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

PASJ2022 THP057

コンパクト ERL 入射器の現状
PRESENT STATUS OF THE INJECTOR AT THE COMPACT ERL AT KEK
田中織雅 #, 宮島司，谷川貴紀
Olga Tanaka #, Tsukasa Miyajima, Takanori Tanikawa
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
The Compact ERL (cERL) at KEK is a test accelerator to develop ERL technologies and its possible applications. The
first target of injector operation to demonstrate IR-FEL was to generate high bunch charge electron beams with lowlongitudinal emittance and short bunch length. In 2020, the injector was operated with the bunch charge of 60 pC, the DC
gun voltage of 480 kV, the injector energy of 5 MeV and the bunch length of 2 ps rms, and the required beam quality for
the IR-FEL has been achieved for a single-pass operation mode. The next target is to demonstrate IR-FEL generation forrecirculation mode. The injector energy is decreased to 3.5 MeV due to a limitation of energy ratio between injection andrecirculation beams. Moreover, the DC gun voltage decreases to 390 kV due to troubles of the DC gun. Therefore, controlof the space charge effect is more important to design and optimize the beam transport condition of the injector. In thisreport, a strategy of the injector optimization together with its realization results and future prospects are summarized.

1.

はじめにKEK のコンパクトエネルギー回収リニア加速器（cERL）
は当初、高い平均ビーム電流とビーム品質[1]の運転をするために建設された。cERL は光電陰極 DC 電子銃、エネルギー回収運転を備えた超伝導加速空洞（主リニア加速器）、周回ループ、およびビームダンプを用いた入射器で構成されている（Fig. 1 参照）。2019 年に、cERL
IR-FEL プロジェクトが cERL[2]を使用した高効率レーザ加工用の高出力中赤外レーザの開発という目標を達成するため発足した。その後、IR-FEL 光の生成を成功させるための入射器最適化に関する研究が行われ[3]、目標
Figure 1: Schematic of the cERL.
は単一パス運転モードで達成された[4]。その時、入射器は、60 pC のバンチ電荷、480 kV の DC 電子銃電圧、5Table 1: Design Parameters of the cERL
MeV 入射エネルギー、および主リニア加速器出口で 2ps rms のバンチ長で運転された。
Single-pass
Recirculation
FEL
mode
IR-FEL 光の生成のための cERL 運転の次の目標は、エネルギー回収モードで前の結果を再現することである。 DC gun voltage
480 kV390 kV
新しい目標を達成するため、入射エネルギーは、1/5（Einj
Repetition rate
1.3 GHz
1.3 GHz= 3.5 MeV / Ecirc = 17.5 MeV）のエネルギー比でエネル
Injector energy5 MeV
3.5 MeV
ギー回収を可能にする 3.5 MeV に減少された。また、DCRecirculation energy
17.5 MeV
17.5 MeV
電子銃でいくつかの問題が発生した。そのため、電子銃
Charge per bunch
60 pC
60 pC12電圧は 390 kV に落とされた。ビーム性能は、DC 電子銃
Rms bunch length
2 ps
3.5 psの安定した高加速電圧供給によって保証される。電圧がNorm. rms transverse< 3π< 3π低下すると、入射器での空間電荷制御がより困難になる。 emittance2mm mrad
mm mrad
したがって、我々の目標は、適切な品質のビームを主リ
Laser temporal
40 ps single
40 ps single
ニア加速器出口に送り、FEL 生成とエネルギー回収の両distribution (FWHM)
Gaussian
Gaussian3方を保証することである。cERL 入射器のレイアウトを Fig.
2 に示す。対応するビームパラメータを Table 1 に示す。
この表には、単一パス FEL と周回を伴うものの、2 つの異 2.
入射器の設計なる運転モードのマシンパラメータの比較も含まれている。
研究の最初のステップでは、多目的遺伝的アルゴリズ
cERL 入射器の最適化戦略と手法の詳細については、___________________[3]参照のこと。
1運転中で 1 pC
主リニア加速器出口で3 運転中で FWHM 40 ps シングルガウスおよび 3 ps rmsシングルガウス
2___________________# olga@post.kek.jp- 877 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 2: Layout of cERL injector line.
ム（MOGA、[6]）を備えた General Particle Tracer（GPT、[5]）を使用して入射器パラメータを最適化した。主リニア
加速器出口の目標は、バンチ長と縦方向エミッタンスを同時に最小化するように設定されており、横方向エミッタンスが 3π mm mrad 未満であるという追加条件がある。必要な入射エネルギー（3.5 MeV）と電子銃電圧（390 kV）について、アルゴリズムは、1 番目と 2 番目のソレノイドの電流、バンチャの電圧と位相オフセット、入射空洞の加速フィールド、1 番目の入射空洞の位相オフセット、および選択した四極電磁石の K 値（Fig. 2 参照）、を含む 13変数のセットを提示した。
入射器最適化手法の詳細な記述は[7]にあり、先行研
究の結果は[3]に示されている。緒言で述べたように、ビームの再循環（つまりエネルギー回収）は、FEL 光の生成に加えてこの入射器設計で達成する必要がある。光の生成のみを考慮した以前の入射器設計では、マッチングポイントで次のビーム性能が必要である（Fig. 2、[8]参照）:• 60 pC のバンチ電荷;• 2 ps の rms バンチ長;• ％のエネルギー拡散;• 3 π mm mrad を超える正規化された rms 横方向エミッタンス。
入射器を介した Twiss パラメータの時間的進化の比較
を Fig. 3 に示す。480 kV の電子銃電圧と 5 MeV の入射エネルギーと、390 kV の電子銃電圧と 3.5 MeV の入射エネルギーのための入射器設計パラメータは対照的である。上のグラフから下へ：横方向のビームサイズ、バンチ長とエネルギー拡散、横方向エミッタンス、および縦方向エミッタンスが比較されているより低い電子銃電圧および入射エネルギー条件では、空間電荷効果の影響により、主リニア加速器出口でのビーム性能が低下すると結論付けることができる。横方向のビームサイズは比較的同じままだが、バンチ長とエネルギー拡散は、対応して1.9 倍と 1.4 倍に増加した。Table 2 にまとめたが、マッチングポイントでは横方向エミッタンスが 1.2〜1.5 倍、縦方向エミッタンスが 1.2 倍に増加した。
実際には、単一パス FEL モードから周回モードにスムースに切り替えるために、2 ステップ戦略を導入した。
ステップは次の通り :1. 最初に単一粒子のダイナミクスに一致させるため入射器を低電荷（バンチあたり約 1 pC）で調整し、それからエネルギー回収を確立する。
2. FEL 電力を確保するために、入射器をバンチあたり60 pC の目標高電荷に調整する。

