DESIGN OF RF-DEFLECTOR CAVITY FORULTRA-SHORT ELECTRON BUNCH MEASUREMENT
Yuichi Nishimura †, Kazuyuki Sakaue , Takenoshin Takahasi, Masakazu Washio
Research Institute for Science and Engineering, Waseda University (RISE)
3-4-1, Okubo, Shinjuku, Tokyo, 169-8555

Abstract
An S-band Cs-Te Photocathode RF-Gun system which can produce a high current, high energy, a low emittance andultra-short bunch, has been developing at Waseda University. For measurement of ultra-short electron bunch, we
decided to use RF-Deflecting cavity which can convert longitudinal distribution to transverse distribution. With thistechnique, the temporal profile of the electron beam can be obtained as the transverse profile. This technique will makeit possible to measure ultra-short electron bunch length and electron beam temporal profile. The cavity is a 2856 MHz
normal conducting RF-Cavity in a dipole (TM120) mode. In this conference, we present the cavity structure design
optimization procedure and future plan.

極短バンチ電子ビームの時間構造計測用 RF-Deflector の設計
1.

はじめに

早稲田大学では Cs-Te フォトカソード RF-Gun を用いて高品質電子ビームを生成し、応用研究として逆コンプトン散乱による軟 X 線源の開発[1]、放射線化学反応初期過程の解明のためのパルスラジオリシス実験 [2][3] を行っている。これらの応用研究において、電子バンチ長をフェムト秒領域まで短くすることは非常に大きな意味があり、逆コンプトン散乱においてはルミノシティの向上、パルスラジオリシス実験では時間分解能の向上が見込まれる。また、これらの応用研究以外にもコヒーレント放射によるテラヘルツ光の発生などが挙げられる。
そこで、我々は従来の S-band 1.6 Cell 型 RF-Gunに特殊な形状の Energy Chirp Cell (ECC)を付加することで電子銃から出てくる電子バンチをフェムト秒の時間幅にまで圧縮できる電子銃を設計開発し、現在試験中である[4]。
これらの研究開発には非常によく制御された高品質な電子ビームを用いる必要があり、電子ビームのパラメーターを計測・評価することは重要である。
従って、その電子ビームのバンチ長の測定方法として、早稲田大学では高次(TM120)モードの RF cavity
を 用 い た RF-Deflector 法 を 採 用 し 、 RF-Deflectorcavity の設計を進めている。RF-Deflector 法は直方体型の空胴内の磁場によって電子の縦方向情報を横方向に投影してバンチ長を測定する方法である。
本研究会ではこの RF-Deflector 法の原理と特徴、早稲田大学で検討している RF-Deflector cavity の設計及び、今後の予定・展望について報告する。

2.

いて、電子ビーム軌道上に横方向の磁場を誘起させ、その磁場でバンチを帰引することによってバンチの縦方向情報を横方向に投影し、バンチ長や時間方向構造を測定する技術である。
RF-Deflector 法で用いられる高周波空胴は、まず進行波型と定在波型の 2 種類に分類される。進行波型空胴は高周波との相互作用を大きくすることが出来るため、より高分解能な測定が可能であり、SLAC[5]や SPring-8[6]で複数セルの空胴が報告されている。定在波型空胴は相互作用は小さくなるが、システムをコンパクトに出来る利点がある。また、形状による分類としては円柱型[7]と直方体型[8][9]の二つが挙げられる。円柱型空胴は高い Q 値を得られるため、より高分解能な測定が可能であり、ANL では 3
Cell RF-Deflector cavity が報告されている[10]。現在早稲田大学で設計している RF-Deflector cavity は定在波型で直方体形状の空胴を採用している。直方体型空胴は円柱型に比べて Q 値は劣るものの、空胴内に誘起される TM120 モードと TM210 モードの共振周波数間隔が広がり、電磁場の減衰を抑えることが出来る。以下に早稲田大学で開発中の RF-Deflector 法の原理図を示す。

RF-Deflector 法の原理
RF-Deflector 法とは、高周波を印加した空胴を用___________________________________________†

y.nishimura@suou.waseda.jp- 631 -図 1 RF-Deflector 法の原理図

RF-Deflector 法によるバンチ長測定では、バンチ長 Δz はプロファイルモニター上で観測されるビームサイズ Δy、空胴出口からプロファイルモニターまでの距離を L、空胴内の最大磁場を B0、加速されたビームが空胴に入射するときの位相 φ などを用いて、以下の式で与えられる。
(1)
バンチが空胴から受ける磁場の合計が zero-cross 付
近となるように入射すれば、バンチに対して直線的に変化する磁場として用いることが可能である。このとき、空胴に印加する高周波の周期 350ps に対してバンチ長が十分小さいことを仮定している。
早稲田大学で平常運転している電子銃はエネルギーが約 5MeV、バンチ長が約 10ps である。また、現在試験中の ECC-RF-Gun では PARMELA によるシミュレーションから 2-3m のドリフト区間を経てバンチ長が 100fs の電子ビームが得られることが確認されている。今回報告する RF-Deflector cavity はこ
れらの電子ビームを測定対象としている。

図 3:空胴の縦横比と磁場強度、Q 値の関係

図 4: 1 Cell RF-Deflector の磁場強度分布

図 2. RF-Deflector zero-cross 付近でのビームの挙動

3.

