氏名・ (本籍) Kittip。ng Kasams。。k 学位の種類博士 (理 - 東北大学

キッティボンカサムスック
氏名･(本籍)
Kittipong Kasamsook
学位の種類
博士(理学)
学位記番号
理博第2 4 5 6号
学位授与年月日
平成20年g月 9 日
学位授与の要件
学位規則第4条第1項該当
研究科,専攻
東北大学大学院理学研究科(博士課程)物理学専攻
学位論文題目
Design and test of low emittance electron beam for Smith-Purcell
backward wave oscillator free electron laser
(スミスーパーセル後進波自由電子レーザーのための低エミッタンス電千
ビームのデザインとテスト)
論文.審査委員
(主査) 教授潰広幸
教授酒
見合垣
泰寛
准教授河
正之,前田和茂
教授大
英明(京都大学)
論文目次
Chapter 1 lmtro血ction
5
1.1 Motivation fわr this research
5
10
1.2 Overview of this research
chapter 2 Application of low emittance electron beam for Smith-Purcell Backward Wave Oscillator
Free Electron Laser (BWO FEL)
ll
2.1 Smith-Purcell radiation and FEL
ll
2.1.1 Basic prlnCiples of an FEL
12
2･ 1･2 Basic prlnCiples of Smith-Purcell radiation
17
19
2,2 Prediction f♭r Smith-PllrCell BWO デEL
2.2.1 Simulation of SIP BWO FEL
20
2.2.2 Summary and prospect
27
Chapter 3 Development of a low emittance compact DC gun
28
3.1 Design parameters
28
3.2 Cathode consideration
32
3.2.1 Themionic cathode
33
3.2.2 LaB6 cathode
34
3.2.2.1 Themal emittance or LaB6 cathode
35
3.2.2.2 Measurement of cathode temperature
36
3.2.3 One dimensional model of space-charge limited current
-14一
37
3.2.4 Emission current density
40
3.3 Emittance compensation
42
3.4 Characteristics of a low emittance compact DC gun
43
3.4.1 V-I characteristics
43
3.4.2 Gun brightness and lifetime
46
3.4,3 Gun high voltage
47
3.5 Gun simulations
48
3.6 Support systems
51
3.6.1 Power supply system
51
3.6.2 Ultra high vacuum system
53
3.6.3 Solenoid lens
54
3.6.4 Cu汀ent tranSfbmer
57
3.6.4.1 Method to solve the charge-up problem at FCT ceramic
3.6.5 Corona nng
58
61
3.7 Cathode alignment and assembly
62
Chapter 4 Beam quality measurements of the low emittance compact DC gun ･..･･････.･･--･････-････ 64
4.1 Beam optlC review
4.I,1 Emittance definition
4.1.2 Twiss parameter
4.2 Beam size measurement
4.2.1 0veⅣiew of measurement system
4.2.2 Slit scan method fわr beam size measurement
4.2.2.I Manufacturing of slit and problems
4,2.2.2 Measurement results
4.3 Solenoid scan method
4.3.1 0veⅣiew or measurement system
4.3.2 Thin lens approximation
4.3.3 Error deduction of a solenoid scan teclmique
4.4 Double slits measurement
4.4.1 Overview of measurement system
4.4.2 Principle of double slit measurement
4.4.3 Design consideration fわr the slits
4.4.4 Measurement results of double slits
4.4,5 Resolution or double slit measurement
Chapter 5 Beam quality analysis of the low emittance compact DC gun
5.1 Beam current dependence
5.1.1 Experimental and simulation results
5.1.2 Discussion
5.2 Bias voltage dependence
5.2.1 Experimental and simulation results
-15-
5.2.2 Discussion
1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 3 3 つJ 3 4 4 5 5 3 3 5 ′0 0 父UOノ 0 2 1
Chapter 6 Conclusion
6.1 SumaⅣ and achievement
6.2 Future prospect and suggestion
Acknowledgment..................................I
Appendices
A: HV circuit diagram of a low emittance compact DC gun
B: CT calibration
C: The data performed by StJS 316I. Slitwithwidth of 50 llm
D: EquatioJlS Of motion iJl Charged particle beam dyJlamics
References
論文内容要旨
This thesis presents design, the implementation,the experiment and analysis of beam qualityof a low
emittance compact DC gun developed at Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University. This developed
