Velocity Bunchingに よ る パ ル ス 圧 縮飯島北斗1,A)、上坂 充A)、上田 徹A)、熊ૌ 教孝B) 、Luca SerafiniC)
A)
東京大学大学院工学系研究科ൂ属原子力工学研究施০
〒319-1188 茨城県జ珂郡東海村白方白根2-22B)‫ݗ‬輝度光科学研究センター〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町三原323-3
C)

University of Milan and INFN-Milan
Via Celoria 16, 20133 Milan, ITALY

概要

２．圧縮の原理とエミッタンス補償

東大・ライナックで行った新方式のバンチ圧縮実験の原理と結果を報告する。この圧縮方式はvelocitybunchingとよばれ、RF photoinjectorからのビームを加速管内で圧縮するものである。シミュレーション
を 基 に し た 検 証 で は 、 東 大 の Mg photoinjector（JASRI/SPring-8所有）の০置された加速器（18L）において、現状のままでも0.8psの圧縮が可能である。
これは現在18Lに০置されているシケイン型バンチ圧縮器と同程度の性能である。また実験においては今回2ps以下の圧縮に成功した。

１．はじめに

一般に、RF photoinjectorからの஢子ビームはすでに相対論領域のエネルギーを持ち、その速度は‫ݗ‬速ｃに等しいと‫ؼ‬似されるが、4MeV程度の஢子ビー
ムの場合その速度はv/c=0.994とわずかに‫ݗ‬速よりも小さい。そのため加速管中での஢子バンチはRF位相に対してスリップを֬こす。特に加速管への入射位相が 0 付‫ؼ‬の場合スリップが顕著におこる。その際、バンチの先頭よりも後方の方が‫ݗ‬い加速エネル
ギーを得るために஢子バンチは加速されながら圧縮される。
圧縮の効率、Cは次式で定義される[1]。

2dy 0 sinx exdyVelocity bunchingはミラノ大学のProf. Luca Serafini
C≡ 0 =[1]が提唱する ஢子ビーム の圧縮方式 である 。 RFdx exÊ 1 dg 0 ˆ 24photoinjectorからの஢子ビームを、磁気圧縮器を用いdy 0 + Á
˜
ずに、加速管内で圧縮するのが特徴で、INFNが‫ڐ‬画
Ë ag 0 g 0 ¯[2]中のSPARC project で採用される。最‫ؼ‬UCLAのグ
ここで dy 0 は入射時のバンチ幅、 dx ex は圧縮後のバループがvelocity bunchingの実験結果を報告しているンチ幅である。また、 g 0 は入射஢子の中心エネルが、本格的な実証実験はなされていない。
ギー、 dg 0 はエネルギー幅、 x ex は加速管出口での中東大のS-bandツインライナックでは、これまで放†心位相である。Normalized amplitude a は
射線化学実験のために、シケイン型、もしくはアー††ク型の磁気圧縮器でサブピコ秒の஢子バンチを生成
eE 0[3,4]†してきた 。現在これらの磁気圧縮器に大きな問題
a=†2
†mck
はないが、velocity bunchingを採用できれば磁気圧縮†器が占めている空間の分だけライナックを小型化でで定 義 さ れる 。 18L の加 速 管 を考 慮 し 、 E0 = 9きる。
[MV/m]とすれば a = 0.29 である。また、 dy 0 = 0.09
一般にvelocity bunchingは、SPARC に代表される（バンチ幅5ps相当）、 x ex = -60 o 、 g 0 = 7.8（4MeV）、†ように、２本の加速管を用いる。圧縮中の加速効率
dg 0 g 0 = 0.05を仮定した場合、
C = 6.7となり、圧縮は低いため、１本目で圧縮を行い、２本目で所定の†後のバンチ幅は0.74psである。これは我々のシケイ†
エ ネ ル ギ ー ま で 加 速 す る 。 東 大 で photoinjector ン型バンチ圧縮器と同等の圧縮効率である。
††（JASRI/SPring-8所有）を০置しているS-bandのラ†
Velocity bunching中の஢子ビームの横方向エミッ†
イナック(18L)は、加速管が１本しか০置されていな†タンスを保持するためには、磁場によるエミッタンいため、velocity bunchingを行うと得られるビームのス補償を行う必要がある。今、velocity bunching中のエネルギーは低いものとなる。通常18Lは20MeV程のビーム径は、度のビームを供給するがvelocity bunchingでは約半分と見込まれる。今回我々はvelocity bunching実証に重g¢
W2g ¢2I0¢¢¢s +s +s 2 =02
点をおき、18Lで圧縮実験を行った。

gg2IA g 0g sで定義されるenvelope equationに従う [5]。ここで s は1E-mail: hokuto@utnl.jp††

ࡃ対称ビームを仮定したときのrmsビーム径、 I 0 は入射時のピーク஢流、 I A はAlfen current（஢子に対しては17kA）である。この方程式の第３項、４項はそれぞれソレノイド磁場の効果、空間஢化効果を表し†ている。 Wは、
†W=eB
mcg ¢†で定義され、Bはソレノイド磁場の強さを表す。圧縮中のビームが加速管内でエミッタンスの変化を֬
こさない ためのビ ームサイ ズ、invariant envelope†s RFC の条件は、envelopeequationより、

s RFC =†も影‫؜‬をあたえている。図からも分かるように加速管を出た後のビームは、空間஢荷効果によりビーム径とエミッタンスの増大を֬こしている。また、エネルギーの広がりが大きいためQ-magnetによる収束はほとんど効果がない。ここでは３ヶ所のうち間の１つを使うことを想定した。なお、velocity bunchingのシュ ミレ ーシ ョン によ る評 価値 は18L 出口 で0.8ps(rms)という結果を得た。

