JP4131642B2

JP4131642B2 - FEL wavelength changing method and apparatus

Info

Publication number: JP4131642B2
Application number: JP2002156432A
Authority: JP
Inventors: 横山　　稔; 史彦小田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP2003347640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由電子レーザ発生装置における波長変更装置と方法に関し、特にリニアックを利用したＦＥＬ装置において容易に正確な波長設定ができるようにする波長変更装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由電子レーザ発生装置（ＦＥＬ）は、原理的に波長が自由に設定でき高出力であるため、医学、科学、バイオ技術、半導体技術など多くの分野で利用が進んでいる。
ＦＥＬにおいてレーザ波長を決める方法には、アンジュレータを通過する電子ビームのエネルギーを調整する方法と、アンジュレータギャップを調整する方法がある。
電子ビームのエネルギーを変更する方法は簡単でないため、従来、アンジュレータギャップによりＦＥＬ波長を変更していた。このとき、アンジュレータのギャップを変更するとアンジュレータ内の磁場分布が変化するため、アンジュレータの前後や内部に補正磁石を設けて磁場の補正をする必要がある。
【０００３】
シンクロトロンのＳＲ装置内にアンジュレータを設置した場合は、電子軌道と電子ビームエネルギーの再現性が優れており、また、電子ビームの位置も４個または６個のボタン電極を用いて出力信号の処理をすることにより０．０５ｍｍ以内の精度で容易に測定することができる。したがって、所定波長のＦＥＬを得るために必要となるアンジュレータギャップとそれに対応する個々の補正磁石の強度を事前に測定しておき、この情報に基づいて波長に対応するギャップを選択してコンピュータなどで補正磁石強度を調整すれば、再現性よく任意の波長のＦＥＬ光を得ることができる。
【０００４】
しかし、リニアックで生成する電子ビームは再現性が悪く、運転日毎にエネルギーに数％程度の偏差があるのが普通であり、また電子発生部の電子銃近傍でもビームの位置が１ｍｍ以上ずれることがあり、アンジュレータ内のビーム位置にも１ｍｍ程度のばらつきがある。
さらに、共振器ミラーの位置と電子ビームの共振条件を調整してＦＥＬ光を発生させることは容易ではない。
したがって、特にリニアックを用いたＦＥＬでは、高出力に維持しながら波長を変更したり調整したりすることは困難であった。
【０００５】
【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、リニアックを用いたＦＥＬ装置において波長を容易に選択できるＦＥＬ波長変更方法と装置を提供することである。
【０００６】
【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ＦＥＬ波長変更方法は、初めに基準のアンジュレータギャップにして入口と出口における電子ビーム位置を所定の位置に合わせ補正磁石の強度を調整してＦＥＬ発振をさせる。その後、目標とするＦＥＬ波長との偏差に対応するようにアンジュレータギャップを変化させてＦＥＬ波長を調整する。このとき、補正磁石の強度を、予め求めておいたギャップごとの基準調整値に対して実際にＦＥＬ発振させるために調整した値を加えた値に設定する。
【０００７】
アンジュレータの永久磁石列により発生する磁場分布はギャップの大きさにより変化するため、アンジュレータギャップを変更したときにもＦＥＬ発振をさせるには、アンジュレータに補正磁石を付属させて、アンジュレータギャップが変化してもアンジュレータ内の磁場分布を所定の状態に維持するようにアンジュレータギャップに対応して補正磁石の強度調整を行う必要がある。
通常のＳＲ装置に設置されるアンジュレータでは電子ビームの状態に再現性があるため、所定のエネルギーを有する電子ビームを使ってアンジュレータギャップを適当に変化させてギャップごとに１式の補正磁石強度調整値を求めておいて所望の波長に対応して調整すればよい。
【０００８】
しかし、リニアックを用いたときのように電子ビームエネルギーが変動する場合は、同じギャップでも発生するＦＥＬの波長が異なり所望のＦＥＬ波長を得るためにはそれに応じたギャップを選択する必要がある上、適正な補正磁石強度調整値は電子エネルギーにも依存するので膨大な実験データに基づく調整テーブルを備える必要があるとされていた。
ところが、本発明者らの研究の結果、電子ビームエネルギーが変化すれば各補正磁石の強度をエネルギーに対応した適正な発振調整値にすることによりアンジュレータ内に適正な磁場分布を形成しない限りＦＥＬ発振が生じないが、ＦＥＬ発振したアンジュレータ内磁場分布を前提とすれば、その後にアンジュレータギャップを変化させても、電子ビームの入射位置と出射位置が変化しなければ、基準エネルギーの電子ビームを使って求めたギャップごとの各補正磁石の強度調整値における相対的関係、すなわち基準調整値を維持することによりＦＥＬを発振させることができるとの知見を得た。
【０００９】
本発明のＦＥＬ波長変更方法は、この知見に基づくもので、電子ビームエネルギーによりＦＥＬ発振するアンジュレータ磁場の条件が異なるが、その電子ビームの状態で基準のアンジュレータギャップを用い補正磁石強度を調整して一旦ＦＥＬ発振を確保したら、その後にギャップを変化させてＦＥＬ波長を変更したときにも補正磁石同士の相対的な強度を一定の関係に保持するようにして高出力を維持しながら波長を変更するようにしたものである。
なお、補正磁石の強度調整に用いる基準調整値のテーブルは、基準とするアンジュレータギャップの下で所定のエネルギーを有する電子ビームを用いてＦＥＬ発振させた状態を基準とし、ギャップを変化させてはＦＥＬ発振するように調整して得られる各補正磁石の強度を基準の強度からの差で表したものを予め準備して利用することができる。
【００１０】
従来、電子ビームのエネルギーに変化があるとＦＥＬ波長を所定の値に調整することが極めて困難になるため、特に、より小型で簡便であるはずのリニアック利用ＦＥＬ装置の実用性が問題になっていたところ、本発明の方法を用いることにより、電子ビームエネルギーが日によって変動する場合でも目的の波長を持ったＦＥＬを発生させることが容易にできるようになった。
