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
当研究室はＸ線自由電子レーザー（Ｘ線ＦＥＬ）に必須の加速器技術、すなわち低エミッタンス電子銃と入射器、バンチ圧縮部、主加速部、電子軌道制御、ビームモニター等広範なの技術の開発を担当しており、平成１７年度は、その技術実証機であるＳＣＳＳ試験加速器において、波長 49 nm のレーザー発振に成功を収め、当研究室にて開発された技術の信頼性が実証された。これを元に実機 8GeV のＸ線自由電子レーザーの設計を行い、当研究室はその建設に全面的に取り組んでいる。

1．低エミッタンス電子入射器の開発研究(1)単結晶 CeB6 熱カソードを用いた電子銃の開発（渡川、稲垣、東谷、新竹）
Ｘ線ＦＥＬを実現するために必要となる低エミッタン
ス電子ビーム源を開発することが、当研究室の第１の目標
であり、昨年までにその基礎技術を開発することが出来た。
本年度はこの技術を実用化するために、ＳＣＳＳ試験加速器(エネルギー250 MeV)に導入してビーム試験を行った。
次節に述べる速度集群方式の入射器の技術を併用して、低エミッタンスの高密度電子を生成し、さらにＣバンド加速器によって 250 MeV までに加速し、アンジュレータに通して波長 49 nm での SASE モードのレーザー発振に成功して。これによって、単結晶 CeB6 カソードを用いたＸ線
ＦＥＬ用の電子銃が実用に耐えるものであることを実証することができた。
(2)速度集群方式の電子入射器、及びシュケイン磁場によるバンチ圧縮技術の開発（渡川、稲垣、大竹、田中均、新竹）
熱カソードから得られる電子ビームの電流値は、Ｘ線ＦＥＬに必要となるキロアンペアという電流よりも何桁も低いため、速度集群方式とシュケイン磁場によるバンチ圧縮
技術によって、ピーク電流をキロアンペアまで高めることが必要となる。
まず相対性理論による座標変換を用いた理論解析によって次のことがわかっている。加速器の中で、電子のエネ
ルギーが上昇するに従って、ほぼエネルギーに逆比例して
電子バンチの長さを圧縮すると、電子系座標から観測するバンチの長さが一定となり、１０００倍以上のバンチ圧縮を行っても、電子ビームのエミッタンスを破壊することな
く加速が可能である（T. Shintake, 2001）。
この理論をもとに、ＳＣＳＳ試験加速器の電子入射器を設計し、コンピュータシミュレーションによって電子ビー
ムの軌道計算を行い、電子ビームのエミッタンスが大きく破壊されないことを確認した。これをもとに、具体的に電子入射器を設計し、2004-2005 年にかけ試験加速器を建設、先に述べた 2006 年のレーザー発振によって、入射器が設計どおりの性能であることを確認した。
2．Ｃバンド加速器技術の開発研究
Ｘ線ＦＥＬにＣバンド周波数帯(5712MHz)の主加速器を用いることにより高加速勾配が得られ、短い距離で高いエ
ネルギーを得ることが可能となる。すなわちＣバンドを用いると、従来のＳバンド加速器の２倍の加速ゲインがえられ、結果的に加速器の長さは半分で済み、建設コストが大幅に削減できる。Ｃバンド周波数の加速器技術は KEK の将来加速器技術開発の一環として、1996 年度より開発を開始し 50 MW クライストロン、チョークモード型空胴、導波管システム、インバータ充電方式モジュレータ電源、３連空胴による RF パルスコンプレッサーを開発した。
このＣバンド技術をさらに発展させて、今回のＸ線ＦＥ
Ｌの主加速器を建設するわけである。すでに試験加速器にて２台のＣバンド加速器（クライストロン２本、加速管４本）が稼動しており、加速電界 35 MV/m にてビームエネ
ルギー 250 MeV を安定に供給している。
現在、10-4台の加速エネルギー安定度を達成すべく、次の開発を行っており、平成１９年１０月までに量産化のめ
どを付ける予定である。
(a) 100 ppm オーダーの安定度を持つインバータ方式の高電圧電源(b)クライストロンタンク一体型のモジュレータ電源（EMI 対策、温度安定化、長寿命化）(c) 100 ppm/degC の安定度を持つ高電圧モニター

