村田亜希1、五十嵐千明1、樫野多加志1、加藤雄太1、小宮圭太1、五輪智子1、坂上和之1、鈴木達也1、野本知章1、濱義昌1、広瀬立成1、藤田晃宏1、増田明彦1、鷲尾方一1、浦川順治2、栗木雅夫2、高富俊和2、

照沼信浩2、早野仁司2、柏木茂3、神谷好郎4、黒田隆之助5、

1早稲田大学理工学研究所、2高エネルギー加速器研究機構、3大阪大学 産業科学研究所、4東京大学 素粒子物理国際センター、

5産業技術総合研究所

第5回 高周波電子銃研究会@早稲田大学 2007/12/04

早稲田大学Cs2TeカソードRF-Gun電子銃の現状

Development of a Cs2Te photocathode RF-Gun system & Beam diagnostics at Waseda University

Agenda

早稲田大学におけるCs2TeカソードRF-Gunシステム

改良型RF-Gun空胴の特性

HFSSによる３次元空胴特性評価

早稲田大学における電子ビーム試験

早稲田大学における電子ビームを利用した応用実験

まとめと今後の展望

Introduction

ピコ秒の時間スケールでの放射線化学反応の初期過程を明らかにするパルスラジオリシス実験生体顕微鏡への応用に向けた逆コンプトン散乱による軟Ⅹ線生成

フォトカソードRF-Gunとはピコ秒短パルスかつ低エミッタンスな高品質電子ビームが生成可能な電子源。

早稲田大学では銅カソードを用いて最大1nCの電荷量をもつ電子ビームの生成に成功。

より大強度の電子ビームを得るため、高量子効率が期待できるCs2Teを新たに導入。更なる電荷量の確保及び応用実験結果の安定化と実験の幅が広がる事が期待される。

PLURISE VNd:YLFレーザーシステム

RF-Gun System @Waseda Univ. Washio Lab.

高加速電場の実現により低エミッタンス電子ビームが生成可能。レーザーパルスの制御によりピコ秒短パルス電子ビームが生成可能。

改良型RF-Gunシステムを開発し、今年夏インストール完了。

1m

1m 2m ビームライン上流レイアウト図

カソード導入システムを備えることで、真空を保ったまま量子効率を落とすことなくCs2Teカソードの交換が可能。

BNLタイプ 1.6セルSバンドRF-Gunシステム

波長 1047nm/523nm/262nmエネルギー ～1mJパルス幅(FWHM) 10ps繰り返し周波数1-25Hz

RF-Gunシステム全体図

New cavity

構造端盤とハーフセル間のヘリコフレックスを除去。チューナーロッドで空胴壁を変形させるタイプの新チューナーを採用。

-200

0

200

400

600

800

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

＋方向回転周波数[kHz］

－方向回転周波数[kHz]

周波数[kHz］

回転角度[°]

周波数調整代 チューナー1本で約220kHz

Cs2Teカソード導入にあたり、KEK（高エネルギー加速器研究機構）との共同研究により改良型空胴を開発。

・さらなるQ値、加速勾配の増大・暗電流の削減・真空度の向上

旧型空胴

改良型空胴 新チューナー

空胴構造

チューナー構造

旧チューナー構造

新チューナー構造

Cavity parameter

2.491.753.671.9実効R shunt impedance

1110.6β

×

×

×

NewKyoto Univ.*

約12000約109007900Q value

○○○○Laser port

×○○○Tuner port

×○○○Hericoflex seal

NewWaseda

Univ.(Cs2Te)

WasedaUniv.(Cu)

KEK-LUCX

(Cs2Te)KEK-ATF(Cs2Te)

＊京都大学 RF-Gun分科1 紀井俊輝 『京都大学・Sバンド光陰極高周波電子銃の製作 』参照

Cs-Teを導入している各研究機関のRF-Gun空胴のスペック

Simulation by HFSS現在ハーフセルについているレーザーポート、端盤とハーフセル間のヘリコフレックスが空胴パラメータに与える影響について3次元磁場解析コードHFSSを用いてシミュレートを行っている。レーザーポート、ヘリコフレックスがない空胴(京大新空胴)をつくり、比較した。

約1(under)under1β

0,πmode

0,Πmode

πmode共振周波数

約13700約13400Q

1:11:1－電場比

新京大タイプ

(レーザーポート、ヘリコフレックス

無)

新早大タイプ

(レーザーポート有、ヘリコフレックス無)

旧早大タイプ

(レーザーポート、ヘリコフレックス

有）

High Power Processing @KEK-ATF

空胴作成後KEK-ATFのダンピングリング入射器にてプロセシングを行い、新空胴とATF既存の空胴と比較し性能を評価。

RFパワー1MW/pulse /パルス幅0.5μsec

↓RFパワー12MW/pulse /パルス幅2.0μsec

(Cs2Te蒸着前に約90時間のプロセシング)

プロセシングにかかる時間も既存の空胴に比べ短時間であった。蒸着後も10MW以上でのプロセシングを続行した。(冷却水温度は28度、ソレノイド電流値110Aに固定。)

