JP3594406B2 - Free electron laser device - Google Patents

Description

ここで、Ｚはレーリ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）長で、ガウス分布した光ビームの最小スポット半径ｒ_０とＦＥＬ波長λ_Ｆとから、Ｚ_Ｒ＝πｒ_０ ^２／λ_Ｆで与えられる。また、ｆはフィリングファクタで、ｆ＝２ｒ_ｂ ^２／ｒ_０ ^２で定義される。
従って、一定の波長λ_Ｆを有するＦＥＬを得るためには、電子ビームのエネルギ幅Δγは上記（５）式で与えられる一定の値以下でなければならない。
【００１１】
ところが、半値幅Δγ／γが０．１〜０．２％で（５）式を満たす質の良いエネルギ分布を有する電子ビームがアンジュレータでＦＥＬを発生すると、飽和パワー状態で例えば半値幅１〜２％まで質が劣化した電子ビームになり、次段のアンジュレータでは（５）式を満たさなくなり所定の波長λ_Ｆで発振することができない。
そして、通常のアンジュレータで発振して出力飽和した後の電子ビームのエネルギγの半値幅Δγは、アンジュレータの周期数Ｎを用いて下の（６）式により表される。
Δγ／γ〜１／２Ｎ （６）
例えば周期数が３０であれば、発振後のエネルギ広がりは約２％となる。
【００１２】
このように、アンジュレータでＦＥＬを放出した後の電子ビームはエネルギが減少するばかりでなく、エネルギ分布が広くなって電子ビームの質が低下しＦＥＬ発生の条件を満たさず、アンジュレータにおける放射ができない。
従って、複数のアンジュレータを通過させて各アンジュレータで放射光を取り出すためには電子ビームの質を回復する手段が不可欠である。
【００１３】
この問題を解決しようとするものとして、自由電子レーザ研究所のと冨増多喜夫外により、特開平６−２９６３０号公報において、自由電子レーザ発生後のビームを再集群化（バンチング）し、再加速あるいは減速して、その下流で再び自由電子レーザを発生させる方法、およびアンジュレータの下流に蓄積リングを設置して電子ビームを再利用する方法が開示されている。
冨増のシステムは、磁気バンチャーによりミクロバンチを再び集群化し、さらに加速管を通過させて加減速させることにより第１段の自由電子レーザの波長と異なる波長の自由電子レーザを発生させるものである。偏向電磁石は、ビームのパスの偏向とエネルギーの分散の２つの作用を同時に行うため、エネルギーの違いに基づいてビームのパスの違いを生じさせることにより微調整することが困難である。また、加速管による追加速では前段の自由電子レーザ発振によってＦＥＬ波長に応じて生じた電子バンチ内のエネルギー分布を再び小さくすることはできない。また、電子蓄積リングを使用すると施設全体が大型になるため産業上の利用が容易でない。
【００１４】
なお、リニアック型ＦＥＬ装置に複数のアンジュレータを備えたものも従来存在していた。これら従来のＦＥＬ装置はアンジュレータと並列に加速管を配設して、上流のアンジュレータを迂回し併設した加速管を通して高エネルギ化した電子ビームを下流のアンジュレータに供給するか、上流のアンジュレータで長波長レーザを光放射してエネルギを放出した例えば８０ＭｅＶの低エネルギ電子ビームを加速管でさらに加速して高エネルギ化し、例えば１６０ＭｅＶとして下流のアンジュレータに供給し短波長レーザ光を放出させる。
すなわち上記従来のＦＥＬ装置は、電子ビームが各アンジュレータに到達するまでに通過する加速管の数あるいは長さを調整してアンジュレータに入射する電子ビームのエネルギを変えるように構成することにより、発振波長が異なる場合にも同じ１基のＦＥＬ装置で対処しようとするものである。このようなＦＥＬ装置では、複数備えた各アンジュレータで発生させる光の波長が互いに異なり、使用済みの電子ビームを再使用して同時に同じ波長の光を発生させることはできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、よりコンパクトな設備により、一旦アンジュレータでＦＥＬ発振に使用されてエネルギ幅が増大した電子ビームのエネルギ幅を縮小させて再度アンジュレータによりほぼ同じ波長の放射光を発生させることを可能とする放射光発生方法と、同時放射を可能とする自由電子レーザ装置を提供するところにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の自由電子レーザ放射方法は、前段のレーザ発生用アンジュレータを通過してきた電子ビームを静磁場中に通し、ラーマ半径の差により生ずる行路長差に基づいて電子ビーム中の電子バンチ内にエネルギ分布に応じたエネルギの低い電子が先行するような時間的分布を生じさせ、その電子ビームを電子バンチに同期したＲＦ電場中に通してＲＦ電界の傾斜により電子バンチのエネルギ幅を減少させた後、その電子ビームを交代磁場中に通して放射光を発生させることを特徴とする。
さらに、上記の自由電子レーザ放射方法を直列に複数回繰り返すことにより複数のレーザ光を発生させることができる。
なお、放射させた同じ波長の自由電子レーザを加え合わせて出射させるようにしてもよい。
【００１７】
また、上記課題を解決するため、本発明の自由電子レーザ放射ユニットは、複数の偏向電磁石と複数の四極電磁石と追加速管と前記偏向電磁石の中間に設けた交代磁場とを電子ビームが直列に通過するように配設したビームクオリティ復元システムと、ビームクオリティ復元システムから放出される電子ビームが入射するように配設したレーザ発生用アンジュレータとを備え、ビームクオリティ復元システムに入射する電子ビームが交代磁場上流の偏向電磁石と四極電磁石を直列に通過する間に電子ビーム中の電子バンチにエネルギ分布に応じた低エネルギの電子が先行するような時間的分布を生じさせ、さらに交代磁場の磁場調整によりエネルギ分布を反映した電子ビームパスの微調整を行い、交代磁場下流の偏向電磁石と四極電磁石を通過する間に電子ビームの径を再び収束させ、追加速管で発生するＲＦ電場により電子バンチ内のエネルギ幅を縮小させて、ＦＥＬ発振条件を満たすまで電子ビームの質を回復し、レーザ発生用アンジュレータで再びＦＥＬを発生させるように構成することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の自由電子レーザ装置は、リニアックに直結されたレーザ発生用アンジュレータの下流に上記の自由電子レーザ放射ユニット１基以上を直列に配設して、複数のレーザ発生用アンジュレータで同時に自由電子レーザを発生させるようにすることを特徴とする。
さらに、本発明の自由電子レーザ装置は、各段のレーザ発生用アンジュレータから放射される同じ波長の自由電子レーザを加え合わせる光学系を備えるようにしてもよい。
【００１９】
本発明の自由電子レーザ放射方法によれば、前段のレーザ発生用アンジュレータにおいてシンクロトロン放射することによりエネルギ分布が劣化した電子ビームが静磁場中で下の（７）式に従った作用を受けるため、エネルギの高い電子ほど大きなラーマ（Ｌａｒｍｏｒ）半径を持つため長い行路長となる。
Ｅ＝０．３Ｂ×ｒ （７）
ここで、Ｅは電子のエネルギ、Ｂは磁場の強さ、ｒはラーマ半径である。
一方電子の速度はそれほど異ならないため、上記の行路長差に基づいて、電子ビーム中の電子バンチ内にエネルギの低い電子が先行し高い電子が後行するような時間的分布を生じさせる。
【００２０】
また、四極電磁石と偏向電磁石に、二極磁石の配列を有するアンジュレータなど周期的な磁場を発生させる装置を組み合わせてラティスを構成すれば、四極電磁石と偏向電磁石により電子ビームのパスとビームサイズを決定し、さらにアンジュレータの磁場強度の調整により電子ビーム中のエネルギ分布によるパスの違いを微調整するようにすることができる。したがって、偏向電磁石によりパスの調整をする場合と比較して、エネルギ幅によるパスの差を生じさせる調整の精度が大いに向上する。
さらに、アンジュレータからの放射光の放出はエネルギの２乗に比例するため、放射を積極的に利用することにより電子バンチ内のＦＥＬ波長に応じたエネルギ分布を小さくすることも可能になる。
このような２種類のアンジュレータを設置することにより、電子ビームのパスとエネルギ幅の両方を正確に調整することも可能である。
【００２１】
エネルギ水準に従った時間的分布を有する上記の電子ビームを電子バンチに同期したＲＦ電場中に通して、ＲＦ電界の傾斜が徐々に低下する部分に上記の電子バンチが対応するようにすると、低エネルギ電子がより高いＲＦエネルギを受容し、高エネルギ電子がより小さいエネルギを受容するから、バンチ内の電子が保有するエネルギ水準がより均質化することになり、電子ビームの質が向上する。
このようにして電子バンチのエネルギ幅を減少させて発振条件を満たすようにした後、その電子ビームをアンジュレータ等の交代磁場中に通すため、上流におけるアンジュレータとほぼ同じ波長のＦＥＬ光を発生させることができる。
【００２２】
