[論文レビュー] High-Brightness Beams from a Light Source Injector: The Advanced Photon Source Low-Energy Undulator Test Line Linac

G. Travish, S.G. Biedroń+7 more|ArXiv.org|Aug 12, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、低エネルギーウインドレーター試験ライン（LEUTL）における自由電子レーザー（FEL）実験向けに、高出力高輝度電子ビームを生成するため、アドバンスドフォトンソース（APS）のインジェクターリニアックのアップグレードを提示する。ビーム診断およびリニアック性能の向上により、217 MeVのエネルギー、0.1–0.2%のrmsエネルギー散乱、4–8 μmの正規化エミッタンス、0.2–0.7 nCのビームバンチを2–7 ps FWHMに圧縮したビームを用いて、530 nmでのSASE FEL動作を達成した。

ABSTRACT

The use of existing linacs, and in particular light source injectors, for free-electron laser (FEL) experiments is becoming more common due to the desire to test FELs at ever shorter wavelengths. The high-brightness, high-current beams required by high-gain FELs impose technical specifications that most existing linacs were not designed to meet. Moreover, the need for specialized diagnostics, especially shot-to-shot data acquisition, demands substantial modification and upgrade of conventional linacs. Improvements have been made to the Advanced Photon Source (APS) injector linac in order to produce and characterize high-brightness beams. Specifically, effort has been directed at generating beams suitable for use in the low-energy undulator test line (LEUTL) FEL in support of fourth-generation light source research. The enhancements to the linac technical and diagnostic capabilities that allowed for self-amplified spontaneous emission (SASE) operation of the FEL at 530 nm are described. Recent results, including details on technical systems improvements and electron beam measurement techniques, will be discussed. The linac is capable of accelerating beams to over 650 MeV. The nominal FEL beam parameters used are as follows: 217 MeV energy; 0.1-0.2% rms energy spread; 4-8 um normalized rms emittance; 80-120 A peak current from a 0.2-0.7 nC charge at a 2-7 ps FWHM bunch.

研究の動機と目的

• 既存の光源インジェクターリニアックを、高利得自由電子レーザー（FEL）実験に適応させる。
• 低エミッタンスおよび高ピーク電流を有する高出力ビームを生成する技術的課題に対処する。
• FEL運用に不可欠な1発ごとのビーム特性を評価するための高度な診断技術を実装する。
• LEUTL施設におけるSASE FEL実験を可能にすることで、第4世代光源研究を支援する。
• 既存のストレージリングインジェクタを次世代FELアプリケーションに活用する可能性を実証する。

提案手法

• 高出力、高輝度電子ビームを生成するため、電子銃およびラジオ周波数（RF）システムをアップグレードした。
• ステイクカメラおよび横方向プロファイルモニタを含む高度なビーム診断技術を導入し、リアルタイムかつ1発ごとのビーム測定を実現した。
• リニアック格子およびRF位相制御を最適化し、217 MeVのビームエネルギーと0.1–0.2%のrmsエネルギー散乱を達成した。
• 磁気圧縮システムを用いて、0.2–0.7 nCのバンチを2–7 psの全幅半最大（FWHM）に圧縮した。
• 低エミッタンス電子源およびビームライン補正システムを採用し、4–8 μmの正規化rmsエミッタンスを維持した。
• フィードバックシステムおよびビームベースアライメント技術を統合し、複数発の間でビームパラメータの安定化を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の光源インジェクターリニアックを、530 nmでの高利得SASE FEL運用に適合させることは可能か？
• RQ2 低エネルギー領域における効率的なSASE FEL増幅を達成するには、どのようなビームパラメータが必要か？
• RQ3 通常のリニアックにおいて、FEL実験を支援するための1発ごとのビーム診断をどのように実装できるか？
• RQ4 既存インジェクタでサブピコ秒レベルのバンチ圧縮および低エミッタンスを達成するために、どのような技術的改造が必要か？
• RQ5 大規模な再設計を伴わずに、既存のストレージリングインfraをFEL研究に再利用できる範囲はどの程度か？

主な発見

• アップグレードされたリニアックは、FEL実験用に217 MeVの定格運転エネルギーを維持しつつ、650 MeVを超える電子ビームを効率的に加速した。
• 0.1–0.2%のrmsエネルギー散乱が達成され、530 nmでの効率的なSASE FEL利得に不可欠な条件を満たした。
• 正規化rmsエミッタンスは4–8 μmを維持し、優れたビーム品質と低発散角を示した。
• 0.2–0.7 nCの電荷を有するバンチが2–7 ps FWHMに圧縮され、ピーク電流は80–120 Aに達した。
• 530 nmでのSASE FEL動作が成功裏に達成され、光源インジェクタをFEL研究開発に活用する可能性が実証された。
• リアルタイム診断およびフィードバックシステムの統合により、FELチューニングに不可欠な信頼性の高い繰り返し可能なビーム特性評価が可能になった。