TUOLP01
第14回日本加速器学会年会, 札幌, 2017年8月1日

SACLA軟X線自由電子レーザー
ビームラインのビーム特性
渡川 和晃
理化学研究所 放射光科学総合研究センター

スタッフメンバー
安積隆夫, 原徹, 長谷川照晃, 細田直康, 稲垣隆宏, 金城良太,近藤力, 前坂比呂和, 松井佐久夫, 大島隆, 大竹雄次,大和田成起, 田中隆次, 渡川和晃, 矢橋牧名, 田中均, 石川哲也
RIKEN SPring-8 Center
安積則義, 備前輝彦, 木村洋昭, 松原伸一, 中嶋享, 櫻井辰幸,富樫格, 登野健介
Japan Synchrotron Radiation Research Institute田尻泰之, 田中信一郎
SPring-8 Service Co., Ltd.

X線自由電子レーザー施設 SACLA

SPring-8放射光リング (8 GeV)SACLA(8 GeV)SACLAの特徴
l 原子分子光学物理、生命科学、固体物理、化学、材料科学、基礎物理など、様々な分野の実験のために大強度の超短パルスX線レーザーを提供する。

l 軟X線から硬X線までの幅広い波長帯域をカバーする。

l 電子ビームをshot-by-shotで振り分けて、複数のビームラインを同時に稼働する。

l 近い将来に、SPring-8放射光リングの入射用リニアックとして稼働する。

SACLA加速器のレイアウト
0.5 MeV
Aperture
Gun476MHz

S-bandCB-correction(3m×8)

7.45°

Chopper

Z=0 m

BC1
Injector

C-bandBC2

Beam dump

BC3(1.8m×24)(R56~-7.5mm)

Z~50 mZ~13 mQ-mags fordispersion correction(R56~-37mm)(R56~-41mm)

LB-correction

1.41°

3.13°

Energy slit

L-APS (2m×2)

238MHz1.4 GeV

400 MeV

35 MeV

Z~120 m

SCSS+BL1

Modified YAG screen
to avoid COTR

BL2
KickerUndulators(4.5m×3) λu=18 mm
ID01-08

DC bend3°

BL3

Deflector Main C-band(1.8m×104)
cavity0.36°

ChicaneID01-08

BL4ID09-21

Undulators(5m×21) λu=18 mm

Beam dump

To users

Beam dump

BL5XSBT
Z~390 mID09-18

Undulators(5m×18) λu=18 mm

BL3 chicane(1.8m×2)

ID01-03

To SPring-8
Z~615 mExperimental
hall

SACLA軟X線ビームライン(BL1)の歴史
l 2012: SACLAユーザー運転開始

BL1は軟X線自発光ビームラインとしてスタート
l 2013: SCSS試験加速器（250 MeV）運転終了
l 2014: SCSS試験加速器をSACLAアンジュレータホールに移設（500 MeVに増強）
BL1を軟X線FELビームラインにアップグレード
l 2015: First SASE lasing（λ=34 nm）
l 2016: 電子ビームエネルギーを800 MeVに増強
SASEの飽和を達成（λ=12 nm）
ユーザー利用運転の開始（λ=8-60 nm）

BL1における軟X線FELビーム

17 mm

•
•
•
•

FEL発振波長: 12 nm（100 eV）
アンジュレータより50 m下流のCe:YAG screenで測定
軸対称Gaussianの空間分布
安定な中心スペクトルBL1におけるユーザー利用実験（2016）•

ラシュバ型スピン軌道相互作用誘起の界面垂直磁気異方性を持つ磁性超薄膜の超高速消磁・緩和現象と軟X線領域における第二高調波発生に関する非線形光学効果の研究（松田G、東京大、50 eV）•

超高速光電子回折法による分子光化学反応の研究（柳下G、KEK、21 eV、33 eV）•

超短パルス高輝度コヒーレント軟X線レーザーによる超微細加工に向けたアブレーション現象の解明（QST、錦野G、92 eV）•

強レーザーパルスによる原子の極紫外域非線形過程の操作（彦坂G、富山大、41 eV）•

極紫外自由電子レーザー光による短波長超蛍光の観測（繁政G、自然科学研究機構、23 eV、24 eV）•

SXFELビームを用いた時間分解光電子分光のための基礎研究 ~ 高速光電子観察による強光子場誘起空間電荷効果の可視化 ~（大浦G、理研、100 eV、85 eV）•

時間分解クーロン爆発イメージングによる光化学反応に伴う分子構造変化の実時間観測（福澤G、東北大、93 eV）•

ラシュバ型スピン軌道相互作用誘起の界面垂直磁気異方性を持つ磁性超薄膜の超高速消磁・緩和現象と軟X線領域における第二高調波、和周波発生に関する非線形光学効果の研究（松田G、東京大）SACLA-BL1加速器
BC2

