超高速偏光スイッチングを可能にするマイクロ波アンジュレータの開発

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K13401
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 柏木 茂 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (60329133)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: アンジュレータ / マイクロ波 / 偏光 / 電子加速器

Outline of Annual Research Achievements

アンジュレータ放射の高速偏光スイッチを実現すべく、本研究ではマイクロ波アンジュレータの開発を行なっている。平成28年度は初年度に引続き電磁場解析コードを用いて、主コンポーネントである長軸Febry-Perot共振器構造のマイクロ波空洞の設計を行なった。
マイクロ波空洞の形状については、最初に矩形空洞（導波管形状）内にTE01モードを励振し、そのあと励振モードをTE03、TE05モードと次数を上げていき、空洞内の電磁場分布を確認した。放射光の偏光スイッチを実現するためには、1つのマイクロ波空洞内のビーム軸上に電磁場の方向が90度異なる2つのモードを励振する必要がある。これまで検討してきた水平・垂直方向に対称な空洞形状では2つのモードの独立性を確保することが困難であることが分かった。そこで、結合空洞形状に非対称性を取り入れ、またアンジュレータの上流と下流側の2方向からマイクロ波を供給する方法を導入することによりモードの独立性を確保するよう設計方針を転換した。これまで長軸のFebry-Perot共振器構造のマイクロ波空洞を想定していたが、今後は、より実現性の高い断面が矩形形状のマイクロ波空洞を設計のベースとして開発を進めていく予定である。
またアンジュレータ内の電磁場と電子ビームの相互作用について考察した結果、アンジュレータ端部のマイクロ波入力空洞内で電子ビームが電磁場の非対称性により偏向される効果を打ち返すために、十分な強さの軌道補正用の電磁石がアンジュレータ両端部で必須であるということが分かった。その他、マイクロ波の高速位相スイッチングのローレベル試験を空洞設計と平行して行なった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平成28年度中にマイクロ波アンジュレータの基本設計を完了し、試作機製作を取り掛かる予定であった。マイクロ波アンジュレータの設計では、単純な矩形形状からスタートし空洞形状を決定する予定でいたが、高速偏光スイッチングのために必要な電磁場の方向が90度異なる2つのモードを1つのマイクロ波構造体に励振する空洞設計を完了していないため、研究の進捗状況はやや遅れている。その他の、空洞内の電磁場と電子ビームの相互作用に関する考察やローレベルでのマイクロ波位相スイッチング試験などは概ね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

本研究で開発するマイクロ波アンジュレータは、電子を水平・垂直方向に振動させる2つの異なるモードの電磁場をマイクロ波空洞内に励振させる必要がある。実際には、2つの電磁場モードが重畳することによりビーム軸に沿って螺旋状の電磁場分布が形成される。これまで2つの励振モードの対称性を崩さずに1つのマイクロ波構造体内に作り出すことを検討していたが、対称性を積極的に崩すことによりモードの独立性を高めるように設計を進める。そして、空洞設計を完了したのち、マイクロ波空洞の試作を行なう予定である。マイクロ波アンジュレータの設計・試作と平行して、マイクロ波の位相を高速かつ安定にスイッチングする高周波システムの開発を昨年度に引続き進めていく。

Causes of Carryover

マイクロ波アンジュレータの設計を完了することができなかったため、試作機製作に取り掛かることができず試作機を製作するのに使用する予定であった物品費を次年度に繰り越すことになった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

加工が容易なアルミニウム材料を用いてマイクロ波アンジュレータの試作機の製作に物品費を使用する予定である。また、高速位相スイッチングのためのマイクロ波コンポーネントの購入にも使用する予定である。

Research Products

• [Presentation] Generation of Coherent Undulator Radiation at ELPH, Tohoku University (2016)
  • Author(s): S. Kashiwagi, Taro Abe,, Fujio Hinode, Toshiya Muto, Ikurou Nagasawa, Ken-ichi Nanbu, Hirotoshi Saito, Yuki Saito, Yoshinobu Shibasaki, Ken Takahashi and Hiroyuki Hama
  • Organizer: 28th Linear Accelerator Conference (LINAC 16)
  • Place of Presentation: Michigan State University, MI, USA
  • Year and Date: 2016-09-27
  • Int'l Joint Research