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平成 17 年度 研究年報

3．各種加速器要素技術の開発
当研究室では、Ｘ線ＦＥＬに必要であり、その他の加速器に普遍的に応用可能な加速器要素技術の開発を継続的に行っている。これらは、すでに完成の域に達している
ものから、開発段階のものまで含まれる。またその種類の多さから、加速器が如何に総合的に広範な技術を要す
るかが理解されよう。開発項目を列記すると、
サブナノ秒立ち上がりの進行波型キッカーz
半径可変のビームコリメータz
周波数安定化 238 MHz サブハーモニック空胴z
476 MHz ブースター加速空胴z
低エミッタンス保存の APS(Alternating Periodic
Structure)型Ｓバンド加速管z集積型立体回路（磁場カップリングの高安定Ｒ
Ｆピックアップ）z
空胴型ビーム位置モニター(Cavity-BPM)z
HeNe レーザーをガイドとするアライメントシ
ステムz「ゆかとけんさく」コンクリート床研削装置z
低熱膨張コージライトセラミックを用いた安定架台
z
ミリ波帯の Transition Radiation による波長計を用いたリアルタイムのバンチ長モニターz
グラナイトテーブルを利用した低振動の架台z
高精度（0.01℃）の分散型、冷却水温度制御システムz
IQ (In-phase-Quadrature) phase detectorz
差動入力方式の超高速 ADC（12bit, 238MHz
clock）z
高安定ＲＦマスターオシレータz
４ 並 列 ソ リ ッ ド ス テ ー ト ア ン プ （ 238MHz,
12kW）
z476MHz, IOT 高周波増幅システム
これらの技術のうちいくつかはすでに海外の加速器にて採用されたり、加速器以外の分野へ応用されている。
*1 研修生、*2 基礎科学特別研究員

