ＬＥＢＲＡ−ＦＥＬ用光Ч極ＲＦ஢子ࢳの০‫ڐ‬検討菅野浩一1,A)、佐藤勇B) 、早川建B) 、田中俊成B) 、早川恭史B) 、横山和枝B) 、境武志A)、
石渡謙一གྷA)、中尾圭佐A)、奥洋平A)、ସૌ川崇A)、宮崎慎也A)、稲垣学A)、城所明生A)、‫ݗ‬崎寛A)A)
日本大学大学院理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台7-24-1日本大学理工学൉船橋校舎物理実験B棟
B)
日本大学量子科学研究所〒274-8501 千葉県船橋市習志野台7-24-1日本大学理工学൉船橋校舎物理実験B棟

概要‫ݗ‬品ࡐなFELを発生させるためには、光共振器に入射する஢子ビームの஢荷量、エミッタンスなどのパラメータが充分に要求される値を満たしていなければならない。エミッタンスは主に加速器入射൉、特に஢子ࢳの性能に依存する。‫ݗ‬஢界加速が可能なＲＦ஢子ࢳを採用すれば、空間஢荷によるエミッタンスの増大をේぐことが可能である。また、光Ч極を用いれば、バックボンバードメントをේぐことができる。そこでLEBRAでは光Ч極を採用したRF஢子
ࢳの০‫ڐ‬を行う。

１．はじめにLEBRAの125MeV஢子リニアックは100kVDC஢子ࢳ、7セルプリバンチャー、バンチャー、4m加速管三本とその他集束஢磁石等で構成されている。この
リニアックは஢流200mA、エミッタンス20pmm ・mrad、エネルギー広がり1%の஢子ビームを光共振器に供給し、1.5mm のঢ়外領域自由஢子レーザーの発振を可能にした [1]。しかし、可視光・紫外領域発振のためには、より良ࡐの஢子ビームの供給が要求されると予想される。そこで、低エミッタンス化、大஢流化が期待できる光Ч極RF஢子ࢳの導入を検討している。LEBRA用RF ஢子ࢳの目標値を表１にまとめた。

1E-mail: tekkamen@lebra.nihon-u.ac.jp

図１．シケインを用いた場合のRF஢子ࢳシステ
光Ч極用材料には量子効率の‫ݗ‬いCs2Teなどが有望視されているが、取り扱いは決して易しくはなく、システムも複ߙになり、寿命も短い。そこでLEBRA
用光Ч極には、量子効率は劣るが、取り扱いやすく寿命が充分ସいLaB6 をЧ極材料に採用し、その分レーザーパルス幅を50psとସめに取り十分な஢荷を得られるようにし、஢子加速後にバンチするようなシステムを検討する。今回はシケインを用いてバンチ圧縮をするRF஢子ࢳシステムに関して検討する。
表1．RF஢子ࢳ目標値
஢荷量0.36 nC/bunch以上
バンチସ
3.5 psec以下
マクロパルス幅
20 ms
֩格化エミッタンス
10 pmmzmrad以下
エネルギー
3 MeV

２ ． シ ケ イ ン を 用 い た RF ஢ 子 ࢳ シ ス
テム
2.1 システム概要
図1にシケインを用いた場合のRF஢子ࢳシステムの概略を示す。このシステムは大まかに光஢子発生用のドライブレーザーと光Ч極、RF஢子ࢳ空洞、集束用ソレノイド、バンチ圧縮用シケインからなる。

のエネルギー分布と2.2 ドライブレーザーと光Ч極

q=15°
R=25cmA)

光஢子励 ֬用レー ザーはLIGHTWAVE 社のCW modelockedNd:YAGレーザーをPOSITVELIGHT社のアンプシステムで 増幅しパル スを切り出 して繰りඉ し89.25MHz、エネルギー40mJ/pulse、パルス幅50psのNd:YAGレーザーの第三‫ݗ‬調波(355nm)を使用する。
Ч極材料は10-4の量子効率が得られるLaB6[2]を想定すると஢荷は1nC/bunch程度得られる。

2.3 RF஢子ࢳ空洞

Solenoid

シケインを用いてバンチ圧縮を行う場合、஢子の引き出し・加速だけでなく、バンチ内前方の஢子エネルギーは低く、後方の஢子は‫ݗ‬くなるようなエネルギー差をもつ஢子ビームバンチを発生できるRF஢子ࢳ空洞を০‫ڐ‬しなければならない。そこで、第一セルで஢子を引き出し、第二セルでバンチ後方に前方より大きな஢場がかかるような役割を持たせたSband1.5cellpモードのRF஢子ࢳ空洞を০‫ڐ‬する。
表2に今回検討したRF஢子ࢳ空洞のパラメータを示す。
表２．RF஢子ࢳのキャビティ特性
周波数2856
モード
πQ値
14500
シャントインピーダンス
27.6
入力஢力
カップリング加速エネルギー
カソード表面最大஢場
ピーク஢場

5.0
2.5
3.2
66
86

ChicaneRF gun cavity
B)

