舎物理実験B棟
C)

三菱電機株式会社 通信機製作所〒661-8661 兵庫県尼崎市塚口本町8-1-1
D)高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂１
紫外線領域のFEL発振や、パラメトリックX線放射利用のためにRFパルス幅20μsでの運転が要求され、RF出力電力30MW、繰返し12.5Hzで、ピーク電子
日本大学FELリニアックのクライストロンRF窓下
ビーム電流200mA、最大電子エネルギー125MeVま流側の真空排気強化を2000年度に行い、RF窓表面で加速できるように設計されている。この広いパルで放電等が生じたときに起きる真空悪化からの早い
ス幅がRF窓に大きな負担をかけ、耐久性が十分で回復が可能となり、RF窓の破損を避けることがではないために、この仕様を満たすRF出力電力値はきるようになった。この成果を基に、2001年度に真達成していない。
空排気強化、電子銃、RF窓の改良を行った三菱電
そこで、クライストロンRF窓下流側の真空排気機製クライストロンPV-3040Nの製作を行った。三強化 に よ り 出 力 電 力 を 20μs の パ ル ス 幅 で 、 電 力
菱電機で行ったテスト運転では、これまで使用して20MW、繰返し12.5Hzを達成できたことから、クラ
いたPV-3030A1と比較して、良好な結果が得られた。
イストロン側の真空排気強化も行うことで、さらに2003年に入り、これまで使用していたクライストロ
RF窓の耐久性を向上させることが可能と判断し、ン（PV-3030A1）1台をPV-3040Nへ交換し、RFパル
30MW出力達成を目標にクライストロンPV-3040Nをス幅20μsの長パルステスト運転を行った。RFパルス製作した。ここではこれまでの主な真空対策、PV幅20μs、出力電力21.1MW、繰返し5Hzを達成するま
3040Nクライストロン、およびそのテスト運転結果
でにPV-3030A1に比べ、長パルスでのRFコンディ
に関して述べる。
ショニングは短い時間で達成した。この結果は改良を行った効果が十分に現れており、丹念にコンディ
ショニングを続けていけば目標値達成が十分期待で
２． PV‑
PV‑3040Nクライストロン
3040Nクライストロン
きると考える。
PV-3040Nクライストロンは、これまで使用しているクライストロンアッセンブリータンクを変更せ１．はじめにずにクライストロンの交換だけですむよう、これまで使用してきたPV-3030A1と同寸法で、出力電力の日本大学電子線利用研究施設では、KEKとの共同
高いPV-3030A3クライストロン [6] の本体をベースに研究の一環として、加速管に供給するRF電力増幅製作を行ったものである [7]。主な改良点としては、用に、これまでKEKのフォトンファクトリーの入射（1）電子銃のカソードはScandateタイプの含浸カ部で使用していた三菱電機製PV-3030A1クライスト
ソードを使用、（2）RF窓にKEKBで用いられ実績
ロンを移設し、2台使用してきた [1] 。このクライスのある50MWクライストロンPV-3050のセラミック
トロンはもともと短パルス用であるため、RFパル材を採用、（3）RF窓上流のクライストロン内部用
ス幅を広げて使用することは難しく、クライストロ
引き口パイプの内径を大きく、長さを短くして実効ンRF窓の破損を引き起こしやすかった。そこでク
排気速度を改善、等が挙げられる。
ライストロンRF窓下流側の真空排気系の強化を行図1に製作したPV-3040Nクライストロンの概観写
い、窓での放電等で生じたガス放出による真空悪化
真を示す。図1からわかるように、引き口をできるからの回復速度を向上させることにより、RF出力だけ導波管に近い位置に持ってきている。またこの窓が1つのクライストロンにおいて、RFパルス幅20μsという厳しい条件のもとで、RF出力電力20MW、 改良により引き口部分の真空排気コンダクタンスはPV-3030A1に比べおよそ17倍大きくなり、実効排気繰返し5~12.5Hzでの運転が実現している [2,3,4]。これ
量は約1.2l/sから約3.3l/sになった（気温20℃の場合
により、2001年5月に1.5μmのFEL発振に成功したが[5]に換算）。これにより、真空度が一時的に悪化した、もともとのリニアックの仕様では、赤外線から概要

1

E-mail: sakai@lebra.nihon-u.ac.jp

場合でも格段に早く回復することが可能となっている 。 な お 、 PV-3040N ク ラ イ ス ト ロ ン の 最 後 の 文
字”N”は、日本大学の英語頭文字にちなんでつけられており、日本大学電子線利用研究施設での使用のために改良・開発されたことを意味している。

RF Window

8l/s Ion Pump

Linac

Turbo Pump

Klystron

60l/s Ion Pump

PV-3030A3引き口

PV-3040N引き口
図1：PV-3040Nクライストロン外観写真。PV3030A3をベースに改良している。真空引き口の内径を大きく、長さを短くして真空排気能力を向上させ、PV-3030A1（約1.2l/s）に比べ実効排気量はおよそ3.3l/sに増加している（気温20℃の場合に換算）。

３． RF 窓下流側の真空排気システム
図2にクライストロンRF窓下流側の真空排気強化
後の導波管と各真空排気システムの配置を示す。ク
ライストロンRF窓下流側約40cmの位置にANELVA
製8l/sイオンポンプを2台設置し真空排気速度を向上させている。クライストロンRF窓周辺の実効排気量は追加前に比べ、約2.4倍の約17 l/sに増強している[2]。（気温20℃の場合に換算）
クライストロンRF窓の下流側の真空排気系を強化することにより、クライストロンRF窓付近での真空悪化からの回復速度を向上させ、短パルス用ク
ライストロン（PV-3030A1）において、RFパルス幅20μsという厳しい条件のもとで、繰返し5~12.5Hz、出力RF電力20MWが実現している。

４． テスト運転結果
4.1 短パルステスト運転
PV-3040Nクライストロンの短パルスでのテスト
運転は三菱電機で行った。動作試験は、RF入力電力250W、RFパルス幅4μs、繰返し50Hzで行い、カソ ー ド ビ ー ム 電 圧 286kV の と き 、 RF 出 力 電 力42.3MWが得られ、出力電力効率は47.9%であった。

Klystron RF window
8l/s klystronIon Pump

0500mm

図2：クライストロン下流側の導波管と真空排気システムの配置。クライストロンRF窓下流側約40cmに8l/sイオンポンプを2台設置し、周辺の実効排気量が約2.4倍（約17l/s）に増強している（気温20℃の場合に換算）。
表1に得られた各値を、図3に電圧特性のグラフを示す。PV-3030A1クライストロンの出力電力定格は同じRFパルス幅、繰返し等の条件で、30MWである。
このことを考慮すると、PV-3040NはPV-3030A1に比べ、出力電力に対するRF窓の耐性に余裕があり、長パルスの厳しい条件でも出力電力を維持できると考えられる。
表1: PV-3040N クラストロンパラメータ
Frequency
2856 MHzRF pulse duration
4.0 μsRepetition rate
50 Hz
Output power
42.3 MWBea
286 kV
PV-3040N引き口
mvoltage
Beam current
309 A
RF power efficiency
47.9 %
Gain
52.3 dB
RF input power
250 W
Heater voltage
16.8 V
Heater current
18.0 A
Perveance (10-6)
1.99 A/V1.5
Total length
1318.2 mm

4.2 長パルステスト運転
三菱電機には長パルス用のテストベンチが無いため、長パルス（RFパルス幅20μs）でのテスト運転は、
本研究施設にて行うことになった。
PV-3030A1 ク ラ イストロンからの交換後、真空リーク等の問題も特に無く、20時間ほどで順調に立ち上がった。三菱電機からの移設後しばらくテスト
運転をすることができず、長期にわたり保管していたので、ダイオード動作でクライストロン内壁や、電子銃部分のコンディショニングを約70時間行い、
パルス幅30μsで、ビーム電圧238.5kV、ビーム電流
231A、繰返し5Hzまで達した。その後、RFを入れた

RF Output Power [MW]RF Power Efficiency [%]

出力電力が20MW、繰返しが5~12.5Hzに到達するのコンディショニングを370時間ほど連続で行ったには千数百時間のRFコンディショニングが必要で（ ベ ー キ ン グ は 行 わ ず RFコ ン デ ィ シ ョ ニ ン グ をあった[2]。しかし、それと比較すると短時間でRFパ行った）。今回の長パルスでのテスト運転では当面の間、RFパルス幅20μs、RF出力電力20MWで使用す
ルス幅20μs、出力電力20MW、繰返し2~5Hzを達成
ることを目標とし、20MW付近で出力電力効率が最したことから、真空排気強化等の改良の効果が十分大になるように集束コイルのパラメーター調整をあったといえ、今後もRFコンディショニングを続行った。その結果、RF入力電力240W、RFパルス幅
けていけば、最終目標値である30MWの達成が十分
20μs、繰返し2~5Hz、ビーム電圧214.5kV、ビーム電期待できると考える。
流203Aで出力電力21.1MWを達成した。それから計
出力電力の安定度等に関しては、2003年3月に、算すると、出力電力効率は48.5%となる。図3にPVパルスモジュレーター電源の改良を行うことにより、これまでの商用電源変動によっておきていた出力変3040Nの長パルスでのテスト運転結果を示す（三菱動の問題が解決し [8]、またPFNの微調整もPCによっ電機で行ったテスト運転の結果も同図に示してある）。またRFパルス幅20μsのテスト時の波形を図4て遠隔操作で制御できるようになり[9]、大きな問題に示した（RF電力18.6MW、繰返し2Hz時）。テス
はほぼ無くなってきている。
ト運転からRFパルス幅20μsで出力電力20MW、繰返し5Hz動作は特に問題は無かった。
５．まとめと今後の課題
これまで使用してきたPV-3030A1クライストロン
PV-3040Nクライストロンのテスト運転の結果、での長パルス運転では、RFパルス幅を20μsまで広げ、
RFパルス幅20μsで、出力電力21.1MW、繰返し5Hzのテスト運転が可能になった。また、RFパルス幅㪈0020μsで出力電力20MW、繰返し5Hzでの運転は問題(a) Test operation at LEBRA
RF pulse duration : 20 μs
ないことが確認できた。これまで使用していたPVRepetition rate : 2-5 pps(b)Efficiency
3030A1にくらべ、RFコンディショニング時間が短(a)Efficiency
かったことからも改良の効果が顕著であり、PV(b)Power
3040NクライストロンはRFパルス幅20μs、RF出力電力30MW、繰返し12.5Hz達成への目処が付いたと考(b) Test operation at Mitsubishi
えられる。
(a)Power
RF pulse duration : 4 μs
Repetition rate : 50 pps
今後は、目標値である、RFパルス幅20μs、RF出
㪈0
力電力30MW、繰返し12.5Hzの達成を目指す。また同時に長パルス動作で安定した出力が得られるようRF窓の改良も行っていく予定である。
㪈80

200

220

240

260

280

300

Beam Voltage [kV]

図 3 ： PV-3040N ク ラ イ ス ト ロ ン 電 圧 特 性 。
(a)LEBRAで行った長パルス（パルス幅20μs）でのテスト運転結果。(b)三菱電機のテストベンチで行った（パルス幅4μs）テスト運転結果。