図１ SCSS 試験加速器

The main mission of our laboratory is to develop accelerator
technology for X-ray FEL machine. In FY2006, big
achievement was made. We firstly observed the lasing at 49 nm
of SASE mode FEL at SCSS test accelerator, which wasconstructed during 2004 ~ 2005. At SPrin-8 site, 8 GeV X-ray
FEL is under construction, in which our laboratory is deeply
involved in building low emittance injector and C-band main
accelerator.
1. Low emittance electron injector system(1) CeB6 single crystal thermionic cathode for low emittancegun.
Single crystal CeB6 has high emission density (>100 A/cm2)
and long life time (>5,000), with very flat cathode surface.
Evaporation of material from cathode surface provides
self-cleaning effect, and forming a flat surface along (110)crystal orientation, which is very important to obtain low
emittance beam. The slice emittance of emitted electron is equal
to the intrinsic thermal emittance, which is 4 π.mm.mrad for 3
mm diameter. According to the theoretical analysis, the slice
emittance from the thermionic gun is held constant during beam
acceleration in DC field in the gun, followed by velocity bunch
compression, rf acceleration up to high energy. Only when the
beam is over compressed, the emittance is broken due to mixing
beam tails into core part.
The 500 kV gun with 3 mm diameter CeB6 cathode has been
installed in the 250 MeV SCSS test accelerator, and provided
low emittance beam into the injector and contributed the firstlasing.
(2) Development of injector complex based on velocity
bunching, and chicane bunch compressor.
The beam current intensity available from the thermioniccathode is a few Ampere, which is much smaller than the peakcurrent required at the undulator for SASE-FEL. Therefore,bunch compression is necessary to increase the peak current byfactor of 103~104. We have to maintain low emittance beamthrough this compression, and this is one of the most important
technical challenge.
According to the relativistic theory of motion, we know thatthe bunch length on the electron rest frame can be kept constantwhen we compress the bunch length as inversely proportional tothe beam energy, thus the high beam quality is maintained.
Based on this theory, beam dynamics was analyzed using
computer simulation, and the injector system was designed,
which was installed in the SCSS test accelerator.
From the FEL power gain, we evaluated the electron beam
quality, and we found the beam brightness being 200
A/(mm.mrad)2, which is close to the design value. Through thisanalysis, we confirmed our injector system showed design
performance, which meets the requirement for the X-ray FEL at
Angstrom wavelength range.
2. C-band Accelerator Technology Development
By using C-band accelerator, higher accelerating gradientis available, thus we can make shorter the X-ray FEL facility,
which is about two times smaller as compared to traditional
S-band accelerator. C-band accelerator technology wasdeveloped by H. Matsumoto and T. Shintake at KEK under thee+e- linear collider R&D during 1996~2000. We havedeveloped 50 MW C-band klystron, the choke-mode
accelerating structure (HOM damping structure), C-band
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平成 17 年度 研究年報waveguide system, the inverter type high voltage capacitor
chargerfor
PFN,
RF-pulsecompressor
using
three-coupled-cavity chain.
After moving to RIKEN, we choose the C-band system in our
X-ray FEL project to accelerate beam up to 8 GeV within 400 m
long accelerator tunnel. Already, two C-band systems were
installed in the SCSS test accelerator (two 50 MW klystrons,
and four accelerating tubes), and provided a 250 MeV beam at
35 MV/m accelerating gradient.
In order improve beam stability of the accelerator, we are
performing following R&D.
(1) Highly stable inverter type high voltage capacitor charger.
(2) Compact klystron power supply. Modulator and pulse
transformer are housed in one tank made by steel frame,
which provide superior EM shield and better temperaturestability.
(3) Highly stable high voltage monitor having very low
temperature coefficient < 100 ppm/deg-C.
3. Accelerator Technology Development
Our laboratory is performing following technology R&Ds.
They are not only required for X-ray FEL, but also applicable toother accelerators and also industrial products.
z
Beam deflection kicker having sub-nanosecond raise time.
zFrequency stabilized 238 MHz sub-harmonic buncher
cavity.
z
476 MHz sub-booster cavity.
z
APS(Alternating Periodic Structure) for low emittancebeam acceleration.
z
Integrated waveguide system. Magnetic coupled power
pickup.
z
Cavity-BPM for sub-micron meter resolution andmicron-meter absolute accuracy.
z
Alignment system using HeNe laser beam.
z
Concrete floor grinding machine “Yuka-to-Kensaku”
zStable support using cordierite ceramic.
z
Bunch length monitor using transition radiation at mm
wave.
z
Stable granite table for injector parts.
zHigh precision distributed temperature control for watercooling system.
z
IQ( In-phase-Quadrature) phase detectorz
Fast ADC (12 bit, 238 MHz) having differential signal
input port.
zPhase stabilized RF master oscillator.
z
Four parallel solid state amplifier (12 kW).
476 MHz, IOT rf amplifier.
z
Some of those developed technology has been employed in toother accelerator, and also industrial applications.

Staff
Head
Dr. Tsumoru SHINTAKEMembers
Dr. Yuji OTAKE, Dr. Kazuaki TOGAWA
Dr. Takahiro INAGAKI, Dr. Hirokazu MAESAKA

Dr. Chikara KONDO*1)*1 Special Postdoctoral Researcher

in collaboration with
Dr. Tetsuya ISHIKAWA (Coherent X-Ray Optics Lab.)
Dr. Hideo KITAMURA (Coherent Synchrotron Light Source
Physics Laboratory)

