Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 IPPH001

レーザープラズマ航跡場入射用極短パルス線型加速器の基本設計
BASIC DESIGN OF A LINAC TO INJECT ULTRA-SHORT PULSE ELECTRON BEAMSINTO LASER PLASMA WAKE FIELDS大竹雄次#, A), 増田剛正 A), 益田伸一 A)，田中俊成 B), 境 武志 B)，小柴裕也 C)，大塚誠也 C)，
坂上和之 D)，熊谷教孝 A)Yuji Otake#, A), Takemasa MasudaA), Shinichi Masuda A), Toshinari Tanaka B), Takeshi Sakai B), Yuya Koshiba C),
Seiya Otsuka C), Kazuyuki Sakaue D), Noritaka Kumagai A)
A)
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)
B)
Nihon UniversityC)
Waseda UniversityD)
The University of Tokyo

Abstract
Innovative particle acceleration technique is laser-plasma wakefield acceleration, which has possibility to dramaticallyreduce its acceleration length. The technique opens a new window of portable accelerators, as which is employed inindustry factories. Even though the technique has the great possibilities, its acceleration feature is not apparent yet.
Therefore, extremely short test electron bunches generated by a linac with several femtoseconds in rms and, X and Y
transverse sizes of ~50 μm in rms to adapt the size of a laser-plasma wakefield phase space should scientifically reveal
the acceleration feature of the phase space. We are presently developing the linac to study on the feature. The linac
comprises a C-band laser triggered RF gun, a C-band 2π/3 mode traveling wave buncher with 24 cells to longitudinallyfocus the beam and a Q triplet system to transversely focus it. An electron beam orbital-tracking simulation elucidated
the linac can realize our demand at the beam focus point of the wakefield with an operation electron charge of 100 fC andan energy of 10 MeV.

1.

はじめに

粒子加速器は、半世紀以前に原理的な動作が確認されて、現状では科学的な発見や医療などに必要不可欠な道具となった[1]。であるが、その建設予算や大きさは重厚長大で、小さな工場や病院で使用出来るものではない。このような状況を打開するためには、加速器を工場の製造ラインや病院の手術室規模で使用出来るサイズやコストにすることが強く求められる。この事が、加速器の広範囲な普及には欠かせない。レーザープラズマ航跡場加速は、この従来の加速器の考え方をコペルニクス的転回で転換できる可能性を持ち、加速エネルギーで規格化した加速距離としては従来の 1/1000 以下である。
科学技術振興機構の未来社会創造事業[3]では、レーザープラズマ航跡場を使用した小型電子加速器の実証を目指し研究している。この加速器が実現すれば、小型の装置でフェムト秒幅領域の電子線の発生が可能となり、それによる自由電子レーザーの増幅や極端パルス電子線回折装置、手術室に入るような電子線滅菌装置が可能となる。プラズマ航跡場電子加速では、実験が行われて 8 GeV 程度で 10 %程度のエネルギー幅の加速に成功しており[4]、現状で小型化の可能性を示しつつある。しかしながらその加速場の位相空間の詳細な解明は、実験的にはなされていない。
このプロジェクトの実施機関の 1 つは、高輝度光___________________________________________# otake@spring8.or.jp

科学研究センターである。そこでは、線型加速器により百 μm 径以下で数十 fs 幅以下の電子ビームを生成し、それを後段加速するためのレーザー航跡場が発生するキャピラリーに大強度・短パルスレーザーと共に入射する研究開発を実施している。我々は、線型加速器からこのプラズマ中に入射された電子の振る舞いを観測することで、レーザー航跡場の加速特性の精密調査を行い、現状では明確でない特性の詳細解明を目指している。具体的には以下である。
プラズマ航跡加速場の位相空間は、縦方向サイズがフェムト秒領域のバンチ幅(rms)で横方向サイズが100 μm 程度である[2]。我々は、テスト電子バンチを高安定な線型加速器で生成して、そのバンチをプラズマ航跡加速場の位相空間に対して縦・横方向で振ることで、航跡場の加速特性のマッピングを目指している。このようなデータは、今までに明確になっておらず、その取得が本研究の中心課題である。

2.

