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)

SIMULATION STUDY ON ULTRASHORT PULSE ELECTRON
GENERATION IN LASER PHOTOCATHODE RF GUN LINAC,A)

K.KAN1A), J.YANG, Y.HONDA and Y.YOSHIDAThe Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University,
8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047, Japan

Abstract
A new S-band femtosecond electron linear accelerator, which was constructed with a laser driven photocathode RFgun, a linear accelerator (linac) and a magnetic pulse compressor, was developed in Osaka University for the study ofradiation-induced ultrafast physical and chemical reactions in femtosecond time regions. In order to generate theultrashort pulse electrons, we simulated the electron generation in the RF gun with a picosecond Nd:YLF laser light by
PARMELA code with space-charge effects. The energy modulation of the electron pulse in the linac was also calculatedwith the optimum of the RF phase. The pulse compression in the magnetic pulse compressor was simulated by Trace-3Dcode. A few tens femtosecond electron pulse was obtained by optimizing the magnetic fields in the magnetic pulse
compressor.

レ ー ザ ー フ ォ ト カ ソ ー ド RF電 子 銃 ラ イ ナ ッ ク に お け る
超短パルス電子線発生のシミュレーション
１．はじめにパ ル ス ラ ジ オ リ シ ス と は 電 子 線 と 分 析 光 用の
レ ー ザ ーを同時に物質に入射し、吸光度を測定する 事 に よ り 、放射線化学初期過程を解明することが 出 来 る非常に有効な手段である。これまで阪大産 研 で は 、 励 起 源 と し てLバンドライナックからの 電 子 線 を 磁 気 パ ル ス 圧 縮 法 に よ っ て 圧縮した
フ ェ ム ト秒電子線パルスを用い、分析光源としてフ ェ ム ト秒チタンサファイアレーザー光パルスを用 い て サブピコ秒の時間分解能を持つパルスラジオ リ シ スの開発に成功している[1]。現在、パルス
ラ ジ オ リ シ ス の時間分解能の向上と利用実験の拡
大 を 目 指してレーザーフォトカソードRF電子銃と新 し い S‑ バ ン ド ラ イ ナ ッ ク を 導 入 し 、 レーザーフ ォ ト カ ソ ー ド RF電子銃を用いた低エミッタンスフェムト秒電子線の開発を開始した。
レ ー ザ ー フ ォ ト カ ソ ー ド RF電子銃[2,3,4]から発 生 し た低エミッタンス電子線パルスをRF電子銃
下 流 に 設置されたライナックのRF位相を調整する
こ と に よ っ て エネルギー変調させ、最後に磁気パル ス 圧 縮 法 を用いてフェムト秒までパルス圧縮する 。 そ のフェムト秒電子パルスを発生するためには 、 RF電子銃のパラメーター（レーザーの入射位
相 、 空間電荷効果によるエミッタンス増大の補正な ど ） 、ライナックにおけるパルスエネルギー変調 、 パ ル ス 圧縮ための磁石の配置や磁場強度などの最適化が必要である。
そ こ で 、 フェムト秒短パルス電子線の発生を目的 と し て 、 PARMELA 計 算 コ ー ド を用いてRF電子
1

銃 に よ る電子パルス発生、ライナックにおける電子 パ ル ス の 加 速 と エ ネ ル ギ ー 変 調 の シ ミュレーシ ョ ン を行い、レーザーの入射位相、ライナックの RF位相、ソレノイドによるエミッタンス増大の補 正 な ど の 最 適 化 を 行 っ た 。 また、TRACE-3Dを用 い て パルス圧縮のシミュレーションを行い、電磁石の配置や磁場強度の最適化を行った。

