平成１４年度
日本大学量子科学研究所運営委員会報告

平成１４年５月２４日
電子線利用研究施設-1-１．はじめに人類の物質科学に於ける興味対象は極微の世界の探索でした。例えば、２０世紀は加速器を使って、原子核・素粒子等の素の性質の探究でした。しかし、２１世紀の研究対象は素から素の集合に移行し、巨大分子や高分子等が多種多様な機能を発現させるメカニズムの解明にあると考えています。叉、それらの集合体である巨大分子は、生命体として多様な機能を持ち自己再生すらするメカニズムを備えています。即ち、これらが複雑に入り込んだ高分子構造とそれ自身の存続を維持するために、特殊機能をもつ高分子（例えばタンパク質）を発現させるプロセスは多岐多様であり、この関連を学問的に解明するには学際的研究が必要であり、これらの高分子の構造解析には２１世紀も加速器が重要な役割を果たすものと考えて、色々な光を用意し学際的な利用研究を促進する準備を進めています。

２．現状報告平成１２年度は、加速器の高度化、自由電子レーザー（ＦＥＬ）の基礎実験、パラメトリックＸ線（ＰＸＲ）の開発研究、学術フロンティア推進事業の推進作業、特定領域研究Ｂの促進、国際シンポジュウム、ユーザーミーテング等、数多くの作業が幾重にも重なり、将に変革と激動の年であった。 自由電子レーザーは、「リニアコライダーや粒子衝突リング」と同様に「究極の高周波加速器」と言われる。叉、ロケット打ち上げと同様に、その成功はその国の総合的な科学技術レベルの高さを示す指標として、先進国では国家プロジェクトとして推進し成功を競っている。
日本大学では、平成１３年５月２６日（土）２１時１５分、自由電子レーザーの発振に成功した。その後のテスト実験では、レーザー強度は光空洞共振器に蓄積される 自発光の約１億倍に達しているが、出力光は不安定であり、共同利用実験に耐えうる状態ではなかった。その不安定の原因は、高周波位相シフト、クライストロンパルス出力変動、制御信号のノイズ捕捉等、加速器自身に起因することは明白であるが、これ以外に、外的要素である商用入力電力の騒擾(２１時～９時)、空調による鋸歯状的室温変動（±１゜Ｃ）の影響等の対応策に苦慮している。現在は利用実験開始に向けて懸命の努力を払っている。
しかしながら、日本大学が国家プロジェクトに相当する自由電子レーザーの発振を、「サブハーモニック・バンチャー」や「高周波電子銃」を使わないで、且つ、比較的短波長（１.５ミクロン）で発振させたことは、世界の常識を破るものとして、又、世界中に大きなインパクトを与えてた。この成功は電子線利用研究施設が日本大学本部や関連学部並びに多くの研究機関の支援を得て、加速器高度化の開発研究を長年に亘って積極的に進めてきた努力の積み重ねによるものである。又、開発研究の成就は日本大学と高エネルギー加速器研究機構と共同研究の成果でもある。
加速器高度化の研究成果には、次のようなことが上げられる。
加速器科学系
１）大電力パルストランスの小型化

５）半導体高周波増幅器の高周波位相シフト対策

２）短パルス大電力クライストロンの長パルス化

６）ビーム加速エネルギーの安定化

３）パルス電子銃の低エミッタンス化

７）短パルスクライストロンの高出力と長パルス化

４）エミッタンスの評価方法の開発-2-

利用研究は物質科学系と生命科学系と２系統に分けているが理工、文理、工、医、歯、松戸歯、生物資源科学が互いに連結しながら着実に進められ、研究テーマとしては次のような１８項目が取り上げて進められている。又、Ｘ線利用実験は、パラメトリックＸ線とは別個に３台のＸ線回折解析装置（粉末結晶Ｘ線回折装置、タンパク質Ｘ線構造解析装置、微小部Ｘ線回折装置）が資料解析室に設置され、Ｘ線回折の予備実験ができるようになっている。最近は、コールド室でリゾチウム（卵白タンパク質）や血液タンパク質（ヘモグロビン）の結晶を成長させることができるようになり、又、リゾチウム結晶を使ってタンパク質Ｘ線構造解析に成功している。
物質科学系
１）

