JAERI‑FEL熱電子銃の電子バンチ繰り返し周波数の増加
西森 信行1、永井 良治、峰原 英介、菊澤 信宏、羽島 良一、沢村 勝
日本原子力研究所 光量子科学研究センター 自由電子レーザー研究グループ〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方2-4

概要
エネルギー回収リニアックを用いたFELで出力を向上させるには、電子バンチの繰り返し周波数を増やす必要がある。原研FEL(JAERI‑FEL)の電子バンチの繰り返し周波数は従来10.4MHzであった。熱電子銃のグリッドパルサーを交換し、2倍の周波数の20.8 MHz まで増加させる。10.4MHzと同等のピーク電流、パルス幅、より少ないジッターを持つ電子ビーム生成に成功している。

ギーが広がるため、エネルギー回収が困難となるが、電子ビームの繰り返し周波数を増やすことで高出力化が可能となる。JAERI‑FELでは加速器の周波数が499.8MHz、SHBの周波数が83.3MHzであり、従来の8倍の83.3MHzまで電子ビームの繰り返しを高くすることが望ましい。ここでは、2倍の周波数である20.8MHzの電子銃の開発状況について報告する。

１．はじめに
電子線形加速器システムで、熱カソードDC電子銃からns幅の電子ミクロパルスを生成するには、カソード・アノード間に100‑300kVの高圧をかけ、RF加速器の周波数とマッチした周波数で高圧・短パルスのゲート電圧をカソード・グリッド間にかける。
ゲート電圧生成に用いるGrid Pulser (GP)が電子ビームの性能を支配する。
図１：グリッドパルサー回路の模式図。２つのトラGPの出力は、高圧・短パルスであるのはもちろんンジスタスイッチをON-OFFさせることにより、のこと、Free Electron Laser (FEL)オシレーター
SRDの充放電を行ない、SRDを急速にOFFする。コで用いるには、マクロパルス内に多くのミクロパルイルの役割を果たすケーブルに溜め込まれたエネルス数を必要とする。シングルパスゲインの小さいギーが解放され、負荷を駆動する。
FELオシレーターでは、発振が飽和に至るには電子とFELが数多く相互作用する必要があるからである。
２．20MHZ GRID PULSER
超伝導加速器で駆動される高出力JAERI‑FELではマクロパルス幅として数100μs以上を必要とする。
従来の10.4MHzのGPにはField Effect Transistor
従ってGPはhigh‑dutyという条件を満たす必要もあ(FET)が用いられている。このFET出力は50ns以上のる。マクロパルス幅の長いFELオシレーターの例は、 幅を持つため、20MHz運転は困難である。一方、最米国のJLab[1] とStanford大 [2]、ロシアのBINP[3]、韓近ロシアのBINPで開発されたGP[9]は、20ns程度以内国のKAERI[4] が挙げられる。このうちJLab[1] は光カでSRDのON‑OFF動作を終え、22.5MHzでCW動作するこソードを使った方法を用いているが、その他は全てとが実証されていた [3,4]。そこで、このパルサー本グリッド付の熱カソードをGPで駆動するタイプであ体を入手し、既存のものとの置き換えを行った。
る。JAERI‑FELを含めたいずれのGPでも、ステップ
パルサー本体は図1に示すように、2つのスイッチ、リカバリーダイオード(SRD)を用いて短パルス化しSRD、コイルの役割を果たすケーブルで構成されてている。JAERI‑FELではKoontzの文献 [5] を参考に、いる。SW1を10nsの間ONしSRDに電荷を充電する。
10.4MHz周期でマクロパルス幅1ms以上、10Hzで動作
SW1のOFFの5ns後にSW2を5nsの間ONし、SRDに溜まっす る GP を 開 発 し た [6] 。 電 子 銃 直 後 で ピ ー ク 電 流た電荷を放電する。この際ケーブルに電流が流れ、640mA、幅0.8ns FWHM、振幅変動1%以下、時間ジッコイルにエネルギーが貯められる。放電が終わると
ター23ps rmsという高輝度高安定なビーム性能を有同時にSRDは急速にOFFし、電流が流れなくなる。こしている [6] 。この電子ビームを効果的に圧縮しての際、コイルに溜まったエネルギーは負荷に急速にFEL発振実験を行い、6%という高効率で2kWを超える流れだす。GP単体の試験時には負荷として50Ωの抵高出力FEL発振を実現した[7]。
抗を使用する。電子銃に取り付ける時には引き出ささらに、10kWを超える高出力発振実現のため、エれる電子ビームが負荷となる。カソードのサイズにネルギー回収型リニアック(ERL)に改造し実験を続より、負荷抵抗が変化する。カソードサイズが小さけている [8] 。高効率発振では電子ビームのエネル
ければ、引き出せる電流は減り、負荷が相対的に大1E-mail: nisi@milford.tokai.jaeri.go.jp

きくなる。

３．JAERI‑FEL電子銃へのインストール

41.6MHz運転では、条件がさらに厳しくなるため、想定外の動作の可能性も残されている。
図3にビームの先頭から30µs後(約600パルス目)のミクロパルスの振幅変動を時間の関数として測定した も の を 示 す 。 振 幅 の 変 動 は 10 分 間 の 測 定 で0.6%rmsであった。ただし、ビームを出し始めてから10分程度、振幅が系統的に増加する。はっきりとした原因はまだ掴めていない。30µs後のパルス間の間隔を時間の関数として示したのが図4である。パルス間隔のジッターは16ps rmsであり、これはRFに対して12ps rmsのジッターに対応する [6] 。従来のジッターは23ps rmsであったので、かなり改善したことになる。
猶、現データは70keVでの測定結果であるが、高圧依存性はなく、230keVでも同じ性能が期待できる。

電 子 銃 の GP と し て 使 う に は 、 GP に 印 加 す る+40V,-20V,+8V電源、フィラメント回路、バイアス回路、それらのコントロール回路が必要となる。
SF6ガスを充填したタンク中に納めるため、できるだけコンパクトにする必要がある。市販の電源を用いたテストにより、CW運転モードで必要な電流量は0.28A(+40V)、0.31A(-20V)、0.14A(+8V)であることがわかっていた。そこで、2Aまで流せる+40V電源を文献[10]を参考に自作し、-20V、+8V電源については、一般的なレギュレーター7920、7808を用いた。フィラメント回路、バイアス回路については、従来のグリッドパルサーのスペアとして製作済みのものを流用した。コントロール回路は、電圧・周波数変換回路（VFC32:Burr-Brown製）を用いて自作し、0-10V電圧でコントロールする。CAMACを使ったリモートコントロールが可能である。
加速器のマスターオシレーターからの499.8MHzの信号を83.3MHzに分周し、SHBとGPの入力信号として用いる。83.3MHzの1/2、1/4、1/8倍の周波数を持つ信号をカウンターを使って生成する(サムウェイ製)。この回路の出力TTL信号は+3Vであり、光トランスミッターを駆動するのに充分でない。そこで、この信号をパルスジェネレーター(HP8116A)のゲート入力に入れる。パルスジェネレータの出力は+5Vであり、光トランスミッターを駆動するための増幅器として使用している。この出力信号は直接光トランスミッターを駆動できる。光トランスミッターを電子銃のタンク中に納め、20.8MHzの信号はタンク内で電気から光信号に変換される。従来は光信号に図２：電子銃直後のcurrent transformer を用いて測変換してからタンクに入力していたため、コネクタ定したマクロパルス波形（150µs幅の例）。横軸はでの光減衰が起こり、ジッター低減に苦労した。今20µs/div, 縦軸は200mV/div。電荷量は0.5nC/パルス。
回は、ＳＮのよいジッターの少ないＧＰ出力信号を容易に作ることができた。

４．電子ビーム性能
通常の運転条件である230keVでビーム性能を測定した結果、従来のGPを用いた場合と同等のピーク電流0.6A、パルス幅0.8ns、電荷0.5nCが得られることを確認した。ところが、新たな問題として10.4MHz運転で現れなかったジッターやマクロパルス内での変動が現れた。その解決に時間を要したた
め、本レポートでは現時点で報告可能な70keVでのジッターや振幅変動の実験結果について述べる。
測定はカソードから1m下流のcurrent transformerの信号をオシロスコープ(Tektronix TDS684B)で測定した。図２はマクロパルス波形を示す。横軸は20µs/div、縦軸は200mV/divである。最初の50µsで変動が目立つが、後半は水平とみなせる。同じ測定を10.4MHzで行なうと、より滑らかになり振幅が大きくなる。SRDの充放電に要する20nsのタイミング調整、コイルの役割を果たすケーブルの長さの調整等を対策として考えているが、まだ実行していない。

図３：振幅変動。10分間の測定で0.6% rms。横軸は時間（分）。

５．他のHIGH‑DUTY電子銃との比較
BINP の グ リ ッ ド パ ル サ ー を 使 っ た 電 子 銃 は

BINP[3]、KAERI[4]の例がある。そこで得られたビー
ム性能は2A、1ns (BINP)[3]、1.25A、1.6ns (KAERI)[4]である。カソードのサイズは1cm2である[4]。JAERIFELでは0.6A、0.8ns幅であるが、カソード・グリッド間のバイアス電圧を下げていくと、1A、1ns幅のビームを出せることがわかっている。カソードの面積が半分なので、BINPと同等である。Stanford大ではサイズが0.5cm2のY845 (EIMAC製)をカソードに使い、ピーク電流1.3A、パルス幅1nsを実現している[2]。JAERI-FELはStanford大ともほぼ同じ性能を満たしていることがわかる。SRDを用いた短パルス化をこれ以上望むのは困難と思われる。

図４：パルス間隔の時間変動。ジッターは16ps rmsである。横軸は時間（分）。縦軸はパルス間隔（ns）。

６．結論
BINPのGPをJAERI‑FELの電子銃に適用することにより従来10.4MHzで得られていたのと同等の性能を持つ電子ビームを2倍の20.8MHzで生成することができた。さらに、電子銃タンク内で+5VのTTL信号を光信号に変換する方式を採用したので、ジッターを23psから12psに低減することができた。41.6MHz運転についてはSRDの充電時間をコントロールすることにより、おそらく可能と考えている。GP単体での試験では40MHz動作は確認できているが、ビームを出してみないと、どんな問題が起こるかわからないのが実情である。最終的な目標である83.3MHzのグ
リッドパルサーの候補は1)本報告で述べたBINPパルサーを2ヶ組み合わせる方法、2)RFアンプを用いる方法 [11] 等が考えられる。これらについては今後の大きな課題である。現状の高輝度高安定ビーム性能（パルス幅0.8ns、ピーク電流0.6A、電荷量0.5nC、ジッター12ps rms、振幅変動0.6% rms）を保ちつつ、83.3MHz化するのは、かなりハードルの高い仕事と思われる。

参考文献[1] G.R. Neil et al., Phys. Rev. Lett. 84, 662 (2000).
[2] S. Talmadge et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.
Res., Sect. A 285, 333 (1989).
[3] B.A. Baklakov et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.
Res., Sect. A 470, 60 (2001).
[4] B.C. Lee et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,
Sect. A 429, 352 (1999).
[5] R. F. Koontz, SLAC-PUB-2261 (1979).
[6] N. Nishimori et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.
Res., Sect. A 445, 432 (2000); “A thermionicelectron gun system for the JAERI superconducting
FEL”, Proc. Of the 7th EPAC, 1672 (2000).
[7] N. Nishimori, R. Hajima, R. Nagai, and E.J. Minehara,Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 475, 266(2001)[8] 羽島良一 他, 本論文集, TP-30;R. Hajima et al.,Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 445, 384(2000); R. Hajima et al., to be published in Nucl.
Instrum.
MethodsPhys.
Res.,
Sect.
A(2003).DOI:10.1016/S0168-9002(03)00849-0[9] E.A. Kuper and V.K. Ovchar “High repetition rate
grid pulser for thermionic electron gun for BINP
FEL”, 第3回光量子科学研究シンポジウム論文集(JAERI-Conf 2002-008), 165 (2002).
[10] 戸川治朗, “実用電源回路設計ハンドブック”
CQ出版社 p55 (1988).
[11] E. Minehara and K. Whitham, “83MHz electron gunsystem”, Proc. Of the 6th EPAC, 1474 (1998).