ＳＡＳＥ−ＦＥＬ入射器のビームシミュレーション
澤田憲司 A)、渡川A)

和晃 B)、金有鍾 B)、新竹積 B)

住友重機械工業株式会社〒792-8588 愛媛県新居浜市惣開町 5-2B)

理化学研究所播磨研究所〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都 1-1-1

概要
SPring-8 地区で開始された軟Ｘ線 SASE-FEL 計画
SCSS (SPring-8 Compact SASE Source) では、エネル
ギー１GeV、ピーク電流 2〜4 kA、規格化エミッタン
ス (RMS) 0.5〜2πmm･mrad、バンチ長 (FWHM) 0.5
psec の電子ビームによる波長 2 nm の FEL 発振を最終目標としており、現在、その１期計画で、エネルギー230 MeV により 40 nm の FEL 発振を目指している。
この入射器は、熱カソード型電子銃から引き出される 500 kV の電子ビームを、２台の 476 MHz シングルギャップ高周波空洞（サブハーモニックバンチャとブースタ）によりバンチング及び予備加速を行い、全長約 1 ｍの L バンド (1428 MHz)加速管により 20MeV に加速して、後段のＣバンド (5712 MHz) 加速管に入射する。本論文では、PARMELA により進めている入射器最適化の経過報告として、サブハーモニックバンチャ入口からＬバンド加速管出口のビームシミュレーションについて報告する。
このビームシミュレーションでは、始めにＬバンド加速管として定在波型を想定し、ほぼ目標に近い性能を確認した後、これと同じ加速勾配の進行波型のシミュレーションを行い、定在波型と同様の性能

図１
A E-Mail: Kji_Sawada@shi.co.jpが得られることを確認した。定在波型は比較的少ない高周波電力で高い加速勾配が得られる利点があるが、サーキュレータの開発が難点であり、現在、進行波型を採用する方向で詳細な検討を進めている。
特に、今回得られた結果では、高周波電力が約 55 MWと大きいことと、バンチ長さ 12 psec が目標値の 4psec に達していないことの２点が、今後の重要な課題である。

１．はじめに近年、真空紫外から軟Ｘ線、さらにはＸ線領域の高輝度放射光源として SASE 型（Self−Amplification ofSpontaneous Emission）のＦＥＬが注目を集めており、理化学研究所播磨研究所では、2001 年度からＣバンド加速管を主加速器とする SASE-FEL 計画 SCSS を開始した。2005 年度までの１期計画では、エネルギー230 MeV、ピーク電流 2〜4 kA、規格化エミッタン
ス 0.5〜2πmm･mrad、バンチ長 (FWHM) 0.5 psec の電子ビームによる波長 40 nm の FEL 発振を目指している。昨年度の本研究会では、この入射器の設計として、２次元 PIC コード EMSYS-BUNCH によって進SASE-FEL 入射器の概念図（検討中）めていた電子銃からＬバンド加速管入口までのビームシミュレーションを報告した。本年度は、PARMELA を使って現在進めているサブハーモニッ
クバンチャ入口からＬバンド加速管出口までのビームシミュレーション及び、その結果に基づいて算出した高周波パラメータ等について報告する。

２．入射器のレイアウト及び目標性能
図１に、SASE-FEL 用に検討している入射器の概略図を示す。電子銃には直径 3 mm の単結晶 CeB6 をカソードとする熱電子銃を用い、パルス高電圧を印加して時間幅（FWHM）約 1.5μsec、3 A の電子ビームを引き出す。電子銃の直後に配置されたビームチョ
ッパには矩形波のパルス電圧を印加し、ここで電子ビームを 476 MHｚの１周期に相当する 2.1 nsec に成形する。さらに、476 MHｚのサブハーモニックバン
チャで約 200 kV のエネルギー変調を加え、ドリフトによりバンチングをはかりつつ、その後方のエネルギーフィルタで電子ビームの必要部分約 300 psec のみを切り出す。第２空洞であるブースタには、約 700
kV の高周波電圧を印加し、電子ビームを 1 MeV に加速して空間電荷力を緩和するとともに、電子間のエネルギー差を増大させることによって、Ｌバンド加速管までのドリフト領域でより一層のバンチングをはかる。また、Ｌバンド加速管までの横方向のビーム集束には、高いアラインメント精度を容易に実現できるアインツェルレンズを使用する。
定在波型Ｌバンド加速管は、当初、全長約 1 m、10セル程度の APS 構造を想定した。その理由は、APS構造は電場安定度が高く、製作・調整が容易であり、比較的少ない高周波電力で 20 MV 程度の加速電場が得られること、この構造で電子ビームを安定に加速している実績があることなどである。
当初、Ｌバンド加速管から出射される電子ビームは、Ｃバンド−コレクションキャビティによって縦方向エミッタンスの分布形状を改善し、バンチコンプレッサによってバンチ幅を 33 psec から 4 psec（双方とも FWHM）に圧縮する方針であった。しかしながら、20 MeV 程度で偏向磁場を通過させると、コヒーレントシンクロトロン放射光と集束系の色収差によりエミッタンス増大が引き起こされることが明らかになったため、現在では、Ｌバンド加速管出口で４ psec（FWHM）のバンチ幅が得られる入射器を設計するよう方針を変更した。従って、Ｌバンド加速管出口、即ち、入射器出口の目標性能を表１の通りとして、現在、機器構成・仕様の最適化に取り組んでいる。

