Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Emittance Measurement of a DC Gun for Smith-Purcell Backward Wave
Oscillator FEL
Kenichi Nanbu, Masayuki Kawai, Kittipong Kasamsook, Akira Kurihara, Yoshinobu Shibasaki, Shigenobu Takahashi,
Hiroyuki Hama, Fujio Hinode, Mafuyu Yasuda
Tohoku University Laboratory of Nuclear Science
1-2-1 Mikamine, Taihaku-ku, Sendai, Miyagi, 982-0826
AbstractA Terahertz light source using Smith-Purcell Backward Wave Oscillator FEL(S-P BWO-FEL) has been studied atLaboratory of Nuclear Science, Tohoku University. The DC gun employs a high voltage of 50 kV to extract electrons,
which is suitable to drive S-P BWO-FEL. A numerical simulation using a 3-D finite deference time domain (FDTD)
method implies the S-P BWO-FEL oscillation at the terahertz wavelength region. Emittance measurement has been
performed by means of the double slit method. The deduced normalized rms emittance is about 2πmm mrad. We will
present the result of emittance measurement and analysis results.

スミス‐パーセルBWO-FELのためのDC電子銃からのビームのエミッタンス測定
λg = 400 μm

１．はじめにW = 200 μm
D = 300 μm
L = 2 mm
N = 50波長300μm近傍の電磁波はテラヘルツ光と呼ばれ生体高分子解析やイメージング、分光などへの応用が期待されている。テラヘルツ光源としてはレーザーを用いたものと加速器を用いたものがあり我々は加速器ベースであるスミス－パーセル後進波自由電子レーザー(スミス－パーセルBWO-FEL)を用いた高強度のテラヘルツ光源の研究開発を行っている[1]。
3次元シミュレーションからビームエネルギーがe-beam50keV程度、規格化エミッタンス1πmm mrad以下の電子ビームを用いた場合、テラヘルツ帯域のスミス
図1 グレーティングのシミュレーションモデル
－パーセルBWO-FEL発振が予測されている。
ここではテラヘルツ帯域のスミス－パーセル
表1 電子銃の仕様
BWO-FELを駆動するための電子銃のビームエミッ
ビームエネルギー50keV(MAX)タンス測定結果について報告する。
ビーム電流>300mA
パルス幅(FWHM)
1-5μsec
２．スミスパーセルBWO FEL駆動用電子銃
繰返し300pps(Max)
規格化エミッタンス<1πmm mrad
導電性グレーティング表面付近のエバネッセント波と電子ビームとの相互作用によるスミスパーセル
BWO-FELの特性を3次元シミュレーションにより明らかにした[2]。図1のようなグレーティングを仮定
Wehnelt & Cathode
Anode
すると、FEL発振に必要なビームパラメータは、
ビ ー ム エ ネ ル ギ ー が 50keV 程 度 、 ビ ー ム 電 流 は100mA以上、規格化エミッタンス1πmm mrad以下で
e-Beamあることが明らかになった。これらのビームパラメータを満足するために開発した電子銃は熱エミッタンスを小さくするため小径陰極を採用し、エミッタンス増大の原因となるグリッド構造を持たず、ウェネルト電極と陰極間にバイアス電圧を印加し陰Ceramic Insulator
100mm
極近傍の電位面を補正し線形な空間電荷効果を持つ電子分布（Kapchinskij-Vladimirskijビーム）を得ることが出来るなどの特徴を持つ[3]。表1に電子銃の
図2 低エミッタンスDC電子銃の断面図仕様を示し、図2に電子銃の構造を示す。
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３．エミッタンス測定
3.1 ダブルスリット法
電子ビームのエミッタンス測定にはダブルスリット法を用いた。図3に測定原理を示す。ビームライン上に設置したスリットで電子ビームを切り出す。
ビーム全領域の電流分布を測定することで上流側スリット位置での電子ビームの位相空間分布を得ることが出来る。我々のエミッタンス測定装置では、上流側のスリットは陰極から190mmの位置に設置した。
下流側のスリットは、上流側のスリットから142mmの位置とした。ビーム電流は最下流に設置したファラデーカップで測定する。スリット幅は上流、下流ともに100μmで材質は厚み100μmのタングステン板である。

図3

図4.1 ビーム電流300mAのときのダブルスリット法によるX位相空間分布

ダブルスリット測定法の原理
図4.2 ビーム電流300mAのときのダブルスリット法によるY位相空間分布測定により得られた電流分布を(1)式に代入することでエミッタンスを算出することが出来る。

ε rms =u 2 u ' 2 − uu '2(1)

