JP2003347641A - Method and apparatus for varying rf type far infrared fel wavelength - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an FEL wavelength varying means capable of varying wavelengths over a wide range in an FEL apparatus for generating far infrared FEL of 100 μm or more in a waveguide mode using an S band RF linac. <P>SOLUTION: An undulator gap d is varied under a predetermined electron beam energy to vary any wavelength, and any FEL wavelength is varied over a wide range in a far infrared region by adjusting a resonator length L to synchronize with a bunch of FEL light in an undulator to that of an electron beam. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自由電子レーザ発
生装置における波長変更方法に関し、特に遠赤外などの
長波長ＦＥＬにおいて容易に正確な波長設定ができるよ
うにする波長変更方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength changing method in a free electron laser generator, and more particularly to a wavelength changing method for easily and accurately setting a wavelength in a long-wavelength FEL such as a far infrared ray.

【０００２】[0002]

【従来の技術】自由電子レーザ発生装置（ＦＥＬ）は、
原理的に波長が自由に設定でき高出力であるため、医
学、科学、バイオ技術、半導体技術など多くの分野で利
用が進んでいる。現在ユーザが利用できるＦＥＬ装置は
世界で１０施設ほど知られているが、殆どはいずれもＲ
Ｆリニアックを用いた数μｍ〜１００μｍの中赤外領域
のものである。しかし、応用分野を拡大するため、遠赤
外領域のＦＥＬを簡単に発生させる装置の開発が望まれ
ている。2. Description of the Related Art A free electron laser generator (FEL) is
Since the wavelength can be freely set in principle and the output is high, it is used in many fields such as medicine, science, biotechnology, and semiconductor technology. Currently, about 10 FEL devices are available to users worldwide, but most of them are R
It is in the mid-infrared region of several μm to 100 μm using an F linac. However, in order to expand the field of application, development of a device that easily generates FEL in the far-infrared region is desired.

【０００３】ＦＥＬの発振は、交互にＳ極Ｎ極が並んだ
磁界を持つアンジュレータ中に光速近くまで加速した電
子ビームを通し、そこで発生したアンジュレータ光を両
サイドに設置した共振器ミラーで往復反射をさせる間
に、アンジュレータ中で電子ビームと交絡して相互作用
を行うことによりアンジュレータ光が電子ビームからエ
ネルギーを得て徐々にエネルギー蓄積し、高出力のレー
ザ光を発生することになる。電子ビームが連続的なもの
であれば、常時電子ビームが存在するため、共振器長の
調整は必要がない。米国カルフォルニア大学サンタバー
バラ校では、静電加速器によりＤＣ的な電子ビームを加
速して波長１００μｍ以上の遠赤外ＦＥＬを発振させて
利用している。In the oscillation of the FEL, an electron beam accelerated to near the speed of light passes through an undulator having a magnetic field in which S and N poles are alternately arranged, and the undulator light generated there is reciprocally reflected by a resonator mirror installed on both sides. During the operation, the undulator light entangles with and interacts with the electron beam in the undulator, whereby the undulator light gains energy from the electron beam and gradually accumulates energy to generate high-power laser light. If the electron beam is continuous, there is no need to adjust the resonator length because the electron beam is always present. At the University of California, Santa Barbara, USA, a DC-like electron beam is accelerated by an electrostatic accelerator to oscillate and use a far-infrared FEL having a wavelength of 100 μm or more.

【０００４】しかし、ＲＦリニアックを用いて電子ビー
ムを加速すれば、電子ビームはパルス的になるため、そ
のパルス間隔の整数倍の距離に共振器ミラーが配置され
ていなければ、往復するアンジュレータ光と一端からパ
ルス的に供給される電子ビームが出会うことができず、
ＦＥＬは発生しない。発振波長λ_ＦＥＬは、アンジュレ
ータ磁石の周期長λ_ＷとアンジュレータパラメータＫと
ローレンツファクターγを用いて、 λ_ＦＥＬ＝λ_Ｗ（Ｋ^２＋１）／γ^２ （１） と表すことができる。したがって、遠赤外ＦＥＬではロ
ーレンツファクタを小さくする必要から、低エネルギー
の電子ビームが用いられることになる。However, if the electron beam is accelerated using an RF linac, the electron beam becomes pulse-like. If the resonator mirror is not disposed at a distance of an integral multiple of the pulse interval, the undulator light reciprocates. The pulsed electron beam from one end cannot meet,
FEL does not occur. The oscillation wavelength λ _FEL can be expressed as λ _FEL = λ _W (K ² +1) / γ ² (1) using the period length λ _W of the undulator magnet, the undulator parameter K, and the Lorentz factor γ. Therefore, in the far-infrared FEL, a low-energy electron beam is used because the Lorentz factor must be reduced.

