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

PASJ2014-SUOLA1

光陰極高周波電子銃の高度化と極短バンチ生成電子銃に関する研究
DEVELOPMENT OF A PHOTO-CATHODE RF ELECTRON GUNFOR ULTRA-SHORT BUNCH GENERATION
坂上和之#Kazuyuki Sakaue #Research Institute for Science and Engineering, Waseda University

Abstract

The photocathode rf electron gun is a high brightness electron source because the initial electron bunch shape can becontrolled by the cathode illuminating laser pulse and then the bunch is rapidly accelerated by the high gradient electricfield in the rf gun cavity. The rf guns are widely used not only as a injector for large facility but also application
researches. At Waseda university, I and collaborators have been developing an rf electron gun since 1999. We
performed optimization of cavity structure, improvement of rf tuner and development of photocathode material, then we
succeeded in operating 3.6 cell rf gun. In these backgrounds, I conceived a new type rf gun cavity structure for ultrashort electron bunch generation, named Energy-Chirping-Cell attached rf gun (ECC rf gun). Less than 100 fs (rms)bunch can be produced with 100 pC charge by this ECC rf gun in the simulation. Such a high peak current bunch has apossibility to apply for the coherent THz radiation source and single shot electron diffraction microscope. Encouragedby this successful simulation results, we manufactured an ECC rf gun and measured the bunch length at Waseda
university. The experimental results showed a good agreement with simulation and we found that the bunch length from
ECC rf gun was less than 500 fs (rms). In this paper, the introduction of the photocathode rf gun, principle andexperimental results of ECC rf gun, and future prospective will be described.
によって通常加速に用いている π モードと 0 モードの 分 離 を 行 うと と もに Q 値 を 向 上 さ せた Mode[7]
光陰極高周波電子銃 (以下 RF gun)は 1990 年代に Separated RF gun を 開 発 し 、 分 離 幅 を 従 来 の[8]
BNL/SLAC/UCLA によって実証 [1]されて以降世界中 3.4MHz から 8.6MHz とすることに成功した 。こので開発が進められてきた。また、現在では大規模加 ような空胴形状の実現によりさらに複数セルの電子速器の入射器として様々なところで採用 [2][3] されて 銃の可能性が拓け、3.6 Cell 構造の RF gun の開発を[9]
いることから、その有用性は疑いないものであろう。 行った 。これにより電子銃単体において 10MeV をRF gun の特徴は光陰極から生成される電子バンチの 超えるエネルギーの電子ビーム生成が可能となり、初期形状をレーザーパルスの形状を操作することに 応用の幅が広がった。
このような背景の下、今回主に述べるエネルギーよって容易に制御できること、かつ光陰極が加速空変調セル付属型高周波電子銃(Energy-Chirping-Cell
胴と一体化されていることにより生成された電子バ
attachedrfgun:ECC
rfgun)の着想を得た。X
線 FELンチを即座に 100 MV/m を超える加速電界によって等のSASE-FELの発明に伴い、ピーク電流の高い電加速することができる点である。このような構成によって短パルス・低エミッタンスな電子バンチを得 子ビーム、つまり時間幅の狭い電子バンチの開発が精力的に行われてきた。このような極短バンチ (1psることが可能となっている。
我々早稲田大学では高エネルギー加速器研究機構 以下)の電子ビームを早稲田大学の加速器システムで(KEK)と共同で 1999 年より RF gun 開発を行ってき 実現したいという構想の下、発案したものである。
た。早稲田大学 RF gun 初号機は BNL で開発された 通常の大型加速器システムにおいては電子銃とは別Type IV と呼ばれる 2 つの円筒形空胴から成る 1.6 に複数台の加速管を有しており、その加速管によっCell 型 (Half Cell (0.6 cell)と Full Cell (1 cell))であっ てエネルギー変調を施し、磁気圧縮器によって電子た。2001 年より早稲田大学加速器システムは立ち上 バンチの圧縮が行われる。しかしながら早稲田大学
がり、RF gun 開発研究はもちろん、その応用研究と 加速器システムにおいては RF パワーが制限される
してレーザーコンプトン散乱による軟 X 線生成試験 関係で、電子銃空胴を励起することしかできず、他[4]やパルスラジオリシス研究による放射線化学初期 の加速管を設置することは実用上難しかった。そこ過程の解明[5]などを実施してきた。2008 年には 2 号 で、電子銃空胴にエネルギー変調セルを付属した形機として RF チューナー構造の改良とそれに伴う空 の 1 台の高周波空胴によって極短バンチを生成する胴形状の改良、及び Cs-Te 光陰極の導入によってエ ことを試みた。次章よりその原理から説明していくネルギーの向上とマルチバンチ電子ビーム生成が可 こととする。
本稿では次節で ECC RF gun の原理と設計・製作能となった [6]。その後、空胴形状を最適化すること結果を述べ、その後早稲田大学におけるビーム試験結果、最後にまとめと今後の展望について報告する。
#1.

