Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

Status of Linacs and Lasers at the University of Tokyo in 2010
Y. Nakazono#,A), K. KoyamaA), T. NatsuiA), L. KiwooA), H. MasudaA), K. MiyoshiA), A. SakumiA) and
M. Uesaka A,B)
A)

Nuclear Professional School, School of Engineering, the University of Tokyo
2-22 Shirakatashirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1188 JapanB)
Department of Nuclear Engineering and Management, The University of Tokyo
2-22 Shirane-shirakata, Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1188

Abstract
At the University of Tokyo, a linac with photocathode RF gun with cartridge-type cathode exchanging system which
produces high-brightness low-emittance sub- or femto second electron bunches has been researched and developed.
Using the photocathode LINAC system, the application for observation of physico-chemical reactions by pulse
radiolysis system in a time-range of picoseconds and sub-pico seconds was investigated. Na2KSb photocathode is theworkable cathode and has been widely used for photomultipliers which can be driven by visible light. A Na 2KSb
photocathode was installed into RF cavity and the RF was aged. After aging for 12 h, UV light (266 nm; third harmonicof Ti:Sa laser 800 nm) and 400nm visible light (second harmonic) were brought in the Na 2KSb cathode. The maximal
charge was 3.1 nC at 266 nm and 1.6 nC at 400 nm. The saturation charge at 400 nm was half of that at 266 nm. The
half life time of the cathode was 100 h. The damping of the quantum efficiency occurred rapidly and it reached 1/5 after
280 h. Electron injection has been investigated into the laser wakefield by the wave breaking in a density down ramp.
An oblique shockwave in a supersonic gas flow of M=5 was utilized for producing the steep density ramp. The
numerical simulation was performed by using a 1-D particle-in-cell (PIC) code to find the optimum condition for getting
a high-quality electron beam. A preliminary experiment using the density ramp in the gas target suggested that electrons
were injected by the wave breaking. Further investigations with help of 2-D PIC code were conducted to produce highquality electron beam. A portable 950 keV X-band (9.4GHz) electron linac X-ray source for on-site non-destructive
testing has been investigated at the University of Tokyo. A compact X-band 9.4 GHz magnetron of 250 kW for RFgeneration device has been adopted to realize an on-site diagnostics and the aim is to generate 0.2 Gy/min of X-ray at 1m distance. This linac has a problem of short beam current. The comfortable amounts of X-ray have not been achieved
yet. This beam oscillation makes lack of beam current and it has been developed by a new simulation code using
equivalent circuit analysis for research into a source of this matter.

東京大学原子力専攻ライナック・レーザー研究施設現状報告 2010
1.

S バンド 18MeV 電子線形加速器域のレーザーで駆動できるという特徴を持ちレーザーの負担を低減でき高性能電子源開発は安定な東京大学ライナック研究施設では 18L のビーム ビーム供給に大きく関係している。光陰極高周波電ラインは、光陰極 RF 電子銃(1.6 セル、BNL-typeIV)、 子銃は、高エネルギー・低エミッタンス・短パルスソレノイド磁石、進行波型加速管、四極電磁石、シ の電子ビームを生成することが可能な電子源として、ケイン型磁気パルス圧縮器から構成される。0.3 TW 国内外で研究開発が行われており高エネルギー加速の Ti:Sapphire レーザー(800 nm)を光陰極励起用及び 器の入射器、医療・産業分野への応用等電子ビームプローブ用光源として用いている。S バンドとは電 の利用研究は大きな役割を果たしている。東京大学
子銃及び加速管に電磁場を励起するために投入する ライナック研究施設では線形加速器からの電子ビーマイクロ波の周波数帯であり 2856 MHz を表す。光 ムを利用した応用研究として、放射線化学における陰極 RF 電子銃を用いた線形加速器とパルスラジオ 極短量子現象の解明のためのポンプ＆プローブによリシス実験の体系を図１に示す。パルスラジオリシ るパルスラジオリシス実験が行われている[1,2]。加ス実験等の応用研究の際には、大電荷でかつエミッ 速器からの電子ビームを高品質なものにするには、タンスの小さい安定な電子ビームを供給することが 電子を発生する大元である電子源の高性能化および要求される。本研究で取り組むアンチモン系光陰極 発生した電子を加速する高周波電子銃の最適化が不は、量子効率(入射光子に対する放出電子の割合を 可欠である。本研究では、高輝度・超寿命の電子源示す量)が高いことから、大きな電流量を発生でき としてのアンチモン系光陰極の開発、及び、光陰極ることができる。バンドギャップが小さく可視光領 電子銃における研究を主題として行う。
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入された陰極プラグを直線導入器により端板後方まで移動させた後真空密封用コバール膜を破り回転導入器によって陰極プラグを端板の規定位置まで移動することで陰極を交換する仕様で陰極真空度の確認する目的で端板後方に真空計を設置している。このように、カードリッジ式高周波電子銃においてNa2KSb 光陰極の試験を行い３ヶ月にわたる長時間測定の結果量子効率は最大 1.2%、0.1%の量子効率で動作することを確認した。可視光レーザーによる試運転を行い nC オーダーの電子生成に成功し可視光レーザーで Na2KSb は駆動可能であることが明らかになった。放電や残留ガスによる陰極表面の状態変化がもたらす引き出し電荷量の現象や量子効率の务化については不確定要素が多く高周波電子銃の改良には表面観察やその場観察等システム改善も今後の選択肢の一つとなる可能性が示唆される。

