Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

PROGRESS OF X-FEL/SPRING-8 PROJECT,A)

A,B)

Tsumoru Shintake1 for Joint XFEL Project TeamA)
RIKEN, XFEL Joint Project / SPring-8
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5148, JapanB)
JASRI, XFEL Joint Project / SPring-8
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198, Japan
Abstract
XFEL/SPring-8: the X-ray free electron laser facility is under construction, which is aiming at generating coherent,high intensity, ultra-short femto-second X-ray pulse at wavelength of 1 Å or shorter. XFEL will contribute to newscience, such as, the single bio-molecular imaging, the pump-probe experiment in femto-second time-resolution. Year2010 is the fifth year of five years project, the facility building construction has been completed in March 2009, andinstallations of hardware components in injector, main accelerator and the undulator section are currently underway.
The high power operation of accelerator will start in October 2010, followed by the beam commissioning in March2011. The first X-ray beam will be delivered to the user facility in 2011.

X線自由電子レーザー計画の進展	 ろっているＸ線を波長1	 nm	  〜	 0.1	 nm以下の範囲（可変）で発生させるものである。そのＸ線を発生
図１に示すようにSPring-8に併設してＸ線自由電させるために使用されている技術は、最新の加速器
子レーザー施設[1]を建設中である（XFEL/SPring-8、 技術によってはじめて実現可能となった自然放射のここでXFELはX-ray	 Free	 Electron	 Laser であり、
自 己 増 幅 型 FEL （ Self-Amplified	 Spontaneous	 
以下Ｘ線ＦＥＬと略す）図１は20010年1月に撮影しEmission	 FEL 、SASE-FEL)である。低エミッタンス
たXFEL/SPring-8とSCSS試験加速器、そして既存の電子銃から発生させた電子ビームを線型加速器にて	 SPring-8である。試験加速器は、２００６年に運転8	 GeVまで加速し、長さ100	 mにも及ぶアンジュレーを開始し、熱電子銃の性能評価、加速器コンポーネ
タに通してＸ線波長にてSASE-FELを動作させ、アンントの開発、信頼性評価などを行ってきた。その中ジュレータ内の自然放射を増幅し、飽和レベル(〜で特に、SCSSの独自技術であるCeB6単結晶を用いた10	 GW以上)に達したＸ線を実験に提供する。計画の熱電子銃が、XFEL/SPring-8実現に必要な低エミッ初期は1本のアンジュレータ・ビームラインにてスタンスビームを供給できること、さらに速度変調によってバンチ圧縮し少なくとも300倍圧縮までは、エミッタンスを劣化させない運転が可能であることを実証 し た 。 XFEL/SPring-8 では、450	 MeVと1.5	 GeVの高エネルギー域に2段のシュケイン磁場によるバンチ圧縮器を導入するため、最終的な圧縮率3000倍は可能であると結論している。	 
また試験加速器は ユニークなVUV領域の線源として、多くのユーザーにビームを供給してきた。	 
さてＸ線ＦＥＬの目的は、飛躍的に高い輝度ピーク輝、極短パルス（10〜300	 fsまたはそれ以下）、空間的に100%コヒーレント、すなわ
ちビーム断面で位相がそ
図１	  XFEL/SPring-8	  線型加速器棟、アンジュレータ棟、実験棟が完成

