Macropulse Electron Beam Production witha High-Repetition-Rate Grid-Pulser
Keigo Kawase #,A), Ryukou KatoA), Akinori IrizawaA), Masaki FujimotoA), Fumoyoshi KamitsukasaA), Hiroki OhsumiA),
Masaki YaguchiA), Akira TokuchiA), Shoji SuemineA), Goro IsoyamaA)
A)
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University, 8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047

Abstract
The study of an infrared free-electron laser (FEL) is being conducting by using the macropulse electron beam with theduration of 8 µs generated by the L-band electron linac at the Institute of Scientific and Industrial Research, OsakaUniversity. At present, the electron beam is generated from the thermionic electron gun with the duration of 8 µs in dc,and bunched into the micropulses with the bunch interval of 9.2 ns by using subharmonic-buncher cavity with the RF
frequency of 108 MHz. On the other hand, the resonator length of the FEL is equal to the round-trip time for the lightof 37 ns, thus, there are 4 electron and light bunches in this time. In order to increase the FEL gain, we have toincrease the bunch charges of the electron beam, but the beam loading of the RF system has been already reached tothe serious level. By reducing the electron bunch repetition to 27 MHz, it is possible to increase the bunch charges in
4 times keeping the present average beam loading to the RF system. Therefore, we have been developing the grid
pulser system with the repetition rate of 27 MHz. Recently we have installed this system into the L-band electron linac
and started the study of the 27 MHz beam operation. In this meeting, we show the results of the beam study of thisgrid pulser system.

高繰り返しグリッドパルサーを用いたマクロパルス電子ビーム発生試験1.

はじめに試験を開始した。
本発表では、これまでに実施した 27 MHz 電子ビームの加速実験と FEL 発生実験の概要と得られた結果を報告し、問題点を議論する。

大阪大学産業科学研究所量子ビーム科学研究施設
では、駆動周波数 1.3 GHz の L バンド電子ライナッ
クで発生させたパルス幅 8 µs のマクロパルスを用い実験装置て遠赤外自由電子レーザー（FEL）の研究開発を実 2.
施している[1, 2]。現在、FEL の研究のためには熱電
2.1 L バンド電子ライナックと FEL 装置
子銃から 8 µs の電子ビームを dc 的に発生させ、108産研 L バンド電子ライナックは、大強度短パルス
MHz のサブハーモニックバンチャーRF 空洞を用いて 9.2 ns 間隔の電子バンチ列を生成している。一方、 電子ビームを発生させるために、2 台の 108 MHz 定
FEL 共振器のミラー間隔は光パルスの往復時間で 在波型サブハーモニックバンチャー(SHB)空洞と 137 ns であり、そのためこの時間内には電子パルス、 台の 216 MHz SHB 空洞を持ち、それらに続いて 1.3すなわち光パルスは 4 個存在することとなる。FEL GHz の進行波型プリバンチャー、バンチャーと 3 mの増幅率はバンチ当たりの電荷に依存して増大する の加速管から構成されている（図１）。FEL 実験にので、バンチ間隔を 37 ns（27 MHz）にすることで、 おいては 1 台の 108 MHz SHB 空洞と 216 MHz SHB
RF への平均ビーム負荷を現状のままでバンチ電荷 空洞を用いてパルス長 8 µs で電流 0.6 A の dc 電子を 4 倍にすることが可能となり、結果、FEL 増幅率 ビ ー ム を バ ン チ 化 と 圧 縮 を し 、 さ ら に プ リ バ ンの増大が期待できる。これにより、回折損失がより チャー、バンチャーで圧縮した後、加速管で主に大きくなる長波長側への FEL 発振領域拡大が期待 15 MeV まで加速された電子ビームを利用している。
加速された電子ビームは 1.92 m のアンジュレーできる。
27 MHz のバンチ列生成のために、我々は熱電子 タとおよそ 5.5 m の長さの光共振器を持つ FEL ビー銃を駆動するグリッドパルサーの開発を実施してい ムラインへ輸送され、ここで FEL 発振をさせている[3, 4]。電子ライナック実機へこのグリッドパル る。アンジュレータのギャップは最小 30 mm からサーを導入するために、これまで実機を模擬したテ 連 続 的 に 変 化 さ せ る こ と が で き 、 エ ネ ル ギ ー 15ストベンチを構築し、電子ビーム発生試験と特性評 MeV の電子ビームを用いて、おおよそ 100 µm から価を実施してきた。ここで 27 MHz の電子バンチが 60 µm の遠赤外領域の FEL を発生させている。
8 µs のマクロパルスとして安定に生成できることを確認し、今年度、開発したグリッドパルサーをライナック実機への導入し、ビーム加速と FEL 発生の___________________________________________#

kawase@sanken.osaka-u.ac.jp- 967 -ns 遅延した信号で FET ベースに接続したトランジスタのスイッチで、ベースにたまっている電荷を強制的に短絡させる（図３）。これにより、立ち下がりの間延びを抑制した高速のパルスを生成することが可能となった。

