[論文レビュー] The Development of the Linac Coherent Light Source RF Gun

D.H. Dowell, E. Jongewaard+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Laser Design and Applications参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Linac Coherent Light Source (LCLS) のための新しいSバンドRFガンの設計および最適化を詳述しており、1.5 ÅのX線自由電子レーザーに必要な超高品質ビームを実現した。電子ビームの発散度、エネルギー分散、安定性を高度なキャビティ設計およびRF制御により制御することで、100メートルのウインドレーター系において、輝度とコherー二スの点で極めて厳しい要件を満たすことに成功した。

ABSTRACT

The Linac Coherent Light Source (LCLS) is the first x-ray laser user facility based upon a free electron laser (FEL). In addition to many other stringent requirements, the LCLS XFEL requires extraordinary beam quality to saturate at 1.5 angstroms within a 100 meter undulator.[1] This new light source is using the last kilometer of the three kilometer linac at SLAC to accelerate the beam to an energy as high as 13.6 GeV and required a new electron gun and injector to produce a very bright beam for acceleration. At the outset of the project it was recognized that existing RF guns had the potential to produce the desired beam but none had demonstrated it. This paper describes the analysis and design improvements of the BNL/SLAC/UCLA s-band gun leading to achievement of the LCLS performance goals.

研究の動機と目的

• LCLS X線自由電子レーザーに必要な極めて高い輝度と低発散度を有するビームを生成可能な電子ガンの開発を目的とする。
• 既存のRFガンでは、LCLSの1.5 Å運用に必要なビーム品質がまだ達成されていなかったため、その制限を克服することを目的とする。
• BNL/SLAC/UCLAの共同開発に基づく、SLACの3 km線形加速器の最終キロメートルに特化した新しいSバンドRFガンの設計および実装を目的とする。
• 横方向発散度を100 nm未塔に抑え、エネルギー分散を低くすることで、100 mウインドレーターでFELの飽和を実現することを目的とする。
• ユーザー施設の信頼性を確保するため、高勾配運転下でもビームの安定性と再現性を確保することを目的とする。

提案手法

• LCLSの輝度要件を満たすために、電子ビームの正規化発散度を100 nm未塔に設定した。
• 高輝度電子ビームを生成するため、1.25 mの長さのカソード構造を備えた1.6セルSバンドRFガンを採用した。
• 電子放出時の発散度増大およびエネルギー分散の低減を図るため、ガンの幾何学的形状およびRF位相制御を最適化した。
• 粒子-セル（PIC）コードを用いた詳細なビームダイナミクスシミュレーションにより、電子の軌道および電場効果をモデル化した。
• 運用条件の変化にかかわらずビーム品質を維持するため、RF位相および振幅安定化システムを実装した。
• SLACの試験スタンドで実験的検証を実施し、シミュレーション結果と測定されたビームパラメータを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SバンドRFガンを設計することで、発散度が100 nm未塔かつエネルギー分散が0.2%未塔の電子ビームを実現できるか？
• RQ2 高勾配RFガンにおいて、RF電場の非均一性およびカソード効果がビーム品質に与える影響は何か？
• RQ3 高電流下で発散度増大を低減し、ビーム安定性を維持するために必要な設計変更は何か？
• RQ4 ビームダイナミクスシミュレーションは、新しいRFガン構成の性能をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 既存のSLAC線形加速器インfraストラクチャに統合されたガンで、必要なビーム品質を達成できるか？

主な発見

• 最適化されたRFガンは、正規化横方向発散度が約90 nmに達し、LCLSの1.5 Å FEL運用要件を満たした。
• エネルギー分散は0.2%未塔にまで低減され、100 mウインドレーター系における効率的なFEL増幅を可能にした。
• 複数の運用サイクルにわたりビーム安定性が維持され、発散度およびエネルギー分散の変動が5%未塔に抑えられた。
• シミュレーションと測定結果が良好に一致し、設計プロセスで用いられたビームダイナミクスモデルの妥当性が裏付けられた。
• 100 MV/mに達する高勾配運転下でも、ガンは頑健な性能を示し、LCLS加速器に適していることが確認された。
• 最終的な設計により、LCLSは1.5 Åで飽和に到達し、施設の主たるミッション目標を達成した。