DEVELOPMENT OF AN ELECTRON BEAM BUNCH LENGTH
MEASUREMENT SYSTEMFOR THE TRANSMISSION-TYPE POLARIZED ELECTRON SOURCE
Takahiro Niwa #,A,B), Naoto Yamamoto C), Masato Hosaka C), Atsushi Mano C), Yoshifumi Takashima A,C) ,Taro Konomi B), Masahiro Adachi C), Masahiro Katoh B), Kazuyuki Sakaue D), Toshikazu Takatomi E)
A)
Graduate School of Engineering, Nagoya University,
Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi, 464-8603
B)
UVSOR Facility, Institute for Molecular Science,
38, Nishigounaka, Myodaiji-cho, Okazaki, Aichi, 444-8585
C)
Nagoya University Synchrotron Radiation Research Center,Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi, 464-8603
D)
Research Institute for Science and Engineering, Waseda University (RISE),3-4-1, Okubo, Shinjuku, Tokyo, 169-8555
E)High Energy Accelerator Research Organization,
Oho Tsukuba, Iraraki, 305-0801

Abstract
Recently, in order to produce a high brightness electron beam, a transmission type electron source, in which isdirection of the laser light is injected from the back side of the photocathode was developed. In the development of thesource, the high beam brightness of ~2×107A.cm-2.sr-1 was obtained and the polarization of ~90% was achieved.
However, the response time of the transmission type electron source is not evaluated. To evaluate the response time, weare developing an electron beam bunch length measurement system using a RF deflecting cavity. We designed a RF
deflecting cavity which operates in TM120 mode with 2612.9MHz. In the design of RF cavity, a simulation tool for 3-D
full-wave electromagnetic field HFSS was used and it is confirmed that obtained magnetic field is sufficiently high forthe measurement with bunch length of a few picosecond.

透過光型スピン偏極電子源のための電子ビームバンチ長測定システムの開発
1.

はじめに長や励起レーザーに対する時間応答性は未だ評価されてない。
その評価をするためにRF偏向空胴を用いた電子ビームバンチ長計測システムを構築することにし、空胴の設計を行った。
本発表では透過光型電子源の優れた性能を紹介すると共に、RF 偏向空胴の設計について報告する。

スピン偏極電子ビームは次世代の高エネルギー素粒子実験「国際リニアコライダー」を実現するための必須要素とされている。このスピン偏極電子源開発において名古屋大学では 90％を超えるスピン偏極電子ビームの生成に成功した[1]。
近年では従来型偏極電子源の高輝度化をめざし、透過光型スピン偏極電子源
励起レーザーをビームが生成するのと反対側から入 2.
射する背面透過光型スピン偏極電子源の開発を行っ
従来型は電子ビーム生成側からレーザーを照射した。この電子源の開発で高いビーム輝度を達成し、 てビームを取り出す反射型である。この場合、焦点さらに電子源設計の自由度上げることにつながった。 までの距離を長くせざるを得ず、レーザーを絞るこ
また、スピン偏極度としても従来型と遜色のない とが困難である。一方、透過光型は電子ビーム生成90％を達成することに成功した。この背面透過光型 の反対側からレーザーを照射し電子ビームを取り出
電子源は既に電子顕微鏡へ応用され、有用性も確か す。透過光型にすることで光学系をフォトカソードめられている[2]。のすぐ近くに置くことができ、レーザーを小さく絞
この電子源を高エネルギー素粒子実験に用いるに ることができるため従来型を大きく上回る輝度が達はピコ秒スケールのパルス性能を達成する必要があ 成できる。また電子ビーム生成側に光学系を置かなる。しかし、電子ビーム生成時に実現可能なバンチ いため電子銃の設計の自由度も高めることができる。
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niwa.takahiro@b.mbox.nagoya-u.ac.jp- 1100 -イルを測定することでバンチ長を求めることが可能である。バンチ長測定の原理を図 4 に示す。

図 1：反射型（a）と透過光型（b）の構造
透過光型にするためにはフォトカソードのデザインを変更する必要もあった。従来型では基板がGaAs だったが、エネルギーギャップがレーザーエネルギーよりも大きい GaP に基板を変更することでレーザーの透過を可能にした。
図 4：バンチ長測定原理図
このバンチ長測定でバンチ長 σz は、モニターのRF-off の時のビームサイズ σy0、RF-on の時のビームサイズ σy、空胴出口からモニターまでの距離 Ls、空胴内の最大磁束密度 B0、ビームが空胴に入射するときの位相 φ、電子ビームの速度 vz (=βc)などを用いて次式で求めることができる[3]。
図 2：透過光型のフォトカソード
透過光型 20 kV 高輝度電子銃の概略図を図 3 に示す。カソード電極から約 1 mm の距離に集束レンズを設置することでき、極小ビームをつくることができる。また、電子ビーム径を数ミクロンまでしぼることができるので、アノード電極の直径を 1 mmにして、電子銃チャンバーとアノード下流を真空的に切り離すことができ、実効的な差動排気チャンバーとなるため、ビーム生成中においてもフォトカソード周辺の真空を 10-9 Pa に保つことができる。

4.

