ESTIMATION OF THE E-GUN TIMING-JITTER INFLUENCE
IN AN ENERGY-RECOVERY LINAC
R. Nagai 1 , M. Sawamura, R. Hajima, N. Kikuzawa, H. Iijima, T. Nishitani, E. Minehara
Free-Electron Laser Laboratory, Advanced Photon Research Center, Japan Atomic Energy Research Institute
2-4 Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki, 319-1195
Abstract
Characteristics of the electron beam are jittered due to the e-gun timing-jitter. The e-gun timing-jitter influences
should be reduced in an energy-recovery linac light-source for femto-second resolved experimentation. The
influences are estimated by using PARMELA. In result of the estimation, the influences are sufficiently reduced in
the case of less than 1 ps of the e-gun timing-jitter.

エネルギー回収型リニアックにおける電子銃時間ジッタの影響の評価

recirculating beam

to main linac
3-dipole merger

Q-mag.
e-gun

injector booster(3-cell ×5)

solenoidbuncher

図１：評価モデルとした入射器
Bunch length in rms (deg.)
Bunch length in FWHM (deg.)
Energy (MeV)
80100
buncher70
main linac

booster

1060

merger

5040

130
200.1

Energy (MeV)

原研FELグループでは次世代放射光源用加速器としてエネルギー回収型リニアックの基礎研究を行っている [1-3] 。エネルギー回収型リニアックの大きな特徴はリニアックの特徴を生かし、フェムト秒バンチ長、高輝度の電子ビームを生成出来る点にある。
この電子ビームにより発生される放射光はフェムト秒、高コヒーレンスであり、これまでの放射光では実験が困難であった生物、化学分野のフェムト秒分解能での実験が期待されている。
エネルギー回収型リニアックでは蓄積リングと異なり、電子ビームの性能は電子銃を含む入射器の性能に大きく左右される。電子ビームの時間ジッタや輝度に電子銃の時間ジッタが影響を及ぼすと考えられる。特に時間ジッタについてはフェムト秒分解能の実験の観点からも数10fs以下にする必要がある。
ここでは光陰極電子銃を前提として考えているので、電子銃での時間ジッタは光陰極駆動用のレーザーの時間ジッタである。必要とされる電子ビームの特性を得るために許容される電子銃時間ジッタの評価を行い、光陰極駆動用レーザー(同期システム)の必要な性能(時間ジッタ)を明確にしておく必要がある。
そこで、電子銃から打ち出される電子ビームの時
間ジッタにより放射光を出す部分の電子ビームの時
間ジッタ、バンチ長、輝度、エミッタンス、エネル
ギー広がりがどのような影響を受けるかの評価を、設 計 例 の 入 射 器 [3] を 基 に し て PARMELA[4] に よ り行った。

うものである。ただし、基となるパラメータについては7.7pCの電荷量で約70MeVまで加速した位置(9cell× 5台 通過後)での輝度が最大となるようにシミュレーテッドアニーリングによる最適化[5]を行った。このときのPARMELAでの計算結果のバンチ長(rms と FWHM) と エ ネ ル ギ ー を 図 ２ に 示 す 。 電 子
ビームはbuncherで速度変調を受け入射器で緩やかに圧縮され、合流器で磁気圧縮され、さらに主加速器1台目でvelocity bunchingにより圧縮されている様子が分かる。

Bunch length (deg.)

１．はじめに10２．評価モデル
評価モデルとしては昨年の本学会での発表した設計例[3]を採用した。このモデルは図１に示すように500kVのDC電子銃で光陰極により電子を生成しバンチャ、入射boosterで圧縮、加速された電子ビームを3-dipole合流器で回収ビームラインと合流するとい1

