JP4250759B2 - Laser-controlled electron beam linear accelerator - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー制御型電子ビーム線形加速装置に関し、特に、電子ビームを加速しながらビームローディングによるマルチバンチビームのエネルギー広がりを補正するレーザー制御型電子ビーム線形加速装置に関する。   The present invention relates to a laser-controlled electron beam linear accelerator, and more particularly to a laser-controlled electron beam linear accelerator that corrects energy spread of a multi-bunch beam due to beam loading while accelerating the electron beam.

電子ビーム線形加速装置の分野では、ロングパルス且つ大電流の電子ビームの加速を行うため、一般にマルチバンチビームによる運転が行われている。ここで、マルチバンチビームとは、電子バンチ列すなわち一連の電子の固まりが列状に並んだもので構成される電子ビームのことである。電子ビームのパルス長が加速管のフィーリングタイムすなわち高周波電力が完全に加速管に充電される時間よりも短いマルチバンチビームを、定加速勾配型の加速管で構成した線形加速装置で加速した場合、先頭のバンチから後方のバンチに行くに従って、加速管内での過渡モードにおけるビームローディングにより、エネルギー利得がほぼ線形に減少してしまう。このマルチバンチビーム内のエネルギー差すなわちエネルギーの広がりを補正する方法はいくつかあるが、代表的な方法として、ΔT方式とΔF方式がある。   In the field of electron beam linear accelerators, a multi-bunch beam is generally used to accelerate a long pulse and large current electron beam. Here, the multi-bunch beam means an electron bunch row, that is, an electron beam composed of a series of electron clusters arranged in a row. When a multi-bunch beam whose electron beam pulse length is shorter than the accelerating tube feeling time, that is, the time during which high-frequency power is completely charged to the accelerating tube, is accelerated by a linear accelerator composed of a constant acceleration gradient type accelerating tube As the head bunch goes from the front bunch to the rear bunch, the energy gain decreases almost linearly by beam loading in the transient mode in the accelerating tube. There are several methods for correcting the energy difference in the multi-bunch beam, that is, the spread of energy. Typical methods include the ΔT method and the ΔF method.

ΔT方式補正とは、フィーリングタイムの間にビームを入射しかつ加速管に供給する高周波の振幅を変化させることによって、加速高周波電力の傾斜を調整し、ビームローディングによって生じたバンチ列内のエネルギー差を補正するものである。   The ΔT method correction adjusts the gradient of the acceleration high-frequency power by changing the amplitude of the high-frequency that is incident on the beam during the feeling time and is supplied to the acceleration tube, and the energy in the bunch row generated by the beam loading. The difference is corrected.

このΔT方式補正の例として、安定化高周波発振器と、加速用大出力パルス高周波源と、加速管を具備する装置において、更に、高周波を分割する高周波分割手段と、分割された高周波のそれぞれの位相を調整する位相変調器と、各々の高周波を合成する手段と、合成手段から合成高周波を入力して加速用大出力パルス高周波源と加速管に電子ビームを出力するパルス電子源とを設けて、各々の位相変調器に各々の分割高周波毎の位相変調指示を行うことにより、加速用高周波パルスの立ち上がり部分に振幅変調を与えて、電子ビームパルスの立ち上がり部分で発生するビームローディング効果による加速エネルギーの変動を補正するものがある。(例えば、特許文献1参照)。   As an example of the ΔT correction, in a device including a stabilized high-frequency oscillator, an acceleration high-power pulse high-frequency source, and an acceleration tube, a high-frequency dividing unit that divides a high frequency, and a phase of each of the divided high frequencies A phase modulator for adjusting the frequency, means for synthesizing each high frequency, a high-frequency pulsed high-frequency source for acceleration by inputting the synthesized high frequency from the synthesizing means, and a pulsed electron source for outputting an electron beam to the accelerator tube, By giving phase modulation instructions to each phase modulator for each divided high frequency, amplitude modulation is applied to the rising portion of the acceleration high-frequency pulse, and acceleration energy due to the beam loading effect generated at the rising portion of the electron beam pulse is controlled. There are some that compensate for the fluctuations. (For example, refer to Patent Document 1).

またΔF方式補正とは、例えば、基本加速周波数(f1)に対してわずかに異なる周波数(f1±Δf)の加速管をf1の加速管で構成される線形加速装置の後に設置して、マルチバンチを周波数(f1±Δf)のゼロクロス付近の位相におくことによって加減速させ、線形加速装置で発生するマルチバンチビームのエネルギーを補正するものである。このΔF方式補正では、加速と補正が線形加速装置中に別々に行われる。この加速と補正を同時に行うようにしたものが、レーザー制御型電子ビーム線形加速装置である。 In addition, ΔF correction means, for example, that an acceleration tube having a slightly different frequency (f 1 ± Δf) with respect to the basic acceleration frequency (f 1 ) is installed after a linear accelerator composed of f 1 acceleration tubes. The multi-bunch is accelerated and decelerated by placing the multi-bunch at a phase near the zero cross of the frequency (f 1 ± Δf), and the energy of the multi-bunch beam generated by the linear accelerator is corrected. In this ΔF correction, acceleration and correction are performed separately in the linear accelerator. A laser-controlled electron beam linear accelerator is designed to perform this acceleration and correction simultaneously.

