日本加速器学会年会（名古屋大学 東山キャンパス）、2013年８月3日、SAOT10

阪大産研における
ＦＥＬスペクトルの時間的振る舞い

加藤 龍好1，川瀬 啓悟1 ，入澤 明典1 ，藤本 將輝1 ，
大角 寛樹1 ，矢口 雅貴1 ，船越 壮亮1, 堤 亮太1,末峰 昌二1，磯山 悟朗1，柏木 茂2，山本 樹3
1 大阪大学産業科学研究所
2 東北大学電子光理学研究センター
3 高エネルギー加速器研究機構

阪大産研FELの構成

大阪大学産業科学研究所のLバンドライナックを用いて、テラヘルツ領域での共振器型FELの利用に向けた開発研究を行っている。
Linac : L-band (1.3 GHz)： Emax=40 MeV, Lbunch=20-30 ps
Multi-bunch (SHBs: 1x108MHz+1x216MHz )  9.2ns spacing

Monochromator :Cross Czerny-Turner type

Detector :Ge:Ga photo conductive etc.

Wiggler : EF type (Nd-Fe-B):
Lw=1.92 m, w=60mm, Nw=32
gap=120-30mm, K=0.01-1.54

電子ビーム特性とFEL光の時間構造

サブハーモニックバンチャー空洞2台（108MHz､216MHz)によるマルチバンチ化
L-バンド(1.3GHz)による加速
電子ビームの時間構造→FEL光の時間構造

Macropulse

9.2 nsMicropulse(Bunch)Electron beammodeenergyaccelerating freq.
bunch spacing
repetition
macropulse length
energy spreadcharge per bunch
bunch length
peak current
norm. emittance
YU-156

1.8 msMulti bunch
12.5-20.5 MeV
1.3 GHz9.2 ns30 Hz (max)
8 ms
1.5-2 %
< 2 nC
20-30 ps50 A100-150  mm mradpeak~50A

20~30 ps

分光強度スペクトル
FEL光の分光強度
 電子ビームエネルギー：約15 MeV
 ウイグラーギャップ：30～42 mm
 回折格子分光器（5 g/mm）
 検出器：EnergyMax J-10MB-LE

intensity [uJ/1umBW/pulse]g:電子ビームエネルギー
K：ウイグラーK値（∝磁場強度）
ｗ：ウイグラー磁場周期

gap 30mm
gap 31mm
gap 32mm
gap 33mm
gap 34mm
gap 35mm
gap 36mm
gap 37mm
gap 38mm
gap 39mm
gap 40mm
gap 41mm
gap 42mm

w
2

1

K
22g

400
350
300
250
200
150
100
500405060

708090wavelength [um]100110120

FELピーク出力のデチューニング曲線
0.6A

FEL peak intensity [V]0.50.4

B0.30.20.1

DC0-0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1

00.1

relative cavity length [mm]FELデチューニング曲線。横軸は光共振器長の相対的な変化で、電子ビーム繰り返しと完全同期する長さからのずれ、縦軸はGe:Ga半導体検出器で測定したFEL光パルスのピーク強度（5回測定した平均値）。A点(-λ/5)、B点(-λ/2)、C点(-3λ/2)、D点(-2λ)でFEL光の波長スペクトルを測定した。測定時の中心波長は106um。

FELの時間分解波長スペクトル(A) -λ/5(B) -λ/2(C) -3λ/2(D) -2λ

FELの時間分解波長スペクトル(ｄL=-λ/5)

A点(-λ/5)で測定した時間分解波長スペクトル。長波長側、短波長側にサイドバンドが発生し、最大強度は長波長側のサイドバンドに移っている。時間方向には2周期分のリミットサイクル振動がみられる

FELの時間分解波長スペクトル(ｄL=-λ/2)

B点(-λ/2)で測定した時間分解波長スペクトル。長波長側、短波長側にサイドバンドが発生しているが、最大強度は波長105um付近から変わっていない。時間方向には4周期分のリミットサイクル振動がみられる

FELの時間分解波長スペクトル(ｄL=-3λ/2)