なお、本発明のＦＥＬ波長変更方法は、基準のアンジュレータギャップで発振させたときのＦＥＬ波長を測定して、ＦＥＬ波長から電子ビームエネルギーを算出し、算出された電子ビームエネルギーを用いて所望のＦＥＬ波長を得るアンジュレータギャップを決めるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記課題を解決するため、本発明のＦＥＬ波長変更装置は、アンジュレータギャップを調整するギャップ調整装置と、アンジュレータに入射する電子ビームの軌道を調整する補正電磁石と、アンジュレータの磁場分布を補正する補正電磁石と、アンジュレータから出射する電子ビームの軌道を調整する補正電磁石と、アンジュレータの入口と出口に設けられたビーム位置モニターと、アンジュレータギャップごとに基準状態における電子ビームを使って発振させたときのＦＥＬ波長を記録した記憶装置と、アンジュレータギャップごとにＦＥＬ発振を行わせることができる補正電磁石強度の基準ギャップ状態との偏差を記録した記憶装置と、補正磁石強度調整装置を備え、初めに基準のアンジュレータギャップにして入口と出口における電子ビーム位置を所定の位置に合わせ、補正電磁石の強度を調整してＦＥＬ発振をさせ、その後、目標とするＦＥＬ波長との偏差に対応するようにアンジュレータギャップを変化させ、補正磁石の強度を予め求めておいたギャップごとの基準調整値に対して実際にＦＥＬ発振させるために調整した値を加えた値に設定することにより、ＦＥＬ波長を調整することを特徴とする。
【００１２】
本発明の装置により、変動しがちなリニアックからの電子ビームを用いた場合にも、本発明のＦＥＬ波長変更方法に従って自動的にＦＥＬ波長を変更することができる。なお、補正電磁石同士が互いに干渉する場合は、ＦＥＬ発振時に、電子ビームの入射位置、出射位置、アンジュレータ内の電子ビーム軌道をそれぞれ独立に設定するのではなく、相互の協調が必要になることはいうまでもない。
上記記憶装置および補正磁石強度調整装置は少なくともその一部をコンピュータで構成しても良い。
また、アンジュレータギャップや補正電磁石強度の設定値は、各テーブルに記載の値から補間法によって求めることができる。補間法を用いることにより事前の実験回数を減少させて小さなデータテーブルから効率よく必要な設定値を求めることができる。なお、これらの関係は単純であるため、取得したデータの上下限を越えて推算する補間も利用できることはいうまでもない。
【００１３】
補正電磁石は、初めにＦＥＬを発振させるために調整する部分と、ギャップごとに磁場分布を最適化するために磁場補正をする部分に分けると、それぞれ異なる要因に基づいた異なる調整を独立に行うことができるので便利である。
このためには、補正電磁石をそれぞれ別個に設けてもよく、また１個の電磁石に別々に制御できるコイルを設けて使い分けてもよい。また、１個のコイルを用いて、電源装置で発振調整値と基準調整値の電流成分を加算して印加するようにしてもよい。
なお、特に、アンジュレータの磁場分布を補正する補正電磁石については、独立的な設定ができるようにすることが好ましい。
【００１４】
さらに、ビーム位置モニタは、電子ビームの照射位置に対応する電気信号を発生するボタン電極あるいはＯＴＲターゲットなどのセンサを用いて画像処理で位置判定を行う方式のものであれば、直接的にＦＥＬ波長自動調整装置に利用することができる。
電子ビームの位置は、たとえば、ボタン電極を４個あるいは６個用いて信号処理すれば容易に０．０５ｍｍ以内の測定精度を得ることができる。
なお、ＦＥＬ波長は電子ビームエネルギーとアンジュレータの状態で決まるので、不安定な電子ビームを基準のアンジュレータに入射させて発生したＦＥＬの波長から電子ビームのエネルギーを求めることができる。そこで、分光器を備えて、基準ギャップで発振させたＦＥＬの波長を観測して電子ビームエネルギーを求め、これに基づいて所望のＦＥＬ波長を得るためのアンジュレータギャップを求めるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の１実施例に係るＦＥＬ波長変更装置を備えるＦＥＬ装置のブロック図、図２は本実施例のＦＥＬ波長変更装置の制御系統を示すブロック図、図３は補正電磁石の調整値を示すテーブル、図４は補正電磁石のコイル調整方法を説明する説明図である。
【００１６】
図１に示したＦＥＬ装置はリニアック型ＦＥＬ装置であって、ＲＦ電子銃１で電子ビームを発生し、発生した電子ビームをα電磁石２に入射して波長選択をし、さらに加速管３で加速して、偏向電磁石４、５でアンジュレータ６に導き、アンジュレータ６内で共振器ミラー９，１０の間に存在するレーザ光と相互作用してレーザ光を増強し、９０度偏向電磁石７で偏向されてビームダンプ８に吸収させる。アンジュレータ６内で生成されるＦＥＬレーザ光は、共振器ミラー１０から外部に取り出して利用する。なお、発生したＦＥＬレーザ光は、分光器１１やジュールメータ１２に入射させて特性を測定することができる。
【００１７】
ＦＥＬ装置には随所に補正電磁石（ステアリング電磁石）が設けられていて、電子ビームの性状を調整したり、軌道位置を微調整することができるようにしてある。
本実施例のＦＥＬ波長変更装置に係る補正電磁石は、特に、加速管３から出射する電子ビームをアンジュレータ６の所定位置に導くために使用される第１の電磁石群と、アンジュレータ６の磁場分布を補正する第２の補正電磁石群である。
第１補正電磁石群は、加速管３の末端に設けられた偏向電磁石４に付帯する補正電磁石２１とアンジュレータ６の入口までの電子ビーム軌道に設けられた補正電磁石２２やアンジュレータ６の入口の偏向電磁石５に付帯する補正電磁石２３を含む。
【００１８】
また、第２補正電磁石群は、たとえば、図１に参照番号２４，２５，２６で示すように、アンジュレータ６内とアンジュレータ６の外側の電子ビームが通る位置に随所に設けられる補正電磁石を含む。
なお、第２補正電磁石群の磁石強度を調整すると、アンジュレータ６内の電子ビーム軌道が変化するので、アンジュレータ６の出口における電子ビームの位置を調整することもできる。
【００１９】
図２に示すように、各補正電磁石３１，３２，３３，３４は、それぞれに対応して設けられた電源装置３５，３６，３７，３８に接続されていて、それぞれ独立に電流を供給して、補正磁場を発生することができる。