このような、電子ビームを加速しながらビームローディングによるマルチバンチビームのエネルギー広がりをΔF方式で補正するレーザー制御型電子ビーム線形加速装置の概略図を図4に示す。図4に示すように、このレーザー制御型電子ビーム線形加速装置は、モードロックレーザー11と、フォトカソード高周波電子銃12及びその高周波源13と、高加速勾配型加速管14及びその高周波源15とで構成される。この線形加速装置には、モードロックレーザー11に供給される入力信号の周波数及びフォトカソード高周波電子銃12の周波数及び加速管14の加速周波数を作成するためにタイミングシステム16が設けられている。このタイミングシステム16には、基準信号発生器17から基準信号が供給される。タイミングシステム16は、逓倍器18と、分周器19及び20と、SSB(シングルサイドバンド)ジェネレータ21を有している。ここで、モードロックレーザーとは、レーザーが正常に発振する、非常に接近した波長を持った幾つかの発振モードが同期することによって、ピコ秒のパルス光を発生する機能を持ったレーザーのことである。また、フォトカソード高周波電子銃とは、高周波空洞内の側面に設置されたカソード面にレーザー光を照射し、光電効果によって放出された電子が即座に高周波電界によって加速される構造のものである。   FIG. 4 shows a schematic diagram of a laser-controlled electron beam linear accelerator that corrects the energy spread of the multi-bunch beam due to beam loading while accelerating the electron beam by the ΔF method. As shown in FIG. 4, the laser-controlled electron beam linear accelerator includes a mode-locked laser 11, a photocathode high-frequency electron gun 12 and its high-frequency source 13, a high acceleration gradient type acceleration tube 14 and its high-frequency source 15. Consists of. The linear accelerator is provided with a timing system 16 for generating the frequency of the input signal supplied to the mode-locked laser 11, the frequency of the photocathode high-frequency electron gun 12, and the acceleration frequency of the accelerator tube 14. The timing system 16 is supplied with a reference signal from a reference signal generator 17. The timing system 16 includes a multiplier 18, frequency dividers 19 and 20, and an SSB (single sideband) generator 21. Here, the mode-locked laser is a laser that has the function of generating picosecond pulsed light by synchronizing several oscillation modes with very close wavelengths that the laser oscillates normally. It is. The photocathode high-frequency electron gun has a structure in which a cathode surface installed on a side surface in a high-frequency cavity is irradiated with laser light, and electrons emitted by the photoelectric effect are immediately accelerated by a high-frequency electric field.

上述したような構成のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置において、基準信号発生器17からfR=1428.67646MHzの周波数の基準信号を出力し、その周波数fRを2逓倍した周波数f0=2857.35291MHzを高周波電子銃12に用い、基準信号の4分周信号fR/4=357.16911MHzをモードロックレーザー11の入力信号の周波数fLとして用い、さらに、その4分周信号fR/4を264分周してΔf=1.35291MHzの信号を作り、このΔfと高周波電子銃12の周波数f0とをSSBジェネレータ21を用いて合成して加速管14の加速周波数f1=2856MHzを作る。そして、モードロックレーザー11から出力されたレーザーをフォトカソード高周波電子銃12のカソードに打ち込むことによって、20バンチのマルチバンチビームを発生させる。この高周波電子銃12から出力されるビームの周波数f0=2857.35291MHzを基準加速周波数f1=2856MHzに対してΔf=1.3529MHzだけ変化させることにより、各バンチビームの加速位相をわずかずらし、20バンチビームの後段ほど加速電界が強くなるようにする。これにより、高周波電力を最大限利用した状態で、ビームを加速しながらビームローディングによるエネルギー広がりを補正するものがある(例えば、非特許文献1参照)。 In the laser-controlled electron beam linear accelerator having the above-described configuration, a reference signal having a frequency of f R = 1428.67646 MHz is output from the reference signal generator 17, and a frequency f 0 = 2857.35291 MHz obtained by multiplying the frequency f R by two. Is used for the high-frequency electron gun 12, the reference signal divided by 4 f R /4=357.16911 MHz is used as the frequency f L of the input signal of the mode-locked laser 11, and the divided signal f R / 4 is 264 A signal of Δf = 1.52991 MHz is generated by frequency division, and this Δf and the frequency f 0 of the high-frequency electron gun 12 are synthesized using the SSB generator 21 to produce an acceleration frequency f 1 = 2856 MHz of the accelerating tube 14. Then, a laser output from the mode-locked laser 11 is driven into the cathode of the photocathode high-frequency electron gun 12 to generate a multi-bunch beam of 20 bunches. By changing the frequency f 0 = 2857.35291 MHz of the beam output from the high-frequency electron gun 12 by Δf = 1.3529 MHz with respect to the reference acceleration frequency f 1 = 2856 MHz, the acceleration phase of each bunch beam is slightly shifted, and 20 bunch The accelerating electric field is made stronger later in the beam. Accordingly, there is a technique that corrects the energy spread due to beam loading while accelerating the beam in a state where the high-frequency power is utilized to the maximum (see, for example, Non-Patent Document 1).