【０００５】中赤外領域で使用する３０ＭｅＶ以上のエ
ネルギーを持つ電子ビームでは、アンジュレータ中で光
と十分な相互作用をするだけの時間交絡することができ
るが、電子ビームのエネルギーが１０ＭｅＶ程度になる
と電子の速度が遅くなりすぎて、アンジュレータ中を走
行する電子ビームのバンチを光が追い越してしまうため
相互作用する時間を十分確保することができなくなって
光にエネルギーが蓄積しない。そこで、遠赤外ＦＥＬに
はアンジュレータ内の真空チャンバーを厚み方向に狭く
幅方向に広い導波管として用いる導波管モードのＦＥＬ
装置を用いることができる。導波管内の光の群速度Ｖｇ
は、 Ｖｇ＝ｃ｛１−(λ_ＦＥＬ／２ｂ)^２｝^１／２ （２） と表される。ここで、ｃは光速、λ_ＦＥＬはＦＥＬ波
長、ｂはアンジュレータギャップ方向に測った導波管の
厚みを示す。このように、導波管の厚みｂを選択するこ
とにより、群速度Ｖｇを調整することができる。An electron beam used in the mid-infrared region and having an energy of 30 MeV or more can be entangled for a sufficient time to interact with light in the undulator, but when the energy of the electron beam becomes about 10 MeV. Since the speed of the electrons becomes too slow, the light passes the bunch of the electron beam traveling in the undulator, so that it is not possible to secure a sufficient time for the interaction, and energy is not accumulated in the light. Therefore, a far-infrared FEL is a waveguide mode FEL that uses a vacuum chamber in an undulator as a waveguide narrow in the thickness direction and wide in the width direction.
An apparatus can be used. Group velocity Vg of light in waveguide
Is expressed as follows: Vg = c {1− (λ _FEL / 2b) ² } ^1/2 (2) Here, c indicates the speed of light, λ _FEL indicates the FEL wavelength, and b indicates the thickness of the waveguide measured in the direction of the undulator gap. As described above, the group velocity Vg can be adjusted by selecting the thickness b of the waveguide.

【０００６】したがって、導波管モードでは、アンジュ
レータ中を走行する光の群速度Ｖｇを比較的遅い電子ビ
ーム速度付近まで遅らせることにより十分な相互作用を
起こさせることができるので、遠赤外ＦＥＬ発振が可能
となる。導波管モードにおいて遠赤外ＦＥＬ発振を行わ
せるときは、ＦＥＬ波長に応じて導波管内法の厚みを調
整して光の群速度を電子ビームのバンチ速度とほぼ均衡
する程度に遅延させて、共振器ミラー間を往復する光の
群と電子ビームのバンチをほぼ同期させることにより両
者が重畳する時間を長くさせて十分な相互作用をするよ
うにしてＦＥＬ発振を維持する。Therefore, in the waveguide mode, a sufficient interaction can be caused by delaying the group velocity Vg of the light traveling in the undulator to near the relatively low electron beam velocity. Becomes possible. When the far-infrared FEL oscillation is performed in the waveguide mode, the thickness of the in-waveguide method is adjusted according to the FEL wavelength to delay the group velocity of light so as to be substantially balanced with the bunch velocity of the electron beam. By substantially synchronizing the group of light reciprocating between the resonator mirrors and the bunch of the electron beam, the time during which both are superimposed is increased so that sufficient interaction occurs to maintain FEL oscillation.

【０００７】イタリアのフラスカチ（Frascati)研究所
から、ＳバンドＲＦリニアックを用いて導波管モードで
波長２．４ｍｍの遠赤外ＦＥＬを発振させた例が報告さ
れている。しかしながら、導波管モードでは、ＦＥＬ波
長を変えようとすると導波管内の光の群速度が変化する
ため電子ビームとの重畳を維持することが容易でない。
したがって、ＦＥＬ波長を所望の値に変更することは難
しく、フラスカチ研究所でも上記波長の近傍でのみ発振
できただけであった。[0007] The Frascati Research Institute in Italy reports an example of oscillating a far-infrared FEL having a wavelength of 2.4 mm in a waveguide mode using an S-band RF linac. However, in the waveguide mode, when trying to change the FEL wavelength, the group velocity of light in the waveguide changes, so that it is not easy to maintain superposition with the electron beam.
Therefore, it is difficult to change the FEL wavelength to a desired value, and the Frascati Institute was able to oscillate only in the vicinity of the above wavelength.

【０００８】[0008]

【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、ＲＦリニアックを用い導波管モー
ドでＦＥＬを発生するＦＥＬ装置において波長を広帯域
で変更できるＦＥＬ波長変更方法を提供することであ
る。Accordingly, an object of the present invention is to provide an FEL wavelength changing method capable of changing a wavelength in a wide band in an FEL device that generates an FEL in a waveguide mode using an RF linac. That is.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の遠赤外ＦＥＬ波長変更方法は、ＳバンドＲ
Ｆリニアックを用いた導波管モードＦＥＬ発生装置にお
いて、一定の電子ビームエネルギーの下でアンジュレー
タギャップを変更して波長を変更すると共に、共振器長
を調整してアンジュレータ中のＦＥＬ光のバンチを電子
ビームのバンチに同期させることにより、ＦＥＬ波長を
１００μｍ以上の遠赤外領域において広範囲に変更する
ようにすることを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, a far-infrared FEL wavelength changing method according to the present invention employs an S-band R
In a waveguide mode FEL generator using an F linac, the wavelength is changed by changing the undulator gap under a constant electron beam energy, and the cavity length is adjusted to change the bunch of the FEL light in the undulator. The FEL wavelength is changed over a wide range in the far-infrared region of 100 μm or more by synchronizing with the bunch of the beam.

