赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

日本大学 LEBRA 共同利用施設における加速器開発とその応用利用境武志

日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設〒2748501 千葉県船橋市習志野台 7241

日本大学電子線利用研究施設では高エネルギー加速器研究機構との共同研究において，100 MeV 電子線形加速器の高度化，線形加速器を用いた赤外領域の自由電子レーザー（Free Electron LaserFEL），準単色 X 線であるパ■要
旨

ラメトリック X 線放射（Parametric Xray RadiationPXR）の開発を進めてきた。2011年からは産総研との共同研究も開始し，各ビームラインにおいて，テラヘルツ波（THz）光源開発を進め，FEL, PXR, THz の三種類の波長域における光源利用ができる，特徴ある施設となっている。各光源は， 2003 年頃から共同利用研究環境を整え，日本大学内だけではなく，学外の研究者，企業へも広く提供している。

線源として，大規模な放射光施設以外では難しいとされて

1. はじめにいるような，各種イメージング実験も行う事が可能となっ日本大学では， 1992 年に日本大学本部と理工学部，医ている4)。さらに2012年度から，産業技術総合研究所との学部，歯学部，松戸歯学部，文理学部，生物資源学部の 6共同研究を始め，加速器で最大 100 MeV まで加速された学部にわたる学部横断プロジェクトとして，放射光利用の電子ビームを用いた，テラヘルツ（ THz ）波光源開発がための計画が立ち上がった。 1994 年度には，赤外から紫精力的に進められている5) 。特に，開発した THz ビーム

外領域の自由電子レーザー（ Free Electron Laser FEL ）ラインは，FEL ビームラインや PXR ビームラインの輸送の共同利用を目指し， 125 MeV 電子線形加速器の建設がライン上に設置しており， FEL と THz ，または PXR とスタートした。本計画での加速器主要部分は，共同研究を

THz の同時利用可能な複合ビームラインといった世界的行っている高エネルギー物理学研究所（現高エネルギー加にも珍しい特徴を持っている。現在までに，三種類の光源

速器研究機構 KEK ）のサポートを受け，電子陽電子入が利用可能な共同利用研究施設として運営しており，大学

射器用線形加速器の一部の移設や，本プロジェクトの前に内だけではなく学外からも多くの共同利用研究が行われて製作していたマイクロトロン加速器用の電源の一部などをいる。

利用することで，加速管など新規に製作することなく，予算を抑えつつも，高性能な線形加速器の実現を目指した。
1997 年に加速器が完成し，それに伴い，施設名称を日本大学電子線利用研究施設（Laboratory of Electron Beam

2. 日本大学 LEBRA 共同利用研究施設
2.1 LEBRA 施設概要

Research and ApplicationLEBRA）とし，光源用加速器

KEK と日本大学との間では，1994年の加速器本体移設の運用を開始した。 2000 年度から文部科学省私立大学学

以降も，電子線形加速器の高度化に関する共同研究が継続

術研究高度化推進事業の研究拠点に採択され，学術フロン

して進められている。これまでに，KEK の多大なサポー

ティア推進事業「可変波長高輝度単色光源の高度利用に関トの下，－ 100 kV 電子銃の低エミッタンス化，高周波源する研究」により1) ，共同利用研究施設として拡充されに用いているクライストロンの長パルス動作化，RF 位相

た。この学術フロンティア推進事業により，加速器の高度安定化，ビーム位置モニターの開発，加速器冷却水の高安化，安定化を進め，2001年 5 月に波長1.5 mm の FEL 発振定化など改良が行われた69)。この結果，高周波電子銃やに成功した2)。その後，アンジュレーターの更新を経て，

サブハーモニックバンチャー，超伝導加速管など用いてい近赤外領域での発振仕様へ変更し，現在は，波長0.9～6.7

ない，一般的な加速器ではあるが， FEL の安定発振可能mm までの波長範囲で発振が可能となっている。また，波なまでに高安定，高品質な電子ビーム加速を実現してい長範囲1.6～2 mm の FEL を非線形光学結晶へ通すことで，る。年間の加速器運転時間は，ここ 20 年間の平均では，2 次または 4 次の高調波を生成させ，約 400 nm まで提供

年間 1700 時間弱であり，各光源の利用実験，マシンスタが可能である。その他の光源として， 2004 年には，パラディを含んだ運転件数は年間平均 170 件程度行われていメ ト リ ッ ク X 線 放 射 （ Parametric X ray Radiation る。ただし， 2020 年度前半は新型コロナウィルスによる

PXR ）の観測に成功しており3) ，準単色コヒーレント X

大学構内への入構規制が行われたため，例年の半分程度の放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 153(C) 2021 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