特開平11−45800号公報JP-A-11-45800 平野耕一郎他8名「小型高輝度硬X線源開発−(2)Sバンド線形加速器システム−」、Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan、京都大学、2002年8月7日、p.130〜132Koichiro Hirano and eight others "Development of a compact high-intensity hard X-ray source-(2) S-band linear accelerator system-", Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan, Kyoto University, August 7, 2002, p. 130-132

上記レーザー制御型電子ビーム線形加速装置によれば、高周波電子銃と加速管のそれぞれに別の高周波源が用いられているので、線形加速装置全体が比較的大型のものとなっていた。高周波電子銃と加速管の高周波源を共通にすることにより、線形加速装置全体を小型化することが可能であるが、その場合には、高周波電子銃内でマルチバンチビームが受ける電界が後段部ほど強くなるため、発生する電子ビームの電流が後段部ほど大きくなる。従って、高周波電子銃から発生される電子ビームの電流パルス波形に歪が生じる。   According to the above-described laser-controlled electron beam linear accelerator, separate high-frequency sources are used for the high-frequency electron gun and the acceleration tube, so that the entire linear accelerator is relatively large. By making the high-frequency electron gun and the high-frequency source of the accelerating tube common, it is possible to reduce the size of the entire linear accelerator, but in that case, the electric field received by the multi-bunch beam in the high-frequency electron gun is Therefore, the current of the generated electron beam becomes larger toward the rear stage. Therefore, distortion occurs in the current pulse waveform of the electron beam generated from the high-frequency electron gun.

すなわち、通常の高周波電子銃では、レーザーの周波数は高周波電子銃の周波数の分周信号を使用している。バンチの電流が大きくなると加速管同様高周波電子銃でもビームローディングが大きくなり、後段のバンチほどエネルギーが低くなり、各バンチのエネルギー差が大きくなっていく。一般に、高周波電子銃の加速エネルギー5MeVに対して加速管の加速エネルギーは100MeVと大きく、高周波電子銃で発生する各バンチのエネルギー差より加速管で発生するエネルギー差の方が大きくなるので、加速管でエネルギー補正を行う。   That is, in a normal high-frequency electron gun, the frequency of the laser uses a frequency division signal of the frequency of the high-frequency electron gun. When the current of the bunch increases, the beam loading increases even in the high-frequency electron gun as in the case of the acceleration tube, the energy decreases as the bunch in the later stage, and the energy difference between each bunch increases. In general, the acceleration energy of the accelerator tube is as large as 100 MeV compared with the acceleration energy of 5 MeV of the high-frequency electron gun, and the energy difference generated in the accelerator tube is larger than the energy difference of each bunch generated in the high-frequency electron gun. Perform energy correction with.

加速管でのビームローディングを打ち消すようにエネルギー補正を行うようにすれば、高周波電子銃で発生するビームローディングを打ち消すように働く電場がビームローディングでロスする電場より強くなる場合には、高周波電子銃内のカソード面上に立つビームを引き出す電界が後段のバンチに対してより高く働くことになり、このため高周波電子銃から発生するバンチの電流は右肩上がりになる。言い換えれば、高周波電子銃から発生される電子ビーム波形に歪が生じる。   If the energy correction is performed so as to cancel the beam loading in the accelerator tube, the electric field that works to cancel the beam loading generated by the high-frequency electron gun becomes stronger than the electric field lost by the beam loading. The electric field that draws out the beam standing on the inner cathode surface acts higher on the bunch in the subsequent stage, so that the current of the bunch generated from the high-frequency electron gun rises to the right. In other words, distortion occurs in the electron beam waveform generated from the high-frequency electron gun.

また、上記レーザー制御型電子ビーム線形加速装置によれば、高周波電子銃の周波数f0と加速管の加速周波数f1との関係は、f0=f1+Δfであり、高周波の立下りスロープを利用している。このように高周波の立下りスロープを利用した場合は、各バンチ内の先頭の粒子より後方の粒子が低いエネルギーを受けるためバンチが広がることになる。よって、従来のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置では、性能の良い電子ビームを得ることは困難である。 Further, according to the laser-controlled electron beam linear accelerator, the relationship between the frequency f 0 of the high-frequency electron gun and the acceleration frequency f 1 of the accelerator tube is f 0 = f 1 + Δf, and the high-frequency falling slope is We are using. When the high-frequency falling slope is used in this way, the bunches spread because the particles behind the first particles in each bunch receive lower energy. Therefore, it is difficult to obtain a high-performance electron beam with the conventional laser-controlled electron beam linear accelerator.

本発明は、線形加速装置全体を小型化にするとともに、上記電子ビームの電流パルス波形の歪みを修正して一定のバンチ電流を有する電子ビームが高周波電子銃から発生されるようにすることを目的とする。   It is an object of the present invention to reduce the size of the entire linear accelerator and correct the distortion of the current pulse waveform of the electron beam so that an electron beam having a constant bunch current is generated from a high-frequency electron gun. And