また、アンジュレータ３９のギャップはギャップ制御装置４０により設定することができる。
なお、補正電磁石用電源装置３５，３６，３７，３８とギャップ制御装置４０は、両者を束ねるコントローラ４１により協調的に制御され、さらに、コントローラ４１は演算処理能力を有するコンピュータ４２によって制御される。
コントローラ４１には、論理演算が可能なシーケンスコントローラや複合制御装置を利用することができる。
なお、コンピュータ４１には、補正磁石強度に関するデータを格納したデータファイル４３を付属させてある。
【００２０】
データファイル４３の中身は、図３に示すようなアンジュレータのビーム位置補正用のテーブルである。
この表は、アンジュレータギャップが８ｍｍから２０ｍｍまで変化できるとし、仮にａ，ｂ，ｃ，ｄの４個の補正電磁石によりアンジュレータ中の磁場分布を微調整するものとし、ギャップの基準を１２ｍｍとして作成したものである。これらの数値は装置により変化することはいうまでもない。
この表は、実地の試験を重ねて作成する。実地試験では、まずギャップを基準値の１２ｍｍに設定して所定のエネルギーを有する電子ビームをアンジュレータに導入し、補正電磁石の強度を調整してＦＥＬ発振をさせる。満足できるようなＦＥＬ発振に成功したときの各補正電磁石における調整値を発振調整値として記録する。
【００２１】
次に、１ｍｍなどの適当な刻みでギャップを変更して、再び満足できるＦＥＬ発振ができるように各補正電磁石ａ，ｂ，ｃ，ｄの調整値を求める。ギャップが変化すると磁場が発生する場の形状が変化しアンジュレータ内の磁場分布が変化するので、適正な調整値も変化する。そこで、各ギャップごとに求めた適正な磁石強度調整値、すなわち基準調整値を記録する。なお、基準調整値は、図３に示すように、基準ギャップである１２ｍｍにおける調整値との差Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを取って記録すると、後の処理に都合がよい。表中、磁石調整値Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに付した添え字はギャップの量を表す。
【００２２】
なお、表中に（＋Ｘ）で示す値は、日毎にエネルギーが変化するその日の電子ビームを基準ギャップのアンジュレータに入射させてＦＥＬ発振をさせたときの各補正電磁石の調整値、発振調整値である。添え字は対応する補正電磁石を表す。すなわち、１２ｍｍのギャップでＦＥＬ発振をさせたときの補正電磁石ａ，ｂ，ｃ，ｄの調整値は、それぞれＸａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄとなる。
その電子ビームを用いてそれぞれのギャップにおいてＦＥＬ発振をさせるためには、各補正電磁石の調整値を表にあるような基準調整値と発振調整値を加えた値にすればよい。たとえば、９ｍｍのギャップを選択したときの補正磁石ｂにおける調整値は、Ｂ９＋Ｘｂになる。
【００２３】
本実施例のＦＥＬ発生装置を用いて、ある日のリニアック１から発生させた電子ビームにより所望の波長のＦＥＬを得るためには、まず、アンジュレータ６のギャップを基準の１２ｍｍに設定して、電子ビームを入射させる。リニアック１は調整の度に条件が変動するが、ビームエネルギーに数％の偏差が生じているとすれば、途中の電子ビーム軌跡は１ｍｍ程度の偏差がある可能性がある。
そこで、アンジュレータ６の入口部に挿入されたビーム位置モニタを観察しながら、加速管３末端の偏向電磁石４の位置にある補正電磁石２１と、アンジュレータ部の偏向電磁石５までの電子ビーム軌跡上にある補正電磁石２２等を調整して、電子ビームの位置偏差を入口位置で０．３ｍｍ程度以内に抑えるようにする。
【００２４】
さらに、電子ビームがアンジュレータを出るところに設置されたビーム位置モニタを観察しながら、アンジュレータ内あるいはその周辺に設けられた補正電磁石２３，２４，２５，２６等の磁場強度調整をすることにより、出口における電子ビームの位置を入口同様０．３ｍｍ程度以内の精度に調整すると共に、ＦＥＬ発振を行わせる。
なお、電子ビームの位置は、４個もしくは６個のボタン電極を利用して、信号処理して求めれば、０．０５ｍｍ以内の精度で測定することができる。また、ビーム軌道中に鏡面加工したアルミニウム等の金属箔を挿入して、発生するＯＴＲ光をカメラで取り込んで画像処理して、ビーム中心位置を算出することにより０．１ｍｍ以内の精度で確定することができる。
【００２５】
なお、アンジュレータ６の入口と出口における電子ビームの位置が再現されているため、基準ギャップにおいて基準エネルギーの電子ビームを使って発振させた発振調整値を参考にしてトライアンドエラーで調整すれば、比較的容易に最適値に到達することができる。
もちろん、これらの調整は相互に影響を及ぼすので単純ではないが、機械的に調整することができない場合は、熟練者の手で行ってもよい。
このようにしてＦＥＬ発振を可能とした補正電磁石の調整値Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ，・・・を発振調整値として記録する。
【００２６】
次に、目的とするＦＥＬ波長を発生するアンジュレータギャップを選択する。一定のエネルギーを有する電子ビームを使用するときは、ギャップと波長は１対１に対応するため、予め測定されたギャップごとのＦＥＬ波長について作成された表に基づいて選択すればよい。目的の波長が表にない場合は、内挿または外挿により補間して適切なギャップを求めることができる。
しかし、リニアック利用のＦＥＬ装置では電子ビームエネルギーが一定しないため、分光器１１により基準のギャップ１２ｍｍにおける実際の発振波長を測定して利用し、適切なギャップを選択する。
ギャップの変化とＦＥＬ波長の変化はある程度対応するので、目標波長と基準ギャップでの発振波長の差を使用して、上記対応表に基づき適切なアンジュレータギャップを推定することができる。
【００２７】
さらに、新しいアンジュレータギャップにおける適正な補正電磁石調整値を発振調整値と基準調整値を用いて算出し、この値に基づいて補正電磁石のコイル電流を調整してＦＥＬ発振を確保する。
調整したアンジュレータギャップが表にない場合は、内挿または外挿により補間して適切な補正電磁石調整値を算出することができる。