１．はじめに1

E-mail: shintake@spring8.or.jp-119-Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

射器に設置されたレーザーヒーターによって、あえて電子ビームにエネルギー分散を与えて、シュケイン磁場の中のビーム不安定 性 を 抑 え て い る の に 対 し て 、
XFEL/SPring-8では、熱電子銃からの電子ビームに内部構造がなく、滑らかである事
実を根拠にして、シケイン磁場のビーム不安定性がないと結論しており、あえてレーザーヒーターは準備しないという大きな決断をしており、注意してビームチューニングを行う必要がある。	 
なおX線波長のFELでは、長さ100mに及ぶアンジュレータ区間において、軌道誤差	 5	 図２	  設置されたアンジュレータ。各５ｍの真空封止型ア ミクロン以内という極めて高度なビーム真ンジュレータを合計１８台使用する。８月現在、磁場の最終 直度が要求されるが、LCLSではビームベースアラインメントでこれを実現している。
調整中。
現在、XFEL/SPring-8でもLCLSの成果に真タートするが、将来は合計5本のアンジュレータ・摯に向き合い、ビームベースアラインメントの技術ビームラインを増設する。	 の習得、さらに高度は方式の検討を行っている。	 
SCSS:SPring-8	 Compact 	 SASE 	 Source プ ロ ジ ェ ク
今回の報告では、主に主加速器部の建設の状況を
トでは、日本で開発された3つの重要な技術によっ報告するが、ビームパラメータや加速器の構成等はて、欧米にて建設中の同様のプロジェクトよりも小昨年までの報告と同じであり、そちらの報告を参照
規模の加速器にてX線レーザーを実現できる。そのしていただきたい。	 
技術は（1）真空封止型の短周期アンジュレータ、（2）高電場のＣバンド加速器技術（35〜40MV/m）、 ２．加速器コンポーネントの量産	 そして（3）CeB6単結晶を用いた低エミッタンス熱電
8	 GeVの線型加速器は大型施設である。特にＣバ子銃である。これによってXFEL/SPring-8計画の総ンド加速器が物量共に大きく、量産の如何がプロ予算がヨーロッパの計画の数分の一に収まっている。
民間の優れた製造技術ともあいまって比較的短期間ジェクトの成否を決定する。これまで加速管、導波で加速器が建設できることも重要である。
管系は三菱重工業及び日本高周波にて大量生産が行XFEL/SPring-8は2010年度建設終了、2011年度運転われ、すでに２０１０年３月までに製造を完了して開始の予定。	 
いる。クライストロンは東芝那須電子管にて量産が
米 国 SLAC に 建 設 中 で あ っ た LCLS	 ( SLAC	  Linac	  順調に進行した。そのパルス電源系はニチコンが受Coherent	 Light	 Source)は順調にビームチューニン注し、2008年より量産に取り掛かり、２０１０年４グが進行し、2009年4月10日に波長1.5 Åにて最初の月までに量産が終了し、すでにクライストロンギャレーザー増幅を観測し、引き続きFEL飽和に達したラリーへの設置が終了した。また集束磁石と電源、[4]。実際にX線波長において、FELが理論予想どお高周波制御、機器制御の量産も順調に進行し、下流りに動作することを実証した歴史的意義は大変に大側より順次ラックに設置されている。入射器は電子きい。これはまた、XFEL/SPring-8にとっても朗報銃タンクを始め、ほとんどすべての機器が設置されであり、低エミッタンスの電子ビームを加速し、正た。一部、Lバンドの導波管系、加速管に遅れがあしくアンジュレータに通過させれば、X線FELになるるが、来年３月のビーム運転までには、納入、設置ことが保証された。若干の不安要素は、LCLSでは入	 図３	  （左）Cバンド加速管１２８本、Sバンド８本の設置が終了。（右）モジュレータ、制御ラックの設置が進行中。
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Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)の見通しが立っている。	 
（２）導波管の量産において、フランジ面が赤アンジュレータは、重要な課題であった真空チェ褐色に変色するトラブルが発生。アセトン洗浄をンバ内での磁場測定技術(SAFALI)が開発実用化され、 行い、真空炉にて空焼きするとステンレス地肌に
現在、設置の終了したアンジュレータの最終磁場調もどるが、数日で変色が元に戻るとの報告。これ
整を継続中である。	 
