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)

INTENSE BEAM OPERATION AT THE ATF-INJECTOR
K. HiranoA), M. Fukuda A), M. Takano A),
Y. Yamazaki B), T. Muto B), S. Araki B), N. Terunuma B), M. Kuriki B), M. Akemoto B), H. Hayano B), J. Urakawa B)
A) National Institute of Radiological Sciences (NIRS), 4-9-1, Anagawa, Inage, Chiba, 263-8555, JapanB)
KEK, Oho, Ibaraki, 305-0801, JapanAbstract
The injector of the Accelerator Test Facility (ATF) in KEK consists of a S-band linac and a multi-bunch photocathode RF gun. We measured the emittance and the bunch length of the high intense beam with 3.8 nC bunch charge
at the ATF-injector and simulated the beam trajectory by the general particle tracer code (GPT).
.

ATF入射部の高強度ビーム運転
１．はじめに高輝度硬X線生成とその利用の可能性を実証するため、小型電子蓄積リングと光蓄積装置 [1] でレーザーコンプトン散乱により超高輝度硬X線源開発を計画している。この電子源として、マルチバンチフォトカソードRF電子銃を採用し、その開発をKEKと共同で行っている。現在、放医研で計画中の超高輝度硬X線発生試験に利用するため、KEKのアッセン
ブリーホール内にマルチバンチフォトカソードRF電子銃のテストベンチ[2] [3]を準備している。
一方、アッセンブリーホール内の試験加速器施設（ATF）では、Cs2Teカソードを有するフォトカソー
ドRF電子銃を電子源[4]として用い、その電子ビーム（バンチ間隔2.8nsec、電荷量4.8nC/bunch、パルス当たりのバンチ数20bunches）を各種開発実験に利用している。テストベンチで用いるRF電子銃はATFのRF電子銃と同型であり、ATF入射部はRF電子銃と加速管で構成されている。今回は、RF電子銃の特性を調べるため、ATF入射部を利用し、レーザー入射位相特性の測定及び電荷量3.8nC/bunchのビーム出力 試 験 を 実 施 し た の で報告する。また、General
Particle Tracer(GPT)コードを使用し、ビーム軌道計算も行い、実験結果との比較を行った。

２．実験体系
2.1 ATF入射部
ATF入射部の概略構成図をFig.1に示す。RF電子銃は1.6セル空洞、BNL‑Ⅳ型である。ソレノイド電磁石は、110Aで軸上磁場1.65kGaussが得られる。RF電子銃に付属しているカソードシステム[5]によって、鏡面加工されたMoカソードプラグの表面にCs2Teを蒸着させ、真空を破ることなくカソードプラグを電子銃キャビティ内へ導入できる。運転時のカソードのQEは約１％である。
クライストロン出力電力62MWは6分配器で分配され、一部はフェーズシフタ、アッテネータを通り、RF電子銃へ最大15MW投入され、残りの47MWは加速管へ投入される。

Figure １: Schematic view of experimental setup368

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2.2 レーザーシステム

３．実験結果とシミュレーション[6]