なお、設定したアンジュレータギャップで発振したＦＥＬ光の波長を分光器１１で測定して確認することができる。
【００２８】
ところで、基準調整値はギャップに固有の値であるのに対して、発振調整値は電子ビームの状態に基づいて日毎に決まる値であり、両者を加算した値を使用して補正電磁石の調整を行うので、それぞれ別々に設定することができるようにすることが便利である。
そこで、図４（ａ）に示すように、各補正電磁石５１に巻かれた実質的に１個のコイル５２に対して、それぞれ独立に供給電流を設定できる電源装置を２個ずつ設置して、一方の電源５３にはギャップに応じた基準調整値をセットするようにし、他方の電源５４にはその日の発振調整値をセットしておいて、両電源の出力を加算してコイル５２に流すことにより補正電磁石５１の強度を調整することができる。
また、図４（ｂ）に示すように、各補正電磁石５１に実質２個のコイル５５，５６を備えて、それぞれ電源装置５３，５４に接続し、一方の電源５３からギャップに応じた基準調整値に対応する電流を流し、他方の電源５４から発振調整値に応じた電流を流すことにより補正電磁石５１の強度を調整することができる。さらにまた、補正電磁石自体を２個に分離して設置し、それぞれ発振調整値と基準調整値に対応した補正磁界を発生させるようにしてもよい。
【００２９】
なお、ＦＥＬの発振波長λ_ＦＥＬは、アンジュレータ磁石の周期長λ_ＷとアンジュレータパラメータＫとローレンツファクターγを用いて、
λ_ＦＥＬ＝λ_Ｗ（Ｋ^２＋１）／γ^２
と表すことができる。
したがって、発振したＦＥＬ波長λ_ＦＥＬを測定することにより電子ビームエネルギーの表現であるローレンツファクターγを求めることができる。こうして求めたローレンツファクターγを用いて、目標とするＦＥＬ波長λ_ＦＥＬに対応するアンジュレータパラメータＫを求め、ギャップを算出して設定するとともに、適切な補正電磁石調整を行って実際に必要なＦＥＬ波長を得ることができる。
【００３０】
なお、本実施例のＦＥＬ波長変更方法では、基準調整値を求める場合に電子ビームエネルギーが変わるごとにデータセットを差し替える必要がないため、コンピュータなどの記憶容量を節減することができるばかりでなく、調整値を求めるための実地試験におけるケース数も従来と比較して大きく削減できるため、実機を製作する上でも極めて有利である。
また、上記実施例は、リニアックからの電子ビームを用いる場合について適用したものであるが、他の装置から供給される不安定な電子ビームを用いる場合であっても、またシンクロトロンなど安定な電子ビーム発生装置を用いた場合であっても有効に活用できることはいうまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のＦＥＬ波長変更方法および装置を用いることにより、アンジュレータに導く電子ビームのエネルギーが一定しないときにも、より簡単に目的のＦＥＬ波長に調整することができるので、ＦＥＬ装置により任意の波長を持った高出力ＦＥＬ光を得て種々の分野に活用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係るＦＥＬ波長変更装置を備えるＦＥＬ装置のブロック図である。
【図２】本実施例のＦＥＬ波長変更装置の制御系統を示すブロック図である。
【図３】本実施例における補正電磁石の調整値を示すテーブルである。
【図４】本実施例における補正電磁石のコイル調整方法の説明図である。
【符号の説明】
１ＲＦ電子銃
２ α電磁石
３加速管
４，５偏向電磁石
６アンジュレータ
９，１０共振器ミラー
７９０度偏向電磁石
８ビームダンプ
１１分光器
１２ジュールメータ
２１，２２，２３，２４，２５，２６補正電磁石
３１，３２，３３，３４補正電磁石
３５，３６，３７，３８電源装置
３９アンジュレータ
４０ギャップ制御装置
４１コントローラ
４２コンピュータ
４３データファイル
５１補正電磁石
５２，５５，５６コイル
５３，５４電源装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength changing device and method in a free electron laser generator, and more particularly to a wavelength changing device that enables easy and accurate wavelength setting in an FEL device using a linac.
[0002]
[Prior art]
The free electron laser generator (FEL) is in principle used in many fields such as medicine, science, biotechnology, and semiconductor technology because the wavelength can be freely set and the output is high in principle.
Methods for determining the laser wavelength in the FEL include a method of adjusting the energy of an electron beam passing through the undulator and a method of adjusting the undulator gap.
Since the method of changing the energy of the electron beam is not simple, conventionally, the FEL wavelength has been changed by an undulator gap. At this time, if the gap of the undulator is changed, the magnetic field distribution in the undulator changes, so it is necessary to correct the magnetic field by providing correction magnets before and after the undulator and inside.
