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)

DEVELOPMENT OF A LASER PHOTOCATHODE RF GUN LINAC
J. Yang1, K. Kan, H. Tomosada, K. Takeya, T. Yamamoto, T. Kozawa, Y. Honda, Y. Yoshida, S. Tagawa
The 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 was developed in Osaka University for the study of radiationinduced ultrafast physical and chemical reactions. The femtosecond electron accelerator was constructed with a laser
driven photocathode RF gun, a linear accelerator (linac) and a magnetic pulse compressor. The picosecond electron
pulse produced from the photocathode RF gun was accelerated by the linac with energy modulation and compressed
into a few tens femtosecond by the magnetic pulse compressor. The femtosecond electron pulse is expected for thestudy of femtosecond pulse radiolysis with a femtosecond laser light.

フ ォ ト カ ソ ー ド RF電 子 銃 ラ イ ナ ッ ク の 開 発１．はじめに

パ ル ス ラ ジ オ リ シ ス 時間分解能の劣化を減らすことも期待できる。

パ ル ス ラ ジ オ リ シ ス 法は、量子ビーム誘起現象を 直 接 的に測定する手法であり、これまでに量子２．フォトカソードRF電子銃ライナック
ビ ー ム 誘起現象の超高速現象の解明に大きく貢献
し て き た。その時間分解能は、短パルス電子線と2.1 レーザーフォトカソードRF電子銃
短 パ ル スのレーザー分析光を組み合わせた方式によりサブピコ秒にとどまっている。
本 レ ー ザ ーフォトカソードRF電子銃は、住友重
阪 大 産 研 では、1999年より本格的なサブピコ秒機 械 製 の BNL − GunIV タ イ プ である[3‑4]。加速空パルスラジオリシスシステムの整備および利用実洞 は S‑ バ ン ド の 1.6 セ ル と採用され、電子発生用
験 を 開 始 し た [1‑2] 。 そ の サブピコ秒パルスラジの 光 カソードの材質は無酸素銅を用いられている。
オ リ シ ス シ ス テ ム で は 、励起源として阪大産研L
本 RF 電 子 銃では、レーザー入射角度68°の入射
バ ン ド ラ イ ナ ッ ク からの電子線を磁気パルス圧縮
ポ ー ト が取り付けられているが、レーザー光をそ
法 に よ っ て 圧縮したフェムト秒電子線パルスを用の ま ま に入射するとカソード面でのレーザー光形
い 、 分 析 光 源 と し て L バンドライナック用のRFと状 が 楕 円になり、発生した電子ビームの形状も楕
同 期 し たフェムト秒チタンサファイアレーザーパ
円 に な り 、 エ ミ ッ タ ン ス増大の原因になる[2]。
ル ス を 用いている。電子線パルスとレーザーパル
そ の エミッタンス増大を避けるために、本システ
ス の 間 の時間ジッターによる時間分解能の劣化に
ム で は RF電子銃下流の真空チェンバーに光反射用
対 し て は、フェムト秒ストリークカメラを用いての プ リ ズ ム を設置し、図１に示すようなカソード
電 子 線 パルスと分析レーザーパルスの時間差を正面に対して垂直のレーザー照射方法を採用した。
確 に 測 定し、両パルス間の時間ジッターの影響を
RF 電 子 銃 から発生した電子ビームのエネルギース ト リ ー ク カ メ ラ の 時間分解能（185fs）までに（4MeV ） が低いため、ビーム輸送中空間電荷効果低減することが可能になった。に よ る エミッタンスの増大を生じる。これに対し2002 年 か ら は、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電子銃て は 、 電子銃出口にソレノイド磁石を取り付けらと 新 し いS‑バンドライナックを導入し、レーザーれ 、 ソレノイド磁場強度を最適化し、空間電荷効
フ ォ ト カ ソ ー ド RF電子銃を用いた低エミッタンス
果によるエミッタンスの増大を補正する。
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電子銃ライナックの特徴として、 2.2 電子線発生用のピコ秒レーザー① 電 子 線が短パルス（数ps）である。その電子パ
光 カ ソ ー ドの光源としては、全固体Nd:YLFピコ
ル ス を RF電子銃下流に設置されたライナックのRF
秒 レ ー ザ ー を用いた。本レーザーは、Nd:YLF発振
位 相 を 調整することによってエネルギー変調させ、器 （ 波 長：1053nm）、再生増幅器と波長変換器に最 後 に 磁気パルス圧縮法によりフェムト秒電子パ
よ り 構 成される。発振器は、電子線発生と加速用
ル ス 発 生が期待できる。②低エミッタンスのための 2856MHzRF を 1/36に分周した79.3MHzのRFに同期
高 輝 度 に な る 。 従 っ て 、高S/N光吸収分光の実現
し て モードロック発振を行っている。オシレータが 期 待 できる。③電子線パルスとレーザー光パル
か ら の 高 い 繰 り 返 し （ 79.3MHz）のレーザー光は、ス が 高 精 度 で時間同期でき、時間ジッターによる
1E-mail: yang@sanken.osaka-u.ac.jp