低電荷での入射器調整により、単一粒子のダイナミクスを調整できる。線形モデルはより単純で扱いやすい。

Figure 3: Comparison of temporal evolutions of Twiss
parameters through the injector (480 kV gun, 5 MeV
injection vs 390 kV gun, 3.5 MeV injection).
Table 2: Beam Parameters at the Main Linac Exit1Single-pass FEL

Recirculation
mode

0.69 mm0.35 mm0.25%
1.8 ps1.74 πmm mrad1.92 πmm mrad
8.4 keV ps

0.72 mm
0.38 mm
0.34%
3.5 ps
2.61 πmm mrad2.39 πmm mrad
10.47 keV ps

DesignBeam parameters
Hor. beam size
Ver. beam size
Energy spread
Bunch lengthHor. emittanceVer. emittanceLong. emittance

このステップが完了するならば、効果的な FEL 生成を可能にする高電荷モードに切り替える。しかし、多粒子ダイナミクスを扱うことは、モデルと実際のマシン間の不一致が露呈し、困難である。モデルベースの調整が適切なビームベースの調整によって補完される場合は、必要なマシンパフォーマンスが達成される可能性がある。これ___________________の値1 rms- 878 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2022 THP057の調査だった。設計値はεnx = 0.69πmm mrad、εny =0.44πmm mrad であるのに対し、 測定値は εnx = 0.64
3. モデルベースの入射器調整± 0.02πmm mrad とεny = 0.56 ± 0.01πmm mrad で次に、入射器調整の全体的な戦略について議論する。 あった。測定された水平方向エミッタンスが設計値とよく一致していることが容易にわかる。ただし、実際の値は設
入射器の調整の目的は、適切なビームを生成し、アン計値と異なる場合があるため、垂直方向エミッタンスの違ジュレーターセクションの入口に輸送することである。
いは依然として残っている。
cERL 入射器戦略の更なる情報は、[9]を参照のこと。
我々の典型的な調整手順は、主空洞によって 1 pC ビー
ムを 3.5 から 17.5 MeV に加速し、設計に近い条件下でビームをマッチングポイントに輸送するタスクから始まる。
設計された性能と測定結果を比較するため、最初に、下流の画面でのソレノイド SL1-2 のシミュレーションされた応答を、同じ状況での実際の測定値と位置合わせした。次に、ビームベースの位置合わせを使用し軌道が適切に中央に配置されるならば、エネルギー調整を開始できる。エネルギー調整は、入 Figure 5: Designed and measured horizontal and vertical
射器の出口でのエネルギーが目標のエネルギーと等 beam sizes after optics matching.
は次の論文の題材である。