本発明の自由電子レーザ放射方法では、電子ビームの質の回復のために追加するＲＦ電界エネルギは極めて僅かであるから、レーザ装置に本発明の自由電子レーザ放射方法を付加する毎にエネルギ変換効率が逓倍的に向上する。
さらに、上記の自由電子レーザ放射方法を直列に複数回繰り返すことにより、それぞれ上流のアンジュレータで光放射して質を劣化させた電子ビームの質を回復させて下流のアンジュレータに供給し、繰り返し回数分のほぼ同じ波長のレーザ光を得ることができる。
さらに、放射させた同じ波長の自由電子レーザを加え合わせて出射させることにより、光エネルギが重畳された強力なレーザ光を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の自由電子レーザ放射ユニットには、ビームクオリティ復元システム中に複数の偏向電磁石と複数の四極電磁石を組み合わせたラティスが形成されていて、通過する電子バンチ内にエネルギの低い電子が先行しエネルギの高い電子が後行するような時間的分布を生じさせ、その後追加速管のＲＦ電場で低エネルギ側により大きな電界エネルギが印加し高エネルギ側に小さなエネルギを印加して電子バンチ全体としてエネルギ分布を小さくし質を向上させた上で、アンジュレータで交代磁場によりシンクロトロン放射するようにすることができる。
【００２４】
上記のビームクオリティ復元システムを構成する偏向電磁石と四極電磁石と追加速管等の要素数は電子蓄積リングを構成する機器要素の数より少ない上、これらの構成要素が直線的に配列されるため、ビームクオリティ復元システムはエネルギ圧縮を行うにも拘わらず電子蓄積リングより小型に構成することができる。従って、本発明の自由電子レーザ放射ユニットはアンジュレータの間に電子蓄積リングを配設した自由電子レーザ放射ユニットよりコンパクトに構成することができる。
【００２５】
なお、上記のビームクオリティ復元システムは、従来電子蓄積リングに電子ビームを導入する際により多くの電子ビームを有効に利用するためエネルギ分布をシャープにする目的で使用されている電子ビームのエネルギ圧縮システム（ＥＣＳ）と似ている。電子蓄積リングにおいて電子エネルギの保持をさせるためには、注入される電子ビームは量が大きいばかりでなく電子のエネルギが高くしかもビームの質が良くなければならない。そこで、電子蓄積リングの周回条件に適合しないため無駄になる電子ビームも含めて電子ビーム注入口に配置したＥＣＳに取り込み、エネルギ幅を減少させて加速することにより電子ビーム全体の質を向上させてから電子蓄積リングに注入する技術的思想があった。しかし、従来は、このようなＥＣＳをアンジュレータの上流に配設して、一旦利用した電子ビームの再生利用を図る思想はなかった。
【００２６】
また、本発明の第２の自由電子レーザ放射ユニットは、上記ビームクオリティ復元システムにおける偏向電磁石の中間に交代磁界を発生する電子ビームパス調整用アンジュレータを配置したものである。上記のビームクオリティ復元システムでは、電子ビームの代表的なエネルギ状態に基づいてラティス構成や印加する磁場を定めると、実際に入射する電子ビームの条件が変化したときに対応できる範囲が限られていた。本実施例におけるビームクオリティ復元システムでは、四極電磁石と偏向電磁石により電子ビームのパスやビームのサイズの大要を決定した上で、電子ビームの走向方向に沿って延長するアンジュレータの交代磁界により電子ビームを蛇行して進行させるときに、電子ビームのエネルギ水準により蛇行半径が異なるので、電子ビーム内のエネルギ分布を反映したパス長差が生ずるように微調整することができる。
従来のエネルギ圧縮システム（ＥＣＳ）には、偏向電磁石の他に交代磁界を発生するアンジュレータ等をエネルギ圧縮システム中に用いて電子ビームのパスを調整する技術的思想は見られなかった。
【００２７】
本発明の自由電子レーザ放射ユニットによれば、ビームクオリティ復元システムをアンジュレータと組み合わせたため、前段のアンジュレータでＦＥＬ発生しエネルギ幅が増大して同じ波長のシンクロトン放射をさせることができなくなった電子ビームをビームクオリティ復元システムで再生して電子ビームの質を向上させて、後段のアンジュレータで前段アンジュレータとほぼ同じ波長のＦＥＬを発生させることができる。
【００２８】
また、リニアックに直結されたアンジュレータの下流に上記の自由電子レーザ放射ユニット１基以上を直列に配設して、複数のアンジュレータで同時に自由電子レーザを発生させるようにした本発明の自由電子レーザ装置は、同じ波長のＦＥＬ光をアンジュレータの数だけ同時に発生させることができ、自由電子レーザ装置のエネルギ効率が上記自由電子レーザ放射ユニットの数だけ向上することになる。
さらに、各段のアンジュレータから放射される自由電子レーザを加え合わせる光学系を備えたものは、強力なレーザ光を供することができる。
【００２９】
また、アンジュレータの構造とアンジュレータに入射する電子ビームのエネルギの値を適当に選択することにより、同位体ウラン分離プロセスに使用する励起用と解離用の２種類の大出力レーザ光を同時に発生させるようにすることもできる。本発明の自由電子レーザ装置を利用して同位体ウラン分離を行うと、ガスレーザの場合に必要とされるレーザガスの供給・循環システムが不要であり、また廃棄物が出ないという利点がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明に係る自由電子レーザ装置を詳細に説明する。
図１は本発明の自由電子レーザ装置の１実施例を示すブロック図、図２は図１の自由電子レーザ装置に用いるビームクオリティ復元システムを示すブロック図である。図中、同じ機能を有する要素については同じ参照番号を付すことにより理解が容易にできるようにした。
【００３１】
自由電子レーザ装置は、電子銃、サブハーモニックバンチャー、バンチャー、収束コイル等からなる初段加速部１１と主加速部１３で構成される電子リニアック１０と、第１の偏向輸送系２０と、第１のアンジュレータ３０と、第２の偏向輸送系２４と、ビームクオリティ復元システム４０と、第３の偏向輸送系２６と、第２のアンジュレータ５０と、第４の偏向輸送系２８と、ビームダンプ６０とからなり、さらに電子リニアック１０には補助装置として高電圧発生装置１５と、ＲＦ電源装置１７と、クライストロン装置１９を備える。
【００３２】
電子リニアック１０は、高電圧発生装置１５から供給される高電圧電源で駆動された電子銃で発生する電子ビームを、初段加速器１１と主加速器１３で加速して、ビームエネルギ３６ＭｅＶピーク電流０．３Ａの電子ビームとして射出する。初段加速器１１のサブハーモニックバンチャとバンチャ、および主加速部１３にはクライストロン装置１９からそれぞれ必要な周波数のマイクロ波が高周波立体回路１８を介して供給されている。クライストロン装置１９には２台のクライストロンが設置されていて高周波立体回路１８で接続されており、それぞれの電源を２５ｍｓ遅延して２０ＰＰＳで繰り返すように運転することにより４０ＰＰＳ繰り返しを達成するようになっている。
【００３３】
電子リニアック１０から射出された電子ビームは第１偏向輸送系２０で電子ビーム行路を平行にずらし、第１アンジュレータ３０に導かれ、ここでＦＥＬ光を放射する。第１アンジュレータ３０には両端の軸延長上にそれぞれ反射鏡３１が配設されていて、光共振器を構成している。
第１偏向輸送系２０は、電子ビームの行路を例えば２２．５度偏向させる２極偏向電磁石２１を１対とそれらの間に配設される幾つかの収束電磁石２２とからなり、電子ビームを元の行路と平行な行路に移動させる機能を有する。第１アンジュレータ３０の下流には同じ構成を有する第２の偏向輸送系２４が配設されている。偏向輸送系をアンジュレータの上流と下流に設けて、アンジュレータに入出射する電子ビームの行路をアンジュレータの軸から偏向させ、光共振器の反射鏡３１をアンジュレータの軸上に設置する。
【００３４】
第１アンジュレータ３０に入射する前の電子ビームは、アンジュレータにおける光放射の条件を満たしエネルギ半値幅が例えば０．１％以下となっているが、第１アンジュレータで光放射をした後の電子ビームは、エネルギ半値幅が拡大し２％以上になっていて、このままでは発振条件を満たさないためビームダンプに捨てていた。
【００３５】
本発明の自由電子レーザ装置では、第１アンジュレータ３０から放出され第２偏向輸送系２４で偏向された電子ビームをビームクオリティ復元システム４０に輸送する。
ビームクオリティ復元システム４０は、図２に示すように、複数の四極電磁石４１と複数の二極電磁石４３と１式の追加速管４５とからなる。四極電磁石４１は収束電磁石で電子ビームの空間的広がりを抑制する機能を有する。
【００３６】
