Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

ERL 試験加速器入射部における光陰極電子銃用レーザーシステムの開発
PHOTO CATHODE LASER SYSTEM FOR COMPACT-ERL INJECTOR
本田洋介 ∗A) 、宮島司 A) 、コンパクト ERL コミッショニンググループ B)
Yosuke Honda∗ A) , Tsukasa MiyajimaA) , Compact ERL commissioning groupB)
A)
High Energy Accelerator Research OrganizationB)
KEK / JAEA / Hiroshima university

Abstract
Commissioning operation of Compact-ERL injector has started in KEK. It consists of a photo-cathode electron gun,a super conducting accelerator, and a beam diagnostic line. Development of the photo-cathode laser system is one of thekey in the accelerator system. Beam quality, stability, and operational mode depend on the photo-cathode laser system. Alaser transport system from the laser room to the gun cathode has been made at the final time of the construction. In thefirst commissioning period, the laser system have shown a good enough performance for the beam operation. In order torealize an ideal beam profile, we did spatial and temporal shaping of the laser pulse and tested with a beam.

1.

はじめにエネルギー回収型線形加速器 (ERL) は、大平均電流、低エミッタンス、短バンチ、を実現できる次世代の加速器である。KEK では、その将来の放射光源への応用を目的の一つとして、開発を行ってきており、試験加速器(コンパクト ERL) を建設している。目標は、建設を通じて要素技術の開発を行い、実際の運転の形態において動作実績を蓄積することである。また同時に、建設とビームコミッショニングを通じて人と組織を育て、将来の実機の建設の準備をすることも重要な目的である。
線形加速器では、ビーム性能は主に電子源の性能で決まる。コンパクト ERL では、光陰極 DC 電子銃を用いて高繰り返しの低エミッタンスビームを生成する設計である。特に光陰極を励起するレーザーシステムは、電子の発生点と時間構造を制御し、加速器全体の性能と安定性に関わる重要な要素である。
2013 年 4 月より、コンパクト ERL 入射部の運転が開始された [1] [2] 。レーザー装置自体の報告は既になされている [3] ので、ここでは、実際の加速器のコミッショニング運転におけるレーザーシステムの実装についてまとめる。

2.

レーザーシステム

2.1

ビーム運転モードTable 1: Beam operational mode for beam diagnostics.
Parametervalue

バンチの基本繰り返し

1.3 GHz

バンチ電荷∼7.7 pC/bunch

マクロパルス繰り返し

5 Hz (Typ.)マクロパルス時間幅

1 s (Typ.)マクロパルス立ち上り (立ち下り)

10 ns

マクロパルス内バンチ数

1300

Macro-pulse width 1µstransient 10ns

ERL 加速器は、本来は CW 運転を目標としている。
しかし、現段階のコミッショニングにおいては破壊的な方法でビームの診断を行う必要がある為、マクロパルスモードで運転を行った。このモードでは、加速空洞のRF や電子銃の高電圧は CW 運転状態であるが、電子銃カソードの励起レーザーを制御して、ビームの時間構造を変更する。
Table 1 および Figure 1 にビーム構造についてまとめる。レーザー装置 (とくに発振器周辺やタイミングシステムに) に大きな変更無しに、本来の繰り返し 1.3 GHz
での CW 運転との間の切り替えが出来るように、ビー
ムの基本繰り返しは 1.3 GHz としている。これを、あ∗ yosuke@post.kek.jp

る時間幅に切り取ることで平均パワーを制限し、調整時にビームを全損失しても問題が生じない程度とする。
ビーム調整において、繰り返しは 5 Hz で必要十分とし、また、ビーム負荷による電子銃や空洞の電圧変動が無視出来るように 1 µs のマクロパルス幅とした。バンチ電荷はマクロパルス内で一定であることが望ましいが、切り出しの立ち上がり下がりの寄与は十分小さい。また、デュティが 5×10−6 と非常に小さいが、切り出しの消光比はこれにたいして十分小さくなければならない。

10nstime
Macro-pulse repetition rate 5 Hz (typ.)Figure 1: Beam structure in the macro-pulse mode.

