放射光第巻第号()

解説■

原研超伝導リニアック駆動自由電子レーザー
極短パルス，高効率，高出力，波長可変レーザーの実現に向けて
峰原英介

日本原子力研究所

The JAERI Free-Electron Laser Driven by a Superconducting rf LinacTowards Ultra-Short Pulse, Highly-E‹cient, High Power, and Tunable Coherent Light Sources
Eisuke J. MINEHARA
JAERI

We would like to explain reccent developments and future plans of the JAERI (Japan Atomic Energy
Research Institute) free-electron lasers driven by a superconducting rf linac with an energy recovery loop. Inthe beginning of February 2000, we could exceed our 1-kW design goal and ˆnally reach 2.34 kW in quasicontinuous wave (CW) operation with a very high extraction e‹ciency of 5 or more. The high power andhighly-e‹cient lasing has recently been found to be a novel one, a few cycle lasing of 250 fs, and about 1
GW peak at the perfect synchronism without lethargy.

原研エネルギー回収型超伝導リニアック自由電子レーザーに関する将来計画と最近の開発について説明する。

2000 年の初頭，準 CW 動作で 5 という高いビーム光引出効率で，設計目標を超えることができ，最終的に 2.34kW を達成することができた。この高出力高効率発振は，今まで知られていない新規なもので，レサジー無し，完全同期状態で，数サイクル発振，250 fs 程度の幅を持ち，約1 GW の尖頭値であることが最近わかった。

.

自由電子レーザーの特徴

よく知られているように自由電子レーザー（ FEL ）は

Figure 1. A free-electron laser consists of a driver (an electron accelerator), gain media (energetic electron beams in the undulator),and optical resonator (ref. 1).

駆動源である電子加速器及び利得媒質であるアンジュレーター中の電 子ビーム並 びに光共振 器鏡から構 成される（ Fig. 1 ）。 FEL は電 子 加速 器か らの 高 エネ ルギ ー 電子比べて物質に束縛されない自由な電子ビームを用いるのでビームをアンジュレーターの交番磁界中に導き，発生する

この名前がある。 FEL は原理的に波長可変で，極短パル放射光を干渉により強め，光共振器により蓄積し，繰り返スが生成でき，波長限界が無く，x 線領域での発振が可能

し電子ビームと相互作用させることにより波長程度に電子である。 FEL は発生熱が動作原理上速やかにほぼ光の速ビームを集群させ，輝度の高い，強い誘導放射を発生させ度で系外に電子と共に排出され，構成部品に熱損失や熱損るレーザー装置である。通常型のレーザーが原子分子等の傷が無い，このため出力限界が無く高出力が可能である。

束縛された電子の状態間遷移による光放出を利用するのにさらに同様の理由で変換効率が高いと考えられているた日本原子力研究所 関西研究所 東海駐在 光量子科学研究センター 自由電子レーザー研究グループ〒319
1195 茨城県那須郡東海村白方白根 2
4282
5464 FAX: 0292826057 E-mail: eisuke＠jfel.tokai.jaeri.go.jp(oŠuce1）
TEL: 029――(C) 2001 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号

()め，軍用民生両方の次世代レーザーとして期待されて来る。SR は主に硬 x 線領域から極端紫外領域の光を発生し，た。現在は，加速器とレーザーの両方の優れた特質を受けFEL は遠赤外またはさらに長波長から真空紫外で発振で継ぎ，その高エネルギー変換装置や長距離エネルギー伝送きる。また発生全出力は SR の方がまだ大きいがピーク出装置としての高い潜在能力等から，次世代のレーザーひい力は少なくとも 7 桁程度以上 FEL が高い。2000年初頭，ては光源全体に革新を起こす原動力として，実用化に大きDESY の TTF FEL で 真 空 紫 外 領 域 の 発 振 が 確 認 さ れな期待が寄せられている。

た6) 。今後，極紫外から軟 X 線領域に FEL 最短波長は延伸すると期待される。

.