MHzMW /m
MW
MeV
MV/m
MV/m

図２：シケインによるバンチ圧縮を用いたRF
஢子ࢳシステムに関するシミュレーション結果。A)஢子軌道と各装置の位置、B)バンチସの変化。

A)

2.4 シケイン
シケインに入射される஢子のエネルギーが‫ݗ‬ければ飛行‫״‬離は短く、エネルギーが低ければ飛行‫״‬離はସくなる。従って、前方の஢子が持つエネルギーが後方の஢子が持つエネルギーより低いバンチをシケインに入射すると、後方の஢子は前方の஢子に比べ飛行‫״‬離が短いため前方஢子にୈいつきバンチすることができる。シケインは同じ偏向Ԓq、軌道半径Rをもつ四つのベンディングマグネットを使用すると仮定する。

B)

３．シミュレーション
前節に述べた 内容を考慮 し、஢荷1nC/bunch 、レーザースポット径1mm、パルス幅50psを初期条件とし、RF஢子ࢳからシケイン出口までの஢子軌道シミュレーションを行った。図2に‫ڐ‬算結果の最適化
された஢子軌道と஢子のドリフトとともに変化するバンチସの変化を示す。図2−B）のバンチସは半値幅であらわしている。バンチସ１mmはおよそ3.5psに相当する。図3にはЧ極から1.74m程飛行した஢子

図３：Ч極から1.74mはなれた位置でのエネルギー分布。A)ビーム進行方向位置に対するエネルギー分布、B)エネルギースペクトル。

スペクトルを示す。この஢子ビームのエネルギー広がりは2.3%である。シケイン下流に০定したギャップ5.6mmのスリットで֩格化エミッタンスを10pmmzmradに制限した場合、஢荷は0.22nC/bunchしか得られず、目標値に達していない。次に、RF஢子ࢳ空洞のЧ極の周りにDC஢子ࢳのwehnelt஢極に相当するようなスロープを০けた場合のシミュレーションを行った。図4にバンチସとエネルギー分布の‫ڐ‬算結果を示す。

は速度変調の影‫؜‬が強く、シケインも充分には活かされていないことがわかった。今後、バンチ内のエネルギー差を小さくできるパラメータを模索しシケインを効果的に活用すること、また、αマグネットを用いた場合についても検討し目標値を満ੰするRF
஢子ࢳシステムの開発を進める。
A)

Slit
1Slit
2B)

図４：RF஢子ࢳ空洞にスロープがある場合のバンチସ変化とシケイン直後のエネルギー分布。

図５：シケインを通さない場合の஢子軌道ӕ析結果。A)஢子軌道、B)バンチସ変化。

シケイン下流に০定したギャップ4.0mmのスリットでエミッタンスを12pmmzmradに制限した場合、஢荷量は0.27nC/bunchとなった。バンチସに改善の効果が現れたが、これは、Ч極周辺でのスロープによる集束効果でシケインに入射される஢子ビームのエミッタンスが良くなったためと考えられる。しかし、
A)
B)
シケインの効果が認められるものの、依然目標値には達していない。ここで、シケインを通さない場合についてのシミュレーション結果を図5に示す。ただし、 Ч極 から0.75m の位 置にギ ャッ プ6.5mm のSlit1、1.44mの位置にギャップ6mmのSlit2を配置した。 こ の 時、 得 ら れ る஢ 子 ビ ー ムの ஢ 荷 量 は0.39nC/bunchで֩格化エミッタンスは12pmmzmradであった。また、エネルギー分布の変化を表す。図6
D)C)
より、バンチ先頭൉にある低エネルギー஢子が取り除かれていることがわかり、大きな広がりԒを持っているとわかる。速度変調の影‫؜‬があることもこの
図６：エネルギー分布変化。A)RF ஢子ࢳ直後、B) Slit
図よりわかる。以上より、今回検討した஢子ࢳは、１直後、C) Slit2直後、D)システムの最後。
஢子エネルギーの割にバンチସがସいためエネルギー広がりが大きくなってしまっている。そのため、速度変調の影‫؜‬がありエネルギー分布が変化してし参考文献まっていることがわかる。3.2MeV程度で50psの஢子[1] Y.Hayakawa, et. al. “First Lasing of LEBRA FEL in
ビームをシケインでバンチする場合は速度変調が֬Nihon University at a wavelength of 1.5 _m”
こりにくい程度のエネルギー差をバンチ内につくる
Proceedings of the 23rd International Free Electron Laser
必要があると考えられる。
Conference and 8th FEL User's Workshop (Darmstadt,

６．まとめ
シケインを用いてバンチ圧縮をするRF஢子ࢳシス
テムについて検討した結果、今回検討したRF஢子ࢳ

Germany 2001.8), NIM A483 (2002) pp. 29-33.

[2] 浅川誠 他、 “自由஢子レーザー用光஢Ч極の開発”, The review of Laser Engineering, Vol. 23, No.
1 January 1995,pp.55-67.