テストバンチ生成用極短バンチ線型加速器に対する要求事項

我々は、Fig. 1 の概念図に示すようなレーザープラズマ航跡加速場への入射用線型加速器を開発する。
その装置の性能には以下の条件が課せられる。
A. 前記したように、レーザー航跡場での電子の加速距離が従来の加速器に比較して非常に短いので、なるべく小さい入射器にする必要がある。入射装置の大きさが、プラズマ航跡場加速装置より何十倍も大きかったら製作する意味をなさなくなる。

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Figure 1: Basic idea of linac to inject to laser plasma wakefield.

Figure 2: Configuration of linac.
B. プラズマ振動周波数で決まる航跡場の縦方向の 行波型バンチャーが加速・速度変調により 10 MeV
大きさから、入射電子ビームのバンチ長は例えば 以上で数十 fs 以下にパルス電子をバンチ圧縮する。
10 fs 以下が必要である。
最終的に Q トリプレットは、電子バンチをプラズマC. 横方向のビームサイズは、ヘリウムなどのガス 加速領域の位相空間に整合する 100 μm (rms)程度のに短パルス・高強度レーザーを照射して光電離によ サイズに集束する。以下に前節の各条件に対してのり航跡場を生成する点や、レーザーの横方向サイズ 設計案を示す。
や航跡場を生成するためにガスを通して放電させる
3.2 加速器の小型化ガラス管（キャピラリー）などの径から、例えば前節の A の条件を満たすためには、加速空洞のサrms で 100 μm 程度にする必要がある。
イズがその運用周波数に反比例する一方、達成できD. 本開発加速器は、プラズマ航跡場の加速特性を診断するためのテストバンチを生成する装置である る最大加速電界強度は比例して大きくなることから、から、その出射電荷量はコア型の電流モニター(CT) 我 々 は 技 術 的 な 運 用 実 績 も 考 慮 し て C バ ン ド
で検出できる最低 100 fC 以上は必要である。そうで (5,712 MHz)線型加速器を採用した[5]。勿論、X バンなければビームの診断が難しくなる。勿論、ビーム ド(11,424 MHz)加速器を使用すればより小さい装置
診断のみを考えれば線型加速器からの出射電荷量は が実現できるが、まだその技術は汎用で無く、それ多い方が良いが、空間電荷効果によるビームの縦・ 故に構成要素も高価であるために採用を見送った。
横方向のサイズの進行方向に沿った増大を考えると、 3.3 10 fs 以下の短バンチ電子の生成
テストバンチとしての電荷量はなるべく少ない方がB の条件を実現するためには、電子線型加速器で良い。この考え方から本研究では、線型加速器から10fs 以下の短バンチを生成する必要がある。この生の出射電荷量は、初期設計案としてビーム電流モニ成の実現方法は、新奇アイデアが無い限り以下の3ターで検出ができそうな 100 fC 以上とした。勿論今点に集約される。1つは、従来ある電子ビームの速後の検討で、より大きな電荷量で前記の所望の縦・横方向サイズが実現できるなら、その限りではない。 度 変 調 方 式 で あ る 。 数 MeV 以 下 （ 一 般 的 に は0.5 MeV 程度まで）の電子を使い、バンチャー加速
3. レーザープラズマ航跡場入射用線型加速 管内の加速高周波の非クレスト部が電子バンチの速度変調を行う。加速管後のビームのドリフト空間が、器設計方針
速度変調を密度変調に変換して短バンチ化をする[6]。ちなみにこの方法の発展系として、University3.1 設計した加速器の概要
of California Los Angeles (UCLA)では、約 7 fs のバン
現在我々は、開発予定の線型加速器の基本設計をチ長を実現している[7]。
終了しており、その概要を Fig. 2 に示す。線型加速
次の方法は、自由電子レーザーで使用されている。
器の主な構成は、C バンド(5712 MHz)・レーザー高加速空洞内の高周波電界強度の勾配が、エネルギー周波電子銃、ソレノイドコイル・レンズ、C バンチャープを数 MeV 以上の相対論的な電子バンチにド・バンチャー、Q のトリプレット集束系である。
沿って付ける。4 台の偏向電磁石で構成されたシケ高周波電子銃が 100 fC の電荷、100 fs のバンチ幅でインによるバンチ圧縮器が、電子ビームのチャープ
2 MeV 程度のエネルギーの電子バンチを発生し、進- 1177 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2019 IPPH001に比例した位相回転により短バンチ化する[8]。この レーザー航跡場に至る点までに縦・横方向に集束さ方法は自由電子レーザーなどでも使用されて確実で れる。集束点での縦・横方向サイズは、各 10 fs 以あるが、装置の規模が大きく予算的にも高額になる。 下で数百 μm (rms)以下である。
3 番目の方法は、10 fs 以下の電子バンチをレー設計したレーザープラズマ航跡場入射用ザー高周波電子銃から直接生成するものである。こ 4.の方法は、加速器の加速方向のサイズが以上の方法
極短パルス線型加速器の中で一番小さく、予算も最低で済む。その理由は、加速器本体の構成要素がクライストロンなどの大電 4.1 設計した線型加速器の概要
力高周波源と導波管などの高周波電力輸送系、1 つ以上の設計方針に従って我々は、前節の速度変調の高周波空洞の実装のみで済むからである。しかし 案に相当する Fig. 2 の線型加速器を開発することにながら 100 fC 程度の電荷とはいえ、今までに 10 fs 以 した。その構成は先に述べたように、C バンドの 2.6下の電子バンチが直接にレーザー高周波電子銃から セル・レーザー高周波電子銃による短電子バンチ発生成された例は無い。
生、進行波型バンチャー加速管による速度変調（縦以上の検討から今回の研究に於いて我々は、実績 集束）と Q トリプレット磁石によるビームの横方向のある線型加速器による速度変調を使用したフェム への最終集束システムである。それにより電子ビート秒領域のバンチ生成である 1 番目の方法を、開発 ムは、数 fs で約 100 μm (rms)に集束される。本装置の優先課題とした。またこの方法の建設費用は、2 の特徴は、従来の加速器のように速度変調が容易なと 3 の方法の中間であり装置の実現度も増す。勿論、 0.5 MeV 以下の電子をバンチャー加速管により扱う
3 番目のレーザー高周波電子銃から極短パルス電子 のではく、2 MeV 程度のより高い β の電子を電子銃を直接生成することは、費用面や装置規模で魅力的 から発生して、それをバンチャー加速管により極短である。現状では、この研究は 1 番目の方法と両立 波パルス化する点にある。電子のバンチング過程でできる可能性があるので、我々は継続検討課題とし のエネルギーを大きくすることで、空間電荷効果をた。この実現には、長期の研究が必要であると判断 抑えてエミタンスの悪化を低減することにある。こしたのも継続検討とした理由でもある。の点は、従来の加速器の特徴から大きく変わる部分3.4 100 μm 程度の横方向サイズの短バンチ電子の生 である。加えて、エミタンスなどのビームの質が悪化すると最終集束点でビーム絞れなくなる可能性が成あるので、当面我々は空間電荷効果低減のために前記したように、レーザープラズマ航跡場に打ち ビームの電荷量を 100 fC 程度に抑えることにした。
込む電子バンチの横方向サイズは、プラズマ生成用 しかしながら最終的には、継続した実験や改良によレーザーのサイズから、100 μm (rms)程度が必要で り、現状でプラズマ航跡場加速で実現している少なある。C の条件を実現するために我々は、以下の手 くとも数 pC 以上の電子ビームを加速したいと考え法で電子ビームの最終集束ビームサイズを得るよう ている。その加速器の基本仕様を Table 1 に示し、以にした。電子発生用レーザーの横方向サイズ（数百 下に設計の具体案を示す。
