Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TUP025

レーザー変調の電子ビーム実験
EXPERIMENT OF LASER MODULATION FOR ELECTRON BEAM
菅晃一#, 神戸正雄, 楊金峰, 吉田陽一
Koichi Kan #, Masao Gohdo, Jinfeng Yang, Yoichi Yoshida
SANKEN(ISIR), Osaka University

Abstract
Ultrashort electron beams are useful for time-resolved measurements such as pulse radiolysis. Laser modulator isexpected for improving the time resolution and irradiation method in the measurements and reaction analysis. Laser
modulation increases energy spread of electron bunches using a laser and undulator. Experiments of laser modulation
using electron beam will be reported.

1.

はじめにフェムト秒・ピコ秒パルス幅を有する電子ビームは、自由電子レーザー、パルスラジオリシス等の加速器物理、物理化学の研究に応用されている。そのため、短パルス電子ビーム発生は、高品質な光源開発や時間分解計測における時間分解能向上のために不可欠となっている。
これまでに阪大産研では、フェムト秒電子ビームとフェムト秒レーザーを用いて、フェムト秒時間分解能を有するパルスラジオリシス（過渡吸収分光法）を開発・利用してきた。今後、パルスラジオリシスの時間分解能を向上するためには、さらに短い電子ビームが必要となる。これまでに電子ビーム発生では、フォトカソード高周波（RF、radiofrequency）電子銃にピコ秒またはフェムト秒紫外光を入射し、光電子を電子ビームとして利用してきた。さらに、発生した電子ビームを加速管によりエネルギー変調し、アクロマティックアークの磁気パルス圧縮器により約30 MeV のフェムト秒電子ビームを発生してきた。光電子発生にフェムト秒レーザーを用いて、さらに空間電荷効果を低減した場合は、フェムト秒電子銃と磁気パルス圧縮の最適化により、マイケルソン干渉計を用いて 20 フェムト秒の電子ビーム計測を行うことが可能になっている[1]。
新たな電子ビーム圧縮技術の開発において、さらに短パルスの電子ビームパルス列もしくは単パルスを得るためのレーザー変調は有用な手段であることが期待される。レーザー変調とは、アンジュレータ周期磁場中にレーザーと電子ビームを入射することにより、電子ビームの（パルス中のスライス）エネルギー分散を増大させる手法である。一般的には、単一パルスのレーザー光がレーザー変調に用いられ、X 線自由電子レーザーの施設では自由電子レーザーの X 線強度の増強および安定化のために用いられている[2]。また、レーザー光が存在しない時刻はレーザー変調が行われないため、時間的に強度変調したレーザー光を用いた場合は変調によるエネルギー分散の増大が進行方向のスライスごとに異なる電子ビーム発生も可能となる。そのため、レーザー変調に使用するレーザーの時間プロファイルの操作も、レーザー変調に関連した研究の種類を広げてきた。例えば、マイケルソン干渉計等により、2 つに分岐されたレーザー光を合流させてレーザーの持つチャープを利用してレーザーの時間的な強度変調、つまり、チャープドパルスビーティング[3]等を利用する報告がある。サブピコ～ピコ秒オーダーのうなりによる光の強度変調を用いて、円形加速器におけるテラヘルツ放射[4]、フォトカソードベースの加速器による高出力テラヘルツ光源の提案[5, 6]が行われている。いずれにしても、効率的なレーザー変調を行うためには、入射電子ビームエネルギー・エネルギー分散、使用レーザーの波長・ピークパワー、アンジュレータの発振波長・磁場強度（K 値）、下流のビーム光学系（主に R56）の設計が不可欠である。そのような設計や最適化により、例えば、電子ビームの変調波長におけるバンチング因子を高める等の、効率的なレーザー変調が可能となる。
そこで、本報告では、レーザー変調を用いた超短パルス電子ビーム発生のための電子ビーム実験を行った。

2.

レーザー変調の条件と測定レーザー変調の効果の最適化を行う場合は、光源として使用した場合のアンジュレータの発振波長と使用するレーザーの波長を一致させる必要がある。
直線偏光アンジュレータの場合、水平方向と電子ビームの蛇行方向に x 軸、垂直方向と磁場の方向に y 軸、ビーム進行方向に z 軸を定義し、アンジュレータの磁場の垂直成分 BU を、
𝐵 = 𝐵 𝑠𝑖𝑛2𝜋𝑧𝜆1とする。ここで、B0 は磁場の振幅、λU は磁場の周期長である。同時に、電子ビームが磁場を通過した際に増幅される電磁波の基本波の発振波長 λL は、磁場の強度を表す K 値を用いて、共鳴条件下で、下記のように表される。