ビーム電流:192A
ビーム電流

20μ
μs
出力電力:18.6MW
出力電力

ビーム電圧:206kV
ビーム電圧
繰返し:2Hz繰返し
入力電力:240W
入力電力

図 4 ： 長 パ ル ス テ ス ト 運 転 時の出力RF電力、
ビーム電圧、ビーム電流波形。（RFパルス幅：20μs、RF出力電力：18.6MW、繰返し：2Hz 運
転時）

参考文献
[1] T.Tanaka et al., "PERFORMANCE OF THE FEL LINAC
AT NIHON UNIVERSITY" Proc. 1st Asian Particle
Accelerator Conf. (APAC’98), Tsukuba, Japan (1998)
p722-724.
[2] T.Sakai et al., "Improvement of the long pulse operation of
the S-band klystron" Proc. 25th Linear Accel. Meeting inJapan, Jul. 2000, Himeji, Japan, p228-230.
[3] T.Tanaka et al., "IMPROVEMENT OF THE LONGPULSE OPERATION OF THE FEL LINAC AT NIHONUNIVERSITY" Proc. 2nd Asian Particle Accelerator Conf.
(APAC’01), Beijing, China (2001) p743-745.
[4] T.Sakai et al., " S-Band Klystron for Long Pulse
Operation" Proc. The XXI International Linac Conference(LINAC2002), Gyeongju, KOREA (2002) p712-714 URL:
http://linac2002.postech.ac.kr[5] Y.Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 483 (2002) 29.
[6] S.Fukuda, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 368 (1996) 561.
[7] T.Sakai et al., "FEL用クライストロンのグレードアップ" Proc. 26th Linear Accel. Meeting in Japan, Aug. 2001,
Tsukuba, Japan, p222-224.
[8] K.Hayakawa, et al., "商用電源変動とビーム不安定性II",
本予稿集.
[9] K.Yokoyama, et al., "PFNインダクタンスの自動調整シ
ステム", 本予稿集

LEBRAにおけるLEBRAにおけるBPM
におけるBPMによるビーム位置測定
BPMによるビーム位置測定
石渡

,A)

謙一郎1

B)

、佐藤

勇 、早川

C)

剛 、境

諏訪田

武志

A)

建

B)

、田中

、菅野

B)

俊成 、早川A)

浩一 、中尾

圭佐

A)

恭史

B)

B)

、横山

、長谷川

崇

和枝 、

A)

A)

〒274-8501

日本大学大学院 理工学研究科 量子理工学専攻
千葉県船橋市習志野台7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎

物理実験Ｂ棟B)〒274-8501

日本大学 量子科学研究所
千葉県船橋市習志野台7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎

物理実験Ｂ棟C)

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1

概要
2003年1月に45°偏向電磁石のコイル破損による磁場設定の見直し、2003年4月に自由電子レーザー(FEL)ビームライン用90°偏向系の四極電磁石位置の修正、さらにモジュレーター電源の改良が行われた。加速器出口付近とアンジュレーターの入口と出口 に 設 置 し た 3 台 の ビ ー ム 位 置 モ ニ タ ー (BPM) で
ビームパルス内におけるビーム位置を測定したとこ
ろ、FELビームラインにおいてビームパルス内におけるビーム位置の変動は改善された。さらにBPMを利用して電子ビームをアクロマティックに通す調整が容易なった。

１．はじめに日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設(LEBRA)では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)との共同研究により2001年5月に1.5μm赤外線FELの発振に成功した[1]。波長領域0.8〜5μmのFEL発振、

運動量分析
電磁石

ビーム
ダンプ

CM5 １２５ＭｅＶ電子線形加速器
BPM増 設 予 定

反 射 鏡 １䓗䔞 䓙䔖 䔨 䓽 ↪ 䔡 䔭䓫 䔭⵬ ఘ ⵝ ⟎

４ｍ加速管‑3ᐔ ⴕ 䔈 䔭 䔕

４極電磁石

Q5

４極電磁石

４極電磁石

䓤 䔞䓙䓮 䓽䔢䔨ቶ反 射 鏡 ２実験室へ䕨✢䔈 䔭䔕䔞䓙䔨

４極電磁石

ビ ー ム ダ ン プ

ビーム

実験室へ

実験室

図１．BPM1,2,3とCM5,6の設置個所及びBPM増設予定箇所
1４ｍ加速 管‑2

Q3

ടㅦེቶ

偏向電磁石

実験室へ

４極電磁石

Q4

Ｘ 線 発 生 装 置

自 由 電 子 レ ー ザ ー 発 生 装 置䓗䔨䓭䔚䔡䔭䓴 䔭

BPM3

ダンプ

偏向電磁石 ４極電磁石

偏向電磁石

偏向電磁石

⥄↱ 㔚ሶ䔡䔭 䓫䔭䔈䔭 䔕䔞 䓙䔨CM6
BPM2

BPM増 設 予 定 BPM1

および共同利用実験にむけて125MeV電子線形加速器の高性能化を進めている [2] 。FELを効率よく発生させるには高品質の電子ビームから放出された光を、
後続電子ビーム軌道と高精度で重ね合わせることが絶対条件になる。そのため、ビーム軌道を知ることができるBPMが重要な役割をはたす。
2003年1月に45°偏向電磁石のコイル破損による磁場設定の見直しを行った。また、2003年4月にFELビームライン用の90°偏向系の四極電磁石列(Q5；図１参照)において上下流の偏向電磁石フィールドクランプ外側面から直近の四極電磁石ヨークの対向面までの距離を調べたところ、上流側にほぼ3.5mmずれていたので位置の修正を行った。さらに、
モジュレーター電源の安定化[3]等により、BPMを用いてビーム位置の調整後、FELビームラインにおけるビームパルス内でのビーム位置の変動は改善され、パルス内においてビームが斜めになる現象[4]もなくなり、電子ビームをアクロマティックに通す調整が容易なった。

E-mail: ishiwata@lebra.nihon-u.ac.jp

２．ビーム位置の測定(a) BPM1

X＋側電極出力，
X−側電極出力

2.1 測定測定はビームエネルギー86.8MeV、パルス幅20μs、繰り返し2HzでFEL発振時に行った。この時のオシロスコープで読み取ったBPM電極出力の検波波形を
図２に示す。また、CM6のビーム電流の波形と赤外線検出器の波形（FELマクロパルス）の波形を図３に示す。各モニターの設置箇所は図１に示した。
図２において、(a)BPM1と(b)BPM2のX＋側とX−
側およびY＋側とY−側の電極出力の検波波形、また(c)BPM3 のX＋側とX−側の電極出力の検波波形は重なっている。この様な状態でのFEL発振は今回が初めてである。だが、(c)BPM3 のY＋側とY−側の電極出力の検波波形は一致していない。(b)BPM2のX方向の波形が重なっていることからアクロマ
ティックにビームが通っていると思われる。
また、ビーム位置の導出方法は昨年のプロシィー
ディングを参照してもらいたい[5]。

Y＋側電極出力，
Y−側電極出力(b) BPM2

X＋側電極出力，
X−側電極出力
Y＋側電極出力，
Y−側電極出力

2.2 ビーム位置の評価得られたデーターから80nsごとにデーター20個の平均を取り、S/N比が100倍程度にし、ノイズを除去
後のパルス内における時間とビーム位置X,Yの変動の関係を図４に示す。どのBPMにもビーム位置で0.04mm程度のノイズの様な波形が現れているが、
X,Y方向ともにパルス内におけるビーム位置の変動
は 、 BPM3 の 垂 直 方 向 Y( 図 ４ -(c)BPM3-Y) を 除 き
0.1mm以内でありFELの発振に十分なビームになった。
また、パルス内において80ns間隔でビーム位置XYをプロットしたものを図５に示す。(a)は図４をXY表示にしたものであり、(b)は昨年7月に測定したものである[4]。測定条件はほぼ同じだが、(a)は(b)よりビーム電流が少ない。ここで、(a)と(b)を比較す
ると、パルス内におけるビーム位置の変動は小さくなっていることがわかる。また、BPM2のビーム位
置とBPM3のビーム位置を比べると、ビーム位置読
み取り誤差は±0.1mm以内であることから、＋Y方
向に斜めにビームが通っていることがわかる。

３．BPMの信号読み取りシステム
BPMの信号読み取りシステム
現 在 PCI バ ス 用 10MHz,12 ビ ッ ト AD 変 換 ボ ー ド(Interface社,PCI3525)を用いて、ビーム位置のモニタ
リングシステムを作っている。だがAD変換ボード
ではコストがかかるためこれとは別に信号処理回路の製作を考えている。

(c) BPM3

X＋側電極出力，
X−側電極出力
Y＋側電極出力，
Y−側電極出力
Y−側電極出力
Y＋側電極出力

図２．BPMの電極出力の検波波形
縦軸：20mV/div 横軸：4μs/div(a)BPM1、(b)BPM2,(c)BPM3、縦軸：10mV/div 横軸：4μs/div(a)と(b)の X＋側とX−側 および Y＋側とY−側 の電極出力の検波波形は重なっている。また、(c) の X＋側とX−側の電極出力の検波波形は重なっている。
CM6

IR detector
FEL macropulse
(b)
(a)

４．BPM
４．BPMの増設
BPMの増設設置したBPMがビーム軌道の制御に有効であることが確認されたので、同等のBPMを設置4m加速管3本の各上流側に1台ずつとFELビームラインの90°偏向系に3台（図１参照）の計６台をこの夏に増設する予定でBPMの較正後設置する。

図３．赤外線検出器の出力波形とCM6の出力波形
赤外線検出器：(a)1V/div, (b)5mV/div、4μs/div。
光強度が強く検出器は飽和している。
CM6：20mV/div、4μs/div（ピーク部分の拡大）これによりFELビームラインでは、加速器出口より下流のストレート部，90°偏向系の4極電磁石Q5の入口と出口，アンジュレーター入口と出口の各直線部においてBPMが各2台となりビーム軌道・ビームの傾きを確実にモニター可能となる。

1.5(a)BPM3
1(b)BPM3
0.5

-0.55

-0.45

Y
-0.65

-0.55

-0.7

-0.6

X
-0.75

-0.65

-0.8

-0.7
5

10

15

20

25

Vertical Position Y [mm]-0.5

Vertical Position Y [mm]Horizontal Position X [mm](a) BPM1
-0.6

30

0

(a)BPM2-0.5(a)BPM1-1(b)BPM1-1.5

Tim e[μs]-0.1-2(b) BPM2
-0.45

-0.15

Y

-0.5

-0.2

-0.55

-0.25

X
-0.6

-0.3

-0.65

Vertical Position Y [mm]Horizonntal Position X [mm]

-0.4

-0.35
5

10

15

20

25

1

-0.5

0.9

Vertical Position Y [mm]Horizonntal Position X [mm]

1.1

Y

-3
-1.5
-1
-0.5
0
Horizontal Position X [mm]

パルス内において80ns間隔でビーム位置X-Yをプロットし た 。 (a)2003/4/17 測 定 、 図 ４ を X-Y 表 示 に し た 図 。
(b)2002/7測定。