図３はビームクオリティ復元システム４０の作用を説明する図面である。図中、（ａ）のグラフはビームクオリティ復元システム４０に入射する電子ビーム中の電子バンチのエネルギ分布を時間を横軸にして模式的に表したもの、（ｂ）のグラフは偏向電磁石を通過した後、追加速管４５に入射する電子バンチのエネルギ分布を表したもの、（ｃ）のグラフは追加速管４５に印加されるＲＦ電圧波形を（ｂ）の時間軸に対応して表現したもの、また（ｄ）のグラフはビームクオリティ復元システム４０を出射する電子バンチのエネルギ分布を時間軸に対して表したものである。図中、横軸を任意スケールの時間軸とし、縦軸を（ａ）（ｂ）（ｄ）については電子ビームのエネルギ、（ｃ）についてはＲＦ電圧にとってある。
【００３７】
二極電磁石４３には静磁場が形成されていて、第１アンジュレータ３０でシンクロトロン放射して、図３の（ａ）に示すようにエネルギ分布が劣化した電子ビームが二極電磁石４３の静磁場を通過すると、上記の（７）式に従ってエネルギの高い電子ほど大きなラーマ半径を持つ行路を走行し、エネルギが低い電子ほど小さなラーマ半径を持つ行路を走行することになるので、行路長が電子の持つエネルギによって異なることになる。一方、電子の速度は変わらないため、エネルギの高い電子と低い電子の行路長差に基づいて、電子バンチ内にエネルギの低い電子が先行し高い電子が後行するような、図３の（ｂ）に示す時間的分布が生じる。
【００３８】
複数の二極電磁石４３および複数の四極電磁石４１のラティスを適切に設計すると、ビームクオリティ復元システム４０の中間で一旦広がった電子ビームの径が出口で再び収束するようにすることができる。上記の適切なラティスを通過してビームクオリティ復元システム４０から射出された時間的分布を有する電子バンチは、次に追加速管４５に導入される。
【００３９】
追加速管４５は、高周波立体回路１８からＲＦマイクロ波の供給を受けて、電子バンチと同期した正弦波状の電界を発生している。ここで、図３の（ｃ）に示すように、正弦波の立ち下がり傾斜位置に電子バンチが対応するように調整すると、電子バンチ内の低エネルギ電子がより大きなエネルギを受容し、高エネルギ電子がより小さいエネルギを受容して、加速される。従って、追加速管４５を通過してビームクオリティ復元システム４０を出射する電子ビームのエネルギ幅は、図３の（ｄ）に示すように小さくなり、アンジュレータにおける光発振条件を満たすようになる。なお、加速のために印加するエネルギは、第１アンジュレータ３０で光発振するために消費されたエネルギを補填する量であるから、全体の１％程度と僅かでよい。
【００４０】
ビームクオリティ復元システム４０を出射した電子ビームは、第３偏向輸送系２６により後段の第２アンジュレータ５０に入射させられて、その交代磁場中で光放射する。
第２アンジュレータ５０では、上記（２）式に従い第１アンジュレータ３０における波長と同じ波長でＦＥＬ発生を行うことができる。
第２アンジュレータを通過した電子ビームは第４偏向輸送系２８によりビームダンプ６０に投入されて安全に吸収される。
【００４１】
上記のように、本発明の自由電子レーザ装置によれば、ひとつの電子リニアックから供給される電子ビームを用いて、直列に配設された同じ条件のアンジュレータで繰り返し光発振させることができるから、自由電子レーザ装置のエネルギ変換効率が向上する。
【００４２】
図４は本発明の自由電子レーザ装置の第２の実施例を示すブロック図、図５は図４の自由電子レーザ装置に用いる自由電子レーザ放射ユニットを示すブロック図である。図中、前出の図面と同じ機能を有する要素については同じ参照番号を付すことにより理解が容易にできるようにした。
本実施例の自由電子レーザ装置は、初段加速部１１と主加速部１３で構成される電子リニアック１０と、第１偏向輸送系２０と、第１アンジュレータ３０と、第２偏向輸送系２４と、参照番号７０で表される自由電子レーザ放射ユニット９基と、各自由電子レーザ放射ユニットの間に設置される偏向輸送系８０と、最終段の自由電子レーザ放射ユニット７０の下流に接続された最終段の偏向輸送系８８と、ビームダンプ６０とからなる。
なお、電子リニアック１０には補助装置として高電圧発生装置１５と、ＲＦ電源装置１７と、クライストロン装置１９を備える。
【００４３】
本実施例の自由電子レーザ装置の電子リニアック１０、第１偏向輸送系２０、第１アンジュレータ３０、第２偏向輸送系２４、ビームダンプ６０、および電子リニアック１０の補助装置の高電圧発生装置１５、ＲＦ電源装置１７、クライストロン装置１９については、第１実施例の自由電子レーザ装置と変わるところはないため、略図で表してある。本実施例の自由電子レーザ装置が第１実施例の自由電子レーザ装置と相違する点は、自由電子レーザ放射ユニット７０を１基でなく９基設けたところである。
【００４４】
自由電子レーザ放射ユニット７０は、図５に表したように、ビームクオリティ復元システム７２と偏向輸送系７４とアンジュレータ７６を直列接続したユニットである。これらの要素の構成と機能は第１実施例において説明した通りである。
ビームクオリティ復元システム７２の追加速器は、導波管を介して高周波立体回路１８からＲＦマイクロ波の供給を受けて加速する。アンジュレータ７６で消費するエネルギは全体の１％程度と僅かであるから、電子のエネルギを同じ水準に戻すとしても補填するエネルギは極く僅かである。
アンジュレータ７６には光共振器７８が組み合わされていて、（２）式に従い電子ビームのエネルギとアンジュレータの交代磁場の条件によって決まる波長の自由電子レーザを発生する。
【００４５】
このように、自由電子レーザ放射ユニット７０は、ビームクオリティ復元システム７２により前段のアンジュレータでシンクロトロン光放射をしてエネルギを放出しエネルギ幅を劣化させた電子ビームの質を回復してアンジュレータ７６に供給し、アンジュレータ７６及び光共振器７８により再度自由電子レーザ光を放出させることができる。
各アンジュレータと光共振器が同じ構成を有し、電子ビームのエネルギを同じ水準に回復させる場合には、第１アンジュレータ３０を含めた各アンジュレータから同じ強度で同じ波長の自由電子レーザ光を同時に発生させることができる。
【００４６】
本実施例の自由電子レーザ装置では、電子リニアック１０から射出された電子ビームは第１偏向輸送系２０により第１アンジュレータ３０に導かれシンクロトロン放射を行い第１アンジュレータ３０に配設された光共振器で自由電子レーザ光を発生する。
第１アンジュレータでＦＥＬ光発生した後の電子ビームは、エネルギ半値幅が拡大し例えば約２％になっていて、このままでは発振条件を満たさない。
第１アンジュレータ３０から放出された低エネルギ電子ビームは第２偏向輸送系２４により自由電子レーザ放射ユニット７０に供給され、自由電子レーザ放射ユニット７０内で追加速を受け電子バンチのエネルギ幅を減少させて自由電子レーザを発生する。
自由電子レーザ放射ユニット７０で光放射して質の低下した電子ビームは、偏向輸送系８０を介してさらに後段の自由電子レーザ放射ユニット７０に入射してエネルギ幅を減少させて前段の自由電子レーザ放射ユニットと同質の自由電子レーザを発生する。
このようにして、アンジュレータの段数だけ電子ビームの質の回復とレーザ光放出を繰り返し、最後に最終段の偏向輸送系８８によりビームダンプ６０に投入されて安全に吸収される。
【００４７】
本実施例の自由電子レーザ装置は、アンジュレータを１０基備えているためエネルギ変換効率が約１０倍となり、容易に連続出力１ｋＷ水準のＦＥＬを得ることができる。
なお、各光共振器の出力を加え合わせることにより１本の自由電子レーザ光とし１０倍程度の強度のレーザ光を得ることが可能である。
また、それぞれの光共振器は独立に波長を選択するようにもできるので、分子法レーザ同位体分離に必要な励起用と解離用の２種類の光を同時に発生させるようにもできる。
なお、本実施例では自由電子レーザ放射ユニットを９基備えているが、必要とされるレーザ光の特性に応じて自由電子レーザ放射ユニットの設置数を増減することが可能であることはいうまでもない。
【００４８】
上記実施例の自由電子レーザ装置に用いた自由電子レーザ放射ユニットでは、対象とする電子ビームの性状に基づいて適当なラーマ半径を有しかつ適当な行路長差が発生するようにラティス構成を決定する。したがって、設計時と異なるエネルギ水準やエネルギ分布を有する電子ビームが入射する場合には、この両方が最適な状態になるような運転条件を選ぶことができない。一般にはラティスの配列を保存するためラーマ半径を合わせるように運転するから、適当な行路差長を与えるようにすることができなくなる。
そこで、本発明の第２の自由電子レーザ放射ユニットは、図２における第１の自由電子レーザ放射ユニットにおいてビームクオリティ復元システムの中央に配置された偏向電磁石４３を中央で分割して、その間にアンジュレータを配置して構成することを特徴とする。
図６は、この第２の自由電子レーザ放射ユニットにおけるビームクオリティ復元システムの部分を表すブロック図である。図６では図２と同じ機能を有する要素に同じ参照番号を付して説明を簡約化した。
【００４９】
