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

PASJ2014-FSP019

日大 LEBRA 電子線形加速器の現状
STATUS OF ELECTRON LINAC OPERATION AT LEBRA IN NIHON UNIVERSITY野上杏子#, A), 早川建 A), 田中俊成 A), 早川恭史 A), 境武志 A), 中尾圭佐 A), 稲垣学 A), 高塚健人 A), 長島涼子 A),
佐藤勇 B), 榎本收志 C), 大澤哲 C), 福田茂樹 C), 設楽哲夫 C), 古川和朗 C), 道園真一郎 C), 土屋公央 C),
吉田光宏 C), 山本樹 D)#, A)A), Ken Hayakawa , Toshinari Tanaka A), Yasushi Hayakawa A), Takeshi Sakai A), Keisuke Nakao A),Kyoko NogamiA)
Manabu Inagaki , Kento Takatsuka A), Ryoko Nagasima A), Isamu Sato B), Atsushi Enomoto C), Satoshi Ohsawa C),
Shigeki Fukuda C), Tetsuo Shidara C), Kazuro Furukawa C), Shinichiro Michizono C), Kimichika Tsuchiya C),
Mitsuhiro Yoshida C), Shigeru Yamamoto D)
A)
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon UniversityB)
Advanced Research Institute for the Sciences and Humanities (ARISH), Nihon UniversityC)
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)D)
Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract

The near-infrared free electron laser (FEL) and parametric X-ray (PXR) at Laboratory for Electron Beam Researchand Application (LEBRA) have been served for a variety of users’ experiments. Since the beginning of thecollaboration with AIST in 2012, development of the terahertz-wave coherent synchrotron radiation source was greatlyadvanced; the terahertz beam was constructed to share part of the FEL optical beam line and has been served for user'sexperiments. The 125-MeV electron linac operated approximately 1890 hr in 2013. The electron beam acceleration time
was approximately 800 hr, which is about 30 % shorter than that in 2012 due to nearly four months of aging required ofa klystron before stable operation. A vacuum leak was found at the ceramics vacuum tube located upstream of theaccelerating tube. The FEL resonator mirrors installed in 2012 are still in use. Though no serious damages have been
seen around the coupling hole of the output mirror, the FEL output power in the region of the wavelengths shorter than2000 nm has been decreasing since the beginning of fiscal 2013.

1. はじめに日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）では、2004 年の共同利用開始以来、125 MeV 電子線形加速器を基に発生させた自由電子レーザー（FEL）とパラメトリック X 線（PXR）を光源として、近赤外FEL（1300～6000 nm）と非線形光学結晶を用いたその可視光領域高調波（400～800 nm）及び 5‐34 keVの PXR の学内共同利用が進められてきた[1]。また、2012 年度に THz 光の取り出しビームラインを整備し、以来基礎実験に加え THz 光源を利用した応用実験も増えている [2][3] 。リニアック電子銃のバーストモードビーム引出しが可能となってからは、通常のマクロパルスモード（フルバンチモード）とバーストモードの重畳加速による高い FEL 発振強度を利用した実験が多く行われている。

2. 加速器稼働時間とビーム・光源利用

Figure 1: Statistics of the monthly machine operation
time in terms of the klystron heater power supplies, thehigh voltage applied on the klystrons, and the beamacceleration, respectively.

2013 年度の月別加速運転時間の推移を Figure 1 に 行っているため、他の月より運転時間が短くなって示す。図では各月のクライストロン 1 号機および 2 いる。さらに 2013 年 9 月から 12 月にかけて電子号機の通電時間（青）、1 号機高圧印加時間（赤）、 ビーム加速時間が短くなっているのは、クライスト
2 号機高圧印加時間（緑）、ビーム加速時間（黄） ロン 1 号機の交換を要する故障の影響である。2013
が示されている。例年 8 月は夏期休業があり、この 年度における加速器の稼働日数は 193 日、加速器運時期を利用して時間を要するメンテナンスや工事を 転時間は 1890 時間と例年とほぼ同程度の稼働時間___________________________________________# nogami@lebra.nihon-u.ac.jpがあったにもかかわらず、電子ビーム加速時間は約- 380 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-FSP019