(c) BPM3-0.45(b)BPM2

図５．パルス内におけるビーム位置の変動X-Y。

30

Tim e [μs]
-0.4

-2.5

参考文献

[1] Y.Hayakawa, et al., “First Lasing of LEBRA FEL in Nihon
University at a wavelength of 1.5μm”,Nucl.Instr. and Meth.
X
A(2002), Volume 483/1-2,pp.29-33(NIMA18811)-0.6
0.7[2] 佐藤勇 他， 日本大学電子線利用研究施設の現状
Proceedings of this Meeting.
-0.65
0.6
[3] 早川建 他， 商用電源変動とビーム不安定性II
5
10
15
20
25
30
Tim e [μs]Proceedings of this Meeting.
[4] K.Ishiwata, et al., “ Development of Strip-Line Type Beam
図４．パルス内におけるビーム位置の変動Time-X,Y。
Position Monitor” Proceedings of the 21st International(a),(b),(c):BPM1,2,3のパルス幅18μsにおける時間とビーム
Linear Accelerator Conference (LINAC2002, Gyeongju,
位置X,Yの位置変動。
Korea, August 19-23, 2002) （to be published）[5] 石渡謙一郎 他， ストリップライン型ビームポジ
５．まとめと今後の課題
ションモニターの研究 −ビームパルス内における
-0.55

0.8

th

ビーム位置変動−
Proceedings of the 27 Linear
FELビームラインにおいてビームパルス内におけ
Accelerator Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9, 2002,
るビーム位置の変動は改善された。さらにアクロマ
p350-352.
ティックに電子ビームを通すことが可能になった。
[6] 田中俊成 他， アンジュレーター光によるFELビー
今後の課題は、FELを波長可変光源として利用する
th
ムラインビーム診断 ，Proceedings of the 26 Linearには、共振器ミラーを金属コートミラーに交換する
Accelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001,
必要があり、これまでの誘電体多層膜ミラー時のア
p246-248.
[6]
ンジュレーター光によるビーム診断 が困難になり、FELビームラインにおけるビーム軌道のモニタリン
グは重要となるので、早急にビーム位置をリアルタ
イムにモニターできるシステムをつくりあげることである。

PFNインダクタンスの自動調整システム
PFNインダクタンスの自動調整システム
横山
境

和枝1
B)

,A)

、佐藤

武志 、菅野

A)

A)

勇 、早川
B)

浩一 、石渡建 、田中B)

謙一郎 、中尾A)A)

俊成 、早川

A)

恭史 、

B)

圭佐 、長谷川崇B)B)

日本大学量子科学研究所、 日本大学大学院理工学研究科〒274‑8501 千葉県船橋市習志野台7‑24‑1 電子線利用研究施設

概要

このときの加速電圧変動は、クライストロン出力RFの電力変動の関係式[5]から0.1%である。

日本大学電子線利用研究施設（LEBRA） [1] では、
クライストロンモジュレータのパルス形成回路
２．パルス形成回路（Pulse‑Forming‑Network：以下PFNと略す）のイン
図１にパルスモジュレータの等価回路を示す。
ダクタンス調整をすべて遠隔操作できるようにして
PFNは30段のインダクターとコンデンサーから成る。
[2]
ある 。そのため、パルス波形の平坦度が容易に調インダクタンスは、図２の写真のようにコイルを巻整できるという利点がある。これまでは30段のPFN
きつけた筒にモーター駆動によってアルミシリンのインダクタンス調整を手動で行っていたが、今回、ダーを出し入れすることにより変えることができる。
パソコンを通して操作できるように改良した。また、
シリンダーの挿入長はポテンショメータを利用して、最適な平坦度を出すために適切なインダクタンスのパネルメータに電圧表示される。モーターはデジタ
組み合わせを計算し、これを基にPFN調整を行った。
ルI/Oボードを通してパソコンで制御される。

１．はじめにFEL高利得のためには、光共振器のミラー間を往復する光パルスと入射電子ビームのミクロパルスのタイミングを一致させることが必要不可欠である。
クライストロンの印加電圧の変動は、マイクロ波出力の振幅と位相の変動となる。この位相変動は共振器内での光パルスと電子パルスの空間的重なりを不安定にする要因の一つである。そのため、FEL用電子ビームには平坦度の良いパルスが得られるPFNが
要 求 さ れ る 。 LEBRAのRFリニアック（加速周波数
2856MHz、パルス幅20μs）の電子ビームバンチ長は5ps程度である[3]。光パルスと電子パルスを10%以内の精度で重ねることを要求すると、パルス内の位相変動を0.5°以内に抑える必要がある。印加電圧変動とクライストロン出力RFの位相変動の関係[4]から、
これに要するパルス平坦度は0.08%である。また、

1

図２：PFNの一部。右側がインダクター部で、筒の中にアルミシリンダーがあり、これをコイルの巻いてある
ボビンに出し入れすることにより、インダクタンスを変える。アルミシリンダーの駆動範囲は約9cmである。

図１：パルスモジュレータ等価回路。
E-mail: k_yokoyama@lebra.nihon-u.ac.jp

インダクターは、コイルの巻き方等に個性があり、インダクタンスの値も異なるので、それぞれのインダクタンスを測定した。測定結果を図３に示す。アルミシリンダーが筒に挿入されていない
ときが、インダクタンスの最大値に対応する。また、接触抵抗、ケーブルの直列インピーダンス、
ケーブルや端子間の浮遊容量による誤差が大きい
ため、試験的に３つのインダクターを選んで数回測定を行った。その結果、±5%程度のばらつきがあった。また、インダクタンスの可変量の設計値
は、1.73μH〜3.56μHであるので、高めに測定されていると思われる。

となる。ここで、それぞれのマトリックスを次のように置き換えると、∂f (ti ) ⎞⎛ n⎛ n ∂f (ti ) ⎞⎟⎜ ∑ f (ti )⎟⎜∑⎛ ΔL0 ⎞
∂L0 ⎟⎜ i =0⎜ i = 0 ∂L0 ⎟
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜


⎜  ⎟
⎜ n
⎜ n ∂f (ti ) ⎟∂f (ti ) ⎟⎟⎜A = ⎜∑⎟ , D = ⎜ ΔL j ⎟ ,⎟ , B = ⎜ ∑ f (ti )∂L j ⎟⎜ i =0⎜ i = 0 ∂L j ⎟
⎜  ⎟


⎟
⎜
⎟
⎜
⎜ L ⎟
∂f (ti ) ⎟⎜ n⎜ n ∂f (ti ) ⎟⎝ Δ 29 ⎠⎜ ∑ f (ti ) ∂L ⎟⎜ ∑ ∂L ⎟29 ⎠29 ⎠⎝ i =0⎝ i =0⎛ n ∂f (t i ) ∂f (t i )⎜∑⎜ i =0 ∂L0 ∂L0⎜⎜ n ∂f (t i ) ∂f (t i )C = ⎜∑⎜ i =0 ∂L0 ∂L j⎜
⎜ n ∂f (t i ) ∂f (t i )⎜∑⎝ i =0 ∂L0 ∂L29∂f (t i ) ∂f (t i )
∂Lk
i =0
j

n
∂f (t i ) ∂f (t i )∑∂L k = ji = 0 ∂L j
n∂f (t i ) ∂f (t i )∑∂L k
i = 0 ∂L j






VA = B + C ⋅ D∑ ∂L∂f (t i ) ∂f (t i ) ⎞
⎟
∂L0 ⎟
i =0
29
⎟

n
∂f (t i ) ∂f (t i ) ⎟⎟∑∂L j ⎟
i = 0 ∂L29⎟n∂f (t i ) ∂f (t i ) ⎟∑⎟∂L 29 ⎠
i = 0 ∂L29
n

n









∑ ∂L

D = C −1 ⋅ (VA − B )となり、 D が求まれば、それぞれのインダクタンス
Lの最適値が求まる。ただし、ΔLが小さい場合に成り立つ近似であり、基準にする電圧Vには制限があるため厳密には成り立たない。また、図２の測定結果よりLjも制限される。

3.2 シミュレータ

図３：インダクタンスの変化。（インダクタンスの最大値が筒にアルミシリンダーを挿入していないとき。）測定器（LCRメータ）は、ZM 2355[6]。

３．計算
3.1 方法
平坦度の良いパルス電圧波形を求めるために、
次のような計算を行った。目標とするパルス電圧
波形の関数をg(ti)とし、基準になる電圧をV、そのときのパルス波形を f(ti)、インダクタンスを Lj 、
変化分をΔLj 、（i=0,n、任意の時刻、j=0,29、イ
ンダクタンスの番号）とすると、一次の近似では次式のように表わされる。

g (ti ) = f (t i ) +∂f (ti )∂f (ti )ΔL0 +  +
ΔL j
∂L0
∂Lj

この関数が、電圧 Vの平坦部を持つように二乗偏差Σ(V‑g(ti))2 を最小にするΔLj を求める。すなわち、
2∂ n∑ {V − g (t i )} = 0∂L j i = 0

3.3 計算例を求める。これを展開すると、∂f (ti )∂f (ti )∂f (ti ) ∂f (ti )= ∑ f (ti )
+ ∑∑
ΔL j
∂L j i=0 k =0 ∂L j ∂Lk
i =0 ∂L j
i =0
n

V∑

n

3.1で説明した計算方法が有効であるかどうかを調べるために、SPICEを用いた回路シミュレータ（CircuitMaker2000） [7] を利用して、パルス電圧波形の計算を行った。シミュレーションには、図１で示したように、PFNとスイッチング部（サイラトロン等）と負荷（クライストロン等）から構成される等価回路を使用した。HVは充電電圧、Rはパルストランスの1次側からみたクライストロンのイ
ンピーダンス、A点はパルス電圧の計算点である。
コ ン デ ン サ ー の 容 量 は 、 ク ラ イ ス ト ロンモジュ
レータ作成時に測定したデータを利用した。Rは、
ZK=1/K ・ VK‑1/2 （Kはクライストロンのパービアンス、
VK は印加電圧）から求まる [5] が、PFNのインピーダ
ンスとのマッチングを取る必要がある。実際に設定されている L の絶対値が精密にはわからないため、回路シミュレータで用いるRは、パルス電圧を測定し、その波形に近くなるような値にした。また、L値は、図２の測定から設定されている値に近いと思われるLj=3.0μHに統一して計算した。図４にHVを
20.5kVにしたときに測定したパルス電圧と回路シミュレータで得られた波形を示す。

n29

図４からわかるように、回路シミュレータで得られた波形は、測定したパルス電圧波形に近い。
さらに、平坦度の高いパルスを得るために、回路シミュレータと図１の等価回路を用いて、3.1の計算を行った。計算では、

f (L j + δ L j )− f (L j )
∂f
≅
δ Lj
∂L j

で近似した。ここで、 f(ti)は、 Lj=3.0μHと値を全て 同 じ に し た 関 数 で 、 イ ン ダ ク タ ン ス変化量は
δLj=0.01μHにした。また、 V の値は18.5kV〜22.5kV
で0.05kVステップで計算し、2.0<Lj<3.5[μH]で制限した。さらに、目標とするパルス電圧波形 g(ti)を決めるパルス幅 ti も制限されるのでΔLjを絞り込むことができる。 tiの計算ステップは0.1μsにした。
図４の測定したパルス電圧波形と計算で得たLj値を使ったシミュレータ波形を図５に示す。計算の結果、 V の値が20.6kVで良い解が得られた。計算結果(1) は 2.0<ti<22.0[μs] 、 計 算 結 果 (2) は
2.2<ti<24.2[μs]で計算した解を用いたパルス波形である。計算結果(1)は、パルスの平坦度はパルス
幅16.5μsで0.06%である。計算結果(2)は、パルス
幅18.5μsで平坦度0.1%である。この計算結果から測定データよりも平坦度を良くすることは可能であると思われる。