図６において、前段のアンジュレータでシンクロトロン放射して図３（ａ）に示すようなエネルギ分布を有する電子ビームが四極電磁石４１により整形を受けながら２個の二極電磁石４３を通過する。電子ビームは、電子のエネルギと静磁場の強度に基づくラーマ半径により定まる行路を走向して、下流側の二極電磁石４３の出口に達する。この時、電子ビームの中心は行路の軸上にあり、エネルギ分布に基づいた広がりを有する。電子ビームは四極電磁石９１で進行方向に整形されてアンジュレータ９３に入射する。この広がりを有する電子ビームはアンジュレータ９３内を交代磁界により蛇行しながら進行する。このとき電子の持つエネルギが大きいほど蛇行半径が大きくなるので光路長が大きくなり、アンジュレータ９３を通過したところにおける電子ビーム内の電子の進行方向分布がエネルギ分布を反映して図３（ｂ）に示すような状態になる。この分布状態はアンジュレータ９３の交代磁界強度により微調整することが可能である。アンジュレータ９３はシンクロトロン放射を行わせる通常のレーザ発生用アンジュレータと異なり、電子ビームの光路長差を発生させることを目的とするものであるので、区別のためには電子ビームパス調整用アンジュレータということとする。
【００５０】
電子ビームパス調整用アンジュレータ９３の下流には２個の二極電磁石４３と複数の四極電磁石４１が上流と対称的に配列されていて、上流側の電磁石列で電子ビームパス調整用アンジュレータに入射されるまでの間に一旦幅方向に広がった電子ビームがこれらの電磁石列を通過する間に収束して、再び細い電子ビームとなって図示しない追加速管に入射しエネルギ圧縮を受けて、図３（ｄ）に示すようなエネルギ分布を有するようになり、自由電子レーザ放射条件を回復する。
なお、この追加速管は上記のようにエネルギ圧縮の作用を担うものなのでエネルギ幅圧縮管と呼ぶこともできる。
電子ビームのエネルギ水準が異なる場合にも偏向電磁石の強度を調整することにより同じ程度のラーマ半径を有するようにすることができるから、この第２の自由電子レーザ放射ユニットでは、四極電磁石と二極電磁石で電子ビームの偏向行路を支配し、エネルギ分布に従う電子分布を電子ビームパス調整用アンジュレータで調整するようにすることができる。このため、電子ビームの性状が変化する場合にも、最適な運転が容易に可能となる。
第２の自由電子レーザ放射ユニットは、前述の第１の自由電子レーザ放射ユニットと全く同等に自由電子レーザ放射装置に組み込むことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の自由電子レーザ発生方法と自由電子レーザ装置により、アンジュレータの間に電子蓄積リングを介設させたものと比較してよりコンパクトな自由電子レーザ装置を構成することができ、また、他のレーザ装置に遜色ないエネルギ変換効率を達成することができる。
従って、連続可変波長を有し高輝度な自由電子レーザの特長を生かしてより広い用途に利用することが可能となり、特に励起用と解離用の２種類の光を同時に使用する必要がある同位体ウラン分離プロセスに活用することも可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自由電子レーザ放射装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】図１の自由電子レーザ放射装置に用いるビームクオリティ復元システムを示すブロック図である。
【図３】本発明に用いられるビームクオリティ復元システムの作用を説明する図面である。
【図４】本発明の自由電子レーザ装置の第２の実施例を示すブロック図である。
【図５】図４の自由電子レーザ装置に用いる自由電子レーザ放射ユニットを示すブロック図である。
【図６】図１の自由電子レーザ放射装置に用いるビームクオリティ復元システムの別の例を示すブロック図である。
【図７】従来の自由電子レーザ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 電子リニアック
１１ 初段加速部
１３ 主加速部
１５ 高電圧発生装置
１７ ＲＦ電源装置
１８ 高周波立体回路
１９ クライストロン装置
２０ 第１偏向輸送系
２１ ２極偏向電磁石
２２ 収束電磁石
２４ 第２偏向輸送系
２６ 第３偏向輸送系
２８ 第４偏向輸送系
３０ 第１アンジュレータ
３１ 反射鏡
４０ ビームクオリティ復元システム
４１ 四極電磁石
４３ 二極電磁石
４５ 追加速管
５０ 第２アンジュレータ
６０ ビームダンプ
７０ 自由電子レーザ放射ユニット
７２ ビームクオリティ復元システム
７４ 偏向輸送系
７６ アンジュレータ
７８ 光共振器
８０ 偏向輸送系
８８ 最終段偏向輸送系
９１ 四極電磁石
９３ 電子ビームパス調整用アンジュレータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a free electron laser device using an electron beam generated from a linac, and in particular, to increase the efficiency by generating a free electron laser by reusing an electron beam after once passing through an undulator and emitting synchrotron radiation. The present invention relates to a free electron laser device.
[0002]
[Prior art]
The free electron laser (FEL) is a coherent, variable-wavelength, high-brightness monochromatic light, and is expected to be used in the fields of medicine, chemistry, biotechnology, and physics such as group separation and nuclear fusion. Utilization research on a free electron laser device using an electron beam from the United States is already underway in the United States, the Netherlands, France, and Japan.
[0003]
For example,²³⁵UF₆When²³⁸UF₆In the isotope uranium separation process using the difference in vibrational energy due to the isotope shift of²³⁵UF₆Is selectively excited by a 16 μm laser beam, and further irradiated with a laser beam for dissociation to dissociate the solid.²³⁵UF₆Collect. The laser light source is CO₂Although the excited para-hydrogen Raman laser is considered to be promising, use of a free electron laser (FEL) capable of obtaining a high-intensity laser light with a variable wavelength is also being studied. The use of FEL does not require a laser gas supply / circulation system like a gas laser, and has the advantages of easy maintenance and no waste.
[0004]
In a free electron laser (FEL) device using a conventional linac, FEL is generated by passing an electron beam from one linac through one undulator.
FIG. 7 is a block diagram showing a conventional free electron laser device. The linac is composed of a first-stage acceleration unit including an electron gun, a subharmonic buncher, a buncher, a focusing coil, and the like, and a main acceleration unit.