光励起によるダイヤモンド的結合による５）ナノ結晶の光誘起可逆的相転移

３次元フラーレンポリマーの合成

６）炭素フラーレン光誘起化学反応の解明

２）半導体素子材料に対する電離照射効果

７）

新光機能素材の開発

３）

金属磁性物質の高圧下のＸＡＮＥＳの研究 ８）４）

希土類金属酸化物の分子クラスター

大気汚染物質の光化学過程の追跡

生命科学系１）

歯の硬組織に及ぼす光の影響

６）

ヘモシニアンの高次構造解析

２）歯科合金の金属疲労

７）

カルシウム結合タンパク質の高次構造解析

３）

インプラント界面構造と組織の解明

８）

組織再生の光効果

４）

金属タンパク質のＮＯ補足能

９）レーザー波長と歯質切削条件

５）ヘモグロビンの高次構造解析

１０）

レーザーの炎症メディエーター産生への影響

２.１

年度別の運転実績と電子線利用研究施設の人員計画

１９９６年度から加速器の運転を開始し、２０００年度には学術フロンティア推進事業による実験棟増築のために７月から１２月の５ケ月間加速器運転を停止した。しかし、ビーム加速日数はこれまで最大となった。２００１年度は後期から大学共通研究施設として共同利用研究を開始し利用者実験時間を７００時間を確保する予定あったが、研究施設はスタッフ増員の確保が出来ず、また、放射線施設検査が大幅に遅れたために、本格的な共同利用実験を始められなかったことによる。
表１に示すような長期計画では、２００２年度の利用実験時間を１２００時間に増加させる予定である
が、２００１年度の実績を示すように、現状のスタッフ人員では不可能である。
平成１４年度（２００２年度）における共同利用実験時間数を１２００時間確保するには、１日の利用実験時間を１０時間に設定し、年間に実験日数が１２０日を必要とする。又、１日に１０時間の利用実験時間を設定するには、加速器が安定になる迄の馴らし運転の３時間を含めて１３時間（８時半～２１時半）の運転となる。
一方、１２０日の実験日数は１週５日の運転では２４週を必要し、４週／月として約半年となるが、しかし、平成１４年度は不確定要素が多いために、最大限に努力しても、自由電子レーザーの利用実験が７月～８月（５週）、１２月～１月（５週）、又、パラメトリックＸ線の利用実験が９月～１０月（５週）、２月～８月（４週）の合計１９週間が精一杯である。実質の実験時間は１０００時間に満たない９５０時間と思われ-3-

る。表１に示す人員が確保できれば、２００３年度に年間約１９００時間のビーム加速することが可能である。そのためには、一日に１４時間通電し１０.７時間のビーム加速を行い、週に４日の利用実験を年間４５週行うことになり、これは約９ケ月に相当する。
この計画を実施するには、電子線利用研究施設における現在の勤務体系では対応出来ないことは明らかであり、大幅に変える必要がある。
表１
年

電子線利用研究施設に於ける年度別の運転実績・計画と人員計画

度 通電時間 通電日数 通 電 時 間 ビーム加速 ビーム加速／（日）

（日数）

人員数

（時間数 ）

１９９６７１８８.８８

０

３＋２＋１

１９９７

５５９６１

９.１６

１３

３＋３＋１

１９９８

１６１７

１５９１０.１６

４０

３＋３＋１

１９９９

１２４５

１２７

９.８９３９３ ＋３ ＋ １

２０００

１５５１

１３６

１１.４１

４４２９４

３＋３＋１

２００１

１３４６１２３１３.００

８５５２９２＋３＋１２００２２０００１５３１３.００１５６１２００

６＋３＋５＋３２００３２８２０２００１４.１０１８０１９２０７＋２＋７＋３２００４２８２０２００１４.１０

１８０１９２０

７＋１＋９＋３

紫：任期付兼任所員

緑：事務職員数

人員２.２

赤：専任研究員数

青：兼任研究員数

研究施設の利用状況

電子線利用研究施設は共同利用実験を開始していない。しかし、実験準備や予備実験は出来る状態にある。 平成１３年６月～平成１４年５月における月別の利用日数と実験者数（大学院生を含む）を示すと表２の如くになる。
表２

