Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan (September 6—8,1995, Osaka，Japan)

Present Status of FEL Oscillations at IR- and Visible- range，
UV-FEL Facility and Light Transport Systems
Tomimasu T” Oshita E” Okuma S” Wakita K” Miyauchi Y” Zako A f Nishihara S.f Koga A ,Suzuki T” Wakisaka K” Tongu E” Nagai A” Saeki K *，Kobayashi A” and Yasumoto M.***
Free Electron Laser Research Institute，Inc. (FEU)4547- 44, Tsuda，Hirakata, Osaka 573- 01,JapanAbstract
Present status of IR- and Visible-FEL oscillations at 0.6 GW intrapeak power achieved on Oct. 31，1994
and Feb. 2 7 , 1995 and efforts done before FEL oscillations are reported. An UV-FEL facility and lighttransport systems under construction are also reported.

F E L 研での赤外〜可視域F E L 発 振 と 紫 外 域 F E L 装置や光伝送系の現状
1 . はじめに昨年10月から今年2月に成功した F E L 装 置 1 と 2による赤外〜可視域 F E L 発振と紫外域 F E L 装置や光伝送系の現状を報告する。図 1 に F E L 装 置 1と 2 、紫 外域 F E L 装置（F E L 装 置 3 )や伝送系を

2 . 可視〜中赤外域 F E L 発振に至るまでの経緯( 1 ) F E L ^ g l (5-20^m)TCD|&|g1994年 7月上旬には、5〜2 0 _ をカバーする F E L装置 1 (5 〜20卵 域 用 ）の光共振器（ミラー間隔6.72m)が設置され、中旬以後ステアリングコイルの取り付け、配線を行い、 モ ード 2 での加速管の R
F エージングと電子ビームの加速テス卜を続けて、7/27 には科技庁による電子リニアッ ク低エネルギー部の施設検査を受けた。
8月前半は F E L 装 置 1 のアンジュ レ ー 夕1 ( 周期長 32mm,周期数 58, Kニ1.55) に電子ビームを通して、32MeV電子ビームのエ ネ ル
ギー測定とビーム集束実験を行った。 しかし、 当時の電子ビーム量が平均電流が 0 . 1// Aと少なく、 自発放出光の検出器の感度も低くて、 自発放出光の観測はできなかった。
この原因は後に述べるように、電子銃(EIMAC646B)と約15cm下流のコリメ一 タ孔の軸が約2醒ずれていたことによる。8月後半には、1〜6//mをカバ一するF E L 装 置 2 の光共振器 2 が設置され、 同時に電子銃とコリメ一夕の軸合わせを行い、モード 2 ( ミクロハVレ
ス幅 10ps、 22.3125MHz、マクロパルス幅
12. 5 // s 、 10Hzで運転して32MeVで42Aの電子ビーム量( 平均電流で約1n A)を得る。
光共振器 2 の調整は 9月上旬までかかり、中旬から発振実験を再開したが、8月下旬からの光共振器 2 の据付作業等で加速器室の湿度が上がり、 150kV電子銃高圧電源が9/12に接続端子部で放電して壊れた。予備の新電源で実験を再開したところ 9/16 にまた壊れて、9/19 はクライス卜ロンパルサーパル
ス卜ランスの高圧部が放電で壊れた。幸い* Matsushita Electric Industrial Co., L td.: 2-7, Matsuba-cho, Kadoma，Osaka 571, Japan** Kobe Steel, Ltd.: 1-5—5, Takatsukadai, Nishi-ku，Kobe 651—22, Japan*** Osaka National Research Institute: 8—31，Midorigaoka, Ikeda, Osaka 563, Japanこれらの修理は9月中に終了し、10/3からやっと本格的なF E L 実験がやれるようになった。
アンジュレー夕1 を通る電子ビームを絞り、光共振 器 1 の光軸に合わせるのに約1週間かかったが、この間に高感度の光検出器も間に合って、 自発放出光の出力は20倍以上に上がった。その結果、10/12には約 1万倍に増幅されたF E L を観測することができたが、光共振器長を調整しても発振には至らなかった。
その後約2週間、電子ビームをアンジュレ一夕1 の全長2mにわたってビーム径をIimi近くに絞り、ステアングコイルを追加するなど、やれることはすべてやった。10/31(月)には光共振器長を予想値以上に変えて約で無事発振した。
11月以後は、出力の増強に努め、32MeV-42Aの電子ビームも2m長のアンジュレー夕にわたってlmm径以下に絞れるようになり、電子ビームの規格化工ミッ夕ンスは26 7T麵 •mradと な っ た 。 モ ー ド1( マクロノヽ。ノレス幅24//S、10Hz)で運転できるようになったのは、1月になってからで平均電流は約2//Aとなった。
現在まで F E L 装置の出力は、32MeV-42Aのとき6〜9//mで自発放出光の数億倍で、共振器内には0.6GWが、光共振器 1 の金コー卜ミラーの0. 5誦径から約3MW、平均出力140mWが得られるようになった。このピーク出力はRenieri limitの約60% である。集光した
赤外 F E L を紙や爪に照射するとパチパチと発光するので、アブレ一ションや超音波の実験も可能である。図 2 に示すように、26MeV〜21MeV電子ビームによる10//mから20/zmの F E L 出力が十分でなく、これからの課題である。
)

