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- Imasaki, T'Akiba，К* Міша, S. Kuruma*, N* Ohigashi, K*Tsunawaki,
S* Nakai and C. Yamanaka*
Institute of Laser Engineering, Osaka Universityiinstitute for Laser Technilogy
ABSTRACT
We have studied about Free Electron Lasers using induction Linac* The output ofinduction Iinac is 6 MeV ♦ 3 KA with 100 ns pulse length- The FEL wavelength is 496
дш using planar pure permanent magnet wiggler of 6 сшpitch* The output is expect toachieve GW level with 100 kW CH F osillator injection. The experiments are underway*
誘導加速器を用いた自由電子レーザー■1しは U 舰.

自由電子と周期磁場との相互作用による自由電子レーザー（F E L ) は、その性質上、波長が完全に可変であり、 起電子ビームからのェネルギー変換率が高いという極めてすぐれた特性を持っている。特に誘導加速器は、パルスパワー技術の向上により、高ェネルギー大電流電子ビーム発生が可能となり、 これを用いた自由電子レーザーは、大出力高効率で低コストの広範囲波長コヒーレント光源として期待できる。 このような観点に立ち、大阪大学レーザー核融合研究セン
タ_ では従来より開発を行ってきたパルスパワー技術による誘導加速器シスチムを閭発し、大出力 F E L の閭発を推進している оL

自由電子 „レ—一 ザ 一 用 調 加 速 シ ス そ ^ lの開発 _高出 力 F E L を得るためには、電子ビームは、高ェネルギー、大電流で、且つ速度ベクトルのそろった良質のものが要求される。そこで、高電圧で、 КА以上の大電流電子ビームを発生する、方式として、パルスパワー装置に誘導加速機構を取付ける加速器シスチムの閬発を行ってきた 。
1)
加速器シスチムは、大別して電源部および、 ビーム部より成る。電源部は初期ェネルギー蓄積部 、パルス成形一分配部、誘 導 電 圧 重 覺 よ り 成 る 。一方ビーム部はダイオード部、誘導ビーム加速部、伝送部より成っている。 また自由電子レーザー部はチーバーウィグラーより成っている。
第 1 表に各部諸元を示す。現 在 シ ス テ ム の 設 計 ♦ 製作が終了し、実験が行われている。
2 * 1 電源部
初期ェネルギー蓄積部 は 1 / 1 0 H z のマルクス発生器より成っている。 このェネルギーをパルス成形部に移送し、分布定数路長で決まるパルス幅に成形する。パ ル ス 幅 は 1 0 0 n s である。
パルス成形部と初期ェネルギー蓄積部の間 (こは、中間ェネルギー蓄積体が必要になる。 これは、低インダクタンスコンデンサ一として働き、パルス成形部を高速充電し、パルス成形多重スイッチを動作させる。 この成形パルスを分配部で 4 0 本 の 5 0 Q ケーブルへと分配し、誘導電圧発生キャビチィへと導く。パルス成形部より分配され、 キャビチィへ印加された電圧波はキャビチィの段数分だけ重畳される。入力ェネルギーの 7 0 〜9 0 % がビームに変換される。ダイオードイ
ンビーダンス中の時間変化による電圧変動率は半値幅 5 O n s の間で約 ±1 0 % 程度であった。
F E L 発振のためにはビームェネルギー変動は極めて有害であるため、バイバス負荷を挿入した。
電圧変動率はパルス幅 7 0 n s の 間 で ± 3 % 程度となり、ェネルギー変動率が改善された。
2 2 — 上::r-АШ
ビーム発生部は、誘導電圧重畳部内部にあり、重畳電圧をダイオードに印加する形式である。
力ソードとしては、ベルベットを主として用いている。 この特徴は、 ビーム電子の立ち上がりが早いこと、容易に大電流密度が取れることである。ダイオードからのビームの伝送は、ソレノイド磁場によるブリルアン流方式を行った。 このため力ソード表面での磁場を 0 とするため、補 償フィルを設け正準運動量を 0 としている о
ソレノイド磁場により 伝 送 さ れ た ビ ー ム （1 c m 径 ） は、四重極マグネットにより収束されウィグラー磁場へ打ち込まれる。 F E L 用として、 ビームをより高品質化することが必要である о
このためェミッタンスセレウタ一を 2 ケ所設ける。 ま ず 第 1 セレクタ一は、 ソレノイド内での伝送ビーム径と対応したチューブ内を 2 m 伝送することにより、ェミッタンスの大きな成分を除く。
第 2 セレクタ一は、四重極磁場の収束点に、 アパーチャ一を設ける。 これにより 4 < ( ) • 1 程度 に な り F E L の要求を満足させる値となる。
•一