本発明によれば、カソード面がモードロックレーザーのレーザー光で照射されることによって放出された電子を即座に高周波電界によって加速してバンチ列で構成される電子ビームを出力するフォトカソード高周波電子銃と、該高周波電子銃から出力された電子ビームを加速する加速管と、基準信号から上記モードロックレーザーの入力信号の周波数、高周波電子銃の周波数及び加速管の加速周波数を作成するタイミングシステムと、上記高周波電子銃及び加速管にそれぞれ高周波電力を供給する高周波源とから構成され、上記モードロックレーザーの入力信号の周波数、高周波電子銃の周波数及び加速管の加速周波数を所定の離調範囲とすることにより、上記高周波電子銃から出力される電子ビームの周波数の位相を上記加速周波数の位相に対してわずかにずらし、それによってビームを加速しながらビームローディングによるマルチバンチビームのエネルギー広がりを補正するレーザー制御型電子ビーム線形加速装置において、上記モードロックレーザーと上記高周波電子銃との間に上記モードロックレーザーから出力されるレーザーパルスの振幅を変調する手段を設けるとともに、上記高周波電子銃の周波数を上記加速管の加速周波数に一致させることにより上記高周波源を上記高周波電子銃及び加速管に共通の高周波源として構成したことを特徴とするレーザー制御型電子ビーム線形加速装置が提供される。   According to the present invention, a photocathode high-frequency electron gun that immediately accelerates electrons emitted by irradiating a cathode surface with a laser beam of a mode-locked laser by a high-frequency electric field and outputs an electron beam composed of bunch rows An acceleration tube for accelerating the electron beam output from the high-frequency electron gun; a timing system for creating a frequency of the input signal of the mode-locked laser, a frequency of the high-frequency electron gun and an acceleration frequency of the acceleration tube from a reference signal; The high-frequency electron gun and a high-frequency source for supplying high-frequency power to the acceleration tube, respectively, and the frequency of the input signal of the mode-locked laser, the frequency of the high-frequency electron gun, and the acceleration frequency of the acceleration tube are within a predetermined detuning range. The phase of the frequency of the electron beam output from the high-frequency electron gun is changed to the phase of the acceleration frequency. In a laser-controlled electron beam linear accelerator that corrects the energy spread of a multi-bunch beam due to beam loading while accelerating the beam, the mode is interposed between the mode-locked laser and the high-frequency electron gun. Means for modulating the amplitude of the laser pulse output from the lock laser is provided, and the frequency of the high-frequency electron gun is made to coincide with the acceleration frequency of the acceleration tube, thereby making the high-frequency source common to the high-frequency electron gun and the acceleration tube. There is provided a laser-controlled electron beam linear accelerator characterized by being configured as a high-frequency source.

本発明によれば、上記レーザーパルスの振幅を変調する手段は、光ビームの偏光方向を素早くスイッチングすることにより所定数のバンチを有するバンチ列を切り出す機能を有してもよい。   According to the present invention, the means for modulating the amplitude of the laser pulse may have a function of cutting out a bunch row having a predetermined number of bunches by quickly switching the polarization direction of the light beam.

本発明によれば、上記レーザーパルスの振幅を変調する手段は、ポッケルセルと一対の偏光子とから成るものであってもよい。   According to the present invention, the means for modulating the amplitude of the laser pulse may comprise a Pockel cell and a pair of polarizers.

本発明によれば、上記タイミングシステムは、基準信号を逓倍又は分周することにより周波数Δfとf0の信号を作成し、このΔfとf0の信号をミキシングすることによりf0のサイドバンドである加速周波数f1を作成し、上記Δfは上記加速周波数f1に対して数百kHzから数MHzの範囲内の周波数であり、上記f0はf0=f1−Δfの関係を有し、上記モードロックレーザーの入力信号は、上記f0の信号を分周した信号であってもよい。 According to the present invention, the timing system creates a signal of a frequency Δf and f 0 by multiplying or dividing the reference signal, the side band of f 0 by mixing signals of Δf and f 0 An acceleration frequency f 1 is created, and Δf is a frequency within a range of several hundred kHz to several MHz with respect to the acceleration frequency f 1 , and f 0 has a relationship of f 0 = f 1 −Δf. The input signal of the mode-locked laser may be a signal obtained by dividing the f 0 signal.

本発明によれば、上記タイミングシステムは、基準信号を逓倍又は分周することにより周波数Δfと加速周波数f1の信号を作成し、このΔfとf1の信号をミキシングすることによりf1のサイドバンドである周波数f0の信号を作成し、上記Δfは上記加速周波数f1に対して数百kHzから数MHzの範囲内の周波数であり、上記f0はf0=f1−Δfの関係を有し、上記モードロックレーザーの入力信号は、上記f0の信号を分周した信号であってもよい。 According to the present invention, the timing system generates a signal of frequency Δf and acceleration frequency f 1 by multiplying or dividing the reference signal, and mixes the signals of Δf and f 1 to thereby generate the side of f 1 . A signal having a frequency f 0 that is a band is created, and Δf is a frequency within a range of several hundred kHz to several MHz with respect to the acceleration frequency f 1 , and f 0 is a relationship of f 0 = f 1 −Δf. The input signal of the mode-locked laser may be a signal obtained by dividing the signal of f 0 .

本発明によれば、高周波電子銃と加速管に共通の高周波源を用いているので、線形加速装置全体を小型化することができる。また、モードロックレーザーと高周波電子銃との間に上記モードロックレーザーから出力されるレーザーパルスの振幅を変調する手段を設け、それにより、レーザーパルスの振幅を変調することにより、高周波電子銃から一定のバンチ電流を有する電子ビームを発生させることができる。また、本発明によれば、f0=f1−Δfの関係を選択することにより、高周波の立ち上がりのスロープを利用することができ、よって、各バンチ内の先頭の粒子より後方の粒子が高いエネルギーを受けるためバンチが固まり、性能の良い電子ビームを得ることができる。 According to the present invention, since the common high-frequency source is used for the high-frequency electron gun and the acceleration tube, the entire linear accelerator can be miniaturized. In addition, a means for modulating the amplitude of the laser pulse output from the mode-locked laser is provided between the mode-locked laser and the high-frequency electron gun, thereby modulating the amplitude of the laser pulse so that a constant value is obtained from the high-frequency electron gun. An electron beam having a bunch current of Further, according to the present invention, by selecting the relationship of f 0 = f 1 −Δf, it is possible to use the rising slope of the high frequency, and hence the particles behind the head particles in each bunch are higher. Since the energy is received, the bunch is hardened and an electron beam with good performance can be obtained.