コヒーレント及び非コヒーレント高輝度光源の現状銀ランプがいまだに使われており，エキシマーレーザーのコヒーレントでない第 1 世代の高輝度光源は X 線管，大規模利用が始まっているが，SR は未だにこの設備には半導体製造設備分野で，第 1 世代の光源である高圧水水銀ランプ等を指すとも言われている。しかし，一般的に用いられてはいない。しかしながら学術的な用途には多くは高エネルギー実験に寄生した非専用リングを第 1 世代の SR 及び FEL が共同利用や商業的な利用形態で良く利と呼ぶようである。専用蓄積リング（ SR ）を用いる第 2,用されている。 Table 1 に FEL の応用について具体的な3 世代の放射光源，マイクロ波発振器及び種々の通常型分野別にまとめる。

レーザー並びに自由電子レーザー（FEL）を含む非コヒーアインシュタインが発見した光の誘導放出の原理7)を用レント及びコヒーレント高輝度光源のピーク出力を縦軸，いるレーザーは非常に位相の揃った，集光性の良い，長距横軸を波長に取ってまとめたものである。第 2 世代 SR は離伝送可能な強力な光をつくることができる。レーザーは偏向電磁石を用いる専用 SR で，第 3 世代 SR は最近利用発明されてから 40 年程度であるが鉄の溶接や切断からコが始まった挿入光源（アンジュレーター）を用いた Spr-ンパクトディスク（CD）の演奏まで幅広く使われており，ing-8 のような専用高輝度 SR2) である。 Figure 2 で特徴

その利用は急速に広がっている。「もうすぐ光の時代がや的なことは通常型レーザーは基本的には離散的な狭い線状ってくる，工場，車，鉄道，船，飛行機までレーザー光での光のスペクトルであり，非常に多種類のレーザーによっ動く時代がくる。」と昔から言われたものであった。しかて発振され，その範囲は軟 x 線領域から遠赤外領域までしながら現在は，効率の良い高い出力のものがないため分布している。SR は基本的に連続スペクトルで，比較的に，まだ利用は限定的で，そのような土木，建設，重工業

狭い帯域のアンジュレーター放射光も複数のピーク構造を等の分野の応用は実現されていない。

持った連続的なスペクトルである。

現在の大部分のレーザーの光は物質（利得媒質）中の束マイクロ波，ミリ波より短波長の赤外領域の FEL は縛された電子により生成される。このためその光はその物

1977年米国スタンフォード大学の Madey 等によって「再質に非常に制約される。例えば，この光は，物質に固有の発明」された3)が，その遥か以前1940年代からマイクロ波少数の波長（色）に限定される。レーザーを駆動する励起領域の FEL はユービトロン等の発振管4,5)として広く知ら用フラッシュランプ光は，その一部がレーザー励起に用いれていた。1999 年までは FEL は波長領域が SR と重なっられ，大部分はその物質を熱する。高品質の光が必要であて居らず，今でも殆どの FEL と SR は相補的な関係にあれば熱歪みが無視できるほど弱い光しか出せない。そしてFigure 2. Two-dimensional distributions of the peak power (vertical axis) and wavelength (horizontal axis) for FELs
and other bright light sources are illustrated.

――



放射光Table 1.

分野

ウラン濃縮同位体分離

利用例

分野

基礎化学
物
生
研
究分
野への応用

利用項目

原子法ウラン濃縮
分子法ウラン濃縮

原子力新材 90
Zr, 50Ti, 53Cr などの精製料の精製
原
子 再処理，廃棄物処理
力研
究 原子力技術
分
野への
応 核融合
用

光加工

U，Pu その他の元素抽出群分離

放射性材料の加工（遠隔加工）
燃料の切断（遠隔操作）
原子炉解体（遠隔操作）
プラズマ加熱，電流駆動
プラズマ診断（温度，密度）
レーザー核融合
ミューオン触媒核融合の反応加速