[0005]
The electron beam is incident by an electron injector equipped with an electron gun, is bunched into an ultrashort bunch of 10 to 15 ps in the first stage acceleration unit, accelerates the energy to 5 to 10 MeV, and is further accelerated by the main accelerator according to the FEL wavelength region. It is accelerated to the determined energy, guided to the undulator via the deflection transport system including the dipole electromagnet, emits synchrotron radiation, and then guided to the beam dump by another deflection transport system provided downstream and absorbed. .
The synchrotron-emitted quasi-monochromatic light is free electron laser synchronized with the optical pulse and the succeeding electron beam pulse on the outward path while traveling back and forth hundreds of times in an optical resonator with two mirrors facing each other. And use it by emitting it from one mirror.
[0006]
Primary power supplied from the outside is supplied to a klystron via an RF power generator, where it is converted into microwaves. The microwave is distributed to an electron injector and an acceleration tube via a microwave three-dimensional circuit including a waveguide, and accelerates the electron beam.
In the FEL device, as described above, the primary power is converted into microwaves, the electron beam is accelerated by the microwaves, and the accelerated electron beam is converted into light energy by an undulator. As described above, every time the energy conversion is repeated, the energy conversion efficiency decreases.
In particular, under the current situation where the conversion efficiency from beam energy to FEL is 1% or less, the overall energy conversion efficiency is evaluated to be about 0.1%. Under these conditions, in order to obtain a continuous 1 kW FEL output, an average primary power of about 1 MW is required.
The energy conversion efficiency of the above FEL device is CO₂Since the conversion efficiency of an excited para-hydrogen Raman laser is lower by one order of magnitude or more, in order to actually apply the FEL device to the isotope uranium separation process, further improvement in the conversion efficiency is particularly required.
[0007]
By the way, in the FEL device, since the electron energy consumed by the undulator is extremely small, if it is possible to compensate for this and cause the undulator to emit radiation again, the electron beam from one linac is repeatedly used. The overall energy conversion efficiency will improve immediately.
If the output of the FEL is Pt, the repetition of the linac macropulse is Rp, the output from the macropulse is Pu, and the number of resonators is Un, the following equation (1) is established between these variables. I do.
Pt = Pu × Rp × Un (1)
Therefore, for example, if Pu = 2.5 W / PPS, Rp = 40 PPS, and Un = 10 units, the FEL output Pt = 1 kW. As described above, the primary power for obtaining the FEL with the continuous output of 1 kW is estimated to be 77 kW in the system using the ten undulators, and the power for the additional speed is extremely small, so that the conversion efficiency becomes about 10 times. When the efficiency from the primary power to the RF output is 36% in general, the net RF output only needs to be 28 kW continuously, and can be realized with two klystrons.
[0008]
The wavelength of FEL is λ_FIs expressed by the following equation (2) as a function of the energy of the electron beam, the period of the magnetic field of the undulator, and the magnetic field strength of the undulator.
λ_F= Λ_W(1 + K²/ 2) / 2γ²                       (2)
Where λ_WIs the magnetic field period length, K is an undulator parameter characterizing the meandering of the electrons, and γ is the Lorentz factor representing the energy of the electron beam.
Equation (2) is derived on the assumption that a linearly moving electron beam having uniform energy makes a regular meandering motion with an undulator. However, the electron beam accelerated by the accelerator has a certain normalized emittance ε_nWith beam radius r_bAnd the divergence angle θ are kept constant and pass along the axis of the undulator incorporated in the beam transport system while undergoing betatron oscillation. Speed range ε_n ²/ (2r_b ²/ Γ²).
[0009]
Further, when the influence of the energy width of the electron beam is added, the speed width in the traveling direction Δβ_zIs further increased as represented by the following equation (3), and the FEL oscillation wavelength is limited.
Δβ_z= ((Ε_n ²/ 2r_b ²)²+ (Δγ / γ)²)^1/2/ Γ² (3)
Here, Δγ represents the half width of the energy γ of the electron beam.
Eventually, during the passage through the undulator of length L, the phase of the electrons changes from the light to the FEL wavelength λ._FSince the phase must be equal to or less than 1/2 of the phase, it is necessary to satisfy the condition of the following expression (4).
λ_F/ 2> Δβ_zL (4)
[0010]
From these, the FEL wavelength limit is expressed by the following equation (5).

Here, Z is the Rayleigh length, and the minimum spot radius r of the Gaussian-distributed light beam.₀And FEL wavelength λ_FFrom, Z_R= Πr₀ ²/ Λ_FGiven by Also, f is a filling factor, f = 2r_b ²/ R₀ ²Is defined by
Therefore, a constant wavelength λ_FIn order to obtain the FEL having the following equation, the energy width Δγ of the electron beam must be equal to or smaller than a certain value given by the above equation (5).
[0011]
However, when an electron beam having a half-width Δγ / γ of 0.1 to 0.2% and having a high-quality energy distribution satisfying the expression (5) generates an FEL with an undulator, for example, the half-width of 1 to 2 is obtained in a saturated power state. %, And the undulator in the next stage satisfies the expression (5) and the predetermined wavelength λ_FCan not oscillate.
The half-width Δγ of the energy γ of the electron beam after the output is saturated by oscillating with a normal undulator is expressed by the following equation (6) using the number N of cycles of the undulator.
Δγ / γ to 1 / 2N (6)
For example, if the number of cycles is 30, the energy spread after oscillation is about 2%.
[0012]
As described above, the energy of the electron beam after emitting the FEL by the undulator is not only reduced, but also the energy distribution is widened and the quality of the electron beam is deteriorated, so that the condition for generating the FEL is not satisfied.
Therefore, means for restoring the quality of the electron beam is indispensable in order to extract emitted light with each undulator by passing through a plurality of undulators.
[0013]
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-29630 discloses that the beams after free electron laser generation are re-bunched and re-accelerated by the free electron laser research institute and T. Tomimasu. A method of decelerating and generating a free electron laser downstream thereof, and a method of reusing an electron beam by installing a storage ring downstream of an undulator are disclosed.
Tomimas' system is to regroup micro-bunches by a magnetic buncher, and further accelerate and decelerate through an accelerating tube to generate a free electron laser having a wavelength different from that of the first stage free electron laser. Since the bending electromagnet simultaneously performs the two functions of deflection of the beam path and dispersion of energy, it is difficult to make fine adjustment by causing a difference in the beam path based on the difference in energy. Further, at the additional speed by the acceleration tube, the energy distribution in the electron bunch generated according to the FEL wavelength by the free electron laser oscillation in the preceding stage cannot be reduced again. In addition, the use of the electron storage ring makes the whole facility large, so that it is not easy to use it industrially.
[0014]
It is to be noted that there has conventionally been a linac type FEL device provided with a plurality of undulators. In these conventional FEL devices, an accelerating tube is arranged in parallel with the undulator, and the high-energy electron beam is supplied to the downstream undulator through the accelerating tube bypassing the upstream undulator, or a long-wavelength undulator is used by the upstream undulator. A low energy electron beam of, for example, 80 MeV, which emits energy by emitting light from a laser, is further accelerated by an accelerating tube to increase the energy, and is supplied to, for example, 160 MeV to a downstream undulator to emit short wavelength laser light.
That is, the above-mentioned conventional FEL device is configured to adjust the number or the length of the accelerating tubes through which the electron beam passes before reaching each undulator to change the energy of the electron beam incident on the undulator, so that the oscillation wavelength is increased. Are different from each other, the same one FEL device is intended to cope with it. In such an FEL device, the wavelengths of light generated by the plurality of undulators are different from each other, and it is not possible to reuse a used electron beam to generate light of the same wavelength at the same time.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to reduce the energy width of an electron beam whose energy width has been increased once by using an undulator by the undulator with a more compact facility, and then again use the undulator to emit radiation light having substantially the same wavelength. It is an object of the present invention to provide a method of generating emitted light that enables generation of light and a free electron laser device that enables simultaneous emission.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the free electron laser emission method of the present invention is to pass an electron beam that has passed through a laser generating undulator in a preceding stage through a static magnetic field, and based on a path length difference caused by a difference in Rama radius, the electron beam is emitted. A temporal distribution occurs such that low-energy electrons corresponding to the energy distribution precede the electron bunch in the inside, and the electron beam is passed through an RF electric field synchronized with the electron bunch, and the inclination of the RF electric field causes the electron bunch to generate an electron beam. After reducing the energy width, the electron beam is passed through an alternating magnetic field to generate emitted light.
