Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 WEP49

レーザープラズマ航跡場入射用極短パルス線形加速器の大電力高周波試験
HIGH POWER RF TEST OF A LINAC TO INJECTULTRASHORT PULSED ELECTRON BEAMS INTO LASER PLASMA WAKEFIELDS
益田伸一#, A), 増田剛正 A), 田中俊成 B) , 境武志 B) , 長瀬敦 B) , 熊谷教孝 A), 大竹雄次 A)
Shinich Masuda #, A), Takemasa MasudaA), Toshinari Tanaka B), Takeshi Sakai B),
Atsushi Nagase B), Noritaka Kumagai A), Yuji Otake A)
A)Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI),B)
Nihon University

Abstract
Research is being conducted for the practical application of an ultra-compact electron accelerator based on laser wakefield acceleration, which traps and accelerates electrons by high-intensity ultrashort-pulse laser-excited plasma waves.
We are developing an ultrashort pulse linear accelerator for diagnosing the acceleration characteristics of plasma waves
by injecting ultrashort electron beams into plasma waves. This paper reports high-power the RF tests of an RF electron
gun cavity, an buncher accelerator tube, and waveguide elements used for this purpose. The high-power RF tests werecarried out at a high-power RF test bench, which is one of the peripheral facility of SACLA. Based on the design of theaccelerator under development, components such as cavities and waveguides are arranged. The specifications of the highfrequency pulse required from the filling time of the high-frequency cavity are 1 µs in width and 10 pps in repetition. Asfor the electron gun, as a result of RF conditioning for about one month, operating conditions of an input 2 MW, a width
2 µs, and a pulse repetition 10 pps were achieved. For about two months, the buncher tube was conditioned up to an 18MW input, a 1 µs width, and a 10 pps repetition. Finally, the high-frequency power input could be maintained for about
8 hours, and the required acceleration electric field and its stability in the cavity were obtained. As a result, it wasdemonstrated that the high-power operation conditions required for the laser wakefield experiment can be sufficientlyachieved.
る電子バンチ圧縮方法を採用した [4]。特に設計やビームシミュレーションで我々が留意したのは、フェムト秒領
科学技術振興機構の未来社会創造事業では、レー 域の電子バンチ長の空間電荷効果による伸長を抑え、ザープラズマ電子加速法の実用化を目指し研究を推進 かつ速度変調が難しくならない最大限の領域である
している [1]。レーザー航跡場 [2,3]の加速勾配は、現 2MeV 程度の電子源からの出射エネルギーを選択した在の高周波技術による加速器の 1000 倍に達し、加速器 点である。加えて、この今までの加速器に無い高いエネの大幅な小型化が期待できるが、本加速法により発生し ルギーで速度変調が出来る RF 電子銃の後続のバンた電子ビームのパラメータにはショット毎にばらつきがあ チャーシステムを実現することである。このような加速器り、実用化のためにはより詳細なプラズマ波の加速特性 は既に前例が UCLA [8] と精華大学 [9] であるが、日本の解明が必要である。本事業の研究実施機関の一つで では初めてである。以上の設計方針からシミュレーショある高輝度光科学研究センターでは、レーザー航跡場 ン [4,10]で決定した電子ビームパラメータやそれを実現にプラズマ波励起レーザーパルスと同期して極短電子 する RF パラメータを以下に述べる。
本加速器が生成する上述の電子ビームのパラメータバンチを入射しプラズマ波による追加速を行い、その加は、ビームエネルギー10-20MeV、ビーム電荷~100fC、速特性を調べることを目的とした極短電子ビーム発生のバンチ長<10fs、ビームサイズ<50µm、エミッタンスための研究開発を行なっている。
-9
典型的なプラズマ波の波長は時間的には 10-100 fs で 4x10 mrad、繰り返し < 30 pps である [4]。この性能をあり横方向のサイズは 10-100 μm である。したがって、こ 実現するための加速器の概要とビームシミュレーショれよりも時間空間的に小さな電子バンチを安定に生成し、 ン [4,10]によって決定された RF パラメータを Fig. 1 に示
プラズマ波励起レーザーと精密に同期してプラズマ波に す。光陰極高周波電子銃によって 100 fs の電子バンチ入射する必要がある。我々は、予算規模と開発期間から を生成し、ビーム収束用ソレノイドコイルによって 2p/3
上記の実現可能性を最大にするため、既に確立されて モード進行波バンチャー加速管に電子を入射する。バンいる高周波（RF）加速器技術に基づいた高安定な極短 チャー加速管は電子ビームに速度変調をかけ、その結電子バンチ生成を目指し、C バンド線形加速器の開発を 果縦方向に電子バンチが圧縮され 10 fs 以下の極短電進めてきた [4-7]。本加速器の極短バンチ発生原理は 子バンチが生成される。それぞれの空洞に必要な加速光陰極電子銃から発生する電子バンチの速度変調によ 場を得るため、それぞれ 2 MW および 15-30 MW 程度の RF 電力をクライストロンによって供給する。バンチ圧____________________________________________#
smasuda@spring8.or.jp
縮と同時に Q トリプレット電磁石により電子バンチの横方

1.