アルゴリズムの改良が必要である。

図４：パルス電圧波形。測定データ（HV=20.5kV）と回路シミュレータでの計算例（L=3.0μs）。

４．PFN
４．PFN調整
PFN調整
実 際 の PFN 調 整 で は 、 各 イ ン ダ ク タ ン ス をδLj=0.02μH（パネル電圧表示で0.018V）づつ変化させて各々のパルス電圧波形を測定し、3.1の方法で計算を行った。パルス電圧波形の測定データには、ノイズが0.04%程度（0.01V/24.5V）含まれているので、この影響を小さくするために20パルスのア
ベレージ波形をさらに移動平均を取って処理した。
L 値の絶対値はわからないが、図３の曲線から局所的にはパネル電圧とL値が比例すると思われるので、ΔLj から相対値はわかる。図６にこの方法でPFN調整を行う前と行った後のパルス電圧波形を示す。
調 整 後 (1) は 2.1<ti<23.1[μs] 、 調 整 後 (2) は
1.9<ti<23.6[μs]で計算した解を用いた。調整前は、湾曲になっていた波形（平坦部は0.16%）が、計算で得られた ΔLjの分を変えたことによって平坦度が改善された。調整後(2)では、17.5μsのパルス幅で、0.12%の平坦度が得られている。

図５：パルス電圧の測定データと計算結果を使って得られた平坦度の高いシミュレータ波形。

図６：PFN調整結果（パルス平坦部）。

５．まとめ
パルス電圧波形の平坦度は改善されたが、ノイズの影響があるので、この調整方法ではパルス平坦度0.1%までが限界と思われる。今後は、パルス
電圧波形平坦度の評価として、クライストロン出
力RF位相を利用する方法を試みる予定である。また、調整精度をあげるためにはパネル電圧とL値の対応関係を較正する必要がある。さらに、計算で得られるインダクタンスの組み合わせが複数ある
ので、PFNインダクタンスの自動調整システムを確立するためにはインダクタンスの最適値を求める

参考文献[1] 佐藤 勇、他., "日本大学電子線利用研究施設の現状", Proc.
of this Meeting.
[2] 早川 建、他. , “日大FELの建設”, Proceedings of the 21th
Linear Accelerator Meeting in Japan, p.20, 1996.
[3] Hiroyuki Nakazawa. et al., “Radiation form the FEL Undulator at
Nihon University”, Proceedings of the 12th Symposium on
Accelerator Science and Technology, p.394, 1999.
[4] R.B.Neal, General Editor, "THE STANFORD TWO-MILE
ACCELERATOR", W.A.Benjamin, Inc., p.294, 1968.
[5] 設楽哲夫, ”高周波源”, OHO’90, p.Ⅲ-5, 1990.
[6] URL: http://www.nfcorp.co.jp/[7] URL: http://www.circuitmaker.com/

ARTICLE IN PRESS

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 239–243

Improvement of the PFN control system for the klystron pulse
modulator at LEBRA
K. Yokoyamaa,*, I. Satoa, K. Hayakawaa, T. Tanakaa, Y. Hayakawaa, K. Kannob,
T. Sakaib, K. Ishiwatab, K. NakaobaLaboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japanb
Graduate School of Science and Technology, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japan

Abstract
The short-wavelength free electron laser (FEL) requires a stable electron beam with long pulse duration, narrowenergy spread, and high current density. The pulse forming network (PFN) for the klystron pulse modulator at LEBRA
was designed to realize pulse ﬂatness error within 0.05%. The PFN consists of 30 capacitors and adjustable inductors. A
PFN adjustment was performed to suppress changes of the RF phase difference between the input and the output of the
klystron. The ﬂatness of the pulse voltage applied to the klystron has been adjusted to an error within 0.06% as a resultof the phase ﬂatness error within 0.3 achieved by the PFN adjustment. Furthermore, the time dependence of theenergy spectrum in the pulse duration has also been suppressed.
r 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.Cr.; 29.27.Fh.; 29.17.+w.; 29.27.Bd.
Keywords: FEL; Infrared; Electron linac; RF; Modulator

1. Introduction
The quality of FEL is seriously affected by theperformance of the accelerator in terms of thestability of the RF power and phase, the bunch
length, the beam emittance, the current density
and the energy spectrum. Essentially, RF linacbased FELs require a stable and long RF pulse*Corresponding author. Tel.: +81-47-469-5489; fax: +8147-469-5490.
E-mail address: k yokoyama@lebra.nihon-u.ac.jp(K. Yokoyama).

from klystrons [1,2]. Generally, the fractionalchange in the electron energy gained in an
accelerator section due to the fractional change
in voltage of the klystron is expressed as
dVm 5 dVk
¼
4 Vk
Vm

ð1Þ

where Vm is the maximum possible electron energythat can be obtained from a given length ofaccelerator supplied with a given level of RF
power, and Vk is the voltage applied to the
klystron [3]. The phase shift that arises in the
klystron, which can occur both during a pulse and0168-9002/$ - see front matter r 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/j.nima.2004.04.055

ARTICLE IN PRESS
K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 239–243

240

from pulse-to-pulse, is caused by modulation of
the klystron beam-voltage pulse. This follows thatDyk ¼  2pf



lk
1


c qﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃ2ﬃ 3
1  1=ð1 þ Mk Þ

1
DVk
Mk
3
Vk
ð1 þ Mk Þ

ð2Þ

where Mk is substituted for eVk =m0 c2 ; f is the RF
frequency, lk is the klystron drift tube length, m0 is
the rest mass of the electron, c is the velocity oflight, and e is the electron charge [3].
A change in the applied voltage is a serious
problem in the LEBRA linac since the accelerating
RF is provided by two klystrons driven withseparate pulse modulators. The different phaseshift between the klystrons causes ﬂuctuations in
the beam energy at the exit of the linac, resulting in
the orbit length variation of the beam in the
momentum analysing magnet system. Therefore,
the bunched electron beam can be easily mistuned
to the light pulse accumulated in the optical cavity[4]. The LEBRA FEL requires voltage ﬂuctuation
within 0.05% at 240 kV, which corresponds to thephase ﬂuctuation of 0.26 for PV3030 klystron, as
deduced from Eq. (2).
The inductances in the PFN have been optimized to reduce the time dependence of the RFphase difference between the input and the outputof the klystron in the pulse duration. Then, thevoltage ﬂuctuation was deduced from the phaseﬂuctuation.

2. The RF system for the LEBRA linac
2.1. Performance of new RF ampliﬁers
The klystron output power is nearly independent of small ﬂuctuations in the input RF power.
But phase ﬂuctuations are introduced through thedrive ampliﬁer. A new solid-state RF ampliﬁer wasdeveloped to obtain a pulsed high-power microwave with constant phase to drive a klystron. Since
the phase of the ampliﬁer output RF changes
rapidly at the head of the pulse, the RF power
within the last 20 ms in a total 50 ms pulse duration

Fig. 1. The phase and the amplitude of the RF ampliﬁers. (a)RF phase of ampliﬁer #1 (0.3 /div), (b) and (b0 ) are the RFphase of ampliﬁer #2 (0.7 /div) that differ in horizontal scale
and that are equal in vertical full scale, (c) RF amplitude of
ampliﬁer #2 (120 W/div).

is coupled to the output port of the ampliﬁer asshown in Fig. 1(b0 ). The resultant phase shift of the
RF ampliﬁer output is less than 70.5 over 18 ms
at the maximum output power of 400 W, which
was measured for each klystron driving RF
ampliﬁer using the double-balanced mixer(DBM) as shown in Fig. 1. The RF ampliﬁer
input is a cw RF from a master oscillator (Agilent
Technologies E4425B-ATO-11188). Both ampliﬁers have similar phase shift characteristics at thestart of the RF output. The phase shift during
the pulse duration is compensated with a function generator and the RF ampliﬁer output is
supplied to a klystron [5]. Therefore, the effect ofthese phase shifts on the beam energy will be
reduced; however, the effect on FEL lasing is
not negligible.
2.2. The PFN control system
The pulse modulator consists of a PFN circuitwith 30 LC sections. Each variable inductor
system consists of an air-core coil, a motor-driven
aluminum slug, and a potentiometer for readoutof the slug position. The tuning slug is controlled
by a personal computer (PC) through an I/Oboard [6].

ARTICLE IN PRESS
K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 239–243

241

2.3. The method of PFN adjustment

3. Improvement of energy spectrum

The optimal value of each inductance, which
produces the ﬂat-pulsed voltage, is deduced fromthe following calculation [6]. If the target waveform, which could have a high ﬂatness voltage orphase signal, is denoted as gðti Þ in a simpliﬁed
manner (i.e., a function of the inductances L0 2L29
and time ti ); the initial waveform is denoted asf ðti Þ; the reference voltage is V ; the jth inductanceis Lj and the variation of Lj is DLj ; where ti is ith
time in the pulse duration partitioned into n(i ¼ 02n); and j is the channel number of theinductor (j ¼ 0229), then gðti Þ is approximated as
the ﬁrst order expansion by

Waveforms of the RF phase difference between
the input and the output of the klystron before (A)gðti Þ ¼ f ðti Þ þ

qf ðti Þ
qf ðti Þ
DL0 þ ? þ
DLj :
qL0
qLj

ð3Þ

Thus, when the sum of squares of deviationsSðV  gðti ÞÞ2 is minimum, the function gðti Þ
represents the high ﬂatness pulse [3]. It meansnq X
fV  gðti Þg2 ¼ 0:
qLj i¼0

ð4Þ

Fig. 2. The RF ﬂatness of klystron #1. (A) Before adjusting the
PFN inductance, (B) after adjusting the PFN inductance. (a)RF amplitude (0.5%/div), (b) waveform of the PFN (0.2%/div), (c) RF phase (0.6 /div).

Indeed, the differential function can be replacedwithf ðLj þ dLj Þ  f ðLj Þ
qf
D
qLj
dLj

ð5Þ

where dLj is the change in Lj : DLj should be within
the range of 2.0–3.6 mH and ti should lie within thepulse duration. The value of dLj is set so that thechange in the waveform signal is sufﬁciently larger
than the noise level. From the measurement of the
waveform dependence on each change dLj ; Eq. (4)is solved for DLj : Then, the target function gðti Þ isconstructed. The value of DLj is set on the PFN
inductor using a PC. The ﬂuctuation of themodulator output voltage is not large enough toanalyze for deriving the differential coefﬁcient in
Eq. (5) due to a poor signal-to-noise ratio. Instead,the RF phase difference between the input and theoutput of the klystron is useful for this method as
can be expected from Eq. (2).

Fig. 3. The RF ﬂatness of klystron #2. (A) Before adjusting the
PFN inductance, (B) after adjusting the PFN inductance. (a)RF amplitude (0.5%/div), (b) waveform of the PFN (0.2%/div), (c) RF phase (0.5 /div).

