新竹電子ビーム光学研究室
Advanced Electron Beam Physics Laboratory
主任研究員

新竹積

SHINTAKE, Tsumoru
播磨研究所において計画されている X 線自由電子レーザー（波長 1 Å 硬 X 線，電子エネルギー8 GeV，以下 XFEL と呼ぶ）の技術開発と試験加速器の建設を担当している。X 線領域においてXFEL を動作させるには，反射ミラーを用いない自己増幅型自由電子レーザー（SASE）方式が最適と考えられているが，技術的に極めて高品質の電子ビームを，安定に加速し，長さ数十メートルに及ぶアンジュレータの中を精度良く通過させる必要がある。当研究室では，低エミッタンス電子源，C バンド高電界加速器，高精度ビーム位置制御技術などの技術開発を行っている。電子エネルギー 250 MeV の SCSS 試験加速器を中心になって建設している。
1. SCSS 試験加速器の建設（新竹，大竹，稲垣，渡川，馬場 ＊1 ，尾上 ＊2 ，松本 ＊3 ，小嶋 ＊4 ，北村，加瀬 ＊2 ，
芦屋 ＊4 ）
本格的な X 線自由電子レーザーを実現するために現在まで行ってきた技術開発の成果を取りまとめ，総合試験，性能評価，技術的問題点の洗い出しを行うため，実機の 20 分の1 スケールの試験加速器を建設している。電子ビームの最高エネルギーは 250 MeV と実機の 32 分の 1 であるが，（1）低エミッタンス電子源，（2）C バンド加速器，（3）シュケイン
磁場型バンチ圧縮器，（4）真空封止アンジュレータ，（5）高精度ビーム位置モニターと位置フィードバック系，（6）波長（7）制御システム，（8）
60 nm の軟 X 線評価利用システム，放射線シールドトンネル，（9）高精度冷却水システムなどすべて，実機に必要となる要素をそなえている。なお，この試験加速器の建設は，播磨研究所の石川 X 線干渉光学研究室，北村 X 線超放射研究室との共同チームにて実施しており，2005 年 11 月末の試験運転を目指し，一丸となって建設に当たっている。また，高輝度光科学研究センター（JASRI）からの応援も大きな力となっており，今後のさらなる共同体制が本格的 X 線 FEL の実現に大変に重要である。
2. 低エミッタンス電子銃と入射器の開発研究（新竹，大竹，稲垣，渡川，馬場 ＊1 ，尾上 ＊2 ，松本 ＊3 ，小嶋 ＊4 ，北村，加瀬 ＊2 ，芦屋 ＊4 ）このテーマに関しては，電子銃単体では昨年度までに目標の成果を達成しており，本年度は入射器システムを構成する要素機器の開発を行った。X 線 FEL には，規格化エミッタンスにして 1 π.mm.mrad という，従来の加速器で実現されていたエミッタンスの 10 分の 1 という，極めて高品質の電子ビームが要求される。エミッタンスを小さくする目的から直径 3 mm という小面積の CeB6 単結晶を熱カソード材料に採用し 40 A/cm2 程度の高電流密度で電子を発生させ，さらに空間電荷によるエミッタンス増大を抑えるため，500 kV というきわめて高い電圧で，電子を一気に加速する方式とした。昨年度までに電子銃 1 号機を開発し，平成 15 年 12 月より運転を開始した。その結果，ビームエミッタンス 1.1 π.mm.mrad（at 1 Amp., 500 kV）ときわめて優れた性能が得られた。