はじめに- 632 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 1: Schematic layout of a C-band linac to produce ultrashort electron bunches.
向ビームサイズを 50 µm 以下に収束する。その他主要な加速器構成要素を以下に示す。電子ビームの安定性を高めるため、低位相ノイズ性能の高周波マスターオシ
レータ、高安定な PFN 充電電圧特性を持つクライストロることを実証するため大電力高周波試験を実施した。本稿では、これまでに制作した本加速器の構成要素である光陰極高周波電子銃およびバンチャー加速管の大電力試験の結果について報告する。

2.

Figure 2: Layout of directional couplers and RF cavities.
ンモジュレータ [5]、および低ジッターの LLRF を開発している。また光陰極駆動レーザーとマスターオシレータとの精密同期システム [6]、レーザープラズマ加速場の特性取得のための構成機器の制御およびデータ処理系を含めた加速器制御システム [7]、マスターオシレータと同期して各機器に高精度トリガーを供給するトリガーシス
テム [THOA11 参照]を開発中である。
本線形加速器の運転条件は、レーザープラズマ加速実験から要求される繰り返しが 0.1-1 pps 程度、また空洞のフィリングタイムから要求される RF パルス幅が 1 µs 以上、および要求されるビームエネルギーを得るためクライストロンの RF 出力を分配し、電子銃へ 2 MW 程度、バンチャー管へ 15-30 MW 程度の RF 電力入力を安定に維持することである。我々は、これらの運転条件が達成できRF 大電力試験

RF 大電力試験は、SACLA の付帯設備である大電力高周波テストベンチを借用して実施された。高周波空洞や導波管等の構成部品は、開発中の加速器の設計に基づき 50 MW のクライストロン出力を方向性結合器によって分配し、2 MW を電子銃、18 MW をバンチャー菅に入力するように配置した。このため本試験は、高周波空洞以外の構成部品である導波管や RF モニター、大電力方向性結合器、およびウォーターロード等の大電力試験も兼ねている。Figure 2 に配置図を示す。この図では電子銃とバンチャー管を同時に接続しているが、実際には、電子銃の試験時にはバンチャー管の代わりにウォーターロードを接続している。同様に、バンチャー管試験
時には、電子銃の代わりにウォーターロードを接続し、電子銃とバンチャー管の試験を別々に行うようにした。
50 MW の電力の分配は、4 dB および 10 dB の大電力方向性結合器を組み合わせて行なっている。余剰電力はダミーロードおよびウォーターロードによって吸収している。Figure 3 に大電力試験全体の配置を示す。クライス
トロンは遮蔽室の外に配置され（Fig. 3(a)）、導波管によって遮蔽室内に配置した電子銃およびバンチャー菅に RF 電力が供給される（Fig. 3(b)）。ただし、Figure 3(b)は電子銃の試験時の配置を示している。大電力運転は、平日日中に行い、夜間および休日は停止している。
Figure 4 にバンチャー管の大電力試験での運転履歴を示す。上の図はインバーターの到達充電電圧値であり、48 kV でクライストロン出力 50 MW、バンチャー管への入- 633 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2023 WEP49(a) Klystron (outside of shield room)(b) Directional couplers and an RF electron gun (inside ofshield room)

Figure 3: Layout of an RF high power test.
幅と、レーザー航跡場加速実験に要求される繰り返し周波数に対して十分な値まで到達できた。今後は実機設置後にコンディショニングを進めれば、さらに繰り返しを上げ、パルス幅も伸ばせる感触が得られている。
Figure 6 に、結合度-60 dB の方向性結合器による RFモニタ波形を示す。上段と下段は、それぞれ最終的に到達したバンチャー菅への RF 入力波形と反射波形を示す。
入力パルス 18 MW に対し反射は 0.2 MW で、電力反射率は 1 %程度である。

Figure 4: Inverter charge voltage and an RF pulse width of
the RF power test of a buncher tube.
力 18 MW に対応する。下の図は RF パルスの時間幅の設定値を示している。短い RF パルス幅からコンディションニングを始めて徐々にパルス幅を伸ばすようにした。
Figure 5 は、Fig. 4 の時間軸に対応する真空度の履歴を示す。CCG1、CCG2、および CCG4 はそれぞれクライストロン下流、バンチャー管上流、および下流に配置したコールドカソードゲージによる測定値である。コンディショニングが進むことにより真空度が良くなっているのがわかる。スパイク状になっているのは導波管内で放電が生じて真空度が悪化していることを示す。充電電圧が串状になっているのは真空悪化によってインターロックがかかったことを示している。トータルでおよそ２ヶ月間のコンディショニングにより、最終的に繰り返し 10 pps、パルス幅1 µs、入力電力 18 MW の条件で、放電によるインターロックがかかる頻度が下がり８時間程度の大電力運転が維持できるようになった。今回の大電力試験では時間が限られていたが、フィリングタイムから要求されるパルス

