ストリークカメラを用いたOTR測定による極短電子

FLOL05 (電子加速器)
Tohoku University
ストリークカメラを用いたOTR測定による
極短電子ビームバンチ長計測
齊藤寛峻, 柏木茂, 日出富士雄, 武藤俊哉, 阿部太郎, 柴崎義信,
南部健一, 長澤育郎, 高橋健, 東谷千比呂, 小林恵理子, 浜広幸
東北大学電子光理学研究センター
第12回日本加速器学会年会
(2015年8月5日～7日 @プラザ萬象、あいあいプラザ)
Contents
1. Introduction
 Velocity Bunchingによる極短パルス電子ビーム生成
2. t-ACTSにおける極短パルス電子ビーム生成と計測
 実験セットアップ
 OTR
 測定結果
3. OTR光輸送により発生する時間拡がりに関する考察
 波長分散による影響
 集光光学系による影響
4. まとめと今後の課題
超短電子バンチ生成（Velocity bunching）
Velocity bunching
L. Serafini and M. Ferrario, Proc. Of ICFA Workshop on the physics of,
and Science with, The X-Ray Free-Electron Laser, Sept 2000.
• 進行波型加速管のRFの位相速度よりわずかに遅い速度 (vbeam < vp,RF)で
ビームを加速管に入射
電子ビームの縦方向位相空間分布は、加速管の中で phase slip を
しながらバンチ圧縮され、同時に加速される。
t-ACTSにおける超短電子バンチ生成と計測
•
バンチ長計測： OTR光をストリークカメラを使い測定
(ビームの加速管への入射位相をパラメータにしバンチ長を測定)
Beam parameters
Energy: 50 MeV(max)
Peak current: 60 mA
Pulse width: 3 usec
t-ACTS
(test Accelerator for Coherent THz Source)
遷移放射光（OTR）
Exact formula of OTR
Ginzburg-Frank Formula
Ω
Ω
=
=
4
sin
−cos
+
1 − cos
4 1 + sin
4
sin 1 − cos (eq. 1)
(eq. 2)
e+ (image charge)
metal foil
45°
e-
θ
• 1⁄ に比例する広い波長スペクトルをもつ。
• OTRは電子ビームのエネルギーに依存した発散
角を持つ。
10mm
• ストリーク光輸送系に集光素子が必要。
OTR image (I.I. camera)
OTR光輸送系
Concave mirror
(f=500mm)
 OTR optical path length： ~10m
Off-axis parabolic mirror
(φ=76.2mm, f=178mm)
 OTR optical path length： ~10m
バンチ長測定結果
2.5
GPT code
50ps range
100ps range
RMS bunch length [ps]
2
1.5
1
0.5
=
0
-100
-80
-60
+
-40
-20
0
20
Injection phase [deg]
 これまで測定の時間分解能として考慮していたもの
• ストリークカメラのスリット幅の影響
Measured range
Temporal resolution
100 ps range
1.05 ps
50 ps range
0.37 ps
OTR光輸送により発生する時間拡がりに関する考察
1. 波長分散による時間拡がり
•
空気の屈折率
•
光輸送系の透過率（真空窓、ミラー）
•
ストリークカメラ光電面の量子効率
2. 集光光学系による時間拡がり
•
凹面鏡・軸外し放物面鏡の収差
空気中の分散による時間拡がりへの影響
空気中の分散による広がりの影響
短い波長ほど屈折率が大きくなるので、時間がかかる
1E-1
OTR のスペクトル
+ 光学素子の特性
1E-2
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
200
400
時間
600
800
1000
wavelength [nm]
OTRの各波長成分が同時に放出
されたとしても、分散により時間
拡がりを生じる
赤： OTRの波長スペクトル（～1 / λ）
青：赤×窓の透過率×ミラーの反射率
緑：青×ストリークの量子効率
真空窓
（合成石英）
6枚
OTR発光点
（Alミラー）
凹面鏡
1200
Al平面ミラー
10m
FESCA-200
放物面鏡