理研研究年報

本年度は電子銃の下流に設置する，ビームデフレクター，プレバンチャー空胴，ブースター空胴，S バンド APS 空胴，S バンド加速管，またこれらを駆動する高周波電源，パルスモジュレータ，インバータ電源，制御機器，制御ソフト，トリガーシステムなどの機器につき，基本設計，各担当メーカーとの詳細設計，製造，評価を行っている。
3. C バンド高電界加速器の要素開発（新竹，大竹，稲垣，渡川，馬場 ＊1 ，尾上 ＊2 ，松本 ＊3 ，小嶋 ＊4 ，北村，加瀬 ＊2 ，芦屋 ＊4 ）X 線 FEL では，できるだけ装置の全長を短くする目的から，C バンド周波数の高電界加速器を設計に取り入れている。C バンドは新竹等が KEK（高エネルギー加速器研究機構）にてリニアコライダー計画向けに 1995 年度より開発した技術である。50 MW ピーク出力の C バンドクライストロ
ン 2 本を並列運転し，パルスコンプレッサーを通して 4 本の 1.8 m 長加速管に RF を供給すると，設計では 35 MV/m以上の加速電界が得られる設計となっている。8 GeV ビー
ムは約 230 m にて得られることになり，従来の半分以下の長さで済むため，施設のコストが大幅に削減できるメリットがある。
昨年度までに一通り C バンドに必要な機器（インバータ高電圧電源，パルスモジュレータ，C バンドクライストロ
ン，加速管）の機器開発を終了している。
本年度は，C バンドの加速管に大電力 RF を投入し，その高電界での性能試験を実施した。その結果，目標の 30 MV/mレベルの運転では，大きな放電による機器停止は見られず安定して運転可能であることが分かった。しかし，予想外に大きな暗電流が加速管内部の銅材料の表面から発生することが分かり，これを除去するためのビームコリメータの設計を強化した。
また，線型加速器を用いた X 線 FEL では，クライストロンの電源電圧の変動が直接に X 線のスペクトルに影響するため，その安定化が非常に重要である。IGBT 素子を用いたスイッチング形式の 50 kV 高電圧電源をメーカーと共同開発し，3 × 10−4 安定度が得られている。X 線 FEL の実機建設までには，3 × 10−5 を実現したい。これには，スイッチンノイズの適切なるフィルター，電磁シールドの最1007

適設計が必要となる。
4. 機器安定設置技術の開発（新竹，大竹，稲垣，渡川）
X 線をアンジュレータの中で増幅し，十分に飽和まで持っていくためには，電子ビームの軌道をできる限り直線に保持しなくてはならない。このため，昨年度までに高感度の電子ビーム位置モニター（以下 BPM）と HeNe レーザー光によるアラインメントシステム，さらに温度変化に対して安定なコージライトセラミックを使用した安定架台の開発を行った。これに引き続き本年度は，このコージライト架台を安定に設置する技術として，次の技術開発を行った。
（1）床面研削装置
従来，加速器などの機器をコンクリートに設置する際に，鉄製のベースプレートを床面に設置した後，この上に鉄製の架台を設け，さらにその上に機器を固定して，アライメン
ト望遠鏡にて測量したのち，架台に設けた調整ネジによって位置合わせを行っていた。この方法では，各インターフェースの不完全さのため，地面振動，冷却水振動，周辺機器からの横圧力などにより，機器の位置が変動することが問題であった。そこで，コンクリート床をダイヤモンドホイールにて研削する床面研削装置（愛称：ゆかとけんさく）を理研とメーカーにて共同開発し，通常コンクリートの床面を平坦度 30 µm/m，水平度 30 µm/m 以下に研削することが可能となった。この研削した床面に上記のコージライト架台を設置し，振動測定を行い優れた性能を得ている。これは，研削した床面とコージライト架台の底板との密着性が高いためである。
（2）エアーパッド位置調整方式の開発
上記のコージライト架台を研削した床面に設置すると密着性が高く安定であるが，実用上大きな問題が発生する。
その位置調整である。密着性が高くそのままでは水平位置の調整ができない。そこで，コージライト底板と研削された床面の間に圧縮空気を強制的に注入すると，コージライ
ト架台は床面から約 10 µm ほど浮き上がり，わずかの力で非常に滑らかに移動が可能となる。物体の位置と方向については（x，y，z，x ，y ，z ）という 6 自由度があるが，この方式によって（x，z，y ）の 3 自由度に減少されているために非常にアライメント作業が容易になっている。
このふたつの技術は，広く産業界にて応用できる可能性がある。
＊1