Further, a plurality of laser beams can be generated by repeating the above-mentioned free electron laser emission method a plurality of times in series.
The emitted free electron laser having the same wavelength may be added and emitted.
[0017]
Further, in order to solve the above problems, the free electron laser emission unit of the present invention includes a plurality of bending electromagnets, a plurality of quadrupole electromagnets, and an additional speed tube.An alternating magnetic field provided in the middle of the bending electromagnet;A beam quality restoration system arranged so that the electron beam passes in series, and a laser undulator arranged so that the electron beam emitted from the beam quality restoration system is incident on the beam quality restoration system The incident electron beamBending and quadrupole electromagnets upstream of the alternating magnetic fieldAccording to the energy distribution of the electron bunch in the electron beam while passing in seriesLike low-energy electronsCreate a temporal distribution,In addition, fine adjustment of the electron beam path reflecting the energy distribution by adjusting the magnetic field of the alternating magnetic field, and converging the diameter of the electron beam again while passing through the bending electromagnet and the quadrupole electromagnet downstream of the alternating magnetic field,The RF electric field generated by the additional speed tube reduces the energy width in the electron bunch,Restore the electron beam quality until the FEL oscillation condition is satisfied,The FEL is generated again by the laser generating undulator.
[0018]
Further, the free electron laser device of the present invention has one or more free electron laser emission units described above arranged in series downstream of a laser generating undulator directly connected to a linac, and is simultaneously free by a plurality of laser generating undulators. It is characterized in that an electron laser is generated.
Further, the free electron laser device of the present invention may be provided with an optical system for adding a free electron laser of the same wavelength emitted from the undulator for laser generation at each stage.
[0019]
According to the free electron laser emission method of the present invention, the electron beam whose energy distribution has been degraded by synchrotron radiation in the laser undulator in the preceding stage is subjected to the action according to the following equation (7) in a static magnetic field. The higher the energy of the electrons, the larger the Larmor radius and the longer the path length.
E = 0.3B × r (7)
Here, E is the electron energy, B is the strength of the magnetic field, and r is the Rama radius.
On the other hand, since the velocities of the electrons are not so different, a temporal distribution is generated based on the path length difference, such that electrons with low energy precede and electrons with high energy follow in the electron bunch in the electron beam.
[0020]
In addition, if a lattice is constructed by combining a quadrupole magnet and a bending magnet with a device that generates a periodic magnetic field such as an undulator with an array of dipole magnets, the path and beam size of the electron beam are determined by the quadrupole magnet and the bending magnet. Further, by adjusting the magnetic field strength of the undulator, it is possible to finely adjust the difference in the path due to the energy distribution in the electron beam. Therefore, as compared with the case where the path is adjusted by the bending electromagnet, the accuracy of the adjustment for causing the path difference due to the energy width is greatly improved.
Furthermore, since the emission of the emitted light from the undulator is proportional to the square of the energy, it is also possible to reduce the energy distribution according to the FEL wavelength in the electron bunch by actively using the emission.
By providing such two types of undulators, it is also possible to accurately adjust both the path and the energy width of the electron beam.
[0021]
When the electron beam having a temporal distribution according to the energy level is passed through an RF electric field synchronized with the electron bunch so that the electron bunch corresponds to a portion where the inclination of the RF electric field gradually decreases, the low Since the energetic electrons receive higher RF energy and the higher-energy electrons receive lower energy, the energy level possessed by the electrons in the bunch will be more homogenous and the electron beam quality will be improved.
After reducing the energy width of the electron bunch to satisfy the oscillation condition, the electron beam is passed through an alternating magnetic field such as an undulator, so that FEL light having substantially the same wavelength as the undulator upstream is generated. Can be.
[0022]
In the free electron laser emission method of the present invention, since the RF electric field energy added for restoring the quality of the electron beam is extremely small, the energy conversion efficiency is increased every time the free electron laser emission method of the present invention is added to the laser device. Is multiplied.
Further, by repeating the above-mentioned free electron laser emission method a plurality of times in series, the quality of the electron beam whose quality has been deteriorated by light emission by the upstream undulator is recovered and supplied to the downstream undulator. Can be obtained.
Further, by emitting and emitting the emitted free electron laser having the same wavelength, it is possible to obtain a powerful laser light on which light energy is superimposed.
[0023]
Further, in the free electron laser emitting unit of the present invention, a lattice combining a plurality of bending electromagnets and a plurality of quadrupole electromagnets is formed in the beam quality restoration system, and low-energy electrons precede the passing electron bunch. Then, a temporal distribution is generated such that high-energy electrons follow, and then a larger electric field energy is applied to the lower energy side by the RF electric field of the additional speed tube, and a smaller energy is applied to the higher energy side to form an electron bunch as a whole. After reducing the energy distribution and improving the quality, synchrotron radiation can be performed by an undulator by means of an alternating magnetic field.
[0024]
The number of elements such as the bending electromagnet, the quadrupole electromagnet, and the additional speed tube constituting the above beam quality restoration system is smaller than the number of device elements constituting the electron storage ring, and these components are linearly arranged. The beam quality restoration system can be made smaller than an electron storage ring despite performing energy compression. Therefore, the free electron laser emitting unit of the present invention can be configured more compactly than the free electron laser emitting unit in which the electron storage ring is disposed between the undulators.
[0025]
The above-described beam quality restoration system is an electron beam energy compression system conventionally used for sharpening the energy distribution in order to effectively use more electron beams when introducing the electron beams into the electron storage ring. Similar to (ECS). In order to maintain electron energy in the electron storage ring, not only the amount of the injected electron beam but also the electron energy must be high and the beam quality must be good. Therefore, the quality of the whole electron beam is improved by taking in the ECS arranged at the electron beam injection port, including the electron beam which is wasted because it does not conform to the rotation condition of the electron storage ring, and reducing the energy width to accelerate the electron beam. There was a technical idea of injecting into the electron storage ring. However, heretofore, there has been no idea to dispose such an ECS upstream of the undulator to recycle the electron beam once used.
[0026]
A second free electron laser emitting unit according to the present invention includes an electron beam path adjusting undulator for generating an alternating magnetic field in the middle of the bending electromagnet in the beam quality restoration system. In the above beam quality restoration system, when the lattice configuration and the applied magnetic field are determined based on the typical energy state of the electron beam, the range that can be dealt with when the condition of the actually incident electron beam changes is limited. . In the beam quality restoration system according to the present embodiment, a quadrupole electromagnet and a bending electromagnet determine the outline of the path and the size of the electron beam, and then the electron beam is changed by an alternating magnetic field of an undulator extending along the traveling direction of the electron beam. Since the meandering radius varies depending on the energy level of the electron beam when the laser beam travels meandering, fine adjustment can be made so that a path length difference reflecting the energy distribution in the electron beam occurs.
In the conventional energy compression system (ECS), there was no technical idea to adjust the path of the electron beam by using an undulator or the like that generates an alternating magnetic field in the energy compression system in addition to the bending electromagnet.
[0027]
According to the free electron laser emission unit of the present invention, since the beam quality restoration system is combined with the undulator, the FEL is generated in the undulator in the preceding stage, the energy width is increased, and the synchrotron radiation of the same wavelength can no longer be emitted. Can be reproduced by the beam quality restoration system to improve the quality of the electron beam, and the subsequent undulator can generate the FEL having substantially the same wavelength as the previous undulator.
[0028]
A free electron laser device according to the present invention, wherein one or more of the above free electron laser emission units is arranged in series downstream of an undulator directly connected to a linac, and a plurality of undulators simultaneously generate free electron lasers. Can simultaneously generate the same number of FEL lights as the number of undulators, and the energy efficiency of the free electron laser device is improved by the number of the free electron laser emission units.
Further, a device having an optical system for adding a free electron laser emitted from each stage of undulator can provide a powerful laser beam.