2.2

レーザーシステム

Figure 2 にレーザー装置の構成を示す。繰り返し 1.3GHz、波長 1064 nm、のモードロックレーザー発振器
をシード光として用いる。発振器のパルス幅は 8 ps- 769 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)(FWHM) である。発振器は、加速器の RF システムと位相同期されており、基準信号にたいするタイミングジッタは 0.3 ps (RMS) と評価されている。これを 2 段
階の Yb ファイバ増幅器 (プリアンプとメインアンプ) で増幅する。これらは CW 運転できるように作られているが、現時点では必要となっていないので、メインアンプは時間幅 1.6 ms のパルス動作で運用している。
マクロパルス切り出しは、ポッケルスセルによるゲートシステムで実現される。ビームトリガ信号を受けて、メインアンプの出力から 1 µs の時間幅だけを切り出す。
これが非線形結晶 (NCPM-LBO) に入射され、2 倍高調波である波長 532 nm に変換される。切り出しの消光比を稼ぐため、532 nm においてもポッケルスセルゲートシステムでもう一度切り出しを行う。メインアンプがパルス動作している事も踏まえて、消光比は 10−9 以上と見積もられている。
今回のビーム運転では、十分にパワーに余裕をもってビーム運転が出来るように、メインアンプの後段、基本波での切り出しの後に、バースト増幅器を追加した。
Nd:YAG のロッド結晶による増幅器で、パルス動作しか対応できないものである。
生成された、波長 532 nm のレーザー光は、パワーの調整と、後述のパルス時間幅の整形を行ったうえで、レーザー室から加速器室へ輸送される。また、加速器のインターロックシステムに連動してレーザー光を停止するシャッターシステムも備えられている。1 µs の時間内に高速に動作するポッケルスセル電気シャッターと、確実に光を遮る機械シャッターが併用される。

3.

SoleD

ode

cath

lens

position adjusting
power monitor
virtual cathodepinholereducertransport path :13 m

Accelerator shield wall
Laser room
expanderFigure 3: Laser transport line.

long drift space
expander(xM)

reducer(x1/M)

L

Figure 4: Optics for laser transport.

レーザー光の輸送

Figure 4 に示す光学系を構成した。倍率 M で拡大したうえで長い距離 L を輸送し、最後に 1/M に縮小するものである。出射側から見て実効的な光路長が ∼ L/M 2になる。ここでは、M = 3 の設計としており、実効的に 1.5 m 程度の輸送と同等である。
3.2

noid dump

noidSolenC Gu

レーザー輸送システム

加速器のコミッショニングを行う上で、プロファイルが一定で安定したレーザー光をカソードに供給することは、非常に重要である。レーザー室から電子銃まで
Figure 3 に示す輸送経路が構成されている。レーザー室からの長い距離を輸送する部分と、プロファイルを決めてカソードに転送する部分とから成っている。

3.1

her

Bunc

カソードへの転送

プロファイルを良く定義するために、輸送後のレーザー光は、一旦、ピンホールで円形に切り取ったうえでカソードに像転送している。Figure 5 の光学系で、ピンホールが倍率 1 でカソードに結像する。ピンホールの直径は 1.2 mm で、全レーザーパワーの約 1/3 がピンホールを通過する状態である。
輸送系の最後の光学テーブルには、結像用のレンズの他、スポット位置を上下左右に調整する可動ミラー、レーザー光を一部サンプルしパワーをモニタするフォトダイオード、および、カソードと同等の距離に置かれたCCD カメラによるプロファイルモニタが設置されている。Figure 6 は、このプロファイルモニタで測定したカソード上のレーザープロファイルである。ピンホールで切り取られた円形が確認できる。(回折構造が見られるのは、設置の都合で結像条件が完全には合っていない為である。)
ビーム運転中のレーザーパワーの安定性のデータをFigure 7 に示す。変動の原因は、ピンホールに到達するレーザー位置の揺らぎで、変動量は 5 %(RMS) 程度である。

4.

パルス時間構造の整形

空間電荷効果を低減させるため、電子銃においては、平坦な時間構造で時間幅の長いビームを生成するのが望ましい。対応する時間構造のレーザーパルスを生成する必要がある。レーザーシステムでは、時間構造はガウス型で比較的時間幅の短いパルスが生成されるが、これを時間整形し、平坦パルス化した。
Figure 8 に示す、複屈折結晶を用いたパルス重ね合わ- 770 -lens
f (=0.75m)

pinhole2f (1.5m)

cathode2f (1.5m)

Figure 5: Optics for profile imaging.

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

HWP

PD

HWP

Temporal shaping
mechanicalshutter

QWP

LBO
PBS

PBSPDPD
PBS

PBS

PBS

Gatepowercontrol
(HWP)

PBS

Gate

PD

HWP

PD

PD

PBS

Burst Amp.
Nd:YAGPD

HWP

Pre-Amp.
expanderElectrical
shutter

Main-Amp.

DC-200-40-PZ-Yb

referencecavityPDmechanicalshutter

LD
100W
976nm

LD25W
976nm

diagnostics
HWP

DC-200-40-PZ-Yb

referencecavity

HWP
PBS

SWP
SWP

oscillator
1.3GHz, 1064nm

LWP

PBS LWP

Nd:YVO4
passive modelock

ASE
filtermonitorLWP

PBS LWP

SWP

ASE
filteralignment
laser path

SWP

monitormonitorHWP HWP PBS

Figure 2: Setup of the laser system.

Output of photo-diode laser power monitor [V]

21.5

10.500500

1000

1500

2000

2500
3000
time [sec]

laser
h1

Figure 6: Laser profile at virtual cathode CCD camera.

