Generation of high brightness electron beam and suppression of micro-bunching instability for XFEL operating at MHz-class repetition rate

• Project/Area Number: 15H03594
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Quantum beam science
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (2018); Tohoku University (2016-2017); Japan Atomic Energy Agency (2015)
• Principal Investigator: NISHIMORI NOBUYUKI 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所, 上席研究員(定常) (60354908)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森 道昭 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (10323271) ; 本田 洋介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (40509783) ; 宮島 司 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (50391769)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2015: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
• Keywords: 自由電子レーザー / 光陰極電子銃 / マイクロバンチ不安定性 / 高輝度電子源 / XFEL / 高輝度電子バンチ / 光陰極直流電子銃

Outline of Final Research Achievements

We developed a high voltage photoemission dc gun capable of delivering high brightness electron beam for the next generation X-ray FEL that will be operated at high repetition rate above 0.1 MHz. Stable generation of a 500 keV beam with current greater than 0.8 mA was demonstrated for more than two hours. A dark current from the gun was successfully suppressed below a few pA. We also developed a drive laser system of the photoemission dc gun for generation of high bunch charge up to 300 pC. However, high brightness beam at bunch charge higher than 10 pC has not been generated due to uncontrolled magnetic field along the beam transport line downstream the gun exit. We will solve this problem and perform a proof of principle experiment of a new method for micro-bunching instability suppression.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

次世代XFELは高輝度電子バンチをメガヘルツ程度の繰り返しで生成するCW電子源を必要とする。世界的に見て186MHzのRF光陰極電子源と直流光陰極電子源のみが有力な候補である。直流電子源で高輝度性能を達成するには、高加速電界と高加速エネルギーが必要である。それには電子源の高電圧化が必要だが、同時に放電問題を克服する必要がある。本研究では、直流電子源における放電現象の解明にも取り組み、世界最高電圧の500kVで長時間安定に直流光陰極電子源を運転し、暗電流を数ピコアンペア以下に抑制することに成功した。数百キロボルト以上の高電圧が必要とされる多様な技術開発にとって意義のある研究成果である。