DC gun as shownin figure 1 will be used for the Smith-Purcell Backward Wave Oscillator Free Electron
Laser (SIP BWO FEL) application. We have chosen a single crystal of LaB6 aS the thermionic cathode, which
can provide higher current densitywith good homogeneityelectron emission. The DC gun employs a high
voltage of 50 kV to extract electrons, which is suitable to drive S-P BWO FEL･ We achieved the maximum
electron beam current more than 300 mA. A very small normalizedrms emittance less than 1 7rmm mrad was
achieved by applying the special negative bias voltage between me cathode electrode and the wehnelt electrode to manlPulate the transverse beam emittance. The transverse phase space of this small value of emittance
is shown in figure 2. Particularly by applying additional bias voltage betweenthe cathode and the welmelt,
the transverse distribution of electrons is possibly becoming to be an ideal Kapchinskij-Vladimirskij (KIV)
beam, so that the space charge effect will be minimized･
Up to也e present, it should be noted that the themionic DC electron guns with an emittance below l･0
7Tmm mrad are presently not available. It seems our developed thermionic DC gun achieved the smallest
emittance at this moment. Furthermore, a 3-D numerical simulation for SIP BWO FEL uslng Our DC beam
parameters gave a good prediction to generate the sub-terahertz radiation by an emittance lower than 1 7Tmm
mrad･ Average power is expected to be I kW/mm2 as shown in figure 31
Figure 1: A low emittance compact DC gun developed at LNS･
-16-
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Figure 2: The transverse phase space of a nor-
Figure 3: Evolution of the radiation power
malized rms emittance lessthan 1 ZTmm mrad
simulation resulted from a 3_D numerical
after applying a specialnegative bias voltage
simulation for S-P BWO FEL by uSlng an
between cathode and welmelt.
emittance of I.0 7Tmm mrad.
-17-
論文審査の結果の要旨
理論的に予言されているスミスー/l･-セル後進波自由電子レーザー(S-P BWO FEL)の発振には､運動
ェネルギーが数十KeVと小さく､しかしながら規格エミッタンスがlpmmmrad以下の非常に輝度が高い
直流電子ビームが必要と考えられている0-従来､低エネルギー領域では電子ビーム自身の空間電荷効果が
強くエミッタンスは急激に増大するためこのような高輝度電子ビームは生成不可能とされてきたo近年､
一方ではⅩ線自由電子レーザーなどの高度な電子ビーム利用が注目され､光陰極高周波電子銃が新たな電
子源として急速に発展しているが､これからのビームはエネルギーが高すぎる上に遅い繰り返しのパルス
ビームであることなどから原理的にS-P BWO FELへの応用は不可能であることから､新たな高輝度直
流電子源の開発が望まれている｡
Kittipong Kasamsook君の提出した博士論文は､ S-P BWO FELの実証を目指して極めて高輝度な電子
ビームを生成することを目的とした50kV直流型電子銃の開発に関わる研究を纏めたものである｡この電
子銃は高い放出電流密度を持つホウ化物金属の一つであるLaB`の非常に小さな単結晶を陰極に採用し､
またエミッタンス増大の原因の一つとされるグ.)ッド構造を除いて､極めて小さなエミッタンスのビーム
生成を目指したものである.論文では2垂スリット法を用いた電子-ムの横方向位相空間測定を中心と
した電子銃の性能評価に重点に置き､空間電荷の非線形効果によるエミッタンス増大現象についてビーム
電流依存性を調べた｡綿密に測定されたビームの位相空間分布はシステムの高い安定性に支えられ､非常
に質の高い実験データであることに大きな価値があると言えるo
電子ビームのエミッタンス増大の原因は､外部から印加される電場の横方向成分及びビーム自身が誘起
する空間電荷効果の非線形線分とされる｡仮にこれらのエミッタンス増大の原因が全て除去されれば､陰
極表面でもたらされる固有の熱エミッタンスとして算出される0125pmmmradが到達し得る最小の規格化
ェミックンスである｡論文では外部からのバイアス電圧印加によって陰極近傍の等ポテンシャル面を操作
することによって､電子の空間分布が線形な空間電荷効果のみを持つ､即ちエミッタンス増大が起きない
Kapchinskij-Vladimhskijビームと呼ばれる状態に近づける事が可能である事を実験的に明らかにしたo到
達した規格化エミッタンスは熱エミッタンスまでには至らないものの､世界記録レベルと認める事が出来
るlpmmmrad以下であることを明らかにし､ S-P BWO FELの実証研究に進む最初の一歩を刻む成果と
なった｡
研究テーマの独自性と成果の有為性が高い段階に適しており､研究を自立して行う高度な研究能力と学
識を有していることは明瞭であるo従ってKittipong Kasamsook君提出の博士論文は､博士(理学)の学
位論文として合格と認める｡
-18-

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