レーザーシステム の概略構成図をFig.2に示す。
シードレーザーはSESAM（semiconductor saturable
3.1 レーザー入射位相に対する電荷量absorber mirrors）を有する357MHz パッシブモー
カソードからソレノイド出口のファラデーカップ
ドロックLD励起固体レーザーである。波長1064nmm、までのビームの軌道をGPTで計算し、電荷量が3.8nC
出力410mW（CW）のIRレーザーをポッケルスセルで、及び1nCの場合について、電子ビームの輸送率を求1〜20パルス（マクロパルス幅56nsec）を切り出し、めた。ソレノイド磁場を一定にした状態で、カソー
Nd:YAGロッドフラッシュランプ増幅器を４台用いてド最大電界及びレーザー入射位相を変化させたとき増幅させる。今回の試験では、１パルスを用いた。のビーム輸送率をFig.3に示す。カソード上の電界第2高調波及び第4高調波用BBO結晶を用いて、波長が最大になるとき、RFに対するレーザー入射位相を266nmに変換し、レーザーエネルギー5μJ/bunchを90°とした。カソードからファラデーカップまで得た。この時のIRからUVへの変換効率は約10％であ100％輸送できるレーザー入射位相の範囲は、カる。アンプ出口に偏向ビームスプリッター及びλ/2ソード最大電界が低くなるほど狭くなる。レーザー板を設置し、λ/2板の回転角を制御することによっ入射位相が90°に近くなるほどビームのエネルギーて、UVレーザーのエネルギーを変化させ、RF電子銃が低くなり、かつ、エネルギー幅が大きくなる。こから出力される電荷量を調整した。UVのパルス幅はのため、同じソレノイド磁場ではビームのこぼれるストリークカメラで測定し、10ps（FWHM）であった。
割合が多くなり、輸送率が急に低くなる。電荷量がUVレーザーはスペイシャルフィルターを用いてプロ3.8nCになると、ビームが空間電荷効果により広がファイル整形を行った後、図１に示す入射用チャンり、また、カソード最大電界が低いほど、ソレノイバー内の金属ミラーに入射され、ビームラインからド付近のビームダクト（内径φ32）に当たり、輸送1.5°の角度でカソードへ正面入射される。入射用率が低下する。
チャンバー入口のUVレーザーエネルギーは2.5μ次に、レーザー入射位相を変化させて、ファラJ/bunchで あ る 。 入 射 用 チ ャンバー入口のUVレーデーカップで電荷量を測定した。RF電子銃のキャビザーをミラーで反射させ、カソード表面と等距離にティ電力及びソレノイド磁場を一定にした状態で、おけるプロファイルをプロファイルモニタで測定しシードレーザーのモードロック信号（357MHz）の位た。この時のプロファイルは、ｘ幅1.2mm（FWHM）、相を変化させることによりレーザー入射位相を変化ｙ幅0.8mm（FWHM）の楕円形であった。
させた。Fig.4に示すファラデーカップによる電荷量の測定値と上述の計算結果とを比較した。
2.3 ビーム診断系
120

Ezmax 95MV/m,
Bzmax 1.8kGauss,
1nC
Ezmax 80MV/m,
Bzmax 1.8kGauss,
1nC

100

Rate of Transport (%)

ソレノイド出口に２段式圧空システムが設置されている。１段目のデマルケストで電子ビームのプロファイルを観測し、２段目のファラデーカップ（内径穴φ15mm）を用いてソレノイド出口の電荷量を測定した。Optical Transition Radiation(OTR)をス
トリークカメラで測定し、バンチ長を測定した。加速管側のQ電磁石及び分析電磁石下流のワイヤースキャナー用い、Qスキャン法によるエミッタンスの測定を行った。分析電磁石及びプロファイルモニタを用いて、ビームエネルギーを測定した。ICTを用いて加速管出口の電流を測定した。

80
60Ezmax 63MV/m.
Bzmax 1.4kGauss,
1nC

40200-40 -2002040

60

80

100 120 140

Laser Injection Phase (degree)

Ezmax 50MV/m,
Bzmax 1.1kGauss,
1nC
Ezmax 80MV/m,
Bzmax 2kGauss,
3.8nC

Figure 3: Rate of the beam transport as a function of
the laser injection phase.

Figure 2: A schematic layout of the laser system.

369

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Cavity Power 6.7MW,Ezmax 80MV/m,
Bzmax 1.73kGauss
Cavity Power 4.2MW,Ezmax 63MV/m,
Bzmax 1.2kGauss
Cavity Power 2.6MW,Ezmax 50MV/m,
Bzmax 0.9kGauss

21.6
1.4
1.2
1
0.8

24.0
22.0
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0

Simulation

0.0

0.4

02040

60

80

100120Normalized Emittancemm mrad]

0Laser Injection Phase [degree]

30.0

40.0

35.0
30.00.2-2020.0

Figure 5: Electron beam bunch length as a function ofthe laser injection phase.