Research Products

• [Journal Article] Operational experience of a 500 kV photoemission gun (2019)
  • Author(s): Nobuyuki Nishimori, Ryoji Nagai, Ryoichi Hajima, Masahiro Yamamoto, Yosuke Honda, Tsukasa Miyajima, and Takashi Uchiyama
  • Journal Title: Physical Review Accelerators and Beams Volume: 22 Issue: 5 Pages: 053402-053402
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.22.053402
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a Multialkali Photocathode Dc Gun for a Smith-Purcell Terahertz Free-Electron Laser (2018)
  • Author(s): Nobuyuki Nishimori, Ryoji Nagai, Masaru Sawamura, Ryoichi Hajima
  • Journal Title: Particles Volume: 1 Issue: 1 Pages: 166-174
  • DOI: 10.3390/particles1010012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Compact-ERL DC電子銃の500kV長期安定運転 (2018)
  • Author(s): 山本 将博、西森 信行、宮島 司、本田 洋介、羽島 良一
  • Journal Title: 第15回加速器学会年会論文集 Volume: 1 Pages: 189-193
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Construction and commissioning of the compact energy-recovery linac at KEK (2018)
  • Author(s): M. Akemoto, D. Arakawa, S. Asaoka, E. Cenni, M. Egi, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, R. Hajima, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, T. Honma, K. Hosoyama, E. Kako, T. Miyajima (31番目), N. Nishimori (39番目), 他
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 877 Pages: 197-219
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.08.051
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 60 pC Bunch Charge Operation of the Compact ERL at KEK (2017)
  • Author(s): T. Miyajima, Y. Honda, M. Shimada, R. Takai, T. Obina, K. Harada, M. Yamamoto, N. Nakamura, K. Umemori, E. Kako, T. Miura, R. Kato, T. Hotei, R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori
  • Journal Title: Proceedings of the 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017) Volume: 1 Pages: 890-893
• [Journal Article] Optics Design of the compact ERL Injector for 60 pC Bunch Charge Operation (2017)
  • Author(s): T. Hotei, T. Miyajima, M. Shimada, N. Nakamura, R. Kato
  • Journal Title: Proceedings of the 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017) Volume: 1 Pages: 898-901
• [Journal Article] 光陰極電子銃により生成された高電荷ビームへのレーザーミラーの影響 (2017)
  • Author(s): 布袋貴大、宮島司
  • Journal Title: 第14回加速器学会年会論文集 Volume: 1 Pages: 386-390
• [Journal Article] High voltage threshold for stable operation in a dc electron gun (2016)
  • Author(s): Masahiro Yamamoto and Nobuyuki Nishimori
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 109 Issue: 1
  • DOI: 10.1063/1.4955180
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK (2016)
  • Author(s): T. Obina, M. Adachi, S. Adachi, T. Akagi, M. Akemoto, D. Arakawa, S. Araki, S. Asaoka, M. Egi, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, H. Honma, T. Honma, K. Hosoyama, K. Hozumi, A. Ishii, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri, H. Kawata, Y. Kobayashi, 他63名
  • Journal Title: Proceedings of the 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016) Volume: 1 Pages: 1835-1838
• [Journal Article] DC Photoemission Gun Upgrade at the compact ERL (2016)
  • Author(s): N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, X. Jin, T. Obina, M. Kuriki
  • Journal Title: Proceedings of the 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016) Volume: 1 Pages: 3944-3946
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 超高真空における電子刺激脱離と直流放電現象の関係 (2016)
  • Author(s): 山本将博、西森信行
  • Journal Title: 第13回加速器学会年会論文集 Volume: 1 Pages: 47-51
• [Journal Article] コンパクトERL におけるビーム電流約1 mA の運転 (2016)
  • Author(s): 坂中章悟、芳賀開一、本田洋介、松村宏、宮島司、野上隆史、帯名崇，下ヶ橋秀典、島田美帆、山本将博、中村典雄、高井良太、田中オリガ、原田健太郎、許斐太郎、阪井寛志、梅森健成、河田洋、小林幸則、羽島良一、西森信行
  • Journal Title: 第13回加速器学会年会論文集 Volume: 1 Pages: 291-295
• [Journal Article] コンパクトERL 電子銃の高性能化 (2016)
  • Author(s): 西森信行、山本将博、羽島良一、森道昭、永井 良治、宮島 司、内山 隆司、本田 洋介
  • Journal Title: 第13回加速器学会年会論文集 Volume: 1 Pages: 468-472
• [Journal Article] Review of Experimental Results from High Brightness DC Guns: Highlights in FEL Applications (2015)
  • Author(s): Nobuyuki Nishimori
  • Journal Title: Proceedings of the 37th International FEL Conference Volume: 1 Pages: 269-273
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] コンパクトERL電子銃の現状とアップグレード計画 (2015)
  • Author(s): 西森信行、永井良治、森道昭、羽島良一、山本将博、本田洋介、宮島司、内山隆司、金秀光、帯名崇、 栗木雅夫
  • Journal Title: 第12回加速器学会年会論文集 Volume: 1 Pages: 508-510
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Compact-ERL DC電子銃の500kV長期安定運転 (2018)
  • Author(s): 山本 将博、西森 信行、宮島 司、本田 洋介、羽島 良一
  • Organizer: 第15回加速器学会年会
• [Presentation] 高繰り返しFELのためのDC電子銃開発 (2017)