【００１０】アンジュレータギャップ内に設置される真
空チャンバーの厚みを薄くして導波管モードにしたＦＥ
Ｌ装置においても、アンジュレータギャップを変更する
ことによりＦＥＬ波長を変更することができる。しか
し、アンジュレータ内のＦＥＬの群速度が変化するため
ＦＥＬ光のバンチの位相がずれて入射してくる電子ビー
ムのバンチと交絡しなくなりＦＥＬ発振を維持すること
ができなくなる。そこで、本発明のＦＥＬ波長変更方法
では、共振器ミラー間を往復する光のバンチが電子ビー
ムのバンチと同期するように共振器長を調整することに
より、ＦＥＬ発振が可能な程度にアンジュレータ中にお
ける光と電子の相互作用を維持することができる。An FE in which the thickness of a vacuum chamber installed in an undulator gap is reduced to be a waveguide mode.
Also in the L device, the FEL wavelength can be changed by changing the undulator gap. However, since the group velocity of the FEL in the undulator changes, the phase of the bunch of the FEL light is shifted, so that the electron beam does not become entangled with the bunch of the incoming electron beam, so that the FEL oscillation cannot be maintained. Therefore, in the FEL wavelength changing method of the present invention, the resonator length is adjusted so that the bunch of light reciprocating between the resonator mirrors is synchronized with the bunch of the electron beam, so that FEL oscillation is possible in the undulator. The interaction between light and electrons can be maintained.

【００１１】なお、ＦＥＬ装置の調整を迅速にかつ適正
に行うためには、事前に調整データを収集しておくこと
が好ましい。すなわち、アンジュレータギャップをある
値にセットし、そのアンジュレータ磁場強度の下に所定
のエネルギーを持つ電子ビームを供給し、ＦＥＬを発振
させて波長を測定すると共に、ＦＥＬ出力が最大になる
ように共振器長を調整する。共振器長は一方の共振器ミ
ラーの位置を変化させることにより調整することができ
る。こうして得られる各値を記録しておく。さらに、ア
ンジュレータギャップを変更してＦＥＬを発振させて波
長を測定し、共振器長を変化させて最大出力に調整し、
これらの値を記録する。このような試験を繰り返して、
波長ごとに最適なアンジュレータギャップ、すなわちア
ンジュレータ磁場強度、と共振器長を記録しておく。In order to quickly and appropriately adjust the FEL device, it is preferable to collect adjustment data in advance. That is, the undulator gap is set to a certain value, an electron beam having a predetermined energy is supplied under the undulator magnetic field strength, the FEL is oscillated, the wavelength is measured, and the resonator is set so that the FEL output becomes maximum. Adjust the length. The resonator length can be adjusted by changing the position of one resonator mirror. The values thus obtained are recorded. Furthermore, changing the undulator gap, oscillating the FEL, measuring the wavelength, changing the resonator length and adjusting to the maximum output,
Record these values. By repeating such tests,
The optimum undulator gap for each wavelength, that is, the undulator magnetic field strength, and the resonator length are recorded.

【００１２】なお、アンジュレータギャップが変化する
とビーム軌道がずれるため、アンジュレータの入口や中
央部などに設置されている補正用のステアリング電磁石
の強度調整を行って電子ビーム位置を適正化し、これに
必要な補正電磁石調整値を記録しておくことが好まし
い。こうして得られたテーブルを用いてこれら変数の調
整を行うことができる。さらに、ＲＦリニアックのビー
ムエネルギーは安定せず、初期調整の度に数％程度の偏
倚が生ずるので、予め±５％程度まで数点のエネルギー
状態を持つ電子ビームについて試験して、波長、アンジ
ュレータギャップ、共振器長、および補正電磁石のデー
タを収得しておいて、エネルギーのばらつきに対処でき
るようにしておくことが好ましい。If the undulator gap changes, the beam trajectory shifts. Therefore, the intensity of the correction steering electromagnet installed at the entrance or the center of the undulator is adjusted to optimize the position of the electron beam, and the necessary position is adjusted. It is preferable to record the correction electromagnet adjustment value. These variables can be adjusted using the table thus obtained. Further, since the beam energy of the RF linac is not stable, and a deviation of about several percent occurs at each initial adjustment, an electron beam having several energy states up to about ± 5% is tested in advance to determine the wavelength, undulator gap, and the like. , Resonator length, and data of the correction electromagnet are preferably acquired so as to cope with energy variations.

【００１３】なお、ビームエネルギーは、波長を測定す
ることにより上記（１）式の関係から求めることもでき
る。こうして求めたエネルギー水準に基づいて使用する
データテーブルを選択することができる。また、共振器
長を変化させてアンジュレータ中のＦＥＬ光のバンチ位
置を調整する代わりに、ＲＦリニアックの周波数を調整
し電子ビームのバンチ間隔を変化させることにより、ア
ンジュレータにおける光と電子の交絡関係を確保するよ
うにしても同じ効果を得ることができる。The beam energy can also be obtained from the relationship of the above equation (1) by measuring the wavelength. The data table to be used can be selected based on the energy level thus obtained. Also, instead of adjusting the bunch position of the FEL light in the undulator by changing the resonator length, the frequency of the RF linac and the bunch interval of the electron beam are changed to change the confounding relationship between light and electrons in the undulator. Even if it secures, the same effect can be obtained.

【００１４】なお、これら調整は電子計算機を組み込ん
だ制御系を用いて自動的に行うことも可能である。な
お、ＦＥＬ波長とアンジュレータギャップ、共振器長の
関係や、アンジュレータギャップと補正電磁石強度の関
係を表したテーブルを記録する記憶装置は電子計算機内
部にあっても外部にあっても良い。また、演算機能を果
たす電子計算機と制御機能を持つコントローラを合体し
て１個の演算装置で構成することもできることはいうま
でもない。Note that these adjustments can be automatically performed using a control system incorporating a computer. The storage device for storing a table representing the relationship between the FEL wavelength and the undulator gap and the resonator length and the relationship between the undulator gap and the correction electromagnet strength may be provided inside or outside the computer. It goes without saying that an electronic computer that performs an arithmetic function and a controller that has a control function can be combined into a single arithmetic device.