２．レーザーフォトカソードRF電子銃ライナック
阪大産研の新規に導入したレーザーフォトカ
ソ ー ドRF電子銃ライナックは、低エミッタンス電子 線 パルス発生用のレーザーフォトカソードRF電子 銃 、 ピ コ 秒 UVレ ー ザ ー 、 電 子 線 加 速 やエネル
ギ ー 変 調 用 のライナック、電子パルス圧縮用の磁気パルス圧縮器より構成されている。
レ ー ザ ー 光を無酸素銅で作られたカソード表面に 照 射 すると、光電効果による電子が発生する。
発 生 した電子線はRF電子銃加速空洞内の高電場によ る 加速され、電子ビームが生成される。RF電子銃 では、100 MV/m以上の高電場を持つため、電子
パ ル ス 内の空間電荷効果によるエミッタンスの増大 と パ ル ス 幅 の 増 大を抑えることができる[2,3]。
し た が っ て 、熱電子銃に比べて、低エミッタンスの 電 子 パルスを生成することができる。ピコ秒の短 パルスレーザー光を使えば、ピコ秒の電子パル
ス を 生 成することができる。生成された電子パル
ス は RF電子銃下流に設置されたライナックを用いて 加 速され、ライナックのRF位相を調整すること

E-mail:koichi81@sanken.osaka-u.ac.jp353

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)に よ っ て電子エネルギーの変調を行う。ライナッ
ク か ら 発 生 し た 電子ビームのエネルギーは35MeVで あ り 、 パルス幅はNd:YLFレーザーを照射する場合、約5psである。

り 、 磁 気パルス圧縮器によるパルス圧縮のシミュレーションを行った。
pulse width vs ?E/E

0.6

1 deg-kev

0.5

5 deg-kev
10 deg-kev
20 deg-kev
50 deg-kev

３．磁気パルス圧縮器

４．パルス圧縮のシミュレーション
磁 気 パ ル ス圧縮法によって圧縮されたパルスの幅 は 、 入力ビームのエミッタンスとエネルギー分
散 に 依 存 し て い る 。 本 研 究 で は、TRACE-3Dによ0.4
pulse width (ps)

ラ イ ナ ッ クによって加速された電子パルスの圧
縮 は 、2台の45°偏向磁石と4台の四極電磁石から構成 さ れ た磁気パルス圧縮器を用いて行われる。図1に 磁 気 パ ル ス 圧 縮 器 の 構成とパルス圧縮原理を
示 す 。 すなわち、ライナックでエネルギー変調され た 電 子パルスが磁気パルス圧縮器を通過すると
き 、 個 々の電子はエネルギーによって圧縮器を通過 す る 軌 道 が 違 っ て く る 。図1に示すように、エネ ル ギ ーの高い電子は外側を通り、エネルギーの低 い 電 子 は 内 側 を 通 過 す る。4台の四極電磁石の磁 場 強 度を調整するによって、エネルギーの高い
電 子 と エネルギーの低い電子の通る軌道長が調整で き る 。その軌道長の差を調整することによって
磁 気 パ ル ス 圧縮装置の出口に電子が同じタイミングで到達でき、パルス圧縮を行う事が出来る。
フ ェ ム ト 秒電子パルスを生成するためには、電磁 石 の 磁場分布を考慮して設置する必要がある。
そ こ で 、 POISSON[5]コ ー ドを用いて磁場分布を計
算 し 、 TRACE-3Dコ ー ド [6]を 用 い て 四極電磁石の配置や磁場強度の最適化を行った。

0.3100 deg-kev
150 deg-kev

0.2

0.1

0012?E/E (%) 34

図2: パルス圧縮幅とエミッタンスとエネルギー分散との依存性
図 2に 、 電 子 パ ル ス の 幅 と入力ビームの縦方向エミ ッ タ ン ス とエネルギー分散との依存性を示す。
そ こ で 、入力ビームの横方向の規格化エミッタン
スが2 mm-mradと固定され、電荷量が0 nC/pulse、パル ス 幅 が 5ps で あ っ た 。 図 に 示すように、ビームの エ ネ ル ギ ー 分散が小さい場合、縦方向のエミッ
タ ン ス がパルス圧縮に支配され、極短パルスを得る た め に は 低エミッタンスのビームが必要であり、ビ ー ム のエネルギー分散が数％程度に変調させる必要があることがわかった。
電 子 ビ ー ム発生とエネルギー変調のシミュレー
シ ョ ン に つ い て は 、 PARMELA 計 算 コード[5]を用