基礎科学

高エネルギー加速器への応用
電波天文学への応用（局部発振器）
重力波天文台用レーザー

光電子分光

金属バンド構造の決定，素励起子，不純物準位，半導体，半金属等の分
光

遠赤外分光

超伝導体のメカニズム 高温超伝導材料の研究
超伝導ギャップエネルギー

光半加導工体
製
薄造
膜技
術
表へ
面の
プ応
ロ用
セ 薄膜表面プロセスス

DNA 構造の解体
DNA 神経繊維などの切断
高速蛋白質立体解析

量子井戸，量子細線，量子点等のTHz 高速これらの電素を用いた検出素子/
レーザー環境有害物質の検出と分解

癌治療
動脈硬化部除去，コレステロール分解，骨の切断
光化学反応を用いる場
胆石の砕石
合近視角膜のマイクロ切断手術
レーザー蛍光内視鏡
医
殺菌，滅菌
療
研
レーザーメス
究
光凝固法
分 熱的作用を用いる場合
あざ，メラニン沈着性疾患
野
レーザー内視鏡法
への光刺激利用の機能回復
応用
レーザー麻酔，レーザー鍼
光 CT，生体内元素の濃度計測
ドップラー効果を使った血流測定，その他
代謝異常診断レーザー歯科（治療，虫歯の予防，加工）
細胞溶接，遺伝子注入用例

レーザー加工穴明け，切断，溶接
表面加工，変態焼き入れ，アニーリ
ング
溶接プロセス（合金化，肉盛，表面溶融）
レーザーボーリング（石油井戸掘削）
プラント建設光 CVD（レーザー化学蒸着）
レーザー励起エッチング
リソグラフィー（精密微小パターンの形成）
レーザーアベレーション（均一な薄膜の形成）
ドーピング（不純物の制御，高濃度ドーピング）
マーキング（永久変色を利用した核印など）
殺菌（ウエハー，洗浄水）
アニーリング（局所加熱など）
スペースデフリ軌道偏向，高々度無人飛行船，飛行機，惑星探査機，通信衛星へのエネルギー伝送（電力，推進力，熱源），電力，熱源光伝送

環
境
科 高感度検出学

フラン，ダイオキンの広域高感度検
出遠赤外ライダー，トリチウム遠隔検知，選択除去分離/分解処理 振動励起準位経由の熱分解
環境ホルモン等有害物質，オゾン層有害物質，地球温暖化物質等の広領域広帯域モニター

光励起化学反応の促進 メゾスコピック素材（サブミクロン及び水素結合の切断以下）の開発研究テラヘルツ科学と工学

利エ伝
ネ送ル 遠隔エネルギー伝送
ギー

新材料の精製及び同位H, B, C, O, Si 等の同位体分離
体分離によるモノア
物性値（熱伝導率等）の大幅な改善
イソトピック材料
バイオテクノロジー()

Table 1. （つづき）

Summary of possible applications for future FELs.

利用項目

第巻第号

逃げる熱も多いので効率が悪い。これは物質に固定された電子を使う限り避けられないことである。この事情を説明したのが Fig. 3 上である。発熱による大きな損失はレーザー駆動源（フラッシュランプ）にもある。このため現在のレーザーは非常に非力なレーザーが大部分である。
そこで物質に束縛されていない自由な電子を用いるレーザー，つまり発振波長を光の波長まで短くした「真空管」である FEL のアイデアが生まれた。 FEL で使う電子は「自由」であるのでそのレーザー光の色を自由に変えられる，また熱も発生しない，或いは速やかに光速度で排出されるので強い光を効率良く出せる。余った電子ビームはエネルギー回収して再利用し，高いエネルギー効率と結果的に不要な放射線発生を 10 桁以上落とすことが出来る。このように FEL は光の時代にふさわしい理想のレーザーと考えられた。初期には米国のレーガン大統領の提唱したSDI（通称スターウォーズ計画）の候補8) にもなったのであるが， Fig. 3 中に説明されるように高エネルギー電子を作る常電導リニアックに莫大な熱が発生するので全体の効率が悪くボーイング社や TRW 社等で進められていた――放射光第巻第号()の特徴から原理的に発振波長の限界がないと期待される。
波長可変性は FEL のレーザー媒質が交番磁場中の高エネルギー電子であるので，次の FEL 発振波長 lL の式で判るように磁場（BU）又は電子エネルギー（g）を変えることにより自由にかつ連続的に実現できる。

lU
eBUl2U
1＋22g
2p mc

lL＝

( {})

（ただし，lUアンジュレーター周期長）

FEL が高効率，高出力であることは前の Fig. 3 を見ていただくと理解できる。通常型のレーザーは，利得媒質を励起するためのフラッシュランプ等のドライバーにしても，固体，液体，気体等の利得媒質そのものにしても，発熱等の損失が大きい。もともとランプによる電気から光への変換効率が低い，そしてこの光は非常に広い波長領域に分散している。この広い領域の一部分しか利得媒質に吸収されない。このため膨大な熱損失がレーザードライバー（駆動源）及び利得媒質に発生し，平均出力を増加させることが出来ない。

FEL は，既に述べたようにアンジュレーター磁場中の高エネルギー電子が利得媒質であるので発生熱が光の速度
Figure 3. Comparison between heat losses in the connventionallasers, and normal conducting and superconducting rf linac-based
free-electron lasers.

