ＳＰｒｉｎｇ−８フォトカソードＲＦ電子銃における電子ビームの低エミッタンス化
冨沢1

宏光 、出羽柳田英紀、谷内謙一、鈴木努、水野伸介、小林明彦、安積利明、花木隆夫、

博文

高輝度光科学研究センター 放射光研究所〒679‑5198 兵庫県佐用郡三日月町光都 1‑1‑1 (SPring‑8)

概要
フォトカソードＲＦ電子銃の実験においてはその紫外レーザ光源の安定性や、空間電荷効果を低減するようなレーザの空間及び時間プロファイルの整形など、克服すべきレーザに関する技術的課題が多い。
本システムにおけるレーザの空間プロファイル整形はマイクロレンズ・アレイを用いることで実現した。
現在までに本 ＲＦ電子銃試験装置において、そのレーザ光源の安定化と空間プロファイルを円筒状に整形をすることで、安定に低エミッタンス電子ビーム（１バンチ当りの正味電荷量が０．１ｎＣで、２πｍｍ・ｍｒａｄ）を実現できるようになった。このときのカソード面上最大電界強度は１３５ＭＶ/ｍで、電子ビームのエネルギーは３ .１ＭｅＶである。
ここでは、主にレーザ光源の改善過程と低エミッタンス電子ビーム生成研究の現状を報告する。

本電子銃の研究においては、何よりもレーザ光の質的な改善が重点課題である。特に、レーザのパルスエネルギーの長期安定化、レーザの空間および時間プロファイルの改善は必須であるため、これらの改善を中心にレーザの改造と調整を行なってきた。
本レーザシステムの安定化の結果、１週間程度は調整なく安定にレーザ光が供給できるようになった。
そのため１日がかりのダブル・スリット法の測定でも、低エ ミッタンス電子ビームの測定が可能になった。また、レーザの空間プロファイルをマイクロレンズ・アレイで円筒状に整形し、非線形な空間電荷効果を押さえることで、１バンチ当りの正味電荷量０．１ｎＣにおいて、エミッタンスが２πｍｍ・ｍｒａｄの電子ビームが安定に得られるようになった。
本論文中におけるエミッタンスは、すべて規格化
ｒｍｓエミッタンスの意味で用いることにする。

２．実験装置
１．序論
2.1 エミッタンス測定装置
本研究の目的は自由電子レーザや逆コンプトン散乱などの Ｘ線光源発生装置が必要とする低エミッタ
図１に本試験装置のエミッタンス測定装置の概略
ンス短バンチ電子ビームの生成である。その開発の図を示す。本ダブル・スリット・モニターは２枚の一環として、 ＳＰｒｉｎｇ? ８でのフォトカソードスリット（幅：０.３ｍｍ、厚さ：８ｍｍ）が４６ｃ
ＲＦ電子銃 の研究が １９９６年から開始された [1]。
ｍの間隔で配置されたものである。ビーム電荷量は
我々はこのＲＦ電子銃からのビームを用い、そのエ本システムの直線部に配置されたファラデーカップ
ミッタンスのビーム電荷量依存性を系統的に測定しで電流値として測定する。このエミッタンス測定装た。本実験はこの電子銃のシステム・パラメータ（Ｒ置の分解能は、ビーム・エネルギーが３ .１ＭｅＶのＦ位相、カソード面上のレーザの空間および時間プとき、０.５πｍｍ・ｍｒａｄである。
ロファイル、レーザパルスのエネルギー、カソード表面状態、ソレノイド磁場中心軸とカソード面上のFaraday cup
To dummy load
レーザ照射面の中心が電子ビーム加速軸上にあるよSolenoid coil
Screen monitor
うにするアライメント）をすべて固定して行なった。
このようにして生成した電子ビームのエミッタンスはダブル・スリット法を用いて測定した。この方法 RF Cavity
はいわゆるマルチ・スリット法 [2]のようなシングル・Bending magnet
ショットで測定する方法ではなく、１時間程度の測Incidence定時間を必要とする。このことは ダブル・スリット Cu-CathodeAngle: 66°
Wall-current monitor法で測ったエミッタンスはその中にビームのパラメ
X-Y slit
ータ変動を含むため、シングル・ショットで測定でUV-Laser path
10cmきる方法で得られる値よりも実際は大きな値が出る。
しかし、この電子銃からのビームはマルチ・ショッ
図１：ＲＦ電子銃ビーム診断システム
トでの応用が期待されているために、ダブル・スリット法のような長時間測定によるエミッタンスの値
電子ビームのエネルギースペクトルは偏向電磁石が再現性を伴って小さいことが重要である。
で曲げた後のファラデーカップを利用して測定する。
1E-mail: hiro@spring8.or.jp

