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

PRESENT STATUS OF XFEL/SPring-8 PROJECT and SCSS TESTFACILITYRIKEN/JASRI XFEL Joint Project Team
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo

Abstract
XFEL/SPring-8 is being constructed on schedule. The RF conditioning starts from this October
and the commissioning of electron beam and SASE-FEL will start in next march. The present statusof this XFEL/SPring-8 project and SCSS test facility are reported.

XFEL/SPring-8 および SCSS 試験加速器の現状
射部と主加速部（S-band 加速管 8 本、C-band 加速管 128 本、各種電磁石、ビーム診断系等）、8GeV
波長 0.1nm の X 線領域で SASE-FEL 発振を目指 に加速した高輝度短パルス電子ビームから SASEす X 線自由電子レーザー計画は XFEL 本体の建屋 FEL を発振させる 18 台の真空封止型アンジュレー
建設が終了し 8GeV 線型加速器、アンジュレータの タ、および 8GeV 電子ビームを廃棄するダンプと製作・据え付けもほぼ終了、また X 線レーザーを レーザーを実験ホールに導くビームラインで構成さ利用するビームラインおよび実験ホール内の遮蔽 れている。当初は SASE-FEL を利用する BL3 と広ハッチの工事も予定通り進んでいる。10 月からは 帯域 X 線を利用する BL1、そして SPring-8 への輸加速管の高周波エージングを開始し、2011 年 3 月 送ライン（XSBT）の３本のビームラインが整備さから電子ビームと SAS-FEL のコミッショニングを、 れる。施設の基本構成と電子ビームと X 線レーそして 10 月から試験利用、2012 年 3 月から供用利 ザーの主要パラメータを表１に示す。

1.

はじめに用を予定している。
8GeV 線型加速器からの 60pmrad の超低エミッタンスビームを SPring-8 蓄積リングに輸送する輸送系建屋の建設および輸送系機器の製作が 2010 年 3 月に終了し、2010 年 6 月から据え付けが始まった。
また、パルス幅がフェムト秒の XFEL レーザーとSPring-8 の蓄積リングからの高輝度放射光の二つの最先端光量子ビームを連携させ、新しい光量子科学の分野を開拓する連携ビームラインの建設も 2010年度から開始された。図１は XFEL および SPring-8の全景写真である。
図２：XFEL 装置概要

図１：XFEL および SPring-8 全景

2. XFEL 施設の概要
XFEL の装置概要を図２に示す。装置は低エミッタンス電子ビームを生成する 500keV 熱電子銃、そのビームを進行方向に圧縮し 8GeV まで加速する入-103-

表１ XFEL 加速器の主要ﾊﾟﾗﾒｰﾀ

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3. XFEL 施設の建設状況
線型加速器の機器は L-band 加速管の一部、ビーム診断用の C-band deflector 空洞、ビーム診断系機器へのケーブル接続等を除きトンネル内への設置工事はほぼ終了した。S-band 加速管までの低エネル
ギー部は、冷却水の脈動や環境温度の変化による電子ビームの軌道変動を極力抑制するため,全ての機器が石定盤あるいは熱膨張係数の小さなコージライ
ト架台の上に設置された。図３は 500keV 電子銃から s-band 加速管までの機器配置の様子を示す。

部は 4 ユニット、C-band 部は 64 ユニットで構成され、FEL モードで 8GeV、加速器モードで 8.5GeVまで電子ビームを加速することができる。加速管に高周波電力を供給する RF システムは、クライストロン一体型モジュレータと、50kV の高圧充電器（電圧再現性 0.01％以内）、高周波増幅器、タイミング機器および各種制御機器を格納した四連のラックで構成され、高い安定度と精度を必要とする高周波増幅器やタイミング機器は±0.1℃に恒温化された水冷ラック内に、その他真空や電源等機器は空冷ラック内(±1℃)に格納され、クライストロンギャラ
リーには、この RF ユニットが 71 式設置されている。
SASE-FEL 発振で強度とエネルギーを安定化するために、高周波システムをはじめとする各種器機へのタイミング信号の時間的揺らぎを、施設全長（約７００ｍ）に渡って、数 10 フェムト秒以内に安定化することが必須となる。そのため、±0.01 度程度に安定化された冷却水を用いた恒温ダクト内（周囲温度変動の 1/20 に低減）に温度補償光ファイバー（温度係数 4ps/km/℃）を敷設し、タイミング信号の時間変動幅を 60fs/1km 以下に抑制する。将来、さらに高精度が要求される場合に備え、マイケルソン干渉計を用いた伝送長補償装置が追加できるように設計・製作されている。

図３：電子銃および入射器部の機器写真
S-band および C-band 加速管には、1 本のクライストロンから SLED を通して圧縮された高周波電力が 2 本 の 加 速 管 に 供 給 さ れ 、 C-band 加 速 管 で37MV/m の高加速電界強度を安定に実現している。
電子ビームの収束系はエネルギーの低い S-band 部
では加速管 2 本に一カ所、エネルギーの高い C-band部では加速管 8 本に一カ所設けられ、収束系と診断系機器（図４）は同一の石定盤上に据え付けられ、四極電磁石の磁場中心と BPM の中心がフローティングワイヤ法で 10μm（１σ）の位置精度で較正された。