800 時間と非常に短くなった。Figure 2 に利用目的別のクライストロン通電時間の割合（外円）と電子ビーム加速時間（内円）を示す。2013 年度はクライストロンの故障もありエージングにかける時間が多かった。また、これに伴い FEL を安定に発生させるためのエージングおよび調整の時間も多い。これに対し PXR や THz 光は比較的安定に供給ができるた
め、調整にほとんど時間をかけていないことがわかる。

電圧で高圧を印加しても、RF 出力パワーは交換前より低くなっていた。集束コイルの電流値の組み合わせを様々試したが良いパラメータが見つからず、結局、設定印加電圧は変更せず RF 出力パワーが若干低い状態で使用しているが、必要な電子ビーム加速エネルギーは得られており、深刻な問題は起きていない。

4. 加速管の真空度
4.1 真空度の周期的変化

Figure 2: Share of the machine time for each application(outer circle), and performance of the beam acceleration
time used for a variety of experiments (inner circle).

Figure 3 に導波管および加速管に設置されているイオンポンプの位置を示す。10 年以上前から 4 m 加速管 1 本目に設置されているイオンポンプ（Figure 3中の ACC#1）の電流が他の箇所、特にその下流部 3本目加速管に設置されているイオンポンプ（Figure 3中の ACC#2）の電流に比べて明らかに多く、しかも近年電流の増加が著しくなって来ていた。加速器運転記録簿及び真空度モニターシステム [4]により保存されている各イオンポンプ電流値を解析し求めたそれぞれの真空度の長期変化を Figure 4 に示す。この
図から、ACC#1 の真空度は、約 1 年周期で変化しているように見える。さらに 2011 年頃から真空度悪化時のイオンポンプ電流値が顕著に増大しているこ

3. クライストロンの故障
3.1 クライストロン出力 RF パルス波形
2013 年 9 月に、クライストロン 1 号機の出力 RF窓での放電が頻発した。クライストロン集束用コイ
ルの電流値の変更やエージングを丹念に行ったが、パルス幅 20 µs で正常に RF 出力を得ることが困難となった。一方で、PXR 発生においては RF パルス
幅を 6 µs に設定しているので、RF 出力窓の放電頻度は少なく、電子ビームを加速し実験をすることができた。しかし、クライストロン内部の真空度も悪化するようになったので、同年 10 月にクライスト
ロンを交換した。このとき、RF 窓は既に破損していることが判明した。
3.2

Figure 3: Top view of the accelerator facility indicating
the location of ion pumps.

エージングと RF 出力電圧交換後のクライストロンは、高エネルギー加速器
研 究 機 構 （ KEK ） で 約 3.4 万 時 間 使 用 し た PV3030A3 である。ダイオード動作運転を含め約 1 週間程度の連続運転で、ほぼ所定の RF 出力が得られるまでになった。しばらくは正常動作していたが、2013 年 11 月末には再び RF 出力窓の放電が頻発するようになった。RF パルス幅の狭い PXR 利用実験は行えたが、パルス幅 20µs での FEL 利用が出来ず、クライストロンのエージングにさらに約 2 ヶ月を費やし、2014 年 1 月末に漸く安定に動作するに至った。
2014 年 1 月末にはクライストロン集束コイルの冷却水ホース継ぎ手から水漏れが発生した。ホースの留め具に不具合があったために早急に対処した。
交換後のクライストロンでは、交換前と同じ設定

Figure 4: The long term behavior of the ion pumpvacuum obtained from the records of ion pump currents.
The vacuum of the ion pump ACC#1 near the firstaccelerating tube has shown a periodic change.

