Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan ( September 6 —8,1995fOsaka, Japan)-72
Preliminary Experiment on Electromagnet Undulator
for Far-Infrared FEL
A Zako, Y. Miyauchi A Koga and T. Tomimasu

Free Electron Laser Research Institute，Inc. (FELI)
4547-44, Tsuda, Hirakata，Osaka 573-01,JapanA b str a c t
The development o f a new type undulator is in progress' This undulator will cover the fa r infrared (2 0 -6 0f i m ) region. It is a unique hybrid type one with electro — and p erm a n en tS m -C o ) -magnets. This report
describes our undulator plan, its structure and the preliminary experiment on the trial model o f the undulator.

遠 赤 外 域 F E L 用アンジュレー夕の予備試験

1 . はじめ に
現 在 、 F E L 研 で は 2 台のアンジュレ一夕*の発振に成功しており [1,2]、 さ ら に 3 台目のアンジュレー
夕 に よ る 可 視 •紫外域 の発 振実 験 を 行 っ て い る 。 これ ら 3 合の アン ジ ュ レ ー 夕 に よ り 0.3〜 20#m までのを 発 振波 長に 持つ K 値をとるアンジュレー夕周期長は、 80-100mmが適当であると考えられる。

0.1

領 域 を カバ ーで きる が、 昨今必要性が増してきている 遠 赤 外 域 の F E L 光は 得 ら れ な い 。我 々はこの要求を満 たす べく 、遠赤外域のアン ジュレ ー夕 の開 発に取り組んだ [3]。本書では、計画中の遠赤外域用アンジュレー夕と、その特性を評価するために試作した短ピッチのアンジュレー夕の磁場測定結果につしヽ

0.08：?

0.06

<•S
^

0.04て報告する。

2. 鉢

表10.020

1

2

3

4K value

図1K値 と 小 信 号 利 得 の 関 係

54獄
今回計画中のアンジュレー夕は、 1)20-60/zmの波長領 域をカバーする。 2)電子エネルギーと磁極間隔を変 えず に波 長の チューニングを簡略化する。 3)従来 ア ン ジ ュ レ ー 夕 1 で発 振に 寄与 した後 、 ビームダンプでビーム電流計測にのみ使用していた電子ビームを再利用することを主眼に計画した。
表 1 に示す諸元でアンジュレー夕の基本パラメ 一夕を検討した。
アンジュレー夕諸元

3180 100 120
36 29 24
2830*50*1*2周期長（画）
60
周期数48
電子！
:、
、-ムエネルキ、-(MeV)
ピ ー ク 電 流 (A)エミッ夕ンス（7z：mm*nirad)
エネルギー広がり （％)*解析のための数値

図 1 に発 振波 長と K 値 の 関 係を 示す 。 またこの時の 小 信 号 利 得 を 図 2 に示した。 こ の 計 算 に は F E L

I X の式を用いた [4]。 この結果、利得曲線の頂上部

10100w avelength [" m]図2発振波長とK 値の関係

1000

基 本構 造に つ い て 検 討 す る 。 こ れ ま で 製 作 し た 3台のアンジュレー夕と同様のハルバッハ型アンジュ
レー夕の場合、 アンジュレー夕製作時の磁場の調整において、 ギャップ間隔を調整し、 ピーク磁場を変動 さ せ る 。 しかしながらこの調整方法は、永久磁石た偏向電磁石の中心磁場の近似、
Bニ//0NI/d(1)
但し 、NI : アンペアターン
d : ギャッフ長か ら 得 ら れ る 傾 き を 比 較 す る と 表 3 のように なる 。の吸引力に 逆らい なが ら、微妙に間隔を調整するギャップ調整機構を必要とするので装置が大型化し、か つ調 整に 時間がかかる。 またギャップ長が変化した結果、 ピーク磁場のばらつきが大きくなり電子ビームの軌道が大きく曲げられるなどマイナス面も多い。 そこでアンジュレー夕は電磁石タイプとし、波表2周期数
周期長r 磁極厚さ
1 永久磁石厚さ
永久磁石種長を 変化 させ る方 法とし て、 電磁石の通電電流を変化させピーク磁場を調整 する 方法 を採 った。 しかし
従 来 、 電磁石夕イプは磁極の数だけコイルを必要とし、 また十分に起磁力を得るにはコイルのアンペアダーンを大きくしなくてはならないが、周期長が決
ま っ て い る の で 、外 方 向 へ の 断 面 積 が 大 き く な り 、