[0003]
When the undulator is installed in the synchrotron SR device, the reproducibility of the electron trajectory and the electron beam energy is excellent, and the position of the electron beam is processed using four or six button electrodes. By measuring, it is possible to easily measure with an accuracy within 0.05 mm. Therefore, the undulator gap required to obtain the FEL of the predetermined wavelength and the strength of each correction magnet corresponding to the undulator gap are measured in advance, and the gap corresponding to the wavelength is selected based on this information by a computer or the like. By adjusting the correction magnet strength, FEL light having an arbitrary wavelength can be obtained with high reproducibility.
[0004]
However, the electron beam generated by the linac has poor reproducibility, and there is usually a deviation of about several percent in energy every operation day, and the position of the beam may be shifted by 1 mm or more even in the vicinity of the electron gun of the electron generator. There is also a variation of about 1 mm in the beam position in the undulator.
Furthermore, it is not easy to generate FEL light by adjusting the position of the resonator mirror and the resonance condition of the electron beam.
Therefore, it has been difficult to change or adjust the wavelength while maintaining a high output, particularly in an FEL using a linac.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an FEL wavelength changing method and apparatus capable of easily selecting a wavelength in an FEL apparatus using a linac.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the FEL wavelength changing method of the present invention first makes a reference undulator gap, aligns the electron beam positions at the entrance and exit, and adjusts the strength of the correction magnet to cause FEL oscillation. Thereafter, the FEL wavelength is adjusted by changing the undulator gap so as to correspond to the deviation from the target FEL wavelength. At this time, the strength of the correction magnet is set to a value obtained by adding a value adjusted for actual FEL oscillation to a reference adjustment value for each gap obtained in advance.
[0007]
Since the magnetic field distribution generated by the permanent magnet array of the undulator changes depending on the size of the gap, in order to cause FEL oscillation even when the undulator gap is changed, a correction magnet is attached to the undulator and the undulator gap is changed. However, it is necessary to adjust the strength of the correction magnet in accordance with the undulator gap so as to maintain the magnetic field distribution in the undulator in a predetermined state.
Since an undulator installed in a normal SR device has reproducibility in the state of the electron beam, one set of correction magnet strength adjustment values is set for each gap by appropriately changing the undulator gap using an electron beam having a predetermined energy. And the adjustment may be made corresponding to the desired wavelength.
[0008]
However, when the electron beam energy fluctuates as in the case of using a linac, the wavelength of the generated FEL is different even in the same gap, and in order to obtain a desired FEL wavelength, it is necessary to select a gap according to it. Since an appropriate correction magnet strength adjustment value also depends on the electron energy, it is necessary to provide an adjustment table based on a large amount of experimental data.
However, as a result of research by the present inventors, if the electron beam energy changes, the intensity of each correction magnet is set to an appropriate oscillation adjustment value corresponding to the energy, so that the FEL oscillation is performed unless an appropriate magnetic field distribution is formed in the undulator. However, if the FEL-oscillated magnetic field distribution in the undulator is assumed, if the incident position and the outgoing position of the electron beam do not change even if the undulator gap is changed after that, the reference energy electron beam is used. It was found that the FEL can be oscillated by maintaining the relative relationship in the intensity adjustment value of each correction magnet for each gap obtained, that is, the reference adjustment value.
[0009]
The FEL wavelength changing method of the present invention is based on this finding, and the conditions of the undulator magnetic field for FEL oscillation differ depending on the electron beam energy, but the correction magnet strength is adjusted using the reference undulator gap in the state of the electron beam. Once FEL oscillation is secured, the wavelength is changed while maintaining a high output so that the relative strength between the correction magnets is maintained in a fixed relationship even when the FEL wavelength is changed by changing the gap thereafter. It is what I did.
The table of reference adjustment values used for adjusting the strength of the correction magnet is based on the state of FEL oscillation using an electron beam having a predetermined energy under the reference undulator gap, and the FEL is changed by changing the gap. It is possible to prepare and use in advance the intensity of each correction magnet obtained by adjusting so as to oscillate as a difference from the reference intensity.
[0010]
Conventionally, since it is extremely difficult to adjust the FEL wavelength to a predetermined value when there is a change in the energy of the electron beam, the practicality of a linac-based FEL device, which should be smaller and simpler, has become a problem. However, by using the method of the present invention, it has become possible to easily generate an FEL having a target wavelength even when the electron beam energy varies from day to day.
The FEL wavelength changing method of the present invention measures the FEL wavelength when oscillating at a reference undulator gap, calculates the electron beam energy from the FEL wavelength, and uses the calculated electron beam energy to obtain a desired FEL. An undulator gap for obtaining a wavelength may be determined.
[0011]
In order to solve the above problems, the FEL wavelength changing device of the present invention corrects the magnetic field distribution of the undulator, the gap adjusting device for adjusting the undulator gap, the correction electromagnet for adjusting the trajectory of the electron beam incident on the undulator. A correction electromagnet, a correction electromagnet that adjusts the trajectory of the electron beam emitted from the undulator, a beam position monitor provided at the entrance and exit of the undulator, and an oscillation using the electron beam in the reference state for each undulator gap A storage device that records the deviation between a storage device that records the FEL wavelength, a reference gap state of the correction electromagnet intensity that can cause FEL oscillation for each undulator gap, and a correction magnet strength adjustment device; Undulator gap at the entrance and exit The electron beam position is adjusted to a predetermined position, the intensity of the correction electromagnet is adjusted to cause FEL oscillation, and then the undulator gap is changed so as to correspond to the deviation from the target FEL wavelength. The FEL wavelength is adjusted by setting to a value obtained by adding a value adjusted for actual FEL oscillation to the obtained reference adjustment value for each gap.