ストリークカメラ
空気中の分散による時間拡がりへの影響
標準空気の屈折率
空気の分散によるOTRの時間広がり
dry air at 15 ℃, 101 325 Pa
and with 450 ppm CO2 content
6E-3
1.000310
標準偏差
0.18 ps
5E-3
1.000305
波長が短くなると、
急激に屈折率が大きくなる
1.000300
4E-3
1.000295
3E-3
1.000290
1.000285
2E-3
1.000280
1E-3
1.000275
1.000270
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
wavelength [nm]
波長に依存して空気の屈折率が違うため
に、１０ｍ先で生じる光の到達時間の差
=
×
−
Lpath : 光路長（10 ｍ）
n : 屈折率
c : 光速
t0 : 基準時間＠230 nm
0
-1.2
-1.1
長波長
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
time delay [ps]
-0.6
-0.5
-0.4
短波長
＊空気の分散で 180 fs 程度広がる
＊波長にして300～500 nm程度の光が最も光量が
多いが、~300 nm以下の短波長の光は後ろの
テールへの寄与が大きい
OTR集光光学系による時間拡がりへの影響（評価方法）
X
焦点
Ginzburg-Frank Formula
sin =
1 − cos Ω 4
90°非軸放物面鏡
= 177.8mm
= 76.2mm
Y
面x=1mでのOTR分布
0.15
0.1
y単位：m
0.05
Alミラー
（ビーム軸）
原点
45°
-0.05
ビーム( 軸)
基準ライン
20°
-0.1
-0.15
-0.15
10m
OTR
0
•
•
凹面鏡（球面鏡）
= 500mm
, 0,0
= 150mm
•
-0.1
-0.05
0
0.05
z単位：m
0.1
0.15
左図のようなOTR集光光学系で3次元レイトレースを行った
発光点が
①原点（ずれがないとき）
②(x,z)=(1mm,1mm)
のときの時間拡がりを評価
真空窓と平面ミラーは考慮していない
XY面でのプロファイル
発光点のずれが
∆ = ∆ = 1mmのとき
発光点のずれがないとき
X方向： = 53.0μm 中心= 10.3μm
Y方向： = 61.2μm 中心= 0.956μm
X方向： = 45.4μm 中心=435 μm
Y方向： = 48.5μm 中心=-349 μm
600
400
Y(μm)
200
0
-200
-400
-600
-1200
-800
-400
0
X(μm)
400
800
1200
時間拡がり
発光点のずれがないとき
発光点のずれが
∆ = ∆ = 1mmのとき
鏡のサイズ内に入る割合
凹面鏡：86%
放物面鏡：74%
鏡のサイズ内に入る割合
凹面鏡：86%
放物面鏡：58%
時間拡がり： = 92.4fs
2500
250
2000
200
1500
150
カウント数
カウント数
時間拡がり： = 3.80fs
1000
100
500
50
0
0
-500
0
50 100 150 200 250 300 350 400
時間拡がり(fs)
-50
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
時間拡がり(fs)
まとめと今後の課題
•
OTR光をストリークカメラで計測し、サブピコ秒時間幅の電子バンチの生成を確認
した。しかし、測定されたバンチ長はシミュレーションの予測よりも長く、測定シス
テムにOTRの時間幅を拡げている要因がないか考察した。
•
波長分散が測定時間幅に与える影響について考察を行い、約180 fsの時間拡が
りが生じていることが分かった。
•
集光光学系が測定時間幅に与える影響について考察を行い、光源サイズとアラ
イメントエラーがない場合には約4 fsの時間拡がりが生じるが、光源位置が1 mm
ずれると約90 fsの時間拡がりが生じることがわかった。
•
アライメントエラーがある場合の集光光学系がOTRの測定時間幅に与える影響大
きさについてはまだ見積もり切れておらず、更に考察を進める必要がある。
•
しかし今回評価を行った波長分散、集光光学系の影響だけではシミュレーション
と実験でのバンチ長のずれは説明できず、別の原因があるかVelocity Bunching
が正しく行われていないということが考えられる。

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