___________________________________________# koichi81@sanken.osaka-u.ac.jp- 353 -

𝜆2𝛾1+

𝐾=𝑒𝐵 𝜆2𝜋𝑚𝑐

𝜆 =𝐾223

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TUP025

ここで、γ は電子のローレンツ因子、m は電子の静止質量、c は真空中の光速である。
電子ビームエネルギー32.5 MeV（γ= ~64.6）において、既存のレーザー波長 800 nm を考慮し、アンジュレータの基本波の共鳴波長で 800 nm を満たすような周期長を検討した。その結果、磁場周期長 λU を 6.6 mm とし、K 値/磁場振幅が、0.15/0.25 T であれば Eq. (2)を満たすことができる。
図 1 に、レーザー変調の実験の模式図を示す。レー
ザー変調されるための電子ビーム発生では、フォトカ
ソード RF 電子銃加速器[1]からのフェムト秒電子ビームの発生を行った。カソード駆動用の Ti:Sapphire フェムト秒レーザーの 3 倍高調波からの紫外光パルスをフォトカ
ソード RF 電子銃に入射し、光電子による電子ビームを用いた。また、本加速器は、フォトカソード RF 電子銃、加速管、磁気パルス圧縮器により構成される。これらを用いて、パルス圧縮されたフェムト秒電子ビーム（エネル
ギー：32.5 MeV 前後、電荷量：）を発生した。電子銃へのレーザー入射位相と加速管における加速位相は、それぞれ、30°と 100°を用いた。発生したフェムト秒電子ビー
ムをチタン箔のビーム窓から低真空中に取り出し、レーザー変調実験を行った。
レーザー変調用レーザーはフェムト秒レーザーの一部（レーザー変調用としてエネルギー：<400 μJ/pulse、波長：800 nm、パルス幅：130 fs、繰り返し：960 Hz）の光パルスを適宜時間遅延して使用した。電子ビームおよびレーザーの径方向の重なり確認のために、アンジュレー
タ前後に 2 セットの脱着可能なスクリーン（点線）と CCD
カ メ ラ を 用 い た 。 ま た 、 軸 方 向 の 重 な り 測 定 （ Timingmeas.）では脱着可能な電気光学結晶（ZnTe、厚み 1 mm）と偏光子とフォトダイオード（PD）を用いた。レーザーと電子ビームを同軸で輸送するために、金属蒸着ペリクルを用いた。
レーザーと同軸でアンジュレータへ入射した電子ビームのレーザー変調（エネルギー変調）の測定を行うために、偏向磁石によるエネルギー幅の測定を行った。電子ビームは偏向される前にアパーチャ（直径：1 mm）を通過させて、整形を行った。偏向磁石は 2 つネオジム磁石を用いた。

Figure 1: Experiment of laser modulation. Removablescreens (dashed lines) and CCD cameras were used fortransverse measurement. Timing measurement systemusing ZnTe crystal and a polarizer is also removable.
Electron beam passing through the undulator was adjusted
by an aperture with a diameter of 1 mm. Energy spread wasmeasured using a bending magnet, screen, and CCDcamera.

3.

測定結果

3.1

軸方向の重なり測定

レーザー変調を行うためには、電子ビームとレーザーのアンジュレータ入射時刻を一致させる必要がある。図 2に測定系と結果の例を示す。電子ビームが電気光学結晶（ZnTe）に与える電場由来のポッケルス効果に基づいて、偏光測定を行った。偏光子をフォトダイオード前に設置して、ポッケルス効果によるフェムト秒レーザーの偏光変化を測定した（図 2(a)）。また、フェムト秒レーザーに対する光学遅延を変化させることにより、電子ビームとレーザーのタイミングが一致した時に、偏光子を通過する光量、つまり、フォトダイオードの出力が増加した。これらの結果により、電子ビームとレーザーの入射時刻が一致する光学遅延の調査を行った。

Figure 2: (a) Timing measurement using ZnTe. (b)Photodiode (PD) output as a function of the time delay forthe femtosecond laser. Five sequential sweeps and theaveraged result were shown as the bottom and top sweeps.
3.2

