JP2785890B2 - シンクロトロン装置および自由電子レーザ発振方法 - Google Patents

シンクロトロン装置および自由電子レーザ発振方法

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JP2785890B2 JP23157494A JP23157494A JP2785890B2 JP 2785890 B2 JP2785890 B2 JP 2785890B2 JP 23157494 A JP23157494 A JP 23157494A JP 23157494 A JP23157494 A JP 23157494A JP 2785890 B2 JP2785890 B2 JP 2785890B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シンクロトロン装置お
よび蓄積リングを用いた自由電子レーザ装置に関し、さ
らに詳しくは、電子リニアック並みに短バンチ高ピーク
電流の電子ビームを供給する蓄積リングと、前記蓄積リ
ングを用いた高効率自由電子レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】自由電子レーザの発振に使用する電子ビ
ームは、ピーク電流が大きくビームの断面積が小さいこ
とが好ましい。蓄積リングの電子ビームは、この条件に
よく合っている。蓄積リングを用いた自由電子レーザ装
置は、一般に、電子入射器、ドーナツ状真空槽、偏向電
磁石、集束用多極電磁石、高周波加速空洞、挿入光源、
光共振器などで構成される。電子入射器で入射された電
子ビームは、リングの高周波加速空洞で加速されながら
蓄積リングを周回し、高周波加速空洞の周波数に合わせ
て集群化される。集群化した電子ビームが、挿入光源に
組み込まれた永久磁石の磁力を受けると、規則的な運動
を行い、シンクロトロン放射光を発生する。発生したシ
ンクロトロン放射光は、光共振器で増幅され、蓄積ビー
ムと共鳴的に相互作用して自由電子レーザを発生する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】電子入射器である電子
リニアックは、3GHz近くの周波数で、10cm以下
の波長の短パルス電子ビームを供給することができる。
しかし、従来、蓄積リングに蓄積される電子ビームの周
波数は、電子ビームを加速する高周波加速空洞の規模を
電子蓄積が容易な大きさにしていたために、500MH
z以下となり、波長は60cm以上にとどまっていた。
このため、蓄積リングに蓄積される電子ビームは、電子
リニアックから入射された電子ビームに比べて、パルス
長さが約6倍、ピーク電流が約1/6になり、電子リニ
アックの短パルス特性を十分に生かすことができなかっ
た。また、蓄積リングで蓄積された電子ビームを自由電
子レーザ装置に用いると、発振する自由電子レーザを十
分に短パルス高出力化できなかった。一方、蓄積リング
では、電子リニアックと異なり、電子ビームを再利用
し、効率を高められる利点がある。本発明は、蓄積リン
グを用いて電子リニアック並みに短バンチ高ピーク電流
の電子ビームを供給し、蓄積リングを用いた高出力で高
効率の自由電子レーザ装置及び自由電子レーザの発振方
法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するために、まず、所定の周波数の電子入射器1
と、電子入射部2、偏向電磁石3、多極電磁石4、軌道
調整装置5および高周波加速空洞6からなる蓄積リング
7と、超真空装置とから構成され、高周波加速空洞6の
周波数が、少なくとも0.9GHzを超え、かつ、電子
入射器1の周波数を整数で除した数であることを特徴と
する、シンクロトロン装置を提供する。また、所定の周
波数の電子入射器1と、電子入射部2、偏向電磁石3、
多極電磁石4、軌道調整装置5および高周波加速空洞6
からなる蓄積リング7と、超真空装置とを備え、さら
に、蓄積リングに少なくとも1の挿入光源8が装着さ
れ、挿入光源8を挾んで光共振器9が取付けられ、高周
波加速空洞6の周波数が、少なくとも0.9GHzを超
え、かつ、電子入射器1の周波数を整数で除した数であ
ることを特徴とする、自由電子レーザ装置を提供する。
前記自由電子レーザ装置において、異なる波長域の複数
の挿入光源8を装着し、それぞれの挿入光源を挾んで光
共振器9を取付けると、1台で何種類もの自由電子レー
ザを発振することができる。
【0005】さらに、本発明は、所定の周波数の電子入
射器1と、電子入射部2、偏向電磁石3、多極電磁石
4、軌道調整装置5および電子入射器1と同じ周波数の
