JPH11273899A - アンジュレータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンジュレータ中で電子ビームサイズが大き
くならないようにして質の高い出力電磁波の発生を可能
にするアンジュレータ装置を提供する。 【解決手段】 磁石列の間に配設される真空室３内の電
子ビーム軌道中にプラズマ領域９を形成して、プラズマ
領域に残留するイオンにより発現される電子ビームの収
束作用を利用し通過する電子ビームのサイズを縮小させ
ることにより、長いアンジュレータの末端まで十分高い
質の電子ビームを維持する。したがって、磁場周期数を
増加させて、より品質の良い光ビームを発生させること
が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子もしくは陽電
子ビーム（以下、電子ビームで代表する）から高輝度な
電磁波を取り出すアンジュレータ装置に関し、特に通過
する電子ビームのサイズが大きくならないようにして出
力する電磁波の質を向上させたアンジュレータ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】電子（あるいは陽電子）加速器、特に線
形加速器、マイクロトロン等において電子ビームから高
輝度の電磁波（以下、代表的に光ということもある）を
取り出すために、磁石列の対で構成されたアンジュレー
タが用いられる。アンジュレータ中の磁極が交互に並べ
られた磁石列の間を電子ビームが通過すると、アンジュ
レータ磁場により蛇行して放射光を発生する。磁石列の
磁極変化が多く蛇行数が多いと、干渉効果によって特定
の波長のみが強調されアンジュレータ光と呼ばれる高輝
度光になる。

【０００３】アンジュレータの両側に反射鏡を配置し、
発生した光を反射させて電子ビームと重畳させると、自
由電子レーザ（ＦＥＬ）と呼ばれるコヒーレント光を発
生させることが可能である。アンジュレータ光も自由電
子レーザも、その波長幅Δｆはアンジュレータの磁場周
期数Ｎの関数であり、周期数が多くなるほど狭くなる。
また、自由電子レーザのゲインもアンジュレータ周期数
が多くなるほど大きくなる。したがって、アンジュレー
タが長いほど良質な光を得ることができる。

【０００４】良質のアンジュレータ光を得るためには、
直線運動しているエネルギと方向が揃ってよく絞られた
電子ビームをアンジュレータに供給して規則的な蛇行運
動をさせることが理想である。しかし、実際に加速器で
エネルギＥに加速された電子ビームはある大きさの規格
化エミッタンスを持ち、ベータトロン振動しながらビー
ム輸送系に組み込まれたアンジュレータを通る。さら
に、加速器で加速された電子ビームはビーム伝送系中に
自発的に広がるので、アンジュレータ上流に設けた四極
電磁石などの収束磁石により十分細化させながらアンジ
ュレータに供給される。

【０００５】電子ビームはビーム半径と発散角の積を一
定に保ちながらも、ビーム径と発散角はいつも変化させ
ながらアンジュレータを通過する。アンジュレータの軸
に沿ってベータトロン振動しながら通過するので、電子
ビームを収束させながらアンジュレータに供給すると、
アンジュレータ中のビームサイズは一旦小さくなるがそ
の後で大きく広がってくる。ビームサイズが最小になる
位置をアンジュレータの中心付近に持ってくるために
は、アンジュレータが長いほどビームサイズの最小値は
大きくならざるを得ない。

【０００６】このような事情から、良質な光ビームを得
るために磁場周期数の多い長いアンジュレータを使用し
ようとすれば、電子ビームの平均ビームサイズが大きく
なり良質の光ビームを得ることができず、ＦＥＬ光を発
生させることも困難になる。アンジュレータ中で劣化す
る電子ビームの質を回復するためには、収束用電磁石を
アンジュレータ内に設ければ良いが、実際のアンジュレ
ータにそのようなものを設けることはできない。

【０００７】

【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、アンジュレータ中で電子ビームサ
イズが大きくなるのを防いだアンジュレータ装置を提供
することで、磁場周期数が大きい長大なアンジュレータ
を用いた質の高い出力電磁波の発生を可能にすることに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のアンジュレータ装置は、磁石列の間に形成
される真空室内の電子ビーム軌道中に１個以上のプラズ
マ領域を有することを特徴とする。アンジュレータ磁界
中にプラズマ領域を形成すると、軽量の電子は簡単に拡
散するのと比較して、重量のあるイオンが領域内にとど
まるため、プラズマ領域は正電荷過剰の島状領域を形成
することになる。イオンが残留したプラズマ領域が、ア
ンジュレータに高速で射入してくる電子ビームに対して
収束作用を及ぼし、ここを通過する電子ビームのサイズ
を縮小させる効果をもたらす。

