レーザー制御型電子ビーム線形加速装置

• 平野 耕一郎
• 浦川 順治

• 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 大学共同利用機関法人　高エネルギー加速器研究機構

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。

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。

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）。

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。

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。

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ｆ_R＝1428.67646ＭＨｚの周波数の基準信号を出力し、その周波数ｆ_R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ｆ_R／４＝357.16911ＭＨｚをモードロックレーザー１１の入力信号の周波数ｆ_Lとして用い、さらに、その４分周信号ｆ_R／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）。

【特許文献１】
特開平１１－４５８００号公報
【非特許文献１】
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．１３０～１３２

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。

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