はじめに

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kazuyuki.sakaue@aoni.waseda.jp- 150 -

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ECC RF gun

本章では ECC RF gun の原理と設計結果、製作結果について簡単に述べる。詳細に関しては[10]を参照されたい。
2.1

ECC RF gun の原理

ECC RF gun はその名の通り、基本的な構成としては従来の RF gun 加速空胴に対してエネルギー変調セルを付属した形となっている。以下の Fig. 1 にその構成図およびそれによって得られる電子バンチの縦方向位相空間分布の模式図を示す。

Cell で 4~5 MeV 程度まで加速し、そこから速度差を用いて圧縮することを考案した。
2.2

ECC RF gun の設計

ECC RF gun は前節に述べた通り、概念設計を行い、実際の設計は Superfish を用いた空胴設計とそれか ら 得 ら れ る 電 子 ビ ー ムを GPT (General ParticleTracer)を用いて計算した。この 2 つのシミュレー
ションコードを何度もイタレーションして最適な
ECC RF gun を設計した。その結果を以下の Tab. 1に示す。
Table 1: Simulation Parameters and Results of ECC RFGun

Figure 1: Schematic of ECC RF gun.

Charge100pC

Ini. bunch leng.

4.3ps (rms)

E at cathode

100MV/mInjection phase

20deg

Energy4.24MeV

Compressed bunch leng.

88.4fs (rms)Compressed point

2.3m

Emittance (R)3πmmmradTab. 1 に示す通り、100 pC の電荷量を持ったまま、最終的に 100 fs を切る極短バンチが得られていることがわかる。圧縮に必要なドリフト距離としてはカソード表面から 2.3 m 程度である。さらに特筆すべ
き点としては、ビームエミッタンスも 3 πmmmrad 程度と非常に小さいものが得られていることである。
1.6 Cell のみと比較すると倍程度に大きくなってはいるが、これによって収束して用いるような応用にも適用することが可能である。

ECC RF gun ではまず 1.6 Cell においてピコ秒の電子バンチをなるべくエネルギー広がりの小さい状態で加速する。その後、ECC においてエネルギーを線形にチャープする。言い換えると、1.6 Cell においては RF 電場のほぼクレストを用いて加速するが、ECC ではゼロクロスに近い位相にて加速することになる。これを実現するために、ECC の長さや ECC前のアイリスの長さを調整している。Fig. 1 の下に 2.2 ECC RF gun の設計示してあるとおり、先頭の電子がエネルギーが低く、 シミュレーションによって十分な性能を持った電後方がエネルギーが高い電子バンチが ECC RF gun 子バンチが生成できることを確認したため、ECCによって生成される。さらにこのエネルギー分布が RF gun の製作を行った。製作は KEK 工作センター
非常にきれいに線形であることによってその速度差 の協力によって行った。それぞれのセルはダイヤモによってドリフトスペースを進行することによって ンドバイトによる超精密旋盤で鏡面加工し、最終的後方の電子が追いつき、バンチが圧縮される。レー にろう付けによって組み上げている。製作した ECCザーを用いて電子バンチを生成する電子銃であるた RF gun の写真を Fig. 2 に、測定した性能を Tab. 2 にめ、極短バンチを生成するにはフェムト秒レーザー それぞれ示す。
を光陰極に照射すれば良い、と考えることも可能であるが、陰極近傍ではほぼゼロエネルギーから電子が加速されるため、極短バンチでは非常に強い空間電荷効果が働き、即座にバンチ長は伸びてしまう。
シミュレーションでは 100 pC の電荷量を持った電子バンチではどんなにレーザーのパルス幅を短くしても、生成される電子バンチのバンチ長は 1 ps 程度に制限されてしまう。バンチ電荷を数 pC 程度まで小さくすることによってフェムト秒レーザーを用いて極短バンチを生成することは可能ではあるが、今回の目的は比較的高電荷かつ極短バンチを生成することである。そこでピコ秒の初期電子バンチを 1.6
Figure 2: Photograph of ECC RF gun.