しくなるよう、バンチャ空洞と入射空洞 1-3 の位相4. 結論と振幅の調整をすることが含まれる。縦方向のダイ
FEL の生成とエネルギー回収の両方を同時に可能にナミクスを調整するため、バンチャ位相に対するエネルギー応答が測定される。ビームエネルギーは、 する入射器設計を確立した。最初のステップとして、低合流部の画面で測定される。測定結果を Fig. 4 に示 電荷運転モードのモデルに合わせてマシンパラメータを調整した。次のステップは、このセットアップで FEL 光をす。測定の飽和点は、ビームスポットが画面の領域生成するために高電荷（60 pC）で運転して、CW-FEL を外にあるとき発生した。加速器の電圧と位相を微調実現するために電子バンチの繰り返し率を上げることで整後、測定された応答は設計応答と完全に一致する。 ある。

謝辞
cERL チームのすべてのメンバーに感謝したい。 この
論文は、NEDO プロジェクト「高 輝度・高効率次世代レーザ技術開発」の支援を受けた。

参考文献
Figure 4: Buncher cavity phase response.
線形光学系を接続し、多粒子運動を調整するため、よく知られている四重極スキャン応答測定が使用されている。測定された応答マトリックスは、逆測定応答マトリックスを解くことにより、四重極磁石の補正値を計算するために役立つ。四重極スキャン応答が各マッチングポイントで補正された後、入射部の各スクリーンでのビームサイズが主リニア加速器出口まで測定される。これは、モデルに対して入射器の調整結果がどれだけ近いかを判断するためのもう 1 つのステップである。Figure 5 では、測定されたビームサイズは、2 つのスクリーンを除いて光学マッチングが行われる場所での設計ビームサイズとよく一致している。約 10 m の位置で垂直ビームサイズがずれている理由は、一致するノブがないためである。主リニ
ア加速器出口でのビームサイズの不一致は、主リニア加速器キャビティによって導入された非線形外乱によるものである（クライオモジュールの後に走査型四重極磁石が配置され、補正用の四重極はその前にある）。したがって、加速空洞の影響を回避するために、このマッチングポイントの新しいマッチング手順を開発している。
最後のステップは、主リニア加速器出口のエミッタンス[1] M. Akemoto et al., “Construction and commissioning of thecompact energy recovery linac at KEK”, Nucl. Instrum. Meth.
A, vol. 877, pp. 197-219, 2018.
[2] R. Kato et al., “Construction of an Infrared FEL at theCompact ERL”, in Proc. IPAC'21, Campinas, SP, Brazil, May2021, pp. 1608-1611.
[3] O. A. Tanaka, N. Higashi, and T. Miyajima, “Injector
Optimization for the IR-FEL Operation at the Compact ERL
at KEK”, in Proc. IPAC'21, Campinas, SP, Brazil, May 2021,
pp. 4531-4534.
[4] Y. Honda et al., “Construction and commissioning of midinfrared self-amplified spontaneous emission free-electron
laser at compact energy recovery linac”, Rev. Sci. Instrum.,vol. 92, p. 113101, Nov. 2021.
[5] General Particle Tracer; http://www.pulsar.nl/gpt/[6] S. B. van der Geer, M. J. de Loos and B. D. Muratori, “Multiobjective Genetic Optimization with the General Particle
Tracer (GPT) Code”, in Proc. IPAC'15, Richmond, USA,May 2015, pp. 492-494.
[7] O. A. Tanaka, N. Nakamura, T. Miyajima, and T. Tanikawa,“Injector design towards ERL-based EUV-FEL forlithography”, in Proc. IPAC'22, Bangkok, Thailand, June
2022, pp. 2296-2298.

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PASJ2022 THP057[8] R. Kato, private communications, Jan. 2021.
[9] T. Miyajima, “Injector Development at KEK”, presented at
the 63rd ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on
Energy Recovery Linacs (ERL'19), Berlin, Germany, Sep.
2019, paper THCOZBS04, unpublished.

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