Visiting Members
Noritaka KUMAGAI, Hitoshi BABA, Dr. Takeaki ENOTO
Dr. Syusuke NISHIYAMA, Dr. Hideki KAWAGUCHIDr. Satoshi TOMIOKA, Yoshihiro ASANO, Koujiro KASE
Dr. Ryotaro TANAKA, Dr.Toru FUKUI, Dr. Toru OHATA
Dr. Naoyasu HOSODA, Naoaki IKEDA, Dr. Hitoshi TANAKA
Haruo TAMASO, Kazuhisa MAEKAWA, Kazuyuki SATOU
Dr. Jong-Seok OH, Kazuyuki ONOE, Masanobu KITAMURA
Satoru KOJIMA, Kazuma NAKASHIMA, Kousaku TAIDEN
Sumitaka IWAI, Seiichi INDO

Trainees
Kathrin GOLDAMMER
誌 上 発 表Publications[ 雑誌 ]（原著論文）＊印は査読制度がある論文誌
Togawa K., Shintake T., Inagaki T., Onoe K., and Tanaka T.,
Baba H. and Matsumoto H., “CeB6 Electron Gun for
Low-emittance Injector”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10,020703 (2007) . ＊Yabashi M. ,Tamasaku K. ,Tanaka Y. ,Hara T. ,Tanaka T. ,Goto
S. ,Shintake T. ,Kitamura H. ,and Ishikawa T. : "Roles of
X-ray Optics in the Next Generation X-ray Source", Acta
Cryst. A 61, No. a1, pp.C20-- (2005). ＊（総説）
新竹 積: “Ⅹ線FEL試験加速器 レーザー増幅実験成功を支えた人間と技術（Test Accelerator for the X-FEL in
Japan: First Lasing, Technology and People）”, 加速器学
会誌3巻3号2006年ｐ284-295（その他）
Shintake T. ,Kitamura H. ,and Ishikawa T. : "X-ray FEL projectat SPring-8 Japan", AIP Conf. Proc. 705, 117--120 (2004).
[ 単行本 ]
（原著論文）＊印は査読制度がある論文誌
Togawa K. ,Tanaka T. ,Onoue K. ,Inagaki T. ,Baba H. ,Shintake
T. ,Ohata T. ,and Matsumoto H. : "Emittance measurementon the CeB6 electron gun for the SPring-8 compact SASE
source FEL project", Proceedings of the 3rd Asian Particle
Accelerator Conference (APAC 2004) , Gyeongju , Korea ,2004-- 3 , Phohan Accelerator Laboratory, Phohan,
pp.158--160 (2004).
Fukui T. ,Tanaka R. ,Ohata T. ,Takeuchi M. ,Otake Y. ,Kitamura
M. ,Ishikawa T. ,Kitamura H. ,and Shintake T. : "Status of
the SCSS control system: first phase of an 8GeV XFEL
project in SPring-8", Europhysics Conference Abstracts
Vol.29J: 10th ICALEPCS Conference , Geneva ,Switzerland , 2005-- 10 , The European PhysicalSociety, France, pp.MO3.2-1O-1--MO3.2-1O-6 (2005).
Shintake T, Tanaka T. ,Hara T. ,Tsuru R. ,Iwaki D. ,Shirasawa
K. ,Togawa K. ,Onoue K. ,Kimura H. ,Inagaki T. ,Otake
播磨研究所 放射光科学総合研究センター
平成 17 年度 研究年報