３．シミュレーション結果及び機器仕様
3.1 定在波型 L バンド加速管の場合定在波型Ｌバンド加速管を使用する場合の入射器終端の縦方向・横方向エミッタンスを図２に、入射器終端のビームパラメータを表２に、各高周波空洞の主要仕様を表３から表５に示す。

図２

定在波型Ｌバンド加速管を使用する場合の出射ビームエミッタンス（上図：横方向エミッタンス、下図：縦方向エミッタンス）

表２

表１ SASE-FEL 入射器終端の目標性能
ビームエネルギー> 20 MeV
バンチ内電荷量1 nC
規格化エミッタンス(RMS)
1〜1.5πmm･mrad
バンチ長さ（FWHM）
4 psec

定在波型Ｌバンド加速管を使用した場合の入射器終端のビームパラメータ
ビームエネルギー
20.6 MeV
バンチ内電荷量0.93 nC
規格化エミッタンス(RMS)
X 1.34πmm･mrad
Y 1.33πmm･mrad
バンチ長さ（FW）
12.7 psec

表３ サブハーモニックバンチャの主要仕様
周波数476 MHz
全長0.4 ｍ
直径φ482 mm
アパチャ径
φ20 mm
ギャップ電圧202 kV
シャントインピーダンス
8.9 MΩ/m
Q 値
23390
高周波時定数7.8 μsec
高周波電力
11.5 kW
表４ ブースタの主要仕様
周波数476 MHz
全長0.4 ｍ
直径φ482 mm
アパチャ径
φ20 mm
ギャップ電圧700 kV
シャントインピーダンス
8.9 MΩ/m
Q 値
23390
高周波時定数7.8 μsec
高周波電力
138 kW
表５ 定在波型Ｌバンド加速管の主要仕様
周波数1428 MHz
モード
π/2 mode
全長1.213 ｍ
直径
φ174.5 mm
アパチャ径φ48 mm
セル数
11E022.8 MV/ｍ
シャントインピーダンス
35.3 MΩ/m
Q値
14660
高周波時定数
1.63 μsec
高周波電力
17.9 MW表２に示す入射器終端のビームパラメータは、バンチ長さが目標性能に比べ長いこと以外は、ほぼ目標性能を満たしている。ただ、ここで問題となるのは、定在波型を採用する場合には、20 MW 近い高周波電力で使用できるサーキュレータを使用しなければならず、ここに少なからぬ開発要素が伴うことである。
そこで、次に、Ｌバンド加速管を進行波型とした場合の検討を行うこととした。

3.2 進行型 L バンド加速管の場合進行波型Ｌバンド加速管を使用する場合の入射器終端のビームパラメータを表６に、進行波型Ｌバンド加速管の主要仕様を表７に示す。入射器終端のビームパラメータは、定在波型と同等の値が得られていることから、定在波型と進行波型はビームダイナミクス上同等の性能を有しており、バンチ長さ以外は、ほぼ十分な性能が得られることが分かる。ただ、進行波型のシミュレーションでは、加速管の全長を定在波型と等しくするために加速勾配を 17.1 MV/mとしており、この高い加速勾配を得るために 50 MWを超える高周波電力が必要である。実際に使用する予定のクライストロンは最大出力 20 MW であり、今後、加速勾配を抑え全長を長くして高周波電力を 20MW 以下に抑え、より短バンチの電子ビームが得られる機器構成を検討する方針である。
表６進行波型Ｌバンド加速管を使用した場合の入射器終端のビームパラメータ
ビームエネルギー
20.7 MeV
バンチ内電荷量0.93 nC
規格化エミッタンス(RMS)
X 1.33πmm･mrad
Y 1.32πmm･mrad
バンチ長さ（FW）
11.7 psec
表７ 進行波型Ｌバンド加速管の主要仕様
周波数1428 MHz
モードπ/2 mode
全長1.208 ｍ
直径
φ169.2 mm
アパチャ径φ42 mm
セル数22E017.1 MV/ｍ
シャントインピーダンス
28.8 MΩ/m
Q 値
17220
群速度0.98 %フィリングタイム
41 nsec
高周波電力
54.4 MW

４．おわりにSASE-FEL 入射器を設計するため、PARMELA によるビームシミュレーションを、定在波型・進行波型の２通りのＬバンド加速管に関して行い、ほぼ同等の加速性能を得た。また、入射器終端の目標性能のうち、ビームエネルギー・バンチ内電荷量・規格化エミッタンスはほぼ達成されているものの、バンチ長さ 4 psec は満たされておらず、この値の短縮が課題として残されている。今後は、機器の製作性や機器配置の自由度が高い進行波型加速管を使用する方針の元、一層の短バンチ化と、高周波機器仕様の最適化をはかる方向で検討を続ける予定である。