はNiメッキ後の洗浄不良により塩類が残っているためであろうと推察し、ブラッシングしながら水３．機器の量産に伴うトラブル	 洗し、再度から焼きにより、変色のトラブルは解試験加速器にて性能を確認したはずの機器を、 決した。注意すべきは、アセトンやアルコール洗量産したさいに、いくつかのトラブルを経験した。 浄は、塩基類の汚染には無力だという点である。	 
ここでは、主加速部に関して、その原因を総括し（３）導波管の真空引きポートのICFフランジてみた。	 
が真空リークするトラブルが多発した。このポー（１）開発段階のデバッグが十分ではなかった トはフランジを溶接後に導波管フランジの真空ロケース	 ウ付けを実施するため、約950℃の高温を経験す（２）開発段階の試験サンプル数が少なく、偶然 るきびしい条件にあるが、従来は問題なく製造さに優れたデータが得られ、内在する問題に気がつ れてきた部分である。しかし量産においてコストかなかったケース。	 
ダウンをはかるため、安価なICFフランジを購入（３）若干の性能スペック変更が大きく信頼性を して使用したところ、真空リークが多発した。こ損なう結果となったケース。特に大電力、高電圧 れは問題の解決までに数ヶ月という長期を要した。
機器では、わずかの電圧上昇がブレークダウンを A社製のフランジとの組み合わせでリークせず、B頻発させることがある。	 
社製とはリークが発生。さらに、増し締めで止ま（４）開発段階の製造業者と量産の業者が異なり、 る場合と止まらない場合など、様々なケースの解ノウハウの伝達ができなかったケース	 
析に振り回された。これは、なんとか現状の製品（５）製造ラインのスピードを上げるため、不慣 を救済したいとの思いであったが、時間を失ったれな下請け業者を導入し、必要な加工精度が得ら ことが最大の損失であった。大型加速器の建設にれなかったケース	 
あたっては、時間というものが大変に高価である（６）コストダウンを図るため、安価な部品を調 ことを認識し、わずかに疑いが残る場合には、潔達し、真空リークを多発したケース	 
い決断が必要である。結局、関連の導波管のフラ（７）ノウハウをもつ技術者が製造ラインの整備 ンジ全数を切断し、信頼性の高いフランジに入れに時間を取られ、最も重要な製造技術の伝達がな 替えた。なお、不良となったフランジの表面状態されないまま、量産部品が流れてしまったケース。	 や、ステンレスの調査を行ったが、明確な原因は（８）量産部品製造を図面指示のみで行い、注意 確定していない。	 
すべき要点を十分に伝達しなかったケース。	 
現実の加速器コンポーネントのトラブルにあっ（９）海外より調達する部品のロット性能がばら ては、単純な原因が特定されることは少なく、各ついたケース	 
種の複合現象のかげに隠されてしまうことが多い（１０）現地組立作業において、不適切な取り扱 ため、原因究明に労力をかけ過ぎることは得策でいにより、性能を損ねたケース。	 
はない事が多い。	 	 
（４）パルスコンプレッサーの量産において、以下に主加速部に関して経験したトラブルのい 周波数調整用のネジにガタがあり、周波数が安定くつかを説明する。将来、他のプロジェクトを実 しないというトラブルが発生した。	 
施するさいの教訓となれば幸いである。	 
これは、完成品のパルスコンプレッサーを大電（１）ダミーロードの量産初期に、SiCディス 力試験すべく、SPring-8内組み立て調整棟テスト
クのろう付け不良が発生。N社に出向き、銅製の スタンドにて壁に取り付け後、周波数調整を行っ冷却ブロックにろう付けされたSiCをハンマーで た祭に、異常な周波数ジャンプが発見されたこと
軽く叩いてみると、あっさりとSiCがはずれてし に端を発している。その原因は周波数調整ネジにまう。SiCのロウ付け面は若干緑色を帯び、煤け ガタがあるか、異物を巻き込んでいるものと推察たように見える。全くろう材が乗っていない。こ された。さっそく工場へ持ち帰り、分解し、手でれは、SiC表面の酸化または炭化であろうと推察 ネジのみを回してみると、驚くほどゆるく、またし、SiCディスクの焼結後の表面研削状態を調査 引っ張るとガタがある。手の感覚では50ミクロンしてもらったところ、研削不良と判明、研削条件 ほどのガタがある。また、ゴロゴロと何か砂を咬を最適化し、ロウ付けが安定した。	 
んだような感覚があった。	 
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周波数調整ネジは、微妙な調整が可能であり、バックラッシュがゼロでなくてはならない。そのため差動ネジとなっており、中心のネジが空洞の可動端板へ固定され、外周のネジが支持アームへ固定されている。その間に差動用の真鍮製スリーブネジがはいる。ネジを解体して、中心のネジ表面を不綿布にてふき取ると、金属の粉が付いてくる、よく見ると薄く剥離したような粉である。事情を聞くと鉄製ボルトにニッケルメッキをしたとのこと。ピカピカの表面が滑らかな滑りを与えるであろうとの期待であった。
