Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Photo electron beam diagnostics at Waseda University
N. Kudo1,A), H. Kawai A), R. KurodaA), K. SakaueA), Y. HamaA), R. MoriyamaA), M. WashioA),
S. KashiwagiB), H. HayanoC), J. UrakawaC)
A)
Advanced Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
3-4-1 Okubo, Shinjuku, Tokyo, 169-8555
B)
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University
8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047
C)High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801,
Abstract
A double slits scan technique for emittance measurements and a frequency analysis technique for bunch length
measurements has been developed at Waseda University. Another method for bunch length measurements, RF kicker
cavity technique, has been developed. The principle of RF kicker cavity technique is similar to that of streak camera,
which converts the time domain of the electron beam to the spatial domain of that. In this paper, we report theexperimental results of transverse emittance measurements and bunch length measurements. The transverse emittanceas a function of electron beam charge was measured in three cases of laser spot size. The results of bunch lengthmeasurements using the frequency analysis technique are in good agreement with simulation results for PARMELA.

早稲田大学における光電子ビーム診断及びその診断法の開発
１．はじめに測定システムを構築した[3]。
今回の測定では、レーザーのスポットサイズを変えたときの電荷量とエミッタンスの関係を測定した。
フォトカソードＲＦ電子銃から生成される電子ビームのエミッタンスは、早稲田大学理工学総合研究センターでは、フォトカソードＲＦ電子銃を中心としたコンパクトな加速器システムを構築し、逆コンプトン散乱による軟Ｘ線発生実験[1]、パルスラジオリシス実験[2]などの応用実験を行っている。
ε = ε th 2 + ε rf 2 + ε SC 2 + ⋅ ⋅ ⋅(1)
フォトカソードＲＦ電子銃によって生成された電子ビームの性質は、レーザー入射位相、スポットサで与えられる。ここで ε th は、熱エミッタンス、 ε rf
イズ、ソレノイド磁場、電荷量に依存した空間電荷は加速ＲＦによるエミッタンス、 ε SC は空間電荷効効果などによって大きく左右されるので、ビームの果によるエミッタンスを表している。これらのエ性質を把握し、高品質電子ビーム生成のための加速ミッタンスはそれぞれ簡単に以下のように表すこと器最適パラメータの探求が非常に重要になってくる。 ができる[4] [5] [6]。
早稲田大学の加速器システムは電子銃単体である
ため、ビームのエネルギーは約５ＭｅＶとあまり高ε th ∝ R0
くなく、このシステムに適したビーム診断法を開発(2)
ε rf ∝ σ x 2σ z 2
しなくてはならない。
そこで横方向エミッタンス測定にはダブル・ス
Qσzε SC ∝ ⋅リット法をバンチ長測定には周波数解析法とＲＦσ z (3σ x + 5σ z )キッカー法を選択し、その測定システムの開発及び測定を行った。
ただし、 R はレーザースポットサイズ、 σ はビー
0２．エミッタンス測定
エミッタンスの測定法としては、Ｑスキャン法が広く用いられているが、早稲田大学の電子ビームのエネルギーでは空間電荷効果の影響が無視できなくなる。そこで、空間電荷効果による測定誤差の少な
いダブル・スリット法を用いた横方向エミッタンス
1x

ムサイズ、 σ z はバンチ長、 Q は電荷量を示す。
他のパラメータを変えずにレーザーパワーを変えることにより電荷量とエミッタンスの関係を測定しさらにレーザースポットサイズを変化させてエミッタンスを測定した（図１）。実験時のパラメータを表１に示す。

E-mail: easy-going@suou.waseda.jp572

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表１:パラメータ

３．バンチ長測定

Bunch length

5ps(RMS)

Laser Pulse Length

10ps (FWHM)

3.1 周波数解析法
バンチ長の測定には、ストリークカメラが広く用いられているが、早稲田大学のシステムでは電子ビームによって生成するＯＴＲ光・チェレンコフ光の光量が充分ではないので、効率の良い測定ができない。そこで非破壊の常時モニターとして周波数解析法を選択しシステムの構築及び測定を行いシミュレーションとの比較を行った。周波数解析法とはビームの誘起する電場を電極で拾いその信号を周波数解析することによってビームの時間構造を測定する方法である。
3.2 原理ＲＭＳバンチ長 σ z は、２点の周波数におけるビームスペクトラムの強度比を取ることにより以下のように表すことができる[7]。

σz =図１：スポットサイズを変えたときの電荷量とエミッタンスの関係
空間電荷効果によるエミッタンスは、式(2)より電荷量Ｑに比例するので電荷量とエミッタンスの関係は、下記のように表すことができる。

ε = aQ 2 + ε 0 2(3)

 | I (ω ) | 2ln 1 1 2ω2 − ω1  | I 2 (ω2 ) | 2(4)ここで、 ω1 、 ω 2 は周波数を示し、 ω 2 ＞ ω1 である。また、 I1 、 I 2 はそれぞれ ω1 、 ω 2 におけるスペクトラムの強度である。このようにビームのスペクトラムを解析することによってＲＭＳバンチ長を測定することができる。
3.3 セットアップ