このビーム診断装置で２つのスリットを交互にスで配置することで、あらゆる不均一なレーザの鉛直キャンすることにより、水平方向（x，x ）または面空間プロファイルをシルクハット型（フラットト
垂直方向（y，y ）の２次元配列データがそれぞれップで円筒形）にすることができる（図３参照）。
得られる。この配列データを用いて、 規格化ｒｍｓ
このシルクハット型の鉛直面空間プロファイルは、エミッタンスの定義式からエミッタンスを算出する。 もし十分にレーザパルス幅が長いならば、電子ビームバンチ内に非線形な空間電荷効果を生じさせない
2.2 CPA‑Ti:Sa レーザ装置
理想的なビーム形状である。
本ＲＦ電子銃のレーザ装置はチャープ・ミラー方式のＴｉ：Ｓａレーザ発振装置（フェムトレーザ社製）をフェムト秒（２０ｆｓ）のシード光として用いている。このレーザ装置は中心波長が７９０ｎｍ、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）が５０ｎｍで発振する。
このシード光は繰返し周波数が８９．２５ ＭＨｚになるように、常に光共振器長をピエゾ・ミラーでフィードバック制御している。この シード光をチャープ・パルス増幅器内にあるポッケルスセルでポンピ
ング光の繰返し周波数 １０Ｈｚに同期させて切り出し、パルスエネルギーが３０〜６０ｍＪまで増幅する。この増幅光を３倍高調波（２６３ｎｍ）にして、長さが総計７０ｃｍの合成石英ロッドでそのパルス幅を５０ｆｓから５ｐｓまで伸ばし、最終的にパルスエネルギーが２００〜４００μJ の紫外光源を得る。実用上、レーザのパルスエネルギーの長期安定性が求められるために、再アライメント等の改善を行った。その結果、基本波（７９０ｎｍ）で２％、３倍高調波（２６３ｎｍ）で３％の安 定度を１週間程度保てるようになった。

３．実験結果3.1 紫外レーザの空間プロファイルが電子ビーム・エミッタンスに及ぼす影響
図３に紫外レーザのカソード表面位置での空間プロファイ ルを示す。図の左にホモジナイザーなしの場合、右にホモジナザー光学系によりシルクハット型に整形した場合を示す。これらのプロファイルはレーザ光を RF 空洞に入射する手前でスプリットし、その位置からカソード表面までの距離と同じになる位置で、レーザ・プロファイルモニタ? （スピリコン社製ＬＢＡ３００? ＰＣ）を用いて計測した。レーザの空間プロファイルを図３の左から右のように改善することで、それを光源として生成される電子ビームのエミッタンスは、そのバンチ当りの正味電荷量が０．２ｎＣのときに、３．３から２．３πｍｍ・ｍｒａｄに低減された。

2.3 レーザの空間プロファイル整形光学系

図２：マイクロレンズ・アレイの写真
本レーザ装置からの紫外レーザの鉛直面空間プロファイルは不均一で、低エミッタンス電子ビームを生成するためには不十分なものである。それゆえに、この空間プロファイルを改善するためにマイクロレンズ・アレイをホモジナイザーとして用いた。この
マイクロレンズ・アレイは六角形の小さな凸レンズの集合体で、それぞれが２５０μｍの間隔で２次元的に配列された集合体である（図２参照）。このアレイの紫外光 （２６３ｎｍ）の透過率は約８０％である。このホモジナイザーと凸レンズを任意の間隔