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Table 2: Cavity Parameters of ECC RF Gun

今回の条件では最も圧縮される位置はカソードから3 m 程度の位置であったため、その位置に遷移放射Q value10860(TR)用のアルミニウムターゲットを設置している。
Coupling β0.92
ターゲット上流にはターゲット上で電子ビームを集束するための四極電磁石を設置している。ターゲッ
0.9Ehトと同位置に蛍光スクリーンも設置しており、これEf1によってビームサイズを測定しながら TR を測定する 。 電 子 バ ン チ の 電 荷 量 は FCT (Fast CurrentEe1.23
Fig. 2 に ECC RF gun の外観を示した。内部は見えな Transformer)によって、電子ビームエネルギーは偏向いため、あまり従来の電子銃と違いがないように見 電磁石とその下流に設置した蛍光スクリーンによっえるが、実際には Fig. 1 に示したような ECC を付属 て計測している。バンチ長は Coherent TR を用いてした形となっている。Tab. 2 には製作後に評価した 計測した。アルミニウムターゲットで生成した CTR結果を示した。Q 値やカップリング、フィールドバ の 周 波 数 成 分 を 狭 帯 域 の SBD (Schottky Barrier
ランスともにほぼ設計に近い値を得ることができた。 Diode)を用いて計測することによってバンチ長を推このように成功裏に製作を完了することができたた 定している。狭帯域の SBD は 10 %程度のバンド幅め、実際に早稲田大学加速器システムに組み込み、 に感度を持つため、様々な中心周波数の SBD を用試験を行った。
意して計測することで、どの程度高い周波数までCTR として生成されているかを確認することが可能
3. ECC RF gun による極短バンチ生成試験 である。そこでバンチ形状としてガウス分布を仮定すれば、バンチ長を推定することが可能である。
3.1 実験セットアップ
3.2 エネルギー測定
早稲田大学では RF gun をベースとした加速器シ
まず初めにビーム計測として、RF 加速位相に対ステムを構築し、研究開発・応用研究を行っている。
するビームエネルギーの計測を行った。ECC RF gun
この加速器システムに ECC RF gun を導入し、試験では最終のエネルギー変調セルにおいて特定の位相を行った。Fig. 3 にそのセットアップ図を示す。
で加速するように構成しており、これによってエネルギーチャープを得る。したがって、RF 位相に対するエネルギーの関係は非常に重要な情報となる。
その測定結果を Fig. 4 に示す。

Figure 3: Experimental setup of ECC RF gun test at
Waseda university.
早稲田大学では 10 MW の S-band クライストロンを所有している。これを RF gun に印加することによって最大 5.5 MeV の電子ビームを得ることができる。しかしながら、ECC RF gun はセル数が 1 つ多いため、RF パワーが不足し、最適な運転条件での試験が出来なかった。設計上の最適値である 100
MV/m の電界を生成するには至らず、80MV/m 程度で試験したことを注意しておく。シミュレーションによればこの電界でも 200 fs (rms)程度のバンチ長は得られる。電子バンチはピコ秒の UV レーザーによって生成する。レーザーはビームライン中腹部の穴あきミラーによってカソードにほぼ正面から照射される。加速 RF とレーザーはレーザーのシード部の発振周波数を制御することによって同期されている。生成された電子バンチはエミッタンス補正用のソレノイドを通過し、ビーム診断系等を通過する。

Figure 4: Bunch charge and energy as a function of laser
injection rf phase.
実線はシミュレーション結果を、プロット及び点線は測定結果を示している。測定とシミュレーションの結果は非常によく一致していることがわかる。特にエネルギーが 10 度付近から 40 度付近まで上昇し、その後下がっていくという挙動は ECC RF gun 特有の挙動であるため、この点が一致していることは設計通りの加速ができているであろうということを示す結果である。

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3.3

ルギー変調のために比較的大きなエネルギー広がり
バンチ長測定試験として、前述の通り、狭帯域の を与えているためにターゲット上では 300 μm 程度
SBD を 4 種類用いて行った。その SBD の帯域はそ ま で し か 集 束 で き て い な い 。 し た が っ て こ のれぞれ 0.05 THz・0.1 THz・0.3 THz・0.6 THz である。 Transverse Form Factor の影響も考えられる。しかし0.1 THz 帯の SBD は 0.2 THz にも小さいながら感度 ながら、今回は 0.3 THz 帯の SBD での検出が確認でを持つため、0.2 THz のバンドパスフィルターと 0.1 きた。SBD の感度から考えると、コヒーレントにTHz 帯域の SBD を用いた計測も行った。つまり、5 TR が生成されていなければ検出できないため 0.3種類の周波数において CTR を計測した。レーザー THz において CTR が生成されていたことは間違いを入射するタイミングを変えて計測した CTR の強 ない。バンチの形状をガウス分布と仮定して 0.3THz が充分にコヒーレントに増強されるためには度を以下の Fig. 5 にプロットした。それぞれの帯域500 fs (rms)以下のバンチ長であることが求められる。
したがって、現時点で我々は ECC RF gun からのビームは 500fs 以下が達成されているだろうと結論付けている。もちろん、シミュレーションの通りに200 fs 程度まで圧縮されていると見込んではいるが、バンチ長を確定させるために今後高周波偏向空胴[8][9]を用いたバンチの直接計測などを行っていく予定である。
コヒーレント放射によるバンチ長測定

4.