- 381 -

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

PASJ2014-FSP019とがわかる。真空度悪化の原因として古いイオンポンプの劣化が考えられたため、2013 年 4 月末に
ACC#1 のイオンポンプエレメントを交換した。しかしエレメント交換の効果はあったが、再び真空度が悪化し 2014 年 4 月の時点では交換前と同程度になった。

させ、共振器ミラーの劣化を抑える効果が期待された。この共振器ミラーに交換してから得られた FEL
発振強度の波長分布を Figure 6 に示す。Figure 6 上
図は、LEBRA で発振可能な 1200～6000 nm の全範
囲に渡る結果を、また下図は 2000 nm 以下の範囲の結果を示しており、それぞれ年度別に区分して表示してある。ここで FEL 発振強度のデータは、2012
4.2 リーク箇所の特定と対処
ACC#1 の真空度の周期的変化と本体室床の温度 年 10 月から 2014 年 7 月までの運転記録簿に基づい変化[5]の関係を調べたところ、ACC#2 には見られな ており、調整途中に記録された値も含まれている。
い顕著な相関があることがわかった。ACC#1 の真空 また、Figure 6 上図の 3000 nm 付近で FEL 発振強度度が悪化する時期には ACC#2 より 2 桁近く悪化す が弱くなっているように見えるが、これは測定用パることもあったが、ACC#2 とはマニホールドで繋 ワーメータの前に設置された FEL の高調波を反射しがっているにもかかわらず互いの真空度には強い相 分光器に導くコールドミラーの赤外線透過率の波長関が見られなかった。真空コンダクタンスを考慮す 依存性が原因である。Figure 6 では、従来の加速ると、ACC#1 近傍の加速管または真空ダクトにリー モードであるフルバンチモード（Full）、高速グクがあり、周辺環境の温度変化の影響を受けてリーリッドパルスを重畳したモード（重畳モード：Full
ク量が変化する結果、真空度の季節的変化が生じて+ Burst）、さらに重畳モードでもマクログリッドパいると推測された。そこで、2014 年 7 月にリーク探ルス電圧を 40 V 以下またはオフにしバーストビー査を行った結果、バンチャー加速管下流のコアモニタ用セラミックダクト接合部（Figure 3 の矢印）で ムのみ加速するバーストモード（Burst）、の各モーリークしていることが確認された。Figure 5 にリー ドによる強度も比較している。ただし、現状では高ク箇所であるセラミックダクトの写真を示す。セラ 速グリッドパルサーのみ（マクログリッドパルス電ミックダクト下流のベローズに歪みがあることから、 圧をオフ）の場合は、エミッション電流の平坦度がセラミックと金属の接合部に負荷がかかっている可 悪化するので、マクログリッドパルス電圧をオフに能性がある。応急処置としてこの部分にリークシー して FEL 発振を行うことはない。3000 nm 以上の長ラントや真空用シリコングリースを塗布し、真空度は改善した。しかし、根本的な解決ではないため、再び深刻な真空度の悪化につながる可能性があるので、次のメンテナンス時期に別のセラミックダクトに更新する予定である。

Figure 5: The photograph of the ceramic duct where anapparent vacuum leak was found.

5. FEL 発振強度
2012 年 10 月に更新し使用中の FEL 共振器ミラー
は、LEBRA に導入した共振器ミラーの中では曲率半径が 3.5 m と最も小さい。バーストモードによる電子ビーム加速が可能となってから FEL 発振の際にバンチ当たりの光強度が増大する可能性があったた
め、曲率半径を小さくすることで FEL 取り出し用結合孔（直径 0.8 mm）周辺でのエネルギー密度を低下

Figure 6: Performance of the FEL output power as afunction of the wavelength. The upper graph shows theresult for the region from 1200 to 6000 nm and thelower graph for the region shorter than 2000 nm.

