Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 FROM02

高周波電子銃中 LaB6 陰極からのマルチバンチ光電子ビーム発生とそれを用いた中赤外自由電子レーザ発振
MULTI-BUNCH PHOTOELECTRON BEAM GENERATION FROM LaB6 CATHODE
IN AN RF GUN AND ITS UTILIZATION TO MIR-FEL OSCILLATION
全 炳俊#,A)，黒田 隆之助 B)，平 義隆 B)，Sikharin SuphakulA)，紀井 俊輝 A)，増田 開 A)，大垣 英明 A)
Heishun Zen#,A), Ryunosuke KurodaB), Yoshitaka TairaB), Suphakul SikharinA), Toshiteru KiiA),
Kai MasudaA), Hideaki OhgakiA)
A)
Institute of Advanced Energy, Kyoto UniversityB)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Abstract
Mid-infrared Free Electron Laser (FEL) called as KU-FEL has been developed in the Institute of Advanced Energy,Kyoto University to promote energy related sciences and researches. The FEL has been driven by an RF gun with athermionic cathode made of LaB6. For increasing the peak power and widening the tunable range of the FEL, multibunch photoelectron beam has been generated from the LaB 6 cathode by irradiating multi-bunch UV laser beam. The
dependence of bunch charge, peak energy and energy spread on the laser injection phase has been measured todetermine operational condition of the RF gun under the photocathode operation. As the result of phase dependence
measurement, the laser injection phase of 20-30 degree was selected. At the laser injection phase, we have succeeded ingenerating multi-bunch photoelectron beam with bunch charge of 150 pC, bunch repetition rate of 29.75 MHz andmacro-pulse duration of 4 s. This bunch charge is three times as high as that with thermionic operation of the LaB 6cathode. The FEL lasing with the multi-bunch photoelectron beam has already been achieved. The micro-pulse energyof the FEL was about 6 times as high as that with thermionic operation. The performance of the FEL has been improvedby photocathode operation of the RF gun.

1.

はじめにチ光電子ビームの発生とそれを用いた中赤外 FEL 発振に成功しているので、ここに報告する。

京都大学エネルギー理工学研究所では、エネル実験装置ギー科学分野への応用を目指して、京都大学小型中 2.
赤外自由電子レーザ(KU-FEL)の開発を進めており、 2.1 高周波電子銃(RF Gun)熱陰極高周波電子銃(RF Gun)を用いて波長 5-22 m
図 1 に RF Gun と LaB6 陰極の写真を、表 1 に主要において中赤外レーザを発生する事に成功しているパラメータを示す。このRF Gun は 4.5 空胴のサイ[1]。2009 年度以降、研究所内外のユーザーに光の供
ドカップル定在波型の RF Gun であり、特徴として、給を開始し、色々なユーザー実験に利用されている。
空胴間のアイリスを小さくすることで、シャントイ
KU-FEL 装置の更なる高度化、即ちピークパワーのンピーダンスを高め、加速効率を高めている。また、増強、発振波長域の拡大を目指して、光陰極 RF陰極が設置される第一空胴の電界強度が他の空胴のGun の導入を 2006 年より開始している。2007 年に半分となる様に設計されている。これは熱陰極を加光陰極 RF Gun 用 1.6 セル高周波空胴の製作を完了熱した際のガス放出により、第一空胴の真空が悪化した[2]。また、2010 年に光陰極励起用レーザの開発し、放電しやすくなることを考慮に入れ、放電頻度を開始し[3]、2014 年に開発を完了した[4]。2013 年にを下げる為に採用された対策である。また、陰極温計画変更により、上記の 1.6 セル RF Gun は小型度の測定や光陰極励起用レーザ入射の為に、下斜め
THz-FEL 駆動用の電子源として使用する事が決定さ70 度方向にサイドポートが 2 つ設置されている。本れ、KU-FEL の高度化は既存 RF Gun を光陰極運転実験では、1 つを陰極温度測定に、1 つを光陰極励する事で達成する事となった。
起用レーザ入射に用いた。光陰極励起用レーザ入射
KU-FEL の熱陰極 RF Gun の熱陰極としてこれま用真空窓には波長 266 nm にて最適化された反射防で使用してきた LaB6 陰極は光陰極としても利用可止膜のついた合成石英窓を使用した。陰極温度は放能である事が知られている [5]。本研究では、この点射温度計(IR-FAQHNL、Chino)を用いて測定した。に着目し、既存の RF Gun に設置された LaB6 陰極に陰極は Applied Physics Technologies 社製、半径
外部から光陰極励起用 UV レーザを照射し、電子供1 mm の LaB6 単結晶(100 面)であり、図 1 右の写真
給法を熱電子放出から光電子放出に変える事で、の様に陰極マウントに設置された後、電子銃背面かFEL の性能向上を目指した。これまでにマルチバン
ら RF Gun に装填される。この LaB6 陰極は直接電流#を流すことで発生するジュール熱により加熱される
zen@iae.kyoto-u.ac.jp___________________________________________- 177 -

