Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

SPring-8 極短バンチモニター開発テストベンチ	 TESTBENCH FOR ULTRA-SHORT BUNCH MONITOR AT SPRING-8
谷内 努#, 鈴木伸介, 出羽英紀, 冨澤宏光, 水野明彦, 花木博文
Tsutomu Taniuchi#, Shinsuke Suzuki, Hideki Dewa, Hiromitsu Tomizawa, Akihiko Mizuno, Hirofumi Hanaki
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8)

Abstract
Since last year, SPring-8 RF gun testbench has been rebuilt for an R&D of an ultra-short bunch monitor using EO
sampling, designed to measure a bunch length of 30-40 fs with a charge of 0.1-0.2 nC per bunch. A single-cell RF gun
cavity was replaced with an independent two-cavity system and a 1.4 m-long and a 1.2 m-long accelerator structures
were installed for upgrading the beam energy to 85 MeV. The later structure is used as an energy modulator for bunch
compression. In order to provide RF power for these cavities, an RF power compressor (SLED) was installed
downstream of an 80 MW klystron. After an RF conditioning, a beam commissioning is planed in August 2013.

1.

はじめにSPring−8Ⅱ計画における X 線回折限界リングへの入射に必要な基礎技術の確立を目的とし、SACLA加速器からの数 10fs の電子ビーム（極短バンチビーム）を非破壊で３次元リアルタイム・モニタリングできる EO サンプリング法を用いたバンチモニターの開発が進められているが、SPring-8 の RF 電子銃試験装置を本バンチモニターの開発テストベンチとして利用するための改造が昨年度から始まった。RF電子銃空洞をマルチセル空洞に変更し、ビームエネルギーを改造前（単空洞）の 3.8MeV から 6MeV（あるいは 10MeV）へ上げ、高電界加速管により85MeV（現状 30MeV）まで加速してバンチ圧縮系を通過させてバンチモニター直前で数 10fs のバンチ長を得る予定である。改造のため設置された主な機器は、RF パルス圧縮器（SLED）、２空洞式 RF 電子銃、高電界加速管、シケイン電磁石などである。本稿では、バンチモニター開発テストベンチの概要、主要機器、ビームシミュレーション、RF コンディショニング等について報告を行う。

2.

分解能の実現には、有機 EO 結晶の DAST で計測系を構築する必要がある。DAST での EO サンプリングの計測は、別途 SCSS 試験加速器の FEL 発振用短バンチにて試験を行い、世界初の実証試験に成功した [3] 。現在、その高時間分解能プローブのための１オクターブ光源と線形チャープ自動最適化システムを本 RF 電子銃試験施設に構築中である。

EO サンプリング方式３次元バンチモ
ニター

Figure 1: Configuration of 3D bunch monitor.

本テストベンチで開発を進めるバンチモニターは、3. テストベンチの機器構成
電気光学(EO)結晶のポッケルス効果（1 次の EO 効
[1, 2]
で、 3.1 大電力 RF 源果）を利用した３次元バンチ形状モニター
SACLA で生成される 0.1〜0.2 nC / bunch でバンチ長
従来の SPring-8 RF 電子銃試験装置[4]は、単空洞の30〜40 fs (FWHM)の極短電子バンチのリアルタイム RF 電子銃及び 3m 加速管によるビーム加速を行って観測を目標としており、SPring-8 RF 電子銃試験装置 おり、最大加速エネルギーは 30 MeV であった。今のバンチ長約 10 ps のビームを用いて実証実験[3]が行 回、バンチモニターのテストベンチとして極短バンわれた。Figure 1 に本モニターの構成概念図を示す。 チビームを発生しビームエネルギーを 85 MeV まで
この実証試験では、使用できるバンチ長の制約から、 増強する予定であるため、独立２空洞式 RF 電子銃
通常の EO サンプリングで使われる ZnTe を用いて 及び 1.4 m 加速管、1.2 m エネルギー変調管を設置し実施した。結果として、３次元バンチ計測の原理実 た。それに必要な RF パワーを得るため、80 MW ク証に成功した。しかし、目標とする数 10 fs の時間 ライストロン（Toshiba E3712）出力（パルス幅 4 µs）____________________________________________#ihcuinat@spring8.or.jp

を SLED（β=8.3）によりパルス圧縮（パルス幅 1 µs）- 392 -

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し、それぞれの空洞に分配する大電力立体回路を構 3.3 加速管築した。Figure 2 に回路構成を示す。
本テストベンチに設置された加速管（1.4 m 加速
RF 電子銃試験装置は本バンチモニターテストベ 管及び 1.2 m エネルギー変調管）は、SPring-8 線型ンチの他、カートリッジ式カソード RF 電子銃及び 加速器における暗電流低減を目的として開発された
各種 RF コンポーネント大電力試験ラインへも RF 低暗電流加速管 [6] の設計をベースに、ビーム形状おを供給する必要があるため２カ所に真空導波管切替 よびエミッタンスの対称化のためカプラー部がダブ器 [5] を設置しており、実験・試験に応じて RF パ ルフィード化されている。主なパラメータを Table 1
ワーの供給先を短時間で切り替え可能になっている。 に、内部構造と設置状況を Figure 4 に示す。
Table 1: Parameters of accelerating structures.

