蓄積リングにおける極短電子ビームバンチの自由電子レーザーに及ぼす効果の研究

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蓄積リングにおいて単バンチ運転を行なう場合、ビームダクトと電子バンチの電磁的相互作用によってバンチの形状変化やエネルギー広がりの増大が生じ、これを一般に単バンチ不安定性と呼んでおり、この現象は自由電子レーザー(FEL)発振に大きな悪影響を与えると考えられている。本研究ではこの不安定性を精密に調べるために、単バンチ運転での電子バンチの形状・長さ及びエネルギー広がりの大きさが、ビーム電流とともに変化する様子を、複数の蓄積リングの動作点について測定した。バンチ形状・バンチ長は2軸掃引型ストリークカメラで測定し、エネルギー広がりはFEL発振実験用の光クライストロン型アンジュレータの放射光スペクトルを測定することによって評価した。蓄積リングの運動量収縮因子(momemtum ompaction factor)が正の場合と負の場合の2つの条件を設定し、それぞれ因子の大きさを変えた動作点で測定を行なった。正の運動量収縮因子では単バンチ不安定性が発生するしきい電流が高いことが分かったが、バンチ長はビーム電流とともに長くなった。これはピーク領域で丸みを帯びるバンチ形状とともにビーム自身がダクト内に作りだす高周波電場によるポテンシャル井戸歪みのモデル計算と良く一致した。負の運動量収縮因子ではバンチ長はビーム電流とともに短くなったが、正の場合に比べ非常に低いしきい値電流でエネルギー広がりが急速に大きくなりバンチ長が延びていく現象が見られた。これらの実験結果はビームダクトのインピーダンスがインダクタンスを強い成分として持っていることが示唆され、その大きさはリング全体で約40nHであると見積もられた。またこの大きさは、電子ビーム周波数スペクトル解析から1.5GHz付近までほぼ一定であることが分かった。更に高周波領域でも大きさがかわらないとすると、運動量収縮因子を小さくしてバンチ長を短くした場合、インダクタンスの影響はさらに強く現われると予想され、FEL発振を困難にすることが示唆される。