fs s

22.3125 MHz, 2 4 ^ s (10Hz)
0.5mm 4> MIRROR HOLE

一力の手違いもあ て遅れたため、急遽共振器長をつ6.72mに改造することになった。
12月から改造設計を始め、実際の改造は1月から2月にかけて行った。アンジュレ一夕2 (崩期長38誦，周期数78, K=l.4)の光共振器を6. 72mにするということで、アンジュレー夕下流の四極電磁石は従来のものの1/2以下の小型にした。
発振実験が始まったのは2月中旬からで、68MeVで42Aの電子ビームも規格化工ミッダンスが26 7immmrad近くなので3m長のアンジュレー夕2中で0. 5翻径近くに絞れるようになり、2/27(月）に 約 で 無事発振した。2/28には 3 次高調波の0.63wniの赤色F E L も観測した。これは熱陰極電子銃ビームによる可視域F E L として数少ない成功例である1，25 0
その後、 F E L 装 置 2 での実験は約10日間しかやられておらず、 ピーク出力も1.9imで約2MW、0.63/zmで0. 3MWしか得られていない。
での2MWは、Renieri limitの約1/7に当たる。これは、当初電子ビ一ム径が3m長のアンジュレ一夕2 にわたって0. 5画に絞られると予想できなかったので、光共振器 2 の光ビームのウェス卜径を波長1/zinで1.5觀になるようにミラー面の曲率を選択し、電子ビームと光ビームのHlling factorが小さくなったためである。7月下旬にはミラーを交換し、ウェスト径を1翻以下にしてピーク出力の増強をめざしてt、る。
表 1、表2に F E L 発振時の電子リニアック、アンジュレ一夕、光共振器、 F E L 発振特性を示す。
Table 1 Characteristics of FELI linac beams andundulators〇2〇

1gwMOCI 3 0 V H 3 A VAccelerator
30-MeV BT Line 80-MeV BT Line
33.2MeV
68.0MeV
Energy E
Peak current I f
42A
42A
24//s
24//S
Macropulse duration
O.ls
O.ls
Macropulse separation
lOps
Micropulse duration
l Ops
44.8ns44.8nsMicropulse separation
1.0%
1.0%
Energy spread(FWHM)
26 it mm#mrad
Emittance(normalized) 26 7Zmm*mrad
FAC，UTY2

FACUTY-cot

0.2(2) F E L 装 置 2 (1 〜 で の «F E L 装 置 2 の光共振器2 は、当初グリッドパル
サ一の178. 5MHzが簡単に動作するものとして、共振器長を8. 4mに設計したが、 178. 5MHzドライバ一がメ

110100WAVELENGTH A ( ^m)
図 2 可視〜中赤外域での F E L 平均出力
(1995年6月 15日現在）

Undulator

No.l

No.2

TypeLength Lu
Number of periods NPeriod length lu
Gap
Magnetic field(peak)
Parameter K

Halbach
2m
58
3.4cm
>14mm
0.49T
0.5-1.55

Halbach
3m
78
3.8cm
>20mm
0.40T
0.5-1.4

Table 2 Characteristics of optical cavities and lasings
No.l

Optical cavity
TypeLength
Rayleigh lengthg-parameter
Mirror curvature

No.2

optical mode optical mode
6.72m
6.72m
1.0m
0.36m
-0.93
-0.80
-0.76
-1.19
3.734m3.490m3.062m3.827m
Au on Cu
Au on Cu
0.5mm <t>0.5mm ^

Mirror type
Aperture of an
extraction mirror
Lasing on the fundamental

5.5//m l
Wavelength A
Spectral width A A /A (FWHM) 0.5%
20%
Small signal gain'
Total cavity loss
0.8%
3MW
Peak power at the aperture
Oct. 31,'94
Date of first lasing
Lasine on the third harmonics
Wavelength
Net gainPeak power at the aperture
Parameter k