Y. ,Kitamura H. : "Status of R¥&Ds for SCSS project",
Proceedings of 27th International Free Electron Laser
Conference (FEL 2005) , Stanford , USA , 2005-- 8 ,JACoW, Stanford, pp.75--78 (2005).
Lambert G. ,Bougeard M. ,Boutu W. ,Berger P. ,Carre
B. ,Couprie M. ,Garzella D. ,Merdji H. ,Monchicourt
P. ,Saliere P. ,Hara T. ,Kitamura H. ,and Shintake T. :"Seeding the FEL of the SCSS phase 1 facility with the 13thlaser harmonic of a Ti:Sa laser produced in Xe gas",
Proceedings of 27th International Free Electron Laser
Conference (FEL 2005) , Stanford , USA , 2005-- 8 ,JACoW, Stanford, pp.224--227 (2005).
Togawa K. ,Shintake T. ,Baba H. ,Inagaki T. ,Onoue K. ,Tanaka
T. ,and Matsumoto H. : "Low emittance 500kV thermionicelectron gun", Proceedings of LINAC 2004 (CD-ROM) ,Luebeck , Germany , 2004-- 8 , DESY, GSI, Hamburg,
pp.261--265 (2005).
Lambert G. ,Carr¥'{e} B. ,Couprie M. ,Garzella D. ,Mairesse
Y. ,Sali¥`{e}re P. ,Doria A. ,Giannessi L. ,Hara T. ,Kitamura
H. ,and Shintake T. : "Seeding high gain harmonic
generation with laser harmonics produced in gases",
Proceedings of the 26th International Free Electron Laser
Conference (FEL 2004) and 11th FEL Users Worksshop ,Trieste , Italy , 2004-- 8〜9 , Comitato Conferenze
Elettra, Trieste, pp.155--158 (2005).
Togawa K. ,Shintake T. ,Baba H. ,Inagaki T. ,Onoue K. ,Tanaka
T. ,and Matsumoto H. : "Emittance measurement on the
CeB6 electron gun for the SPring-8 compact SASE source",
Proceedings of the 26th International Free Electron Laser
Conference (FEL 2004) and 11th FEL Users Worksshop ,Trieste , Italy , 2004-- 8〜9 , Comitato Conferenze
Elettra, Trieste, pp.351--354 (2005).
Hara T. ,Shintake T. ,and Kitamura H. : "Electron beamsimulations on the SCSS accelerator", Proceedings of the
26th International Free Electron Laser Conference (FEL2004) and 11th FEL Users Worksshop , Trieste , Italy ,2004-- 8〜9 , Comitato Conferenze Elettra, Trieste,
pp.439--442 (2005).
（その他）（技術資料）
渡川 和晃 ,新竹 積 ,田中 隆次 ,馬場 斉 ,稲垣 隆宏 ,松本
浩 : "CeB6電子銃のエミッタンス測定結果とX線FELへの応用について", 第1回日本加速器学会年会/第29回リニアック技術研究会論文集 , 船橋 , 2004-- 8 , 日本
大学量子科学研究所, 船橋, pp.93--95 (2004).
新竹 積 ,大竹 雄次 ,渡川 和晃 ,稲垣 隆宏 ,田中 隆次 ,原徹 ,北村 英男 ,矢橋 牧名 ,玉作 賢治 ,石川 哲也 ,馬場 斉 ,尾上 和之 ,加瀬 耕二郎 ,小嶋 覚 ,関口 芳弘 ,都留 理恵子 ,白澤 克年 ,江口 重文 ,備前 輝彦 ,清家隆光 ,マレシャル ザビエル ,川島 祥孝 ,高嶋 武雄 ,松井 佐久夫 ,張 超 ,惠郷 博文 ,高橋 直 ,工藤 統吾 ,福井 達 ,大端 通 ,田中 良太郎 ,井上 忍 ,浅野 芳裕 ,高城 徹也 ,後藤 俊治 ,木村 洋昭 ,呉 樹奎 ,熊谷 教孝 ,松本 浩 ,西山 修輔 : "理研SCSS X線FEL計画の現状",
第2回日本加速器学会年会/第30回リニアック技術研究会論文集 , 鳥栖 , 2005-- 7 , 日本加速器学会, 鳥栖,
pp.13--15 (2005).
松本 浩 ,稲垣 隆宏 ,馬場 斉 ,白澤 克年 ,新竹 積 ,北村
英男 ,石川 哲也 : "Operational experience with a klystron
50kV/30kW inverter power supply", 第2回日本加速器学会
年会/第30回リニアック技術研究会論文集 , 鳥栖 ,2005-- 7 , 日本加速器学会, 鳥栖, pp.296--298 (2005).
口(国際会議等)頭