エネルギー幅の測定

図 3 に、測定結果を示す。レーザー変調された電子ビームは、レーザーの存在する時間においてスライスのエネルギー幅が広がる。エネルギー幅測定を行うために、偏向磁石とスクリーンを用いて、測定される電子ビームプロファイルの幅がエネルギー幅に相当するとして、測定を行った。
ビーム進行方向において、偏向磁石磁場の長さおよび磁石出口からスクリーンまでの距離は、それぞれ、67 mm および 260 mm であった。また、磁場強度 0.74 Tを考慮し、35 MeV の電子ビームに対して、R16 は 0.125 mと得られ、エネルギー幅見積もりの係数として用いた。測定手順として、①光学遅延を調整し、②フェムト秒レーザー無しで測定し、③フェムト秒レーザー有りで測定し、④項目②-③を 100 回繰り返し、⑤電子ビームのエネルギー調整し、再度の測定を繰り返した（図 3(a-d)）。ビー
ムプロファイルとして図 3(e)の様な数 mm の視野において、画像を解析した。レーザーの時間遅延を軸方向の重なり測定に対して、-2.3 ps、0 ps、+2.3 ps のそれぞれの電子ビームエネルギーにおいて 3 通りの時間遅延条件でエネルギー幅のレーザー有無による比率測定の平均値と標準偏差を解析した。現段階では、シングルショットによるレーザー変調測定の比較は困難であるが、電子ビー
ムエネルギーが 31.9 MeV の場合、レーザー有無による幅の比は 1.02 と得られた。

- 354 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TUP025

Table 1: Parameters for Theoretical Estimation
Electron beam size /energyUndulator period /number / magnetic
field / K value
Laser size / wavelength/ peak power

5.

1 mm / 32.5 MeV
6.6 mm / 20

0.25 T / 0.15
1 mm / 800 nm /4 GW (0.4 mJ, 100 fs)

まとめ

レーザー変調の電子ビーム実験を行っている。レー
ザーと電子ビームをアンジュレータへ同軸入射し、レーザー有無でエネルギー幅（rms）の比率を測定した。実験
では、1.02 と得られた。理論的計算では、2.5 と見積もられた。今後、偏向磁石部の改良とエネルギー幅測定の高感度化、アンジュレータの磁場制御、電子ビームの短パルス化と同期測定、レーザー変調（不均一な振幅磁場の影響等）の計算、線量計へのビーム照射を行う。

謝辞
Figure 3: (a-d) Energy spread energy ratio with or withoutlaser for four energy conditions. Error bars are standard
deviations of datasets of 100 pairs of images. (e) An
example image of beam profile for the energy spreadmeasurement. (f) Energy spread ratios as functions of timedelay of the laser.

4.

エネルギー変調の理論的な見積もり

レーザー変調におけるエネルギー幅の変化については、理論的な研究もおこなわれている[2]。効率が良いレーザー変調、つまり、電子ビームエネルギー幅の増加させるためには、レーザーや電子ビームの径、K 値などに依存し、下記のようにあらわされる[2]。

𝜎𝜎2 𝜎 +𝜎𝑃 𝐾 𝐽𝐽 𝑁 𝜆 𝑚𝑐𝑃
𝛾 𝜎4

ここで、𝜎 はエネルギー幅の増加、𝜎 は電子ビーム径、𝜎 はレーザー径、𝑃 はレーザーピークパワー、 𝐽𝐽 はベッセル関数による係数、𝑁 はアンジュレータの周期数、𝜆はアンジュレータの周期長である。
理論的見積もりでは、表 1 のパラメータを用いて、レーザー変調によるエネルギー幅の増大は𝜎 ⁄ 𝛾 𝑚𝑐 として、0.16%と得られた。初期エネルギー幅を 0.1%とすると、レーザーの有無による幅の比率は0.16 + 0.1 ⁄0.1 = 2.5と考えられる。また、実験におけるレーザー変調によるエネルギー幅の変化が小さいため、今後は最適化（アンジュレータ磁場、電子ビームエネルギー、パルス幅等）が必要であると考えられる。

本研究は、科研費(15H05565, 17H01374, 19K05331,20H00364 ) による支援を受けました。

参考文献[1] I. Nozawa et al., “Measurement of <20 fs bunch length using
coherent transition radiation”, Phys. Rev. ST Accel. Beams
17, 072803 (2014).
[2] Z. Huang et al., “Measurements of the linac coherent lightsource laser heater and its impact on the x-ray free-electronlaser performance”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020703(2010).
[3] A. S. Weling et al., “Generation of tunable narrow‐band
THz radiation from large aperture photoconductingantennas”, Appl. Phys. Lett. 64, 137 (1994).
[4] S. Bielawski et al., “Tunable narrowband terahertz emission
from mastered laser–electron beam interaction”, Nat. Phys.
4, 390 (2008).
[5] Z. Zhang et al., “Generation of high-power, tunable terahertz
radiation from laser interaction with a relativistic electronbeam”, Phys. Rev. Accel. Beams 20, 050701 (2017).
[6] K. Kan et al., “Intense THz source based on laser modulator
and bunch compressor with electron beam ranging from 35
to 50 MeV”, Proc. of Nonlinear Dynamics and Collective
Effects in Particle Beam Physics, 2019, pp.285.

- 355 -