褶動面にメッキは禁物である。摩擦によってすぐに剥離する。なおイオン注入や浸炭処理によって表面を強固にすることは、母材そのものの組成を向上させるため褶動面に適している。	 
対策として中心ボルトをステンレスにて製造し直したが、ボルトの製造業者がセンターを取らずに全数のねじ加工をしてしまったため、先端が20ミクロンほど太く根元が細いボルトとなってしまった。そこで真鍮製スリーブネジを太くなったボルトに厳密に合うように製造し直し、ようやく周波数が安定した。	 
精密な調整を必要とするネジの加工には、注意深い製造工程の検討と、寸法管理が必要である。	 
またパルスコンプレッサーは、Q値が２０万にも達し、わずかの寸法変化にて電気的特性が変化してしまうため、特にチューナーの機械精度、剛性には注意が必要である。	 
（５）Cバンド加速管の量産初期において、ロウ付け後の周波数が大きく変動。さらに個体ごとの周波数のばらつきが大きいというトラブルが発生した。Cバンド加速管では、ビームが誘起する高調波ノイズを減衰させるため、SiCリングを内蔵しているが、その固定にはタングステン製のコイル状スプリングを使用しており、SiCリングを銅製ディスクの溝に圧入するとコイルスプリングが楕円に変形して、SiCリングを強固に保持するという設計である。コイルの強度、変形量、銅製ディスクの変形等は、ANSYSにて構造解析し、周波数の変動が十分に小さくなるという計算結果であった。しかし実際にはロウ付け工程によって周波数が大きく変化した。	 
その後の調査によって明らかとなったことは次の 通 り で あ る 。 内 蔵 さ れ た SiC リ ン グ と 銅 製 のディスクは熱膨張係数が大きく異なり、ロウ付け温度950℃にて、SiCリングと銅製ディスクの間に1	 mm程度の隙間ができる。コイルスプリングは圧力が開放されるので自然形状にもどる。加速管のロウ付けが終了し、温度を下げてゆくと銅製ディスクが収縮し、400℃付近でふたたびコイルが接触し圧力が増加する。このまま室温にもどれば、何もトラブルはない。しかし問題は400℃付近での銅材のクリープが室温よりはるかに大きいことを見落としていたことである。コイルスプリングの圧力により銅ディスクが大きく変形し、周波数がずれることとなってしまった。400℃付近の銅材の機械的強度をANSYSに再入力し、コイルスプリングの強度と圧縮量の最適化をおこないトラブ
ルは解決した。ただちに量産を再開。その後順調に進行し、2010年3月には全数128本の製造を完了した。結局予定より2ヶ月ほど早く製造が終了した。2009年の後半から加速管の製造と設置が同時進行し、2010年3月には全数の加速管の設置が終了した。	 	 
（６）モジュレータ電源等に関するトラブル	 
2008年までにXFEL/SPring-8向けにPFN部とパルストランス部を一つの鉄製タンクに収めた「一体型モジュレータ」の開発を終了しており、2008年4月より量産に移った。試作機を注意深く開発したにもかかわらず、量産にて新たに次のようなトラブルを経験した	 ○ パルストランスの製造において、カットコア端面のショート、層間絶縁不良により、渦電流ロスが増加した。コア材には渦電流ロスの小さい6%	 Si ドープのSuper-E	 Coreを採用したが、絶縁皮膜に耐熱性がなく、コア材巻き取り後の焼鈍処理工程において、層間の絶縁不良を発生、またコアをカットしたさいに、カット面での層間ショートを発生した。そこで、巻き取り方法の最適化、エポキシ含浸工程の見直し、エッチング処理工程の見直しを行いコア特性が回復した。	 
○ サイラトロンの保護回路であるPFN回路のEOLダイオードが、クライストロンの放電に伴い、破損するトラブルが発生。ダイ
オードのスペックを見直したが、余裕が十分にあり問題がない。その後、タンク内配線 の 詳 細 な チ ェ ッ ク に よ っ て 、 EOL ダ イ
オードのカソード側が、PFN回路のグランド側の終端ではなく、サイラトロン側に接続されていることが発見された。クライス
トロン放電に伴なう100	 MHz 以上の高周波ノイズによって、PFN回路にコモンモード振動が発生。サイラトロン側と終端側にて-122-

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位相が180度異なる電圧によりEOLダイオー の絶縁フィルムを使用し、いまや内部の電界強度
ドに一瞬、順方向電流が流れ、注入された は10	 MV/mを超えることがめずらしくない。このキャリアが消滅する前に、再び	 50	 kVの逆 ため潜在的な放電の危険を回避するために、金属電圧がかかり、ダイオードの空乏層になだ 蒸着膜の厚みを数十ナノメートルにまで薄くした、れ現象を発生し、シリコンが溶融し、ダイ いわゆる自己回復型のコンデンサが主流となってオードが導通モードで破損した。EOLダイ いる。また製造工程の短縮、パッケージングの簡