Bending
MagnetExit of RF gun

After energy
modulation

Slit

Time

QM

After compression

QM

PhotocathodeRF Gun5Bending
MagnetAccelerating tube

図1: 磁気パルス圧縮装置とパルス圧縮原理354

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)ez (deg-kev)

ex (mm-mrad)

いておこなった。RF電子銃とライナックの空洞内
ま た 、 電荷量を0.1nC/pulseに設定し、PARMELAの 電 場 分 布 を SUPERFISHコ ー ド により計算し、空に よ る エミッタンスの計算を行い、エネルギー変間 電 荷 効 果 によるエミッタンスの増大やパルス幅調 の シミュレーションを行った。磁気パルス圧縮
へ の 影 響 は 3次 元 的 に 個 々の粒子間の相互作用を器 入 り 口での横方向の規格化エミッタンスは1mm考 慮 し て 計 算 さ れ て い る 。 図 3に 、 電 荷 量 がmrad以 下 に な り 、 縦 方 向 の エミッタンスは20deg1nC/pulse時 の カ ソ ー ド から磁気パルス圧縮器入り
keV以 下 に な っ た 。 エネルギーの分散は約3%にな
口 ま で の縦と横方向エミッタンスの変化の計算結る よ う にエネルギーを変調すると、磁気パルス圧
果 を 示 す 。 そこで、RF電子銃のRF位相は10 °に固縮器による20〜30fsのパルス圧縮が可能である。
定 さ れ 、 加 速 管 の RF位 相 が 50°に設定された。また 、 空間電荷効果による横方向エミッタンスの増
５．まとめ
大 が 最 小になるように、電子銃出口のソレノイドレーザーフォトカソードRF電子銃ライナックにの 磁 場 強 度 を 変 化 さ せ た 。図3に示すように、磁お け る 電子パルスの発生とエネルギー変調、磁気気 パ ル ス圧縮器入り口での横方向の規格化エミッ
パ ル ス 法 に よ る パ ル ス 圧 縮 に 関 す る シミュレー
タ ン ス は2.3 mm-mradと得られ、縦方向のエミッタ
シ ョ ン を行った。シミュレーションにより、磁気ン ス は 121 deg-kevとなることがシミュレーション
パ ル ス 法によるパルス圧縮率を高めるためには、
で わ か っ た 。 こ の と き 、 エネルギーの分散は低 エミッタンスビームの発生（エネルギー分散が3.63 %であり、ビームエネルギーは35MeVであった。
数 ％ ） が 重 要 で あ る ことがわかった。また、
こ れ に 対して、磁気パルス圧縮器による圧縮する
PARMELA の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り、電荷量がパルスの幅は200fsであった。
1nCの と き 、縦方向エミッタンスが121deg-keV、横方 向 エ ミ ッ タ ン ス が 2.3mm-mradのビームが得られ、
電 荷 量 が0.1nCに減らすと、20deg-keVと1mm-mrad以Time step emittance ez , ex vs Z
1404
下 の 低 エミッタンスのビーム発生が可能であった。
3.8130
今 後 の 課 題としては、空間電荷効果を考慮した
3.61203.4
磁 気 パ ル ス 圧縮器のシミュレーションを行い、磁3.2110
気 パ ル ス圧縮器におけるコーヒレント放射や高次
31002.8磁場の分布を配慮した計算を行う予定である。
2.6902.480
ex2.27021.8
参考文献
ez
60
1.6
50
1.4
[1] Y. Yoshida, et al., Radit. Phys. Chem., 60 (2001), 313-318.
1.2
40[2] J. Yang, et al., J. Appl. Phys., 92 (2002), 1608-1612.
1300.8[3] J. Yang, et al., Nucl. Instrum. Meth. A 491 (2002), 15-22.
0.620[4] T. NAKAJYO, et al.,Appl. Phys. Vol.42 (2003), 1470-1474
0.4
100.2
[5] H.Billen ,PARMELA User’s Manual, Los Alamos
00Accelerator Code Group, LA-UR-96-1835.
0100200300
400500[6] K.R.Crandall, et al., TRACE-3D User’s Manual, Los
Position from cathode (cm)
Alamos National Laboratory, LA-UR-90-4146

図 3 ： PARMELA に よ るエミッタンスのシミュ
レーション結果355