【００１５】[0015]

【発明の実施の形態】以下実施例を用いて本発明を詳細
に説明する。図１は、本発明の１実施例に係るＦＥＬ波
長変更方法を適用するＦＥＬ装置のブロック図である。
図１に示したＦＥＬ装置は導波管タイプＲＦ型ＦＥＬ装
置であって、ＲＦ電子銃１で電子ビームを発生し、発生
した電子ビームをα電磁石２に入射して波長選択し、さ
らに加速管３で加速して、偏向電磁石４、５でアンジュ
レータ６の真空チャンバーに導く。電子ビームは、アン
ジュレータ６内で共振器ミラー９，１０の間に存在する
レーザ光と相互作用してレーザ光を増強し、９０度偏向
電磁石７で偏向されてビームダンプ８に吸収させる。ア
ンジュレータ６内で生成されるＦＥＬレーザ光は、共振
器ミラー１０から外部に取り出して利用する。なお、発
生したＦＥＬレーザ光は、分光器１１やジュールメータ
１２に入射させて特性を測定することができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to embodiments. FIG. 1 is a block diagram of an FEL device to which an FEL wavelength changing method according to one embodiment of the present invention is applied.
The FEL device shown in FIG. 1 is a waveguide type RF type FEL device, in which an electron beam is generated by an RF electron gun 1, the generated electron beam is incident on an α electromagnet 2 to select a wavelength, and an acceleration tube is further provided. It accelerates at 3 and is guided to the vacuum chamber of the undulator 6 by the bending electromagnets 4 and 5. The electron beam interacts with the laser light existing between the resonator mirrors 9 and 10 in the undulator 6 to enhance the laser light, and is deflected by the 90-degree bending electromagnet 7 and absorbed by the beam dump 8. The FEL laser light generated in the undulator 6 is taken out of the resonator mirror 10 and used. The generated FEL laser light can be incident on the spectroscope 11 and the Joule meter 12 to measure the characteristics.

【００１６】図２は、導波管モード真空チャンバーの断
面を概念的に示す図面である。図２に示すように、真空
チャンバー１３は、アンジュレータ６内においてアンジ
ュレータ磁石１４に挟まれるように配置され、アンジュ
レータギャップｄの方向における厚みｂを狭くし、ＦＥ
Ｌ光１５に対して導波管として作用するようにしてあ
る。このような導波管内の光の群速度Ｖｇは、光速を
ｃ、ＦＥＬ波長をとして、 Ｖｇ＝ｃ｛１−(λ_ＦＥＬ／２ｂ)^２｝^１／２ （３） と表され、導波管の厚みｂに応じて光の群速度Ｖｇを光
速より遅くすることができる。そこで、エネルギーが小
さくて速度の遅い電子ビームを使用するときは、導波管
厚みｂを調整して光の群速度Ｖｇを電子速度と近い値に
することにより、光と電子の相互作用を確保することが
できる。FIG. 2 is a drawing conceptually showing a cross section of the waveguide mode vacuum chamber. As shown in FIG. 2, the vacuum chamber 13 is arranged so as to be sandwiched between the undulator magnets 14 in the undulator 6, reduces the thickness b in the direction of the undulator gap d, and
The light 15 acts as a waveguide. The group velocity Vg of light in such a waveguide is expressed as Vg = c ＝ 1− (λ _FEL / 2b) ² ｝ ^1/2 (3) where c is the speed of light and FEL wavelength. The light group velocity Vg can be made slower than the light velocity according to the thickness b of the light. Therefore, when using an electron beam having a low energy and a low speed, the interaction between light and electrons is secured by adjusting the waveguide thickness b to make the group velocity Vg of light close to the electron velocity. can do.

【００１７】図３はアンジュレータと共振器長の関係を
説明する図面である。図３において、アンジュレータ磁
石列１４の間隔であるアンジュレータギャップｄを変更
するとアンジュレータパラメータＫが変化するため、先
に述べた下式（４）に従って、ＦＥＬ波長λ_ＦＥＬを変
更することができる。 λ_ＦＥＬ＝λ_Ｗ（Ｋ^２＋１）／γ^２ （４） ただし、本実施例のＦＥＬ装置は導波管モードを用いる
ため、ＦＥＬ波長が変化すると式（３）に従って真空チ
ャンバー１３内のＦＥＬ光の群速度が変化するので、変
更前に同期していた共振器ミラー９，１０の間で往復す
る光のバンチと入射してくる電子ビームのバンチの同期
が外れてしまうおそれがある。そこで、本実施例では、
共振器ミラー９，１０間の距離を調整することにより光
バンチの位相を調整して、入射電子バンチと同期させる
ようにしてＦＥＬ発振を確保するようにしてある。な
お、両者の同期は、電子ビームの周波数を調整すること
によっても、得ることができる。FIG. 3 is a drawing for explaining the relationship between the undulator and the resonator length. In FIG. 3, when the undulator gap d, which is the interval between the undulator magnet rows 14, is changed, the undulator parameter K changes. Therefore, the FEL wavelength λ _FEL can be changed according to the above-described equation (4). λ _FEL = λ _W (K ² +1) / γ ² (4) However, since the FEL device of the present embodiment uses the waveguide mode, when the FEL wavelength changes, the FEL light in the vacuum chamber 13 according to the equation (3). , The bunch of light that reciprocates between the resonator mirrors 9 and 10 that was synchronized before the change and the bunch of the incident electron beam may be out of synchronization. Therefore, in this embodiment,
The phase of the optical bunch is adjusted by adjusting the distance between the resonator mirrors 9 and 10, so that FEL oscillation is ensured by synchronizing with the incident electron bunch. The synchronization between the two can also be obtained by adjusting the frequency of the electron beam.

