2016 Fiscal Year Annual Research Report
次世代自由電子レーザー用高輝度電子ビーム生成とマイクロバンチ不安定性抑制法の研究
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15H03594
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
西森 信行 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (60354908)
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| 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, 主任研究員(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)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
X線自由電子レーザー（FEL）開発過程で発見されたマイクロバンチ不安定性を研究する。次世代FEL用高輝度電子バンチを生成し、反転チャープ型バンチ圧縮器を用いた不安定性抑制方法の有効性を実証するのが目的である。平成28年度は次世代FEL用高輝度電子バンチ生成のため、①高電圧光陰極電子銃の450kV安定運転と②時間幅2ps、300pC以上の電子バンチ生成用レーザーシステム開発を実施した。
①高電圧光陰極電子銃は原子力機構で開発し、2012年に世界初の500kV電子ビーム生成を実証後、KEKのコンパクトERL（cERL）に移設したものである。移設後に10段分割セラミック管の2段に不具合があることが判明し、500kV運転が困難となった。そこで、2段セラミック管増設による10段運転を企画した。増設後の高電圧コンディショニングの過程で、放電による電子刺激ガス放出により、高電圧コンディショニングが進む物理的メカニズムを明らかにした。コンディショニングによるガス放出が充分に進んだ、高電圧510kVで4時間無放電を達成し、cERLでの500kV運転の目処を立てた。その後、500kVではガリウムヒ素光陰極から暗電流が発生することが判明し、450kVまでのビーム生成試験を行った。
②次世代FEL用300pCの電子バンチを量子効率1%の光陰極から生成するには、波長515nmのレーザーが0.07uJ程度必要である。レーザー波形整形でロスする分を考慮すると1uJ/パルス程度が必要となる。これまでのレーザー開発で0.75uJを波長1030nmで達成した。波長変換の効率を考慮して、更に4倍程度増幅する必要があるが、当初予定していたレーザーの最終増幅段の開発は不要となった。本年度予定している増幅後のレーザーパルス圧縮、515 nmへの波長変換によりレーザー完成の見通しを得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マイクロバンチ不安定性を研究するため、次世代FEL用高輝度電子バンチ生成が当面の目標である。そのための電子源として光陰極直流電子銃を開発している。高輝度低エミッタンス実現のための①電子銃高電圧化と、300pC大電荷電子バンチ生成のための②レーザー開発が必須開発項目である。
①H28年度は当初の計画通り、cERL電子銃について550kVまでの高電圧コンディショニングを実施し、510kVで4時間無放電保持を実証した。高電圧コンディショニングの過程において、放電時のアノード電極からの電子刺激ガス放出により、高電圧コンディショニングが進む物理的メカニズムを世界で初めて明らかにした。この放電メカニズム解明の成果は当初計画にはない大きな進展である。高電圧コンディショニング時に用いていた金属製のダミー光陰極を、ビーム生成のためのガリウムヒ素光陰極に交換した。すると、光陰極に起因する暗電流が450kVで発生したため、ビーム生成電圧は現在450kVにとどまっている。H28年度末のcERL運転では、450kV運転を安定に2週間行った。
②H28年度計画は、パルス幅2ps、300pC以上の電子バンチ生成可能なレーザーシステムを完成させ、KEKに移設することであった。1パルスのレーザーエネルギーは波長515nmで1µJが目標である。H28年度の進捗状況は、オシレーターと前段増幅部から0.8MHzの周波数で波長1030nmのレーザーを0.6W生成することに成功した。これは0.75uJに相当し、515nmへの波長変換の効率を考慮すると更に4倍のパワー増が必要である。これは前段増幅の強化のみで達成可能である。繰り返し周波数を当初計画の80MHzから大幅に下げた効果である。レーザーシステムの完成及び移設という当初の計画から遅れているが、①の成果を加えると、トータルとして順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次世代FELに必要なバンチ電荷300pC、規格化エミッタンス1mm-mrad以下の高輝度電子バンチを生成することを目的として、電子源開発に取り組む。H28年度までに実施してきた①高電圧化と②レーザー開発をさらに推進し完成させる。
①電子源の高電圧化技術は、H28年度までのcERL電子銃を用いた研究でほぼ確立し、500kV安定運転の目処を立てた。今後、450kV以上の高電圧でガリウムヒ素光陰極から発生する暗電流の原因を調査し、解決することを目指す。その後、cERL電子銃から500kV電子ビームを生成する。ソレノイドスキャンエミッタンス測定を実施し、目的とする低エミッタンス性能が得られるか、シミュレーション計算と比較しながら検証する。
②前段増幅器の強化、パルス圧縮、波長変換器を追加し、高バンチ電荷（300pC）用レーザーを完成し、KEKのERL用電子銃のレーザー室に移設する。高バンチ電荷ビームの生成試験を行う。
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[Journal Article] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK2016
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
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Journal Title
Proceedings of the 7th International Particle Accelerator Conference (IPAC2016)
Volume: 1
Pages: 1835-1838
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[Presentation] DC Photoemission Gun Upgrade at the compact ERL2016
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 – 2016-05-13
Int'l Joint Research
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[Presentation] Recent Developments and Operational Status of the Compact ERL at KEK2016
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 – 2016-05-13
Int'l Joint Research