高周波加速空洞6からなる蓄積リング6と、超真空装置
とを用い、電子入射器1から電子ビーム10を入射し、
電子ビーム10を蓄積リング7において蓄積し、挿入光
源8と光共振器9とにより蓄積した電子ビームを用いて
自由電子レーザを発振させることを特徴とする、自由電
子レーザ発振方法を提供する。
【0006】
【作用と実施態様例】本発明を、図面を参照しながら具
体的に説明する。図1は、本発明にかかるシンクロトロ
ン装置を利用した自由電子レーザ装置の一実施態様例の
概略図であり、図2は、本発明に係るシンクロトロン装
置に用いる高周波加速空洞の軸を含む断面図である。
【0007】本発明に係るシンクロトロン装置は、蓄積
リングに電子ビームを入射する電子入射器1及び電子入
射部2、電子ビームの軌道を修正する偏向電磁石3と多
極電磁石4および軌道調整装置5、電子ビームを加速す
る高周波加速空洞6、電子ビームが周回する蓄積リング
7、蓄積リングを真空状態に保つ超高真空装置(不図
示)を備えている。電子入射器1で加速された電子ビー
ム10は、ビーム輸送系11によって蓄積リングの入射
部2に輸送され、入射部2から蓄積リング内に入射され
る。入射された電子ビーム10は、偏向電磁石3や多極
電磁石4および軌道調整装置5により軌道の修正を受け
ながら蓄積リング7を周回し、高周波加速空洞6の周波
数に合わせて集群化される。蓄積リング7は、超高真空
装置により真空状態に保たれている。
【0008】本発明者らは、蓄積される電子ビームのパ
ルス特性を改善するために鋭意研究を重ねた。その結
果、電子入射器1として高周波電子入射器を用い、高周
波加速空洞6の周波数fを、(1)式に基き各因子を調
整して、従来の500MHz以下の領域よりも高く、か
つ、高周波電子入射器1の周波数を整数で除した数にす
ることにより、蓄積リングの電子ビームを電子リニアッ
ク並みに短バンチ高ピーク電流化できることを見出だし
た。
【0009】 f=[d/{A・h・log(r2 /r1 )}1/2 ] (1) f:高周波加速空洞の周波数[Hz] d:高周波加速空洞の電極の間隔 [m] A:材質により決まる係数 h:高周波加速空洞の長さ [m] r1 :高周波加速空洞の電極の半径 [m] r2 :高周波加速空洞の内側の半径 [m] パルス特性改善のためには、高周波電子入射器の周波数
領域がGHz帯以上であると好ましく、このような電子
入射器としては、例えば、Sバンド(2.5〜3GH
z)またはLバンド(〜1.3GHz)の電子リニアッ
クが挙げられる。高周波加速空洞の周波数としては、高
周波電子入射器の周波数を整数で除した数で、かつ、
0.9GHz以上の周波数を選ぶことが好ましい。係数
Aは、材質により決定され、例えば、無酸化銅を用いた
高周波加速空洞では6.3×10-8程度となる。周波数
fを高くするには、電極の半径r1 、空洞の半径r2
び空洞の長さhが小さいほど、また、電極の間隔dが大
きいほど、好ましい。しかし、r 1 及びr2 を小さくす
ると、その分だけ電子ビームの蓄積量が制限され、さら
に、(電極の間隔d)<(空洞の長さh)の関係が成立
するので、高周波加速空洞の設計は慎重に行う必要があ
る。従って、電子ビームを蓄積できる程度にr1 及びr
2 を小さくし、さらにd及びhの値を調整して、高周波
加速空洞の周波数fを、少なくとも0.9GHzを超
え、かつ、高周波電子入射器1の周波数を整数で除した
数にする。fの値は、用いる高周波入射器の周波数によ
り異なる。d,A,h,r及びrの値は、fの値に応じ
て(1)式を用いて決定でき、また、必要に応じて実験
的手段により適当な値に調整するとよい。前記のように
高周波加速空洞6の構造を調整すると、空洞の長さh及
び半径r2 と、電極12の半径r 1 とが、従来の高周波
加速空洞に比べて小さくなり、電極の間隔dがやや大き
くなる傾向にある。その他の構成は、従来の蓄積リング
やシンクロトロン装置と同様の構成であり、実施例の動
作も従来例と同じである。なお、蓄積ビームのバンチ長
は、例えばストリークカメラを用いて測定できる。ピー
ク電流は、蓄積電流の平均値を、測定したバンチ長で除
して求めるとよい。
【0010】本発明に係る自由電子レーザ装置は、前記
のシンクロトロン装置において、さらに、目的とする波
長域の挿入光源8を蓄積リングに少なくとも1つ挿入
し、適当な光共振器8を挿入光源8を挾んで装着する。
集群化された電子ビームが挿入光源8を通過すると、挿
入光源8に組み込まれた永久磁石の磁力によって、電子
ビームが蛇行運動や螺旋運動のような規則的な運動を行
い、シンクロトロン放射光を発生する。挿入光源8とし