図 1：S バンド電子線形加速器の装置体系

光陰極高周波電子銃により陰極物質にレーザーを照射し光電効果による発生電子を高周波電場によって 2. プラズマ波の破壊による航跡場への初期電子入加速するが Cs-Te などの半導体光陰極は陰極製膜か射ら電子銃への導入の間まで一貫して超高真空に保つ必要があり東京大学ライナック研究施設では図 2 にレーザーパルスによりプラズマ中に励起された光示すように電子銃の真空を破ることなく光陰極を交 速で進むプラズマ波を利用したレーザー航跡場加速換できるカートリッジ式システムを JASRI/SPring-8、 器は単一エネルギー電子加速が可能となった。応用
浜松ホトニクス(株)と共同で開発導入を行っている に際しエネルギー、エネルギー幅、電荷量、出射方[3]。SPring-8 においてカードリッジシステムを搭載 向の安定性に課題を有している。エネルギーおよびした単セル高周波電子銃により Cs-Te 光陰極の評価 エネルギー幅と電荷量に関して初期電子の供給が制が行われた[4,5]。Cs-Te の量子効率は 3-4 %であり 御されていないため出射方向のバラツキはプラズマ数 nC の電荷供給可能であるが紫外領域のレーザー 中においてレーザーパルス伝播時の不安定性によるが必要でありレーザーに負担がかかるという問題が ものと予想される。前者に対し初期電子入射の制御ある。可視光領域レーザーで駆動可能なアンチモン 技術、後者に対しレーザーガイド用プラズマチャン系光陰極の研究開発を行っている。カードリッジ式 ネル形成技術の開発が急務である。初期電子入射に交換システムについては電子銃後方の空間的問題か はレーザーパルスとの相互作用を使用した光学的方ら SPring-8 で使用されているものよりも 50cm から 法とプラズマ中密度不連続面において発生する波の80cm 程度小型のシステムが要求され陰極プラグ、 破壊による方法がある。簡便かつ小型化が望ましい
カソード輸送用直線/回転導入器からなるシステム ため弊学では 12TW、50fs のチタンサファイアレー
は陰極を超高真空を保持した状態で輸送可能である。 ザー（波長 800nm）を用いレーザープラズマ加速実験を実施、加速電子エネルギー、電荷量、方向のレーザー・プレパルス依存性およびレーザー光軸に対し平行な外部磁場による電子ビーム集束と方向の安定化効果などを報告した[6-10]。初期電子入射と安定加速を目指し磁場を 1T に強化しプラズマガイドコーンを形成しメインパルスの約十 psec 前にプレパルスを導入した事によるプラズマチャンネルを形成、7 TW のレーザー出力にて電子加速実験を実施し 100 MeV 級の準単色電子加速に成功した。複数のレーザーパルスを使用しない単純な構成で電子入射できる可能性がある超音速ジェット中階段状密度分布を利用した初期電子入射の予備的実験を実施、電子入射に密度不連続が有効と予想するが安定性に関する議論が成立するには至っていない。超音速ノ
図 2：カードリッジ式光陰極高周波電子銃フォトカ
ズルの改良に先立ち 2D PIC コードを用い密度分布ソード最適条件の探索を行っている。計算時間短縮に一次元粒子コード(1-D Particle in cell; PIC)により図 3 の陰極導入の際にはフィードスルーのベーキングを ように電子入射に必要な階段状電子密度分布密度比行った後ゲートバルブを開放しカートリッジ管に封 と密度不連続特性長さに関する情報を得た。