RF-Deflector Cavity の設計

3.1 1 Cell RF-Deflector
RF-Deflector Cavity の設計には Ansoft 社の HFSS(High Frequency Structure Simulator)を用いた。空胴の形状は直方体型空胴とし、ビーム軌道上に横方向磁
図 5: 1 Cell RF-Deflector の共振周波数変化場を生成する TM120 モードを採用した。空胴の共振周波数としては、RF-Gun と同期を取りやすく、かつバンチ長に対して周期が十分に長い周波数である2856MHz で共振するように設計した。以下にシミュ
レーションによる空胴の最適化の過程を示す。
まず、直方体型空胴の x 方向長さと y 方向長さの比を変えた時のビーム軌道上の最大磁場強度と空胴のQ 値の傾向を見た。図 3 にその結果を示す。
x/y が 1 (正方形) を越えた辺りから磁場強度は一定の値で、Q 値は 20000 近くのかなり良好な値が得られることが分かる。また、x/y = 1.34 の空胴の磁場(a)(b)強度分布を図 4 に示す。図 4 は共振周波数 2856MHz
図 6: 1 Cell RF-Deflector の HFSS による結合調整の直方体型空胴に TM120 モードが誘起されているこ(a) 反射波振幅, (b) Smith Chartとを示している。
次に空胴製作後のチューニングを想定して、x 方向長さを変えた時の空胴の共振周波数変化をシミュ ことが分かる。この結果を用いて、HFSS 上で 1 Cellレーションによって求めた。図 5 にその結果を示す。 RF-Deflector と導波管との結合調整のシミュレー
空胴長さに対して共振周波数は線形的に変化し、x ションを行った。図 6 と表 1 にその結果を示す。
方向長さは 2.3MHz/mm で共振周波数を調整できる
表 1 の共振周波数はチューナー無し、真空下でのシ- 632 -ミュレーション結果である。Q 値は無負荷 Q 値を示 以上の結果を受けて、現在 2 Cell RF-Deflector と導していて 22192 と、かなり良好な値が得られている。 波管との結合調整のシミュレーションを進めている。
また、これは図 3 の結果とよく合っている。この空 現状の結合調整結果を図 9、表 2 に示す。
胴に導波管を接続し 500kW の電力を供給すれば、バンチ長約 200fs の電子ビームを十分な分解能で測定出来ることが HFSS によるシミュレーション結果から確認出来ているが、バンチ長が 200fs を下回る電子ビームの測定は困難である。
表 1: HFSS による結合調整パラメーター
共振周波数 [MHz]2860.1導波管との結合定数 β1.17
Q値22192(a)(b)
図 9: 2 Cell RF-Deflector の HFSS による結合調整(a) 反射波振幅, (b) Smith Chart

3.2 2 Cell RF-Deflector
RF-Deflector cavity の 1 Cell での設計が最適化出来たため、より高い分解能が得られかつ 200fs より シミュレーションの境界条件は表 1 と同じである。
短いバンチ長の測定が可能であると考えられる 2 この設計では、磁場によって 2 つの Cell を結合してCell RF-Deflector cavity の設計に着手した。2 Cell いる。π モードの共振周波数は 2854.8 MHz に調整し、RF-Deflector cavity は π モードが 2856 MHz で共振す 無負荷の Q 値は 20333 とかなり良好な値を取っているように設計した。0 モードと π モードの共振周波 る。2859.5 MHz で共振している 0 モードとのモード数間隔を表すモードセパレーションと、これに伴っ セパレーションと磁場強度比の相関は図 7 の結果とて変化する 2 Cell の磁場強度比の傾向を図 7 に示す。 よく一致している。
表 2: HFSS による結合調整パラメーター
共振周波数 [MHz]2854.8導波管との結合定数 β1.41
Q値
20333
Mode separation
4.7
Field Balance
2.44.

図 7: 2 Cell RF-Deflector の y 方向長さに対するモードセパレーションと磁場強度比
磁場強度比は、導波管を接続した Cell に立ち上がる最大磁場を出口側の Cell に立ち上がる磁場で除した値をとっており、磁場強度比が 1:1 のときモードセパレーションは約 3MHz と十分なモードセパレーションが得られることが分かる。また、図 8 から 2
Cell に TM120 モードが誘起されることを確認した。

まとめと今後の予定

RF-Deflector 法に用いる RF-Deflector Cavity として TM120 モードで動作する空胴を設計した。1 Cellの空胴では 500kW の電力を供給することで 200fs 程度の分解能の測定が可能と考えている。
今後、2 Cell RF-Deflector の結合調整シミュレーションを最適化することで電力供給に対する測定分解能を確認する。また、General Particle Tracer を用いて空胴通過後のビーム挙動を計算し、空胴の性能を評価して設計を最適化し、年内には空胴の製作を完了して試験していく予定である。

参考文献[1] K. Sakaue, et al., Radiation Phys. Chem., 77(2008),1136[2] Y. Hosaka, et al., Radiation Phys. Chem., In Press[3] Y. Kawauchi, et al., Proc. of this Conference, THPS124[4] K. Sakaue, et al., Proc. of this Conference, THPS070[5] P. Emma,et al.,Proc. of Part. Accel. Conf. 2001
[6] Y. Otake, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 637(2011)[7] S. Belomestnykh,et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 614(2010),179-183[8] X. J. Wang,et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 356(1995)[9] S. Matsuba,et al., Proc. of PASJ 2010[10] J. Shi,et al., Nucl Instr. Meth. Phys. Res. A, 598(2009)

図 8: 2 Cell RF-Deflector の電場強度分布- 633 -