Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

京都大学中赤外自由電子レーザの現状
PRESENT STATUS OF MID-INFRARED FREE ELECTRON LASERIN KYOTO UNIVERSITY
炳俊#, 犬飼元晴, 栂村勇輔, 奥村健祐, 三島健太, Torgasin Konstantin, Hani Negm, Mohamed Omer,
吉田恭平, 高見 清, 紀井俊輝, 増田 開, 大垣英明
Heishun Zen, Motoharu Inukai, Yuusuke Tsugamura, Kensuke Okumura, Kenta Mishima, Torgasin Konstantin,Hani Negm, Mohamed Omer, Kyohei Yoshida, Kiyoshi Takami, Toshiteru Kii, Kai Masuda, Hideaki OhgakiInstitute of Advanced Energy, Kyoto University

全Abstract
A mid-infrared Free Electron Laser (FEL) facility, named Kyoto University FEL (KU-FEL), has been developed forenergy related sciences in Institute of Advanced Energy, Kyoto University. In fiscal year 2012, the FEL operated for570 hours. About 70% of operation time is dedicated for users. There were two shutdown periods in FY2012; one wasfor the electric power saving in August and September 2012, and the other was for the building refinement in Februaryand March 2013. During the winter shutdown, the vacuum chamber for the undulator was replaced with a narrower one.
After the replacement, the tunable range of KU-FEL has been extended from 5-14 m to 5-20 m. Now there are two
major problems in KU-FEL linac. One is SF6 gas leakage through an RF window to the vacuum side. The other is atiming drift of a klystron pulse. Those are not critical for the linac operation, but they should be fixed in near future. In
this paper, undergoing R&D work for the MIR-FEL is also reported.

1.

Dog-leg

はじめに

4.5 cellSlit

180 deg.
ARC

Accelerator TubeThermionic京都大学エネルギー理工学研究所では、比較的小RF Gun規模の中赤外自由電子レーザ(MIR-FEL)の発生とそ45 deg. Bending Magnetの利用を目指し、小型量子放射発生装置(KU-FEL)の2m
1060 deg. Bending Magnet建設を行ってきている。特に中赤外域(波長 5-20 m、Beam Dump
Quadrupole Magnet
波数 2000-500 cm-1)は、分子振動の殆どがこの領域
Mirrorに出現する為に、波長可変で高パルス出力、短パル
Undulatorスという従来の光源にない特性を有する MIR-FEL
を用いる事で、化学結合の選択的な切断や多光子吸Figure 1: Schematic drawing of KU-FEL accelerator
収等を利用した新しいエネルギー材料開発等が可能
and FEL devices in July 2013.
である。
利用研究に関しては、MIR-FEL ビーム伝送ライ
KU-FEL 装置は 4.5 空胴熱陰極高周波電子銃、3 m加速管(どちらも S-band)、ビーム輸送部、アンジュ ンが完成し、簡易計測用ステーションと蛍光分光スレータ、光共振器により構成されている[1]。図 1 に テーションの 2 箇所がユーザー実験に使用可能と2013 年 7 月現在の FEL 装置概略図を示す。平成 23 なっている。
また、当研究所は 2010 年に文部科学省により
年度 12 月には、JAEA の ERL-FEL にて使用されていた 1.8 m アンジュレータ[2]をこれまでに使用して 「共同利用・共同研究拠点」としての認定を受け、いたアンジュレータ [1]と交換すると共に、将来の光 2011 年度から 5 年間にわたり、ゼロエミッション陰極高周波電子銃の導入に向けて、FEL 光共振器長 エネルギー研究拠点としての活動を従来の研究に合を従来の 4.514 m から 5.039 m へと変更した。この わせ実施することになった。この拠点活動は、二酸共振器長を光が往復するのに要する時間は既設モー 化炭素を大気中に排出せず環境調和性の高いゼロエドロックレーザ発振器の繰り返し周波数 89.25 MHz ミッションエネルギーの研究拠点として多様なエネの 3 周期分に当たる。また、それと同時に光共振器 ルギー分野の融合的基礎研究を主導し、学術研究のを再設計し、短波長での光取り出し損失が小さくな 発展とそれを担う研究者の教育・養成を通じて、国る様に上流ミラーに設けた光取り出し穴の穴径をこ 際的な課題であるエネルギー・環境・資源問題の解れまでの 2 mm から 1 mm へと小さくした。上記の 決に取り組むことを目的としている。KU-FEL 加速更新と昨年度行ったアンジュレータダクトの更新に 器システムは共同利用機器の一つとして、学内外のより、現在、波長 5-20 m において発振可能となっ 研究者に公開されている。
KU-FEL 加速器で発生する電子ビームを用いた利ている。
用研究も実施しており、シンチレータ結晶への単一電子照射による発光ユニバーサルカーブの研究、ガ___________________________________________#zen@iae.kyoto-u.ac.jp- 334 -