BC1

50 MeV
10 ps

50 MeV
2 ps

Electron beam

500 MeV<1 ps

800 MeV<1 psUndulator

Beam energy

300-800 MeV

Periodic length

18 mmBunch charge

0.2-0.3 nC

Number of undulator modules

3

Peak current

300 A (simulation)

Total number of period

777

Bunch width<1 ps

Maximum K-value

2.1

Energy spread (projected)

0.6% (fwhm)

Minimum gap

3.8 mmNormalized emittance (projected)

3 mm mrad

FEL wavelength

8 - 60 nm

Repetition rate

60 Hz

FEL pulse energy

several-100 µJ

SACLA-BL1加速器

BC1

BC2
C-band linac

InjectorGun

アンジュレータホール上流より

SACLA-BL1加速器

Front-end
Beam dump
In-vacuumundulators

アンジュレータホール下流

SACLA-BL1加速器

2π/3ディスクロード型C-band加速管（1.8 m、42 MV/m）エミッタンス測定

5 mm

••
•
•

Qスキャン法による測定
第一バンチ圧縮器出口(50 MeV)
規格化射影エミッタンス: 3 mm mrad.
SCSS試験加速器の性能を再現

縦方向バンチプロファイル測定••••

RFゼロ位相法による測定 (BC1圧縮後の状態)
3番目のC-band加速ユニットで線形のエネルギーチャープを与え、BC2の偏向電磁石でエネルギープロファイルを測定
Peak current: 120 A, Bunch width: 0.8 ps
アンジュレータ部のバンチプロファイルは未測定

FELゲインカーブ
K=2.112 nm
K=1.5
8.2 nmK=0.5
4.4 nm•••アンジュレータギャップをスキャン (K=0.5 to 2.1).
カロロメータ (>1 µJ), フォトダイオード (<1 µJ).
SIMPLEXシミュレーションで再現(Gaussian, Ip=300 A, t=0.7 ps (fwhm), εn, rms=0.5 mm mrad )利用可能なパルスエネルギーK値が小さいため出力が減少

長波長のため、差動排気アイリスの透過率が減少

λ=60 nmλ=13 nm

λ=8 nmユーザー運転中の出力トレンド•••

FEL波長: 13 nm（93 eV）
黄色: シングルショット, 茶色: 100ショット平均
長時間安定なFELパルスが提供出来ている将来のアップグレード（案）l 電子ビームのピーク電流を高めてFELパルスエネルギーを増強するために、入射部において発生する電子ビームの非線形エネルギーチャープを補正する。現在、BC1の分散部に六極電磁石を導入することを検討中。

l C-bandユニットを追加してエネルギーを増強し、Water Window（2-4 nm）領域をカバーする。

l もう一つの軟X線ビームライン(BL5) では、ブランクとなる0.3 nmから2 nmの領域のFELをターゲットにする。

BL1におけるエネルギーチャープ非線形補正
l BL1入射部のメイン加速器の周波数はS-band。
l 高調波補正空洞の周波数は、C-bandではビームの減速が大きくて現実的でない。
l X-bandは技術的に可能ではあるが、RFシステム一式を構築するには人手と予算と時間を要する。
l バンチ圧縮器の分散部にて、多極磁場使ったエネルギーチャープの非線形補正を検討する。

BL1におけるエネルギーチャープ非線形補正

まとめ
l SACLA軟X線ビームライン（BL1）をFELマシンにアップグレードし、2016年より軟X線FELユーザーのための利用運転を開始した。

l 現在のところ、FEL出力はパルス当り数µJから100 µJ、波長は8 nmから60 nm、パルス繰り返しは60 Hzである。

l 電子バンチの最終ピーク電流を高めてFELのパルスエネルギーを増強するために、バンチ圧縮器に多極磁場を導入して非線形エネルギーチャープを補正することを検討中。

SACLA関連の発表
lTUOL08：SACLA油密閉型モジュレータに用いる50kV半導体スイッチの開発（稲垣隆宏）

lTUOM03：SACLA高速振り分け電磁石用の大電力・高精度パターン電源の開発（近藤力）

l

THOM03：LバンドRFデフレクタによるSACLA入射部での電子ビーム時間構造測定（前坂比呂和）lTHOL14：DBAを用いたCSR効果の抑制（原徹）

ll

TUP058：TE011モード高周波空胴電力合成器を使用した100 kW 半導体パルス高周波増幅器の設計（大竹雄次）
TUP102：SPring-8とSACLAにおけるBPM信号処理システムへのMADOCA-to-EPICS ゲートウェイの適用（清道明男）
WEP062：SACLAでのサイラトロンの劣化診断と対策（中澤伸侯）

l

WEP066：SACLAとSPring-8蓄積リングの高周波基準信号の同期システムl

WEP110：高温環境下における六ホウ化セリウム熱陰極と高融点金属の反応（渡川和晃）

l

その２（大島隆）