ここで <u2>, <u’2>, <uu’>2 は電流密度の重みをつけた二乗平均である。
我々のエミッタンス測定装置ではスリット間の自由空間の距離は142mmであるのでスリットの構造と自由空間長より、位置分解能は0.1mm、角度広がりの分解能は1.41mradとなる。

４．測定結果4.1 エミッタンス測定
ビームエネルギー50KeV,ビーム電流300mA時のXエミッタンス測定結果を図4.1にYエミッタンス測定結果を図4.2に示す。スリットのスキャンステップは水平、垂直共に100μmである。
図4.1、図4.2から本来ビームが存在しない領域にもノイズが検出されていることがわかる。この本来ビームが存在しない領域での信号の原因として高圧電源のスイッチングに伴う測定系のグランド電位の変動によるものとスリットと真空ダクトの間隙を通過した電子ビームによるものであると考えられる。

4.2 エミッタンス解析
規格化エミッタンスの値はバックグラウンドノイズに強く影響を受けるため注意深く解析する必要がある。ノイズをビームによる信号として解析してしまうと、真の値よりも大きなエミッタンスが算出されてしまう。そこでノイズによるエミッタンスの増大を見積もった。
最初にバックグラウンドを差し引いた全電荷量を基準とし（100%エミッタンス）その電荷量を基準として閾値を設けてノイズをカットした(%エミッタンス)を10%毎に求める。図4.3と図4.4に電荷のカットレベルに対するエミッタンスの変化を示す。
カットレベル0%から50%までの領域はノイズによりエミッタンスが大きくなっているため真のエミッタンスとすることは出来ない。カットした電荷の中には正しい信号も含まれているため直ちに50%エミッタンスを真のエミッタンスとすることは出来ない。電荷をカットしていない真のエミッタンスの値を得るためにノイズの影響がないカットレベル50%から100%の領域において一次関数でフィッティングし、電荷量をカットしていない点でのエミッタンスを求めた。この方法で求めたエミッタンスは上限値であり真のエミッタンスよりは大きくなる[4]。

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表2 ビーム電流300mAのときのダブルスリット法によるエミッタンス測定結果
Experimental timeNormalize rms emittance[π mm mrad]
X-emittanceY-emittance
1st2.35
1.81
2nd2.231.90
rd3
2.22
1.87
Average value
2.271.86
Error+0.07+0.05

５．まとめ
図4.3

カットレベルに対する水平方向の規格化エミッタンスの変化

図4.4

カットレベルに対する垂直方向の規格化エミッタンスの変化

スミス－パーセルBWO-FEL駆動用の電子銃の開発を行っている。1πmm mrad以下の規格化エミッタ
ンスを実現するため陰極を小型化し、グリッドがない構造で陰極とウェネルト間にバイアス電圧を印加し位相空間を制御できる構造とした。
ダブルスリット法により陰極から190mmのスリット位置でのエミッタンスを測定した。結果、水平方向2.27±0.07 [πmm mrad]、垂直方向1.86±0.05 [πmmmrad]以 下 で あ る こ と が 確 認 で き た 。 シ ミ ュレーションでは同条件で1.38πmm mradであり、ほぼ同等の値が得られている。開発した電子銃はスミス－パーセルBWO-FEL用電子源として十分な性能を有していると考えている。現在ビーム輸送系の検討を行っている。

参考文献

エミッタンス解析結果を表2に示す。水平方向
2.26±0.07 [πmm mrad]、垂直方向1.858±0.05 [πmm mrad]と非常に小さなエミッタンスであることがわかった。図4.5に水平方向60%エミッタンスの位相空間分布を示す。位相空間のテール部分はフォーカ
スコイルの非線形成分であると考えられる。

図4.5[1] K.Kasamsook, et al., “DEVLOPMENT OF A LOWEMITTANCE DC GUN FOR SMITH-PURCELL BWOFEL”, Proc. FEL2007, Novosibirsk, Russia (2007) pp417420.
[2] H.Hama, et al., “DEVELOPMENT OF LOW EMITTANCE
DC-GUN AND 3D-SIMULATION OF SMITHPURCELL BACKWARD-WAVE OSILLATOR FEL”,
Proc. 第13回FELとHigh-Power Radiation研究会, 京都大学宇治キャンパス木質ホール (2007) pp7-9.
[3] K. Kasamsook et al., “A Compact Low Emittance DC Gun
Employing Single Crystal Cathode of LaB6”, FEL2006,
Berlin, Germany (2006) pp.680-683.
[4] 秋山和士, Master thesis, Tohoku University, (2008).

60%エミッタンスのX位相空間分布-585-