SASE
FEL
新竹

積

理化学研究所，播磨研究所，電子ビーム光学研究室〒6795148 兵庫県佐用郡三日月町光都 111E-mail: shintake＠spring8.or.jp

SASE FEL （サセ FEL ）は，近い将来，夢の X 線波折れ曲がったものが電磁波」なのです。折れ曲がりの波が長のレーザーが実現すると期待される新しい方式の自由電伝わる速さが「光の速さ」なのです。電気力線は磁力線と子レーザー（FEL: Free Electron Laser）です。ちなみに

ともに，ファラデー（ Michael Faraday, 1791 ～ 1867 ）がSASE は ， Self-Ampliˆed Spontaneous Emission の 略 で空間を伝わる電気，磁気の力を表現するために導入したもあり，日本語にすると自己増幅型自然放射光となりますのです。電気力線は，その名のとおり「力」を伝えるため，が，普段は簡単に「サセ」と呼んでいます。

その先に電荷があると，電荷を動かそうとする力を発生し動作原理を理解するには，アンジュレータ放射を知る必ます。

要があり，それには，まず私どものホームページ2) からつぎにアンジュレータ。Fig. 2 のように，多数の永久磁Radiation2D というソフトウエアをダウンロードしましょ

石を交互の磁場を発生するように配列し，この中へ電子をう（フリーソフトです）。さてソフトを起動すると Fig. 1入射させると電子は磁場と垂直な方向にサイン波状に振動の画面が現れます。中央の電子（赤丸）をマウスで左クリし，「前方方向にアンジュレータ放射光を発生します」とックしたまま，上下左右に移動させると，電子から四方八よく解説書に書かれていますが，SASE FEL を理解する方に伸びていたで青い電気力線が，マウスの動きにしたがには，そのメカニズムを詳細に見てみる必要があります。って折れ曲がり，これが四方へ広がっていくのが見られま

ちなみにアンジュレータとは英語の波動，うねりという意す。これが電磁波，つまり電波です。「電子の電気力線が味の undulation が語源。さてアンジュレータの中を走るFig. 1

Graphic by the ``Radiation2D'' simulator. Moving the electron (the center point) by a mouse, electric ˆeld lines(blue color) follow its movement. The deformation of the electric ˆeld line propagates outward as the electromagnetic radiation. Radiation2D is available from http://www-xfel.spring8.or.jp.

放射光 Jan. 2005 Vol.18 No.1 ● 35(C) 2005 The Japanese Society for Synchrotron Radiation ResearchFig. 2The Undulator. A pair of magnetic array creates periodic magnetic ˆeld of vertical oriented, in which the ultrarelativistic electron beam is injected and undulates transversely. It radiates focused quasi-monochromatic radiation in the beam direction.

Fig. 3The undulator radiation simulated by Radiation2D. Dense short wavelength radiation is accumulated in front of
the electron along its undulating trajectory.

電子に遅れないようにいっしょに並行移動しながら眺める

けるため，次に波をだすと，波面と波面との距離が短くなと，電子は上下（磁場に垂直な方向）に振動しており，こり，波長が短縮されます。アンジュレータ放射光の波長れがもとでおそらくは，例のダイポール放射をするはずで（軸上前方）は，このドップラー効果から簡単に計算でき，す。そこで Radiation2D にて，Setup/Trajectory/Undula-tor を選ぶと Fig. 3 のように，確かに電子は曲がるたびにダイポール放射をするのですが，四方八方に広がらず，前l x＝

lu2 g2(1＋K22)（ 1)

方方向にエネルギーが集中します。これがアンジュレータ放射です。となります。ここで，lu はアンジュレータ磁場の周期長，前方の波長はドップラー効果によって短くなっていまg は電子のエネルギーです。K はアンジュレータの強さをす。ご存知のように，音波を含め波動は，その波源が移動あらわす規格化したパラメータであり通常 K ＝ 1 ～ 2 ですると前方方向で波長が短くなります。つまり電子は曲がす。これは，アンジュレータの磁場が強くなると，電子がるたびに球面波を出しますが，電子がつねにそれを追いか横方向へ大きく蛇行するために，進行方向の速度が低下し