ARTICLE IN PRESS
242

K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 239–243

and after (B) the optimization of the PFN
inductances carried out by this method are shownin Figs. 2 and 3 for klystron Nos. 1 and 2,
respectively. Before adjustment, the phase shift in
the RF pulse duration of 17 ms was greater than 2
for klystron No.1 and greater than 1 for klystronNo.2. Each phase shift has been reduced to around0.3 over 17 ms by the optimization. This corre-

Fig. 5. FEL oscillation. (a) FEL pulse shape, (a0 ) is (a)displayed on a different vertical scale, (b) electron beam current(50 mA/div). The IR detector is saturated.

sponds to the modulator output voltage ﬂuctuation of approximately 0.06%.
The difference of the electron beam energy
spectra between the two situations is compared inFig. 4. Waveforms of the electron beam current
and the FEL power are shown in Fig. 5. The
uniformity of the central energy over the pulse
duration has been considerably improved. The
average energy spread (FWHM) over the pulse
duration is 0.5%. The drift of central energy
during the pulse duration is also much improved.
As a result of this improvement, the growth of the
FEL optical power is found to be initiated at thehead of the beam pulse. However, energy ﬂuctuation is still observed in the pulse duration due toresidual phase ﬂuctuation of the relative phasebetween the two klystrons. The ﬁne ﬂuctuation of
the central energy possibly has a considerable
effect on the intensity of the FEL or SASE [4].

4. Conclusion

Fig. 4. Energy spectra around 86.8 MeV that were carried out,
utilizing the ﬁrst 45 bending magnet as a spectrometer. (A)Before adjusting the PFN inductance, (B) after adjusting the
PFN inductance.

The method of PFN adjustment described inthis report is shown to be simple and effective toobtain uniform energy spectra over the RF pulse
duration. The set of proper PFN inductances
depends on the voltage applied to the klystron.

ARTICLE IN PRESS
K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 239–243

Therefore, this method will be useful to develop a
database of various sets of proper inductances fordifferent PFN output voltages in order to realize areliable wavelength variability of FEL.

References[1] R. Chaput, et al., Proceedings of the Fourth European
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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

OPERATIONAL STATUS OF 125-MeV LINAC AT NIHON UNIVERSITY
T.Tanaka1,A), I.SatoA), K.HayakawaA), Y.HayakawaA), K.Yokoyama2,A), K.NogamiA), A.MoriA), K.KannoB),
T.SakaiB), K.IshiwataB), K.NakaoB), S.FukudaC), A.EnomotoC), S.OhsawaC), T.SuwadaC), K.FurukawaC),
S.MichizonoC)
A)
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)
Graduate School of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba 305-0801
Abstract
The pulse-to-pulse fluctuation of the electron beam from the 125-MeV linac has been suppressed by the stabilizationof commercial AC power source and the improvement of the klystron DC power supply. Use of silver-coated copper
mirrors for the optical resonator allowed us to achieve a saturation of free-electron laser (FEL) in the range of 0.885 6.13 Pm. As an FEL user’s facility, service of 1 - 6 Pm FEL started at the laboratory for electron beam research andapplication (LEBRA) of Nihon University in 2003. The beam line for parametric X-ray (PXR) generation has beensuccessfully operated for preliminary experiments of X-ray extraction and X-ray imaging characteristics.

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22

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)㔚ߪଐὼߣߒߡ㧝ᣣ⚂㧝࿁ߩ㗫ᐲߢ⊒↢ߒߡ޿ࠆ‫ޕ‬
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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)ࠍ㐳ߊߒ‫࠼࡯ࡠ࡯ࡒ࠳ߩ࡯ࡖ࠴ࡦࡃ࡝ࡊߦࠄߐޔ‬஥
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[1] I.Sato et al., Proc. of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tokai, Jul. 30 - Aug. 1, 2003 (2003) p1.
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Meeting in Japan, Tokai, Jul. 30 - Aug. 1, 2003 (2003) p90.
FELᒝᐲߦኻߔࠆ೙㒢ߪャㅍశቇ♽ߢߩ៊ᄬߩઁ‫ޔ‬[3] Y.Hayakawa et al., “Present Status of the Parametric X-ray⚿วⓣᓘߦࠃࠆขࠅ಴ߒࡄࡢ࡯߅ࠃ߮⊒ᝄᒝᐲߩᵄ
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[4] T.Sakai et al., Proc. of the 21st International Linear
Accelerator Conference (LINAC2002, Gyeongju, Korea,ߊߣ⠨߃ࠄࠇࠆ߇‫ޔ‬ታ㛎⚿ᨐ߆ࠄߪߎࠇࠃࠅ⍴ᵄ㐳
Aug. 2002) 712-714.
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[5]K.Ishiwata et al., “Development of Beam Positionߥࠆ௑ะ߇㗼⪺ߦ⃻ࠇߡ޿ࠆ‫⊒ޕ‬ᝄᒝᐲߪ㔚ሶࡆ࡯
Measurement System at LEBRA”, in these proceedings.
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[6] K.Hayakawa et al., “Measurements of the pulse length of theࠃߞߡᢙ୚ߩࡄࡢ࡯ߩᏅ߇޽ࠆ‫ޕ‬
FEL nonlinear harmonic radiation at LEBRA”, in theseproceedings.
[7] A.Mori et al., “Measurement of FEL output fluctuation at
LEBRA”, in these proceedings.

24

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVLOPMENT OF S-BAND TRAVELING WAVE RF WINDOW
T.Sakai1,A), I.Sato B), T.Tanaka B), K.Hayakawa B), Y.Hayakawa B), A.Mori B), K.Nogami B),
K.Kanno A), K.Ishiwata A), K.Nakao A), S.Fukuda C), S.Michizono C)
A)
Graduate School of Science and Technology, Nihon University
1-8-14 Surugadai, Kanda, Chiyodaku, 101-8308
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)
High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tukubashi, 305-0801
Abstract
A cold model of a traveling-wave-in-ceramic (TWC) type S-band (2856MHz) RF window was designed andfabricated. The ceramic in the RF window has the same dimensions as those used in S-band pillbox type windows. The
impedance matching between the rectangular waveguide and the cylindrical waveguide was adjusted with irises locatedon the boundary. The dimensions of the window were determined by calculations using the simulation code HFSS.

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E-mail: sakai@lebra.nihon-u.ac.jp84Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)૶↪࠮࡜ࡒ࠶ࠢෘ

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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

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[1] T.Tanaka, et al., "Operational Status of 125-MeV Linac at
Nihon University", in these proceedings.
[2] Y.Hayakawa, et al., "Analysis of the Gain Saturation in
LEBRA FEL Using GENESIS”, in these proceedings.
[3] Y.Hayakawa, et al., "Present Status of the Parametric X-ray
Generator at LEBRA", in these proceedings.
[4] T.Sakai et al., " S-Band Klystron for Long Pulse Operation"
Proc. The XXI International Linac Conference(LINAC2002), Gyeongju, KOREA (2002) p712-714.
[5] T.Sakai, et al., "FEL↪Sࡃࡦ࠼ᄢ㔚ജࠢ࡜ࠗࠬ࠻ࡠࡦߩ
㐳ࡄ࡞ࠬ࠹ࠬ࠻ㆇォ", Proc. 28th Linear Accel. Meetingin Japan, Aug. 2003, Tokai, Japan, pp.351-353.
[6] Sergey Kazakov,: "Development of New Type of HighPower RF Windows", Doctoral dissertation(2003).
[7] Yasunao Takeuchi,: "㜞๟ᵄ⓹ߩࠗࡦࡇ࡯࠳ࡦࠬᢛว⸃
㧔 Pillbox ဳ ‫ ޔ‬෸ ߮ ห ゲ ᐔ ᧼ ဳ ߦ ߟ ޿ ߡ 㧕 ", KEK
Preprint
2002-124,
December
2002,
A,
4th
Superconducting Linear Accelerator Meeting in Japan,
KEK, Tsukuba, Ibaraki, JAPAN, Mar. 12-13, 2002.
[8] M.P.Forrer and E.T.Jaynes,: "Resonant Modes in
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Number 2, pp.147-150.
[9] S.Michizono, et al., "High-power Test of Pill-Box and TWin-Ceramic Type S-Band RF windows", 17th International
Linac Conference (LINAC94), Tsukuba, Japan, August 2126, 1994.(KEK Preprint 94-157 December 1994 A).

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86

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Test of multibunch beam extraction from LaB6 photocathodeK.Kanno1,A) ,I.SatoB), K.Hayakawa B), T.Tanaka B), Y.Hayakawa B), A.Mori B), K.Nogami B)
T.SakaiA), K.IshiwataA), K.NakaoA)
A)
Graduate School of Nihon University,
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501

Abstract
A photocathode RF gun for Free Electron Laser (FEL) system covering wavelength from 0.3Pm to 0.8Pm is being
developed at LEBRA of Nihon University. FEL lasing in the short-wavelength region requires an electron beam with along pulse duration due to a small amplification gain. Therefore, the photocathode RF gun needs to generate
multibunch electron beam with a long macropulse duration and high micoropulse repetition rate. Then LaB6 which has
long lifetime and small work function was experimented for generation long macropulse multibunch electron beam.

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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

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378

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LaB6ߣᲧセᬌ⸛ࠍߔࠆ‫ޕ‬ෳ⠨ᢥ₂[1] Y.Hayakawa, et al., “First Lasing of LEBRA FEL in Nihon
University at a wavelength of 1.5 μm”, Proceedings of the
23rd International Free Electron Laser Conference and 8th㧡㧚ࡑ࡞࠴ࡃࡦ࠴శ㔚ሶࡆ࡯ࡓ⊒↢⹜㛎
FEL User's Workshop (Darmstadt, Germany 2001.8),
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research࿑㧝ߩⵝ⟎᭴ᚑߢᓧࠄࠇߚశ㔚ሶ㔚ᵹᵄᒻࠍ࿑4
A483(2002) 29-33.
ߦ␜ߔ‫⃻ޕ‬࿷ߩߣߎࠈశゲ߇ቢోߦ޽ߞߡ߅ࠄߕ‫ޔ‬[2] P.G.O’Shea, et al., “Single bunch injection system for an࡟࡯ࠩ࡯ߩ૏⟎ਇ቟ቯᕈ߇㗼⪺ߦ⴫ࠇࠆ⁁ᘒߦ޽ࠆ‫ޕ‬electron storage ring an RF photoinjector”, Appl. Phys.
ߘߩߚ߼᷹ⷰߐࠇࠆశ㔚ሶ㔚ᵹᵄᒻ߽ਇ቟ቯߢ޽ࠆ‫ޕ‬
Lett. 73, 411(1998)శ㔚ሶ㔚ᵹᵄᒻߩࡑࠢࡠࡄ࡞ࠬవ㗡ㇱߢశ㔚ሶ߇ⷰ

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A.Mori

1,A), K.Hayakawa
K.KannoB)

A), I.SatoA), K.Ishiwata, T.Tanaka
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A), K.Nakao, Y.Hayakawa

A)

B)

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,A.Kidokoro, K.Yokoyama,M.Inagaki

A),K.Nogami

B),H.Takasaki

A)

T.Sakai

B)

,

B)

A)

Laboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University
Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi-Shi, Chiba 274-8501 Japan.
B)
Collage of Science and Technology, Nihon University
1-8-14 Kanda-Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan. 101-8308#DUVTCEV+VKUQPGQHVJGOQUVKORQTVCPVVJGOGUVQUWRRN[VJGUVCDNGNKIJVYJGP('.KUQRGTCVGF*QYGXGTVJGQWVRWVQHVJG
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561

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Fluctuation ofgrid pulse voltage[%]CathodeGrid

Heater

A
AVR

200V

Grid Bias

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࿁〝↪

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2000

3000

FEL Output[J]Time[s]



1
0
1000

2000

Fluctuation[%]

0

C



XU)TKFRWNUGXQNVCIG

0.5

0

-0.5

-1

0

Fluctuation of emission[%]

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0

1000

2000

3000

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3000

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1000

2000

3000

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0

-1
0

-1.5

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2(From center)

FEL Output[J]C ('. QWVRWV

-1
0

0

Fluctuation of emission[%]࿑ 㔚ሶ㌂ߩ᭎⇛

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0

0.2

5V
15V

Fluctuation of Heater current[%]

DigitalDigital

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0.4

-0.2

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0.08
0.06
0.04
0.02
0
0

0.6

1000

2000

3000

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562

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)⴫ ࠣ࡝࠶࠻࿁〝ߩᄌേ

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0.1

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0.6

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563

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Influence of Harmonics on the Output Signal of Beam Position Monitor
Installed near the Slit
K.Ishiwata1,A), I.SatoB), K.Hayakawa

B), T.Tanaka

K.Kanno
A)

B)

A)

B)

, T.SakaiB), Y.Hayakawa

A), K.Nakao, K.Yokoyama

A), T.Suwada

B), A.Mori

B), K.Nogami

B)

,

C)

Graduate School of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501

Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)

High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801

Abstract
Three Beam Position Monitors (BPMs) have been already inserted into the end of the linac and the entrance and theexit of the undulator beam line. The phenomena that interact of the signal from the BPMs installed near the slit isdepended on the slit width are observed. Higher harmonics excited at the slit can propagate to the BPM through thebeam duct and influence the signal. The change of this output signal was removed with the low-pass filters. Therefore,
there was not influence to reading of the beam position.
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႐ᚲߪ࿑㧝ߦ␜ߔ㧕‫ޕ‬㨪

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E-mail: ishiwata@lebra.nihon-u.ac.jp567

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)c
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568

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

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[1] Y.Hayakawa, et al., “First Lasing of LEBRA FEL in Nihon
University at a wavelength of 1.5 m”,Nucl.Instr. and Meth.
A(2002), Volume 483/1-2,pp.29-33(NIMA18811)[2] T.Tanaka, et al., “ᣣᄢ125MeV࡝࠾ࠕ࠶ࠢߩⒿ௛⁁ᴫ”
Proceedings of this Meeting.
[3] Y.Hayakawa, et al., “ᣣᄢࡄ࡜ࡔ࠻࡝࠶ࠢ㨄✢Ḯߩ⃻⁁” Proceedings of this Meeting.
[4] K.Ishiwata, et al., “ Development of Strip-Line Type Beam
Position Monitor” Proceedings of the 21st International
Linear Accelerator Conference, LINAC2002, Gyeongju,
Korea, August 19-23, 2002, p178
[5] K.Ishiwata, et al., “ࠬ࠻࡝࠶ࡊ࡜ࠗࡦဳࡆ࡯ࡓࡐࠫ
࡚ࠪࡦࡕ࠾࠲࡯ߩ⎇ⓥ” Proceedings of the 28th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Tokai, July 30 – August 1,
2003, p431
[6] K.Ishiwata, et al., “LEBRAߦ߅ߌࠆࡆ࡯ࡓ૏⟎⸘᷹ࠪࠬ࠹ࡓߩ㐿⊒” Proceedings of this Meeting.
[7] ጟ↰ᢥ᣿, “ࡑࠗࠢࡠᵄᎿቇ㧙ၮ␆ߣᔕ↪㧙”, ቇ₂␠,
p171, 1993



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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Development of Beam Position Measurement System at LEBRA
K.Ishiwata1,A), I.SatoB), K.Hayakawa

B), T.Tanaka

K.Kanno
A)

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A)

B)

, T.SakaiB), Y.Hayakawa

A), K.Nakao, K.Yokoyama

A), T.Suwada

B), A.Mori

B), K.Nogami

B)

,

C)

Graduate School of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501

Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
C)

High Energy Accelerator Research Organization, KEK
1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801

Abstract
Ten BPMs were added into the beam line at LEBRA, and the total number of BPMs becomes 13 (six BPMs are in an
accelerator straight line, four BPMs are in FEL beam line, three BPMs are in PXR beam line). A signal from eachelectrode of BPM is inputted into a RF detector through RF coaxial cable. The detected voltage is measured by means of
the AD conversion board on PC. The beam position is derived from the voltage digitized data by a PC. It is reported
about this signal acquisition system.
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X-ray Radiation
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BM

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M

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Q6
Q7
BPM7
BM
BPM12
C
CM7

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Q3
125 MeV Electron Li nac

BPM1

E-mail: ishiwata@lebra.nihon-u.ac.jp

570

B PB G

ACC 1
Q2
CM3

G: Gun,
PB: Prebuncher,
B: Buncher
ACC: 4m Accelerator
Q: Quadrupole Focus
CM: Current Monitor
BPM: Beam Position Monitor
BM: Bending Magnet
S: Slit,
C: Collimator,
U: Undulator
M: Mirror,
BD: Beam Dump࿑㧝㧚ࡆ࡯ࡓ૏⟎ࡕ࠾࠲࡯ߩ⸳⟎▎ᚲ‫ޕ‬
1

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ACC 2

Q1

CM2

CM1

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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)࿑㧞㧚ࡆ࡯ࡓ૏⟎⸘᷹ࠪࠬ࠹ࡓߩ᭎ᔨ࿑‫ޕ‬$G C O2QUKVKQP㧔㨄㧘㨅㧕$2 / 
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Semiconductor⵾, LF398N)ࠍⴕ߁㧔20୚෻ォჇ᏷࡮ࠨࡦࡊ࡞/ࡎ࡯࡞࠼࿁〝ߩ౮⌀ࠍ࿑㧟ߦ␜ߔ㧕‫ߎޕ‬
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Position Monitor” Proceedings of the 21st International
Linear Accelerator Conference, LINAC2002, Gyeongju,
Korea, August 19-23, 2002, p178
[2] K.Ishiwata, et al., “ࠬ࠻࡝࠶ࡊ࡜ࠗࡦဳࡆ࡯ࡓࡐࠫ
࡚ࠪࡦࡕ࠾࠲࡯ߩ⎇ⓥ” Proceedings of the 28th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Tokai, July 30 – August 1,
2003, p431

571

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

MEASUREMENT OF ELECTRON BUNCH LENGTH AT LEBRA
K.Yokoyama1∗
A),A), I.SatoA), K.Hayakawa

A), T.TanakaA), Y.Hayakawa

A), K.Nakao

B)

Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)

College of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274 -8501 Japan

Abstract
The bunch length of the electron beam from the FEL linac at LEBRA (Laboratory for Electron Beam Research andApplication) was estimated from the phase ellipse coefficient which is deduced from the dependence of the beam spreadon the accelerating phase. The bunch length of FWHM was estimated approximately 0.33mm from the results of theexperiments. Besides, the pulse length of the FEL lights around the wavelength of 1.5μm was measured by means of the
autocorrelation. The pulse length was less than 0.06mm according to the number of interfacial waves. These results
indicate that the pulse length of the FEL lights isn’t equivalent to the electron bunch length.

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2.1.2

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1∗E-mail: kazue.yokoyama@kek.jp
Present affiliation: High Energy Accelerator Research Organization, KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801 Japan

602

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)§ Δ l0 ·ߣᦠߊ‫ޕ‬ΔNߪ‫ޔ‬ਛᔃ゠㆏ࠍㅢࠆ㔚ሶ¨ ΔV ¸¸© 0¹ߦኻߔࠆㅴⴕᣇะߩ૏⟎ߩߕࠇ‫ ޔ‬Δ8 ߪหߓߊ‫ޔ‬ਛ ߩᄌ឵ⴕ೉ߦᓥߞߡᄌ឵ߔࠆ߆ࠄ‫ޔ‬.+0#%ࠍ಴ߚ
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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Ei = 62.02 + 40.35 Cos(φi − 70) ߣߥࠅ‫' ޔ‬R㧩ߣ᳞߹ߞߚ‫ޕ‬.+0#%ߩ᭴ᚑ߆ࠄ‫ޔ‬ߎߩ୯߇  ᑼߩ8ߦ⋧ᒰߔࠆ㊂ߢ޽ࠆ‫ޕ‬ߚ୯߇శࡄ࡞ࠬߩ᏷ߦߥࠆ‫ޕ‬࿑㧠ߦ‫ޔ‬శࡄ࡞ࠬ᏷ߣ
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3.1.2

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3.1.3 ࠕ࠽࡜ࠗࠩ࡯ࠍㅢㆊᓟߩࡃࡦ࠴㐳('.⊒ᝄᤨߦᣈߌࠆ㔚ሶߩࡃࡦ࠴㐳ߪ⚂RU߆ߘࠇ
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[1]

[4]
[5]
[6]

604

I.Sato et al.,”ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢ᒻടㅦེߩ⃻⁁ߣ⎇ⓥ⸘
↹”, Proc. of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan,
Kyoto, Aug.7-9, 2002.
Y.Hayakawa et al.,”Characteristics of the Fundamental and3rd Harmonic FEL at LEBRA”, Nucl. Instr. and Meth.
A507, 404-408 (2003), FEL 2002, Proc. of the 24th Itn.
FEL Conference and 9th FEL Users Workshop (Argonne,
Illinois, U.S.A., 2002.9).
K.Yokoyama et al.,”ᣣᄢFEL↪࡝࠾ࠕ࠶ࠢߩടㅦࡆ࡯
ࡓ․ᕈ”, Proc. of the 23rd Linear Accelerator Meeting inJapan, Tsukuba, September.16-18, 1998.
K.Hayakawa et al., Proc. of this Meeting.
A.W.Chao, Handbook of Accelerator Physics andEngineering, World Scientific, 57(1998).
C.Settakorn et al., “Impact of Experimental Conditions on
Autocorrelation Bunchlength measurements”, Proc. of the
2nd APAC, Beijing, China, 2001.

Proceedings of LINAC 2004, Lübeck, Germany

MOP25

THE LEBRA 125 MEV ELECTRON LINAC FOR FEL AND PXRGENERATION
K.Hayakawa#, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama*, I.Sato,LEBRA, Nihon University, Funabashi, Japan
K.Kanno, K.Nakao, K.Ishiwata and T.Sakai,
Graduate School of Science and Technology Nihon University, Funabashi, Japan
Abstract
A 125MeV electron linac has been constructed atLaboratory for Electron Beam Research and Application(LEBRA) in Nihon University for Free Electron Laser(FEL) and Parametric X-ray (PXR)[1] generation.
Electron bunches of 3 - 4 psec width formed at the
injector are compressed to within 1 psec during passing
through the magnetic bunching system. Peak current of
the electron beam injected to the FEL system is expected
to be about 50 A. FEL lasing has been achieved at the
wavelength range from 0.9 to 6 Pm. Estimated peak
power of the extracted FEL light pulse is about 4 MW.
Applied researches using the FEL started last autumn.
Preliminary experiment for the PXR generation has beenproceeded. First light of the PXR is observed at April inthis year.