で速やかに系外に排出され，発熱による上限は無い。したがって FEL は高効率，高出力であると考えられているわけであるが，今までの FEL 装置は実際には平均出力が非常に低い。これは駆動源である常電導電子線リニアックに軍事利用研究は中止された。現在，軍事利用は小規模に米おいて非常に損失が大きいからである。この熱は通常金属国ジェファーソン国立研究所と同国海軍が艦船の近接防御銅の熱伝達では取り切れない，このため間欠的に短時間兵器として開発が進められているのみである。

（十万～百万分の 1 秒程度だけ）パルス動作させて発熱損

超伝導技術を用いてこの困難の解決を図ることができの総量を押えている。このため常電導リニアックを用いるる。この説明が Fig. 3 下である。超伝導リニアックは常FEL においては高効率，高平均出力を実現するのは非常電導に比べて 10 万分の一以下の電気抵抗である。超伝導に困難となる。

リニアックに投入された電力はほとんど100 電子エネル

超伝導リニアックは常電導リニアックの約 10 万分の 1ギーに変換される。そして常電導リニアックの導体損によ以下の表面抵抗であるので，前者は後者に比べて少なくとる莫大な熱は超伝導リニアックでは発生しない。しかしなも 10 万倍程度以上の高い出力を容易に取り出せる事にながら（常電導リニアックの全電力に比べて少ないが）極低る。この際，電子ビームの電流を増やしても損失は増えな温冷凍機の運転電力が必要となる。現施設は広い実験室サい。このため，前者は冷凍機運転のため余分の電力が必要イズであるが，設計ではトレーラーサイズに小型化する目で少し割り引かねばならないが，高出力の制限にはならな処が立っており，将来はさらに実験卓程度にまとめることい。 Figure 3 では一番下の説明にあるように，超伝導リが可能で，総効率（光出力を必要全電力で割った値＝ウニアックを駆動源として用いることにより初めて FEL のオールプラグ効率）をどの通常型レーザーよりも良くする

高効率，高出力という長所を現実のものとする可能性が出ことが出来る。たとえば，連続波（CW）炭酸ガスレーザーてくる。日本原子力研究所関西研究所東海駐在 FEL 研究

では 13 程度以下（パルス炭酸ガスレーザーでは数以グループにおいてこの超伝導リニアック駆動 FEL の開発下）が限度とされるが， FEL は 15 以上が中規模の出力に，最近成功した9)。原研では，準 CW 動作で 5 というで，さらに大型機で50程度が可能とされている。

高いビーム光引出効率で，設計目標を超えることができ，最終的に 2.34 kW を達成することができた。この高出力

.

高効率高出力超伝導リニアック FEL の開発

高効率発振は，今まで知られていない新規なもので，レサ

FEL は通常型 レーザーと比べて極短 パルス，波長可ジー無し完全同期状態で，3 サイクル発振，250 fs 程度の変，高効率，高出力が可能であると考えられる。また媒質

幅 を 持 ち ， 約 1 GW の 尖 頭 値 で あ る こ と が 最 近 わ か っ――

放射光た。この発振は，非常に高い縮重度を持ち，超放射状態であると考えられる9)。

第巻第号()

Figure 4a, b, c, d は，原研の施設の現状と建設の説明である。これは中赤外遠赤外線領域の FEL で，本格的な学術利用や産業応用の準 CW 動作をするプロトタイプとして開発された。高エネルギー物理のリニアックと比較して小型で，扱い易く，高出力を可能とする CW 加速可能な超伝導リニアックの実現及びその高出力 FEL への応用が目標である。この開発過程で米国ジェファーソン研究所と日本原子力研究所の超伝導リニアック高出力 FEL の出力競争が展開され，日本原子力研究所の FEL が世界最高の効率と出力の記録を現在も保持している。超伝導リニアックによる最初の成果が出された後の開発競争の様子が，Fig. 5 から読みとれる。また，技術的には，出力制限は殆どないと考えられるので今後 2 年ごとに FEL は 1 桁以上出力が上昇すると期待される。
電子ビームのエネルギーの光に変わる割合を変換効率まFigure 4a. Injection system of the JAERI superconducting rf
linac-based free-electron laser.