発 表

Togawa K . ,Baba H . ,Inagaki T . ,Onoe K . ,Shintake
T . ,Tanaka T . ,and Matsumoto H . : "Low emittance 500kV
thermionic electron gun", 22nd International Linear
Accelerator Conference (LINAC 2004) , (DESY, GSI),
Luebeck , Germany , Aug. (2004).
Yabashi M . ,Tamasaku K . ,Tanaka Y . ,Hara T . ,Tanaka
T . ,Goto S . ,Shintake T . ,Kitamura H . ,and Ishikawa T . :"Roles of X-ray Optics in the Next Generation X-ray Source",
20th Congress of the International Union of Crystallography(IUCr2005) , Florence , Italy , Aug. (2005).
Lambert G . ,Bougeard M . ,Boutu W . ,Berger P . ,Couprie
M . ,Garzella D . ,Merdji H . ,Monchicourt P . ,SaliereP . ,Carre B . ,Hara T . ,Kitamura H . ,and Shintake T . :"Seeding the FEL of the SCSS phase 1 facility with the 13thlaser harmonic of a Ti:Sa laser produced in Xe gas", 27th
International Free Electron Laser Conference (FEL 2005) ,(Stanford Linear Accelerator Center), Stanford , USA ,Aug. (2005).
(国内会議)
新竹 積, 稲垣 隆宏,大竹 雄次,渡川 和晃,尾上 和之,馬場斉,北村 全伸,小嶋 覚,加瀬 耕二郎,前坂 比呂和,原 徹,
田中 隆次,備前 輝彦,ザビエル マレシャル,白澤 克年,
清家 隆光,岩城 大介,都留 理恵子,谷川 貴紀,田中 義人,
東谷 篤志,田原 和彦,桐村 知行,木村 洋昭,矢橋 牧名,
後藤 俊治,高橋 直,大橋 治彦,望月 哲朗,松下 智裕,広野 等子,井上 忍,呉 樹奎,福井 達,大端 通,竹内 政雄,田中 良太郎,川島 祥孝,高嶋 武雄,大島 隆,細田 直康,恵郷 博文,松井 佐久夫,張 超,高城 徹也,浅野 芳裕, 松本
浩, 石川 哲也, 北村 英男,: "SCSS試験加速器の建設と現状（2）", 第19回日本放射光学会年会・放射光科学合
同シンポジウム , 名古屋 , 1月 (2006).
新竹 積, 原 徹,木村 洋昭,稲垣 隆宏,大竹 雄次,渡川 和晃,
尾上 和之,馬場 斉,北村 全伸,小嶋 覚,加瀬 耕二郎,前坂 比呂和,田中 隆次,備前 輝彦,ザビエル マレシャル,
白澤 克年,清家 隆光,岩城 大介,都留 理恵子,谷川 貴紀,
田中 義人,東谷 篤志,田原 和彦,桐村 知行,矢橋 牧名,
後藤 俊治,高橋 直,大橋 治彦,望月 哲朗,松下 智裕,広野 等子,井上 忍,呉 樹奎,福井 達,大端 通,竹内 政雄,田中 良太郎,川島 祥孝,高嶋 武雄,大島 隆,細田 直康,恵郷 博文,松井 佐久夫,張 超, 高城 徹也, 浅野 芳裕, 松本 浩, 石川 哲也, 北村 英男: "SCSS試験加速器の建設と現状（１）", 第19回日本放射光学会年会・放射光科
学合同シンポジウム , 名古屋 , 1月 (2006).

Oral Presentations

播磨研究所 放射光科学総合研究センター
平成 17 年度 研究年報