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ス分子の電離過程の研究、高エネルギー物理学実験用の検出器校正への応用可能性の検討等を進めている。[3]2.

加速器稼働状況

100604020452012

6

Table 2: Typical FEL beam parameters

Others Total: 570 hr

800

現状の FEL 出力特性

3 月に行ったアンジュレータダクトの交換により、これまで 19.5 mm が最小ギャップだったアンジュレータを 16.5 mm までギャップを縮められる様になった。これにより、アンジュレータの最大 K 値が 1.05 から 1.49 へと大きくなり、発振可能波長範囲を昨年度報告した 5-14.5 m[6]から 5-20 m まで広げる事に成功した。また、アンジュレータギャップ変更による波長調整可能範囲も大きく広がった。得られた典型的な FEL ビームパラメータを表 2 に示す。

78Shutdown
for Building Refinement

User

Shutdown
for Electric Power Saving

Operation Time [Hours]

図 2 に KU-FEL 駆動用電子線形加速器の平成 24年度における稼働状況を示す。総運転時間は 570 時間であった。平成 22 年度には 150 時間、23 年度には 315 時間で有り、着実に運転時間が伸びている。
また、過去最長の運転時間であった平成 21 年度の500 時間を超えた。また、総運転時間の約 70%がユーザー利用実験に供された。

3.

~ 3%

Macro-pulse Duration (FWHM)~ 2 sMacro-pulse Energy

1 – 20 mJ

Micro-pulse Energy

0.5 – 2.5 J

Micro-pulse Duration (FWHM)31 149 10 11 12 13
2 15MonthSpectrum Width (FWHM)

2013

Figure 2: Operation time of KU-FEL facility in FY2012.
The adjustment of accelerator, FEL lasing tuning, study
on the driver linac, FEL transport line development andFEL parameter measurement are included in “Others.”< 0.7 ps @12 m [4]アンジュレータ真空ダクト変更前はアンジュレータギャップを変化させて波長を変えるよりも高いゲインが見込まれる事から、主に電子ビームエネルギーを変化させ、波長を変化させていたが、現在、アンジュレータギャップ変更での波長変更もある程度可能となっている。図 3 に光共振器から取り出し直後の FEL パルスエネルギーを示す。図からわかる様に、電子ビームエネルギー30 MeV、波長 9 mで最大マクロパルスエネルギー33 mJ が得られている。また、2 m 程度の波長調整であれば、アンジュレータギャップの変更により、パルスエネルギーの大幅な減少無く波長を変えられる事が見て取れる。電子ビームエネルギー20 MeV、波長が 14 mより長い領域でのパルスエネルギーの減少は顕著であるが、まだその原因は明らかではない。電子ビームの更なる調整も含め、原因を調査する予定である。

Pulse Energy [mJ]

