테라헤르츠 자유전자레이저 전자빔의 에미턴스 측정과 정확도 측정 평가 = Measurement and Accuracy Evaluation of Electron Beam Emittance for a Terahertz Free-Electron Laser
저자
발행사항
대전 : 과학기술연합대학원대학교 한국원자력연구원(KAERI), 2024
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국원자력연구원(KAERI) 방사선과학(Radiation Science) : 가속기 및 양자빔 2024. 2
발행연도
2024
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
대전
형태사항
34 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 정영욱
UCI식별코드
I804:30003-200000742781
소장기관
한국원자력연구원에서는 현장에서 사용할 수 있는 고출력 테라 헤르츠(terahertz) 자유전자레이저(free electron laser, FEL)를 위해 5 MeV의 소형 마이크로트론(microtron) 가속기를 개발하였다. FEL 의 이득을 높이기 위해서는 좋은 품질의 전자빔이 필수적이다. 전자 빔의 품질은 빔의 크기와 발산 각을 나타내는 에미턴스(emittance) 로 표현하며, 사중극자석(quadrupole)을 지나는 구조에서 측정할 수 있다. 빔의 특성은 공간을 진행함에 따라 일정하게 달라지기 때문 에, 스크린에서 관측한 전자빔의 크기로부터 행렬식을 이용하여 빔 의 초기 에미턴스를 계산한다. 실제 실험 환경에서 에미턴스 측정의 정밀도를 분석하기 위해 아스트라(ASTRA) 코드를 사용하였다. 아스 트라에서 사중극자석의 강도를 바꿔주며 이에 따른 스크린에서 전 자빔의 크기를 구하였다. 이 결과를 얇은 렌즈 공식과 두꺼운 렌즈 공식으로 에미턴스를 구한 값과 비교하였다. 거리에 따른 두꺼운 렌 즈 공식의 오차율은 5 % 내외로 큰 변화를 보이지 않는다. 하지만 얇은 렌즈 공식의 오차율은 2 m 이하의 짧은 거리에서 오차가 큰 폭으로 증가하여 1 m 거리에서 약 50 %에 이른다. 이는 얇은 렌즈 공식이 긴 측정 거리에서는 자석의 길이를 무시할 수 있다는 가정 의 근사식이기 때문이다. 실제 실험을 진행하였을 때, 마이크로트론 의 특성상 생기는 전자빔의 분산으로 인해 직선 방향에서 전자빔을 충분히 집속할 수 없었다. 따라서 휨 자석으로 빔을 90도 꺾어서 분 산을 보상하고 빔 라인의 마지막 위치에서 다시 에미턴스를 측정할 계획이다.
더보기The Korea Atomic Energy Research Institute has developed a compact 5 MeV microtron accelerator for high-power terahertz free-electron lasers (FEL) in field applications. High-quality electron beams are crucial for FEL lasing. Transverse emittance, representing beam size and divergence, can be measured by scanning quadrupole magnets. The emittance is calculated from observed beam size on a screen using matrix calculation, considering changing beam characteristics along its path. ASTRA code was used to evaluate the precision of the emittance measurement. We could get the dependence of electron beam size on the screen with quadrupole magnet strength by using ASTRA. Simulated results were compared with emittance values calculated using thin and thick lens formulas. The error rate of the thick lens formula shows a rate within 5 % over distance variations. However, the error rate of the thin lens formula shows a significant increase for distances below 2 m, particularly reaching approximately 50 % at a distance of 1 m. This discrepancy arises from the approximation of the thin lens formula, which assumes the neglect of magnet length, becoming less accurate at shorter measurement distances. In experiments, we could not focus the electron beam in a straight beamline due to the strong dispersion of the beam exiting from the microtron. We will measure the emittance by removing the beam’s dispersion with a 90-degree-bending beamline.
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