[0012]
The apparatus of the present invention can automatically change the FEL wavelength according to the FEL wavelength changing method of the present invention even when an electron beam from a linac that tends to fluctuate is used. If the correction electromagnets interfere with each other, it is not necessary to independently set the electron beam incident position, emission position, and electron beam trajectory in the undulator during FEL oscillation. Needless to say.
The storage device and the correction magnet strength adjustment device may be configured at least partially by a computer.
Moreover, the set values of the undulator gap and the correction electromagnet strength can be obtained by interpolation from the values described in each table. By using the interpolation method, the required number of experiments can be reduced and the required set value can be efficiently obtained from a small data table. Since these relationships are simple, it goes without saying that interpolation for estimation exceeding the upper and lower limits of the acquired data can also be used.
[0013]
When the correction electromagnet is divided into a part that is first adjusted to oscillate the FEL and a part that performs magnetic field correction to optimize the magnetic field distribution for each gap, different adjustments based on different factors are performed independently. This is convenient.
For this purpose, the correction electromagnets may be provided separately, or a single electromagnet may be provided with a separately controllable coil. Alternatively, the current component of the oscillation adjustment value and the reference adjustment value may be added and applied by the power supply device using a single coil.
In particular, it is preferable that the correction electromagnet for correcting the magnetic field distribution of the undulator can be set independently.
[0014]
Furthermore, if the beam position monitor is of a type that performs position determination by image processing using a sensor such as a button electrode or an OTR target that generates an electric signal corresponding to the irradiation position of the electron beam, the FEL wavelength is directly It can be used for an automatic adjustment device.
As for the position of the electron beam, for example, if four or six button electrodes are used for signal processing, measurement accuracy within 0.05 mm can be easily obtained.
Since the FEL wavelength is determined by the electron beam energy and the state of the undulator, the energy of the electron beam can be obtained from the wavelength of the FEL generated by making an unstable electron beam incident on the reference undulator. Accordingly, a spectroscope may be provided to observe the wavelength of the FEL oscillated at the reference gap to obtain electron beam energy, and based on this, an undulator gap for obtaining a desired FEL wavelength may be obtained.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
1 is a block diagram of an FEL apparatus including an FEL wavelength changing apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the FEL wavelength changing apparatus of the present embodiment, and FIG. 3 is an adjustment of a correction electromagnet. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a coil adjustment method for the correction electromagnet.
[0016]
The FEL apparatus shown in FIG. 1 is a linac type FEL apparatus, which generates an electron beam with an RF electron gun 1, enters the generated electron beam into an α electromagnet 2, selects a wavelength, and further accelerates with an acceleration tube 3. Then, it is guided to the undulator 6 by the deflecting electromagnets 4 and 5 and interacts with the laser light existing between the resonator mirrors 9 and 10 in the undulator 6 to enhance the laser light, and is deflected by the 90-degree deflecting electromagnet 7. To be absorbed by the beam dump 8. The FEL laser light generated in the undulator 6 is taken out from the resonator mirror 10 and used. The generated FEL laser light can be incident on the spectroscope 11 or the joule meter 12 to measure the characteristics.
[0017]
The FEL apparatus is provided with correction electromagnets (steering electromagnets) everywhere so that the properties of the electron beam can be adjusted and the position of the orbit can be finely adjusted.
The correction electromagnet according to the FEL wavelength changing device of the present embodiment particularly has a first electromagnet group used for guiding the electron beam emitted from the accelerating tube 3 to a predetermined position of the undulator 6 and the magnetic field distribution of the undulator 6. This is a second correction electromagnet group to be corrected.
The first correction electromagnet group includes a correction electromagnet 21 attached to the deflection electromagnet 4 provided at the end of the accelerating tube 3 and a correction electromagnet 22 provided in the electron beam trajectory to the entrance of the undulator 6 and a deflection electromagnet at the entrance of the undulator 6. 5 is included.
[0018]
Further, the second correction electromagnet group includes, for example, correction electromagnets provided at various positions where electron beams inside and outside the undulator 6 pass, as indicated by reference numerals 24, 25, and 26 in FIG.
In addition, since the electron beam trajectory in the undulator 6 changes when the magnet strength of the second correction electromagnet group is adjusted, the position of the electron beam at the exit of the undulator 6 can also be adjusted.
[0019]
As shown in FIG. 2, each of the correction electromagnets 31, 32, 33, and 34 is connected to a power supply device 35, 36, 37, and 38 that is provided corresponding to each of the correction electromagnets 31, 32, 33, and 34, and supplies current independently. A correction magnetic field can be generated.
The gap of the undulator 39 can be set by the gap control device 40.
The correction electromagnet power supply devices 35, 36, 37, and 38 and the gap control device 40 are cooperatively controlled by a controller 41 that bundles them together, and the controller 41 is further controlled by a computer 42 that has an arithmetic processing capability.
As the controller 41, a sequence controller capable of logical operation or a composite control device can be used.
The computer 41 is accompanied by a data file 43 that stores data relating to the correction magnet strength.
[0020]
The contents of the data file 43 are a table for correcting the beam position of the undulator as shown in FIG.
This table assumes that the undulator gap can be changed from 8 mm to 20 mm, and suppose that the magnetic field distribution in the undulator is finely adjusted by four correction electromagnets a, b, c, and d, and the gap reference is set to 12 mm. Is. Needless to say, these values vary depending on the apparatus.
This table is created by repeated field tests. In the practical test, first, the gap is set to a reference value of 12 mm, an electron beam having a predetermined energy is introduced into the undulator, and the intensity of the correction electromagnet is adjusted to cause FEL oscillation. The adjustment value in each correction electromagnet when the satisfactory FEL oscillation is successful is recorded as the oscillation adjustment value.