Figure 4b. Main accelerator system of the JAERI superconducting
rf linac-based free-electron laser.

Figure 4c. JAERI compact stand-alone, and zero-boil-oŠ cryostat
module for the superconducting rf linac.

Figure 4d. Artist's view of the JAERI superconducting rf linac-based free-electron laser facility with energy recoverysystem. The facility is now under construction at JAERI, Tokai.

――

放射光

第巻第号

()ニアックの減速位相に入れて再度次の加速のエネルギーとして再度利用し，合わせて放射線発生を実質的に 0 とすることが超伝導リニアックでは可能である。このとき，加速時に同じ加速空洞内の高周波から電子ビームに与えられたエネルギーは，回収時には（減速時に）電子ビームから高周波に全量回収される。このように電子ビームエネルギーと超伝導リニアック内の高周波エネルギーとの間で完全なエネルギー変換が行われ，損失は非常に高い精度で 0と考えることが出来る。結果的に，エネルギー回収が行われる電子ビームエネルギーの範囲で完全変換が行われる。
回収最下限エネルギーである入射エネルギー以下では回収率は悪いので結果的には，光に変換されたエネルギーの数倍が 必要とな り，数十 程度の総効率 が期待され る。

Figure 6 に此の事情が説明してある。

.
Figure 5.

Superconducting rf linac-based free-electron lasers.

超伝導リニアック FEL の特長とその利用や応用

FEL の原理的特長は波長可変，高出力，高効率である
こと，更に通常型のレーザーでは波長可変性やその発生と利用が困難な波長である中赤外/遠赤外及び紫外領域（近い将来 x 線領域）で動作することである。また電子リニアックによる電子ビームがレーザー駆動源となるためこの電子ビームの時間構造を持つ光ビームが得られる。このため他のレーザーでは不可能な尖頭値 GW 以上で連続動作するフェムト秒時間幅の遠赤外線レーザーが可能である。
さらに将来は，アト秒時間幅にミクロバンチされたフェムト秒長のパルス構造で，1 Å から0.1 Å で数百 GW 以上が可能となると期待されている6)。この発振光は SR 用の蓄積リングからの光と比べると尖頭値輝度が 10 桁程度以上大きい。全光出力も近い将来 SR を越えると考えられる。
将来予測のロードマップを Fig. 7 と Fig. 8 に載せる。
この輝度が桁違いに大きいことを利用して FEL により発生，放出する光の対象物質への吸収を光の波長を精密に制御することにより有用な働きかけを非常に安価に実現できる。Table 11,10,11)にあるように精密な波長の設定によりFigure 6. Explanation of energy recovery in FELS. An RF energy
inside the superconducting cavity is converted into beam energy withnegligible loss when the beam is in the acceleration phase. A small
amount of the beam energy is then converted into light in the FEL
device. Remained and most amount of the beam energy is fullytransported to the cavity again, and the same amount of the converted energy is recovered into the RF energy in the decceleration phase.
In the RF source, we have to consume small amout of energy in thedummy load to stabilize RF amplitude and phase. Therefore, wehave to supply this amount of energy to the cavity. FEL light energy
is fed by the injection system.

任意の元素，同位体，分子，化合物等の大規模な分離回収を行うことができる。また吸収の素過程，仕組みを同様にして制御し，分解，加工，改質，治療，診断，アニール等を行うことができる。このとき同一のレーザー装置を用いて広い範囲の波長をカバーできる。

Table 1 にあるように，原子力分野への応用利用は，再処理，廃棄物処理，核燃料核材料創生である原子や分子の分離，と原子炉（金属やコンクリート等の切断）の解体，核融合プラズマの診断，加熱，慣性核融合のドライバー，ミューオン触媒核融合の反応促進に用いられている。基礎たは引出効率と呼んでいる。これは今まで 1 程度以下