Figure 2: Configuration of high power RF circuit.
3.2

フォトカソード RF 電子銃

SPring-8 RF 電子銃試験装置における RF 電子銃空洞は単空洞の低 Q 値として設計され、カソード面電界 190 MV/m を達成しているが、電子銃から加速管への輸送途中でのバンチ伸張を減らすため、電子銃から出力されるビームエネルギーを 6 MeV に上げる必要がある。このため、独立２空洞 RF 電子銃を設置し、第１空洞からダミーロードへ出力される RFパワーを第２空洞へ供給する回路構成とした。第１−第２空洞中心間距離は 102.9 mm である。RF 電子銃第１及び第２空洞に置けるエネルギー利得及び最大加速電界強度は、それぞれ 3.2 MeV @ 138 MV/m、2.7 MeV @ 122 MV/m の設計である。また、RF 電子銃のビームエネルギーを 10 MeV 程度まで上げるとバンチ伸張をさらに抑えられるとのシミュレーショ
ン結果から、2.7 セル RF 電子銃空洞の設計・試作を進めており、本年度中に実機を製作する予定である。

Frequency

2856 MHz

Accelerating Mode

Traveling wave 2π/3 mode

Coupler

Double-feed waveguide
couplerIris diameter (2a)20 mm

Coupler iris diameter

39.6 mm

Disk thickness

5 mmIris shape (cross section)

Ellipse(Major / minor radius)(4.0 mm / 2.5 mm)

Group velocity vg/c0.01

Number of cells

33 / 27

Total length

1365 / 1155 mm

Filling time

415 / 340 ns

Operation temperature

30 ℃

Figure 3: 1st and 2nd cavity of RF gun.
Figure 4: Accelerator structure with double-feed coupler.
(upper: inside structure, lower: installed acc.)- 393 -

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Figure 5: Simulation for bunch compressor.
低暗電流加速管の特徴としては下記の２点が上げられる。
••

ディスク部アイリス近傍の表面電界強度を低減させるため、アイリス断面形状を表面電界が最も小さくなるような扁平率を持つ楕円とした。
空胴円筒面に導波管との結合孔を設ける従来型カプラーでは結合孔を迂回する表面電流集中によりパルスヒーティングが起こり放電の原因となるため、電流集中の起きない導波管カプラーを採用した。

低 暗 電 流 加 速 管 は 大 電 力 試 験 に よ り 最 大 27.6MV/m（クライストロン出力により制限）の加速電界の発生が確認されているが、本テストベンチにおける平均加速電界は 29 MV/m である。
3.4

バンチ圧縮系

1.2 m 加速管でエネルギー変調された電子バンチは、偏向角 15 度の偏向電磁石４台からなるシケインを通過するとバンチ先頭と最後部の行路差からバンチ圧縮される。
バンチ圧縮系の設計ポイントは次の通りである。
•••

バンチ圧縮過程でのエネルギーに対するシケイン内行路長の非線形性の補正は行わない。非線形性としては、エネルギーチャープを与えるRF の非線形性及び、シケイン軌道自体の非線形が存在する。
RF の非線形性に対しては、電子銃空洞出口のビームエネルギーを上げることによって、加速管入口までの間のバンチ伸張を抑え、加速管入口でのバンチ幅を短く（約 10 ps）することで対処した。
シケイン軌道自体の非線形性は、シケイン入口でのΔE/E が大きいほど目立ってくるが、これに対してもシケイン入口でのバンチ幅を短く設計することで対処した。

これらの結果、非線形性の補正を行わなくても計算上は 30 fs が達成可能である。
現時点でのシミュレーションによるバンチ圧縮の結果を Figure 5 に、設置されたシケイン電磁石をFigure 6 に示す。

Figure 6: Chicane magnets for bunch compression.

4.

立ち上げ状況と今後の予定

現在までに独立２空洞式 RF 電子銃、1.4 m 加速管及び 1.2 m エネルギー変調管、シケイン電磁石及びQ 電磁石、エネルギー分析用偏向電磁石等の主要機器の設置、各空洞への導波管接続が完了し、真空立ち上げ及び RF コンディショニングが開始されている。今後さらにコンディショニングを行い、RF 電子銃からのビーム発生、加速試験を経て、バンチ圧縮調整、バンチモニターによるビーム観測を行っていく予定である。また、極短バンチ圧縮に関しては、条件を細かく設定して精度を上げたシミュレーションを行う必要がある。

参考文献[1] H Tomizawa, H Hanaki, T Ishikawa, "Non-destructive
single-shot 3-D electron bunch monitor with femtosecondtiming all-optical system for pump & probe experiments, "in proceeding of FEL 2007, Novosibirsk, Russia, (2007)472.
[2] H. Tomizawa, et al., “Feasibility Study of Single Shot
Realtime Non Distractive Three Dimensional Bunch Charge
Distribution Monitor”, Proc. of 7th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Himeji, 2010, p307.
[3] Y. Oyamasu, et al., “Feasibility study of a single-shot 3Delectron bunch shape monitor with an electro-optic- 394 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

sampling technique”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 16,052801, 2013.
[4] T. Taniuchi, et al., “Upgrade of a Photocathode RF Gun atSPring-8”, Proc. of FEL2004, Trieste, 2004, p431.
[5] T. Taniuchi, et al., “High Power Waveguide Switching
System for SPring-8 Linac”, Proc. of EPAC2006,
Edinburgh, 2006, p2499.
[6] T. Taniuchi, et al., “High Power Test of Low Dark Current
Accelerating Structure”, Proc. of 8th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Tsukuba, 2011,
p1286.

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