INTRODUCTION
The specifications of the electron linac are listed inTable 1. The beam injection system and the regularaccelerator sections of the linac were moved from KEK
Photon Factory positron injector linac as a part ofcollaboration on development of a high quality electron
linac. Schematic layout of the accelerating structures andRF system are shown in Fig.1.
FEL beam line has been installed to feed near infraredlaser for application users [2]. To improve FEL gain,
magnetic bunch compressor has been adopted.

To generate monochromatic X-ray, PXR beam line has
been installed next to FEL beam line. Several interesting
results are obtained.

LINAC
The electron linac has a conventional configuration. It
consists of a DC electron gun with a dispenser cathode, aprebuncher which is a 7-cell travelling wave structure, abuncher which is a 21-cell travelling wave structure andthree 4-m long normal accelerator sections.
Table 1:Specifications for LEBRA 125MeV linac.
Accelerating rf frequency
Klystron peak output rf Power
Number of klystrons
Electron energy
Energy spread (FWHM)
Macropulse beam current
Macropulse duration
Repletion rate

2856
30
2
30~125
0.5~1
200
20
12.5

MHz
MW
MeV
%
mA
Psec
Hz

RF System
Two klystrons feed rf power of approximately 20MW
peak and 20Psec pulse duration each to accelerating
structures. Phase of the rf fed to each component is
controlled independently.
Output RF phase of the solid state RF amplifier and the
klystron drifts with a room temperature variation. Since
RF amplifier is operated in pulse mode, RF phase change

Signal generator
RF amp.

FC

Klystron

FEL
Beam Line

PXR
Beam Line

Attenuator
Phase
shifterMagnetic lens

CoilElectron
Gun Prebuncher

Buncher

Steering coil

Q triplet

4-m Acc Section 4-m Acc Section 4-m Acc Section

Analyzer

FC

Figure1: Schematic layout of the LEBRA linac and the FEL and the PXR beam line.
___________________________________________#

hayakawa@lebra.nihon-u.ac.jp*Present affiliation: KEK, Tsukuba, Japan

Accelerators and Facilities
Electron Linacs

1

MOP25

Proceedings of LINAC 2004, Lübeck, Germany

during the pulse duration. Phase drift is compensated byusing a slow feedback circuit and feed forward
compensation is adopted for phase deviation during thepulse duration. Both feedback and feed forward signals
are combined and fed to the fast phase shifter installed
just upstream of the RF amplifier. Phase stability isachieved within 0.5 degree both long term and during thepulse duration [3].

Magnetic Bunch Compression
Last two accelerator sections are connected to thesecond klystron as shown in Fig.1. Accelerating phase of
the third accelerator section is controlled independently of
the second one using a phase shifter attached in the RF
feed line of the third accelerator section. Then, theelectron beam can be accelerated to same energy byvarious combination of the phase. Accelerating energy E
without beam loading term in this section is described asfollow.

E

E0 cos(I )  cos(I  'I ).
'I
) cos 'I
2
Where E0 is the maximum accelerating energy for eachaccelerator section, I is the accelerating phase of thesecond accelerator section dependent on the klystron
output phase and 'I is the relative phase between thesecond and the third accelerator sections. Electron energy
within a bunch is transformed in the first orderapproximation as
wE
GE GE0 
GI0wI'I
GE0  2 E0 sin(I ) cos( 'I )GI 0
2
where GI and GE are phase and energy relative to thecentral position and mean energy of the bunch. Suffix 0 ofthese variables means initial value. Even if the
combination of the phase that gives the same energy, theeffect on the energy distribution is different. Therefore we
can handle the distribution of the electrons in thelongitudinal phase space. Injection beam line to the FEL
is a 90 degrees achromatic bending system as a
momentum analyzer. It consists of two 45 degrees
bending magnets, four quadrupole magnets and a
momentum slit. In the case of achromatic bending,relative phase GI is transformed as
2S GE
GI GI0  2 U (T  sin T ).
O Etotal
2 E0 cos(I 

where U and T are a orbital radius and bending angle ofthe bending magnets, O is a wavelength of theaccelerating RF in free space and Etotal is an electron meanenergy at the exit of the linac. If we select proper phasecombination, which brings the required acceleratingenergy, bunch compression mechanism will be realized.
By the bunch compression, about 3 psec of the bunch
length at the exit of the linac becomes 1 psec at theentrance of the undulator[4]. Peak current of the electron

2

beam also increases about three times. In the present
operation condition, the peak current is estimated about
30 A. And it will be increased to 50 A or more in near
future.

FEL
The undulator consists of a planar Halbach typepermanent magnet, where the electron beam is wiggled in
the vertical plain. The specifications of the FEL system
are listed in Table 2. At the beginning of the FEL
experiments, dielectric or Au coated quart based mirrors
were used. Because of the poor thermal conductance ofthe quart, coated material was frequently damaged
according to increasing the optical power at lasing. To
avoid these kinds of trouble, cupper based silver coatedmirrors are used. Optical power is extracted through thesmall hall excavated at the mirror center. Laser light beam
extracted from the optical cavity is parallelised using
beam expander that consists of spheroidal and parabolic
mirrors and transmitted to the experimental rooms
through the vacuum ducts.
Lasing of the LEBRA FEL has been achieved from 0.9
to 6 Pm of wavelength. Typical FEL signal detected using
an InSb photo detector, which indicate macro pulse
structure is shown Fig. 3. Duration of the electron beam
Table 2: Parameters for LEBRA infrared FEL system

Resonator length, L
Rayleigh range
Coupling hall
Undulator period
Undulator length
Number of periods
Maximum K (rms)

6.718
1.467
0.3
48
2.4
50
1.35

m
m
mm
mm
m

pulse is about 18 Psec, FEL is saturated after 8 Psec fromstart of the electron beam pulse and continued about 10
Psec. Output FEL energy per macro pulse is dependent on
wavelength and beam current. Maximum power isFigure 2: Typical waveform of the electron beam
(upper trace) and FEL (lower trace).

Accelerators and Facilities
Electron Linacs

Proceedings of LINAC 2004, Lübeck, Germany

boundary of light and darkness is taken by direct exposure
at output port with the Polaroid film shown in Fig. 5.
XAFS appears in the photograph but cannot be seenclearly in this figure.

1
Normalized intensity

MOP25

0.75
14 nm

0.5
0.25
0
1460

1480

1500

1520

1540

Wave length ( nm )Figure 3: Spectrum of the FEL. Spectral width isabout 14 nm.
accomplished wavelength of from 2 to 3 Pm. Maximum
energy per macro pulse obtained until now is 30 mJ.
Spectra were measured at up to wavelength of 1500nm
by means of a monochrometor and an InGaAs photo
diode array. Typical one is shown in Fig. 3. Spectral
width is about 14 nm (FWHM) at mean wavelength of1500 nm. Assuming Gaussian shape wave packet, about
70 Pm (FWHM) of optical pulse length is deduced frominverse Fourier transformation from the spectrum. Thisvalue agrees well with what was obtained from the
autocorrelation experiment[4]. If maximum energy of
30mJ per macro pulse of 10Psec converts simply, peak
power is about 4 MW
Experiments of applied researchers started at last
autumn.

PXR
The PXR beam line is installed parallel to the FEL
beam line as shown in Fig. 1. The PXR system consists of
two silicon single crystals. One of them is the radiator for
PXR and another one is a reflector for X-rays. The
reflector is movable parallel to the electron beam axis inorder to extract X-rays with any defined wavelength
through the fixed output port[5].
First light of the PXR was observed at April 14, thisyear. X-rays signal was detected by means of ionizationchamber set at the output port. X-rays energy range inpresent setup is from 5 to 20keV. In principle, PXR has
the spatial distribution with the energy gradient in thereflection plain. From the preliminary measurement,
relation between X-ray direction and energy at incident
electron energy of 100MeV is 0.7%/mrad. A photographin which the Br-KD absorption edge is seen as the

Accelerators and Facilities
Electron Linacs

Figure 4: A photograph in which the Br-KD
absorption edge (13.5keV)is seen as the boundary oflight and darkness.

REFERENCES[1] A.V.Shchagin and X.K.Maruyama, AcceleratorBased Atomic Physics Techniques and Applications,
S.M.Shafroth and J.C.Austin, Eds, New York:
American Institute of Physics, 1997,ch9 pp 279-307[2] T.Tanaka, I.Sato, K.Hayakawa, Y.Hayakawa and
K.Sato,“Status of Infrared Free Electron Laser at
Nihon University”, Jpn. J. Appl. Phys. 41(2002)Suppl.
41-1,pp.34-40[3] K.Yokoyama, et al. “Suppression of Energy
Fluctuation for the Free Electron Laser at LEBRA,”
Jpn. J. Appl. Phys. 41(2002)4758[4] K.Yokoyama, et al. “Bunch Length Measurements at
LEBRA”, proceedings of this conference.
[5] Y.Hayakawa, “Simulations to the project of a PXR
based X-ray source composed of an electron linac anda double-crystal system”, to be published.

3

Proceedings of LINAC 2004, Lübeck, Germany

TUP64

BUNCH LENGTH MEASUREMENTS AT LEBRA
K.Yokoyama #,*,A), I.Sato A), K.Hayakawa A) , T.Tanaka A) , Y.Hayakawa A), K.NakaoB)A) Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science,
Nihon University 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B) College of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274 -8501 Japan
Abstract
The high-gain FEL amplification in near IR and SASE
have been observed at LEBRA (Laboratory for Electron
Beam Research and Application). A very short bunch of
the electron beams have been achieved by the achromatic
bending system, as the bunch compression system due toapt on the accelerating phase in the last accelerating
section. The bunch length was estimated from the phase
ellipse parameters which is deduced from the dependenceof the beam spread on the accelerating phase. The bunch
length of FWHM was estimated approximately 0.33 mmfrom the results of the experiments. Besides, the pulse
length of the FEL lights around the wavelength of 1.5
micrometer was measured by means of the
autocorrelation. The pulse length was less than 0.06 mm
according to the number of interference waves. The pulse
length of the FEL lights corresponds to around 20% of theelectron bunch length.

energy spread of the beam is restricted to about 1% by aslit of the momentum analyzer. The FEL system consistsof an undulator of 50 periods of a Halbach-type
permanent magnet array and an optical cavity and thecavity length is about 7 m.

EXPERIMENTAL METHOD [6]The input RF phase of klystron #2 and the acceleratingphase in accelerating section #3 can be changed by twophase shifters independently as shown in Fig. 1. Theenergy spectrum can be obtained by utilizing the first 45q
bending magnet of the momentum analyzer as aspectrometer. The bunch length was estimated from theenergy spread by using the method as below.