1.88
0.3%
14%
2.7%
2MW
Feb. 27, '95

0.63//m
3.3%
0.3MW
1.27

3 • 電 子 リニ ア ック高 工 ネルギ ー 部の運転
高エネルギー部の4本の加速管(AT4， AT5， AT6,ATf)に RF を 供 給 す る S バンドクライストロン(Toshiba E3729)とクライストロンパノレサ一2 の据付調整とRF導波管の据付は1995年 1月から3月にかけて行われたが、テスト中にパルストランスの故障、RF導波管ではRF窓のリークが相次し、で生じた。
1月から 5 月までは高エネルギー部のBT系とアンジュ レ一夕3 用のBT系が据え付けられた。5月下旬には高エネルギー部加速管の80°C温水によるガス出し後、RFエージングが始められたが、5/31クライス卜ロン
パルサ一 2 のハ°ルス卜ランスのバイアス電^!電源が故障して、RFエージングの再開は修理完了の6月下旬となった。さらに、6/7と6/19には電子銃高圧電源が故障、バンチャー用サーキュレー夕も破損して、電子ビーム加速再開は7/19となった。
7/19からモード2 運転で電子ビームを加速しながら加速管のエージングを行い、7/23にはモ一ド2 で6/zsビームながら電子ビームのエネルギーは約170MeV、平均電流は0.4//Aとなった。7/25には使用変更に伴う利技庁の検査を受けた。

電子ビームによる放射線損傷も考慮に入れてSmCoにしたが、組み立てに時間を要し完成したのが7/23であるが、磁場分布がKニ1.2で、 AB/Bは ±0.15%以内である。
光共振器は、0 . 3 , から1.2/zmをカバーするということで、6.72m離れたミラー槽には7 種類のミラーがマウン卜できる回転台があり、 ミラー槽全体を位置制御できる構造となっている。

5 . 光伝送系の現状
各 F E L 装置からのF E L ビームは、光伝送系の光ノヽ°イプによって一階の加速器室から3 階のレーザモニタ室に伝送され、さらに4 つの利用実験室で同時に利用できるように分配される。よく絞られたレ一ザビームの分配にはZnSeなどのミラーを使われるが、分配率を任意に変えられない欠点がある。 F E
L 研で考案したF E L 分配方式は、各 F E L 装置からのF E L ビームを数cm径の太めのビームで利用実験室に分配する。さらに各利用実験室には2 台の利用実験台が設置されるので、 F E L ビームは8 台の利用実験台で同時に利用できるように実験台のミラー槽内にF E L ビームの中心にミラー中心をそろえたミラ一で、 ミラ一中心を頂点とする扇形状の穴あきミラーを用いて90°偏向し、実験台上で集光して利用ナる
このような光分酉喫置は8月上旬に設置され、 F E
L 装 置 1 と 2 からのF E L が各実験台に分配される予定。 F E L 装置 3 用の光伝送系は、紫外域 F E L発振後設置される。

6 . おわりに予定ではP E L 装置 3 が6月末に完成し、紫外域FE L 発振までの経緯を多少なりとも報告できると思っていたが、クライストロンパルサー、RF窓、電子銃高圧電源、バンチャー用サ一キュレー夕の破損、アンジュレー夕3 の真空ダクトの破損等が続々と続くなかでのF E L 装 置 1 と 2 の出力増強とF E L 装置 3 の立ち上げの報告書となった。昨年9月から今年6月までに4 台の高圧電源が破損したが、その原因は加速器室が月曜日の朝、特に高湿度になるためで、加速器室の低湿化対策の一端を本研究会のポスターセッションで報告する。
紫外域 F E L の発振には電子ビームのマクロパル
ス幅が24//Sのモ一ド1 での運転が必要であり、これには電子ビームによる加速管のエージンダが必須である。できれば、9/6の研究会でF E L 装置 3 での自発放出光の報告が加えられることを願ってしヽる。

綺 规
4 . F E L 装 置 3 (0. 3〜1.2#m) の立ち上げ
アンジュレ一夕3 と光共振器3 の据付調整は6月から7月にかけて行われた。アンジュレ一夕3 (周期長40腫、周期数67、K=2. 0)の永久磁石は高エネルギー

1 ) T. Tomimasu，et al, PAC95 (DALAS, May 1-5, 1995)
FAA302) E. Oshita，et al” PAC95 (DALAS，May 1-5, 1995)
TAQ35