ては、例えば、光クライストロンやウイグラを挙げるこ
とができる。挿入光源8で発生したシンクロトロン放射
光は、干渉し合って単色化が進み、光共振器9の合わせ
鏡の間に単色光が蓄えられて増幅される。蓄積された電
子ビームと増幅された単色光とが共鳴的に相互作用し
て、自由電子レーザを発振する。蓄積された電子ビーム
は、電子リニアック並みに短バンチ高ピーク電流化して
いるので、電子リニアック並みに短パルス高出力の自由
電子レーザを発振することができる。さらに、電子ビー
ムは、蓄積リングで再利用されるので、短パルス高出力
の自由電子レーザを、高効率で発振することができる。
【0011】さらに、異なる波長域の複数の自由電子レ
ーザを発振させる場合は、目的とする波長域に適する複
数の挿入光源8を蓄積リング7に挿入し、それぞれの挿
入光源に適する光共振器8を挿入光源7を挾んで取付け
ておく。蓄積された電子ビームと、それぞれの挿入光源
で発生する異なる波長の単色光とが、共鳴的に相互作用
するので、波長域が異なる複数種類の、かつ、短パルス
高出力の自由電子レーザを、1台の蓄積リングで同時に
発振することができる。
【0012】
【発明の効果】本発明のシンクロトロン装置は、従来用
いられたことのない高周波領域の加速空洞を蓄積リング
に用いることにより、電子リニアックなみに短バンチ高
ピーク電流の良質な電子ビームを蓄積することができ
る。しかも、高周波加速空洞の構造に工夫を凝らすだけ
でよく、高周波加速空洞以外は既存の装置をそのまま使
用でき、容易に実現できる。本発明の自由電子レーザ装
置は、電子リニアック並みに短バンチ高ピーク電流化し
た蓄積ビームを再利用しながら用いることにより、電子
リニアック並みに短パルス高出力で、しかも高効率であ
る。また、目的の波長に応じて、異なる波長域の挿入光
源を複数台装着することにより、1台の蓄積リングで異
なる波長域の複数種類の短パルス高出力自由電子レーザ
を発生でき、シンクロトロン放射光と同時に利用するこ
とも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるシンクロトロン装置を利用した
自由電子レーザの一実施態様例の該略図
【図2】本発明に係るシンクロトロン装置に用いる高周
波加速空洞の軸を含む断面図
【符号の説明】
1:電子入射器 2:電子入射部 3:偏向電
磁石 4:多極電磁石 5:軌道調整装置 6:高周波
加速空洞 7:リング 8:挿入光源 9:光共振
器 10:電子ビーム 11:ビーム輸送系 12:高周
波加速空洞の電極 d:高周波加速空洞の電極の間隔 A:材質に
より決まる係数 h:高周波加速空洞の内側の長さ r1 :高周波加速空洞の電極の半径 r2 :高周波加速空洞の内側の半径

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の周波数の電子入射器1と、電子入射
    部2、偏向電磁石3、多極電磁石4、軌道調整装置5お
    よび高周波加速空洞6からなる蓄積リング7と、超真空
    装置とから構成され、 高周波加速空洞6の周波数が、少なくとも0.9GHz
    を超え、かつ、電子入射器1の周波数を整数で除した数
    である、ことを特徴とするシンクロトロン装置。
  2. 【請求項2】所定の周波数の電子入射器1と、電子入射
    部2、偏向電磁石3、多極電磁石4、軌道調整装置5お
    よび高周波加速空洞6からなる蓄積リング7と、超真空
    装置とを備え、さらに、蓄積リングに少なくとも1の挿
    入光源8が装着され、挿入光源8を挾んで光共振器9が
    取付けられ、 高周波加速空洞6の周波数が、少なくとも0.9GHz
    を超え、かつ、電子入射器1の周波数を整数で除した数
    である、ことを特徴とする、自由電子レーザ装置。
  3. 【請求項3】請求項2に記載の自由電子レーザ装置にお
    いて、蓄積リング内に異なる波長域の複数の挿入光源8
    が装着され、それぞれの挿入光源を挾んで光共振器9が
    取付けられていることを特徴とする、自由電子レーザ装
    置。
  4. 【請求項4】請求項2または3に記載の自由電子レーザ
    装置を用い、電子入射器1から電子ビーム10を入射
    し、電子ビーム10を蓄積リング7において蓄積し、挿
    入光源8と光共振器9とにより蓄積した電子ビームを用
    いて自由電子レーザを発振させることを特徴とする、自
    由電子レーザ発振方法。
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