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)

Conceptual design study on a tabletop seeded-THz FEL
Keisuke HigashimuraA), Hideaki OhgakiA), Toshiteru KiiA), Ryota KinjoA), JEONG Young Uk B), Heisyun ZenA),
Kai Masuda A)
A)
Institute of Advanced Energy, Kyoto University
Gokasho, Uji, Kyoto, 611-0011
B)
Korea Atomic Energy Research Institute
P.O.Box 105, Yuseong, Daejeon, Korea, 305-353
Abstract
We have studied on designing a tabletop seeded-THz FEL which is consisted of a photocathode RF gun, a hybrid
staggered array undulator, and injection-seeded THz parametric generator. Electron beam from photocathode RF gun
was optimized by changing RF electric field and laser injection phase. Solenoid magnetic field was also optimized forthe purpose of focusing the electron beam at the center of undulator. Undulator’s position was determined by matching
center of the undulator to the beam waist. The power of FEL was calculated by using optimized electron beam andadjusting undulator’s position. We found that FEL power can be saturated and the whole system can be packed into 4mlength.

卓上seeded-THz FELの概念設計
ム半径は0.7 mm (rms)とした。

１．はじめに京都大学エネルギー理工学研究所では光陰極高周波電子銃と短周期アンジュレータを用いたTHz領域の卓上FEL装置の実現にむけて研究を行っている。
本計画では短周期アンジュレータの候補として、バルク超伝導磁石を使用したハイブリッドスタガード
ア レ イ ア ン ジ ュ レ ー タ [1] を 検 討 し て い る 。 更 にSASE-THz FELにシード光として波長可変THzパラメトリック発生器 [2] を用いることでTHz領域での卓上FELの実現を目指す。
今回はシミュレーションコードを用いて電子銃からアンジュレータまで電子ビーム及びFELを計算した。計算コードParmelaを用いて高周波電子銃の空洞内電界及び光陰極へのレーザー入射位相を変え、電子ビームの最適化を行った。またシステムを簡素化し最小の構成とするため、エミッタンス補償用ソレノイドによってアンジュレータ中心で電子ビームをフォーカスさせた。これらの最適化したパラメー
ターによってFELの発振が可能かGENESIS1.3を用いて計算した。

２．光陰極型高周波電子銃
アンジュレータ入射直前までの電子ビームパラメータを計算するために、シミレーションコード
Parmelaを用いた。電子ビームはKEK-ATFタイプ1.6
空洞光陰極型高周波電子銃[3][4] (図１)によって生成するものとする。光陰極に入射する光源はNd:YAG
レーザーの第四高調波を想定している。パラメータは 波 長 263 nm 、 パ ル ス 幅 10 ps 、 バ ン チ 電 荷 1nC/bunchとして計算を行った。また電子ビームはガウス分布をとっているものと仮定し、陰極上のビー

図１1.6空洞高周波電子銃システム

2.1 空洞内電界とレーザー入射位相
空洞内電界は50 MV/m、60 MV/m、65 MV/m、70MV/m、75 MV/mの５種類に関して計算をおこなった。またレーザー入射位相を主に30°から55°の領域において変化させた。ソレノイド磁場は2000 Gであるとした。計算より求まったカソードより77.45 cmの位置における電子ビームのエネルギー、エネルギー幅、ピーク電流及び規格化エミッタンスをそれぞれ図２、図３、図４、図５に示す。
シード光源として考えている光注入型THz波パラメトリック発生器が発生させる光のうち、もっとも高いパワーである0.2 Wを出すのは160 µmから285µmの波長の光である[2]。迅速なFELパワーの飽和のためにはFELの波長もその領域であることが望まし
く 、 K値 が 2の ア ン ジ ュ レータを考える場合電子ビームのエネルギーが4.7 MeVから6.5 MeVの場合に-843-

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その波長のFELを得ることができる。空洞内電圧が75 MV/m以上であったとき電子ビームのエネルギーが6.5 MeVを超えることが図２より読み取れるので、空洞内電界は75 MV/mを超えないことが求められる。
またエネルギー幅もFEL発振のためには1 %以下であることが望ましい。さらにピーク電流が高い方がFELの飽和には有利であり、図４より空洞内電界が大きいほどより高いピーク電流を得ることができることがわかる。またレーザー入射位相が30°から40°の電子ビームが最も高いピーク電流を持つことも図４より読み取れる。

図５

電子ビームのエミッタンスの変化

次に効率良くFELと電子ビームが相互作用するためには電子ビームを絞る必要がある為、エミッタンスも低く抑える必要がある。レーザー入射位相が30°から40°の時、電子ビームは空洞内電界が大きいほどエミッタンスは良い値をとるのが分かる。さらにレーザー入射位相が低くなるにつれてエミッタンスが急激に悪化することが読み取れる。
したがってレーザー入射位相40°、空洞内電界が70 MV/mのもとで生成した電子ビームが現在考えているTHz FELの発振に最適であることがわかる。
図２