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直熱型であり、約 2 A 程度の電流を流すことで熱電子放出可能な温度まで昇温する事が可能である。通常の熱陰極動作時の陰極表面温度は約 1600~1700 度程度であるが、光陰極動作時には一度、陰極温度を1600 度に昇温した後、LaB6 の表面温度を熱電子放出が殆ど生じない 1100 度に保った。

(=FEL 増幅回数)のマルチバンチレーザを発生する事が可能となっている。
2.3

全体構成と各コンポーネント

KU-FEL の全体構成を図 2 に示す。加速管・アンジュレータ・FEL 光共振器・電磁石等はこれまでに用いてきた物と同一の物を使用した。加速管は有効長 2.9m の進行波加速管である。アンジュレータ・FEL 光共振器などの情報は参考文献[1]に詳細が記載されているので参照頂きたい。
180 deg.
ARC

Dog-leg

4.5 cell Slit
Thermionic
RF GunAccelerator Tube

45 deg. Bending Magnet
60 deg. Bending Magnet

Figure 1: Photograph of the 4.5-cell RF Gun (Left) andPhotograph of the LaB6 cathode mounted on the cathodeholder (Right). The purple disk on the center in the rightfigure is the LaB6 cathode with the radius of 1 mm.

Quadrupole Magnet
Mirror~2856 MHz

Coupling Coefficient 

2.8

Quality Factor of Cavity

12500

R/Q

980 Structure

4.5-cell side couple

Accelerating Mode modeCathode Material

LaB6 (100 面)

Cathode Radius1 mm

実験結果

3.1

Phase Scan

まず、RF Gun へのレーザ入射位相を決定する為、レーザ入射位相を変えた際のバンチ電荷を RF Gun直後のファラデーカップを用いて測定した。また、ピークエネルギー・エネルギー幅を図 2 の Dog-leg
部の偏向電磁石・スリット・ファラデーカップを用いて測定した。結果を図 3 に示す。

光陰極励起用レーザ

光陰極励起用レーザには昨年度まで開発してきたマルチバンチ UV レーザを用いた。システムの詳細は参考文献 [4] を参照されたい。本実験では、更にUV ビームエクスパンダーを追加し、陰極上でのレーザービーム径を 1.4 mm-FWHM に調整した。開発した励起用レーザシステムには制限が有り、発生させるミクロパルス数を増加させると、各ミクロパルス当たりのパルスエネルギーが低下する。これは光増幅器内の増幅に使用可能なエネルギーが限られている為である。本実験では、光陰極励起用レーザシステム中のレーザ発振器の繰り返し周波数(89.25MHz)が FEL 発振用光共振器の周波数(29.75 MHz)の3 倍と、高すぎる事から、レーザ発振器に内蔵のAcousto-optic modulator(AOM)を用いてレーザパルスを三分の一に間引き、FEL 発振器用光共振器の周波数と同一にした。これにより、ミクロパルスエネル
ギーを保ったまま、3 倍以上のマクロパルス長

Laser Micro-pulse Energy
120 J30 J15 J
7.5 J(a)0.80.60.40.20.0020406080100120140

Phase [deg.]
9Peak Energy [MeV]

2.2

Undulator

20

Peak Energy(b)1581075

Energy Spread
60204060801001200140

Energy Spread (FWHM) [%]Resonant Frequency

3.

Bunch Charge [nC]MG-500Beam Dump

Figure 2: Schematic diagram of KU-FEL.

Table 1: Parameters of the UVSOR-III Storage RingModel2m10Laser Injection Phase [deg.]

Figure 3: Result of phase scan. (a) Bunch charge
dependence on the injection phase. (b) Peak energy andenergy spread dependence on the injection phase in caseof laser micro-pulse energy of 120 J.