図1は、本発明のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置の構成を示す概略図であり、図4と同じ参照番号は同じ素子を示している。本発明のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置は、図4に示された線形加速装置と同様に、モードロックレーザー11と、フォトカソード高周波電子銃12と、加速管14と、加速管用高周波源15と、タイミングシステム16と、基準信号発生器17で構成され、タイミングシステム16が、逓倍器18と、分周器19及び20と、SSBジェネレータ21とを有する。しかしながら、図1の線形加速装置は、モードロックレーザー11とフォトカソード高周波電子銃12との間にレーザーパルス振幅変調器22が設けられており、かつ、加速管14の高周波源15が高周波電子銃12の高周波源を兼用している点が異なっている。また、基準信号発生器17から発生される基準信号の周波数fRも異なっている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser-controlled electron beam linear accelerator according to the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same elements. The laser-controlled electron beam linear accelerator of the present invention is similar to the linear accelerator shown in FIG. 4. The mode-locked laser 11, photocathode high-frequency electron gun 12, accelerator tube 14, and accelerator tube high-frequency source 15 are used. And a timing system 16 and a reference signal generator 17, and the timing system 16 includes a multiplier 18, frequency dividers 19 and 20, and an SSB generator 21. However, the linear accelerator of FIG. 1 is provided with a laser pulse amplitude modulator 22 between the mode-locked laser 11 and the photocathode high-frequency electron gun 12, and the high-frequency source 15 of the accelerator tube 14 is a high-frequency electron gun. The difference is that twelve high-frequency sources are also used. The frequency f R of the reference signal generated from the reference signal generator 17 is also different.

基準信号発生器17は、周波数fR=1427.831624MHzの基準信号を発生する。その基準信号は、分周器19により4分周されてfR/4=356.957906MHzの信号となって、モードロックレーザー11の入力信号の周波数fLとして用いられる。さらに、このfR/4の信号を分周器20により4N分周(N=265)してΔf=0.336753MHzの信号を作る。他方、周波数fRの基準信号を逓倍器18により2逓倍して周波数f0=2855.66324MHzの信号を作る。SSBジェネレータ21がf0=2855.66324MHzの信号とΔf=0.336753MHzの信号を合成してすなわちミキシングして高周波源15の加速周波数f1=2856MHzを作る。ここで、f1=f0+Δfであって、f1はf0のサイドバンドである。 The reference signal generator 17 generates a reference signal having a frequency f R = 1427.831624 MHz. The reference signal is divided by 4 by the frequency divider 19 to become a signal of f R /4=356.957906 MHz, and is used as the frequency f L of the input signal of the mode-locked laser 11. Further, the signal of f R / 4 is divided by 4N by the frequency divider 20 (N = 265) to produce a signal of Δf = 0.36736753 MHz. On the other hand, the reference signal having the frequency f R is multiplied by 2 by the multiplier 18 to generate a signal having the frequency f 0 = 2855.66324 MHz. The SSB generator 21 synthesizes the signal of f 0 = 2855.66324 MHz and the signal of Δf = 0.336753 MHz, that is, mixes them to produce the acceleration frequency f 1 = 2856 MHz of the high frequency source 15. Here, f 1 = f 0 + Δf, and f 1 is a side band of f 0 .

高周波源15は、フォトカソード高周波電子銃12及び加速管14に共通の高周波源であるので、この高周波源15から出力された周波数f1の高周波が、フォトカソード高周波電子銃12及び加速管14の双方に供給される。高周波源15として、クライストロン電源を使用してもよい。また、フォトカソード高周波電子銃として、1.6セル空洞BNLタイプのものを使用し、そのフォトカソードにCs2Teを使用してもよい。モードロックレーザーとして、Nd:YVOレーザー(電荷量2nC/bunchに対して266nm、1μJ/pulse)を使用してもよい。さらに、加速管として、3m定加速勾配型進行波加速管(平均高加速勾配33MeV/m)を使用してもよい。 Since the high frequency source 15 is a high frequency source common to the photocathode high frequency electron gun 12 and the acceleration tube 14, the high frequency of the frequency f 1 output from the high frequency source 15 is applied to the photocathode high frequency electron gun 12 and the acceleration tube 14. Supplied to both sides. A klystron power supply may be used as the high frequency source 15. Alternatively, a 1.6-cell cavity BNL type photocathode high-frequency electron gun may be used, and Cs 2 Te may be used for the photocathode. As the mode-locked laser, an Nd: YVO laser (266 nm, 1 μJ / pulse for a charge amount of 2 nC / bunch) may be used. Furthermore, a 3 m constant acceleration gradient traveling wave accelerator tube (average high acceleration gradient 33 MeV / m) may be used as the acceleration tube.

