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作成： 1999/11/29 静間　俊行

データ番号　　　：140028
超伝導リニアック自由電子レーザーにおけるビームエネルギー回収
目的　　　　　　：エネルギー回収法による大出力自由電子レーザーの開発
研究実施機関名　：日本原子力研究所関西研究所自由電子レーザー研究グループ
概要　　　　　　：
　自由電子レーザー(FEL)では、相対論的エネルギーの電子ビームとアンジュレータ内で発生する電磁波との相互作用により、レーザー発振を実現する。FELの特徴として、波長可変性、単色性、指向性とともに、高効率で大出力のレーザーが取り出せる点があげられる。ここでは、超伝導リニアックでのビームエネルギー回収法による大出力自由電子レーザーについて述べる。
　
詳細説明　　　　：
　自由電子レーザー(FEL)は、アンジュレータ中で蛇行運動する電子と電磁波との相互作用によって発生する指向性のよいコヒーレントな単一波長光である。その波長は、原理的に電子エネルギーの大きさや、アンジュレ─タ磁場の強さにより変えることができる。さらに、FELの特徴として、高効率で大きなレーザー出力が取り出せる点があげられ、その出力は次式で表せすことができる。
　
　　　PFEL=Eeb*Ieb*ηFEL*ηopt
　
　ここで、Eebは電子ビームのエネルギー、Iebは電子ビーム電流、ηFEL、ηoptは、それぞれ電子ビームエネルギーのレーザー変換効率、光共振器の取り出し効率である。 通常、 ηopt=1 程度なので、電子ビーム量Iebとレーザー変換効率ηFELを高めることで FEL出力を増加させることになる。また、電子ビームの輝度も、レーザー変換効率に関係するため、FEL出力増加への重要な要素となる。ここで、紹介するビームエネルギー回収法では、主に電子ビーム量を増やし、FEL出力を高める。
　
　エネルギー回収輸送系で加速された電子ビームは、アンジュレーター内でFEL相互作用した後、主加速器へ再入射される。その際、電子ビームを高周波電場の減速位相に合わせることにより、電子ビームエネルギーを加速器空洞へ貯え、電子ビームの加速に再利用する。その結果、少ない高周波電力で大電流の電子ビームの加速が可能になる。特に、超伝導リニアックでは、もともと空洞での電力損失が極めて少ないため、エネルギー回収法の利点を最大限に活かすことができる。また、エネルギー回収輸送系では、ビームダンプ位置で発生する放射線量を抑制することができ、これもエネルギー回収法の大きな利点である。
　
　上述のエネルギー回収法により、米国 Thomas Jefferson National Accelerator Facility(TJNAF)では1999年7月、波長3.1ミクロン、平均出力1720ワットの安定なFEL発振に成功している(参考資料1)。図1に、TJNAF の超伝導加速器ビームラインを示している。電子ビームは、injector により 10 MeV まで加速され、38 MeV cryomoduleへ入射される。その後、wiggler 内でFEL相互作用し、エネルギー回収ビームラインを周回し、38 MeV cryomodule へ再入射される。
　
　その際、特に問題となるのがFEL相互作用後の電子ビームのエネルギー広がりで、数パーセント以上となる。そのため、エネルギー回収輸送系は、等時性(isochronicity)と収色性(achromaticity)を兼ね備えてなければならず、TJNAFのビーム輸送系では、MIT/Bates 型の 180 度アーク(参考資料2 p.107-109、155)を採用し、等時性と収色性を実現している。このアークは、20度、-20度、180度、-20度、20度の5台の偏向電磁石群で構成され、偏向電磁石のエッジ曲率で高次の色収差の補正を行っている。また、180 度アーク前後の偏向電磁石で行路長を変化させ、再入射で必要となる高周波電場との位相調整が行えるようになっている。