  • Author(s): 西森信行、森道昭、永井良治、羽島良一、山本将博、内山隆司、本田洋介、宮島司
  • Organizer: 第14回高輝度高周波電子銃研究会
  • Place of Presentation: 東北大学電子光理学研究センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-02-23
• [Presentation] Commission results of the compact ERL High voltage DC gun (2017)
  • Author(s): N. Nishimori, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, Xiuguang Jin, Takashi Obina, M. Mori, R. Nagai, R. Hajima, M. Kuriki
  • Organizer: The 59th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 60 pC Bunch Charge Operation of the Compact ERL at KEK (2017)
  • Author(s): T. Miyajima, Y. Honda, M. Shimada, R. Takai, T. Obina, K. Harada, M. Yamamoto, N. Nakamura, K. Umemori, E. Kako, T. Miura, R. Kato, T. Hotei, R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori
  • Organizer: The 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optics Design of the compact ERL Injector for 60 pC Bunch Charge Operation (2017)
  • Author(s): T. Hotei, T. Miyajima, M. Shimada, N. Nakamura, R. Kato
  • Organizer: The 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光陰極電子銃により生成された高電荷ビームへのレーザーミラーの影響 (2017)
  • Author(s): 布袋貴大、宮島司
  • Organizer: 第14回加速器学会年会
• [Presentation] 超高真空における直流高電圧放電と電子刺激脱離の関係性 (2017)
  • Author(s): 山本将博、西森信行
  • Organizer: 2017年真空・表面科学合同講演会
• [Presentation] Relation between electron stimulated desorption and dc high voltage discharge under ultra-high vacuum (2016)
  • Author(s): Masahiro Yamamoto and Nobuyuki Nishimori
  • Organizer: International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高真空における電子刺激脱離と直流放電現象の関係 (2016)
  • Author(s): 山本将博、西森信行
  • Organizer: 第13回加速器学会年会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] コンパクトERL におけるビーム電流約1 mA の運転 (2016)
  • Author(s): 坂中章悟、芳賀開一、本田洋介、松村宏、宮島司、野上隆史、帯名崇，下ヶ橋秀典、島田美帆、山本将博、中村典雄、高井良太、田中オリガ、原田健太郎、許斐太郎、阪井寛志、梅森健成、河田洋、小林幸則、羽島良一、西森信行
  • Organizer: 第13回加速器学会年会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] コンパクトERL 電子銃の高性能化 (2016)
  • Author(s): 西森信行、山本将博、羽島良一、森道昭、永井 良治、宮島 司、内山 隆司、本田 洋介
  • Organizer: 第13回加速器学会年会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] DC Photoemission Gun Upgrade at the compact ERL (2016)
  • Author(s): N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, X. Jin, T. Obina, M. Kuriki
  • Organizer: 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016)
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 2016-05-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK (2016)
  • Author(s): T. Obina, M. Adachi, S. Adachi, T. Akagi, M. Akemoto, D. Arakawa, S. Araki, S. Asaoka, M. Egi, K. Enami, K. Endo, S. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, K. Hara, K. Harada, T. Honda, Y. Honda, H. Honma, T. Honma, K. Hosoyama, K. Hozumi, A. Ishii, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, H. Katagiri, H. Kawata, Y. Kobayashi, 他63名
  • Organizer: 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016)
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 2016-05-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 次世代放射光源のための高輝度電子源開発 (2016)
  • Author(s): 西森信行
  • Organizer: 平成27年度阪大産研量子ビーム科学研究施設成果報告会
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2016-03-02
  • Invited
• [Presentation] 次世代FELを見据えたcERL電子銃アップグレード (2016)
  • Author(s): 西森信行、羽島良一、山本将博、内山隆司、宮島司
  • Organizer: 第22回FELとHigh Power Radiation研究会
  • Place of Presentation: KEK（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-01-21
• [Presentation] 次世代放射光源用dc電子銃開発の最近の進捗 (2015)
  • Author(s): 西森信行、森道昭、永井良治、羽島良一、山本将博、内山隆司、本田洋介、宮島司
  • Organizer: 第13回高輝度高周波電子銃研究会
  • Place of Presentation: 京都大学宇治キャンパス（京都府宇治市）
  • Year and Date: 2015-12-07
• [Presentation] Review of Experimental Results from High Brightness DC Guns: Highlights in FEL Applications (2015)
  • Author(s): Nobuyuki Nishimori
  • Organizer: 37th International Free Electron Laser Conference
  • Place of Presentation: Daejeon Convention Center, Daejeon, Korea
  • Year and Date: 2015-08-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] コンパクトERL 電子銃の現状とアップグレード計画 (2015)
  • Author(s): 西森信行、永井良治、森道昭、羽島良一、山本将博、本田洋介、宮島司、内山隆司、金秀光、帯名崇、 栗木雅夫
  • Organizer: 第12回加速器学会年会
  • Place of Presentation: プラザ萬象・あいあいプラザ（福井県敦賀市）
  • Year and Date: 2015-08-05
• [Presentation] Operational Experience of DC Photoemission Gun at the compact ERL (2015)
  • Author(s): N. Nishimori, R. Nagai, R. Hajima, M. Yamamoto, T. Miyajima, Y. Honda, T. Uchiyama, X. Jin, T. Obina, M. Kuriki
  • Organizer: The 56th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs
  • Place of Presentation: Stony Brook University, Stony Brook, New York, USA
  • Year and Date: 2015-06-07
  • Int'l Joint Research