図３：レーザの空間プロファイル改善の結果

3.2 レーザパルスの時間プロファイル
図４に紫外レーザパルスの１ショット（図中右下）と１００ショット平均（図中右上）した時間プロフ
ァイルを示す。この時間プロファイルは最高分解能が２００ｆｓのストリークカメラ（浜松ホトニクス社製Ｃ６１３８；ＦＥＳＣＡ−２００）で測定した。
この紫外レーザ光のパルス幅（ＦＷＨＭ）は約５ｐｓであった。

差棒は、エミッタンス算出時のガウシアン・フィットの妥当性を示したものである。

４．計算結果とまとめ

図４：紫外レーザパルスのストリーク画像

3.3 エミッタンスのビーム電荷量依存性

2030151050

X-emittance (Simulation)
Y-emittance (Simulation)
00.20.40.60.8

11.21.4

Net Charge (nC/bunch)

図５：同時計測した水平および垂直エミッタンスのビーム電荷量依存性とその計算値本節に示すエミッタンス測定実験時に用いたビーム・エネルギーは３．１ＭｅＶ、カソード表面上の最大電界は１３５ＭＶ／ｍ、暗電流値は１パルス当り０．０２ｎＣであった。このときの量子効率は約５×１０ − ５であった。本測定においてレーザパル
ス・エネ ルギー以外のパラメータはすべて一定に保った。カソード面上のレーザスポットの直径（垂直方向）は１．５ｍｍであった。図５に水平および垂直エミッタンスのビーム電荷量依存性を複数回の測定結果で示す。これらの結果からエミッタンス測定が再現性をもっていることが分かる。各測定点の誤

X- and Y- Emittance ( πmm mrad)

X- and Y- Emittance ( πmm mrad)

本ＲＦ電子銃で、安定に達成された最大のビーム・エネルギーは４．１ＭｅＶで、そのときのカソード表面上の最大電界は１７５ＭＶ／ｍであった。
このときのＲＦパルス幅は０．５μｓで、電子ビームの暗電流値は１パルス当り０．１７ｎＣだった。
30
2002/4/29 data ( X -emittance )2002/4/29 data ( Y -emittance )2002/5/07 data ( X -emittance )25
2002/5/07 data ( Y -emittance )図５に実験結果とともに示した数値計算の結果か
ら明らかなように、バンチ電荷量が０．８ｎＣ以下
では実験結果と一致している。実験および数値計算の結果は 、いずれも垂直エミッタンスが水平エミッタンスよりも高い値を示している。これはレーザ入射角度が大きく、カソード面にレーザ波面が同時に到達しないためである。したがって、水平と垂直エミッタンスがともに低くなるためには、カソード面に対して垂直にレーザ光を入射してやればよい。
我々が開発した３次元粒子追跡法によるコード [3]でそれぞれの最適値を探した。 結果として、レーザパルスが幅２０ｐｓでフラットトップ、さらにレーザ入射角が０°のときに、水平および垂直エミッタンスがともに最低値になることが明らかになった。この理想的なレ ーザパルス幅（２０ｐｓ）と入射角度（０°）の場合と本実験（５ｐｓ；６６°）の場合、それぞれのエミッタンスのビーム電荷量依存性の数値計算の結果を比較して示す。理想的な場合でも水平と垂直なエミッタンスの値が異なるのは、ＲＦ空洞のＲＦポートが水平方向にのみ付いているために、カソード表面上での電場の広がりが方向によって異なるためである。今後、入射角度０°の光学系、紫外レーザの時間プロファイルのフラット化とパルス幅拡大のための光学系を導入することで理想的な低エミッタンス電子ビームの生成が期待できる。
Y- Emittance ( 5 ps ; 66 ° )X- Emittance ( 5 ps ; 66 ° )X- Emittance ( 20 ps ; 0 ° )Y- Emittance ( 20 ps ; 0 ° )252015105000.20.40.60.8

11.21.4Charge (nC/bunch)

図６：理想的なレーザパルス幅と入射角度の場合と本実験の場合の数値計算結果の比較

参考文献[1] T. Taniuchi et al., Proc. of 18th. Int. Free Electron Laser
Conf., Vol.2 p.137, Rome, 1996.
[2] S. G. Anderson et al., Physical review special topics accelerators and beams, Vol.5 p.014201 2002.
[3] A. Mizuno et al., “Simulation for an RF gun test apparatus inthe Spring-8 Linac”, PAC’99, p.2749 New York, April 1999.