【０００９】このように、プラズマ領域がアンジュレー
タ通過中に空間電荷効果などにより収束度が劣化しかけ
た電子ビームの質を回復するので、長いアンジュレータ
であっても末端まで十分高い質の電子ビームを維持する
ことができる。したがって、電子ビーム軌道中にプラズ
マ領域を有する本発明のアンジュレータ装置によれば、
アンジュレータの長さを十分取って磁場周期数を増加さ
せ、より品質の良い光ビームを発生させることが可能に
なる。

【００１０】なお、プラズマ領域を等間隔に３個以上配
設するようにしても良い。プラズマ領域を多数設けるこ
とにより収束効果が積算されて強くなり、また等間隔に
配設することにより設計と製作がより簡単になる。ま
た、プラズマ核種を供給し、高周波（ＲＦ）を作用させ
てＲＦ放電によりプラズマを発生させることによりプラ
ズマ領域を形成することができる。プラズマの発生方法
には高電圧放電やレーザによる放電なども利用できる。
しかし、ＲＦ放電を用いるとより安定したプラズマを得
ることができる。

【００１１】なお、真空室には真空排気口を備えるとと
もに、電子ビームが通過する小径孔を設けた真空用フラ
ンジを備えて、その真空用フランジを介して電子ビーム
輸送系と接続するようにすることが好ましい。一般にビ
ーム輸送系における真空度は１０^-7Torr程度あるのに対
して、アンジュレータ中に安定なプラズマ領域を形成す
るためにはアンジュレータ真空室の真空度は１０^-1から
１０^-5Torr程度にすることが好ましい。したがって、ア
ンジュレータ装置には輸送系とは異なる真空排気装置を
用いて真空調整を行うことが好ましい。さらにビーム輸
送系の真空水準を維持するために、プラズマ領域に放出
されるプラズマ種ガスがビーム輸送系側の真空チャンバ
に混入しないようにする必要がある。このため、真空チ
ャンバの端部に電子ビームが通れるだけの口径の小さな
孔を設けて真空チャンバのコンダクタンスを小さくし、
ビーム輸送系側に低真空気流が流出しにくいようにする
ことが好ましい。

【００１２】さらに、本発明の自由電子レーザ装置は、
上記のアンジュレータ装置を用いることを特徴とする。
自由電子レーザに改良されたアンジュレータ装置を用い
ることにより、質の高いアンジュレータ光を発生させて
利用すれば、それだけ質の高いＦＥＬ光を得ることがで
きるからである。本発明のアンジュレータ装置は電子ビ
ームが繰り返しアンジュレータ中を通過する構造になっ
ている場合は真空度が低いことが障害になるが、線形加
速器を用いてアンジュレータ光を発生させる装置、特に
自由電子レーザ（ＦＥＬ）発生装置に用いるとＦＥＬゲ
インが大きくなり利益が大きい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明のア
ンジュレータ装置の１実施例を表す側面図、図２は本実
施例に用いる真空チャンバの平面図、図３は真空チャン
バの端部を示す断面図、図４はアンジュレータ内におけ
るビームサイズの変化を示すグラフである。

【００１４】本実施例のアンジュレータ装置は、線形加
速器などで発生した高速の電子ビームをビーム輸送系を
介して導入して、アンジュレータ光を発生するものであ
る。アンジュレータ装置１には、磁極を交互に並べた磁
石列２を１対、異極同士が対向するように配置して周期
磁場を形成し、２個の磁石列の間に形成されるギャップ
に真空チャンバ３を配設してある。真空チャンバ３は真
空用フランジ４を介して図外のビーム輸送系に接続され
ている。導入された相対的速度を有する電子ビームが真
空チャンバ３内を磁石列２に沿って通過すると、アンジ
ュレータの周期磁場により電子軌道が蛇行し放射光が発
生する。磁石列ギャップにおける磁場周期数が多く電子
軌道の蛇行数が多いと干渉効果によって特定の光の波長
のみが強調され、アンジュレータ光と呼ばれる高輝度光
が発生する。

【００１５】さらに、アンジュレータの両サイドに共振
器ミラーを設置し、発生した光を反射させて電子ビーム
と重畳させると、自由電子レーザと呼ばれるコヒーレン
ト光を発生させることができる。アンジュレータ光も自
由電子レーザも、その波長は、電子ビームのエネルギー
の２乗に反比例し、アンジュレータ磁場強度が強いほど
長くなり、また周期長に比例する。

【００１６】永久磁石を用いたアンジュレータでは磁石
の強さと周期長が固定されているため、本実施例のアン
ジュレータ装置でもアンジュレータ２を可動板５に支持
して、磁石列２の間隔を調整することによりアンジュレ
ータ磁場強度を変えて必要な波長を得るようにする。な
お、磁石列間の間隔を一定に保持しながら互いにスライ
ドして磁場強度を変更することにより光の波長を変化さ
せるようにしても良い。