1I0Wg ¢ 2IA g 0となる 。 B = 300[G] 、 I 0 = 200[A]（ 1nC 、 5ps ） 、g 0 = 7.8を仮定すれば s RFC = 1.5[mm]である。

††
３† ． 実 験 体† 系 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン によ る 評 価†
まず、veocity bunchingの実証実験を行った18Lの体系に関して述べる。入射器にはMg photoinjectorを用いている。加速管は2mの進行波型で、最大18MeVの加速が可能である（ E0 = 9[MV/m]）。この区間にはエミッタンス補償のための磁場（300[G]）を発生させるヘルムホルツコイルが০置されている。加速管の後に০置されているシケイン型圧縮器は用いて
図１：PARMELAによるvelocity bunchingのシミュ†いないが、今回この区間は約5mのdriftspaceとなっレーション結果ている。また、この区間にはビーム収束のためのQmagnetが３ヶ所に০置されている。圧縮された஢子
バンチの測定にはXeガスを封じたチェンバーを18L ４ ． 実 験 結 果
出口に০置し、஢子ビームが通過する際に発光するCherenkov光をフェムト秒ストリークカメラで‫ڐ‬測している。
Velocity bunching に 対す る 18Lの 体 系の 評 価 をPARMELAによって行った。図１はその結果で、上からビームサイズ s 、x方向エミッタンス、バンチ幅、ビームエネルギーの変化をプロットしたものである。シミュレーションで想定している体系は実際の体系をほぼ反映している。஢荷量は1nC/bunchと†した。
我々の加速管は60個の空洞から成るが、最初の9つの空洞はバンチャーセクションになっており、RFの位相速度が光速の0.78~0.99倍になるように০‫ڐ‬
されている。エミッタンスを表すプロットにおいて、加速管入射直後にエミッタンスが振動しているのはそのためでる。このことは実験を行う前から懸念されていたが、シミュレーションの結果から圧縮に対する影‫؜‬はあまり大きくないと判断した。また、加速管への入射位相は、10番目の空洞に入射する際に-10 となるようにした。0 にしていないのは現状の18L出口でビーム幅が最も小さくなるようにしたためである。このことは加速管後のdrift spaceからの
図２：ストリークカメラのイメージ
影‫؜‬による。ビームサイズやエミッタンスに関して

図２はストリークカメラによる、圧縮された஢子バンチからのCherenkov光のイメージの１つである。
バンチ幅の評価はこの像を1shotとし、30shotsの平均(FWHM)で評価した。図４は加速管への入射位相に対する、バンチ幅の変化をプロットしたものである。
先に述べたように加速管最初の9つの空洞はバンチャーセクションであるため、この位相は10番目の空洞に入射したときの位相である。-20 でエラーが大きいのはビームのエネルギーがXeガスに対するCherenkov発光のしきい値(13.6MeV)を下回りはじめたため、光量が極度に少なくなったためである。しかしながら、全体を通して徐々に圧縮されていく様子は測定でき、-30 で1psを観測した。

５．今後
今回の実験ではvelocity bunchingを行ったビームのエネルギーがXeガスに対するCherenkov発光のしきい値を下回ったために0 付‫ؼ‬の入射が行えていない。そのため現在ターゲットにシリカ・エアロジェル（しきい値、2.13 MeV）を使うことを検討している。また、定量的な評価はできないが、5m のdrift
space を 通 す た め Q-magnet を 使 う こ と で invariantenvelopeを崩している可能性が‫ݗ‬い。このことは、加速管を出た直後のビームを測定することでӕ決できる。
今回の実験でvelocity bunchingの定性的な実証は行えたと考える。今後はターゲットの変更、ビーム測定位置の改善を行い、圧縮に対する定量的な評価、およびinvariant envelopeの評価を行っていく。

参考文献[1] L. Serafini, M. Ferrario, “Velocity Bunching in

図３：加速管入射位相に対するビームのバンチ幅

Photo-injector”, Proc. of ICFA Workshop on thePhysics of and Science with the X-ray FEL,
Arcidosso, Italy, Sept. 2000
[2] M. Boscolo, et al., “Beam Dynamics Study of an RF
Bunch Compressor for High Brightness BeamInjectors”, Proc. of EPAC, Paris, 2002.
[3] M. Uesaka, et al., “Hundreds- and tens-femtosecond
time-resolved pump-and-probe analysis system”, Rad.
Phys. Chem. 6 0(2001)303.
[4] Y. Muroya, et al., “Ultra-fast pulse radiolysis system
combined with a laser photocathode RF gun and afemtosecond laser”, Nucl. Instrum. & Meth. A,
4 8 9(2002)554[5] L. Serafini, J.B. Rosenzweig, Phys. Rev. E
5 5(1997)7565