Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-FSP012

兵庫県立大学 15MeV 線型加速器 LEENA 施設報告
PRESENT STATUS OF 15MEV ELECTRON LINEAR ACCELERATOR LEENA AT
UNIVERSITY OF HYOGO橋本智#, A), 小林花綸 A), 川田健二 A) , 皆川康幸 B), 竹村育浩 B) 天野壮 A), 宮本修治 A)
Satoshi Hashimoto#, A), Karin KobayashiA), Kenji KawataA), Yasuyuki MinagawaB),
Yasuhiro TakemuraB), Sho AmanoA) and Shuji MiyamotoA)
A)
Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry, University of HyogoB)
Japan Synchrotron Radiation Research InstituteAbstract

The 15MeV electron linear accelerator LEENA at the NewSUBARU synchrotron facility of University of Hyogo has
been upgraded towards tunable and high-power tera-hertz (THz) light sources using relativistic electrons. Recently weinstalled a solenoid coil for electron beam focusing and an OTR monitor for precise beam profile measurement. And
also we constructed a THz beam-line for user experiments. In this paper we report these upgrades and recent
operation status of LEENA.

1.

はじめに兵庫県立大学高度産業科学技術研究所はニュース
バル放射光施設内に小型線型加速器 LEENA を有する[1]。老朽化・旧式化した加速器ではあるが相対論的電子ビームを用いたテラヘルツ光源の開発とその利用に向けて、平成 24 年から加速器の改修を行っている[2-5]。
LEENA 加速器の概要図を図１に、主なパラメータを表１に示す。熱電子 LaB6 陰極を用いた RF 電子銃で生成した電子ビームはアルファ電磁石で短バンチ化され、定在波加速管で 15MeV まで加速される。直線部には現在スミス・パーセル放射用の金属グレーティングが設置されている。これまでに制御系・モニター系などの更新・高度化を行い、テラヘルツ光源として偏向電磁石からのシンクロトロン放射およびスミス・パーセル放射の観測に成功した[46]。
現在はコヒーレント放射による大強度テラヘルツ光の発生とその利用の実現に向けて更なる加速器の改修を行っているが、装置が抱えるいくつかの問題を解決するためにこの一年間に行った主な改善・高度化は以下のとおり。(1) RF 電子銃下流に水冷式ソレノイドコイルを設置し、空間電荷効果によるビーム発散を補正しビーム輸送効率の改善を図った。(2)ビームプロファイルのより高精度な計測のためにOTR モニターの設置と画像処理システムの開発を行った。(3) 加速器遮蔽トンネル壁に貫通孔を設けて、光学系により隣室まで THz 光を導くビームラインを設置し利用実験ができるようにした。
平成 25 年 11 月に定期検査を無事終了したが、平成 26 年 2 月に長年使用していたクライストロン
PFN 充電用の高圧電源が故障したため現在修理中である。本報告では最近の LEENA 加速器の改造の概要および運転の現状について報告する。

Figure 1: Layout of LEENA accelerator.
___________________________________________# hashi@lasti.u-hyogo.ac.jp- 353 -

Table 1: Main Parameters of LEENA Accelerator
Beam energy

6 – 15MeV

Macro pulse current

100mA

Macro pulse width

5μs

Repetition rate

1-10Hz

RF frequency

2856 MHz

Normalized emittance< 10πmm-mrad

Energy spread<±0.5%@15MeVElectron gun

RF gunCathodeLaB6 (thermal)

THz radiation sources

Bend, Smith-Purcell

Radius Curvature (BM3)0.2m

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2.

ソレノイドコイルの設置

ビーム運転上の問題の一つが RF 電子銃直後の低エネルギー領域におけるビームの発散であった。これを解決するためにソレノイドコイルを設計・製作し（図２）、RF 電子銃の 10cm 下流に設置した。コイルはホローコンダクタによる水冷型で起磁力22500AT、最大電流 300A、磁場強度 0.37T である。
RF 電子銃カソード表面での漏れ磁場を小さくする
た め に 外 周 は 厚 さ 5mm の 鋼 板 で 覆 わ れ る 。
POISSON を用いた軸対称二次元の磁場分布計算結果を図３に示す。ソレノイドコイルの調整により加速器下流におけるビーム輸送効率の顕著な改善を確認した。

Figure 2: Water-cooled solenoid coil for LEENA.

Figure 3: Magnetic field calculated with POISSON.

3.

OTR モニターの開発

これまでビームプロファイルモニターとして蛍光スクリーンモニターが 3 台設置済みであったが、蛍光スクリーンモニターは残光が大きく、連続使用し(a) OTR image focused on the aluminum film and its
vertical distribution.