μm (rms)）で決定される電子銃からの出射ビームサ
イズは、その後段加速での減衰はあるが、現状の最 Table 1: Specification of Injector Linac for Laser Plasma
終エネルギーの 10 MeV 程度では横方向の空間電荷 Wakefield Acceleration (LPA)効果で大きな減少は期待できない。電子銃からの出ItemSpecification
射電子ビームは、そのエミタンスが良くてエネル
Beam Energy
10 ~ 20 MeV
ギー幅が狭く、それを維持するように輸送すれば、Energy Spread
0.02 %
集束・発散が自由自在である、そのために我々は、
Beam Charge
10 ~ 1000 fC
この点を今回のビーム輸送系の設計で重視した。電Beam Pulse Width< 10 fs (rms)
子銃を出た後のエネルギーがまだ数 MeV の領域では、 Beam Pulse Repetition< 30 pps
ソレノイド磁場を使用してのビーム集束が一般的で
RF Source Peak Power< 50 MWある。このようなソレノイド磁場集束では、ブリリ
RF Pulse Width
1 ~ 4 μs
アンフロー[9]などの概念からビームを強く絞るのはBeamEmittance<4 × 10-9 mrad
得策ではない。このため我々は、横方向の空間電荷
X&Y Focal Point Beam size
~ 50 μm (rms)
効果を強くしないようにビームの電荷密度を下げて運用することを主眼とした。これは、電子銃で発生Focal Point Bunch Length< 3 fs (rms)
した時点での全幅で数百 μm 程度のビーム径をなるべく維持しつつ加速器に沿って輸送することである。 The focal point means the point of the LPA.
この条件は、レーザー高周波電子銃空洞から縦方向 4.2 レーザー高周波電子銃空洞を速度変調するバンチャー空洞出口までに適用され今回の加速器に採用したレーザー高周波電子銃空る。
洞は、高エネルギー加速器研究機構と日本大学のグバンチャーを出た後にエミタンスを小さく維持さ ループが開発を進めていたものを基本にしている
れて輸送されたビームは、Q のトリプレット磁石を [10]。それは Fig. 3 に示す 2.6 セル空洞であり、図に使用して横方向に集束される。最終的にビームは、 は CST Studio Suite (CST)により計算された内部の電このトリプレット磁石後のドリフト空間に沿って、- 1178 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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磁界の時間ショットを示す。空洞の特徴としては、シャントインピーダンスを上げるためにベル型形状を持ち、大電力高周波の入力部が空洞下流にある。
大電力高周波入力部は、空洞と結合する TM01 モード円形導波管と TE10 モード角形導波管のモード変換部で構成される。このような入力結合部を用意した理由は、円形伝送路のモードが TM01 進行波であるが故に、通常の定在波による結合器と比較してそのモードの電界強度を半分以下にできる点である。
また、モード変換部の角形導波管と対向した部分にダミーの導波管を付けることで、結合部分の電磁界の非対称性は 1 ポートの角形導波管結合と比較して低減する。進行波とダミー導波管による結合部の非対称性電磁界成分強度の低減は、ビームへの不要な横方向キックや集束成分を低減でき、これによりビームのエミッタンスの悪化も低減できる。このような特徴を持つ空洞であるが、その特性を Table 2 に示す。