[0021]
Next, the gap is changed at an appropriate interval such as 1 mm, and adjustment values of the correction electromagnets a, b, c, and d are obtained so that satisfactory FEL oscillation can be performed again. When the gap changes, the shape of the field in which the magnetic field is generated changes and the magnetic field distribution in the undulator changes, so that the appropriate adjustment value also changes. Therefore, an appropriate magnet strength adjustment value obtained for each gap, that is, a reference adjustment value is recorded. As shown in FIG. 3, if the reference adjustment values are recorded by taking differences A, B, C, and D from the adjustment value at 12 mm as the reference gap, it is convenient for subsequent processing. In the table, the subscripts attached to the magnet adjustment values A, B, C, and D represent the gap amount.
[0022]
The value indicated by (+ X) in the table is an adjustment value and an oscillation adjustment value of each correction electromagnet when the electron beam of the day whose energy changes every day is incident on the undulator of the reference gap to cause FEL oscillation. is there. The subscript represents the corresponding correction electromagnet. That is, the adjustment values of the correction electromagnets a, b, c, and d when the FEL oscillation is performed with a gap of 12 mm are Xa, Xb, Xc, and Xd, respectively.
In order to cause FEL oscillation in each gap using the electron beam, the adjustment value of each correction electromagnet may be set to a value obtained by adding the reference adjustment value and the oscillation adjustment value as shown in the table. For example, the adjustment value in the correction magnet b when a 9 mm gap is selected is B9 + Xb.
[0023]
In order to obtain an FEL having a desired wavelength by an electron beam generated from the linac 1 on a certain day using the FEL generator of this embodiment, first, the gap of the undulator 6 is set to a reference of 12 mm, The beam is incident. The condition of the linac 1 changes every time it is adjusted, but if there is a deviation of several percent in the beam energy, the electron beam trajectory on the way may have a deviation of about 1 mm.
Therefore, while observing the beam position monitor inserted into the entrance portion of the undulator 6, it is on the electron beam locus to the correction electromagnet 21 at the position of the deflection electromagnet 4 at the end of the accelerating tube 3 and the deflection electromagnet 5 of the undulator portion. The correction electromagnet 22 and the like are adjusted so that the positional deviation of the electron beam is suppressed within about 0.3 mm at the entrance position.
[0024]
Further, while observing a beam position monitor installed where the electron beam exits the undulator, the exit is adjusted by adjusting the magnetic field strength of the correction electromagnets 23, 24, 25, 26, etc. provided in or around the undulator. As with the entrance, the position of the electron beam is adjusted to an accuracy of about 0.3 mm and FEL oscillation is performed.
Note that the position of the electron beam can be measured with an accuracy of 0.05 mm or less if it is obtained by signal processing using four or six button electrodes. In addition, a mirror-finished metal foil such as aluminum is inserted into the beam trajectory, the generated OTR light is captured by a camera, image processing is performed, and the center position of the beam is calculated to determine the accuracy within 0.1 mm. be able to.
[0025]
Since the positions of the electron beams at the entrance and the exit of the undulator 6 are reproduced, if the adjustment is made by trial and error with reference to the oscillation adjustment value oscillated using the electron beam having the reference energy in the reference gap, the comparison is made. The optimum value can be easily reached.
Of course, these adjustments affect each other and are not simple. However, if the adjustment cannot be made mechanically, it may be performed by a skilled person.
In this way, adjustment values Xa, Xb, Xc, Xd,... Of the correction electromagnet that enable FEL oscillation are recorded as oscillation adjustment values.
[0026]
Next, an undulator gap that generates the target FEL wavelength is selected. When an electron beam having a certain energy is used, the gap and the wavelength have a one-to-one correspondence. Therefore, the selection may be made based on a table prepared for the FEL wavelength for each gap measured in advance. If the target wavelength is not in the table, an appropriate gap can be obtained by interpolation by interpolation or extrapolation.
However, since the electron beam energy is not constant in the FEL apparatus using linac, the spectroscope 11 measures and uses the actual oscillation wavelength at the reference gap of 12 mm, and selects an appropriate gap.
Since the change in the gap and the change in the FEL wavelength correspond to some extent, an appropriate undulator gap can be estimated based on the above correspondence table using the difference between the oscillation wavelength at the target wavelength and the reference gap.
[0027]
Further, an appropriate correction electromagnet adjustment value in the new undulator gap is calculated using the oscillation adjustment value and the reference adjustment value, and the coil current of the correction electromagnet is adjusted based on this value to ensure FEL oscillation.
When the adjusted undulator gap is not in the table, an appropriate correction electromagnet adjustment value can be calculated by interpolation by interpolation or extrapolation.
The wavelength of the FEL light oscillated with the set undulator gap can be confirmed by measuring with the spectroscope 11.
[0028]
By the way, the reference adjustment value is a value inherent to the gap, whereas the oscillation adjustment value is a value determined every day based on the state of the electron beam, and the correction electromagnet is adjusted using a value obtained by adding both. It is convenient to be able to set each separately.
Therefore, as shown in FIG. 4 (a), for each of the coils 52 wound around each correction electromagnet 51, two power supply devices that can set the supply current independently are installed, respectively. One power supply 53 is set with a reference adjustment value corresponding to the gap, and the other power supply 54 is set with the oscillation adjustment value for the day, and the outputs of both power supplies are added to flow through the coil 52. Thus, the strength of the correction electromagnet 51 can be adjusted.
Further, as shown in FIG. 4B, each correction electromagnet 51 is provided with substantially two coils 55 and 56, and is connected to the power supply devices 53 and 54, respectively. The strength of the correction electromagnet 51 can be adjusted by passing a current corresponding to the value and a current corresponding to the oscillation adjustment value from the other power source 54. Furthermore, the correction electromagnets themselves may be separately installed to generate correction magnetic fields corresponding to the oscillation adjustment value and the reference adjustment value, respectively.
