京ற大学ঢ়外ＦＥＬ装置用ＬＩＮＡＣのビームパラメータ評価
林秀輔1、宮迫敦、紀井 俊輝、増田開、大垣英明、吉川潔、山嵜鉄夫

京ற大学エネルギー理工学研究所〒611-0011 京ற府宇治市五ヶ庄

概要

２．ＫＵ−ＦＥＬ装置

京ற大学で‫ڐ‬画しているঢ়外自由஢子レーザー(KU-FEL)装置は、熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳと 3 m の進行波型加速管から得られる 30-40 MeV ஢子ビームとHalbach 型アンジュレータを用いて、波ସ 3~20 _mでの FEL 発振を目指している。建০中の装置について PARMELA シミュレーションを行い、アンジュレータ入口で得られるビームパラメータの評価を行ったので報告する。

本研究の‫ݗ‬周波஢子ࢳは 4.5 空洞の熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳを使用し 2856 MHz(S-band)の周波数で駆動している。熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳは、小型で低エミッタンンスのビームが生成できる利点があるが、逆流஢子による悪影‫؜‬により、現状ではマクロパルスସが 3 _sec[3] に制限されている。また、最大エネル
ギー約 6 MeV、ピーク஢流 28.6 A の஢子ビームが生成される。加速管までのビーム輸送系は DOG-LEGと呼ばれる形をとっており、45 度の偏向஢磁石 2 つとトリプレット型四重極஢磁石が配置されている。
熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳからの஢子ビームには、FEL発振に寄与せず加速管で余分なエネルギーを消費する低エネルギー成分が多く含まれている。そこでスリットを用いることで、その不要な成分を除去する。
加速管は S-band で駆動し、有効ସ 2.9 m であり、20 MW の‫ݗ‬周波源により最大 40 MeV 程度まで加速可能である。加速された஢子は、60 度の偏向஢磁石
3 つとダブレット型四重極஢磁石を配置した 180 度
アークによってバンチ圧縮が行われ、マッチング用トリプレット型四重極஢磁石を通過してアンジュレータへと入射される。

１．はじめに
京ற大学エネルギー理工学研究所の FEL 装置は、これまでに、熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳの০置とビーム加速に成功しており[1]、現在 3 m の進行波型加速管とビーム輸送系の০置とそのビームテストを開始している。図 1 に建০中の FEL 装置の概観図を示す。
FEL 発振に必要な஢子ビームを得るためには、ビーム輸送系や加速管での加速位相の最適化が必要になる。そこで装置の建০と平行して、粒子シミュレー
ションコード PARMELA[2] を用いて、アンジュレータ入口で得られる஢子ビームのパラメータ評価を行った。

DOG-LEG

偏向஢磁石

2503m 加速管
250四重極஢磁石

716306300350

熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳ250

180度アーク

250

スリット

7103501500

アンジュレータ
図 1：FEL 装置の概観図

1E-mail: shusuke@iae.kyoto-u.ac.jp

３．シミュレーション
粒子シミュレーションコード PARMELA を用いて行った‫ڐ‬算について、஢子ࢳから加速管まで、加速管からアンジュレータに分けて記述する。今回の‫ڐ‬算では、஢子ࢳЧ極の஢流密度を 10 A/cm2 とし、粒子数を 3000 個でスタートさせた。なお、空間஢荷効果は考慮に入っている。

3.1

஢子ࢳから加速管まで

Particle Number/20 keV

図 2 は、஢子ࢳ出口及び加速管入口での஢子ビームのエネルギースペクトルを示す。この図より、஢
子ࢳ出口ではエネルギー幅 _E/E が 3.4 %であったのに対し 5 mm 幅のスリットを通したことにより、低エネルギー஢子が遮断され、加速管入口では 1.9 %と狭くなっているものの、FEL の発振に寄与する‫ݗ‬エネルギー൉分の損失は少ないことが分かる。また
図 3 は、஢子ࢳ出口及び加速管入口での஢子ビームの位相スペクトルを示す。この図より、஢子ࢳ出口

120100

ૣ子ߴ出口
加速管入口

8060402000123 4 5 6Energy (MeV)

78Particle Number/1 deg.

図 2：஢子ࢳ出口と加速管入口でのエネルギース
ペクトル

12010080

ૣ子ߴ出口
加速管入口

60402000 20 40 60 80 100120140
RF Phase (deg.)