0.6-4010.0

Laser injection phase [degree][πEmission Charge [nC]1.8には、より高いカソード最大電界が必要である。

Bunch length [ps]ビーム輸送率が100％になるレーザー入射位相の付近で、Fig.4に示すように電荷量が増加する。この電荷量の増加は、レーザー入射位相が大きくなるとカソード上の電界が増加するため、仕事関数が減少するショットキー効果によるものである。カソード最大電界が高くなると、レーザー入射位相０°からビーム輸送率が100％となり、ショットキー効果が現れ始める。よって、レーザー入射位相０°の位
置はFig.4の立ち上がりの折れ曲がった点付近であると推測される。

140

Figure 4: Emission Charge as a function of the laser
injection phase.
3.2 ビーム出力試験

25.0Emittance XEmittance Y

20.0
15.0
10.0
5.0
0.0

0.0
10.0
20.0
30.040.0
レーザー入射位相を変える毎にレーザーエネル
Laser Injection Phase [degree]
ギーを調整して、電荷量が3.8nC/bunchで一定になるようにした。加速管後のビームエネルギーがFigure 6: Normalized emittance as a function of the77.5MeVで最大になった。また、ビームエネルギー
laser
injection phase.
幅が3〜4％程度になるようにRF電子銃のRF位相に対する加速管のRF位相を調整した。このとき、分析電磁石で曲げられたビームのプロファイルを見ながら、 ５．謝辞
ビームがビームエネルギー幅の最小値を通り越してこの研究開発は放医研・先進小型加速器計画とし減速位相に乗らないよう注意した。レーザー入射位て進めているもので、本推進委員会のご理解に感謝
相に対するバンチ長をFig.5に示す。また、Fig.6に致します。この実験に関し、KEK、ATFグループのエミッタンスを示す。レーザー入射位相０°の位置方々の協力に感謝します。GPTの計算に関する助言は前項のように設定した。キャビティパワは６MWで及び議論をして頂いた日本大学、菅野浩一殿に感謝あり、カソード最大電界が75MV/mと低いため、低致します。
レーザー入射位相によるバンチ圧縮率は低い。バンチ長はレーザー入射位相０°でレーザーパルス幅に参考文献ほぼ等しくなっている。低レーザー入射位相領域に[1] K. Takezawa, et al., 大強度X線生成のためのファブリおいて、エミッタンスが極端に悪くなっていない。
ペロー共振器内レーザーパルス蓄積 , 第1回加速器学会, Aug. 2004.
[2] K. Hirano, et al., “Development of A Multi-bunch PhotoATF入射器を用い、RF電子銃のレーザー入射位相cathode RF gun System”, EPAC’04.
特性を測定し、レーザー入射位相０°を特定した。
[3] K. Hirano, et al.,“マルチバンチフォトカソードRF電子銃
また、電荷量3.8nC/bunchのビーム出力試験を行い、のテストベンチ”, The 14th SAST, Japan, November 2003.
[4] M. Kuriki, K. Hirano, et al., Proceedings of the 28th Linear
レーザー入射位相０°でビームのバンチ長はレー
Accelerator Meeting in Japan, pp194-196
ザーのパルス幅にほぼ等しくなっている。高い電荷[5]N. Terunuma, et al., “First Results of the Caesium
量のビームは、カソード最大電界が75MV/mと低いた
Telluride Photo-cathode for ATF RF-GUN”, The 14th
めソレノイドのダクトで一部損失するが、レーザー
SAST, Japan, November 2003.
入射位相10°で運転することにより、バンチ長及び[6]
http://www.slac.stanford.edu/pubs/slacwps/slac-wpエミッタンスを悪化させずに加速部へ供給すること
025.html. slac-wp-025-a10-nomura

4．まとめができる。また、高い電荷量を損失無く輸送させる

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