Figure 5: Vacuum pressure of the high power test of abuncher tube. CCG1 is located at downstream of aklystron, CCG2 and CCG4 are at upstream anddownstream of the buncher tube, respectively.
Figure 7 に電子銃の大電力試験時の運転履歴を示す。
バンチャー管の大電力試験の場合（Fig. 4）と同様に上の図はインバーターの到達充電電圧値であり、充電電圧 48 kV で電子銃への RF 入力電力 2 MW に対応する。下の図は RF パルスの時間幅の設定値を示している。
およそ 1 ヶ月間のコンディショニングにより、最終的に繰

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り返し 10 pps、パルス幅 2 µs、入力電力 2 MW の条件で、放電によるインターロックがかかることもなく８時間程度の大電力運転が維持できていることがわかる。電子銃の大電力試験の結果については、THP39 で詳細を報告しているのでそちらを参照されたい。

れる空洞の加速電場とその安定性が得られた。本大電力試験で到達できた運転条件は、フィリングタイムから要求されるパルス幅と、レーザー航跡場加速実験に要求される繰り返し周波数に対しても十分な値であり、要求される運転条件を達成できることが実証された。

謝辞
本研究は、JST、未来社会創造事業、JPMJMI17A1に支援を受けたものである。
本高周波大電力試験にあたり SACLA 関係者の皆様には多大なご協力をいただきましたことを感謝します。

参考文献

Figure 6: Waveforms of an RF input pulse and a reflected
pulse of the high power test of buncher tube.

Figure 7: Inverter charge voltage and an RF pulse widthof the RF high power test of the RF electron gun.

3.

[1] https://www.jst.go.jp/mirai/jp/[2] 小方厚 他、“レーザーとプラズマと粒子ビーム”、大阪大学出版会、2012.
[3] E. Esarey et al., “Physics of laser-driven plsma-based
electron accelerators”, Rev. Mod. Phys. 81, 2009, pp.
1229-1285.
[4] Y. Otake et al., “BASIC DESIGN OF A LINAC TO INJECTULTRA-SHORT PULSE ELECTRON BEAMS INTOLASER PLASMA WAKE FILELDS”, Proceedings of the16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, Kyoto, Japan, Jul. 31- Aug. 3, 2019, pp. 1176-1180.
[5] S. Masuda et al., “CURRENT STATUS OF THE
DEVELOPMENT OF A LINAC TO INJECT ULTRASHORT LOW JITTER SYNCHRONIZATION BETWEENAN ULTRASHORT PULSE ELECTRON BEAMS INTOLASER PLASMA”, Proceedings of the 18th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, QSTTakasaki Online, Aug. 9-12, 2021, pp. 97-101.
[6] S. Masuda et al., “DEVELOPMENT OF A LOW JITTERSYNCHRONIZATION BETWEEN AN ULTRASHORTELECTRON BUNCH LINAC AND A LASER PLASMAELECTRON ACCELERATOR”, Proceedings of the 17th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Online, Sep. 2-4, 2020, pp. 188-192.
[7] T. Masuda et al., “CONTROL SYSTEM DESIGN OF A
LINACTO
INJECTULTRASHORT-PULSEDELECTRON BEAMS INTO A LASER PLASMAACCELERATION FIELD”, Proceedings of the 19th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Online(Kyushu Univ.), Oct. 18-21, 2022, pp. 188-192.
[8] J. Maxson et al., Phys. Rev. Lett. 118, 2017, pp. 154802.
[9] Y Wu et al., “High-throughput injection-acceleration ofelectron bunches from a linear accelerator to a laser
wakefield accelerator”, Nature Phys. 17, 2021, pp. 801-807.
[10] Y. Koshiba et al., “レーザー加速の特性理解に向けた Cband Linac のシミュレーション”, 2019 年度ビーム物理研
究会, Osaka, Japan, Nov. 25-27, 2019.

まとめ

未来社会創造事業において開発中の極短パルス線形加速器の構成要素である、電子銃とバンチャー管の大電力試験を実施した。電子銃に関してはおよそ１ヶ月の RF コンディショニングの結果、入力 2 MW、幅 2 µs、繰り返し 10 pps の運転条件が達成された。バンチャー管はおよそ２ヶ月で、入力 18 MW、幅 1 µs、繰り返し 10 ppsまでコンディショニングが進んだ。また、それぞれ最終的に 8 時間程度、高周波電力の入力が維持でき、要求さ- 635 -