図５：クライストロンギャラリー内機器配置

図４：収束系と C-band 加速管構成
主加速部は加速管 2 本を１ユニットとして S-band8GeV まで加速された電子ビームは、線型加速器の最下流に設置された振り分け電磁石で、図 6 に示
す よ う に 、 BL1( 広 帯 域 X 線 ビ ー ム ラ イ ン ) 、BL3(SASE-FEL ビームライン)、BL5 の三方向に振り分けられ、さらに BL1 は途中で BL2 に、BL5 はBL4 と XSBT（SPring-8 へ）の二本に分岐される。
建設当初は BL3 と BL1 および BL5 の一部＋XSBTの 3 本が整備される。BL3 には真空封止型アンジュ
レ ー タ が 18 台 ( 図 ７ ) 設 置 さ れ 、 波 長 0.1nm のSASE-FEL 発振を実現する。XSBT は 8GeV 線型加速器からの高品質電子ビーム（エミッタンス：60pmrad、パルス幅：100fs 程度）を SPring-8 に輸送し、回折限界光源の実現に向けた各種 R&D 等に利用される。

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製の長さ 1.4m のグラファイト製ビームダンプで廃棄される。SASE-FEL はこのフロントエンドのコリメーターででハロー等不要な X 線とγ線が除去され、厚さ 2.5m のコンクリートに開けられた貫通孔から実験ホール側光学ハッチ（壁厚 60cm のコンクリート製）に導かれ、ミラー等で加工された後、光学ハッチ後方にタンデム型に設置された 4 つの鉄製の実験ハッチ(図８)で実験に用いられる。
図７：電子ビームダンプシステム

図６：振り分け電磁石後の３本のビームライン
図７：18 台の真空封止型アンジュレータ
表２は BL3 で得られる SASE-FEL の代表的レーザーパラメーターである。BL1 には SPring-8 標準型アンジュレータが１台設置され広帯域 X 線を生成

図８：実験ホール内の実験ハッチする。
表 2：BL3 と BL1 ビームラインの基本性能
レーザー発振後の電子ビームは、図８に示すダンプ電磁石（長さ約 6.6m、中心磁場 1.5T）で水平から 20 度下方に曲げられ地下に設けられた間接水冷

MPCCD 検出器の開発
SASE-FEL の利用に際して完全空間干渉性を最大限生かしたタンパク 1 分子の構造解析等イメージン
グ測定に不可欠な大口径高分解能 MPCCD の開発が2011 年度の利用開始に間に合うように進められている。図９は MPCCD センサー、図１０は MPCCDを真空チェンバー内にセンサーを 8 枚組み合わせた検出器の機械モデルである。またこれと並行して、検出器から上がってくる膨大なデータをほぼリアルタイムで解析する事が FEL のような one shot の実験で は不可欠と思われるため、神戸のスーパーコンピュータとの連携を進めている。

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6Intensity [x10 arb. units]1.4

図９：MPCCD センサーXe HHG with G+MCP

1.2

H131.00.8

H90.60.40.2

図 10：MPCCD 検出器部

相互利用実験基盤施設
蓄積リング挿入光源からの高輝度 X 線と XFEL
施設からの SASE-FEL の二つの最先端光量子ビームを用い pump and probe 等で先端的分野を開拓するための相互利用実験基盤施設が 2010 年度末完成を目指して現在建設が進められている。この施設の概要を示したものが図 11 で、SPring-8 の BL32IN からの高輝度 X 線と XFEL 施設のエネルギーの異なる 5本のレーザービームが基盤施設内で交差するように設計されている。
図 11：SPring-8－XFEL 相互利用実験基盤施設

0.030405060708090100

Wavelength [nm]図 12：SCSS での seed 型 XFEL 実験装置の概要
図 13：Xe-HHG でのスペクトル、基本波 800nm の13 次光、波長 60nm を SCSS で seed 光として利用。

５．まとめ
XFEL の建設は、一部機器でトラブルがあるものの致命的なものはなく、ほぼ当初計画通り進捗している。現在 2010 年 10 月から高周波空洞のｒｆエージングを開始し 2011 年 3 月に電子ビームとレーザー発振のコミッショニングを開始する予定である。
その後半年程度で SASE-FEL の特性測定、レーザー強度と位置の安定化を図った上で 10 月から先行利用、翌年 3 月からは一般供用を開始する予定である。
また、XFEL 施設の高度化として①高速・高効率 2 次元検出器および高速データ収集・伝送系と解析ソフトの開発の開発②波長 0.1nm における X 線 seeding 技術の開発③残り 3 本のビームラインの整備④XFEL と高輝度硬 X 線相互利用方法の新規開拓⑤蓄積イングに於ける高品質電子ビームの利用等を年次計画を立てて進めていく予定である。

４．SCSS 試験器の現状
SCSS 試験器では、EUV 領域での SASE-FEL 利用実験と XFEL 実機利用に向けた各種 R&D 等と、実機 SASE-FEL の次世代と位置づけられている seed型 FEL 光源に関する R&D が進められた。図 12 はSCSS 試験器内に設置された seed 型 XFEL の実験装置で、Xe ガスチェンバー内に波長 800nm の Ti サファイアレーザを導入し非線型現象を利用し高次高調波（図 13）を作り、その高次光を seed 光とする実験装置である。この装置を用いた実験が 7 月末富樫等によって行われ、世界で初めて 60nm の波長でseed 型レーザーの発振が確認された。

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