【００１８】なお、アンジュレータのギャップを変更す
るとアンジュレータ内の磁場分布が変化するため、電子
ビームの性状や軌道位置が変化することになる。そこ
で、アンジュレータの前後や内部の随所に補正電磁石
（ステアリング電磁石）が設けられていて、電子ビーム
の性状を調整したり、軌道位置を微調整することができ
るようにしてある。補正電磁石には、たとえば、加速管
３の末端に設けられた偏向電磁石４に付帯する補正電磁
石２１、アンジュレータ６の入口までの電子ビーム軌道
に設けられた補正電磁石２２、さらに、アンジュレータ
６の入口の偏向電磁石５に付帯する補正電磁石２３、ア
ンジュレータ６内とアンジュレータ６の外側の電子ビー
ムが通る位置に随所に設けられる図１に参照番号２４，
２５，２６で示す補正電磁石などがある。If the gap of the undulator is changed, the magnetic field distribution in the undulator changes, so that the properties and the orbital position of the electron beam change. Therefore, correction electromagnets (steering electromagnets) are provided before, after, and inside the undulator so that the properties of the electron beam can be adjusted and the orbital position can be finely adjusted. The correction electromagnet includes, for example, a correction electromagnet 21 attached to the deflection electromagnet 4 provided at the end of the acceleration tube 3, a correction electromagnet 22 provided on the electron beam trajectory up to the entrance of the undulator 6, and further, at the entrance of the undulator 6. A correction electromagnet 23 attached to the bending electromagnet 5, and reference numerals 24 and 24 shown in FIG. 1, which are provided everywhere in the undulator 6 and where the electron beam passes outside the undulator 6,
There are correction electromagnets 25 and 26 and the like.

【００１９】図４は、本実施例におけるＦＥＬ波長変更
制御系のブロック図である。アンジュレータ２７のギャ
ップｄはギャップ制御装置２８により設定することがで
きる。また、共振器ミラー２９の共振器長Ｌは共振器制
御器３０により調整することができる。共振器長は、一
方の共振器ミラーを基準として他方の共振器ミラーの位
置を変化させることにより調整することができる。さら
に、各補正電磁石３１，３２，３３，３４は、それぞれ
に対応して設けられた電源装置３５，３６，３７，３８
に接続されていて、それぞれ独立に電流を供給して、補
正磁場を発生することができる。FIG. 4 is a block diagram of the FEL wavelength change control system in this embodiment. The gap d of the undulator 27 can be set by the gap control device 28. The resonator length L of the resonator mirror 29 can be adjusted by the resonator controller 30. The resonator length can be adjusted by changing the position of one resonator mirror with reference to the other resonator mirror. Further, each of the correction electromagnets 31, 32, 33, and 34 is provided with a corresponding one of the power supply units 35, 36, 37, and 38.
, And can independently supply current to generate a correction magnetic field.

【００２０】ギャップ制御装置２８と共振器制御器３
０、および、補正電磁石用電源装置３５，３６，３７，
３８は、コントローラ３９により協調的に制御され、さ
らに、コントローラ３９は演算処理能力を有するコンピ
ュータ４０によって制御される。コントローラ３９に
は、論理演算が可能なシーケンスコントローラや複合制
御装置を利用することができる。なお、コンピュータ４
０には、アンジュレータギャップｄと波長λ_ＦＥＬとそ
のときに出力を最大化する共振器長に関するデータ、お
よびアンジュレータギャップｄにおける適正な補正磁石
強度に関するデータを格納したデータファイル４１を付
属させてある。The gap controller 28 and the resonator controller 3
0, and power supplies 35, 36, 37,
The controller 38 is cooperatively controlled by a controller 39, and the controller 39 is controlled by a computer 40 having an arithmetic processing capability. As the controller 39, a sequence controller or a complex control device capable of performing a logical operation can be used. The computer 4
0 is accompanied by a data file 41 storing data on the undulator gap d, the wavelength λ _FEL , the length of the resonator that maximizes the output at that time, and the data on the appropriate correction magnet strength at the undulator gap d.

【００２１】アンジュレータギャップと波長などに関す
る調整データは、事前に実地の試験を重ねて収集してお
く。すなわち、アンジュレータギャップｄをたとえば１
５ｍｍから２５ｍｍなど可変範囲内のある値にセット
し、そのアンジュレータ磁場強度の下に所定のエネルギ
ーを持つ電子ビームを供給し、ＦＥＬ発振させてＦＥＬ
波長λ_ＦＥＬを測定する。また、このときＦＥＬ出力が
最大になるように共振器長Ｌを調整して、得られた各値
を記録する。さらに、アンジュレータギャップｄを変更
してＦＥＬを発振させて波長λ_{ＦＥ Ｌ}を測定し、共振器
長Ｌを変化させて最大出力に調整し、これらの値を記録
する。このような試験を繰り返すことにより、アンジュ
レータギャップｄごとにＦＥＬ波長λ_ＦＥＬとそのとき
の最適な共振器長Ｌを記録した調整データ表が得られる
ので、これをデータファイル４１に格納する。Adjustment data relating to the undulator gap, wavelength, etc. are collected in advance through actual tests. That is, the undulator gap d is set to, for example, 1
It is set to a certain value within a variable range such as 5 mm to 25 mm, an electron beam having a predetermined energy is supplied under the undulator magnetic field strength, and the FEL is oscillated.
The wavelength λ _FEL is measured. At this time, the resonator length L is adjusted so that the FEL output becomes maximum, and the obtained values are recorded. Furthermore, by measuring the wavelength lambda _{FE L} by oscillating the FEL by changing the undulator gap d, it is adjusted to the maximum output by changing the resonator length L, and records these values. By repeating such a test, an adjustment data table in which the FEL wavelength λ _FEL and the optimum resonator length L at that time are obtained for each undulator gap d is obtained, and is stored in the data file 41.