4 月～5 月にはエネルギー理工学研究所の内部ユーザーが FEL のパルス長計測と波長安定度計測手法の原理実証実験を行った [4]。6 月には一件、外部ユーザーのテスト実験を行うと共に、FEL に含まれる高調波光の観測を行った。7 月には 4 月～5 月に行われたパルス長・波長安定度計測の追実験と非線形結晶中での YAG レーザと FEL との和周波発生を用いたシングルショット FEL スペクトル計測の実験 [5]が行われた。8 月～9 月は節電の為、運転を行 わ なかった。 10 月に運転を再開し、シングル@Accelerator Room
40
ショット FEL スペクトル計測の実験を 7 月に引き30 MeV続き行った。11 月には FEL に含まれる高調波光の35観測が再度行われた。12 月には日本大学からユー30 35
ザーが来訪し、生体試料への FEL 照射実験を行っ25 MeVた。また、内部ユーザーによるプラズマシャッター
2025 MeVを用いた FEL パルスの切り出し実験が行われた。
15
年が明けて 1 月には九州大学よりユーザーが来訪し、単一電子照射によるシンチレータ較正実験[3]が行わ10れた。1 月下旬には日本大学よりユーザーが来訪し、20 MeV
5歯のレーザ治療に関する実験が行われた。2 月～30
月にかけて施設建屋の外壁補修が行われた為、この4
68 10 12 14 16 18 20 22
期間もほぼ運転時間はゼロであった。この間に、電Wavelength [m]
子銃の大気解放と陰極周辺部のチェック、故障していた電子銃出口のゲートバルブの交換、真空リーク Figure 3: Macro-pulse energy of KU-FEL in the tunableの有った CT 用セラミックダクトの交換、およびア range. The undulator gap was varied from 16.5 to 22 mm
ンジュレータ真空ダクトをより幅の狭いものへの交 which corresponds to change of K-value from 1.49 to 0.94.
換が行われた。

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4.

トラブルおよび問題点

4.1

高周波窓からの真空漏れ

平成 25 年 5 月頃に進行波加速管上流側のノーブルポンプの電流上昇に気づき、原因の調査を開始した。その結果、RF 供給用導波管に SF6 ガスを加圧充填するとポンプ電流が上昇する事が判明した。
SF6 ガス充填領域と真空領域を隔てている高周波窓を通して SF6 ガスが真空側に漏れ出していると考えられる。現在、真空度の悪化はそこまで顕著ではな
く、自由電子レーザの運転には支障をきたしていな
いが、高周波窓の早急な交換が必要となっている。
真空漏れが生じた原因としては、導波管内での放電が考えられる。実際、加速管用の真空管型パルスアンプが自励発振を起こし、導波管中での放電が頻発している事が判明した。真空管型パルスアンプを自励発振が生じないように調整したところ、放電頻度が大きく下がった。
4.2

クライストロンの動作タイミングのドリフト原因として、まずクライストロン用パルスモジュ
レータ内部の高圧スイッチ(サイラトロン)の特性悪化を疑ったが、調査を行った結果、サイラトロン駆動用高圧パルス回路に入力されるトリガ信号が図 4と同様のドリフトを持っていることが明らかとなった。この事から、更に上流側に問題が有ると考えられる。図 4 に見られる様に、クライストロンモジュ
レータ立上げ後、ある程度時間が経つとドリフトが止まるので、早朝に立上げ、昼過ぎから運転するもしくは、前日からタイミング回路に通電しておくという対応をとることで、運転上の問題を回避している。

5.

施設整備状況

更により多くのユーザーに利用して貰える様、加速器及び利用環境の整備を引き続き行っている。以下に案件毎に整理して述べる。
5.1

光陰極高周波電子銃の導入

Falling Edge Timingof Klystron Pulse Current [s]