Figure 3: 2.6 cell RF electron gun.
Table 2: Specification of Laser Triggered RF Gun
Item
Beam Energy
Beam Charge
Beam Pulse Width
Beam Pulse Repetition
RF Source Peak PowerSpecification
2 ~ 3 MeV
10 ~ 1000 fC< 100 fs (rms)< 30 pps< 2 MW

RF Pulse Width
Beam Emittance
X&Y Beam size
Acceleration RF Mode
Unloaded Q
Shunt Impedance
Filling Time
Laser Pulse Width
Laser Pulse Power
Laser Wave Length

1 ~ 4 μs
~ 3.5 × 10-7 mrad
~ 1 mm (rms)π> 12,000> 90 MΩ/m0.28 μs~ 100 fs (rms)1 μJ ~ 1 mJ~ 265 nm

4.3に於いて高 β でのバンチ圧縮を考えている。今回のように 2 MeV 程度の電子をバンチャーで速度変調する場合は、β がほぼ 0.97 程度で速度は殆ど変化しない。今回設計したバンチャー加速管は、それに沿ったセルの寸法を一定とした定インピーダンス(CI)管である。このために加速電子が、加速管入り口付近で高周波の位相速度に対して多少スリップするが、それは無視出来る程度である。この CI 管採用により、構造が簡単になり低価格で製造でき、加速管セルの周波数調整や導波管入出力結合器の寸法調整が簡素化できる。加速モードは従来を踏襲して 2π/3 モードとして、導波管・加速セル結合器は電磁場の非対称性によるビームの横方向キックを低減できる 2ポートを導入した[11]。結合器への入力高周波電力は 20 MW、4 μs 程度を想定している。これにより、電子を速度変調して非クレスト加速をしたとしても、次節のビームの軌道シミュレーションから加速管全体で 10 MeV 以上の加速利得が期待できる。今回進行波型のバンチャーを採用した理由は、反射波がクライストロンに悪影響を与えないようにするためと、20 MW 程度の高周波に耐えられるクライストロンを保護するためのサーキュレータの調達が技術的に難しいからでる。バンチャー加速管は、非クレスト加速を行うので 2 ポートでも余分な集束力が発生する[12]。我々は、この効果を低減するために 4 ポート入力も検討したが、加速管の通常セル部での加速モードとそれ以外の電磁界の混在がシミュレーションで確認されたので、この方法を採用しなかった。
加速管のセル数は、達成できる電子のエネルギーや物理的に導波管などが接合できるかなどの条件（物理的な干渉）から、結合器セルも含めて 24 セルとした。以上の設計指針に従い空洞の結合セルや通常セルの寸法を決めるために、我々は Fig. 4 のシミュレーションを行った。さすがに 24 セルの電磁界シミュレーションを行うのは現実的では無いので、CI管である特徴を生かして 6 セルでのシミュレーションを行った。CI 管では、セル数が実機とシミュレーションで違ってもセルの寸法が加速管に沿って変わらないので、通常セルや結合セルの高周波的な寸法はセル数に依存しない。これ故に、このようなセル数の少ないシミュレーションで今回の加速管を設計しても、何ら問題は無い。以上のような指針で設計したバンチャー加速管のパラメータを Table 3 に示す。

バンチャー加速管

従来の加速器での電子ビームの速度変調によるバンチ圧縮では、進行波型バンチャー加速管のビームの入り口付近でのセル長は、低い β に合わせた長いものから加速による β の上昇に比例した短いものに徐々に変わる。先に述べたように我々は、本加速器

Figure 4: 2π/3 acceleration mode along traveling wave
buncher.

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陰極位置から計って 2.69 m である。ちなみにこのシミュレーションは、Fig. 3 の CST により計算した電子銃の 3 次元電磁分布を GPT に取り込んで行ったビーム軌道のトラッキングである。特に β の小さい場所で 3 次元電磁場を入力してシミュレーションを実施しているので、ビームの振る舞いはより現実に近いものと考えている。他の加速器の構成要素は、GPT に用意されたものを使用しており、3 次元ではあるが軸対称の要素となっている。しかし電磁石に於いては、要素端部の軸方向の漏れ磁場がシミュレーションに反映されている。

Table 3: Specification of Traveling Buncher
Item
Cavity TypeOperation Frequency
Output Beam Energy
RF Pulse Repetition

Specification
Disk Loaded
5712 MHz, C-band
10 ~ 20 MeV< 30 pps

RF Source Peak PowerRF Pulse Width
Operation Frequency
Acceleration RF Mode

< 30 MW
1 ~ 4 μs
5712 MHz, C-band
TM01-Traveling Wave,
2π/3> 8,000> 55 MΩ/m~ 0.1 μs
~ 0.023c< 3 deg
J Type (Dual Feed)

Unloaded Q
Shunt Impedance
Filling TimeGroup Velocity vg
Cumulative Phase Error
RF Coupler

5.

まとめ

我々は、レーザープラズマ航跡場への入射用電子線型加速器の基本設計について本稿で述べてきた。
航跡場の発生点での最終集束に於いて、航跡場の位相空間に適合する所望の 50 μm (rms)程度の横方向サイズと 3 fs 程度の縦方向サイズの実現性を、シミュレーションにより示した。現状の研究の進捗は、本稿の結果と、製作した本線型加速器用のクライスト
ロンモジュレータで所望の性能(350 kV, 4 μs)を得ている点である。加えて、高周波電子銃空洞と進行波型バンチャー加速管の具体的な設計をしつつあることで、近く製作を開始する点である。

謝辞
本研究は、JST の未来社会創造事業 JPMJMI17A1の支援で行われている。著者等は、事業の参加メンバーに対して、彼らの本研究に関する助力に感謝するものである。

参考文献

Figure 5: Beam envelope along linac.

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バンチャー内の高周波電場のビームに対する位相は2017 pp. 518-521.
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Y=56.7 μm、バンチ長=2.867 fs (rms)であり、我々の329-333.

4.4

加速器に沿った電子ビームの輸送特性要求を満足するものとなっている。前記の集束点は、- 1180 -