コイルアンペアターン
ギャップ調整量3lOOmm18mm >|32mm J
Sm-Co[R26H;Shin-etsu (4. SkA.Turn/ 台
10-150imi

magnetomotive force[kA •Tum/coil]4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4_ り合う磁極間で漏れる磁場が増大する。 図 3 に基
本 構 造 を 示 す 。 これは永久磁石と電磁石の混在したハイブリッド型で、Novosibirskのグループが先駆的に行っていた [5]。 この形式は永久磁石により K 値の最 低 値 を 設 定 し 、 電 磁石 の起 磁力で必要な K 値幅をとる方式である 。

テス卜アンジュレー夕諸兀

3.530m m
34m m
40m m
50 mm

2.52.5ト◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊
1.51.510.50.5-30-20-100102030I [A]

図4

短ピッチアンジュレ一夕における起磁力とK値 の 関 係
表3
図3

ギヤップ長と電磁石による磁場の閨係

逮赤外域用アンジュレータの基本構造

3 . 短ピッチアンジュレー夕実験
本夕イプのアンジュレー夕は基礎デ一夕が不足しており、有効なピーク磁場を得られるか不明である。
そこで短ピッチのアンジュレー夕を試作し、磁気特性 を 調 べ た 。表 2 は試作した短ピッチのアンジュレ一夕の仕様である。
計 測 は Z 軸 ス テ ー ジ に 固定したガウ ス メ 一 夕で行った。 図 4 は中心磁極のギャップ中心におけるピーク磁場を計測したものである。電磁石の起磁力を高めていった時のピニク磁場の変化がわかる。 コイル
通電電 流が 最大時に磁場の飽和が生じているが、 ヨー ク 内 部 で 飽 和 が 発 生 し て い る と 思 わ れ る 。 また、飽和の始まる前のピ ーク磁 場は 、 もれ磁場を無視しギャッフ長 d(mm)30344050

図 3 から得た傾き(kG/A).107
丨
.093078丨.053(1)式より(kG/A)
0.134
0.118
0.101
0. 080

図 5 は電磁石を動作させず永久磁石による起磁力によるピーク磁場をプロットしたものである。ハイ
プリッドアンジュレー夕の近似式 [6]と比較した。

B=3.33exp{-5.5(g/A JKg/Au) 2}
但 し g ，• ギャップ長Au ；アンジュレー夕周期長(2)図 6 は 周 期 性 を 調 べた もの であ る。周期数がすくハイプリッド型に対し、背面側ヨークへの回り込み、ヨーク間の漏れにより同式の 30%程度まで低減化し電磁石による起磁力の変動量を大きくとれる。

ないので 端部 効果に より 周期 性は 良くな いが 、波形は疑似 三角 問数的であり、高調波成分は少ない。

4»ま と め

予備 試験により、周 期 長 が 100画 で は 0.88 から 3 . 1まで K 値 幅 を 持 つ ア ン ジ ュ レ ー 夕が可能であることがわかった。 しかし利得を増やすため周期長を 80翻にし、磁 極 の 飽 和 を 低 減 し た ア ン ジ ュ レ ー 夕の開発が必要である。

[ 1]T. Tomimasu, et al., Proc. PAC'95 (DALLAS,
May 1- 5 , 1995) FAA30[2]E. Oshita, et al., ibid, TAQ35[3]Y. Miyauchi et.al., To be published in Proc.2nd
Asian Symp. on FEL (Novosibirsk, Junel3- 1 6 ,1995)[4]p. W. van Amersfoort, et al., The FELIX PROJECTSTATUS REPORT APRIL 1988
[5]p. D. Vobly, Private communication[6]W. B. Colson, et al., Laser Handbook - free electronlasers, Vol.6 (North-Holland, 1990)

0.1g / ス“
図5

ギヤップ長と永久磁石による磁場の関係

ouuu

2000

2000

1000

1000

01000

1000

2000

2000

JUUU-ouuu-50050z axis [mm]

図 6 短ピッチアンジュレー夕における周期性150