図 3：஢子ࢳ出口と加速管入口での位相スペクトル

では 12 度（半値）であった位相幅が、加速管入口
では 6.4 度になっており、バンチ圧縮されていることがわかる。

3.2

加速管からアンジュレータまで

表 1 に、加速管及び‫ݗ‬周波源のパラメータを示す。
஢子ビームのエネルギーは FEL の発振波ସやゲインに影‫؜‬を及ぼす。よって、装置評価の為にはエネルギーの異なる஢子ビームのパラメータが必要である。
従って、今回加速管にかける஢場勾配を 6、8、10MV/m の 3 通り選んで‫ڐ‬算を行った。‫ݗ‬周波の加速位相は、180 度アークでのバンチ圧縮を考慮して、最‫ݗ‬加速の得られる 0 度から少しずらした 2.5 度をとっている。そのとき加速された஢子の平均エネルギーはそれぞれ 24.6、30.5、36.4 MeV となった。図4~6 には、それぞれの஢場勾配に対して行った‫ڐ‬算のうち、36.4 MeV でのエネルギースペクトル、位相スペクトル、エネルギーと位相の相関のみを示す。
図 4 より加速管出口とアンジュレータ入口それぞれ にお い てエ ネル ギ ー幅 に つい ては 0.47 %か ら0.40 %とほとんど変化がないのに対して、図 5 から位相の広がりについては半値振幅で 5.1 度から 1.8度へと圧縮されていることがわかる。一方、図 6 からも明らかなように 180 度アークを通ることによってアンジュレータ入口では、広い範囲の位相に渡って஢子が存在していることがわかる。しかし、その数は相対的に少なく、また、‫ݗ‬エネルギーの஢子は位相スペクトルのピークに集中しているので FEL 発振の際に与える影‫؜‬は小さいと考えられる。

表１ 加速管，‫ݗ‬周波源のパラメータ
加速管
周波数2856 MHz構造
定勾配
モード2/3 p
有効ସ2.9 m
ディスク内径25.00 ~21.84 mmf‫ݗ‬周波源
クライストロン
三菱 PV-3030
ピーク出力20 MW
マクロパルス幅< 10 msec
パルス繰ඉし≤ 10 pps
クライストロン஢源
パルス幅< 10 msec
リップル< 0.3 % p-p

Particle Number/20 keV

300
250
加速管出口
アンジュレータ入口
200
150
100
50
035.6 35.8 36.0 36.2 36.4 36.6
Energy (MeV)

Particle Number/1 deg.

図 4：加速管出口及びアンジュレータ入口での஢ 子 ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ル （ 36.4MeV）

250

表２に、加速管の加速஢場 6、8、10 MV/m の場
合のアンジュレータ入口でのビームパラメータを示す。これより、24.6~36.4 MeV の範囲で、ピーク஢流 40 A 以上、エネルギー幅 0.4 %程度の஢子ビームが得られることが分かる。
表２ アンジュレータ入口でのビームパラメータ
加速஢場(MV/m)
6810
エネルギー(MeV)
24.630.5
36.4
ピーク஢流(A)
45.8
57.3
40.0
֩ 格 化 エ ミ ッ タ ン ス 7.84
10.7
11.3x(πmm-mrad)
֩ 格 化 エ ミ ッ タ ン ス 6.19
9.21
10.1y(πmm-mrad)
エネルギー幅(%)
0.27
0.320.40
X 方向ビーム半径(RMS) 1.43
1.381.32(mm)Y 方向ビーム半径(RMS) 1.58
2.391.66(mm)

４．結果

200

加速管出口
アンジュレータ入口

1501005000306090
RF Phase (deg.)120

図 5：加速管出口及びアンジュレータ入口での஢子ビームの位相スペクトル（36.4 MeV）

熱Ч極型‫ݗ‬周波஢子ࢳと 3 m 進行波型加速管から得られる 30-40 MeV ஢子ビームと Halbach 型アンジ
ュレータを用いて、波ସ 3~20 _m での FEL 発振を目指して建০を行っている KU-FEL 装置に対し、粒子シミュレーションコード PARMELA を用いて、アンジュレータ入口で得られる஢子ビームのパラメータ評価を行った。加速管での‫ݗ‬周波位相や、180 度アークのパラメータ調整を行う事により、24.6~36.4
MeV の範囲で、ピーク஢流 40 A 以上、エネルギー幅 0.4 %程度の஢子ビームが得られることが確かめられた。

５．おわりにEnergy (MeV)

36.5
アンジュレータ入口

36.0

今後、実際の装置を用いてビームパラメータの測定を行い、今回シミュレーションで得られたビームパラメータと比Ԕし、ビーム輸送系と光学系の最適化を行い、FEL 装置建০を進めていく予定である。

加速管出口35.5

参考文献
020406080

RF Phase (deg.)100

図 6：加速管出口及びアンジュレータ入口での஢子ビームの位相とエネルギーの相関（36.4
MeV）[1] T.Yamazaki, et al: Free Electron Laser 2001,(2002)Ⅱ-13.
[2] James H.Billen Loyd M.Young.PARMELA,chapter LAUR-96-1835.2002.
[3] T. Kii, T. Yamaguchi, R. Ikeda, Z. Dong, K. Masuda, H.
Toku, K. Yoshikawa, and T. Yamazaki: Nucl. Instr. &Meth, A475 (2001) 588.