Figure 4: Image acquisition system of OTR.ていると実際のビームサイズよりも見かけ上、大きく見える為、より高精度な計測に向けて新たにOTR(Optical Transition Radiation)モニターを製作し加速管下流に設置した。
厚さ 12μm のアルミニウム薄膜を圧縮空気駆動の直線導入器でビーム軌道上に挿入する。発生したOTR 光は水晶結晶窓を通して大気中へ取り出してハーフミラーでビームサイズと角度広がりが同時に計測できる様に二分割した後、二台の IEEE1394 デジタルカメラで観測する。遮蔽室内の二台の CCD
カメラは組み込み制御機器（National Instruments 社製 CVS-1450） に接続し制御 される。ビー ムトリ
ガー信号に同期してマクロパルス 5μs の OTR 光のCCD 画像を取得し、関心のある領域のみを切り取ったデータを PC へイーサネットを経由して UDP にて転送する。データ転送速度は 10 frames/s であるので、マクロパルス繰り返し周波数 10Hz に対応できる。
LabVIEW を 用 い て 開発し た 画 像 解析 ア プ リケ ーションにより、リアルタイムでマクロパルス毎のビームサイズ、角度広がり、エミッタンスを計測することができる。
加速管下流に設置した OTR モニターで計測した
ビームサイズは水平／垂直方向に 0.8／0.24mm であり、角度広がりは水平／垂直方向に 52／11.5mrad であった（図５）。正規化エミッタンスは水平／垂直方向に 13.2／11.5 πmm・mrad であり、アルファ電磁石導入前の設計値 10πmm・mrad とほぼ一致する。
今後は OTR モニターの台数を増やしつつ、これらのモニターを用いてビームの最適化を図る予定である。

(b) OTR image focused on infinity and its verticaldistribution.

Figure 5: Image-processed OTR images and its vertical distributions; (a) beam spot measurements and (b) beam
divergence measurements.

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4.

THz ビームラインの建設

3.2発生したテラヘルツ光はこれまで加速器収納部内でしか計測せざるを得なかったため、計測器の調整の度に加速器を停止してトンネル内に入室しなければならず、手間がかかる上に利用実験は困難であった。このため、遮蔽コンクリート壁に貫通孔を開けて、補助遮蔽を設置した上で二枚の曲面ミラーで集光しながらテラヘルツ光を隣の実験室まで取り出せるビームラインを設置した。
テラヘルツ領域のシンクロトロン光は水晶結晶窓で大気中に取り出され、大気中を伝搬する。今後、窒素パージ可能な仕様に変更していく予定である。
簡易型とはいえビームラインの建設によりテラヘルツ波のプロファイル計測の他、将来のユーザー利用が可能になった。

今後の予定

当初予定していたアルファ電磁石による短バンチ化とコヒーレント放射による大強度テラヘルツ光の発生に向けた調整はクライストロン電源故障のため実験が遅れているが復旧後に実施する予定である。
図８に GPT で計算したアルファ電磁石内での電子ビームのバンチング過程を示す。

Figure 8: Electron beam bunching at the alpha magnet.
Figure 6: THz beam-line at LEENA.

謝辞
LEENA 加速器の運転管理に関して多大なご支援を頂きました後藤俊治 JASRI 加速器部門長および大熊春夫前部門長に深く感謝致します。またスミス・パーセル放射等の理論面でご協力頂きましたレー
ザー技術総合研究所の李大治研究員に感謝いたします。OTR モニターの整備は兵庫県立大学科学技術後援財団による研究助成を受けて実施しました。

参考文献
Figure 7: THz beamline and optical bench in the user
experimental room.

5.

運転状況と今後の予定

3.1

運転状況

平成 25 年 11 月に無事、5 年に一度の施設定期検査に合格したが、その後徐々に出力ビーム電流が低下し、翌年 1 月には全くビームが出なくなった。RFクライストロン波形の異常も見られた。原因はクライストロン PFN 充電用の高圧電源（旧 Maxwell 社製）の故障であった。国内メーカーの代替品への変更も検討したが予算の関係上、断念し故障電源を米国へ送付しメーカーによる修理中である。

[1] http://www.lasti.u-hyogo.ac.jp/NS/facility/leena/[2] S.Hashimoto, et al., “小型電子線形加速器 LEENA のアップグレード計画”, Proceedings of the 8th Annual Meetingof Particle Accelerator Society in Japan, Tsukuba, 2011[3] S.Hashimoto, et al., “ 兵 庫 県 立 大 学 電 子 線 型 加 速 器
LEENA の 現 状 と 性 能 向 上 ”, Proceedings of the 9th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society in Japan,Osaka, 2012[4] S.Chin, et al., “小型線形加速器 LEENA を用いたテラヘルツ光源開発”, Proceedings of the 9th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society in Japan, Osaka, 2012[5] S.Hashimoto, et al., “小型線形加速器 LEENA におけるテ
ラ ヘ ルツ 光 源開 発 ”, Proceedings of the 10th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society in Japan, Nagoya,2013[6] 橋本他, “小型電子線形加速器 LEENA を用いたテラヘルツ光源開発 ”, 電気学会論文誌 C, vol. 134, No.4,pp.495-501, 2014

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