BPMの電極によってピックアップしたビーム信号
ここで a は空間電荷効果によるエミッタンスの強を２つに分け、それぞれ6.5GHz、11.4GHzのBPFにさを示す係数、 ε 0 はその他のエミッタンスであり、 通すことにより、6.4GHz、11.4GHzのスペクトラム
熱エミッタンスと加速ＲＦによるエミッタンスの和の強度を選択することを実現している。このセットを表す。式(３)を用いて、各スポットサイズごとのアップ[8]において、ビームによって誘起される電場測定データにフィッティングすると、表２のようにの広がりも考慮すると(４)式は以下のように書き換なる。これらより、電荷量の増加に伴い、空間電荷えることができる。
効果によってエミッタンスが増大していることが分2かる。また、スポットサイズが小さいほど電荷量が | V1 (6.4GHz ) |  
増えたときのエミッタンス増加が大きくなっている  − σ Spread 2 (5)σ z = 23.9 ln αが、これは、電荷密度が増すほど、空間電荷効果の | V2 (11.4GHz ) |  
影響が大きくなるからだと考えられる。逆に電荷量
ここで α はBPMの電極から検波器まで6.4GHzとが少ないときにスポットサイズが大きいほどエミッ11.4GHzにおける周波数特性から決まる定数である。
タンスが大きくなるのは、熱エミッタンスとＲＦエ
また、V1、V2はそれぞれの周波数においてオシロミッタンスの影響だと考えられる。
スコープで測定した信号を示している。ここで、ビームによって誘起される電場の広がりを示す
表２：フィッティングパラメータ
aSpot Sizeε0σ Spread は以下のように表すことができる。
1mm
1.5mm
2mm

1.19 × 10−30.87 × 10−30.61 × 10−36 .1
8 .4
11.1

σ Spread = R ×1

γ(6)Rはビーム軌道からBPM電極までの距離、γはローレンツファクターである。
3.4 実験結果
この図２において、実線は測定結果,点線はPARMELAによるシミュレーションを表している。
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ビームエネルギーの実測結果も含め測定結果とPARMELAのシミュレーション結果は良く一致している。また、低位相側ではＲＭＳバンチ長の値で測定結果とシミュレーションで差が見られる。これは低位相側においては、電荷量が低くなり信号が小さくなること、バンチ長が短くなり２点の周波数におけるスペクトラムの比が小さくなることによる精度の低下によると考えられる。

でビームに垂直方向の力を与えバンチを傾かせることにより、下流に設置したプロファイルモニターでバンチ長を測定することが可能となる。この測定法の分解能は、空胴に300Wのパワーを供給して中心に約60[G]の磁場を誘起した場合、スクリーンを空胴の１ｍｍ下流に設置すると約0.2psとなる。空胴内の ３ 次 元 電 磁 場 設 計 に は Ansoft 社 の HFSS(HighFrequency Structure Simulator)を用いた。
このシミュレーションに基づき空胴を作製しネットワークアナライザーで共振周波数を測定した結果、真空下で2859.4MHzとなった。空胴は外部をステンレスで作り、内側にメッキを施しているが、メッキによる銅の厚みは制御が難しいためこの厚みが周波数のずれに影響していると考えられる。この状態では、空胴の温度を約９０℃まで上げなければならないので現在空胴にチューナーを設置し周波数調整ができるように再加工している。

４．まとめ

際に字がつぶれてしまう場合がありますので、

図２: 周波数解析法によるバンチ長測定
3.5 ＲＦキッカー法[9]周波数解析法ではバンチの形状を測定することはできないので、縦方向プロファイルを測定できる方法としてＲＦキッカー空胴を用いたバンチ長測定システムの構築を行っている。図３にその概念図を記す。

レーザーのスポットサイズ、電荷量を変化させることによりエミッタンスが変化していることが確認された。電荷量が多いときは、スポットサイズが小さいほど電荷密度の増加により、空間電荷効果の影響が大きくなった。逆に、電荷量が少ないときは、スポットサイズが大きいほど熱エミッタンスと加速ＲＦによるエミッタンスの影響が大きくなった。
また、周波数解析法によるバンチ長測定システムを構築し、シミュレーションと良く一致する結果を得ることができた。

５．今後の予定
エミッタンスをさらによくするためレーザーの垂直入射、レーザーのプロファイル整形システムを構築し、斜入射の場合とのエミッタンスの比較を行っていく予定である。
またＲＦキッカーシステムを構築し、周波数解析法、PARMELAとの比較を行う予定である。

参考文献

図３:ＲＦキッカー法の概念図[1] D.Ueyama, et al.,“Proc. of the 29th Linear Accelerator
Meeting in Japan”, Funabashi, 2004
[2] T.Kuribayashi, et al.,“Proc. of the 29th Linear Accelerator
Meeting in Japan”, Funabashi, 2004.
[3] N.Kudo, et al.,“Proceedings of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan”, Tokai, 2003
[4] Kwang-Je Kim, Nucl, Inst, Methods A275, 201-218, (1989).
[5] W. S. Graves et al., Proc. of PAC’01, 2227 (2001)[6] J. E. Clendenin, Proc. of LINAC’96, 298-302 (1996)[7] T. Ieiri, Proc. of EPAC’00, 2275 (2000).
[8] R. Kuroda et al., Proc. of EPAC’02, 1783 (2002)[9] X.J. Wang, et al., Nucl. Instr. And Meth., A 356, 1995, 159166

方形空胴内に2856MHzのＲＦを供給しTM120モードを誘起する。その中心部の水平方向に生じる磁場

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