運転時間で推移している。

し， 40 ～ 100 MeV の間で運用している。 LEBRA におけ

ユーザー利用実験施設には，加速器を用いた光源実験とる電子ビームには大きな特徴があり，通常のマクロパルス

は別に，基礎測定や前測定，後測定が行えるように， X

ビーム電流約200 mA のフルバンチモード，引き出しピー

線回折装置，エキシマレーザー，ラマン分光計，原子間力

ク電流をフルバンチモードに比べ 1 桁程度大きいバース

顕微鏡，クリーンルーム等を備えており，共同利用者にはトモードの 2 つの運転モードで運用している。ビーム

無料で開放している。

モードの時間構造の概念図を Fig. 2 に示す。電子銃には通

近年では加速器の各コンポーネントにおいて 20 年以上

常のグリッドパルサーに加え，Kentech Instruments 社製

経過している装置も出てきており，老朽化に伴う故障が増の半値幅 600 ps の高速グリッドパルサーを組み込んでおえ，特に高周波窓における放電対応が重要となっている。

り， 通常 のフ ルバン チモ ード運 転に加 え， 加速周 波数

この放電対策には， 2020 年から高速 RF スイッチで構成

2856 MHz の64分周，または 128分周で間欠的にビームをされた放電検出保護回路を製作し，高周波放電による影響

引き出すバーストモード運転が可能である11) 。バースト後， 250 ns 以内に高周波信号を制御するシステムを導入

モードでは，バンチ間隔がフルバンチモード時の 350 ps

している10) 。保護回路導入に伴い，高周波源への負荷軽から64分周時には22.4 ns，または，128分周時には44.8 ns減が図られ，光源の利用実験件数が回復しつつある。

毎にバンチ加速が可能である。バーストモードは，加速される平均電子ビーム電流が低下し，加速高周波電力のビー

2.2 LEBRA100 MeV 電子線形加速器
日本大学 LEBRA の電子線形加速器は加速 RF 周波数2856 MHz で，－ 100 kV の三極管タイプの DC 電子銃，

Table 1

Speciˆcation of the LEBRA 125 MeV electron linac.

Accelerating RF Frequency

2856 MHzされており，前項でも触れたように，高周波電子銃やサブBeam Energy

40～125 MeV

ハーモニックバンチャー，超伝導加速管など用いていない

DC Gun Voltage

100 kV

シンプルな構成の加速器となっている。 Fig. 1 に LEBRA

Klystron Peak RF Power

30 MW

加速器のビームライン概要図を， Table 1 に加速器の主な

Number of Klystrons

2

Macropulse Duration

5～20 ms

Repetition Rate

2～12.5 pps

Macropulse Beam Current

200 mA

Energy Spread (FWHM)

0.5～1

プリバンチャー，バンチャー及び，4 m 加速管 3 本で構成

パラメーターを示す。高周波源の 2 台のクライストロン
か ら は ， RF パ ル ス 幅 最 大 20 ms ， ピ ー ク RF 電 力 20
MW，マクロパルス繰り返し数 2～12.5 pps で供給可能である。加速エネルギーは，最大 125 MeV まで加速可能な設計となっているが，必要とされる利用実験に応じて変更

Fig. 1(Color online) Layout of the 125 MeV electron linac, PXR line, FEL line and THz line at LEBRA in Nihon
University.

154 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

Table 2

Fig. 2

Pattern diagrams of the beam bunch trains accelerated in
two modes. (a) Full-bunch mode. (b) Burst modes.

Speciˆcations of the LEBRA-FEL system.

Undulator Conˆguration

Halbach type Planar

Magnet Material

Dysprosium-containing NdFeB

Period of Undulator Field

48 mm

Number of Periods

49

Gap Width～24 mmK-value (RMS)

0.7～1.4

Resonator Length

6718.04 mm

Rayleigh Range

1.467 m (＠r＝4 m)

Available Wavelength Range

0.4～6.7 mm用可能である。アンジュレーターはハルバック型で，周期長 48 mm ，光共振器長は 6718.04 mm （加速高周波自由空間波長の 64 倍）である13) 。また， 2020 年にアンジュレー

ム負荷が大きく軽減されるため，バンチ当たりでは電荷量

ターの磁石の更新を行い，周期数は 50 から 49 へ変更しを 1 桁程度増やすことができており，これにより，ミクた。共振器ミラーは，基板材料に銅を用い，銀または金をロバンチ当たりの FEL 強度増強が可能となっている。

コーティングしたものを用いている。これまでに米国のFEL の増幅利得が高いため，発振が容易になる利点があ

Spawr 製，ドイツの KUGLER 製の銀コートミラーをメることから，安定度が必要な FEL 利用実験を中心に，よインに使っていたが， 2020 年度からはシグマ光機製の金く用いられており， 2011 年からバーストモードでの常用

コートミラーもテストとして利用を開始した。シグマ光機

運転が可能になってからは，このモードの使用頻度が増え製のミラーはコストパフォーマンスが良く，性能も他のている。さらに LEBRA の加速器の大きな特徴として，メーカーと比べても，現在のところ同レベルで問題なく，