電子線利用研究施設に於ける月別の利用状況

６７８９１０１１１２１２３４５合

日数４１１７１０１０３１５７８１４１３９１１１人数１２１６１４ １７１２６２９１３１１２３５０２２２２５２.３

計

平成１４年度のスケジュール

平成１４年度からビーム利用実験を開始するには、２っの放射線施設検査に合格、赤外線領域（０.８～５μｍ）の自由電子レーザー発振、パラメトリックＸ線の実用化テストに成功しなければならない。又、そのためには、更なる電子線形加速器の高度化を進め、自由電子レーザー発振を安定しなければならない。そのためには、平成１４年度の電子線利用研究施設のスケジュールを表３に示す。

-4-

表３

平成１４年度月

４

電子線利用研究施設のスケジュール
５６７８９１０１１１２１２３

加速器運転
加速器整備
制御システム整備
クライストロン・テスト
高周波源安定化
自由電子レーザー実験
ＰＲＸ線基礎実験
Ｘ線ビームライン
レーザービームライン
ＦＥＬ利用実験
ＰＸＲ利用実験
施設利用研究実験

叉、本研究施設は大学共通研究施設の作業として、加速器は４項目を通年、光源は３項目を平成１４年度の前期に実施する。
１） 制御システムの整備、

５） 自由電子レーザー可変波長テスト

２） 大電力クライストロンのテスト、

６） レーザービーム輸送テスト実験

３） 高周波電源変動の抑制、

７） ＰＸＲの実用化実験

４） 高周波位相の安定化、
平成１４年度の実験時間-5-３ 電子線利用研究施設の性能仕様
３.１ 加速器の性能
本研究施設の加速器では、クライストロンを極限状態で稼働させてはじめて目標値が達成できる。クライストロンの使用環境を向上させ、短パルス用クライストロンの長パルス化にするためのオーバー・スペック（過負荷）を満たす適用条件を探すことが重要であった。叉、自由電子レーザーの発振条件を満たすには、電子ビームのエネルギー、ビーム電流、エネルギー分散、ビーム凝縮（バンチ）が目標値を越えられるかであった。叉、レーザー発振に導くには、レーザーパラメーターを丹念に調整する必要があった。パルス毎の偏差を小さくするには電子ビームは超安定でなければならない。これらの目標値と現在状態を表４に示す。
表４
項

目標パラメーターと現在の達成値目目 標 値

最大達成値

ビームエネルギー(ＭｅＶ)

１２５

１１０

ビーム電流

(ｍＡ)

２００２２０１）

エネルギー分散(±％)

０.５

１.０

ビームバンチ幅(ｐＳ)

３.５

２～８スリット以降のビーム透過率

（％）

１００

１００

繰り返し数

（Ｈｚ）

１２.５

１２.５

平均ビーム電流（μＡ）

５０

２５

ビーム電力

（ｋＷ）

６.２５

２.４２

０.１

０.２

０

１／３０００３０２５２）

３０×２０×１２．５３）

２１×２１×１２．５４）(±度)

０.０５ （７Ｈｚ）

１.０５） （１３８Ｈｚ）

加速管冷却水温度 （摂氏）３０±０.1

３０±０．２

クライストロン冷却水温度（摂氏）３０±０.1

３０±1

ＰＦＮパルス平坦度
パルス変動率(％)(１回／パルス数)