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1.53025

QE x Extraction Efficiency [x 10 ]Charge / Laser Pulse Energy[nC / mJ]

得られた結果より、レーザ入射位相 60 度近辺で る。これは RF Gun 直後での電子ビームエネルギー最大のバンチ電荷を得られる事が分かったが、この が一定では無く、エネルギースリットの透過率が変位相ではピークエネルギーが低下し、エネルギー幅 化している為であると考えられる。アンジュレータが大きく広がる事が分かった。FEL 発振実験には、 通過後の総電荷量をファラデーカップにより測定しエネルギー幅の増大が顕著では無く、バンチ電荷も た所、約 18 nC であり、バンチ数が 119 (4 s×それなりに得られるレーザ入射位相 20-30 度を実験 29.75 MHz)で有ることから、バンチ当たりの電荷量条件として選ぶこととした。
は約 150 pC であると見積もられる。これは熱陰極
また、図 3(a)の各データを光陰極励起用レーザの 運転時の 3 倍以上のバンチ電荷量である。共振器型
ミクロパルスエネルギーで規格化した結果を図 4 に FEL の増幅率はピーク電流に比例する為、バンチ長示す。レーザ強度が上がるに従い、1 レーザ光子当 が変化していないと仮定すると、FEL 増幅率が熱陰たりの得られるバンチ電荷量が顕著に低下している 極運転時の三倍以上に増大していると考えられる。
事が見て取れる。これは、RF Gun の第 1 空胴の電界強度が低い為に、レーザ強度が高い場合に空間電荷効果が顕著に現れ、ビームサイズが大きく広がり、その結果、狭い空胴間アイリスにより電子ビームの一部がカットされた為と考えられる。また、得られた最大の量子効率は約 1.3×10-4 であった。陰極半径が 1 mm であり、レーザ径が入射角 70 度、1.4 mmFWHM なので、陰極に全てのレーザ光が入射している訳では無い。実際の量子効率は測定された値より Figure 5: Measured voltage of current transformers at theも 2 倍程度高いと考えられる。
exit of RF Gun (a) and at the final beam dump after theundulator (b).
120 J30 J15 J
7.5 J
Max. QE-4> 1.3 x 10(0.013%)

3.3

マルチバンチ光電子ビームを用いた中赤外自由電子レーザ発振発生させたマルチバンチ光電子ビームを用いて中赤外自由電子レーザを発振させた。電子銃直後の電15子ビームエネルギーは約 8.6 MeV、加速管通過後の0.510電子ビームエネルギーは約 23.8 MeV、アンジュレー
5タギャップは 19.5 mm、FEL 波長は 11.7 m である。
00.0発振時の FEL ピークパワーの FEL 光共振器長に対020 40 60 80 100 120 140
Laser Injection Phase [deg.]
する依存性を熱陰極運転時の依存性と共に図 6 に示す。また、最大ピークパワーが得られる FEL 光共振
Figure 4: Dependence of normalized charge on the laser 器長に設定した際の FEL 強度の時間発展を熱陰極運
injection phase. Right axis is converted to the quantum 転時の波形と共に図 7 に示す。電磁石等の設定は熱efficiency multiplied by the extraction efficiency of the 陰極運転時とほぼ同一の設定で良い発振条件が得らgun.
れたが、RF Gun 直後の 2 台の四重極電磁石を強くする必要があった。これはバンチ電荷が増大したこ
3.2 マルチバンチ光電子ビーム発生とにより初期ビーム発散が強くなった為だと考えら
レーザ入射位相を 25 度にした条件でマルチバンれる。
チ光電子ビームの発生を試みた。光陰極励起レーザ
図 5 に見られる様に、熱陰極運転時には-30 m もの繰り返し周波数は 29.75 MHz、マクロパルス長は共振器長をずらすとピークパワーが 1/10 程度に低下
4 s でマクロパルス当たりの光エネルギーは 3.5 mJ、してしまうのに比べて、光陰極運転時には、約 2 倍
ミクロパルス当たりの光エネルギーは約 26 J であの-60 m 程度までずらさないと 1/10 程度までピーる。また、電子銃・加速管に投入する高周波電力とクパワーが低下しない。これは、熱陰極運転時に比その振幅変調は適宜調整した。RF Gun 直後の CT お
べて光陰極運転時の FEL 増幅率が遥かに高い事を示
よびアンジュレータ後の CT で測定した電子ビームしている。
電流波形を図 4 に示す。この CT は熱陰極運転時の
図 7 では、光陰極運転の場合、マクロパルス長
電子ビーム電流波形のエンベロープを測定する為に1.5 s 近辺で既に FEL パワーが立ち上がってきてい製作されており、時間応答が遅い。また、測定に用る事が見てとれる。一方、熱陰極運転の場合は FELいたオシロスコープもアナログ帯域が 100 MHz と低パワーの立ち上がりまでに 4 s 程度を要している。
く、サンプリング周波数も 500 MS/s と低い為、正確
これも FEL 増幅率の違いに起因するものである。に電子ビーム電流波形を捉えられているとは言い難
光陰極運転時、熱陰極運転時のマクロパルス当たいが、RF Gun 直後(図 5(a))では 4 s の間、マクロパりの光エネルギーはそれぞれ 0.8 mJ と 13 mJ であり、ルス中でフラットな電流波形が得られた。アンジュ
それぞれ約 2 s のマクロパルス長を持つとすると、レータ後の CT(図 5(b))でも約 4 s のマクロパルスが
1 ミクロパルス当たりの光パワーはそれぞれ 13 J得られているが、バンチ電荷の均一性が低下してい20