[0029]
Also, by appropriately selecting the structure of the undulator and the value of the energy of the electron beam incident on the undulator, two types of high-power laser beams for excitation and dissociation used in the isotope uranium separation process can be simultaneously generated. You can also When the isotope uranium separation is performed by using the free electron laser device of the present invention, there is an advantage that a laser gas supply / circulation system required for a gas laser is unnecessary and no waste is generated.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the free electron laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the free electron laser device of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a beam quality restoration system used in the free electron laser device of FIG. In the drawings, elements having the same functions are given the same reference numerals to facilitate understanding.
[0031]
The free electron laser device includes an electron linac 10 including an initial stage acceleration unit 11 and a main acceleration unit 13 including an electron gun, a subharmonic buncher, a buncher, a focusing coil, and the like, a first deflection transport system 20, and a first deflection transport system 20. The undulator 30, the second deflection transport system 24, the beam quality restoration system 40, the third deflection transport system 26, the second undulator 50, the fourth deflection transport system 28, and the beam dump 60 The electronic linac 10 further includes a high-voltage generator 15, an RF power supply 17, and a klystron 19 as auxiliary devices.
[0032]
The electron linac 10 accelerates an electron beam generated by an electron gun driven by a high-voltage power supply supplied from a high-voltage generator 15 by a first-stage accelerator 11 and a main accelerator 13, and has a beam energy of 36 MeV and a peak current of 0.3 A As an electron beam. Microwaves of required frequencies are supplied from the klystron device 19 to the sub-harmonic buncher and buncher of the first-stage accelerator 11 and the main acceleration unit 13 via the high-frequency three-dimensional circuit 18. Two klystrons are installed in the klystron device 19 and are connected by the high-frequency three-dimensional circuit 18. By operating each power supply with a delay of 25 ms and repeating at 20 PPS, 40 PPS repetition is achieved. I have.
[0033]
The electron beam emitted from the electron linac 10 shifts the electron beam path in parallel by the first deflection transport system 20 and is guided to the first undulator 30 where the FEL light is emitted. The first undulator 30 is provided with reflecting mirrors 31 on the axial extensions at both ends, respectively, and constitutes an optical resonator.
The first deflecting transport system 20 includes a pair of dipole deflecting electromagnets 21 for deflecting the path of the electron beam, for example, 22.5 degrees, and several converging electromagnets 22 disposed therebetween. It has the function of moving to a path parallel to the original path. Downstream of the first undulator 30, a second deflecting transport system 24 having the same configuration is provided. A deflection transport system is provided upstream and downstream of the undulator to deflect the path of the electron beam entering and exiting the undulator from the axis of the undulator, and the reflecting mirror 31 of the optical resonator is set on the axis of the undulator.
[0034]
The electron beam before entering the first undulator 30 satisfies the condition of light emission in the undulator and has an energy half width of, for example, 0.1% or less. The half-width of the energy has expanded to 2% or more. Since the oscillation condition was not satisfied in this state, the beam was dumped in a beam dump.
[0035]
In the free electron laser device of the present invention, the electron beam emitted from the first undulator 30 and deflected by the second deflection transport system 24 is transported to the beam quality restoration system 40.
As shown in FIG. 2, the beam quality restoration system 40 includes a plurality of quadrupole electromagnets 41, a plurality of dipole electromagnets 43, and a set of additional speed tubes 45. The quadrupole electromagnet 41 is a converging electromagnet and has a function of suppressing the spatial spread of the electron beam.
[0036]
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the beam quality restoration system 40. In the figure, the graph (a) schematically shows the energy distribution of the electron bunch in the electron beam incident on the beam quality restoration system 40 with time as the horizontal axis, and the graph (b) passes through the bending electromagnet. After that, the energy distribution of the electron bunch incident on the additional speed tube 45 is shown, and the graph of (c) expresses the RF voltage waveform applied to the additional speed tube 45 corresponding to the time axis of (b). The graph (d) shows the energy distribution of the electron bunch emitted from the beam quality restoration system 40 with respect to the time axis. In the figure, the horizontal axis is the time axis of an arbitrary scale, and the vertical axis is the energy of the electron beam for (a), (b) and (d), and the RF voltage for (c).
[0037]
A static magnetic field is formed in the dipole electromagnet 43, and the electron beam whose energy distribution has deteriorated as shown in FIG. When electrons pass through, the electrons having higher energy travel on a path having a larger Rama radius according to the above equation (7), and the electrons having lower energy travel on a path having a smaller Rama radius. It depends on the energy you have. On the other hand, since the speed of the electrons does not change, based on the path length difference between the high-energy electrons and the low-energy electrons, a low-energy electron precedes and a high-electron follows in FIG. ) Occurs.
[0038]
If the lattices of the plurality of dipole magnets 43 and the plurality of quadrupole electromagnets 41 are properly designed, the diameter of the electron beam once expanded in the middle of the beam quality restoration system 40 can be converged again at the exit. The electron bunch having a temporal distribution emitted from the beam quality restoration system 40 through the appropriate lattice described above is then introduced into the additional speed tube 45.
[0039]
The additional speed tube 45 receives the supply of the RF microwave from the high-frequency three-dimensional circuit 18 and generates a sinusoidal electric field synchronized with the electronic bunch. Here, as shown in FIG. 3C, when the electron bunch is adjusted to correspond to the falling slope position of the sine wave, the low energy electrons in the electron bunch receive more energy and the high energy electrons Accepts less energy and is accelerated. Accordingly, the energy width of the electron beam that passes through the additional speed tube 45 and exits the beam quality restoration system 40 becomes small as shown in FIG. 3D, and satisfies the light oscillation condition in the undulator. The energy applied for acceleration is an amount that compensates for the energy consumed for optical oscillation in the first undulator 30, and therefore may be as small as about 1% of the whole.
[0040]
The electron beam emitted from the beam quality restoration system 40 is made incident on the second undulator 50 at the subsequent stage by the third deflection transport system 26, and emits light in its alternating magnetic field.
In the second undulator 50, FEL can be generated at the same wavelength as the wavelength in the first undulator 30 according to the above equation (2).
The electron beam that has passed through the second undulator is injected into the beam dump 60 by the fourth deflection transport system 28 and is safely absorbed.
[0041]
As described above, according to the free electron laser device of the present invention, it is possible to repeatedly oscillate light with an undulator of the same condition arranged in series using an electron beam supplied from one electron linac, The energy conversion efficiency of the free electron laser device is improved.
[0042]
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the free electron laser device of the present invention, and FIG. 5 is a block diagram showing a free electron laser emission unit used in the free electron laser device of FIG. In the drawings, elements having the same functions as those in the previous drawings are given the same reference numerals so that they can be easily understood.
The free electron laser device according to the present embodiment includes an electron linac 10 including a first-stage acceleration unit 11 and a main acceleration unit 13, a first deflection transport system 20, a first undulator 30, a second deflection transport system 24, Nine free electron laser emission units denoted by reference numeral 70, a deflection transport system 80 installed between the free electron laser emission units, and a final transport electron source connected downstream of the last stage free electron laser emission unit 70 It consists of a stepped deflection transport system 88 and a beam dump 60.
The electronic linac 10 includes a high-voltage generator 15, an RF power supply 17, and a klystron 19 as auxiliary devices.
[0043]
The electronic linac 10, the first deflection transport system 20, the first undulator 30, the second deflection transport system 24, the beam dump 60 of the free electron laser device of this embodiment, and the high voltage generator 15 as an auxiliary device of the electronic linac 10; The RF power supply device 17 and the klystron device 19 are shown in a schematic diagram because there is no difference from the free electron laser device of the first embodiment. The difference between the free electron laser device of the present embodiment and the free electron laser device of the first embodiment is that nine free electron laser emission units 70 are provided instead of one.
[0044]
The free electron laser emission unit 70 is a unit in which a beam quality restoration system 72, a deflection transport system 74, and an undulator 76 are connected in series, as shown in FIG. The configurations and functions of these elements are as described in the first embodiment.
The additional speed of the beam quality restoration system 72 is accelerated by receiving the supply of the RF microwave from the high-frequency three-dimensional circuit 18 via the waveguide. Since the energy consumed by the undulator 76 is as small as about 1% of the whole, even if the energy of the electrons is returned to the same level, the energy to be compensated is very small.
An optical resonator 78 is combined with the undulator 76 to generate a free electron laser having a wavelength determined by the energy of the electron beam and the condition of the alternating magnetic field of the undulator according to the equation (2).