パルス幅20 ms の長パルスビーム加速運転が挙げられる。

FEL 発 振 を 維 持 で き て い る 。 LEBRA FEL の 仕 様 を

これは， FEL は増幅利得が小さいため，発振が飽和に至Table 2 に示す。

るためには長パルスのビームが必要であることから，パル上流の共振器凹面鏡の中心に結合孔があり，共振器内でス幅20 ms で運転を行っている。現在用いているクライス発生させた FEL は，共振器に蓄積された光のうち約 1 

トロンは，三菱電機製の PV3030 クライストロンであるを結合孔から外部に取り出している。また，光共振器からが，このクライストロンの仕様はパルス幅 4 ms のため，取り出された光は，結合孔から約 2 m 下流に設置された

真空排気強化を行い運用している12) 。ただし，クライス

楕円ミラーと放物面ミラーを組合せたコリメーター（ビートロンは安易に交換ができないため，クライストロンの寿

ムエキスパンダー）光学系によって平行ビーム化された命等を考慮し，通常運転時は繰り返し 2～ 5 pps で運用し後，ユーザー利用実験室の最下流まで約 50 m ある FELている。

ビーム輸送光学系で，各ユーザー利用実験室に導いている。
LEBRA FEL では，通常運転において加速電子ビーム

3. LEBRA 光源開発とアンジュレーターのスペックから FEL 波長0.9～6.7 mmを供給可能であるが，より短波長の需要に対しては，当初

日本大学 LEBRA では，FEL, PXR, THz の 3 つの帯域

FEL の高次高調波発振を提供していた。しかしよく知らにわたる光源開発を行っている。 PXR 光源とその利用にれているように，高調波は基本波に比べ強度が数桁低いた

関しては，本トピックから離れるため，参考文献に委ね

め，利用実験が限られていた。より短波長の発振用に加速る4) 。ここでは，これまでの近赤外 FEL の光源開発状況

器とアンジュレーターの改良を行うのは大がかりになるたと，各ビームラインで行っている THz 光源開発について

め，現在 LEBRA では，非線形光学結晶を用いて高調波述べる。

を発生させる方法を採用している。非線形光学結晶には，3.1 LEBRAFEL 光源

酸リチウム単結晶（ LiNbO3 ）を用いている。また，非線

ベータホウ酸バリウム（ bBaB2O4BBO）結晶とニオブ
LEBRA FEL は ， 電 子 ビ ー ム エ ネ ル ギ ー を 40 ～ 100

形光学結晶を多段にすることで，基本 FEL 波長に対してMeV ，アンジュレーターギャップは最小 24 mm まで狭め

第 4 次高調波生成も行っている。基本波 FEL 出力から高ることができ，さらに非線形光学結晶を用いた高調波生成

調波への変換効率は数～数 10 程度あるため， FEL のも利用することで， 400 nm ～ 6.7 mm の範囲の FEL が利高次高調波を用いる場合に比べ数桁大きな出力が得られて放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 155

LEBRA では2020年度に更新した磁石には，これまでの磁石と同程度の磁束密度を確保しつつ，ジスプロシウムの添加量を多くし，放射線耐性（熱耐性）を高めた日立金属製の NdFeB 焼結磁石を用いることにした。また，これまで使用していたアンジュレーター磁石では，電子ビームが中心からオフセットした位置で蛇行運動していたが，今回製作した磁石では，アンジュレーター端部の磁石配列を変更し，電子ビームが中心を通るような設計とした（周期数を 50 から 49 に変更した）。新しく更新したアンジュレー
ター磁石には，放射線耐性の高い磁石材料を使用してはいるが，今後の実験における放射線による減磁をできるだけFig. 3(Color online) Comparison of normalized magnetic ˆelds in2000 and 2017. The horizontal axis represents the magnet position from the upstream side.

低減する目的で，アンジュレーター上流部において放射線
遮蔽壁強化と，運転中も放射線強度を常時モニターできる
ように，小型のシンチレータ検出器を用いた環境を整えた17) 。今後の放射線による減磁を低減する効果が期待できる。

いる。非線形光学結晶を用いることで 400 nm までの高調

これまでの過去 16年間の主な実験に用いた FEL 出力強波を発生させることができており， 400 nm ～6.7 mm の波度と FEL 波長の関係を Fig. 4 に示す。Fig. 4(a)はフルバン

長範囲でユーザー利用実験が行われている。

チモード，Fig. 4(b)はバーストモードでの運転で得られたアンジュレーターは 2020 年に更新を行ったが，その理マクロパルスあたりの出力強度を示している。ただし，高由としては，上流側の磁石列の磁場劣化があった。 2000

調波や調整中のデータを含み，光学素子による吸収や発振

年に信越化学工業製の NdFeB 永久磁石へ交換したが，パルス幅の違いによる補正はしていない。図の中で特定のその後 2017 年頃には，上流側 1 / 3 の磁石列で磁場劣化が波長で減少している箇所があるが，これは FEL ビームラ

確認できた。 Fig. 3 に 2000 年の交換直後のアンジュレー

インから FEL を取り出して，測定系まで空気中を輸送しター磁場と， 2017 年頃の減磁している時の比較を示す。

ているため，二酸化炭素等の吸収による影響と，測定系に磁場の値は，アンジュレーターの片側の表面磁場の 1 周用いているコードルミラーの影響が見えているためと考え期毎に測定した各ピーク値を最大値で規格化している。磁ている。利用実験や波長，運転状況，使用している共振器

場強度は最大で約 30 減磁していたが，この減磁した磁ミラーにも依存はするが，フルバンチモードではマクロパ場分布状態でも，発振強度は下がるが， FEL の発振状態

ルスあたり 0.1 ～ 60 mJ ，バーストモードでは 0.1 ～ 17 mJは維持できていた。減磁の主な原因は，加速器および電子程度が実績として出ている。アンジュレーターと共振器ミビームから発生する放射線による影響が長期にわたって蓄ラーを交換してからまだ調整が不十分な面もあるため，今積したことであると考えられた。放射線による減磁のメカ

後さらに調整を進めていく予定である。

ニズムとしては，理研の備前氏により広域エネルギー吸収
放射線減磁機構と微小領域エネルギー放出放射線減磁機構

3.2 LEBRATHz 光源の 2 つの機構の混在モデルが提案されている14) 。特に，日本大学 LEBRA における THz 光源開発は，2011年度

電子や g 線による電離や励起に伴う温度上昇による保持力

から産総研との共同研究で進めており，最近では，日本大の低下，磁気異方性の欠陥による磁石スピンの乱れによる

学理工学部内の他学科の研究室とも共同研究を始め，改減磁が示されている。このような放射線減磁の原因の一つ

良，高度化を進めている。 FEL ビームライン偏向電磁石として広域エネルギー吸収放射線減磁機構が関係しているで発生させた THz 帯域のコヒーレントシンクロトロン放ことが確認されており，熱耐性の高い磁石では減磁の影響

射（Coherent Synchrotron RadiationCSR）の基礎測定，がある程度抑えられると考えられる。一般的なネオジウム

応用利用から進め， CSR からのバンチ長評価測定など成磁石は，キュリー温度が低い事が知られているが，この熱果を挙げた18) 。 CSR とは 本測定で発生させているよう耐性の問題を解決するために，ネオジウムの一部をジスプに，短バンチ化された電子ビームなどを偏向電磁石などにロシウムで置換した保持力の高いジスプロシウム添加のネ

よって軌道を曲げたときに発生するシンクロトロン放射光

オジウム磁石が開発されている15) 。ただし，ジスプロシ

において，位相が揃っている放射光のことを指し，バンチ

ウムと鉄のスピンは反強磁性結合するため，磁束密度の低長が短いビームほど強い放射光を出す。2013年度以降は，下を伴う問題がある。また違うアプローチとして，近年，

PXR のビームラインにおいて THz 領域のコヒーレント遷

傾斜 磁化磁 石を 用いた 磁気 回路方 式も実 証さ れて いる移放射（ Coherent Transition Radiation  CTR ），偏向電が16) ， 新 規 開 発 要 素 も 入 っ て き て し ま う こ と か ら ，

磁 石 か ら の コ ヒ ー レ ン ト エ ッ ジ 放 射 （ Coherent Edge

156 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

Fig. 4(Color online) Measured FEL power as a function of the FEL wavelength. (a) Full-bunch mode. (b) Burst-mode.

RadiationCER），FEL ラインでの CER の基礎測定を行FEL の損失なく取り出すことが可能である。さらに，回っている。 CTR は，異なる誘電率を持つ 2 つの媒質の境

折放射とは異なり，放射強度の波長依存性がカップリング

界を電子などの荷電粒子が通過する際に発生する光であり，の影響を受けにくく， THz 波長領域では，放射光よりも

LEBRA の光源にはチタン箔， Si 板にアルミ蒸着したも1 桁から 2 桁程度高強度である。回折放射は， CTR の場の， あるい はベ リリウ ム板 などの 導体を 用い てい る。

合において，穴が空いた導体を荷電粒子が衝突せず通る際

CER も CTR と似た放射現象であり，電子などの荷電粒に放射される現象であり，穴が非常に小さい場合は CTR

子が偏向電磁石の端部を通過するときに発生する光である。

に一致するため，これらも同じような放射現象である。更CSR と同様に，短バンチ化された電子ビームを用いるたに CER では，アンジュレーターを通過する事でマイクロ

め，コヒーレント性が高い光となっている。

バンチ化された電子ビームが偏向電磁石を通過するため，

エッジ放射は，先に述べたように，高エネルギー電子放射される光はミクロパルスあたりの出力も数十 nJ と期

ビームなど荷電粒子が偏向電磁石端面において，運動方向待できる。また一般的なリングなどのエッジ放射で見られの速度変化に伴って電磁放射される現象であり，加速器リる偏向電磁石の上流側と下流側の干渉に関しては， FEL

ング直線部において干渉光の原因として知られていた。こビームラインの場合，上流側で発生したエッジ放射は，偏のエッジ放射は，遷移放射のような同心円分布且つ，ラジ向電磁石間のアンジュレーターやビームダクトでほぼカッ

アル偏光であり，また放射光にくらべて，波長依存性が緩トされてしまうため，下流側の偏向磁石からのエッジ放射

やかで，赤外領域では高強度であるといった特徴がある。

は上流側とは干渉せず，利用しやすいといった特徴があプロファイルとしては，ビームライン直線部で測定するたる。このように， FEL 発振後の電子ビームの情報を FELめ，通常は 2 箇所からの光干渉として干渉縞が観測され発振妨げることなく外部へ取り出すことで， THz 帯域のる19) 。ただし，エッジ放射は中空構造をしていることかCER （ THz CER ）は FEL のビームモニター用に非常にら，FEL 光共振器外部への取出し方法を工夫することで，適しているため， LEBRA FEL ラインでの THzCER 光

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 157

源では，エッジ放射の特徴を生かして，THzCER を用いたバンチ長評価，利用等を目的に開発している。
LEBRA THz 光源の大きな特徴として，常伝導の電子

小型加速器を用いた平均出力の高い広帯域テラヘルツ光源であるという事が挙げられる。高繰り返し可能な大規模超伝導加速器を用いた尖頭出力，平均出力共に高いテラヘル
ツ光源の開発も実現されているが20)，2 章でも述べたように，高周波電子銃やサブハーモニックバンチャー，超伝導加速管など用いていない，一般的な小型加速器ではあるが，大学に設置できる小型加速器を用いて，平均出力の高い広帯域テラヘルツ光源を実現している。また，LEBRAは FEL や PXR の各線源を用いたユーザー利用施設であるため，それぞれの線源利用に対して影響が出ないように，ビームライン設置方法を工夫している事も特徴に挙げられる。この後でも述べるように，FEL と PXR のビームラインへ各 THz 光を重畳することが可能であり，異なる波長帯域での同時照射可能なビームラインである事が，他の施設にはない大きな特徴となっている。よく知られているように， FEL を発振させるための電子ビームには非常に高い安定性が要求されており，このような電子ビームを用いることで，FEL のようなピーク強度の高い THz 光源
ではないが，広帯域で平均強度の高い THz 光源を実現している。
開発した輸送光学系を Fig. 5 に示す。 Fig. 5 ( a )は Fig. 1の FEL ラインの一部を示している。アンジュレーターの上流側のミラーから取り出した FEL は， Fig. 5 ( a )左上に示されている FEL エキスパンダー光学系によって平行ビーム化し， FEL 輸送ラインを通して実験室へ輸送している。 THz 輸送光学系には，アンジュレーター下流側の偏向電磁石と共振器ミラーの間に，穴あきミラーを用いたFig. 5(Color online) Schematic views of CER
THz transport system. (a) CERTHz transport line and FEL beam line. A
part of the mirror of the optical transport system is constructed using ITO mirror with the optimized for the transport of the THz. (b) Transport mirror system consists of thetotal re‰ection toroidal mirror and the toroidal mirror with ahole.

取出し光学系を設置している（ Fig. 5(b)参照）。 FEL 光共振器からの THz CER 取出し用のミラーには，隣の実験室への輸送を考慮し，トロイダルミラーを用いている。穴し，イメージングなどの基礎測定も合わせ進めている。

あきミラー挿入時と全反射ミラー挿入時の反射効率は約

このような FEL と THz の同時測定可能な系の今後の70であることが確認できており， FEL 発振を妨げるこ

利用応用として，加速器側，利用実験側から以下に示すと な く THz CER の 測 定 が 可 能 で あ り ， 世 界 初 の 赤 外ようなことが期待できる。 FEL 発振直前から THz CER

FEL と THz CER の同時測定を実現している2124) 。波長の信号強度の増幅が見られることがこれまでの測定から分は 0.1 ～ 2.5 THz ，パワーは全反射ミラー挿入時 0.5 mJ をか っ て お り24) ， 加 速 器側 に は オ ペ レー タ ー へ 対 して ，

達 成 し て い る 。 ま た ， 取 り 出 し た THz CER は ， FEL

THz CER 信号を FEL 発振調整の指針として用いる事がビームラインと交差する重畳部分に，サファイア基板（厚可能であり，維持調整に生かすことができる。運転への応さ 0.5 mm ）に酸化インジウムスズ（ Indium Tin Oxide 

用利用はテスト的に始めており，特に発振調整が手探り状

ITO ）を 400 nm 蒸着した ミラーを設置し，赤外領域の態の調整初期段階において，良い指針となっている。まFEL は透過させつつ，1.0 THz 付近の THz 光を80反射

た，近赤外 FEL では水分子（ OH 分子）の分子振動を観させることが可能である。この ITO ミラーには上げ下げ測できるため，組織内の水分分布をイメージングできるの可 能 な 機 構 を つ け て お り ， ITO ミ ラ ー 挿 入 時 は CER 

に対し，緩和モードを測定できる THz 光は水分子の水素

THz 光を反射させ，退避時はチェンバー後方に取り付け結合をイメージングできるため，水分子間の結合状態を調た結晶石英窓を通して THz CER を外部へ取り出し，モべることができる。よって，ユーザー利用実験側に対してニターとして用いている。プロファイル測定では，トリは，水分子の分子間振動が少ない結合をしていると言われガー同期可能な THz 用カメラの Pyrocam IIIHR を導入る悪性腫瘍等のようなサンプルに関して，両者を同時に測

158 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望定することで腫瘍化を測定できるのではないかと期待され択的に切替え可能である。この輸送システムは，上部にる。また東京理科大の川o氏の研究グループによって，ジモーター駆動機構が設置されており，各光源利用モードにャイラトロンからの THz 光源を用いて，アミロイドタン

応じて 30 秒程度で遠隔から切り替えられる。輸送システ

パク質に対して， THz 光を照射する事で凝集化できるこム内で， PXR ラインに重畳するためのミラーには，トロとが示されているが25) ，このような生体物質の構造制御

イダルミラーを用いて THz CER の形状が崩れないように関しても FEL と THz の同時照射系を用いる事で，同に工夫をしている。また実験室内での取出し口から THz

じ照射系内で実施が可能であり，より高い効果が期待でき測定系で用いている干渉計とその周囲には，アクリル筒がる。

接続された市販のグローブボックスを設置し，大気圧露点

FEL ラインにおける THz 光源開発結果を踏まえ，PXR－ 72 度の超乾燥空気ドライヤーを用いて，ボックス内をラインでも THz 光源開発を進めており，THz 光源として乾燥空気で満たせる構造としている。乾燥空気で満たされは主に，導体薄膜へ高エネルギー電子ビームを当てて発生たボックス内で測定した THz CER のスペクトル波形例

させた高強度 THzCTR 光源及び，PXR ライン偏向電磁石で発生した THzCER 光源の開発を行っている。THz
CTR 光源には，これまでにチタン箔や Si 結晶板にアルミを 10 mm ス パ ッ タ 成 膜 し た タ ー ゲ ッ ト を 用 い て い る 。
THz CTR の平均出力は，光源点付近で 0.1 ～ 2.0 THz の

周波数範囲において，約 1 mJ が得られている26,27)。この放射光源は，国内の広帯域加速器 THz 光源としては最高強度である。光源は加速器本体室側のため，ユーザー実験を考慮して，常時立ち入り可能な実験室へ THz を輸送するために， Fig. 6 に示す LEBRA PXR ビームライン上へ
THz 輸送光学システムを製作した。 Fig. 6(a )～(c)に各光源輸送モード別の輸送路を示す。このビームラインの主用途である PXR ビーム実験の妨げにならない事に加え，
PXR ビームライン下流部ビームダンプ前の偏向電磁石で発生した THzCER，ターゲットで発生させた前方 THzCTR ，後方 THz CTR を搬送するために， 3 モードを選

Fig. 6

Fig. 7(Color online) THzCER spectra at the PXR beamline in
dry air.

(Color online) Top view and side view of the LEBRAPXR beam-line and the THz transport optical system. (a)PXR transport mode. (b) THzCER and Forward THzCTR transport mode. (c) Backward THzCTR transport mode.

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 159

を Fig. 7 に示す。手持ちの測定器の測定下限があるため，厳密な測定はこれからであるが，スペクトル波形とHITRAN データベース28) における数値と比較概算すると，ボックス内温度25.0°
C時に，相対湿度は 2程度まで低下していると予想している29) 。空気中の水の吸収による影響を十分に抑えることができ，利用できる周波数帯域
は 4 THz 弱まで広がっており，今後のユーザー利用実験
での利用拡大に大きく期待が持てる。
その他の THz 光源開発も現在進めており，平面波コ
ヒーレントチェレンコフ放射（ CCR ）源の製作に取り組んでいる（科研費基盤研究（B）19H04406)30,31)。放射源には形状を工夫した誘電体中空円錐管を用い，設置場所としては，先に述べた PXR ライン上に設置し， THz CER
同様，同じ輸送ラインを使うように設計している。これまでの他の光源に比べて，強度が高くなることが期待できる
ため，さらなるユーザー利用実験への応用が期待できる。

4. LEBRA 光源の応用研究

Fig. 8

日本大学には多くの学部学科があり，LEBRA の 3 つの(Color online) Setup for measuring the electrophysiologicalresponse of the crayˆsh.

光源は，これまでに理工学部だけではなく，歯学，生命科
学，物質科学，生化学分野など幅広い研究分野において利す。測定時は電気ノイズをできるだけ遮断するために，フ用されてきた。歯科応用では，エナメル質と象牙質においァラデーボックス内で照射実験を行っており，持ち運びもて，最適な掘削波長が異なることが示され，基礎研究の段可能な仕様となっている。FEL 照射前には LED のテスト階ではあるが， FEL を用いた歯科レーザー治療応用性が光を用いて光反応状態を確認した上で， FEL に対する反示されている32) 。その他には， FEL 照射によるポリ乳酸

応状態を確認できる測定系になっている。 LEBRA FELの転写法によるバイオマテリアルのマーキングなどへの応で対応できない FEL 波長範囲に対しては，本特集号への用 研 究な ど も 行 われ て い る33) 。物 質 科 学 の 分野 で は ，

投稿にある京都大学の FEL 施設へも測定系を持ち込み，

コールドウォール型，ホットウォール型化学蒸着法成膜装2 施設を利用した広い波長範囲にわたる測定が行われてい置による単層カーボンナノチューブ成長において，カイラる。

リティー制御を FEL 照射で実現する制御技術の開発や，

LEBRA THz を用いた応用研究では，日本大学理工学

異なったカイラリティー単層カーボンナノチューブ製作と部電子工学科の大谷研究室と共同研究を進め，時間領域分

その応用研究などが精力的に行われている34)。

光法（Time Domain SpectroscopyTDS）の応用研究で，

LEBRA では日本大学外部にも開放しており， FEL で物質の固有吸収スペクトルに関する研究が行われている。

は特に生命生化学分野での利用が最も多く利用されてい薬物などの試薬類にはテラヘルツ帯域において，指紋スペる。最近の成果では，本特集号への投稿にもあるように，

クトルと呼ばれる物質固有の特有な吸収スペクトルがあり，東京理科大の川o氏の研究グループによって，セルロース

THz 分光測定が注目されている。LEBRATHz を用いたに赤外 FEL を照射することで，グルコースやセロビオー

TDS により，特に医薬品の指紋スペクトル測定を行ってス（グルコースの 2 量体）など低分子量の糖類に効率よおり，外部先行研究のファモチジンの結晶多形の異なる

く 分 解 さ れ る こ と が 示 さ れ て い る35) 。 ま た ， LEBRA 

A 型， B 型結晶の結果を参考に進めている38) 。結晶多形

FEL では，照射部を顕微鏡で観察しながら FEL 照射が可とは，同一分子でありながら分子配列が異なるもので，科能な FEL 顕微照射システムを構築しており36)，顕微鏡で学的成分としては同じ物を指しているが，溶解度や結晶形

観察しながらの FEL 照射微小部位の詳細な応答測定が可

態が異なり，薬効の違いなどがでてくるため，有効性の違

能 と な っ て い る 。 ま た こ れ ま で に ， ナ メ ク ジ （ Limax

いなど発生する恐れもあり，非常に重要な問題となっていvalentianus  チ ャ コ ウ ラ ナ メ ク ジ ） 及 び ザ リ ガ ニる。このような測定には，一般的な X 線回折やラマン分（ Procambarus clarkii アメリカザリガニ）における目の光，核磁気共鳴など様々な分析手法が用いられるが，成分

網膜がどのような波長を吸収しているかについて， FELが似通っている結晶多形の場合，違いを検出するのが難し

照射における電気生理学的反応測定が行われている36,37)。

い場合がある。しかし， THz 分光では，結晶の分子間振ザリガニの電気生理学的反応測定時の様子を Fig. 8 に示動を捉えることから，このような結晶多形のような物質に

160 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

対して，非常に敏感な測定が可能である。ファモチジンのけて行った。アンジュレーター更新の一部は，文部科学省

結晶多形の A 型， B 型はそれぞれ， 1.2 THz, 1.6 THz に

光 量 子 飛躍 フラ ッ グシ ッ ププ ロ グラ ム（ Q LEAP ）特 徴 的 な ピ ー ク を 持 つ こ と が わ か っ て お り ， LEBRA JPMXS0118070271 の助成を受けて行った。 LEBRA 加速

THz でもこの吸収ピークを参考に，測定系の改良，デー器の高度化とその応用利用は，日本大学電子線利用研究施

タ処理方法の確立，ノイズ対策など，より明瞭な指紋スペ

設のスタッフ，開発に携わった多くの大学院生，共同研究

クトルが計測できるよう検証中である。

者一同の努力によって成されたものであり，心より感謝の意を表します。特に，LEBRA 加速器での各光源の応用利

5. おわりに

用研究の実現，共同利用施設の実現は， 2019 年 5 月 23 日に急逝された佐藤勇先生（KEK 名誉教授，日本大学元教

日本大学電子線利用研究施設 LEBRA では，高エネル

授）の多大なるご尽力の賜物です。ここに佐藤先生のご功

ギー加速器研究機構と産総研との共同研究において，加速績に深く感謝するとともに，謹んで哀悼の意を捧げます。

器の高度化及び，光源の開発を進めてきた。光源開発では，

参考文献

FEL, PXR 及び， THz の 3 種類の光源が共同利用可能となっている。 2004 年から共同利用研究施設として運営が

1)