ビーム伝送中に空間インビーダンスの不整合部分を何回も通過する。 このためビーム破壌不安定 （B B U ) が誘起される。筆者らの場合成長率 Г 5 程度と考えられ、初 期 動 揺 が 1 0 4 c m程度であれば、 キャビティ内でのシフト量は 0 . 1 m m でビーム径に比して充分小さく、問題がない。今 後 ビ ー ム エ ネ ル ギ ー を 増 大 （= 多段化）させた場合 、2 0 M e V 程度でシフト量は m mのオーダーになるので、そのときは Воを増大するか 、Z o(л)о積の小さいキャビティ設計を行うことが必要となる。
2 ♦ 3 自由電そ b —ザ二部
ラ 7 ダ弓一磁場は、電子ビームから自由電子レーザーへのエネルギー変換効率を上げるためにテーバー化されている。磁 場 は 4. 0 K G か ら 1 . 2 K G へと可変である。 これは磁極間隙を変化させることにより得られる。磁 場 は 永 久 磁 石 （ネオマックス） を用い、磁 石 幅 は 1 2 * 6 c m 、
表 面 磁 場 は 〜 1 0 K G となっている。磁石自体の強度の精度は 0 . 1 %、位置の精度はビーム軸方 向 で 0. 5 % となっている。磁 場 周 期 は 6 c m で 3 0 ビッチである。 ビーム入射ロにキッカーが付置されている。 ビーム径は 3 m m で、 これを保持するため、四重極磁場がウィグラー磁場周囲に配置されている。
自由電子レーザービーク出力は 1 G W 級となることがシミュレーションより予想されている。
またビームのパラメータは 6 M e V 、 8 0 0 А 、パ ル ス 幅 8 0 n s である。増幅源レーザーとして D 2 0 レーザー（3 8 5 дт)、 も しくは C H 2 F レ ー ザ ー （4 9 6 д т ) を用いる。 これらは烈夹珊号 С0 2 レーザーのモジュールにより光 Й起される。
一3 と一F-E—L_m 験 —3 . 1 F E L 出力実験
F E L _ ^ m I 期 部 分 4 段を用いて行われた。現 在 の ビ ー ム 出 力 を 第 1 図 a ) に示す。電子ビーム電流の立ち上がりに一致して F E L 出力が検出されている。現在ビーグ付近での出力は〜5 M W であり、予測値と同程度である。
F E L ス ペ ク ト ル を 第 1 図 b ) に示す。出 力 ビ ー ク は 2 4 0 G H z 付近であり、波 長 は 1 • 3m m と な っ て いる。 これは、 ビ ー ム エ ネ ル ギ ー І.б М е Ѵ 、 ウ ィ グ ラ ー ピッチ 3 Оттにより予想される値と一致している о.3- 2 分 布 フ ィ ー ド バ ッ ク （D —F _ B H F E L
D F B 機構を用い、 スぺクトルの先鋭化、高輝度化を計った。 またこの方式は、長波長域で ©
サイドバンド不安定性の抑制に効くと考えられている。 円偏波モードとの整合性を取るため、 ラセン状になっている。 この管内での進行モードと後退モードとの結合方程式より D F Вシスチム
での発振条件は、
0 2/V十SS - （袋 一2і Д/3)

ぺ丨

=j1)

і А^)となる。 ここで、 《は利得 、= 0 — 0 o = iQ — 2 t i / S で基準モードからのずれを示す ◊S = V К 一 （а— і Ар)2 で Кは伝播定数である。 L は D F Вの長さを示す。 この式は特異点で解を持つ оまた発振周波数は

С2 Дr 1 К 1<0т = а ) о + (sgn m ) - " - 2 ^でm=土 1•••Imn\J 1 + ( K L >92)となる◊

実 験 に よ り 得 ら れ た 出 力 波 を 第 2 ( a ) 図に示す。 D F Вの な い 場 合 （第 1 ( a ) 図 ) と の 波 形に大きな差異があることが認められる。 これは、第 1 式より求められた結果が特異点状になることにより説明ができる。即 ち 、電圧の上昇に伴い、 また下降に伴い、 この発振点を横切るために出力が二重ビークになる。第 2 ( b ) 図 (こ出力にスペクトルを示す。 1 • 0 5 m m 付 近 お よ び Ь
3 5 m m 付 近 で D F Вがある場合、 スペクトルエネルギーの集中が起こっている。第 1 ( b ) 図に
比 べ る と 約 5 倍まで高輝度化が達成できてい名。 これらのビークは、第 2 式の rn= 土 1 に対応している。 このことにより実験値は、 D F Вの一般理論とよぐ一致し、 Ѳ 由電子レーザーに適応されることが判った о4 . まとめ論! » " を用いて、大出力自由電子レーザーの研究を行っている。誘導加速シスチムは完成

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しに Д 5、оMarx 発振器—ISCPFL60k j , 1.2.MV,
1〜 1/lOHz

60n F 1.2MV

1.0 M V , 80n s 0,5 M V , 80n s
1.25Q
1.25Q40outlets

電 圧 重 畳 部 （8 段 ）->500кV / 段 ，40KADLCable—50Q

ダ イ オ ー ド —加 速 部 （4 段 ）->ソレノイド伝送部》

4MV, 10KA

2MV, 10KA

6 MeV,10КA

エミッタンス セレク タ一 I—

四重極磁場—

エミッタンスセレクタ一 П—

ウイグラー磁場6МеѴ, ЗКА卜ム径 3mm

6MeV,1 КА

1〜4 KG, 6cmCッチ

第 1表シスチム各部諸元WITHOUT DFB

出 力 波形

0.7(5 0 n S / D I V )W A VELEN G THa) F E L 出力波形ps__l圖難НИШ_н п чн яр lump

第2 図_ЯІІ(Г) О II S / L) 1 V )0.9

1.01.1b) F E L スぺクトル(elss.qJB 3M0dМ

出力波 形______

第 1図0.8

國1st peakI J 2 nd peak
WITH DFB

DC

0.7

0.8

0.9

1.0

1 .1 1 .2

W A VELEN G THa) D F B F E L 出 力 波 形 b) D F B F E L スぺクトル

一173-1.3(mm)1.4