モードロックレーザーの入力信号として用いられる信号の周波数fLは、基準信号の周波数fRを4分周したものすなわちfL=fR/4であり、また、周波数f0は基準信号の周波数を2逓倍したものすなわちf0=2fR であるので、周波数fL=f0/8である。従って周波数fLは周波数f0を8分周したものである。このように、高周波源の加速周波数f1よりΔfだけ低い周波数f0を分周した信号でロックをかけたモードロックレーザーから出力したパルスを、高周波電子銃のカソードに照射することにより、図2に示すように、高周波電子銃から発生するマルチビームの各バンチのタイミングを高周波加速位相に対して少しづつずらすことができる。 The frequency f L of the signal used as the input signal of the mode-locked laser is the frequency f R of the reference signal divided by 4, ie, f L = f R / 4, and the frequency f 0 is the frequency of the reference signal. Since the frequency is doubled, that is, f 0 = 2f R , the frequency f L = f 0/8 . Therefore, the frequency f L is the frequency f 0 divided by eight. In this way, by irradiating the cathode of the high-frequency electron gun with the pulse output from the mode-locked laser locked with the signal obtained by dividing the frequency f 0 lower than the acceleration frequency f 1 of the high-frequency source by Δf, FIG. As shown, the timing of each bunch of multi-beams generated from the high-frequency electron gun can be shifted little by little with respect to the high-frequency acceleration phase.

図2において、8本の垂直方向の破線Lはレーザーパルス発生のタイミングを示しており、1パルス毎に1つのバンチBが形成される。レーザーパルス発生のタイミングLの周波数はfLであるので、電子ビームはfLに同期して出力される。例えば、高周波電子銃から2.8nsecの間隔の20バンチビームを出射するには、ミクロパルス幅10psecのレーザーが、ミクロパルスの繰り返し周波数fL=356.957906MHz、マクロパルス幅56nsecでフォトカソードに打ち込まれる。すなわち、レーザーのミクロパルスの周期は2.8nsecであるので、マクロパルス幅56nsecの中に2.8nsecの間隔で20個の電子バンチが含まれることになる。 In FIG. 2, eight vertical broken lines L indicate the timing of laser pulse generation, and one bunch B is formed for each pulse. Since the frequency of the laser pulse generation timing L is f L , the electron beam is output in synchronization with f L. For example, in order to emit a 20 bunched beam with an interval of 2.8 nsec from a high-frequency electron gun, a laser with a micropulse width of 10 psec is driven into the photocathode at a micropulse repetition frequency f L = 356.957906 MHz and a macropulse width of 56 nsec. . That is, since the period of the micro pulse of the laser is 2.8 nsec, 20 electron bunches are included in the macro pulse width 56 nsec at intervals of 2.8 nsec.

図2において、Aは、加速周波数f1=2856MHzを持つ加速高周波の波形を示す。上述したように、f0/8=fLであり、f0=f1−Δfであるので、加速周波数f1=2856MHzは、レーザーの周波数fL=356.957906MHzのほぼ8倍である。従って、加速高周波Aの8周期にほぼ1つのレーザーパルスが発生される。このため、8個の加速高周波Aの波のうち1個だけが加速に使用され、残りの7個は空打ちとなる。よって、図2では、各レーザー周波数fLについて、加速高周波Aの8周期の波形のうち、最初の1つの波形のみが実線で示されており、後の7周期分の波形は省略されている。また、実際のバンチは20バンチであるが、図ではそのうちの8個だけのバンチが示されている。 In FIG. 2, A shows a waveform of an acceleration high frequency having an acceleration frequency f 1 = 2856 MHz. As described above, an f 0/8 = f L, since it is f 0 = f 1 -Δf, acceleration frequency f 1 = 2856 MHz is approximately 8 times the frequency f L = 356.957906MHz laser. Therefore, almost one laser pulse is generated in 8 periods of the acceleration high frequency A. For this reason, only one of the eight accelerated high-frequency A waves is used for acceleration, and the remaining seven are idle. Therefore, in FIG. 2, for each laser frequency f L , only the first one of the eight cycles of the acceleration high frequency A is shown by a solid line, and the waveforms for the subsequent seven cycles are omitted. . Moreover, although the actual bunches are 20 bunches, only eight of them are shown in the figure.

図2に示されるように、加速周波数f1に対して、レーザーの周波数fL、従って、マルチバンチビームの周波数を、Δf=0.336753MHzだけ変化させることにより、マルチバンチビームの各バンチのタイミングを高周波加速位相に対して少しづつずらすことができる。従って、マルチバンチビームの後段部の加速電界を高めることができる。すなわち、後段部のバンチビームほど高い加速エネルギー利得が得られるように補正する。この補正曲線を点線1で示す。これによって、ビームローディング効果による加速エネルギー低下(点線2で示す)を補正して一定の加速利得(一点鎖線3で示す)を得るようにする。なお、レーザー周波数fL、加速周波数f1及びΔfの関係は、Δf=f1−f0=f1−8fLである。 As shown in FIG. 2, the timing of each bunch of the multi-bunch beam is changed by changing the frequency f L of the laser, and hence the frequency of the multi-bunch beam, by Δf = 0.336753 MHz with respect to the acceleration frequency f 1 . It can be shifted little by little with respect to the high frequency acceleration phase. Therefore, the acceleration electric field at the rear stage of the multi-bunch beam can be increased. That is, correction is performed so that a higher acceleration energy gain is obtained for the bunch beam at the rear stage. This correction curve is indicated by a dotted line 1. As a result, the acceleration energy drop due to the beam loading effect (indicated by the dotted line 2) is corrected to obtain a constant acceleration gain (indicated by the alternate long and short dash line 3). The relationship between the laser frequency f L , the acceleration frequency f 1 and Δf is Δf = f 1 −f 0 = f 1 −8f L.