- 382 -

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

PASJ2014-FSP019

波長側では、フルバンチモードでの FEL 発振はゲイ 参考文献
ンが大きく十分安定であるため、他のモードによる [1] K.Nogami et al., “STATUS OF ELECTRON LINAC
運転実績はほとんどない。それに対して短波長側でOPERATION AND APPLICATION OF LIGHT SOURCE
AT LEBRA IN NIHON UNIVERSITY”, Proceedings ofは、FEL をより安定に高強度で発振させるために、
the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of
重畳モードが多用されてきたが、最近の実績では重Japan, p373, 2013
畳モードとバーストモードによる FEL 発振強度に有 [2] N.Sei et al., “Observation of intense terahertz-wave
coherent synchrotron radiation at LEBRA”, Journal of
意な差がないことがわかっている（Figure 6 下図）。
Physics D: Applied Physics, 46, 045104, 2013
このため現在、短波長側ではバーストモードによる[3] N.Sei et al., “Development of Intense Terahertz-wave
FEL 発振が多く行われている。さらに 2000 nm 以下
Coherent Synchrotron Radiations at LEBRA”, Proceedingsof FEL2012 (The 34th International Free Electron Laser
での FEL 発振強度は、2012 年度に比べて 2013・Conference), Nara, Aug. 26-31, 20122014 年度は明らかに低下していることがわかる。こ[4] K.Nogami et la. “LINAC VACCUME MONITORINGの原因としてはいくつか推測されている。まず、
SYSTEM AT LEBRA”, Proceedings of the 2nd Annual
2012 年 10 月に交換した電子銃カソードのエミッMeeting of Particle Accelerator Society of Japan and the30th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.394, 2005
ション特性の長期変化[1][6]や、クライストロン 1 号[5] K.Nogami et al. “MEASUREMENT OF TEMPERATURE
機 RF 出力パワーの低下などにより電子ビームの状
DEPENDENCE OF THE LEBRA-FEL RESONATOR
態が変化している可能性が考えられる。この場合、
LENGTH”, Proceedings of the 7th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, p.788, 2010
電子ビームの状態を FEL 発振のために十分な最適化[6]
M.Inagaki
et al, “Long-term Behavior of the Electron Gunができていない可能性がある。次に共振器ミラーのEmission Property at LEBRA Linac”, Proceedings of the劣化の可能性が考えられるが、ビューポートから共11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of振器ミラーの状態を観察した限り、2 年近く使用しJapan, Aomori, Aug. 9-11, 2014ても結合孔周辺には目立った損傷は見られなかった。
これにより共振器ミラーの曲率半径を小さくした効果は得られていると考えられるが、共振器ミラー反射率への影響までは確認できないため、バーストモード（または重畳モード）の多用がパワー低下の原因になっている可能性は残っている。

6. まとめ2013 年度は、RF 出力窓の破損によりクライストロン 1 号機の交換を行った。交換後のクライストロンにおいても RF 出力窓での放電が収まるまで、クライストロンのエージングに全体で 3 ヶ月以上費やしたため、電子ビーム加速時間および利用時間が例年に比べて短くなった。また、従来 1 本目の加速管周辺の真空度は、その下流側の加速管の真空度に比べて非常に悪かったが、長期的な真空度の変化を元に、イオンポンプの近傍でのリーク探査の結果、1本目加速管の上流にあるセラミックダクトにリークを発見した。早急にこのセラミックダクトを交換する予定である。
現在使用中の共振器ミラーで発生させた FEL 強度が、特に短波長側で 2013 年度ごろから明らかに弱くなっている。2012 年 10 月交換した電子銃カソードのエミッション電流特性の長期変化、クライスト
ロン交換に伴う RF 出力の低下、バーストモードによる FEL 利用の頻度増加など、ビーム条件や FEL発振強度が共振器ミラー交換時から変化している。
これらさまざまな要因により FEL 強度が低下していると考えられるが、その因果関係は未解明である。
原因究明のためにさらに詳しい調査を行う必要がある。

- 383 -