RF 偏向空胴の設計

ビームバンチ長計測システムを構築するために
RF 偏向空胴の設計を行った。空胴の形状は直方体空胴にした。共振モードをビームの繰り返し周波数である 90.1 MHz の 29 倍となる 2612.9 MHz を選び、磁場を空胴の中心に発生させる TM120 モードを誘起するように設計を行った。
4.1

2 辺の長さ a,b

TM120 モードの共振周波数 f は、理想的な直方体空胴の場合となり、a ,bの2辺の組み合わせから決定できる。この2辺の決定にはまずQ0値を考えた。入力パワーが

図 3：20kV 高輝度電子銃

3.

RF 偏向空胴を用いたバンチ長測定

透過光型電子源のパルス性能を評価するために
RF 偏向空胴を用いたバンチ長測定システムの開発することにした。この測定方法は、高周波空胴内に、共振現象で誘起した電磁場で、電子ビームを横方向にキックし、時間方向の情報を空間情報に変換できる方法である。キックされた電子ビームのプロファ- 1101 -

図5：a辺とQ0との関係子にした。
一定ならば、適当に入力カプラの結合を調整するこ
図6にHFSSに入力した形状を示す。エンドミルでとで、Q0値が高いほど高いパワーが得られる。a辺加工すると仮定して空胴の角の部分は半径10 mmでとQ0値の関係は図5のようになる。
Q0値は空胴形状が正方形のときに最大値となるが、 丸めた。また、ポートと空胴の接合部分の角は放電を抑えるため0.5 mmの面取りを行った。
多少形状が変わっても差はほとんどない。正方形の場合TM120モードとTM210モードが縮退してしまうため、これを解くために長方形にする必要がある。
また、他のモードの共振周波数が近いとビームに他のモードから力が加わるだけでなく、モード間の干渉により位相歪を生じてしまうため、これも考慮してa,b長さを決定する必要がある。空胴にビームポート、RF入力アンテナ、モニターアンテナを取り付けると周波数が変化してしまうため、a,bの長さの決定は電磁場計算ソフトHFSS[4]で計算し行った。
図6：HFSSに入力した形状
4.2 ビーム軸方向の長さ Lc について
ビーム軸方向の長さ Lc は周波数とは関係なく決めることができるため、ビームが磁場から受ける力を考える。ビームが受ける力が最大になるのは空胴を入った時の位相と空胴を出るときの位相差が（奇数）× π の時である。よって Lc を RF の波長 λ と βを使って次式から決定することができる。

電子ビームのエネルギーは 20keV であるため β =0.272 である。m = 0 のときつまり Lc が RF 波長の半波長分のとき Lc = 15.64 mm , m = 1 のときつまり Lcが RF の波長の 1.5 波長分のとき Lc = 46.81mm となる。Lc = 15.64 mm だとチューナーの取り付けが難しい。また Lc = 46.81 mm の方が Lc = 15.64 mm よりQ0 値が約 2 倍大きくとれるため Lc は 46.81 mm に決定した。

5.

HFSS による詳細な設計

詳細な設計を行うためにAnsoft 社の３次元電磁場解析ソフトHFSS (High Frequency Structure Simulator)[4]を用いた。このソフトを使い、ポートのついた空胴の固有モードやQ値・共振周波数、Sパラメータを計算し、設計を行った。
透過光型電子銃は励起レーザーを絞ることが可能であり、高輝度電子ビームを生成するため、ビームポート径は小さくすることができる。ビームポートを小さくすると、ビームポートへ侵入する電磁場が少なくなるため、Q値・空胴中心磁場を大きくすることができる。ビームポートの径はφ 16 mmにし空胴の中心に取り付ける。
RF入出力ポートは、入力用ポートとモニター用ポートの２つのポートを設ける。空胴を励振させるには、伝送させるモードの電界あるいは磁界の一部と励振の電界あるいは磁界が一致させればよい。今回はTM120モードの電界とアンテナプローブからの電界を一致させ励振させることにした。RF入力用にはN端子、モニター用は低出力を扱うためSMA端HFSSの Solution Type をDriven Modal で計算をし、固有モードの周波数やカップリングを評価しながらポートの位置、アンテナの長さ、直方体の辺の長さなどを微調整した。境界条件は銅に指定し計算を行った。
5.1

RF 入出力ポート

RF入出力ポートの位置は電場が最大の位置に設置すれば結合効率は最大になるが、Q値を落とすことになるため位置はビームポートに対して少し外側にずらした方がいい。実際に電場が最大の位置（ビームポートから32.5 mm）に取り付けた場合とビームポートから40 mmに取り付けると場合では外側にずらした方がQ値は約1000高かったため、RF入出力ポート位置はビームポートから40 mmの位置にした。
入力ポートは、直径2.4 mmのアンテナが直径7mmの穴から空胴内部に突き出す格好になっている。
アンテナの空胴内部への突出し量（空胴壁面からの距離）はQext とQ0 と一致させて β = 1になるように調整するのが最適である。β はポートのSパラメータから計算し求めることができる。調整を行った結果突出し量1.6 mmのときβ1 = 1.04になり、この突出し量に決定した。このとき入力ポートの S11パラメータを図7に示す。

