Theoretical study of a waveguide THz free electron laser and comparisons with simulations

導波管FELの理論とシミュレーションの比較

菖蒲田 義博   ; Chin, Y. H.*

Shobuda, Yoshihiro; Chin, Y. H.*

導波管FELとは、アンジュレーターの周りにmm程度の極度にアパーチャーサイズの小さいチェンバーを用意して、そこに非相対論的なビームを通すことで、THzの光源として、利用しようというものである。このような導波管FELは、THzの光源として将来、有望視されている。ビームから出た光と導波管は相互作用するので、このような対象を理論として扱うには、この導波管の効果を取り入れることが大事である。著者らは、普段は、J-PARC RCSの運転安定化のためにビーム不安定性の研究を業務として行っているが、導波管FELで発振される光を、RCSでビームが金属真空容器に誘起する電磁場と同等のものと考えれば、ビーム不安定性の理論を導波管FELの光の増幅率の計算に利用できることに気がついた。このようにして、作った理論は、シミュレーション結果とよく一致し、信頼度の高いものであることがわかった。

In a so-called waveguide FEL for THz radiations, an extremely small aperture (mm) waveguide is used to confine angularly wide spread radiation fields from a low energy electron beam into a small area. This confinement increases the interaction between the electron beam and the radiation fields to achieve a much higher FEL gain. The radiation fields propagate inside the waveguide as waveguide modes, not like a light flux in a free space FEL. This characteristic behavior of the radiation fields makes intuitive understanding of the waveguide FEL difficult. We developed a three-dimensional waveguide FEL theory to calculate a gain of THz waveguide FEL including the effects of the energy spread, the beam size and the beta Tron oscillations of an electron beam, and effects of a rectangular waveguide. The FEL gain can be calculated as a function of frequency by solving the dispersion relation. Theoretical gains are compared with simulation results for a waveguide FEL with a planar undulator similar to the KAERI one. Good agreements are obtained.