C点(-3λ/2)で測定した時間分解波長スペクトル。FEL利得最大の位置。サイドバンドは発生せず、単一ピーク。時間方向には5周期分のリミットサイクル振動がみられ、波長スペクトル幅も振動している。

FELの時間分解波長スペクトル(ｄL=-2λ)D点(-2λ)で測定した時間分解波長スペクトル。単一ピーク波長で、FEL利得も小さいため遅れて立ち上がっている。すでにリミットサイクル振動は見られない。

FEL増幅途中の波長スペクトル(ｄL=-3λ/2)(1)Pulse長=220周期分、光減衰材80mm(2)Pulse長=100周期分、光減衰材60mm

電子ビームのマクロパルス長と光減衰材の厚さを変えることで増幅途中の時間分解波長スペクトルを測定

FEL増幅途中の波長スペクトル(ｄL=-3λ/2)(3)Pulse長=90周期分、光減衰材40mm(4)Pulse長=80周期分、光減衰材20mm

電子ビームのマクロパルス長と光減衰材の厚さを変えることで増幅途中の時間分解波長スペクトルを測定

波長スペクトルの時間発展






電子ビームのマクロパルス長と光減衰材の厚さを変えることで増幅途中の時間分解波長スペクトルを測定
一定時間間隔で指数関数増幅
領域の波長スペクトルをプロット
初期には102um近傍で発生104um付近に移動して指数関数増幅
出力飽和時には106umにシフト

104102100

自発放射→指数関数増幅領域→出力飽和での波長シフトで定性的に説明可能10.5 us10.0 us
9.5 us10

611.0 us

FEL intensity [a.u.]

10-29.0 us
8.0 us10-490100wavelength [um]110

FEL波長スペクトルピーク値の時間変化

電子ビームのマクロパルス
長を変えて測定した時間分
解波長スペクトルにガウス分布をフィット
そのピーク値を時間の関数としてプロット

光のピーク強度は7桁以上の成長

105

FEL intensity [a.u.]

103

PL220
PL100
PL95PL90PL85PL80PL70PL60

10110-110-38910111213time [us]141516FELピーク波長の時間変化

電子ビームのマクロパルス
長を変えて測定した時間分
解波長スペクトルにガウス分布をフィット

FEL power
108

107107106

初期には102um近傍で発生指数関数増幅とともに長波長側にシフト
出力飽和時には106um近傍に達する

106105波長のシフトはFEL利得帯域の変化で説明可能

PL220
PL100
PL90PL85
PL80
PL70PL60104103102101

105

8910111213time [us]141510410310210116100FEL power [W]

そのピーク波長を時間の関数としてプロット

wavelength [um]シミュレーションによるFEL増幅帯域評価
1MW10MW50MW

Wavelength [um]自発放射から指数関数増幅：98um→100um(2%長波長側にシフト)
飽和→ GainとLossのつり合いで決まる11.6um(1.6%さらに長波長側にシフト)FEL波長スペクトル幅の時間変化

電子ビームのマクロパル
ス長を変えて測定した時間分解波長スペクトルにガウス分布をフィット

108

32.5



スペクトル幅は増幅過程の前半では減少し、後半で増加（増幅による時間幅の減少）
出力飽和後、再度減減少に転じる
リミットサイクル振動時は同じ周期で増減

106
2105
104

1.5103

1PL220
PL100
PL90
PL85

0.5089101112102

PL80
PL70
PL6013time [us]14101
1516100

FEL power [W]

そのスペクトル幅を時間の関数としてプロットspectrum width [um]107

FEL power

まとめ



FELプロセスの初期から出力飽和に至る波長スペクトルをえる 電子ビームのマクロパルス長を制御→FEL増幅プロセスを任意の時点で停止
 Ge：Ga検出器の入力に合わせて、光強度を減衰材の厚みで調整（テフロンブロック：0~80mm）
 各々の時点でのFELの時間分解波長スペクトルを測定
FEL増幅過程の初期から出力飽和に至る波長スペクトルの時間的な振る舞いを評価
FEL増幅過程にみられる波長シフトは利得帯域のシミュレーション結果と整合性がある
スペクトル幅の変化は定性的にはFELの理論と一致している