【００２２】図５は、このようにして作成される調整デ
ータ表を示すものである。図５は、電子ビームエネルギ
ーが１００％であるケースで、アンジュレータギャップ
ｄを１５ｍｍから２５ｍｍまで１ｍｍ刻みで変化させた
ときのＦＥＬ波長λ_ＦＥＬを記載し、さらにそのギャッ
プにおける最適な共振器長Ｌが記載されている。この表
を用いれば、所望の波長に対してアンジュレータギャッ
プが求まり、最大出力を発生させる共振器長を知ること
ができる。これらの値が調整データ表にない場合にも、
内挿あるいは外挿により求めればよいことはいうまでも
ない。コンピュータ４０は、データファイル４１中の調
整データ表に基づいて、ギャップと共振器長の設定値を
コントローラ３９に与え、コントローラ３９はギャップ
制御装置３０と共振器制御器２８を調整して、目的の波
長を持ったＦＥＬ光を発生させることができる。FIG. 5 shows an adjustment data table created in this way. FIG. 5 shows the FEL wavelength λ _FEL when the undulator gap d is changed in steps of 1 mm from 15 mm to 25 mm in a case where the electron beam energy is 100%, and the optimum resonator length L in the gap is Has been described. Using this table, the undulator gap can be determined for a desired wavelength, and the length of the resonator that generates the maximum output can be known. If these values are not in the reconciliation data table,
It goes without saying that the value may be obtained by interpolation or extrapolation. The computer 40 gives the set values of the gap and the resonator length to the controller 39 based on the adjustment data table in the data file 41. The controller 39 adjusts the gap controller 30 and the resonator controller 28 to FEL light having a wavelength can be generated.

【００２３】なお、ＲＦリニアックを用いると初期調整
ごとに電子ビームエネルギーが変動するので、標準のエ
ネルギーと異なる場合にも対処できるようにする必要が
ある。そこで、変動範囲である±５％程度まで、エネル
ギー状態が異なるいくつかの電子ビームについて試験し
て、同様の調整データ表を作成しておいて、エネルギー
のばらつきに対処できるようにしておくことが好まし
い。また、アンジュレータギャップｄを変更したときに
変化する電子ビームの性状や軌道位置を適正な状態に戻
すために必要となる補正電磁石の磁場強度調整量は、実
際にアンジュレータギャップｄごとにＦＥＬ発振するよ
うに調整して得られる値を記録して用いる。When the RF linac is used, the electron beam energy fluctuates at each initial adjustment. Therefore, it is necessary to cope with the case where the energy differs from the standard energy. Therefore, several electron beams having different energy states are tested up to the fluctuation range of about ± 5%, and a similar adjustment data table is prepared so that energy fluctuation can be dealt with. preferable. In addition, the amount of magnetic field strength adjustment of the correction electromagnet necessary to return the properties and the orbital position of the electron beam, which change when the undulator gap d is changed, to an appropriate state is set such that FEL oscillation is actually performed for each undulator gap d. Record and use the value obtained by adjusting.

【００２４】図６は、予め試験して求めた電子ビーム調
整用データ表である。アンジュレータギャップｄを１ｍ
ｍ刻みで変化させて、各刻みごとに求めた各補正電磁石
ａ，ｂ，ｃ，ｄの適正な磁場強度Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが記載
されている。所望のＦＥＬ波長に基づいてアンジュレー
タギャップを選択したときは、この表を用いて各補正電
磁石の強度を適正に調整してＦＥＬ発振を確保すること
ができる。なお、表にないアンジュレータギャップを用
いる場合にも、内挿または外挿により補間して適切な補
正電磁石強度を算出することができる。電子ビームエネ
ルギーが異なれば同じアンジュレータギャップでも補正
電磁石磁場強度の最適値が若干変化するので、より厳密
に調整するためには、電子ビームエネルギーが変わった
ときの最適状態についてもそれぞれ測定して記録したテ
ーブルを準備して使用することが好ましい。FIG. 6 is an electron beam adjustment data table obtained by performing a test in advance. Undulator gap d is 1m
Appropriate magnetic field strengths A, B, C, and D of the correction electromagnets a, b, c, and d obtained for each step while being changed in steps of m are described. When the undulator gap is selected based on the desired FEL wavelength, the intensity of each correction electromagnet can be appropriately adjusted using this table to ensure FEL oscillation. Even when an undulator gap not shown in the table is used, an appropriate corrected electromagnet strength can be calculated by interpolation by interpolation or extrapolation. If the electron beam energy is different, the optimum value of the correction electromagnet magnetic field intensity slightly changes even at the same undulator gap, so for more precise adjustment, the optimum state when the electron beam energy was changed was also measured and recorded. It is preferable to prepare and use a table.