INTRODUCTION
The high-gain FEL amplification has been obtained andthe result of the simulation extracted from the FEL gain
indicates that the bunch length could be around 1 ps orless [1]. SASE has also been observed using the electron
beam with a low macropulse beam current and a very
short bunch with considerable bunch compression in theachromatic bending system [2]. In order to investigate thebunch length which yields the high gain FEL
amplification, the electron bunch length was measured bymeans of the simple theory about the phase ellipse insteadof using a streak camera, which provides a direct andconvenient way to measure bunch lengths but a highaccuracy one is very expensive. The pulse length of the
FEL lights around the wavelength of 1.5 Pm was alsomeasured by means of the autocorrelation to compare theresults of the bunch length.
The part of the main accelerating at LEBRA consists ofthree 4-m accelerating sections [3, 4]. The accelerating
RF is provided by two 20-MW klystrons, which areoperated at 2856 MHz with a pulse length 20 Ps. The
Phase flatness of the pulse error within 0.3q was achieved[5]. Klystron #1 is used for the injector and the firstaccelerating section and klystron #2 is used for the two
accelerating sections. The electron beam accelerated in
the linac is transported to the FEL system through the 90q
achromatic bending and analyzer magnet system. The___________________________________________#

kazue.yokoyama@kek.jp* Present affiliation: High Energy Accelerator Research Organization,
KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801 Japan

Technology, Components, Subsystems
Beam Diagnostocs, Instrumentation

Figure 1: Layout of the FEL LINAC at LEBRA.

Maximum Energy Gain
The maximum electric field of the accelerating RF, EP,
is obtained from the maximum energy of the energy
spectrum depending on the accelerating RF phase. E0 is
the total accelerating energy which beams obtain until
acc-section #2 and the beam loading in acc-section #3, Ei
is the beam energy after acc-section #3 and Ii is theaccelerating phase in acc-section #3. This correlation canbe written(1) ,Ei E0  EP cosIi
where the original point of Ii is based on the phase withthe maximum energy. E0 and EP can be obtained by theleast-square method from the experimental data of Ei andIi.

Ellipse Parameters
To describe a beam in phase space, assuming that the
distribution of the beam at any other place along thetransport line is to be an ellipse space, it can be expressed(2) [7] ,J 0 'l 2  2D 0 'l'E  E 0 'E 2 H

1

TUP64

Proceedings of LINAC 2004, Lübeck, Germany

where D0, E0, J0 and H are ellipse parameters and H E 0
represents the bunch length and H J 0 represents theenergy spared of the electron beam.
The vector in the longitudinal phase space at the entranceof acc-section #2 can be represented as ('l0, 'E0) and it
can be transferred to ('l, 'E) at the linac exit, the electron
beam passing through acc-section #2 and #3. 'l0 and 'E0
represent position and energy relative to the electron
along the central orbit, respectively. The matrix
formulation can be expressed by1
0 ·§ 'l0 ·§ 'l · §
(3).
¸
¨ ¸ ¨
¸¨
¨ 'E ¸© ¹¨ g T , 'T©

1 ¸¹¨© 'E0 ¸¹

By using the same transfer matrix, the ellipse parameters
are transformed as§ E D · § 1 0 ·§ E 0 D 0 ·§ 1 g ·
(4).
¸¨
¸
¸¨
¨
¸ ¨
¨D
©

J ¸¹ ¨© g 1 ¸¹¨© D 0

J 0 ¸¹¨© 0 1 ¸¹Three equations below can be obtained from Eq.(4);D ( g ) E 0 g T , 'T  D 0

(5)

E g

(6)

J g

E0

E 0 g T , 'T2

 2D 0 g T , 'T  J 0

To investigate the bunch length of the electron beam at
FEL oscillation, the energy spectra with the same centralenergy, which means EM is constant, depending on the
combination of T and 'T are measured.

Autocorrelation Method
The pulse length of the FEL lights around thewavelength of 1.5 Pm was measured by using theinterferometer based on the autocorrelation [8]. Theinterferometer is a Michelson-Moley type, which consistsof two beamsplitters, a movable mirror and a fixed mirror
as shown in Fig. 2. The interferogram is derived from thedeference in path length between the light pulses split into
two by a beamsplitter1 which works as a half mirror
around 1.5 Pm. Detector1 measures a fundamental lightof the FEL and Detector2 is used for a reference. The
movable mirror can move in steps of 0.1 Pm. The opticalpulse length is roughly estimated from multiplying thenumber of the interference wave by the half of the FEL
wavelength.

(7),

where the accelerating phase in acc-section #3 isexpressed as T 'T when T represents the acceleratingphase in acc-section #2 and V2 represents the maximum
energy gain of acc-section #2 and #3. Approximating by
the first order, g(T ,'T ) can be defined as;'T'T · 2S§(8).
g T , 'T 2V cos
sin ¨T 
¸
2

2

©

2 ¹ O

At this time, Eq.(7) becomes Eq.(9) by multiplying bothsides by H because the energy spread is GE
H J0 .
GE 2

HE 0 g T , 'T 2  H 2D 0 g T , 'T  HJ 0

(9)Hence, the whole electron beam can be described byknowing the ellipse parameters of Eq.(9) which are
obtained from the energy spread as a function, g(T ,'T ),of T and 'T and the bunch length can be also calculated
from Eq. (6).

Bunch Length Through the Analyzer System
The ellipse parameters are also transferred to Eq. (10)after the achromatic bending system;§ E ' D ' · § 1 h ·§ E g D g ·§ 1 0 ·
(10)
¸ ¨
¨
¸
¸¨
¸¨
¨D '
©

J ' ¸¹ ¨© 0 1 ¸¹¨© D g J g ¸¹¨© h 1 ¸¹
2 U -  sinh{0.00125EM

RESULTS AND DISCUSSION
Electron Bunch Length
The result of the peak energy extracted from the energy
spectrum as a function of the accelerating phase on accsection #3 is shown in Fig. 3. Applying the least-square
method, Eq. (1) was obtained as;'(15)
Ei 62.02  40.35cos(Ii  70)
where Ep = 40.35 comes from the result. The value of Ep
corresponds to V2 in the Eq. (8).

(11)

where U is the orbital radius (550 mm) and - is thebending angle (45q) and EM is the central energy
depending on the purpose of experiment, respectively.
The matrix formulation Eq. (10) becomes;(12)
D ' D g  hJ g'
2(13)
E E g  2h  D g  h J g
'
(14)
J J g
These equations can be calculated from the ellipse
parameters in Eq. (9) and Eq. (5), (6), (7). The bunch
length through the achromatic bending system can be also
calculated from Eq. (13).

2Figure 2: Layout of the interferometer.

Figure 3: The electron peak energy depends on theaccelerating phase. (* means the point of the observationof the maximum FEL power).
The energy spread extracted from energy spectrum
which measured was by changing the accelerating phaseare shown in Fig. 4. From fitting experimental data,

Technology, Components, Subsystems
Beam Diagnostocs, Instrumentation

Proceedings of LINAC 2004, Lübeck, Germany(16)
was obtained. The bunch length (FWHM) at the linac exit
is 0.88 mm (2.9 ps) from 2 H E 0 given by Eq. (6).
GE 2

1.94 u 10 7 g I2

 2.75 u 10 4 g I  0.397

TUP64

the optical pulse emitted from the electrons in theundulator.

Figure 6: The typical interferogram of the autocorrelation.

CONCLUSION
Figure 4: g(T, 'T) and GE^2 as a function of acceleratingphase and the ellipse parameters. (* means the point of
the observation of the maximum FEL power. l means
the region of the FEL observed.).
Figure 5 shows the bunch length and the energy spreadof the electron beam which supplied to FEL system. The
central energy EM is around 100 MeV and the macropulse
current is about 80 mA. The point of (*) means theexperimental data of which the highest power of the FEL
was observed. The FEL gain was around 9% and thepower was approximately 8 mJ/macropulse. The energy
spread is 0.74% and the bunch length is 0.33 mm (1.1 ps)at this time. The peak current is expected to be 20 A or
more.

Figure 5: Electron bunch length and pulse length of the
FEL light depending on the electron beam energy spread(FWHM). (* and l mean the same as Fig. 4.).

Optical Pulse Length
The typical interferogram of the autocorrelation isshown in Fig. 6. The experimental beam parameter is thesame as the bunch length measurements and the FEL
wavelength is around 1.5 Pm (3rd: 512 mm). The pulse
length of the FEL light depending on the acceleratingphase was measured when the FEL power is strong
enough to get the interference wave from 5 to 8 mJ/macropulse. The results were shown in Fig. 5. The pulse
length of the FEL light is around 0.06 mm (0.2 ps). The
optical pulse length is 20% or less of the electron bunch
length from the experimental results. The distribution of
the electron beam which is high-density and attributable
to the FEL oscillation could be narrow as interacting withTechnology, Components, Subsystems
Beam Diagnostocs, Instrumentation

It was confirmed experimentally that the bunch length
at the FEL oscillation was 0.6-1.7 ps, by measuring theenergy spread vs accelerating phase. The bunch length ofthe electron beam at the high-gain FEL amplification wasaround 1ps. This experimental result is consistent with thesimulation [1].
The pulse length of the FEL light was extremely narrow
to compare with the electron bunch length. The
simulation about the correlation between the bunch lengthof the electron beam and the pulse length of the FEL light
has proceeded at LEBRA.

REFERENCES[1]

Y.Hayakawa et al., "Characteristics of theFundamental and 3rd Harmonic FEL at LEBRA",
Nucl. Instr. and Meth. A507 (2003) 404.
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Laser Conference and 10th FEL Users Workshop(Tsukuba, Ibaraki, Japan, Sep.8-12, 2003).
[3] K.Hayakawa et al., "Performance of the FEL Linac at
Nihon University", Proc. of this Conf.
[4] T.Tanaka et al., Proc. of the 1st Asian Particle
Accelerator Conference (1998) 722.
[5] K.Yokoyama et al., "Improvement of the PFN Control
system for the Klystron Pulse Modulator at LEBRA",
To be published in Nucl. Instr. and Meth. A, Proc. ofthe 25th International Free Electron Laser
Conference and 10th FEL Users Workshop (Tsukuba,
Ibaraki, Japan, Sep.8-12, 2003).
[6] D.H.Dowell et al., "Longitudinal emittancemeasurements at the SLAC gun test facility", Nucl.
Instr. and Meth. A507 (2003) 331.
[7] H.Wiedemann, Particle Accelerator Physics 1,
Springer (1993) 152.
[8] C.Settakorn et al., "Impact of Experimental
Conditionson
Autocorrelation
Bunchlength
measurements", Proc. of the 2nd APAC, Beijing,
China, 2001, p.728.

3⺰ᢥ㗴ฬ㧦FEL LINAC ߦᣈߌࠆ RF ♽ߩᡷ⦟ߦࠃࠆࡆ࡯ࡓ቟ቯൻߦ㑐ߔࠆ⎇ⓥ⺰  ᢥ  ⷐ  ᣦ
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ࠪࡈ࠻ࠍᒁ߈⿠ߎߒ‫ޔ‬FEL ࠪࠬ࠹ࡓߦଏ⛎ߔࠆ㔚ሶࡆ࡯ࡓࠍਇ቟ቯߦߒߡ޿ߚ‫ޔߢߎߘޕ‬RF ಴ജߩߎߩੑߟߩᄌേࠍᛥ೙ߔࠆࠃ߁ߥ૏⋧ᄌേ⵬ఘࠪࠬ࠹ࡓࠍ㐿⊒࡮⵾૞ߒ‫ޔ‬RF ࠼࡜ࠗࡉ♽ߦዉ౉ߔࠆ‫ޕ‬2.

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4.

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