協力研究員，＊2 共同研究員，＊3 客員主管研究員，＊4 業
務協力員

The Advanced Electron Beam Physics Laboratory isdeveloping key technologies for X-ray Free Electron Lasersof an 8 GeV energy scale, to be constructed at the RIKEN
SPring-8 site as a future SR source in the near future.
XFEL, based on SASE (Self Ampliﬁed Spontaneous Emission Mode Free Electron Laser), is the only realistic wayof creating X-ray lasers with Angstrom wavelength. It requires a long undulator section (∼ 80 m) and a low emittance electron beam (∼ 1 π.mm.mrad) with high peakcurrent (∼ 2 kA), and very tight trajectory straightness(< 10 micron-m). We are developing all these technologies
except the undulator. In order to demonstrate SASE mode1008

FEL operation, verify the key components, and debug, weare constructing a test FEL accelerator of 250 MeV electron energy. The ﬁrst lasing is scheduled for November
2005.
1. Construction of the test XFEL accelerator
Before the 8 GeV XFEL construction, it is deﬁnitely
necessary to check the basic design for SASE mode FEL,
debug the hardware in detail, and feedback onto the technical design. For this purpose, we are constructing atest FEL accelerator at the SPring-8 site, which is about
1/20 downsize, and has beam energy as low as 250 MeV.
However, it will equipped with all the required hardware
items: (1) low emittance electron source, (2) C-band highgradient accelerator, (3) chicane type bunch compressor,(4) in-vacuum undulator, (5) high performance beam position and proﬁle monitor, (6) soft-X-ray detection and test
application station, (7) control system, (8) radiation shieldtunnel, (9) high precision cooling water system. The construction is being carried out in collaboration with Chief
Scientists Kitamura and Ishikawa and their group. Fortunately we have strong support from a JASRI team withtechnical aspects and manpower. This will be much more
important in the 8 GeV XFEL construction.
2. Low emittance electron gun and injector development
In the X-ray FEL, we need to generate a high quality electron beam, whose normalized emittance should belower than 1 π.mm.mrad, which is a much lower value thanin any existing machine. We have developed an HV electron gun with a CeB6 thermionic cathode which is 3 mm indiameter. The ﬁrst model started operation in Dec. 2003,
and we found beam emittance lower than 1.1 π.mm.mrad
at 1 A current and 500 kV extraction voltage.
In 2004, we designed the following hardware components, and some of them have been already fabricated: (1)beam deﬂector (2 nsec portion will be removed), (2) prebuncher cavity (238 MHz), (3) Booster cavity (476 MHz),(4) S-band APS structure for buncher, (5) S-band traveling wave structure to accelerate the beam to 30 MeV, (6)all the high power ampliﬁers required for those cavities, (7)control system and software, (8) trigger and RF reference
distribution system. All these components will be installed
into the test accelerator this year (2005).
3. C-band high gradient accelerator system development
Hardware R&D on the C-band 5712 MHz RF acceleration system was originally started by T. Shintake in 1996
at KEK for the e + e− Linear Collider project. Using two
50 MW C-band klystrons, a very high accelerating gradientof 35 MV/m will be generated in four accelerating structures. An active length of just 230 m will be enough for
8 GeV acceleration.
In 2004, we tested the accelerating structure with highpower. So far, we did not see any serious HV breakdown up to a 31 MV/m accelerating gradient. However,
we found that the dark-current emission was rather higherthan our expectation, that is, the emission charge per rf
pulse reached the same order as the main beam chargeof 0.5 nC. Fortunately, all of the dark-current is generated at the metal surface, the phase space distribution ofwhich is (r, r’), and which has a blank hole at the center where the main beam is located, enabling us to cut all
dark-current by means of a properly designed collimator.
Motor-controlled collimators will be installed at various