図１：産研 L バンドライナックおよび FEL 装置の概要。
2.2

27 MHz グリッドパルサー

現在のところ、FEL 実験においては 108 MHz で 8µs のマクロパルスの電子ビームを用いているが、RF パワーへのビーム負荷がすでに 50%を越えてお 図３：FET 出力高速化のためのゲート短絡の概念
り、これ以上のビーム強度の増大は難しい（図２）。 図。
しかしながら、光共振器の間隔は繰り返し数に換算して 27 MHz である。そのため、ビームの繰り返しこのようにして製作した高速、高電圧グリッドパ数を 1/4 にすることにより平均ビーム負荷を現状の ルサーを図４に記したような信号フローチャートのままで、バンチ電荷を 4 倍に増加させることができ ように、現在利用している 8 µs の dc ビーム用トリる。これにより、FEL の増幅率の増大が期待できる。 ガーシステムと共存した形で、27 MHz の電子ビーム発生用トリガーシステムを今回新たに L バンド電子ライナック電子銃システムへ導入した。これまでにシステムでは平板コンデンサにより、高圧デッキへ信号を導入していたが、今回は RF 光電気信号変換器を用いて、光ファイバ接続による信号導入を採用した。これにより、簡便に高圧部との信号のやり取りが可能となった。

図２：現在の FEL 実験における加速管 RF のビーム負荷による影響（赤線：ビームあり、黒線：ビームなし）。

図４：L バンド電子ライナック電子銃実機の 27MHz グ リ ッ ドパルサーシステム信号フローの概要。

108 MHz の SHB 空洞で効率的に 27 MHz のビームを入射するためには、電子銃からのパルス幅が 5
実験結果ns 以下であればよい。そのために、27 MHz で電子 3.
銃を駆動するグリッドパルサーを開発している。パ
3.1 ビーム加速試験
ルサー出力段には、高速で高電圧 (定格 180 V)を利
これまでの FEL 実験では３台の SHB 空洞のうち、用できる FET を用いている。
単純に FET からのパルスを取り出しただけでは、 ２台を用いているが、27 MHz で電子銃を駆動する
立ち上がりは高速であるが、ゲートに電荷が残って 場合、使っていない空洞の影響が無視できないため、いるために、パルスの立ち下がりは数 10 ns まで間 ３台すべてを利用する。これらの空洞および 1.3延びしてしまい、高速なパルスを利用することはで GHz 系の空洞の位相と振幅を調整することにより、きない。そのためここでは、FET へのトリガから数 108 MHz において利用している電子ビームとほぼ同- 968 -等のマクロパルスエネルギースペクトルを達成でき 4.
問題点と今後の展望た（図５）。また RF パワーへのビーム負荷についても、入力電子ビームのピーク電流を増加させても、 4.1 電子銃出力におけるサテライトパルスこれまでよりも小さいあるいは同等の負荷で運転で今回導入した 27 MHz グリッドパルサーにより電きることがわかった（図６）。
子銃を駆動させたところ、ミクロパルス間にグリッドパルサー出力とは異なるパルスが発生していることがわかった。これは以前に実施していたテストベンチにおいては見られなかった出力であり、現在のところその原因を究明中である。このサテライトパルスはグリッドパルサーの波高を小さくするとより顕著に現れてくる。
今後、RF 空洞が下流に存在することによる電子銃出力の影響の有無や、電子銃負荷とグリッドパルサー出力とのインピーダンス不整合の詳細な調査と出力波形へのその影響を詳細に調査し、安定な 27MHz 電子ビーム発生を実現する。

4.2
図５：27 MHz 運転と 108 MHz 運転の典型的なマクロパルス電子ビームスペクトル。

RF パラメータの最適化

FEL 出力の大きな変化が確認できなかった原因のひとつに、RF 系の各パラメータの最適化がまだなされていなかったということも考えられる。現在のところ、SHB 系、1.3 GHz 系の各 RF システムすべての入出力特性をモニターすることができておらず、これらのモニター系を今後順次整備している予定である。関連するすべての RF 系の 27 MHz 電子ビー
ムに対する特性を系統的に調査することで、FEL 発振のための RF パラメータの最適化を進める。

図６：27 MHz 運転時の入力ビーム電流を変化させた時の加速管 RF のビーム負荷。

3.2

FEL 発生試験

27 MHz 運転においても通常の FEL 実験における電子ビームと同等のエネルギースペクトルが得られたので、このビームを用いて FEL 発生の試験を実施した。
FEL の発振は確認されたが、通常運転と比較して大きな変化を確認することはできなかった。これについては、次に述べるいくつかの問題点に起因していると考えられ、今後これらの問題点を対処してから、また FEL の高増幅率化の評価を実施する。

図７：27 MHz 運転時の入力ビーム電流を変化させた時の電子銃出口でのビーム波形。

- 969 -5.

まとめ

これまでに開発してきた 27 MHz グリッドパルサーを大阪大学産業科学研究所量子ビーム科学研究施設の L バンド電子ライナックの電子銃システムへ導入し、その動作を確認した。ビームの発生と加速、および FEL 発振の確認はできたが、いくつかの問題点が残っている。今後、これらの問題点を解決し、安定な FEL 発振とその特性評価と発振波長の長波長化を含めた性能向上を進めていく。

参考文献[1] G. Isoyama, et al., “Development of FEL and SASE in the
far-infrared retion at ISIR, Osaka University”, Infrared
Physics & Technology 51 (2008) 371.
[2] R. Kato, et al., “High power terahertz FEL at ISIR, OsakaUniversity”, Proceedings of the 1st International ParticleAccelerator Conference, Kyoto, Japan, May 23-28, 2010.
[3] N. Sugimoto, et al., “Development of a thermionic electron
gun with a high-repetition-rate grid-pulser”, Proceedings ofthe 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan,Himeji, Aug. 4-6, 2010.
[4] N. Sugimoto, K. Kawase, et al., “Development of athermionic electron gun with a high-repetition-rate gridpulser (II)”, Proceedings of the 8th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan,Tsukuba, Aug. 1-3,2011.

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