- 1102 -図7：S11パラメータ

モニターポートは、直径1.6 mmのアンテナが直径4.8 mmの穴に突き出す格好になっている。モニター
ポートの β は小さい方が望ましいため、アンテナの長さは空胴内部に突き出さず空胴壁面より引っ込めたほうがよい。空胴壁面からの引っ込み量を1.4mmのときβ2 = 0.002となった。このときのS22パラメータを図8に示す。

図10：空胴中心のy方向電場分布

図8：S22パラメータβ2の値は小さいがS12パラメータで透過パワーを見ると-25.8 dBであった。これはモニターで十分検出できる量である。そのため引っ込み量1.4 mmに決定した。
5.2

図11：空胴中心のy方向磁場分布

周波数調整

空胴の周波数変化は理論式から a 辺の長さ 10 μm変化で約 50 kHz 変化、b 辺の長さ 10 μm 変化で約160 kHz の変化となり、HFSS の計算でもほぼ同じになった。これを基準にし、2612.9 MHz で TM120モードの電磁場を誘起するように a 辺、b 辺の長さ調整し、周波数の合わせこみを行った。
調整した結果 a =121.01 mm、b=129.98 mmのとき周波数を合わせることができた。このときのS12パラメータ図9に、空胴内中心のy方向の電場分布を図10に、磁場分布を図11に示す。この結果から2612.9
MHzでTM120モードの電磁場が誘起されていることがわかる。S12パラメータから負荷時のQ値（QL）を求めるとQL = 10327となった。この値とカップリングβからQ0を求めるとQ0 = 21087となり、理論値とほぼ同じ値となった。

Solution Type をEigenmodeで計算し、近傍のモードの共振周波数を調べ、表1にまとめた。近傍のモードの共振周波数は十分に離れているため、問題ない。
表1：近傍モードの共振周波数
Mode2
モード
Mode1
Mode3(TM120)
共振周波数1694.772612.993427.19(MHz)6.

チューナーについて

空胴に周波数調整のためのチューナーを取り付けた。チューナーは空胴壁の一部を薄く作っておき、その部分の壁を取り付けたピンで押し引きすることで、周波数の調整ができるものである。ピンはハンマーで動かす。このチューナー1 本で 150 kHz の周波数の調整が可能である。チューナーは共振モードの電場の誘起される位置に取り付けるのが最適である。そのため、TM120 モードを考慮し a 辺に 1 本ずつ、b 辺に 2 本ずつ計 6 本取り付けた。

7.

横方向磁場のビームキック量

RF 入力ポートから 1 W 入力時の空胴内のビーム軸上の磁場強度を図 12 に示す。最大磁場は 125A/m（ = 1.6 G）となった。
図9：S12パラメータ- 1103 -トールし、バンチ長測定を行う予定である。

謝辞
本研究の一部は 日本学術振興会科学研究費基盤研究(C) No.11007344（財）による助成(代表者 山本尚人) で行った。

参考文献
図 12：ビーム軌道上の磁場強度
偏向空胴を磁場のゼロクロス近傍のタイミングで用いれば、モニターでの垂直方向の大きさは次式で求めることができる。

[1] T. Nakanishi, The XXI International LINAC Conference(1998)[2] N.Yamamoto, et al., Proceedings of the 8th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan (August 1-3, 2011,Tsukuba, Japan)[3] Kazuyuki Sakaue, et al “Electron Beam Bunch Length
Measurement Using Higher Mode RF Cavity”
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj2_lam30/Proceedings/
20P089.pdf[4] http://www.ansoft.co.jp/index.php?pid=faWV7

バンチ長 σz = 20 ps の場合は 4W 入力で約 3G の磁場を発生させれば、蹴り角は 1 mrad となるため、モニター位置 0.3 m とするとビームサイズに対して約 3 倍の拡がりが実現できる。
空胴へ入力可能な最大パワーは RF アンプの最大出力 46 dBm（約 40 W）であり、この場合ビーム軌道上最大磁場は 790 A/m（ = 9.9 G）である。この場合バンチ長 σz = 20 ps に対して 6.7 mrad の蹴り角が実現できる。
今回の RF 偏向空胴の設計値を下の表にまとめた。
表2：RF偏向空胴設計値
共振周波数2612.9 MHz

共振モード

TM120

a 辺の長さ121.01 mmb 辺の長さ129.98 mm

Lc の長さ46.81 mm

ビームポート径 φ16 mm

入力ポートのカップリング β1
モニターポートのカップリング β2

1.04
0.002

QL 値

10327

1W 入力時のビーム軌道上の最大磁場強度 B0125 A/m（1.6G）

8.

まとめと今後2612.9 MHz で TM120 モードを誘起する偏向空胴の設計を行った。
現在はこの偏向空胴の製作を行っている。空胴には冷却用パイプを取り付ける予定である。
今後は測定系（Faraday cup と Picoammeter）を構築し、空胴を製作した後、ビームラインにインス- 1104 -