電子ビームのエネルギーの変化

図３

電子ビームのエネルギー幅の変化

図４

電子ビームのピーク電流の変化

3.2 ソレノイド磁場
ここでは電子ビームの半径と移動距離との関係をソレノイド磁場の値を変えつつ計算した。空洞内電圧を70 MV/mと設定してソレノイド磁場を1800 Gから2300 Gへと変化させた。カソードからの距離が4.12 mとなる点までビーム半径の変化を求めた。
レーザー入射位相を40°とした場合のビーム半径の変化を図６に示す。ソレノイド磁場が1900 G以下の場合、ビーム半径は単調増加するのみで最小値をとらないことがわかる。逆にソレノイド磁場が2000G以上の場合ビーム半径はウェストをもち、ソレノイド磁場の値が大きくなるにつれてビームの絞りも大きくなる。

図６

ソレノイド磁場に対するビーム半径の変化

アンジュレータ内のシード光はガウスビームでありアンジュレータの中心でビームウェストが存在すると仮定すると、シード光と電子ビームのウェストが重なる時にシード光とビームとの相互作用が最も-844-

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強く働くこととなり、FELの発振に有利に働く。したがって電子ビームのウェストができるようなソレノイド磁場の強さを選び、かつウェストがアンジュレータの中心と重なるようにアンジュレータの位置を決める。
レーザー入射位相が40°、空洞内電界が70 MV/m、ソレノイド磁場が2100 Gのときに生成された電子ビームについて考えた。この電子ビームのウェストはカソードより2.067 mの位置にある。アンジュ
レータの長さは予め別の文献より得た電子ビームの図７ 最適化された電子ビームに発振されたFELパラメータ [5]を用いて計算を行い、その結果飽和にパワーの飽和必要なアンジュレータの長さは2.5 mという結果が得られた。ハイブリッドスタガードアレイアンジュ
図７より最適化されたビームパラメータによってレータは1 T程度のピーク磁場強度をかけることが[1]FEL発振が可能であることがわかる。飽和時のFEL可能と考えられる ので、アンジュレータの１周期パワーは30 MW程であると計算できた。アンジュの長さが2 cm、K値は2と設定してある。よってアレータの内部1.8mの位置にてFELはすでに飽和してンジュレータの長さを2.5 mとして、アンジュレーおり、アンジュレータ長を2.5 mより短くしても飽タの中心がウェストと重なるようにアンジュレータ和が可能であると考えられる。カソードからアンの位置を設定すると、アンジュレータの電子ビームジュレータの電子ビーム入射口までの長さは0.82 m
入射口はカソードより0.82 mの距離にあると設定すなので全体で考えても全長4 m以内に構成を収めるればよい事になる。
ことが可能であると考えられる。

４．FEL発振計算

５．まとめ

３章において最適化された電子ビーム条件を用い
光陰極高周波電子銃、短周期アンジュレータ、そてGENESIS1.3においてFEL発振が可能であるかどう
れに波長可変THzパラメトリック発生器を用いたか計算を行った。ビームはレーザー入射位相が40°、THz領域の卓上FEL装置のシミュレーションによる空洞内電界が70 MV/m、そしてソレノイド磁場が概念設計を行った。電子ビームの最適化によりFEL2100 Gという条件のもと生成されたものとした。まの発振が可能となることが計算より導かれた。
たアンジュレータの長さは2.5 m、１周期の長さが2
ただし今回の計算は最低限の構成について行った
cm、K値は2、そしてアンジュレータの電子ビームものであり、シード光のアンジュレータ入射に必要入射口はカソードより0.82 mの距離にあるとして設なベンドマグネット等の構成要素については仮定を定をおこなった。
していない。またTHz光の回折ロス等も仮定していまた発振波長は185.0 µmとする。表２にアンジュない。今後は卓上seeded-THz FELの実現に向けて必レータ入射時の電子ビームパラメータを示す。
要な構成要素についてより現実的な設計を行っていく予定である。
表２ 電子ビームパラメータ
規格化エミッタンス(x)規格化エミッタンス(y)エネルギー幅x 方向ビーム半径y 方向ビーム半径
Twiss parameter αxTwiss parameter αy
ピーク電流
ビームエネルギー
シード光出力1.77 πmm-mrad
1.63 πmm-mrad
0.80%
0.74 mm0.72 mm
2.951.95

参考文献[1] R.Kinjo, et al., “Design Study on a Short-Period Hybrid
Staggered Array Undulator by Use of High-Tc Superconductor
Bulk Magnets” , in these proceedings.
[2] K. Kawase, et al., Applied Physic Letters, vol. 80, no. 2, pp.
195 (2002)[3] F.Sakai, et al., Japanese Journal of Applied Physics, vol. 41,pp.1589 (2002)[4] J.Yang, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research, A 491, pp.15 (2002)[5] R. Kuroda, et al., International Journal of Modern Physics B,
vol. 21, pp.488 (2007)

288 A
6.25 MeV
0.2 W

GENESISによって計算されたアンジュレータ内の位置に対するFELパワーを図７に示す。

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