[0045]
As described above, the free electron laser emission unit 70 restores the quality of the electron beam whose energy width has been degraded by emitting synchrotron light with the undulator in the preceding stage by the beam quality restoration system 72 and providing the undulator 76 with the energy. Then, the free electron laser light can be emitted again by the undulator 76 and the optical resonator 78.
When each undulator and the optical resonator have the same configuration and the energy of the electron beam is restored to the same level, free electron laser beams of the same intensity and the same wavelength are simultaneously generated from the undulators including the first undulator 30. Can be done.
[0046]
In the free electron laser device of the present embodiment, the electron beam emitted from the electron linac 10 is guided to the first undulator 30 by the first deflection transport system 20 to perform synchrotron radiation, and the optical resonance disposed in the first undulator 30 is performed. A free electron laser beam is generated by a vessel.
The electron beam after the FEL light is generated by the first undulator has an increased energy half width at about 2%, for example, and does not satisfy the oscillation condition as it is.
The low-energy electron beam emitted from the first undulator 30 is supplied to the free electron laser emission unit 70 by the second deflection transport system 24 and receives an additional speed in the free electron laser emission unit 70 to reduce the energy width of the electron bunch. To generate a free electron laser.
The degraded electron beam emitted by the free electron laser emission unit 70 enters the subsequent free electron laser emission unit 70 via the deflecting / transporting system 80 to reduce the energy width, thereby causing the free electron laser of the first stage to emit light. Generates a free electron laser of the same quality as the emission unit.
In this way, the restoration of the quality of the electron beam and the emission of the laser beam are repeated by the number of stages of the undulator, and finally, the electron beam is injected into the beam dump 60 by the deflection transport system 88 of the last stage and safely absorbed.
[0047]
Since the free electron laser device of this embodiment has ten undulators, the energy conversion efficiency is about 10 times, and a FEL with a continuous output of 1 kW can be easily obtained.
By adding the outputs of the respective optical resonators, it is possible to obtain a laser beam having about 10 times the intensity as one free electron laser beam.
Further, since each optical resonator can independently select a wavelength, it is also possible to simultaneously generate two kinds of light for excitation and dissociation required for the molecular method laser isotope separation.
In this embodiment, nine free electron laser emission units are provided, but it is needless to say that the number of free electron laser emission units can be increased or decreased according to the required characteristics of laser light. Nor.
[0048]
In the free electron laser emission unit used in the free electron laser device of the above embodiment, the lattice configuration is determined based on the properties of the target electron beam so as to have an appropriate llama radius and generate an appropriate path length difference. I do. Therefore, when an electron beam having an energy level and energy distribution different from those at the time of design is incident, it is not possible to select an operating condition under which both of them are in an optimum state. In general, the operation is performed so as to match the radius of the ram to preserve the lattice arrangement, so that it is impossible to provide an appropriate path difference length.
Therefore, the second free electron laser emitting unit of the present invention is obtained by dividing the bending electromagnet 43 arranged at the center of the beam quality restoration system in the first free electron laser emitting unit in FIG. Are arranged and configured.
FIG. 6 is a block diagram showing a part of the beam quality restoration system in the second free electron laser emission unit. 6, elements having the same functions as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified.
[0049]
In FIG. 6, an electron beam having an energy distribution as shown in FIG. 3A emitted from the undulator in the preceding stage by synchrotron radiation passes through two dipole electromagnets 43 while being shaped by the quadrupole electromagnet 41. The electron beam travels along a path determined by the Rama radius based on the energy of the electrons and the strength of the static magnetic field, and reaches the exit of the bipolar magnet 43 on the downstream side. At this time, the center of the electron beam is on the axis of the path, and has a spread based on the energy distribution. The electron beam is shaped in the traveling direction by the quadrupole electromagnet 91 and enters the undulator 93. The electron beam having this spread travels in the undulator 93 while meandering by an alternating magnetic field. At this time, since the meandering radius increases as the energy of the electrons increases, the optical path length increases, and the traveling direction distribution of the electrons in the electron beam after passing through the undulator 93 reflects the energy distribution as shown in FIG. The state is as shown. This distribution state can be finely adjusted by the intensity of the alternating magnetic field of the undulator 93. The undulator 93 is different from a normal laser undulator that emits synchrotron radiation, and is intended to generate a difference in the optical path length of an electron beam. I do.
[0050]
Downstream of the undulator 93 for adjusting the electron beam path, two dipole electromagnets 43 and a plurality of quadrupole electromagnets 41 are arranged symmetrically with respect to the upstream.Until it enters the undulatorThe electron beam that has once spread in the width direction converges while passing through these electromagnet rows, becomes a thin electron beam again, enters the additional speed tube (not shown), undergoes energy compression, and is shown in FIG. With such an energy distribution, the free electron laser emission condition is restored.
Since the additional speed tube plays the role of energy compression as described above, it can also be called an energy width compression tube.
Even when the energy levels of the electron beams are different, the same degree of Rama radius can be obtained by adjusting the intensity of the bending electromagnet. Therefore, in this second free electron laser emitting unit, a quadrupole electromagnet and a dipole electromagnet are used. The deflection path of the electron beam is controlled by the electromagnet, and the electron distribution according to the energy distribution can be adjusted by the undulator for adjusting the electron beam path. For this reason, even when the properties of the electron beam change, optimum operation can be easily performed.
The second free electron laser emitting unit can be incorporated in the free electron laser emitting device in exactly the same manner as the first free electron laser emitting unit described above.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, the free electron laser generating method and the free electron laser device of the present invention make it possible to configure a more compact free electron laser device as compared with a device in which an electron storage ring is interposed between undulators. Also, energy conversion efficiency comparable to that of other laser devices can be achieved.
Therefore, it can be used for a wider range of applications by taking advantage of the characteristics of a high-intensity free electron laser having a continuously tunable wavelength. In particular, isotopes that require simultaneous use of two types of light for excitation and dissociation are required. It can also be used for the uranium separation process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a free electron laser emitting device according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a beam quality restoration system used in the free electron laser emission device of FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of a beam quality restoration system used in the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the free electron laser device of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a free electron laser emitting unit used in the free electron laser device of FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing another example of a beam quality restoration system used in the free electron laser emission device of FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a conventional free electron laser device.
[Explanation of symbols]
10 Electronic linac
11 First Stage Accelerator
13 Main accelerator
15 High voltage generator
17 RF power supply
18 High-frequency three-dimensional circuit
19 Klystron device
20 First deflecting transport system
21 2-pole bending electromagnet
22 Focusing electromagnet
24 Second deflecting transport system
26 Third deflecting transport system
28 Fourth deflecting transport system
30 1st undulator
31 Reflector
40 Beam quality restoration system
41 quadrupole electromagnet
43 Dipole magnet
45 additional speed tube
50 Second undulator
60 beam dump
70 Free electron laser emission unit
72 Beam quality restoration system
74 Deflection transport system
76 Undulator
78 Optical resonator
80 Deflection transport system
88 Final stage deflection transport system
91 quadrupole electromagnet
93 Undulator for electron beam path adjustment

Claims (3)

A beam quality restoration system arranged so that the electron beam passes in series with a plurality of bending electromagnets, a plurality of quadrupole electromagnets, an additional speed tube, and an alternating magnetic field provided between the bending electromagnets; An undulator for laser generation arranged so that the emitted electron beam is incident thereon, wherein the electron beam incident on the beam quality restoration system is upstream of the alternating magnetic field among the plurality of bending electromagnets and the plurality of quadrupole electromagnets. While passing through the provided bending electromagnet and the quadrupole electromagnet in series, a temporal distribution is generated such that electrons with low energy precede in the electron bunch in the electron beam according to the energy distribution, and the magnetic field strength of the alternating magnetic field is adjusted. the fine adjustment of the electron beam path by, interest inclination of RF field synchronized with the electron bunches generated by the additional speed tube To thereby reduce the energy width in the electron bunches, the free electron laser emitting unit for generating FEL light by the undulator. At least one free electron laser emitting unit according to claim 1 is arranged in series downstream of a laser generating undulator directly connected to a linac, and a plurality of laser emitting undulators of the free electron laser emitting unit are added. A free electron laser device wherein a free electron laser is simultaneously generated by a laser generating undulator. 3. The free electron laser device according to claim 2, further comprising an optical system for adding a free electron laser emitted from each of the laser generating undulators.

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