[0029]
Note that the oscillation wavelength λ _FEL of the _FEL is obtained by using the period length λ _W of the undulator magnet, the undulator parameter K, and the Lorentz factor γ,
λ _FEL = λ _W (K ² +1) / γ ²
It can be expressed as.
Therefore, by measuring the oscillated FEL wavelength λ _FEL , the Lorentz factor γ, which is an expression of electron beam energy, can be obtained. Using the Lorentz factor γ thus obtained, the undulator parameter K corresponding to the target FEL wavelength λ _FEL is obtained, the gap is calculated and set, and the appropriate correction electromagnet adjustment is performed to obtain the actually required FEL wavelength. Obtainable.
[0030]
In addition, in the FEL wavelength changing method of the present embodiment, it is not necessary to replace the data set every time the electron beam energy changes when obtaining the reference adjustment value, so that not only the storage capacity of a computer or the like can be saved, Since the number of cases in the field test for obtaining the adjustment value can be greatly reduced as compared with the conventional case, it is extremely advantageous in manufacturing an actual machine.
The above embodiment is applied to the case where an electron beam from a linac is used. However, even if an unstable electron beam supplied from another device is used, a stable electron such as a synchrotron is used. Needless to say, even when a beam generator is used, it can be effectively utilized.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, by using the FEL wavelength changing method and apparatus of the present invention, even when the energy of the electron beam guided to the undulator is not constant, the FEL apparatus can be adjusted more easily to the target FEL wavelength. As a result, high-power FEL light having an arbitrary wavelength can be obtained and used in various fields.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an FEL apparatus including an FEL wavelength changing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a control system of the FEL wavelength changing device according to the present embodiment.
FIG. 3 is a table showing adjustment values of correction electromagnets in the present embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a coil adjustment method of a correction electromagnet in the present embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 RF electron gun 2 (alpha) electromagnet 3 Acceleration tube 4, 5 Bending electromagnet 6 Undulator 9, 10 Resonator mirror 7 90 degree deflection electromagnet 8 Beam dump 11 Spectrometer 12 Joulemeter 21, 22, 23, 24, 25, 26 Correction electromagnet 31, 32, 33, 34 Correction electromagnet 35, 36, 37, 38 Power supply 39 Undulator 40 Gap control device 41 Controller 42 Computer 43 Data file 51 Correction electromagnet 52, 55, 56 Coil 53, 54 Power supply

Claims

A gap adjusting device that adjusts the undulator gap, a first correction electromagnet group that adjusts the trajectory of the electron beam incident on the undulator, a second correction electromagnet group that corrects the magnetic field distribution of the undulator, and an inlet and an outlet of the undulator In an FEL wavelength changing device for a FEL device using a linac equipped with a provided beam position monitor, a reference undulator gap is first selected, and a first correction electromagnet group is adjusted so that electron beams at an entrance and an exit Adjust the position to a predetermined position, adjust the strength of the second correction magnet group to cause FEL oscillation, measure the FEL wavelength when oscillating at the reference undulator gap, and calculate the electron beam energy from the FEL wavelength Then, using the calculated electron beam energy, the angle to obtain the target FEL wavelength Decide regulator gap, along with changing the undulator gap so as to correspond to the deviation between the FEL wavelength of the target, a first correction magnet group strength of the second correction magnet group, undulator each gap obtained in advance The FEL wavelength is adjusted by setting the value obtained by adding the oscillation adjustment value adjusted for actual FEL oscillation in the reference undulator gap to the reference adjustment value representing the relative relationship in the intensity adjustment value of each correction magnet. FEL wavelength changing method characterized by the above-mentioned.

A gap adjusting device that adjusts the undulator gap, a first correction electromagnet group that adjusts the trajectory of the electron beam incident on the undulator, a second correction electromagnet group that corrects the magnetic field distribution of the undulator, and an inlet and an outlet of the undulator A beam position monitor provided; a first storage device that records a table of FEL wavelengths when oscillation is performed using an electron beam in a reference state for each undulator gap; and FEL oscillation is performed for each undulator gap. And a second storage device that records a table of deviations of the corrected electromagnet strength from the reference gap state, and a correction magnet strength adjustment device. First, the gap adjustment device serves as a reference undulator gap, and the correction magnet strength adjustment is performed. A device based on the output of the beam position monitor; Adjust the magnet strength of the correction electromagnet group and the second correction electromagnet group to adjust the electron beam positions at the entrance and exit of the undulator to a predetermined position, and further adjust the magnet strength of the second correction electromagnet group to cause FEL oscillation, Thereafter, based on the FEL wavelength table recorded in the first storage device, the undulator gap is changed so as to correspond to the deviation from the target FEL wavelength, and based on the deviation table recorded in the second storage device The FEL wavelength is adjusted by setting the intensity of the second correction electromagnet to a value obtained by adding the value adjusted for actual FEL oscillation to the reference adjustment value for each gap obtained in advance. FEL wavelength changing device for FEL device using linac .

3. The FEL wavelength changing device according to claim 2, wherein the second correction electromagnet includes an electromagnet adjusted for FEL oscillation and an electromagnet used for correcting a magnetic field deviation based on a difference between undulator gaps.

3. The FEL wavelength changing device according to claim 2, wherein the second correction electromagnet includes a coil used for correcting a magnetic field deviation based on a difference between a coil adjusted for FEL oscillation and an undulator gap. 4.

5. The beam position monitor performs position determination by image processing using a sensor that generates an electric signal corresponding to an irradiation position of an electron beam such as a button electrode or an OTR target . FEL wavelength change device according to one.

Furthermore, a spectroscope is provided, the wavelength of the FEL oscillated in the reference undulator gap is measured, the energy of the electron beam is calculated using the measurement result, and the undulator gap when changing to the desired wavelength is calculated. The FEL wavelength changing device according to any one of claims 2 to 5, wherein the FEL wavelength changing device is characterized in that: