Proceedings of the 20th Linear Accelerator Meeting in Japan ( September 6-8,1995,Osaka Japan)

僉 -2 4GAIN MEASUREMENT OF A N INFRARED FREE-ELECTRON LASER AT THE INSTITUTEOF SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH, OSAKA UNIVERISTY
OkadaS” IshidaS,，HondaY” Kato R. andlsoyama G.
The Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka Universify
8A Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567, Japan
ABSTRACT
Free-electronlaser (FEL) experiments have been conductedwith the 38-Mo VL-bandelectron linac at the Instituteof Scientific and Industrial Research (ISIR)，Osaka University. The first lasing was observedin 1994 at wavelengths of32-40 fxm • In the present work the behavior of light in the optical resonator has been investigated by making
time-resolvedmeasurements of the output light from the FEL at a wavelength of 40 jirn. The output light was detectedwith a Ge:Be infrared detector which has a time resolution of 170 ns. The net gain of the FEL and the loss of theoptical resonator for one round-trip were measured as 58% and 6.2%, respectively. The highest output energy of theFEL in a micropulse so far obtained in the experiments is 75 /jJ.

阪大産研の赤外自由電子レーザーの増_ 率の測定
1•はじめにの値の約 2分 の 1に な っ た 。電子銃からパルス幅 4大阪大学産業科学研究所では、高強度の電子ビー

岬、 ピーク電流 600mA の電子ビームを、加速エネムを加速できる放射線実験所の 38 MeV Lバンドラ

ルギー 100 keVで入射した。電子銃の後に 2 台の 12イナックを用いて、赤 外 自 由 電 子 レ ー ザ ー （FEL)

分 の 1サ ブ ハ ー モ ニ ッ ク プ リ バ ン チ ャ ーの開発研究を行っている。 これまでの研究で、単(1/12-SHPB)と1台 の 1/6-SHPBが あ る 。電子銃から

バ ン チ ビー ムか らの 自発 放射光 増幅 型 FELを観測

入射する電流のピーク値は単バンチビームのそれした1〉。 また発振実験では、マイクロ波装置の動作成 6 年 3 〜4 月の実験において、波長 32 〜4 0 从mで最に 比 べ て 10 分 の 1以 下 と 低 い の で 、 2 番 目 の1/12-SHPBと3番 目 の 1/6_SHPBだ け を 運 転 す る 。 3番目の 1/6-SHPBはバンチ列の通過で誘起されるマ初の発振に成功した 2〉0 本研究では、波長4 0 叫!でイクロ波の時間変化を打ち消すように動作させる。

FELの 最 大 出 力 を 調 べ る実 験 を行 うと 共 に、高速型の赤外 光検 出器 を用い て FELの増幅率を測定し電子統より入射するビームのパルス幅を 4 [is と2 (isた。

ギースぺクトルの測定結果を図 2 に示す。後半のパ条件を調べてマルチバンチビームを発生させ、平とに変えた場合の、加速後の電子ビームのエネル
ルス幅 1.8 恥のビ一ムが比較的エネルギーがそろっており、 ウイグラーへ輸送される。 このパルス幅

2. 実験条件
FEL実 験 装 置 の 概 念 図 を 図 1に示す。 この図で
光 計 測 系 の 配 置 は 、分光 器によって FELの波長ス

れはFELの増幅回数となる。加速器システムおよベクトルを測定する時に使用した配置である。 発び各要素の動作条件の詳細は文献 3で報告した。

振実験で用いたマルチバンチビームの条件を表 1 に(Y646B,EIMAC)を持つものと交換した結果、加FELと光共振器のパラメータを表 1に示す。 ウィグラー内の3ケ所にビームプロファイルモニダを設置した。 ここでのビームの直径は約5 mmであった。

速後のマルチバンチビームの エ ミ ッ 夕ンスは通常光共振器の反射鏡は銅基板に金をコートしたもの

示 す 。 電 子 銃 を 直 径 8 mmの 小 口 径 の 熱 陰 極は光共振器中での光の往復時間の 49倍であ る。 こである。 下流側の反射鏡の中央には、光共振器か*Present Address: Nissin Electric Co., Ltd., Minamiku,Kyoto 601, JapanらFEL光を取り出すために直径 1 mm の穴を設けてある。 この反射鏡の2方向のあおり角は、ステッピ

ISIR Linac

表1cmB.
qjro

Electron BeamEnergy
17 - 19 MeV
Accelerator Frea.
1300 MHz
Micropulse Spacing
9.2 nsCharge/Micropulse
2 nC
Peak Current/Micropulse 50 A
Micropulse Length
30 - 40 ps
Macropulse Length、1.8 |xs
Energy Spread
1.8 - 2%Norm. Emittance
200 k mm • mrado0U JJ0D uouo+JWig^lerJ(uLI

10152025Energy (MeV)

図2

電子ビームと FELの条件

加速 後の 電子 ビ ー ム の エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ルの測定結果（
パルス幅 2 および4 岬 ）MagnetNd-Fe-B
Length1920 mm
Period Length
60 mm
Number of Periods
32K
1
Optical
Wavelength
32 - 40 \imCavity Length5532 mm
Radii of Curvature of the Concave Mirrors
Ml3384 mm
M22763 mm(Hole Radius 0.5 mm)Rayleigh Range 915 mm (at 40 p. m)
Radius at the Wiggler Center, w03.4 mm (at 40 ju m)

ン グ モ ー タ ー を 使い遠隔で調整できる。 反射鏡のにプラスチック製のパイプを用いて中に乾燥窒素あおり角の変化を高精度でモニタするために、を 封 入 し た 。 遠 赤 外 光 を 検 出 す る 液 体 He冷却

He-Neレーザーによる診断システムを設けた。 このレーザーは分割して、検出器までの FELの光路をGezBe[光検出器の感度は、黒体光源およびゥィグラー

示 す た め に も 利 用 し た 。FEL光を真 空容 器か ら取から使用していた時間分解能 3 恥の検出器に加えり出すための真空窓は厚さ 5 mm のKRS-5の板を用て、今回の実験では高速型 検出 器を用 いた 。単ノマいた。光の透過率は波長 40pm で42%である。出力

ン チ ビ ー ム か ら 放 射さ れ る自 発放射 光増 幅型 FELからの自発放射光を用いて実験的に調べた。従来

光は、金をコートした平面鏡と、凹面鏡を用いて、の単パルス光（
時間幅 30 ps程度と推定される） に加速器室から検出器が置かれた計測室へ輸送する。

対する高速型検出器の出力波形を図 3 に示す。 この空気中の水分による光の吸収を防ぐために、光路

図 よ り 高 速 型 検 出 器 の 時 間 分 解 能 は 170 ns

d(FWHM)で あ る こ と が わ か る 。 FELの強度を計測

u.

可 能な 値ま で減 衰さ せる ために 、光路にテフロンo.

o

S C I

3. FEL発振実験の結果と考察
波長 40 Jimに お いて 、FELの出力を測定しながoXsSIqjo

シートを挿入した。

Sら加速器の運転条件を変えた。 光共振器鏡から取^り出された FELの エ ネ ル ギ ー の 最大値は、 マ ク ロパ ル ス 当り 12 mJであった。 こ の 時 ミ グ ロパ ル ス での最大値はプ5 叫である。
発振波長 40 pm のFELの出力光の時間スぺクト•°-10ルを高速型の遠赤外光検出器で測定した結果を図 4に示す。 こ の波 形の 立ち 上が りか ら、FELの正味の増幅率（利 得 ）が求まり、電子ビームが通過し200400Time (nsec)
図3

波長 4 0 从mのピコ秒単パルス光に対する Ge:Be
赤外検出器の出力波形終えた後の減衰から光共振器中での光の損失が得られる。測定結果から、正味の FEL利得は 58%、光の損失は光共振器中での ‘1往復に対し 6.2%と計算さ0.6XIIU ^ U I
芒如I J J。

れた。 この正味の利得と損失の和 64%は、損失がない理想的な 条件 での FELの利得を表すと考えられる。 この値は、2次元モデルに基づく計算で得られた利得 70.6%と良く一致している。

0.4CAFELのミクロパルス波形は観測されていないので、FELのピーク出力 は直 接に は得 られ ない 。 ここ で ミ クロ パル ス幅 の推 定を 行う。FEL光がミクロパルス全体にわたり コ ヒー レ ン トになった場合に、 そのミクロパルス幅から波長スぺクトルの幅00が決まる。 FELの波 長ス ペク トル の半 値幅に 、実0.51.0

1.52.0Time (|isec)

測 値であ る 1.1%を適用すると、 ミクロパルス幅として9 ps が 得 ら れ る 。 このミクロパルス幅を仮定

図4す る と 、実験 で光 共振 器か ら取 り出 された FELの発振波長 4 0 从mでのFEL光の時間スペクトルピーク出力の最大値は 8.3 MWとなる。
発振実験中の電子ビームのミクロパルス形状は測 定し てい ない 。 加速器の運転条件によって FELである。 こ の 時 、 ミ ク ロ パ ル ス の ヒ ー ク 出 力 の 推定値は、8.3 MWである。の 出力は 大き く変化するので、今後パルス形状を産研の装置の条件は、 比較的長い波長での FELはじめとするビームに つ い て の 精度の良 い 計測が実驗に適している。今 後さらに FEL特性を詳細に必要である。

調べると共に、 波長域の拡大や安定性の改善をはかる予定である。

4 . おわりに
参考文献

産 研 Lバ ン ド ラ イ ナ ツ ク の マ ル チ バ ン チ ビ ー ム

によって波長 32-40 JimでFELの発振実験を行った。
高 速型の 遠赤 外 光検 出器 を 用い て FELの増幅挙動を調べた結果、波長 40 pmでの正味の利得は 58%、
光 共振 器の 損 失は 6.2%で あ った 。波長 4 0 卿 で 光共 振 器か ら取 り出 され た FELの最大のエネルギーは、 マ ク ロ パ ル ス で 12 mJ、 ミ ク ロ パ ル ス で 7 5 叫[1]S. Okudaet al., Nucl. Instr. and Meth., A331 (1993)
76.
[2] S. Okudaet al., Nucl. Instr. and Meth., A358 (1995)
244.
[3] S. Okudaet al.，Nucl. Instr. and Meth., A358 (1995)
248.

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