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Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

linac によるビーム加速試験においてビーム電流とエネルギースペクトラムが測定されているがエネルギー測定においてビームエネルギーはほぼ設計値に達ししているものの電流量振動が明らかになった。
振動周期は 9.4 MHz でビームと加速電場の相互作用に起因すると予想された。ビームローディングが加速管中の RF パワーを変化させビーム加速状況が変化が繰り返されていると考えられた。このような現象を計算できるシミュレーション方法を選択し新たに計算コードを作成し等価回路解析にビーム加速とビームローディングの効果を付加した。完成した計算コードでシミュレーションを行ったところ実験と同様な現象を再現することができた。ビーム振動の原因は「高周波発生源の振動」と「加速管そのも図 3 (a)密度分布の模式図。(b)密度変化の特性のの特性の問題」の２種類が考えられ実験及び考察
長に対する入射電荷量。中抜け四角の記号は、から加速管そのものの特性であることが明らかに
レーザーパルス幅が 9fs の場合の結果。(c)密なった。加速管特性の問題点はシミュレーションで度変化の特性長に対する単一エネルギー成分のは計算できない過渡的な現象に起因して起こっていエネルギー幅。
ることになり、ビームを減尐させると振動現象が観察されないことからビームと高周波の相互作用起因することが予想された。ビームと高周波の相互作用
入射電荷量は密度比が 3 ないし 4 で最大であり密度 を時間領域で計算できるシミュレーションが必要と変化特性長が短いほど大きい。エネルギー幅は密度 なった。このような現象を計算できる方法として比依存性は見られないが密度特性長がλの 2〜3 倍 PIC(Particle In Cell)法があるが、PIC 法で計算できで最小(5〜6％)である。最初のポテンシャル井戸に る時間スケールは高周波の周期で数周期分ほどの時入射され加速された電子に関する結果で階段の上下 間で 1000 周期以上の計算では時間的困難であるたでの密度比が大きくなると２番目、3 番目のポテン め今回の現象には適用できないと考えた。シミュ
シャル井戸に入射される電子量が無視できなくなり レーションコードは C++により自作しこのコードをエネルギー幅が広がり複数のエネルギーピークが現 用いて 950 keV linac の加速空洞特性を入力し実験れる。複数のレーザーパルスを使用せず単純な構成 時電子ビーム値を入射する条件で計算を行った。実で電子入射するためにガスジェット・ターゲット中 験と同じように計算でもビームが振動するという現の密度に段差を発生する。超音速ノズルの喉部の面 象が見られ、実験では入射ビームの電流値を低くす
積はノズル先端での分子の数密度を 1×1019 cm-3 以 れば振動が起こらなかったが計算でも低電流で振動上という条件およびガス供給用ソレノイドバルブの 現象が見られなかった。このように、東京大学原子Cv 値、ノズルまでのコンダクタンス等を用いて決 力専攻上坂研究室で開発中の非破壊検査用 950keV定した。分子密度の干渉計計測結果でノズル開口は X-band linac においてビーム電流振動が問題であっ矩形であるので干渉縞のずれは密度に比例する。こ たが計算のため等価回路解析を用いたシミュレーのように、超音速ジェット中に斜め衝撃波を応用し ションコードを C++言語で新開発しビーム振動現象て階段状密度分布を生成する事に成功した。初期電 を定性的に再現することができた。ビーム振動現象
子入射の予備的実験を実施し電子入射可能であるこ の原因を解明しサイドカップル空洞を採用した２号とを示したが初歩的段階であり密度分布と加速エネ 機を設計し振動問題が起こらないことを本コードをルギー、エネルギー幅の再現性の関係に課題は残る。 使用し現在製作を予定している。
今後２次元粒子コードによるシミュレーションおよびレーザー照射実験により本方式の可能性を検証し、これまで実施してきた強磁場中におけるレーザープ 参考文献
レパルス導入法で得た知見と小型実用機として最適 [1] M.Uesaka et al., Radi.Phys. Chem, 60 (2001)
な方式を見出し基礎技術を確立する。
[2] Y.Muroya et al., Nucl. Instr. Meth. A, 489 (2002)
3.

[3] 守谷宏範、修士論文、東京大学（2007）[4] J.Sasabe et al., Proc. 2005 Nucl. Instr. Meth. A, 528(2004)[5] H.Dewa et al., Proc of the 28th Linear Accelerator Meetingin Japan, 2003
[6] T. Hosokai, et al., Phys. Rev. E 67 (2003) 036407.
[7] T. Hosokai, et al., Phys. Plasmas. 11 (2004) L57.
[8] T. Ohkubo, et al., Phys. Plasmas. 13 (2006) 033110[9] K. Kinoshita, et al., Jpn.J.Apl.Phys. 45 (2006) 2757
[10] N. Hosokai, et al., Phys.Rev.Lett. 97 (2006) 057004[11] T. Natsui, et al, AIP Conf. Proc. 1099, pp. 75-78950 keV linac における等価回路解析

弊学原子力専攻では小型非破壊検査用 950 keV 電子 linac の開発を行っているが、on-axis カップリン
グの APS 型であり 250 kW 出力の 9.4 GHz マグネ
トロンを RF 源としている。80 mA の加速ビーム電流を目指し設計されたが実験において十分なビーム量が得られず、2.5 usec のビームパルス内において
ビ ー ム 電 流 量 の 振 動 が 観 測 さ れ た [11] 。 950 keV-22-