始まり，年間の運転時間は 1700 時間弱，各光源の利用実
験，マシンスタディを含んだ運転件数は年間平均170件程度行われている。利用可能な FEL の波長範囲は，非線形2)光学結晶を用いて， 400 nm ～ 6.7 mm の範囲で利用可能である。 FEL の強度としては，これまでにフルバンチモー
ドではマクロパルスあたり 0.1 ～ 60 mJ ，バーストモード
では 0.1～ 17 mJ 程度が実績としてでている。 FEL の応用

3)
4)

研究としては，生命生化学分野での利用が多く行われて5)
6)いる。THz 光源に関しては，FEL ライン，PXR ラインそ7)

れぞれで光源開発を進めており， FEL ラインでの THz 
CER 光 源 は ， 周 波 数 範 囲 0.1 ～ 2.5 THz ， 強 度 0.5 mJ ，

8)

PXR ラインでの THzCTR 光源点付近では，周波数範囲
0.1～2.0 THz の周波数範囲において，約 1 mJ であり，国内の広帯域加速器 THz 光源としては最高強度が得られている。また，超乾燥空気を用いた測定系を構築しており，利用できる周波数帯域は 0.1～ 4 THz 程度まで広がっている 。 こ の よ う な THz 光 源 を 用 い た 応 用 研 究 で は ，LEBRA THz による TDS などが行われており，医薬品

9)
10)
11)
12)
13)
14 )

の指紋スペクトル測定などを検証中である。また， THz
ビームラインは，FEL と THz，または PXR と THz の同時利用可能な複合ビームラインといった，他にはない特徴を持っており， FEL 発振を妨げることなく THzCER の測定が可能であり，世界初の赤外 FEL と THzCER の同時測定も実現している。今後はこれら光源が併用された応
用研究も期待している。
謝辞

15)
16)
17)
18)
19)
20)
21)
22)
23)

日 本 大 学 LEBRA の 加 速 器 ， 各 ビ ー ム ラ イ ン 及 び ，ユーザー利用施設は高エネルギー加速器研究機構，産総研との共同研究，文科省学術フロンティア推進事業「可変波長高輝度単色光源の高度利用に関する研究」（ 20002007年度）によって開発整備されてきた。また，FEL, PXR
ラ イ ン に お け る THz 光 源 開 発 は ， JSPS 科 研 費
16H03912, JP16K17539, JP19H04406 及び ， 平 成 26 年 度

日本大学科学研究費（若手研究）獲得支援研究の助成を受

24)
25)
26)
27)
28)
29)

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放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 161

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著者紹介
境

武志

日本大学量子科学研究所 准教授
Email: sakai＠lebra.nihon-u.ac.jp
専門加速器科学，ビーム物理学，量子
ビーム科学
［略歴］
2004 年，日本大学大学院理工学研究科
博士後期課程量子理工学専攻修了，博士（理学）。 2005 年，日本大学大学院総合科
学研究科，助手。 2009 年，高エネルギー
加速器研究機構加速器研究施設，研究員。
2011 年，株式会社アキュセラ。 2012 年，
日本大学量子科学研究所，助手，同助教を経て，2020年 4 月より現職。

Development and application of electron linac at
LEBRA in Nihon University
Takeshi SAKAI
Abstract

Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University,
Narashinodai 7241, Funabashi 2748501, Japan

Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) in Nihon University, carries out
for developed two unique light sources, the Free Electron Laser (FEL) and the Parametric Xray
Radiation (PXR), based on the 125MeV electron linac with the aid of KEK and ``Academic Frontier Project'', a matching fund subsidy granted by speciˆcally the Ministry of Education, Culture,
Sports, Science and Technology (MEXT). LEBRA has been operated as a joint research facility
since 2004, with an annual operation time of about 1700 hours and an average of about 170
operations per year including experiments using each light source and accelerator maintenance.
The wavelength range of the available FELs is 400 nm to 6.7 mm, and the intensity of the FELs has
been 0.1 to 60 mJ per macro pulse in full bunch mode and 0.1 to 17 mJ in burst mode. Also, since2013, as a collaboration between LEBRA and AIST, LEBRA has conducted research and development of a new light source for terahertz (THz) coherent synchrotron radiation (CSR), coherent
edge radiation (CER) and Coherent transition radiation (CTR). The LEBRATHz source has thehighest intensity as a broadband accelerator THz source in Japan. Applied research on THz suchas THzTDS has been carried out, and the vibrational ˆngerprint region measurement of pharmaceuticals is under veriˆcation. In addition, the THz beamline is unique in that it has a combined
beamline where FEL and THz or PXR and THz can be used simultaneously. In this beamline, wehave realized the world's ˆrst simultaneous measurement of infrared FEL and THzCER. In the future, we expect to conduct applied research using both of these light sources.

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