0

1

2

3

4

5

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200

pluse width [usec]

max RF Power [MW]

plus

e w

idth

[use

c]

max R

F Power [M

W]

total time [h]

カソードを蒸着

早稲田改良型空胴パルス幅1.8usec/カソード無しとATF既存の空胴パルス幅1.6usec Cs2Teカソードの暗電流値の比較

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8 10 12

dark-waseda

dark-ATF Existing gun

Dar

k cu

rren

t [pC

]

RF Power [MW]

プロセシングの経過

パルス幅が異なるものの、ATF空胴より暗電流値が減少。最終的にRFパワー12MWで約0.9nCの暗電流が計測された。

Beam parameter measurement @Waseda Univ.

1％～1％～エネルギー広がり

約115MV/m約100MV/m加速勾配

今後計測の予定

約5psecバンチ長（FWHM）

今後計測の予定

2πmmrad～エミッタンス

約5.5MeV～4.6MeVエネルギー

～7ｎC/bunch～1nC/bunch電荷量

改良型空胴(Cs2Te)

旧空胴(Cu)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1

2

3

4

5

6

7

0 50 100 150 200 250

charge

energy

char

ge [p

C] energy [M

eV]

phase [deg]RF位相に対する電荷量とエネルギーの関係(RFパワー10MW)

電荷量とエネルギー測定実験

ファラデーカップで電荷量測定

ベンディング磁石の磁場を振ってエネルギーを測定

空胴の違いによる電荷量とエネルギーの関係

エネルギー、加速勾配共に2割増!

Dark current measurement @Waseda Univ.

0

200

400

600

800

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Cu Solenoid=120A

Cs-Te Solenoid=150A

dark

cur

rent

[pC

/bun

ch]

accelerating Voltage [MV]

Cs2Te蒸着直後の暗電流測定結果

Cs2Te蒸着直後で加速電圧8MVで約800pCの暗電流。加速効率の向上と暗電流の減少がみられる。

現在RFパワー10MW、パルス幅2μsecで運転中。

Cs2Te(Q.E.=2.3%@262nm)蒸着後の暗電流。約RFパワー10MWで約800pC。

0

200

400

600

800

1000

0 2 4 6 8 10 12

dark current

dark

cur

rent

[pC

/bun

ch]

RF Power [MW]

加速電圧に対する旧空胴と改良型空胴の暗電流の測定比較結果

Beam Experiments at Waseda Univ.

分科4 早稲田大学 五輪智子『早稲田大学RF電子銃における応用研究と将来計画』

・放射線化学反応の初期過程を解明するパルスラジオリシス実験

・生体顕微鏡への応用にむけた逆コンプトン散乱による軟X線生成実験

現在ピコ秒の時間分解能を持つ測定システムの構築に成功。S/Nの向上が課題。今後有機溶媒の化学反応分析を予定。

電子ビームにレーザー光を衝突させることによって、レーザー光を弾性散乱衝突させて水の窓領域(250-500eV)の軟X線の生成、検出に成功。収量増加、S/Nの向上が問題。軟X線顕微鏡の開発に向けたイメージング方法の模索中。

・電荷量の向上 パルスラジオリシス実験におけるS/Nの大幅な改善。・加速効率、Q値の向上 パルスラジオリシス実験の試料や、逆コンプトン散乱実験

のX線衝突点でより収束されたビームが生成可能になり、さらなる収量の増加に期待。

Conclusion ＆ Future Plan

今後ダブルスリット法によるエミッタンス計測を予定。

高量子効率を持つCs2Teカソードを装着可能な改良型フォトカソードRF-Gunシステムを開発した。

Cs2Teカソードを導入することによって、さらなる電荷量を得ることに成功。

既存のRF-Gun空胴を改良することによって・Q値、加速勾配の増大・暗電流の削減が可能となり、より高品質な電子ビームが得られた。

これにより応用実験におけるS/Nの改善などが期待される。

Space Charge effect measurement

100

200

300

400

500

600

700

800

4.2

4.4

4.6

4.8

5

5.2

5.4

5.6

5 6 7 8 9 10 11

charge

energy

char

ge [p

C] energy [M

eV]

RF power [MW]

RFパワーに対する電荷量とエネルギーの関係(Beam径 3mm)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40 50 60

beam 1.5mm

beam 5mm

beam 3mm

char

ge [p

C]

laser power [uJ]

ビーム径に対する電荷量と空間電荷効果の評価

Slit scanスリットで電子ビーム全体をスキャンし、各々のスリット位置で得られたビームプロファイル画像の強度分布を運動量方向に変換し、短冊状に並べることによってスリット位置でのビームのスリット位置でのビームの位相空間分布を求めることができる。そして、この分布からエミッタンス値を算出することができる。スリットで切った電子ビームの強度分布は、シングルスリット法と同様に運動量方向の強度分布に変換できる。よってビーム全体を２枚のスリットでスキャンし、その電荷量分布を求めることで、位相空間分布を測定できる。