科学では，天文学，高エネルギー加速器，重力波，長基線で理論限界であったが，新しい発振モードが原研で確認さ干渉計等の診断，検出器， THz 高周波源，干渉用レーれ，最初に 5 ，現在 7 程度が得られている7)。残り99

ザー，物性研究では，バンド構造，素励起子，量子井戸，から 93 は現在，捨てられているが，これを超伝導リ

量子細線，量子点，高温超伝導体理論の研究用光源，生物――




放射光

第巻第号()

Figure 7. Road map of the highly-e‹cient, and high Âpower FELs
driven by a superconducting rf linac.
Figure 9. Utilizing ultrashort pulse, high e‹ciency, high power
capability and tunability of FELs driven by a superconducting rf
linac, the FELs can be applied to excite and to disintegrate selectively a speciˆc states of a certain chemicals, and to realize a real time
ultra-sensitive detection and removal of environmentally-harmful
chemicals.

は，スペースデフリ軌道偏向，高々度無人観測飛行機（飛行船），通信衛星や惑星探査機への電力や推進力や熱源の伝送，光，熱エネルギー伝送，環境科学では，トリチウム等の遠隔極微量検知，遠隔選択除去，環境ホルモン等の有害物質の極高感度 3 次元検知，高効率分解，フロンガスや温暖化物質の極微量検知，遠隔高効率分解，フロンガス分解，オゾンホールの修復等が考えられる。
また現在，加速器やアンジュレーター等の技術的な限界を克服する事により，1 オングストロームに至る（x 線共振器鏡を用いない）シングルパス x 線レーザーの開発研究が進められている。発振波長の式からも容易に分かるよ
うにその原理的な短波長限界は無いと考えられている。ただし発振波長の3 /2乗で利得が小さくなる事，及び x 線共振器に必要な反射率の高いミラーが無く，シングルパスとFigure 8. Road maps of short wavelength FELs driven by a superconducting rf linac.

なること等のために，より短い波長の発振は極めて困難となる。この原理的な困難を排して，米国及びドイツにおいて次の 5 年で X 線 FEL を実現させるため，干渉性の高い電子ビームを実現できる常伝導及び超伝導リニアック自由科学ではゲノム解析，蛋白質立体構造解析，医療医学バイ電子レーザー技術開発が進んでいる。

オ科学では，ガン，血流，代謝異常等の診断装置，レー高出力超伝導自由電子レーザーの応用の一つとして，ザーメス，レーザー CT （光 CT ），細胞溶接，遺伝子注

Fig. 9 にあるように大気中環境有害物質の 3 次元遠隔実入，殺菌，滅菌，表面処理，光加工では，セラミック（コ時間超高感度検知と遠隔分解除去の試みを説明する。殆どンクリートを含む），金属，その他の物質の溶接，切断，総ての環境有害物質は，中赤外―遠赤外領域に大きな共鳴改質，アニール，穴あけ，ボーリング，エネルギー伝送で吸収線が多数存在する。赤外領域は未だに良いコヒーレン

――

放射光

第巻第号

()ト或いは非コヒーレント光源がなく，微弱ながら自由電子参考文献レーザーが広く利用されて来た。原研 FEL は，唯一この

1)
2)
3)
4)
5)

波長領域で，極短パルス，波長可変，高効率，高尖頭出力及び高平均出力のレーザー光を提供できる。これにより，広範囲の大気中に拡散している環境有害物質を遠隔で検知し，かつこの検知結果に基づいて集光した強力なレーザーで分解除去することが可能であることを日本原子力研究所
で最近確認した12) 。また，殆どの環境有害物質は（熱せられて吸収線が広がった状態では，選択性や効率が犠牲になるが） GW 級ピーク出力を持つ中赤外領域のレーザーで簡単に多光子解離，熱分解できる。これは焼却炉中の残留塵芥や煙道中において冷却中に再合成された環境有害物質を，通常の炭酸ガスレーザーで分解することが可能である事を示している。原研で FEL 及び炭酸ガスレーザーによるダイオキシンや PCB の分解成功後，民間で煙道中のダイオキシンの分解が実スケールで試みられ，成功している12) 。これも実用上重要で，次世代の安価な超伝導 FELの利用まではこのような方法も用いられると考えられる。

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――