E-mail: r_nagai@popsvr.tokai.jaeri.go.jp

0.010246810Position (m)1214160

図２：PARMELAの計算結果
このパラメータを基にして電子銃からの出射のタイミングを変えた時の電子ビームの特性を計算し評価を行った。

でのバンチ長とビーム輝度の変化の様子を示す。それぞれrmsとFWHMの両方の場合を示す。電子銃時
間ジッタが1ps以下であればビーム輝度(rms)の変化
３．評価の結果は0.5%以下となる。FWHMでバンチ長をみた際に図３に電子銃時間ジッタの変化による70MeV位置はrmsでみた際よりも大きな影響を受けているので、での時間ジッタの変化の様子を示す。ただし、到着バンチの形状が影響するような放射光利用の場合に時刻はバンチのピークの位置としている。この位置は電子銃時間ジッタに対する要求は更に厳しくなる
での時間ジッタはフェムト秒時間分解能への影響とと言える。
同時に、主加速での加速位相ジッタにもなり、電子
図５に電子銃時間ジッタの変化による70MeV位置ビームのエネルギージッタにつながってしまうので、 でのエネルギージッタ、エネルギー広がり、図６に十分小さい必要がある。この図から電子銃時間ジッ
エミッタンスの変化の様子をそれぞれ示す。最終エタが1ps以下であれば70MeV位置時間ジッタは約36fs
ネルギーを6GeVとするとエネルギー広がり、エネ以下となる。これは1300MHzの位相では0.016度でルギージッタとも10-4程度であるので目標とする性あるので、これによるエネルギージッタは4×10-8以能に達している。エミッタンスについては目標値で下となる。時間ジッタが電子銃位置に対して70MeV
あ る 0.1 mm·mradより数倍大きいので更なるパラ位置で小さくなっているのはバンチを圧縮する過程メータの探索が必要である。電子銃時間ジッタの影において時間ジッタも圧縮されているためである。
響については電子銃時間ジッタが1ps以下であればここので評価モデルではバンチ長が70分の1に圧縮問題ない範囲である。
されているの対して、時間ジッタは28分の1に圧縮されている。
energy spread (keV)
200energy jitter (keV)
70

2015

Energy spread (keV)

100
500-50-10065105600-555-10-150-15
50

-200

-4-20
2
E-gun timing-jitter (ps)4-4-202
E-gun timing-jitter (ps)x_emittance (mm mrad)
y_emittance (mm mrad)

beam brightness in rms bunch length (%)
beam brigthness in FWHM bunch length (%)

z_emittance (deg keV)3001002509020080150

70100605050040-202
E-gun timing-jitter (ps)4-20

図４：電子銃時間ジッタに対する70MeV位置でのバンチ長とビーム輝度
図４に電子銃時間ジッタの変化による70MeV位置

0.7

6.5

0.6

60.5

5.5

0.4

5

0.3

4.5

0.2

-4-2
02
E-gun timing-jitter (ps)4

図６：電子銃時間ジッタに対する70MeV位置でのエミッタンス

4Longitudinal emittance (deg keV)

110
Beam brightness (%)

350

Transverse emittance (mm mrad)

bunch length in rms (fs)bunch length in FWHM (fs)-44

図５：電子銃時間ジッタに対する70MeV位置でのエネルギージッタとエネルギー広がり

図３：電子銃時間ジッタに対する70MeV位置での時間ジッタ

Bunch length (fs)Energy jitter (keV)

Arraival time-jitter (fs)150

４．まとめ

参考文献[1] 西谷智博、他、 Proceedings of the 1st Annual Meeting of
PARMELAによってエネルギー回収型リニアック
Particle Accelerator Society of Japan (2004) 380-382.
における電子銃時間ジッタの影響の評価を行った。
[2] 羽島良一、Proceedings of the 1st Annual Meeting of
その結果、電子銃時間ジッタが1ps以下であれば時Particle Accelerator Society of Japan (2004) 432-434.
間ジッタが36fs以下、電子ビーム輝度のジッタが[3]
羽島良一、他、Proceedingsof the 1st Annual Meeting of0.5%以下となることが分かった。
Particle Accelerator Society of Japan (2004) 447-449.
幸いにも、現在のレーザーとRFの同期技術にお[4] Parmela ver. 3.34; L. M. Young, LA-UR-96-1835.
いて1ps以下の同期を行うことは比較的容易であり、 [5] 永井良治、他、Proceedings of the 1st Annual Meeting of
短時間であれば5fs以下で同期可能であるという報Particle Accelerator Society of Japan (2004) 422-424.
[6] T. Yanagida, et al., Proceedings of SPIE Vol. 5194 (2004)
告 [6]もある。従って、エネルギー回収型リニアック
149-156.
における電子銃時間ジッタについての問題はなんら障害にならないと言える。