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Peak FEL Power [Arb. Units]と 2 J と推定される。以上の事をまとめると、光陰極運転により、マクロパルスエネルギーは約 1/16 に低下したが、ミクロパルス数が 1/96 に低下している為、ミクロパルスエネルギーを約 6 倍に増強できた事になる。
1.0PhotocathodeThermionic0.80.60.40.20.0-120 -100-80-60-40-20020

Relative Cavity Length [m]Figure 6: Normalized FEL peak power dependence on therelative change of the FEL cavity length.

4.

まとめ

本研究では、これまで中赤外 FEL を発振させるために使用してきた熱陰極 RF Gun 中の LaB6 陰極にマルチバンチ UV レーザを照射し、光電子放出を起こさせる事で、マルチバンチ光電子ビームを発生させた。レーザ入射位相を変え、電子ビームのバンチ電荷・ピークエネルギー・エネルギー幅を測定し、電荷量は減少するが、エネルギー幅が狭い為、レーザ入射位相 20-30 度が FEL 駆動に利用可能である事を見出した。また、レーザ強度が大きい場合、空間電荷効果が顕著になり、RF Gun 中で電子ビームの一部が空胴壁に衝突し、失われている事が示唆された。
レーザ入射位相を 25 度に設定した条件下でマルチバンチ電子ビーム発生を行い、マクロパルス幅4 s、バンチ繰り返し周波数 29.75 MHz、バンチ数119 のマルチバンチ電子ビームの発生に成功した。
この際、アンジュレータ通過後のバンチ電荷は150 pC であり、これは熱陰極運転時の約 3 倍のバンチ電荷量である。
光陰極運転により発生させたマルチバンチ電子ビームを用いて FEL を発振させたところ、熱陰極運転時よりも広い光共振器デチューニング特性が得られると共に、FEL マクロパルスの立ち上がりも早くなった。これらのことから、FEL 増幅率が高くなっていることが示唆される。光陰極運転時のミクロパルスエネルギーは熱陰極運転時の約 6 倍であり、光陰極運転の導入により KU-FEL のミクロパルスエネルギーが大幅に向上したという事が出来る。

5.

今後の予定

今後は光陰極運転時の FEL ミクロパルス長を測定し、ピークパワーを明らかにすると共に、FEL 光共振器や運転条件の最適化による更なる性能向上を目指す。また、光陰極運転時の発振可能波長域を調査し、より幅広いユーザー利用に向けて準備を進める。

謝辞

Figure 7: Temporal evolution of FEL pulse under the (a)photocathode and (b) thermionic cathode operation of theRF gun.

本研究は平成 26 年度京都大学エネルギー理工学研究所ゼロエミッションエネルギー共同利用/共同研究プログラム(A-22)および京都大学エネルギー理工学研究所エネルギー複合機構センター共同研究の助成を受けたものです。

参考文献[1] H. Zen et al., Proc of FEL2013, 2013, p.711-714.
[2] http://www.f.waseda.jp/washiom/rfgun/presentation/
Kii2.pdf[3] K. Shimahashi et al., Proc. of FEL2012, 2013, p.173-176.
[4] H. Zen et al., Proc. of FEL2014, 2014, p.828-831[5] M. Aasakawa et al., Nucl. Instrum. Meth. A331, 1993,
p.302-306.

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