まとめと今後の展望

電子銃単体によって極短バンチが生成可能なエネ
ルギー変調セル付属型高周波電子銃：ECC RF gun
を設計・製作・試験した。設計した ECC RF gun はエネルギー変調セルの付属によって 100 pC 程度の比較的高電荷ながら 100 fs (rms)を切るバンチ長を実現することができる、非常に画期的な電子銃である。
Figure 5: Experimental result of coherent transition
設計を成功裏に終えることができたため、実際に電radiation as a function of laser injection rf phase.
子銃空胴を製作した。ほぼ設計通りの空胴を得るこにおける計測結果と電荷量を加速位相に対してプ とができ、早稲田大学加速器システムに導入して試ロットしている。まず、プロットを見て、それぞれ 験した。これまでにビームエネルギーの測定と CTR周波数計測によるバンチ長推定を行い、ビームエネの周波数帯域の SBD の信号がそれぞれ加速位相 20ルギーとしてはほぼ計算通りの結果が得られている。
度付近を中心に得られていることがわかる。この 20バンチ長の推定結果としては、500 fs (rms)以下であ度という加速位相は ECC RF gun の最適加速位相ることを確認している。計算上では 200 fs 程度のバ(もっとも圧縮された電子バンチが得られる位相)に ンチ長が得られる予定であるため、今後パラメータ一致する。高い周波数になるごとにそれぞれの検出 を詰めるとともに別手法でのバンチ長の測定によっされたピークの幅が狭くなっていることがわかる。 て詳細を明らかにしていく。
つまり、20 度を中心に最も圧縮された電子バンチが今後、バンチ長計測として、高周波偏向空胴を用ターゲット上で得られており、最適加速位相からず いた直接計測を行う。これによって実際にバンチ長れることによってバンチ長が長くなり、CTR が生成 の値を確定させることができると考えている。また、されなくなる。特に高い周波数では顕著に出ており、 偏向空胴を用いることによってバンチの位相空間分0.3 THz 帯 SBD では 30 度幅程度で検出されている 布を計測することが可能となる。これを合わせて測のに対して 0.1 THz 帯の SBD では 60 度ほどの幅で 定することによって実際に ECC において線形なエ検出できている。また、0.6 THz 帯の SBD では CTR ネルギーチャープが実現できていることを確認する予定である。
を検出することはできなかった。0.6 THz ではコ
今後の展望として、ECC RF gun の応用展開を検ヒーレントの増強されるほどバンチが短くなかった討している。電子銃空胴のみで極短バンチを生成でことももちろん考えられるが、他の要因として、高きる ECC RF gun は非常に小型な構成が可能である
周波数であるほどに SBD のアパーチャーが小さくため、応用に向いていると考えている。特にキロアなり、0.6 THz では 1 mm 以下であり、検出光量が小ンペア近い電子バンチが生成できることから、コさかったことが一つ挙げられる。また、TR ではヒーレント放射によるテラヘルツ光源の実現が可能
ターゲット上におけるビームサイズによっても制限であろう。また、電荷量を多少減らし、集束可能なされることになる。Transverse Form Factor と呼ばれ電子線とすることによって時間分解電子線回折顕微るものであるが、ECC RF gun からのビームはエネ- 153 -

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謝辞
今回、本研究によって加速器学会奨励賞という名誉にあずかることができたのはこれまで協力・指導いただいた皆様をはじめ、加速器学会の運営を行う諸先生方のおかげである。この場を借りて深く御礼申し上げたい。特にこの研究に携わる機会を与えていただき、多大なご協力・ご指導をいただいた、早稲田大学鷲尾教授、高エネ研浦川教授・早野教授・照沼准教授に心より感謝します。
電子銃空胴製作においては高エネ研工作センターの工藤氏・高富氏に多大なご協力をいただいた。両氏の技術なしには本研究は成し得ないものでした。産総研の黒田主任研究員にはテラヘルツ波検出に対して、東北大の柏木准教授には高周波回路に関して、BNL の X. J. Wang 博士・大阪大の楊准教授には電子銃設計に関してご協力をいただいた。また、BNL 型電子銃開発を行ってきた高エネ研・産総研・阪大・京大・SAMEER 研究所 (インド)の関係者には様々な議論にお付き合いいただいた。皆様に感謝申し上げたい。
最後に早稲田大学の学生諸氏 (すでに卒業してしまった学生も含み)には昼夜を問わず実験や作業等様々な面で協力いただいた。皆様に感謝したい。

参考文献
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