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ポ ッ ケ ル セ ル に よ っ て 、1つの光パルスが選択され 、 再生増幅器の共進器に導入される。ポッケル
セ ル の 繰 り 返 し は 、 1 から30Hzまで可能となってい る 。 再 生 増 幅 器 で ３ ｍJまで増幅された光は、
非 線 形 結 晶 を ２ つ 配 置 し た SHG に よ っ て 赤 外 光（ 262nm ） を 波 長 変 換 さ れ 、カソードに照射される。
ポ ッ ケ ル セ ル 、励起レーザーなどの発熱部に対し て 、 温度コントロールを行うとともに、筐体部の 熱 膨 張なども考慮し、出力パルスエネルギー安定 度 を 0.5%に達成し、オシレータ出力パルスの時間 ジ ッ タ ー は0.3ps（rms）以内に抑えられた。赤外 光 パ ル ス の幅は、フェムト秒ストリークカメラに よ り 測定され、5ps（FWHM）（図2）であった。
カ ソ ー ド 表 面 の レ ー ザ ー光のビーム径は3mm（直径）であった。
2.3 進行波型ライナック
電 子 ビ ー ム加速用のライナックは、三菱重工製の 長 さ 2 ｍ の S‑ バ ン ド 進行波型ライナックを採用
し 、 カソード表面から1.2mの位置に設置されている 。 ライナックとRF電子銃には、同一クライスト
ロ ン か ら 2 分 配 さ れ た RFがそれぞれ供給される。
ラ イ ナ ッ ク と RF 電 子 銃 に 供 給 さ れ る RF ピークパ
ワ ー はそれぞれ25MWと10MWであり、RFパルス幅は4µs で 、 運 転 繰 り 返 し は 10Hzである。ライナックの RF 位相調整は、ハイパワーRF伝送ラインに取り付 け た フェーズシフターによって行う。ライナッ
ク で は 、電子ビームを加速するともに、RF位相調整により電子パルスがエネルギー変調される。
2.4 磁気パルス圧縮装置
電 子 パ ル ス圧縮は、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システ
ム を 用 いて行われている（図１に示す）。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 気パルス圧縮システムを通過させることに

Figure 2: The UV light pulse measured by afemtosecond streak camera
よ っ て エネルギー違い電子の軌道長の差を利用して パ ル スを圧縮する。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。阪大産研
で は 、 磁 気 パ ル ス 圧 縮 法 を 用 い て L‑ バンドライ
ナ ッ ク から発生した電子パルス圧縮実験を行った。
L‑ バ ン ド ラ イ ナ ッ ク か ら 発 生 し た エ ネ ル ギ ー
19.1MeV 、 規 格 化 エ ミ ッ タ ン ス100mm‑mrad、パルス 幅 6.6ps の電子パルスを850fsに圧縮することに成 功 し た 。 本 シ ス テ ム で は 、 レ ー ザ ー フォトカ
ソ ー ド RF電子銃を利用しているため、L‑バンドラ
イ ナ ッ クに比べてビームのエミッタスが1/数10から 1/100 ま で改善でき、シミュレーション[5]により 本 システムでは電子パルスの圧縮は数十フェムト秒まで可能である。
2.5 クライストロンパルス電源と冷却系
電 子 ビ ー ムを安定化させるためには、クライスト ロ ン 出力の安定化と、RF電子銃とライナックの温 度 安 定 化 が必要である。そのため、本ライナッ
ク シ ス テ ム には、新たに日新電機（株）製のクライ ス ト ロ ン パ ル ス 電源を導入した。クライストロ
ン パ ル ス 電 源 の 出 力 と し て は 、 パ ル ス の電圧は265kV で あ り 、 電 流 は 300A 、 半 値 幅 と フ ラ ッ ト