更なる FEL ピーク出力の向上を目指し、2009 年
KU-FEL では、高周波電子銃と進行波加速管をそ 度より光陰極高周波電子銃の導入に取り組んでいる。
れぞれ独立な高周波供給系(クライストロン・パル KEK の大学等連携支援事業の元で、2009 年度に電スアンプ・LLRF 系)で駆動している。KU-FEL の安 子銃空胴(改良型 BNL Type Gun-IV)の製作は完了し定性向上の為、クライストロン電流・電圧の波高値 ている。2010 年度に光陰極励起用レーザの導入をおよび立下りタイミングの計測を開始した。その結 開始し、発振器には波長 1064 nm の 89.25 MHz の果、図 4 に示すように加速管を駆動するクライスト Nd:YVO4 モードロックピコ秒レーザを導入し、内ロンの動作タイミング(図 4 上側)が一日に 500 ns 以 蔵 AOM により 1 ~ 300 パルスの切り出しが現在可上ドリフトしている事が判明した。一方、電子銃を 能となっている。加えて、一昨年度よりゼロエミッ駆動するためのクライストロンではその様な現象は ションエネルギー研究拠点の共同研究として産総研見られていない(図 4 下側)。KU-FEL では熱陰極高 の黒田隆之助氏の助力の下、マルチパス増幅器の構周波電子銃中での Back-bombardment 現象によりマ 築を開始し、昨年度、4 次高調波(266 nm)の発生をクロパルス中で電子ビーム電流が増加している。こ 確認した。2013 年度中の電子ビーム生成を目指しれにより引き起こされる加速管中でのビーム負荷変 て真空・高周波系の整備を行っている。
動に起因するマクロパルス中でのエネルギー変化を補償するため、クライストロン電圧に変調をかけて 5.2 放射線遮蔽の増強いる。クライストロンの動作タイミングが変わると、 一昨年度、平均 FEL 出力の向上を目指して、加変調量が変わってしまい、平均エネルギーの変化や 速器建屋の中性子・X 線遮蔽の増強を行った。本年度秋に放射線発生装置の変更申請を行い、加速器のエネルギー幅の増大が引き起こされる。
運転繰り返し周波数を増加させる事で、容易に平均FEL 出力の増大が可能となる予定である。
31.0
5.3
30.5

KEK の 大 学 等 連 携 支 援 事 業 の 下 、 ボ タ ン 型
BPM[7]チェンバーを 6 台製作し、FEL 駆動用加速器の要所に配置済みである。昨年度、ヘテロダイン方式の検波システムと電荷積算型 ADC を組み合わせた信号処理系、CAMAC と LabView を用いた GUI系の開発を行った。現在、フィードフォワード制御を導入し、加速器の安定化を行い、ビーム位置の安定性が飛躍的に向上し、FEL 出力の長期安定性も向上している。また、BPM を用いた位置変動要因の調査も開始している。

Klystronfor Accelerator Tube

30.0

29.5

29.0
12

Klystron for RF Gun

1314151617

ビーム位置モニタの導入と安定化

18Time [hour]

Figure 4: Measured falling edge timing of klystrons for
the RF gun and the accelerator tube in KU-FEL.

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5.

まとめ

参考文献

[1] 山崎鉄夫: 加速器、2 (2005) 251.
[2] R. Nagai, et al., “Performance of the undulator for JAERIFEL project,” NIM A 358, pp.403-406 (1995).
[3] 魚住裕介,京都大学エネルギー理工学研究所ゼロエ
ミッションエネルギー研究拠点共同利用・共同研究
成果報告書, pp.127-128 (2012).
[4] Y. Qin, et al., “Pulse duration and wavelength stability
measurements of a midinfrared free-electron laser,” Optics
Letters, Vol. 38, Issue 7, pp. 1068-1070 (2013).
[5] X. Wang, et al., “Single-shot spectra of temporally selected
micropulses from a mid-infrared free-electron laser by
現在、高周波窓からの真空漏れとクライストロン
upconversion,” Optics Letters, Vol. 37 Issue 24, pp.51485150 (2012).の動作タイミングドリフトという二つのトラブルを[6]
H.
Zen, et al., “Present status of Kyoto University MIR抱えているものの、平成 25 年度は今のところ重故FEL facility,” 第 9 会日本加速器学会年回プロシー
障は無く、7 月末現在の稼働時間は約 240 時間であディングス, pp.856-859 (2012).
り、その半分がユーザー利用実験に供されている。 [7] N. Terunuma, et al., “High Resolution Upgrade of the ATF
Damping Ring BPM System,” Proceedings of BIW08,
8 月に 1 ヶ月程度のシャットダウン期間を設け、加pp.200-204 (2008).
速器装置群の保守とマイナーアップグレードを行い、京都大学中赤外自由電子レーザはアンジュレータダクトの交換により、当初の目標波長領域である 5～20 m での発振が可能となっている。昨年度の総稼働時間は 570 時間でその内の約 70%が利用実験に供された。波長 14 m よりも長波長側での出力低下が顕著であるが、原因は明らかになっていない。加速器の更なる調整を進めると共に、原因調査を行う
予定である。

更に安定且つ定常的に FEL ビームを供給できる体制を整える予定である。

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