【００２５】設定したアンジュレータギャップで発振し
たＦＥＬ光の波長は分光器１１で測定して確認すること
ができる。ＦＥＬの発振波長λ_ＦＥＬは、アンジュレー
タ磁石の周期長λ_Ｗとアンジュレータ磁場状態の表示で
あるアンジュレータパラメータＫと電子ビームエネルギ
ーの表現であるローレンツファクターγを用いて、 λ_ＦＥＬ＝λ_Ｗ（Ｋ^２＋１）／γ^２ と表すことができる。したがって、所定のアンジュレー
タ磁場強度下で発振したＦＥＬ波長λ_ＦＥＬを測定する
ことにより求めたローレンツファクターγから電子ビー
ムエネルギーを算定し、エネルギーごとに準備された波
長設定用調整データ表を選択して、アンジュレータギャ
ップ、共振器長、さらに補正電磁石強度などの適正化を
図ることもできる。The wavelength of the FEL light oscillated at the set undulator gap can be confirmed by measuring with the spectroscope 11. The oscillation wavelength λ _FEL of the _FEL is obtained by using the period length λ _W of the undulator magnet, the undulator parameter K representing the state of the undulator magnetic field, and the Lorentz factor γ representing the electron beam energy, as follows: λ _FEL = λ _W (K ² +1) ) / Γ ² . Therefore, the electron beam energy is calculated from the Lorentz factor γ obtained by measuring the FEL wavelength λ _FEL oscillated under a predetermined undulator magnetic field strength, and a wavelength setting adjustment data table prepared for each energy is selected. The undulator gap, resonator length, and correction electromagnet strength can be optimized.

【００２６】[0026]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のＲＦ型遠赤
外ＦＥＬ波長変更方法を用いることにより、導波管タイ
プのＦＥＬ装置により発生するＦＥＬの波長をより容易
に変更することができる。特に、調整用のデータを予め
準備しておくことにより、コンピュータを用いて自動的
に装置の調整をして所望の波長の遠赤外ＦＥＬを発生さ
せることができる。As described above, the wavelength of the FEL generated by the waveguide-type FEL device can be changed more easily by using the method of changing the wavelength of the far infrared FEL of the present invention. In particular, by preparing data for adjustment in advance, it is possible to automatically adjust the apparatus using a computer and generate a far-infrared FEL having a desired wavelength.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の１実施例に係るＦＥＬ波長変更装置を
備えるＦＥＬ装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an FEL device including an FEL wavelength changing device according to one embodiment of the present invention.

【図２】本実施例における導波管モード真空チャンバー
の作用を説明する図面である。FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of a waveguide mode vacuum chamber in the present embodiment.

【図３】本実施例におけるアンジュレータと共振器長の
関係を説明する図面である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between an undulator and a resonator length in the present embodiment.

【図４】本実施例に係るＦＥＬ波長変更装置の制御系統
を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram illustrating a control system of the FEL wavelength changing device according to the embodiment.

【図５】本実施例におけるアンジュレータギャップと共
振器長の調整値を示すテーブルである。FIG. 5 is a table showing adjustment values of an undulator gap and a resonator length in the present embodiment.

【図６】本実施例における補正電磁石の調整値を示すテ
ーブルである。FIG. 6 is a table showing adjustment values of a correction electromagnet in the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ ＲＦ電子銃 ２ α電磁石 ３ 加速管 ４，５ 偏向電磁石 ６ アンジュレータ ９，１０ 共振器ミラー ７ ９０度偏向電磁石 ８ ビームダンプ １１ 分光器 １２ ジュールメータ １３ 真空チャンバー １４ アンジュレータ磁石 １５ ＦＥＬ光 ２１，２２，２３，２４，２５，２６ 補正電磁石 ２７ アンジュレータギャップ ２８ ギャップ制御装置 ２９ 共振器ミラー ３０ 共振器制御器 ３１，３２，３３，３４ 補正電磁石 ３５，３６，３７，３８ 電源装置 ３９ コントローラ ４０ コンピュータ ４１ データファイル 1 RF electron gun 2 α electromagnet 3 Accelerator tube 4,5 Bending electromagnet 6 Undulator 9,10 Resonator mirror 7 90 degree bending electromagnet 8 Beam dump 11 Spectrometer 12 Joule meter 13 Vacuum chamber 14 Undulator magnet 15 FEL light 21,22,23,24,25,26 Correction electromagnet 27 Undulator gap 28 Gap control device 29 resonator mirror 30 Resonator controller 31,32,33,34 Correction electromagnet 35, 36, 37, 38 power supply unit 39 Controller 40 Computer 41 Data file

フロントページの続き (72)発明者 小池 英仁 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業 株式会社野田工場内 Ｆターム(参考） 2G085 AA03 BA20 CA19 DB08 5F072 GG02 MM16 PP02 RR10 YY01 YY08 Continuation of front page    (72) Inventor Hidehito Koike             118 Futatsuka, Noda City, Chiba Prefecture Kawasaki Heavy Industries             Noda Factory Co., Ltd. F term (reference) 2G085 AA03 BA20 CA19 DB08                 5F072 GG02 MM16 PP02 RR10 YY01                       YY08