平成 16 年度

locations in the test accelerator.
In the XFEL machine, the voltage ﬂuctuation of theklystron power supply directly aﬀects the X-ray spectrum
wavelength, so we need a highly stable power supply. AnIGBT switching inverter HV generator for capacitor charging is under R&D. Recently a voltage ripple as low as
3×10−4 has been achieved. Before the XFEL construction
starts, we wish to complete R&D for a power supply withstability 3 × 10−5 and ripple 1 × 10−5 .
4. Stable installation technology development
In the undulator section, the electron beam trajectory
has to be very straight, in order to maintain enough power
gain of FEL action. Until 2004, we worked on developinga high precision cavity type BPM, HeNe laser alignment
system, temperature stable stand using cordierite ceramic.
We continued this R&D and developed the following instrument in 2005.
(1) Concrete ﬂoor-grinding machine
In order to place equipment stably on the ﬂoor, we decided to make a ﬂat surface by grinding the concrete ﬂoor.
For this purpose we developed a new machine, which has
a rotating grinder with a diamond compound inside, andis mounted on a precise mover which can be digitally controlled in the x, y, and z directions. This new machine cangrind concrete to a very ﬂat surface: the ﬂatness is better
than 30 micron-m/m, and the tilt is lower than 30 micronm/m.
(2) Air-pad mover for precise alignment
The ﬂat ﬂoor will provide a very stable setting for the
support stands. However, since the surface contact is sogood, it is rather hard to move the equipment withoutlifting it. But, for the alignment process, it is better tomove it horizontally and not lift it. To accomplish this, weput air-pads on all the bottom sides of the stands. With apressurized air supply, even a heavy mass like the klystronand its tank (in total 3 ton) can be moved smoothly. Thesetwo technologies can also be used in industrial applications.

Staﬀ
Head
Dr. Tsumoru SHINTAKEMembers
Dr. Yuji OTAKE
Dr. Kazuaki TOGAWA
Dr. Takahiro INAGAKIMr. Hitoshi BABA＊＊Contruct Researcher

in collaboration withPhys. Lab.)
Dr. Toru HARA (Coherenet Synchrotron Light Phys.
Lab.)
Dr. Yoshito TANAKA (Coherent X-ray Opt. Lab.)
Dr. Makina YABASHI (Coherent X-ray Opt. Lab.)

Visiting Members
Mr. Youhei ASHIYA (Tempstaﬀ Co., Ltd.)Dr. Takeaki ENOTO (Hokkaido Univ.)
Mr. Kojiro KASE (TOYAMA Corp.)
Dr. Hideki KAWAGUCHI (Hokkaido Univ.)
Mr. Masanobu KITAMURA (NICHIZOU Corp.)
Mr. Satoru KOJIMA (Staﬀ Japan Corp.)
Dr. Noritaka KUMAGAI (JASRI SPring-8)
Dr. Hiroshi MATSUMOTO (KEK)
Dr. Syusuke NISHIYAMA (Hokkaido Univ.)
Mr. Kazuyuki ONOE (ULVAC Corp.)
Dr. Satoshi TOMIOKA (Hokkaido Univ.)誌 上 発 表 Publications［雑誌］（原著論文） ＊印は査読制度がある論文
Tanaka T., Kitamura H., and Shintake T.: “Considerationon the BPM alignment tolerance in X-ray FELs”, Nucl.
Instrum. Methods Phys. Res. A 528, 172–178 (2004). ＊口 頭 発 表 Oral Presentations（国際会議等）
Lambert G., Carre B., Couprie M., Garzella D., Doria A.,
Giannessi L., Hara T., Kitamura H., and Shintake T.:“Seeding high gain harmonic generation with laser harmonics produced in gases”, 9th European Accelerator
Conf. (EPAC 2004), (European Physical Society Interdivisional Group on Accelerators), Lucerne, Switherland,
July (2004).
Lambert G., Carre B., Couprie M., Garzella D., MairesseY., Salieres P., Doria A., Giannessi L., Kitamura H.,
Shintake T., and Hara T.: “Seeding high gain harmonic
generation with laser harmonics produced in gases”,
26th Int. Free Electron Laser Conf. (FEL 2004) and 11th
FEL Users Workshop, (Sincrotron Trieste (ELLETRA)),Torieste, Italy, Aug.–Sept. (2004).
（国内会議）
渡川和晃: “SPring-8 軟 X 線自由電子レーザー計画に用いる CeB6 電子銃の開発”, 第 28 回リニアック技術研究会,(日本原子力研究所，東京大学大学院), 茨城県東海村, 7–8
月 (2003).

Dr. Takashi TANAKA (Coherenet Synchrotron Light

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