Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

Production of Ultra-short Bunches Employing Alpha Magnet andOff-crest Acceleration for Coherent THz Light Sources
Fusashi Miyahara, Fujio Hinode, Kenichi Nanbu, Toshiya Muto, Yuu Tanaka,
Masayuki Kawai, Shigeru Kashiwagi and Hiroyuki Hama
Electron Light Science Center, Tohoku University
1-2-1 Mikamine, Taihaku-ku, Sendai, Miyagi, 982-0826

Abstract
We have studied production of the very short electron beam to generate intense coherent THz radiation. Since thepower of coherent synchrotron radiation is proportional to the bunch form factor, the bunch length shorter than 100 fs
has to be produced to obtain large form factor sufficient to generated intense coherent THz radiation. The beam fromthe thermionic RF gun is injected into a bunch compression system consist of an alpha magnet and a linac employing
velocity bunching. We report the bunch compression scheme of this system.

コヒーレントテラヘルツ光源のためのアルファ磁石とオフクレスト加速を用いた超短バンチ生成1.

はじめにいた評価を報告する。

実験装置とバンチ圧縮の概要
東北大学電子光研究センター（旧核理研）では加 2.
速器を用いた高輝度コヒーレントテラヘルツ光源の試験加速器の概観図とバンチ圧縮を模式的に表し開発を行っており、現在、試験加速器 t-ACTS (test た様子を図 1 に示す。
Accelerator as Coherent THz Source) の入射器部分のITC RF-Gun は２つの空胴を持ち、それぞれの空設置が進んでいる。THz 光源としてアンジュレータ 胴に入力する電力と位相を変えることで、電子銃出とアイソクロナスリングからのコヒーレント放射光 口での電子ビームの縦方向位相空間分布を操作するを検討中である[1,2]。高輝度なコヒーレント THz 光 ことが可能である[5]。図に示した縦方向位相空間は生成に十分大きな形状因子を得るためには 100 フェ 電子銃から引き出されたビームのバンチ先頭部分のムト秒以下の超短バンチ電子ビームが要求される。 様子を示しており、バンチ前方のエネルギーが高い。
アイソクロナスリングでは 50MeV まで加速した電 電子ビームは 0 MeV から 1.74 MeV まで連続的な運子ビームをシケインによって圧縮する。一方、THz 動エネルギー分布を持つが、バンチ先頭の高エネル域のアンジュレータ光が必要とする電子ビームは 17 ギー部分に電荷が集中しているMeV 程度の低エネルギーである[3]。
アルファ磁石は縦方向位相空間分布の回転とス
Serafini 等は電子ビームをゼロクロス付近のオフ リットを用いたエネルギー選択に用いる。電子の運
クレスト位相で加速構造に入射し、粒子の速度差を 動量の違いによる行路差を利用して、アルファ磁石利用してバンチ圧縮を行う velocity bunching を提案 を通過したバンチは前方の粒子のエネルギーが低くした[4]。この方法は加速構造のみで圧縮を行うため、 なるような磁場勾配に設定している。
シケイン等を用いないため小型化が可能である。
Velocity Bunching
本稿では熱陰極高周波電子銃（ ITC RF-Gun ）、 3.
アルファ磁石、3m 加速構造から成るコンパクトな
velocity bunching は数 MeV 程度の光速よりもわず
バンチ圧縮システムと、数値シミュレーションを用 かに小さい速度を持つ電子バンチを加速構造の RF位相のゼロクロス付近に入射することで行う。加速構造に入射した直後、バンチの前方の電子は減速位相、後方は加速位相に乗ることで圧縮が始まる。電子バンチの速度は RF の位相速度に比べて遅いため、バンチ全体の位相は徐々にクレスト側へスリップして行く。このため、バンチ全体の加速は加速構造の途中から始まる。
進行波加速構造の加速電場を
図 1: t-ACTS の概観（上）とバンチ圧縮の模式図（下）。青色の線は各装置におけるビームの縦方向位相空間分布を模式的に表している。

(1)とすると Hamiltonian は-204-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)(2)で与えられる。ここでの位相速度は、加速構造である。図１に E0=7.2 MV/m、α=0.236 の場合の位相空間での粒子の軌跡を示す。
図中の四角で示した領域はγ=4 で、ξ=0 付近に入射したビームが加速されξ=-60、γ=34 で加速構造から出た事に対応しており、バンチ長が短くなる様子を示している。
バンチの圧縮比を表す compression factor C （バンチ長は 1/C となる）は加速構造入口と出口の等ポテ
ンシャンル線から、バンチ中心の位相が 0

図 3 ：加速構造中での縦方向位相空間分布の変化。横軸はバンチの平均の位置からのずれ、縦軸は平均のエネルギーからのずれを表す。上段、下段はそれぞれバンチの先頭の粒子のエネルギーが高い場合(a)と低い場合(b)に対応し、左から順に加速構造入口、z=44、 z=116 mm、加速構造出口の分布を示している。となる様に入射した場合は(3)で与えられる。ここでδψ0とはそれぞれ入射時のバンチ長と平均のエネルギー、は加速構造出口での中心位相を表す。

(3)式の分母の第２項目がゼロとなる。したがってエ
ネルギー広がりをもつフォトカソード RF-gun と比べてより効率的なバンチ圧縮が期待できる。そこで汎用粒子トラッキングコード GPT を用いた数値シミュレーションを使ってバンチ長が最短となる条件を調べた[6]。ITC RF-Gun からの電子ビームの位相空間に近い傾きを持つバンチ長 2psec、エネルギー広がりδγ0/γ0=0.012 の電子バンチがどの程度まで圧縮されるか調べた。空間電荷効果及びビームローディングは考慮していない。簡単のため、図 3 の一番左に示す様に、加速構造入口での縦方向位相空間分布でバンチの先頭でエネルギーが低い場合（青色）と高い場合（赤色）の２通りを調べた。
加速構造入口での初期位相ごとに加速構造出口で

図 2 ：7.1MV/m のときの縦方向位相空間における等ポテンシャル線と、入射と加速後のビームの位相空間分布

4.