図2による補正を行った場合には、一定の加速利得が得られるものの、高周波電子銃で発生するビームローディングを打ち消すように働く電場がビームローディングでロスする電場より強くなるため、高周波電子銃内で、後段のバンチに対してより高い電界が働くことになり、通常の高周波電子銃とは逆のエネルギー差が生じる。よって、発生する電子ビームの電流が後段部ほど大きくなる。すなわち、高周波電子銃の出力電流は、右肩上がりになる。また、電子ビームの方向性も悪くなる。例えば、マクロパルス幅56nsecのレーザーパルスに対応して高周波電子銃12から出力される高周波電子銃出口ビーム電流パルス波形は、図3に示すようにパルスの立ち下がり部分の電流強度が、立ち上がり部分の電流強度に比べて2.8%上昇する。そこで、本発明によれば、この上昇分を補正するため、図1に示すように、モードロックレーザー11とフォトカソード高周波電子銃12との間にレーザーパルス振幅変調器22が設けられている。   When the correction according to FIG. 2 is performed, a constant acceleration gain is obtained, but the electric field that works to cancel the beam loading generated by the high-frequency electron gun is stronger than the electric field lost by the beam loading. As a result, a higher electric field acts on the bunch at the rear stage, and an energy difference opposite to that of a normal high-frequency electron gun occurs. Therefore, the current of the generated electron beam becomes larger in the rear stage. That is, the output current of the high frequency electron gun rises to the right. In addition, the directionality of the electron beam also deteriorates. For example, a high-frequency electron gun exit beam current pulse waveform output from the high-frequency electron gun 12 in response to a laser pulse having a macro pulse width of 56 nsec has a current intensity at the falling portion of the pulse as shown in FIG. It increases by 2.8% compared to the current intensity. Therefore, according to the present invention, in order to correct this increase, a laser pulse amplitude modulator 22 is provided between the mode-locked laser 11 and the photocathode high-frequency electron gun 12 as shown in FIG.

この振幅変調器22は、モードロックレーザー11から出力されるレーザーパルスの強度すなわち振幅を変調することにより、図3のCで示すようなパルス波形の歪を補正してDのような波形に整形するものである。この振幅変調器22は、ポッケルセルと一対の偏光子で構成される。ポッケルセルは、レーザービームの偏光方向を素早くスイッチングするのに用いられる素子であり、このポッケルセルと一対の偏光子とを組み合わせることによりレーザーパルスを所定幅で切り出すとともに光強度を変調することができる。ポッケルセルは、マクロパルス幅56nsecのレーザーパルスを形成し、レーザーパルスに対して偏光子の傾きを制御することにより、レーザーパルスの振幅を変調することができる。図3の例では、Eで示すように、56nsecの間にレーザーパルス強度が2.8%低下するように制御される。これにより、高周波電子銃出口ビームの電流パルス波形の2.8%の歪が補正される。   The amplitude modulator 22 modulates the intensity, ie, amplitude, of the laser pulse output from the mode-locked laser 11, thereby correcting the distortion of the pulse waveform as shown by C in FIG. To do. The amplitude modulator 22 includes a Pockel cell and a pair of polarizers. The Pockel cell is an element used for quickly switching the polarization direction of a laser beam. By combining this Pockel cell and a pair of polarizers, a laser pulse can be cut out with a predetermined width and the light intensity can be modulated. The Pockel cell can modulate the amplitude of the laser pulse by forming a laser pulse with a macro pulse width of 56 nsec and controlling the tilt of the polarizer with respect to the laser pulse. In the example of FIG. 3, as indicated by E, the laser pulse intensity is controlled to decrease by 2.8% during 56 nsec. As a result, the distortion of 2.8% of the current pulse waveform of the high frequency electron gun exit beam is corrected.

本発明のレーザー制御型線形加速装置は、放射光源用蓄積リング装置の電子ビーム発生装置、光蓄積装置と組み合わせて小型X線放射光源を構成できる。また、中性子生成コンバーターと組み合わせて、小型高輝度パルス中性子源を構成できる。   The laser-controlled linear accelerator of the present invention can be configured with a compact X-ray radiation source in combination with the electron beam generator and light storage device of the radiation source storage ring device. Moreover, a small high-intensity pulsed neutron source can be configured in combination with a neutron generation converter.