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FEL

Fig. 4(Left) Spontaneous radiation: A large number of electrons run in the electron accelerators as a bunched form.
Since the electrons are randomly distributed, radiations sometimes cancel each others or build up, as a result, theaverage ˆeld intensity becomes proportional to the square-root of the particle number. (Right) Coherent radiation case: The electrons are regularly distributed with longitudinal displacement equal to the radiation
wavelength, thus radiations interfere constructively. The total ˆeld intensity is proportional to the number of particles N, and the power becomes much higher than the spontaneous radiation.て，ドップラー効果による波長圧縮率が低くなる効果を表します。例として，電子ビームのエネルギーを 6 GeV ，アンジュレータの周期長を15 mm, K を 1 とすると， lx＝1 Å となり X 線の波長が得られます。これが，我々が構想している X 線 FEL のパラメータです。
さて，いままで見てきた Radiation2D の電気力線は， 1個の電子が作り出すものでした。実際の加速器では多数の電子が一塊（バンチ）となって走っておりますが，電子それぞれの位置はランダムです。したがってそれぞれの電子からのアンジュレータ放射光は， Fig. 4 左のように，位相がランダムとなるために，あるときは重ね合わせて強くなるが，あるときは逆符号でキャンセルして消しあうために，Ne 個のすべての電子で合成した場合の電界強度とパワーの期待値は，Espt＝ NeE1
Pspt＝NeP1（2)にしかなりません。が，もし，Fig. 4 右のように，電子の位置を光の波長で規則正しくそろえることが出来れば，常に重ね合わせが成り立つために，電界とパワーは，

Ecoherent＝NeE1＝ NeEspt
Pcoherent＝N 2eP1＝NePspt（3)となり，非常に強くなるはずです。
ではどうやって電子の位置をそろえればよいか。 Fig. 5をご覧いただきたい。これは，電子バンチの中のある電子からのアンジュレータ放射を Radiation2D で計算し，同じバンチのなかで前を走っている 4 個の電子 A, B, C, Dが受ける力と，それによる進行方向の力成分，つまりは加Fig. 5The electrons receive periodic transverse force from the radiation emitted by an electron running behind of them. Due tothe trajectory slope, the transverse force is converted to alongitudinal acceleration which creates periodic energy
modulation at the radiation wavelength.

速，減速の度合いを時間とともに追いかけたものです。

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t ＝ 0 では，電子が下のカーブを上に曲がろうとしてお効果（集群，バンチング）があります。もともとアンジュり，一方 4 個の電子は上のカーブを下へ曲がろうとしてレータ放射には，こういう性質が備わっていたわけであいる。電子の間隔は，4 個でアンジュレータ放射光の 1 波る。それに伴って，式(3 )で見たように放射パワーが増大長分としている。

していゆくことになります。

t ＝ 0 では，B, D 電子が電界に従って上下方向の力を受

しかし実際には，電子の軌道の傾き角度が非常に小さいけるが，軌道が水平であり，効率よく進行方向の力を発生ために，アンジュレータ放射から進行方向の加速減速に変しない。

換する効率が低く，また実際の加速器の電子ビームはバン

t ＝ T / 4 では， A, C, E 電子が電界に従って上下方向のチの内部でランダムな運動がある（エミッタンスという）力を受け，軌道が斜めであり，進行方向に力が発生する。

ために，せっかくの集群効果がかく乱されてしまい，このこれによって，A, E は加速，C は減速される。

集群に時間がかかります。

t＝T /2 では，B, D 電子が電界に従って上下方向の力をそこで，Fig. 6 のように従来の FEL（自由電子レーザー）受けるが，軌道が水平であり，効率よく進行方向の力を発では，2 枚のミラーからなる光共振器の中にアンジュレー生しない。

タを入れ，電子バンチからの光をミラーで反射して上流に

t ＝3T /4 では， A, C, E 電子が電界に従って上下方向のもどし，この光に重なるように次のバンチを入れること力を受け，軌道が斜めであり，進行方向に力が発生する。

で，繰り返し集群作用を行わせて，電子の位置を波長にそこれによって，A, E は加速，C は減速される。って規則正しく揃えることが行われてきました。赤外線，注意したいのは，t＝ T /4 と t ＝3T /4 とでは，軌道の傾可視光の FEL がこれであり，特に赤外線領域では，大電きも逆転しているが，ちょうど電界方向が逆転しているた力の発振が実現しており，他のレーザーが追随できないめに， A, E は常に加速， C は常に減速され，次第にエネ

FEL の独壇場となっており，米国では工業的な応用がスルギー差が発生することです。この同期現象は，もとの電タートしてます。

子が常に波動を前に送り出しているために，軌道を反周期

しかしながら，発振波長を短くしようとすると，波長進むと，反周期分のアンジュレータ放射が前の電子を追い

170 nm 以下では，効率の良い反射ミラーを作ることがで越して行くから成り立っているのです。

きないため，共振器型の FEL は実現できません。

しばらく走ると，Fig. 5 の最下部に書いたように， D のそこで，もう一度，基本にもどって，Fig. 5 で見たプロ位置に電子が集中し，逆に B の位置の電子密度は低くなセスを直接利用する方式が提案されたわけです。ミラーをる。こうやって，電子の位置が自然にそろうことになりま用いず，アンジュレータの中の自然に集群する効果のみをす。すなわち，ひとつのバンチの中のある電子が出したア利用する。それも X 線の波長で。式(1)でみたように，波ンジュレータ放射光が前方の電子の位置を揃えようとする

長は電子エネルギーの 2 乗に逆比例して短くなるので，Fig. 6

Conˆgurations of the conventional FEL and the SASEFEL.

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FEL

必要な電子のエネルギーが高くなります。すると電子軌道してください。現在までのところ，DESY TTF や ANL の振幅はエネルギーとともに小さくなり，軌道の傾きも小LUTEL，BNLATF などの試験加速器による実証ビームさくなり， FEL ゲイン（集群の速度）が低くなってしま

試験によって， SASE FEL が理論どおり動作することのす。これに打ち勝って，十分な集群を達成する（飽和とい確認がなされています。ただし，その発振波長は目標のう）には，


電子バンチ内部の熱運動を小さくする。まず縦方向エミッタンスの小さいビームを使う必要があり，蓄積

X 線波長からは程遠く， 100 nm 以下で FEL が実験的に動作したのは，ドイツハンブルグの DESY TTF のみです。

リングの電子ビームは偏向磁石でのシンクロトロン光

各国のプロジェクト提案や，技術開発競争が華々しく報の放射にともなう反作用のためエネルギー幅が大きくじられる X 線 FEL 業界ではありますが，本格的な X 線

SASE FEL には使えない。そこで線型加速器の電子FEL を実現し，これを実用にするまでには，数多くの技ビームを使う。また横方向に電子がランダムに走る術的課題を克服しなくてはなりません。目標の発振波長がと，アンジュレータ放射光が拡散する原因となるの短くなると，急激に高い技術が要求されるようになることで，横方向にもエミッタンスの小さいビームをつくると，発生する光のハンドリングに高い技術を要するためで必要がある。

す。しかしながら，X 線 FEL の光源としてのユニークさ

1 波長あたりに出来るだけ多数の電子が存在すれ（フェムト秒の短いパルス，ギガワット以上の瞬間強度，ば，わずかの集群でも放射パワーが大きくなり，これコヒーレンシー）のために，世界各国にて活発な研究開発がさらに次の集群を押し進める（ゲインが高くなる）が継続的に実施されるでしょう。これによって，おそらくので，電子密度を出来る限り高くする。つまり電子5 年以内には最初の X 線 FEL が運転を開始し，すぐに世ビームのピーク電流値を高くする。現実に提案されて界各国の X 線 FEL 施設がこれにつづくと思われます。日いる多数の SASEFEL のプロジェクトでは，ピーク本がこの分野でも立ち遅れないよう，すでに理研播磨研

電流は 1 kA～4 kA と非常に高い。

究所では基礎技術の開発を開始しており，いくつか成果がゲインが低く集群に時間がかかるのだから，とにか得られていますが，これを実機の X 線 FEL にスムーズにく長いアンジュレータが必要となる。 50 m から 200

つなげてゆくには，早期のプロジェクトの立ち上げが急務

m という長いアンジュレータを用いる。ただし，精と思っております。

度の良いアンジュレータを製造する技術，そして電子

参考文献

ビームをまっすぐに軌道制御する技術が必要となる。
これらの要求を満足すべく，各国で技術開発が行われています。また多くの SASE FEL プロジェクトが提案されて

1)
2)

北村英男，新竹 積，石川哲也放射光 16, No. 2 (2003).
http://www-xfel.spring8.or.jp

おります。これらの現状については，参考文献[1]を参照

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