シミュレーションによる評価

4.1 単純な縦方向位相空間分布を用いた評価
実際の圧縮比は加速構造へ入射する電子バンチの縦方向位相空間分布や初期位相によってcompression factor は異なる。ITC RF-gun から放出される電子ビームの縦方向位相空間分布は直線状となっており、初期位相を 0 からクレスト側へずれた位置にすることで、ちょうど等ポテンシャル線に沿う様な条件が選べる。この分布をξ=0に移動させた場合はエネルギー広がりが殆ど無い事を意味し、-205-

図 4 ：バンチ長（上段）、compression factor （中段）、エネルギー（下段）の初期位相依存性。赤色と青色はそれぞれ加速構造入射時のバンチの先頭のエネルギーが高い場合と低い場合に対応している。

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図 5 ：バンチ長が最短となる初期位相を選んだときの加速構造中でバンチ長とエネルギーの変化。
赤色と青色はそれぞれ加速構造入射時のバンチの先頭のエネルギーが高い場合と低い場合に対応する。のバンチ長を調べた結果を図 4 に示す。横軸は初期位相でクレストは+90 に対応する。バンチ前方のエネルギーが低い場合は+9 でバンチ長 44fsec、C=45、前方のエネルギーが高い場合、-11 でバンチ長は 47fsec, C=42 となり、縦方向位相空間に依らず十分な圧縮が可能であることが分かった。バンチ長が最短となるとき、加速構造出口での運動エネルギーは前方が低エネルギーの場合 17.5MeV、前方が高エネルギーの場合は 16.5MeV となった。図 3 はバンチ長が最短となるときの加速構造入口付近での縦方向位相空間の変化の様子を表しており、バンチの前方がエネルギー場合も結局、時間と共にバンチ前方のエネルギーが高い状態へと変化している。
加速構造中でのバンチ長とエネルギーが変化する様子を図 5 示す。圧縮は加速構造入口付近から 1m程度までにバンチ圧縮が行われている。バンチ前方のエネルギーが高い場合は加速が遅れて始まっており、これは図 2 を見れば分かるようにξ=0 を通過する分の遅れに対応する。
空間電荷効果の影響を少なくするためには、低エネルギーの状態にいる時間が短いバンチ前方のエネルギーが低い縦方向位相空間の方が良い。
4.2 電子銃、アルファ磁石、加速構造を使った圧縮ITC RF-gun、アルファ磁石、3m 加速構造の全体に渡ってシミュレーションを行いバンチ長 100fsec以下の電子ビームが生成可能かどうかを調べた。世より線形な縦方向位相空間の電子ビームを生成する
ために ITC RF-gun の第１セル、第２セルの最大の電 場 強 度 は そ れ ぞ れ 、 25, 70MV/m 、 位 相 差 を π

図 6 ：加速構造入口、出口での縦方向位相空間分布。下段はΔz 方向へ分布を射影した図。加速構
造入口、出口での平均のγ はそれぞれ 4.31, 34.3である。
+24 とした。アルファ磁石の磁場勾配を 3T/m とし、バンチ先頭の 20pC を選択するために、エネルギー1.66MeV 以下のビームはスリットを用いて除去した。
加速電場は加速後の平均エネルギーが 17MeV となる様に 8MV/m とした。加速構造入口での縦方向位相空間分布を図 6 に示す。入口での平均のエネル
ギ ー は 1.69MeV 、 バ ン チ 長 は 0.38mm (1.2psec)であった。
バンチ長が最も短くなる位相はゼロクロスから13 で バ ン チ 長 0.029mm (95fsec)、 エ ネ ル ギ ー 17
MeV の超短バンチ電子ビームが生成可能な事が分かった。
今後は実際に使用する加速構造の電磁場分布を取り込み、横方向も考慮した最適化と評価を行う。

参考文献[1] H. Hama, et al., New. J. Phys. 8(2006), 292.
[2] H. Hama, et al., Nucl. Instr. And Meth. A (2010),
doi:10.1016/j.nima.2010.02.022.
[3] F. Hinode, et al., Nucr. Instr. And Meth. A (2010),
doi:10.1016/j.nima.2010.02.025[4] L. Serafini and M. Ferrario, “Velocity Bunching in
Photo injectors”, Proc. of Workshop on the Physics
with the X-ray FEL, Arcidosso, Sept. 2000.
[5] T. Tanaka, et al, “Study and development of athermionic ITC-RF gun for production of ultra-shortelectron bunches”, Proc. of the 3rd Annual Meetingof Particle Accelerator Soc. of Japan.
[6] General Particle Tracer (GPT),
URL:http://www.pulsar.nl/gpt-206-