Entries
3008
Mean
1.692
RMS0.07443
2
χ / ndf
400.2 / 22
Constant
590.4 ± 15.3
Mean
1.706 ± 0.001
Sigma
0.05288 ± 0.00090

1000

800

50 min. statistics
jiter: 4.3% RMS

600400せの手法を利用した。直線偏光のレーザーパルスを、結晶の固有軸にたいして 45 度傾けて通過させると、それぞれの偏光成分が異なる速度で結晶を通過し、時間的にずれた 2 つのパルスになる。今、厚みが 11.6 mm と5.8 mm の 2 枚の YVO4 結晶を同時に使用することで、4 つのパルスに分解されたものが滑らかに繋がって平坦な時間構造になるようにした。

5.6 MeV まで加速後のビーム診断部において、電子ビームのバンチ長を測定できる [2] 。バンチャーがオフで、加速空洞がオンクレスト条件であれば、初期バンチ長をそのまま確認できる。
Figure 9 は、時間整形を行わない時のバンチ長測定の結果である。RMS 時間幅が 3.3 ps のガウス型の構造であることが確認出来る。Figure 10 は、2 枚の複屈折結晶を使用し、平坦構造を作った結果である。15.7 ps(FWHM) の平坦構造が実現できた。

200000.5

11.522.53

Output of Laser power monitor [V]Figure 7: Stability of laser power.

5.

ビーム運転状況必要とされるレーザーパワーは、カソードの量子効率 (QE) に依存する。運転期間中に測定した、レーザーパワーのモニタと、ファラデカップによって測定したビーム電流値から、量子効率を見積もった結果を Figure11 に示す。現状の運転形態であれば、概ね量子効率 3.5%を維持出来ており、バンチ電荷 7.7 pC/bunch を生成するのに十分なレーザーパワーを余裕を持って供給出来ている。
レーザー室の構成について、Figure 12 に示す。空調- 771 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

10

neinput pulse

Quantum efficiency [%]nooutput pulse
birefringent crystal

8high bunch charge operation

64

Figure 8: Scheme of temporal shaping with a birefringent
crystal.

high current operation
for radiation inspection

Cathodeactivation
measurement
at the activation chamber

204/15

5/15 5/21

5/29

6/12

6/21

time

intensity [arb.u.]

50000
45000

χ2 / ndf

calibration: 2.86 pixel/ps(Deflector OFF: σ=1.64 pixel)

40000

197 / 197

A

3.761e+04 ± 479.3

b299.2 ± 0.1345

σ9.245 ± 0.1385

d1708 ± 126.6

Figure 11: Trend of cathode quantum efficiency.
heat insulator

35000

Hall

Laser room
temp. sensor
for air control

30000

HEPA filter

25000
3.3 ps (RMS)

20000

clean booth

15000

electronics
rack

precision
air conditioningunit
LD

10000
5000
fiber

0200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400position [pixel]

laser table

Figure 9: Bunch length measurement without temporal
shaping.
設備が無い実験ホールに、断熱材で構成したレーザー室を設置した。レーザー室内部にクリーンブースを設置し、その中を精密空調する構造とした。これまでのビーム運転において、気温が急に上昇した日に、レーザー室の温度が制御しきれなくなり、レーザー発振器が不調になったことが一度だけ有ったが、その後、断熱材の強化と空調設定温度の再調整の対策をした結果、室温変動は 0.2 度以内に抑えられ、安定な運転を行う事が出来ている。

6.

まとめ

コンパクト ERL 加速器のコミッショニング運転に供するため、レーザーシステムを立ち上げた。コミッショ

intensity [arb.u.]

25000

χ2 / ndf

calibration: 2.86 pixel/ps(Deflector OFF: σ=1.64 pixel)

20000

15000

134 / 134A

1.084e+04 ± 332.3b278.3 ± 1.13

σchiller(LD)chiller(fiber)

Figure 12: Environment control of the laser room.
ニングは、マクロパルス運転で行っており、この運転モードにおいてバンチ電荷 7.7 pC/bunch を安定して生成している。パルスの時間整形によって平坦な長パルス構造を生成することも出来ている。CW モードでの高出力運転が次の課題である。

参考文献[1] Y. Honda et al., TRANSVERSE BEAM PERFORMANCEMEASUREMENT AT COMPACT-ERL INJECTOR , 第10 回日本加速器学会年会, 名古屋大学, 2013, SUPO10[2] Y. Honda et al.,LONGITUDINAL BEAM PERFORMANCE MEASUREMENT AT COMPACT-ERL INJECTOR , 第 10 回日本加速器学会年会, 名古屋大学, 2013,
SUPO11[3] Y. Honda et al.,DEVELOPMENT OF A PHOTOINJECTOR LASER SYSTEM FOR KEK ERL TEST ACCELERATOR , 第 9 回日本加速器学会年会, 大阪大学,
2012, THPS120

12.56 ± 0.8725

d1294 ± 128

A21.034e+04 ± 617.3

b2304.6 ± 0.8731

σ29.285 ± 0.6029

10000

15.7 ps(FWHM)

5000

0220

240

260

280

300

320340360
position [pixel]

Figure 10: Bunch length measurement with temporal shaping.

- 772 -Figure 13: Temperature trend of the laser room.