【００１７】真空チャンバ３の側面には等間隔にガス導
入端子６と電極端子７が設置されている。ガス導入端子
６にはプラズマの元となるアルゴンなどのガスが供給さ
れ、真空チャンバ３内の電子軌道付近に放出される。電
極端子７にはＲＦアンテナ８が組み込まれていて、外部
のＲＦ電源から供給されるＲＦをプラズマガスに印加し
てＲＦ放電を起こしプラズマ化する。こうして形成され
るプラズマ領域９では原子イオンと電子が生成されるが
電子はイオンより簡単に領域外に飛散するので、プラズ
マ領域内には陽電荷が優越して存在するようになる。陽
電荷が多くなったプラズマ領域は電子ビームにとって凸
レンズの作用をし、通過する電子ビームを収束させてビ
ームサイズを収縮させる働きを持つ。

【００１８】なお、十分な収束力を得るためには、密度
の高いプラズマを生成しなければならない。そのため、
真空チャンバ３には真空排気口１０を備え真空装置１１
に接続して、プラズマガスの供給量に見合うように真空
排気し、真空チャンバ３における真空度が１０^-1から１
０^-5Torr程度になるようにコントロールする。適当な真
空度を保持することにより安定したプラズマを発生させ
て、一定の収束力を電子ビームに与えるようにする。な
お、アンジュレータ１の真空チャンバ３を接続するビー
ム輸送系の真空チャンバにおける真空度はほぼ１０^-7To
rr程度に保持する必要がある。このため、真空チャンバ
３の両端付近、真空用フランジ４の近くにビーム径の１
〜３倍程度の小孔を設けたリング１２を設置して、真空
に関するコンダクタンスを小さくし、真空チャンバ３内
の低真空ガスがビーム輸送系に流出しにくくする。

【００１９】プラズマ領域９は、電子ビーム軌道中に等
間隔に存在するので、アンジュレータ中で空間電荷効果
により広がろうとするビーム径を繰り返し収縮して、ア
ンジュレータの出口に達するまで電子ビームの状態を良
質に保持する。図４は、本発明のアンジュレータ装置を
用いた場合の電子ビームサイズの変化を示すグラフであ
る。従来のものを破線で示し性能の差がよく分かるよう
にした。これから分かるように、初めのプラズマ領域で
ビームサイズが急減し、その後はビームサイズが大きく
なろうとするとプラズマ領域の収束作用が働いて再びサ
イズが減少することが繰り返されるので、アンジュレー
タ光が発生する領域における電子ビーム径は十分小さく
保持され、質の良いアンジュレータ光が得られる。

【００２０】なお、本実施例ではプラズマ化する方法と
して安定性の高いＲＦ放電を用いたが、この他にもレー
ザによる方法や高電圧放電によるものなども使用できる
ことは言うまでもない。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のアンジュレ
ータ装置では、電子ビーム軌跡中にプラズマ領域を形成
することにより良質なアンジュレータ光を得ることがで
きるようになる。本発明のアンジュレータ装置は、特に
アンジュレータ中の高真空がそれほど問題にならない線
形加速器を用いた自由電子レーザ発生装置などに適用す
ることにより大きな効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアンジュレータ装置の１実施例を表す
側面図である。

【図２】本実施例に用いる真空チャンバの平面図であ
る。

【図３】本実施例の真空チャンバの端部を示す断面図で
ある。

【図４】本実施例のアンジュレータ内におけるビームサ
イズの変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１ アンジュレータ装置 ２ 磁石列２ ３ 真空チャンバ ４ 真空用フランジ ５ 可動板 ６ ガス導入端子 ７ 電極端子 ８ ＲＦアンテナ ９ プラズマ領域 １０ 真空排気口１０ １１ 真空装置 １２ 小口径リング

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁石列の間に形成される真空室内の電子
   ビーム軌道中に１個以上のプラズマ領域を有するアンジ
   ュレータ装置。
2. 【請求項２】 前記プラズマ領域が等間隔に３個以上存
   在することを特徴とする請求項１記載のアンジュレータ
   装置。
3. 【請求項３】 前記プラズマ領域は供給されたプラズマ
   核種に高周波（ＲＦ）を作用させてＲＦ放電によりプラ
   ズマを発生させる領域であることを特徴とする請求項１
   または２記載のアンジュレータ装置。
4. 【請求項４】 前記真空室が、真空排気口を備え、端部
   に電子ビームが通過する小径孔を備えることを特徴とす
   る請求項１から３のいずれかに記載のアンジュレータ装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載のアン
   ジュレータ装置を用いた自由電子レーザ装置。