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 １００μｍ以上の遠赤外領域のＦＥＬ光
を発生するＳバンドＲＦリニアックを用いた導波管モー
ドＦＥＬ発生装置において、一定の電子ビームエネルギ
ーの下でＦＥＬ発振させた後に、アンジュレータギャッ
プを変更して波長を変更すると共に、共振器長を調整し
てアンジュレータ中のＦＥＬ光のバンチを電子ビームの
バンチに同期させることにより、ＦＥＬ波長を広範囲に
変更することを特徴とするＲＦ型遠赤外ＦＥＬ波長変更
方法。1. A waveguide mode FEL generator using an S-band RF linac that generates FEL light in the far-infrared region of 100 μm or more, after oscillating FEL under a constant electron beam energy, and then adjusting the undulator gap. In addition, the wavelength of the FEL light is changed by adjusting the cavity length, and the bunch of the FEL light in the undulator is synchronized with the bunch of the electron beam by adjusting the resonator length, thereby changing the FEL wavelength in a wide range. Infrared FEL wavelength changing method. 【請求項２】 基準のアンジュレータギャップで発振さ
せたときのＦＥＬ波長を測定して、ＦＥＬ波長から電子
ビームエネルギーを算出し、算出された電子ビームエネ
ルギーを用いて所望のＦＥＬ波長を得るアンジュレータ
ギャップを決めることを特徴とする請求項１記載のＲＦ
型遠赤外ＦＥＬ波長変更方法。2. An undulator gap for obtaining a desired FEL wavelength by measuring an FEL wavelength when oscillating at a reference undulator gap, calculating an electron beam energy from the FEL wavelength, and using the calculated electron beam energy. 2. The RF according to claim 1, wherein the RF is determined.
Type far infrared FEL wavelength changing method. 【請求項３】 前記アンジュレータギャップの変更時に
補正電磁石強度を調整して電子ビーム位置を適正化する
ことを特徴とする請求項１または２記載のＲＦ型遠赤外
ＦＥＬ波長変更方法。3. The method according to claim 1, wherein the position of the electron beam is adjusted by adjusting the intensity of the correction electromagnet when changing the undulator gap. 【請求項４】 前記アンジュレータギャップの適正値ま
たは補正電磁石強度調整値は、予め試験により求めたデ
ータを参照して利用す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ＲＦ型遠赤外ＦＥＬ波長変更方
法。4. The RF type remote controller according to claim 1, wherein the proper value of the undulator gap or the corrected electromagnet strength adjustment value is used by referring to data obtained by a test in advance. Infrared FEL wavelength changing method. 【請求項５】 １００μｍ以上の遠赤外領域のＦＥＬ光
を発生するＳバンドＲＦリニアックを用いた導波管モー
ドＦＥＬ発生装置において、アンジュレータギャップを
調整するギャップ制御装置と、共振器ミラー間の距離を
調整する共振器制御器と、該ギャップ制御装置と共振器
制御器を制御するコントローラと、該コントローラに設
定値を教示するコンピュータと、該コンピュータに接続
されアンジュレータギャップごとに発振できるＦＥＬ波
長と適正な共振器長の対応テーブルを記録した第１の記
憶装置を備え、前記コンピュータが所望のＦＥＬ波長に
対応してアンジュレータギャップと共振器長を算定して
これを前記コントローラに指示し、該コントローラがそ
れぞれ前記ギャップ制御装置と共振器制御器を設定して
算定されたアンジュレータギャップと共振器長を実現さ
せることを特徴とするＲＦ型遠赤外ＦＥＬ波長変更装
置。5. A waveguide mode FEL generator using an S-band RF linac that generates FEL light in the far infrared region of 100 μm or more, a distance between a gap control device for adjusting an undulator gap and a resonator mirror. A controller that controls the gap controller and the resonator controller, a computer that teaches set values to the controller, and an FEL wavelength that is connected to the computer and that can oscillate for each undulator gap. A first storage device storing a correspondence table of various resonator lengths, wherein the computer calculates an undulator gap and a resonator length corresponding to a desired FEL wavelength, and instructs the controller to the undulator gap and the controller. Ange calculated by setting the gap controller and the resonator controller respectively RF-type far-infrared FEL wavelength changing device, characterized in that to realize the resonator length and Tagyappu. 【請求項６】 さらに、アンジュレータの内部と周辺位
置に備えた補正電磁石の磁場強度を調整する電源装置を
備えて前記コントローラに接続され、アンジュレータギ
ャップごとに電子ビームの位置を適正な状態に調整する
ための補正電磁石強度調整値のテーブルを記録した第２
の記憶装置を備えて前記コンピュータに接続され、前記
アンジュレータギャップの変更に伴って該テーブルを参
照して補正電磁石強度を適正化することを特徴とする請
求項５記載のＲＦ型遠赤外ＦＥＬ波長変更装置。6. A power supply device for adjusting the magnetic field strength of a correction electromagnet provided inside and around the undulator and connected to the controller to adjust the position of the electron beam to an appropriate state for each undulator gap. Of the correction electromagnet strength adjustment value table for
6. The RF far-infrared FEL wavelength according to claim 5, wherein the storage device is connected to the computer, and the correction electromagnet strength is optimized by referring to the table when the undulator gap is changed. Change device. 【請求項７】 さらに、分光器を備えて、基準のアンジ
ュレータギャップにおいて発振したＦＥＬの波長を測定
し、測定結果を用いて電子ビームのエネルギーを算出
し、所望の波長に変更する場合のアンジュレータギャッ
プを算定することを特徴とする請求項５または６記載の
ＲＦ型遠赤外ＦＥＬ波長変更装置。7. An undulator gap for providing a spectroscope, measuring the wavelength of the FEL oscillated in the reference undulator gap, calculating the energy of the electron beam using the measurement result, and changing the energy to a desired wavelength. The RF far-infrared FEL wavelength changing device according to claim 5 or 6, wherein is calculated.