図1　 Schematic of IR Demo at TJNSF （原論文3より引用。　Reproduced from Physical Review Letters 2000; 84, 662-665, Figure 1 (p.663), G.R.Neil, C.L.Bohn, S.V.Benson, G.Biallas, D.Douglas, H.F.Dylla, R.Evans, J.Fugitt, A.Grippo, J.Gubeli, R.Hill, K.Jordan, R.Li, L.Merminga, P.Piot, J.Preble, M.Shinn, T.Siggins, R.Walker, and B.Yunn, Sustained Kilowatt Lasing in a Free-Electron Laser with Same-Cell Energy Recovery, Copyright(2000), with permission from the American Physical Society. ）

　次に、日本原子力研究所(JAERI)で設計中のエネルギー回収用の超伝導リニアックFELについて紹介する。JAERIビーム周回ラインのレイアウトを図2に示している。1st180度アークは、3台の60度偏向電磁石で構成され、電磁石間の直線部に二重四極電磁石が配置されている。このラティスでは、1次までの色収差の補正が可能である。一方、アンジュレーターより下流側にある2ndアークでは、電子ビームのエネルギー広がりが大きくなるため、2次以上の色収差の補正が必要となる。そのため、2ndアークでは、1st180度アークをベースにして、二重四極電磁石の前後に六極電磁石を配置し、2次の色収差の補正が行えるようになっている。このアークではビームエンベロープが比較的小さく、アークの入口と出口でのビームマッチングが行い易い利点がある。また、MIT/Bates 型の 180 度アークと比較して、コンパクト、低コストなビーム輸送系を構築できる。


図2　 Layout of the JAERI-FEL accelerator in energy recovery mode（原論文2より引用）

　
コメント　　　　：
　大出力自由電子レーザーは,原子力研究をはじめ、材料物性や生物化学等の基礎研究、エレクトロニクス、光通信、医療等の応用研究に新しい光学的手段となり得る。特に、赤外波長領域では、自由電子レーザー以外に有用なレーザーがほとんど存在しないため、この領域での大出力自由電子レーザーの開発が望まれる。
　
原論文１ Data source 1：
HIGH POWER FREE-ELECTRON LASERS
S.Benson
Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, VA 23606
Proc. of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York 1999

原論文２ Data source 2：
Design of energy-recovery transport for the JAERI FEL driven by a superconducting linac
R.Hajima, M.Sawamura, R.Nagai, N.Kikuzawa, N.Nisimori, T.Shizuma, E.J.Minehara
Free Electron Laser Laboratory, Advanced Photon Research Center, Kansai Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, 2-4 Shirakata-Shirane, Ibaraki 319-1195
Proc. of the 21th International Free Electron Laser Conference, Desy, 1999, Nucl. Inst. Meth. in Phys. Res. A 445(2000)384.

原論文３ Data source 3：
Sustained Kilowatt Lasing in a Free-Electron Laser with Same-Cell Energy Recovery
G.R.Neil, C.L.Bohn, S.V.Benson, G.Biallas, D.Douglas, H.F.Dylla, R.Evans, J.Fugitt, A.Grippo, J.Gubeli, R.Hill, K.Jordan, R.Li, L.Merminga, P.Piot, J.Preble, M.Shinn, T.Siggins, R.Walker, B.Yunn
Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, VA 23606
Phy. Rev. Lett. 84 (662) 2000
参考資料１ Reference 1：
First Operation of an FEL in Same-cell Energy Recovery Mode
G.R.Neil, S.Benson, G.Biallas, C.L.Bohn, D.Douglas, H.F.Dylla, R.Evans, J.Fugitt, J.Gubeli, R.Hill, K.Jordan, G.Krafft, R.Li, L.Merminga, D.Oepts, P.Piot, J.Preble, M.Shinn, T.Siggins, R.Walker, B.Yunn
Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, VA 23606
Proc. of the 21th International Free Electron Laser Conference, Desy, 1999, Nucl. Inst. Meth. in press.

参考資料２ Reference 2：
Recirculating Electron Accelerators
R.E. Rand
University of California, San Francisco
Harwood, New York, 1984

参考資料３ Reference 3：



キーワード：ビームエネルギー回収、超伝導リニアック
分類コード：140202

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