Figure 1: A femtosecond electron linac based on a photocathode RF gun
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ト ッ プ 幅はそれぞれ9µsと4µsである。パルス発生
ラ イ ス ト ロ ン に 供 給 し 、 1/36 に 分 周 し た
部 に は 、 PFN を 10 段 に 採 用するともに、充電用の79.3MHzRF 信 号 を 電 子 発 生 用 Nd:YLF レーザーと分直 流 電 源の安定化を図った。パルス電源の単体試
析 用 の チタンサファイアレーザーのモードロック
験 に は 、出力パルス電圧の安定度は0.08%（peak‑信号としている。
to‑peak）と得られた。
レ ー ザ ー パ ル ス 切り出しのポッケルセル、クラRF 電 子 銃 とライナックの温度安定化については、 イ ス ト ロ ン パ ル ス 電 源 に79.3MHzRFと同期したト
新 た に 高精度冷却装置を導入した。電磁石とRF関リ ガ ー を供給している。フェムト秒レーザー用の係 の 装 置 の 冷 却 用 の 一 般 系 と 、 RF 電 子 銃とライ
ト リ ガ ーは1kHzであり、電子発生用のNd:YLFレー
ナ ッ ク の 空 洞 の 冷 却 用 の精密系を2系統に分けてザ ー 、 クライストロンと計測には、1kHzから分周い る 。 精密系は、一般系の上にヒーターを取り付したトリガーを用いた。
け て 更 に温度コントロールを行った。一般系と精レ ー ザ ー パ ル ス と電子線パルスの時間同期シス
密 系 の 冷却水の温度変動は、無負荷時、それぞれ
テ ム を 図2に示す。トリガー信号と79.3MHzのRF信の0.1℃と0.05℃以内に抑えられた。
号 の 時 間ジッター、79.3MHzのRF信号と2856MHzのRF 信 号 の時間ジッターを、高速デジタルサンプリ
ン グ オ シ ロ ス コ ー プ より測定した。トリガー信号と 79.3MHz の RF 信 号 の 時 間 ジッターは10ps以内に
抑 え ら れ 、 9.3MHz の RF 信 号 と2856MHzのRF信号の時間ジッターはデジタルサンプリングオシロス
コ ー プ の 測 定 限 界 （ 2ps ）以下であることを確認した。
Figure3: Klystron modulator and stability of pulse

３．パルスラジオリシスとタイミング系
3.1 パルスラジオリシス
レ ー ザ ー フォトカソードRF電子銃を用いたフェム ト 秒 パ ル ス ラ ジ オ リ シ ス シ ス テ ム を図1に示す。
分 析 光 としてチタンサファイアレーザーから発生し た フェムト秒光パルスを用いている。チタンサフ ァ イ ア レ ー ザ ー の 発 振 器 は 、 RF 電 子 銃 用 レーザ ー と 同 様 に 電 子 線 加 速 用 の2856MHzのRFを1/36
Figure 4: Time synchronization between the lasers andに 分 周 し た 79.3MHzRF に 同 期 し 、モードロック発RF振 を 行 っている。発振器からの光パルスをポッケ
ル セ ル により1kHzに切り出し、再生増幅器で増幅す る 。 再 生 増 幅 器 の 下 流 側 にOPOを取り付け、出４．今後の予定
力 パ ル ス 波 長 が 300 か ら 1200nmまで可変となり、
RF 電 子 銃 、ライナック、パルス圧縮装置、クラ違った波長での過渡吸収の測定も可能となる。
イ ス ト ロ ン とRF系、同期系、レーザーなどすべて
ま た 、 時間分解能を向上させるために、以下のの 装 置 の設置を完了し、動作確認を行った。パル
３ つ の 方法を取り込んだ。①電子線パルスとレース ラ ジ オ リ シ ス 用分析レーザー光伝搬ビームライ
ザ ー パ ル ス の間の時間ジッターによる時間分解能
ン も 取 り付けた。今年秋から電子パルス発生や測の 劣 化 に対しては、従来阪大産研開発したフェム
定 な ど ビームスタディを開始し、パルスラジオリ
ト 秒 ストリークカメラを用いた時間ジッター補正シスの実験を行う予定である。
法 を 取 り込んだ。②光伝搬による光強度の揺らぎを 抑 えるため、分析用フェムト秒レーザーの繰り参考文献
返 し を 1kHzに上げ、レーザーマルチパルスの入射[1] Y. Yoshida, et al., Radit. Phys. Chem., 60 (2001), 313-318.
方 法 を 採用した。さらに、③サンプル中での光パ[2] K. Kozawa, et al., Nucl. Instrum. Meth. A 440 (2000),ル ス と 電子パルスの速度の違いから生じる時間分
251-254.
解 能 の 劣化を避けるため、電子パルスと光パルス[3] J. Yang, et al., Nucl. Instrum. Meth. A 491 (2002), 15-22.
を 屈 折 率に応じて角度をつけてサンプルに入射す[4] J. Yang, et al., J. Appl. Phys., 92 (2002), 1608-1612.
る斜め入射法と呼ばれる方式も考案した。
[5] H. Billen, PARMELA User’s Manual, Los Alamos
3.2 RFとトリガー系
Accelerator Code Group, LA -UR-96-1835.
RF 信 号 系 には、1台の2856MHzのオシレータを用い た 。 オ シ レ ー タ 出 力 の2856MHzのRF信号を、ク92