オードのカソード側を正規の位置、PFNの 素化のため絶縁オイルを用いないドライタイプと終端に戻し、トラブルは解決した。	 
なっている。	 
○ パルストランスのエポキシ含浸１次２次巻
しかし加速器向けの機器では、民生品のような線間が放電破損するトラブルが２回発生。 過剰な小型化は必須ではなく、大電力にて使用さ１台からは明らかにゴミが原因らしい放電 れるため信頼性が最重要事項であり、部品の選択痕が発見された。推定される原因は、パル にあたっては注意が必要である。いまのところ、ス ト ラ ン ス を ク レ ー ン に て 釣 り 上 げ 、 モ 20kHz周波数帯の共振回路に用いるコンデンサとジュレータタンクに設置したさい、クレー して最も安全と思われる選択は、少々寸法が大きンのナイロン製スリングからゴミが落下し、 くなるが十分な耐圧を確保した絶縁油入りオイル
パルストランスの極間に付着したものと思 コンデンサであろう。	 
われる。そこで、出来るだけ清浄な状態を最近、大電力に耐える積層セラミックコンデン保って作業を行うこととした。N社でのモ サーが開発され注目を集めている。しかし電気自ジュレータ組み立て作業終了時に、油ポン 動車EV向けのIGBT回路のスナッバや平滑コンデンプにて絶縁油をノズルからジェットで噴出 サでは、リップル率が高くないため、そこでの実し、内部の洗浄を徹底した。またCVD静電 績をもって、共振コンデンサへ応用した場合の信分割型の高電圧モニターもゴミが原因らし 頼性の保証とならないことに注意が必要である。	 
い放電を経験したので、積極的な洗浄を４．まとめ	 行った。	 	 
現在まで数々のトラブルを経験しながら、メー（７）インバータ方式PFN高電圧充電器に内蔵 カーの方々とXFEL/SPring-8のスタッフとの協力にされたフィルムコンデンサが破裂する事故が２回 よって、次々と解決してきた。残された問題も、本あり、現在も原因究明と対策を続行中である。こ 質的に困難な部分ではなく、技術的に解決可能な範れは、20	 kHzにてスイッチングするIGBTの出力を、 囲であると判断している。
昇圧トランスに供給するラインに直列に入れられしたがって、大きなスケジュールの遅れは予想さた共振コンデンサ（0.05uFのフィルムコンデンサ れず、来年３月のビーム運転には準備が完了できるを１００並列、２直列）であり、2.4	 kVpp 、20	  であろう。X線波長でのレーザー発振を早期に実現
kHz、300	 Aの大きな電力を伝送している。電圧が したい。	 
正負に振動するため、電解コンデンサやタンタルコンデンサは使用できない。周波数が比較的高い 参考文献	 
ため、ロスの小さい蒸着フィルムコンデンサが使[1] XFEL/SPring-8、Ｘ線自由電子レーザー計画につ用されている。N社では単純な蒸着フィルムコン
いては、次のホームページを参照：
デンサではなく、アルミ箔電極を両極に用いて、http://www.riken.jp/XFEL/
電流許容量を大きくしたコンデンサを採用してい [2]. T. Shintake, et al., “A compact free-electron laser for
generating coherent radiation in the extreme ultraviolet
る。最近の調査では、このアルミ箔のエッジを起region”, Nature Photonics advanced online publication, 27
点とするグロー放電の可能性、静電気力に伴ないJuly 2008 (doi:10.1038/nphoton.2008.134). T. Shintake, etal., “Stable operation of a self-amplified spontaneous膜が振動しアルミ箔エッジとの摩擦で絶縁フィル
emission free-electron laser in the extremely ultraviolet
ム面が損傷した可能性が疑われている。そこで現region”, PRST 12, 070701 (2009)
在、アルミ箔を使用していない蒸着フィルムのみ [3]	  試験加速器の状況、ＸＦＥＬの建設、加速器機器ののコンデンサに入れ替え、連続運転試験を行って 開発、量産状況について本学会に1０本以上の論文が発表されているので、詳細はそちらを参照されたい。
いる。	 
今回のフィルムコンデンサのトラブルは、IGBT [4] http://ssrl.slac.stanford.edu/lcls/commissioning/
P. Emma, "First Lasing of The LCLS X-ray FEL at 1.5 Å 	 を始めとするインバータ素子の進歩、これによる 	 電源回路の高度化、過剰な小型化がもたらした弊害に遠因がある。小型化のために10ミクロン以下-123-