本発明のレーザー制御型線形加速装置の概略図である。It is the schematic of the laser control type | mold linear acceleration apparatus of this invention. 本発明におけるΔF方式マルチバンチエネルギー補正方法を説明する図である。It is a figure explaining the (DELTA) F system multi-bunch energy correction method in this invention. 本発明における高周波電子銃出口ビーム電流補正方法を説明する図である。It is a figure explaining the high frequency electron gun exit beam current correction method in this invention. 従来のレーザー制御型線形加速装置の概略図である。It is the schematic of the conventional laser control type | mold linear acceleration apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

11 モードロックレーザー
12 フォトカソード高周波電子銃
13、15 高周波源
14 加速管
16 タイミングシステム
17 基準信号発生器
18 逓倍器
19、20 分周器
21 SSBジェネレータ
22 振幅変調器
A 加速高周波の波形
B 電子バンチ
C 補正前の高周波電子銃出口ビーム電流パルス波形
D 補正後の高周波電子銃出口ビーム電流パルス波形
E 変調されたレーザーパルス強度
L レーザーパルスのタイミング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Mode-locked laser 12 Photocathode high frequency electron gun 13, 15 High frequency source 14 Accelerator tube 16 Timing system 17 Reference signal generator 18 Multiplier 19, 20 Divider 21 SSB generator 22 Amplitude modulator A Acceleration high frequency waveform B Electronic bunch C Corrected high-frequency electron gun exit beam current pulse waveform D Corrected high-frequency electron gun exit beam current pulse waveform E Modulated laser pulse intensity L Laser pulse timing

Claims (4)

カソード面がモードロックレーザーのレーザー光で照射されることによって放出された電子を即座に高周波電界によって加速してバンチ列で構成される電子ビームを出力するフォトカソード高周波電子銃と、該高周波電子銃から出力された電子ビームを加速する加速管と、基準信号から上記モードロックレーザーの入力信号の周波数、高周波電子銃の周波数及び加速管の加速周波数を作成するタイミングシステムと、上記高周波電子銃及び加速管にそれぞれ高周波電力を供給する高周波源とから構成され、上記モードロックレーザーの入力信号の周波数、高周波電子銃の周波数及び加速管の加速周波数を所定の離調範囲とすることにより、上記高周波電子銃から出力される電子ビームの周波数の位相を上記加速周波数の位相に対してわずかにずらし、それによってビームを加速しながらビームローディングによるマルチバンチビームのエネルギー広がりを補正するレーザー制御型電子ビーム線形加速装置において、
上記モードロックレーザーと上記高周波電子銃との間に上記モードロックレーザーから出力されるレーザーパルスの振幅を変調する手段を設けるとともに、上記高周波電子銃の周波数を上記加速管の加速周波数に一致させることにより上記高周波源を上記高周波電子銃及び加速管に共通の高周波源として構成したことを特徴とするレーザー制御型電子ビーム線形加速装置。
A photocathode high-frequency electron gun that immediately accelerates electrons emitted by irradiating the cathode surface with a mode-locked laser beam by a high-frequency electric field and outputs an electron beam composed of bunch rows, and the high-frequency electron gun An acceleration tube for accelerating the electron beam output from the above, a timing system for creating the frequency of the input signal of the mode-locked laser, the frequency of the high-frequency electron gun, and the acceleration frequency of the acceleration tube from the reference signal, and A high-frequency source for supplying high-frequency power to each of the tubes, and by setting the frequency of the input signal of the mode-locked laser, the frequency of the high-frequency electron gun, and the acceleration frequency of the accelerator tube to a predetermined detuning range, The phase of the frequency of the electron beam output from the gun is slightly different from the phase of the acceleration frequency. Rashi, whereby the laser-controlled electron beam linear accelerator for correcting the energy spread of the multi-bunch beam by beam loading while accelerating the beam,
Means for modulating the amplitude of a laser pulse output from the mode-locked laser is provided between the mode-locked laser and the high-frequency electron gun, and the frequency of the high-frequency electron gun is matched with the acceleration frequency of the accelerator tube A laser-controlled electron beam linear acceleration device characterized in that the high-frequency source is configured as a high-frequency source common to the high-frequency electron gun and the acceleration tube.
上記レーザーパルスの振幅を変調する手段は、光ビームの偏光方向を素早くスイッチングすることにより所定数のバンチを有するバンチ列を切り出す機能を有することを特徴とする請求項1に記載のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置。   The laser-controlled electron according to claim 1, wherein the means for modulating the amplitude of the laser pulse has a function of cutting out a bunch row having a predetermined number of bunches by quickly switching the polarization direction of the light beam. Beam linear accelerator. 上記レーザーパルスの振幅を変調する手段は、ポッケルセルと一対の偏光子とから成ることを特徴とする請求項2に記載のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置。   3. The laser-controlled electron beam linear accelerator according to claim 2, wherein the means for modulating the amplitude of the laser pulse comprises a Pockel cell and a pair of polarizers. 上記タイミングシステムは、基準信号を逓倍又は分周することにより周波数Δfとf0の信号を作成し、このΔfとf0の信号をミキシングすることによりf0のサイドバンドである加速周波数f1を作成し、上記Δfは上記加速周波数f1に対して数百kHzから数MHzの範囲内の周波数であり、上記f0はf0=f1−Δfの関係を有し、上記モードロックレーザーの入力信号は、上記f0の信号を分周した信号であることを特徴とする請求項1又は2又は3に記載のレーザー制御型電子ビーム線形加速装置。   The timing system multiplies or divides the reference signal to generate a signal of frequency Δf and f0, and mixes the signal of Δf and f0 to generate an acceleration frequency f1 that is a sideband of f0. Δf is a frequency within the range of several hundred kHz to several MHz with respect to the acceleration frequency f1, f0 has a relationship of f0 = f1−Δf, and the input signal of the mode-locked laser is the signal of f0. 4. The laser-controlled electron beam linear acceleration device according to claim 1, wherein the signal is a frequency-divided signal.
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