クライストロン電力
高周波電力負荷
位相安定性(MＷ)(ＭＷ×μＳ×Ｈｚ)

入射系：電子銃、プレバンチャー、バンチャー、４ｍ加速管×３１） 電子銃、プレバンチャー、バンチャー、４ｍ加速管×３２） １０μＳ×２Ｈｚ３） クライストロン（ＰＶ－３０４０Ｎ）を想定
４） クライストロン（ＰＶ－３０３０Ａ１）
５） ファンクションで強制補正、（約１度／２０μＳ：１３８Ｈｚ）
補正なしの場合、（約１０度／２０μＳ：１.３８ｋＨｚ）-6-

３.２ クライストロンの使用例
表５
メーカー
型式

クライストロン性能仕様

三菱電機

三菱電機

東芝

ＰＶ-３０３０A１

ＰＶ-３０４０Ｎ

Ｅ３７２９ヒーター電圧

Ｖ

２０２０１００ヒーター電流

Ａ

２０２０５

動作周波数

ＭＨｚ

２８５６２８５６２８５６

全長ｍｍ

１３１７１３１７１９０３

重量ｋｇ

７５７５３００ｌ／ｍｉｎ

１５１５５０１１２６,０００ （千円）

９,５００ （千円）

３６,０００ （千円）

冷却水量

高周波窓
価格

使 用 例

代表使用例 日大ＦＥＬ 代表使用例 日大ＦＥＬ 代表使用例

ＦＥＬ研

パルスビーム電圧ｋＶ

２６０２５２２９０２６０

３７８２８４

パルスビーム電流

Ａ

２８０

２４０

３１０２８０４５１２８０

パルスビーム電力 ＭＷ

７３６０８７

７３

１７０８０

パルス出力

ＭＷ

３０２２4０3２

７１２４

パルス幅μＳ２２１５２２５２２

繰り返し

ｐｐｓ

５０

１２．5

５０

１２．5

５０

１０

平均出力

ｋＷ

３.０

５.８

１０.０

８.８

１４.２

５.３

３.３ 自由電子レーザー
アンジュレーターのパラメータ
表４項目型式アンジュレーターのパラメーター単位

永久磁石材質

紫外線用

赤外線用

ハルバック

ハルバックＮｄＦｅＢ

ＮｄＦｅＢ

全長ｍｍ

２４００２４００

周期長ｍｍ

２４４８

周期数

１００５０

Ｋ値

１.１２

１.１２

平均磁場

Ｇ

４８００±１５

２４７５±１５

残留磁場

Ｔ

１.２８

１.２８

永久磁石寸法

Ｗ×Ｈ×Ｄ

４０×３５×６

8０×３５×12

ギャツプ

ｍｍ

１１～２０

２８～４０

ビームパイプの内径ｍｍ

７２５

自発放射光基本波長μｍ

０.３～１.２８

０.９～５-7-

４． 日本に於ける自由電子レーザー

名

称

電子線利用

自由電子

赤外自由電子

研究施設

レーザー

レーザー

研究所

研究センター

スカーレット

主管機関

日本大学

株式会社

東京理科大学

原子力研究所

建設開始年月

１９９５年４月

１９９１年３月

１９９７年７月

１９８７年

発振年月

２００１年５月

１９９４－１９９６

２０００年６月

１９９８年２月

総事業費（億円）
建物

２（ｍ ）

加速器

１）

８.２ ＋１４.１９２）

３）

９３３＋（１,３０４）

４）

８６.３

９.０ ＋１０４,０１３５９３５）

姫路工業大学

３０電子線形加速器 電子線形加速器 電子線形加速器 超伝導加速器 電子線形加速器

エネルギー（ＭｅＶ）

１２５

１７０

３５

１６.４

１５

エネルギー拡がり

０.５％

１％

２％

０.５％

１.８

ビームパルス幅μＳ

２０２４

４

２０００

６

ビーム電流ｍＡ

２００

２００

２００

１００

１２０

平均ビーム電流μＡ

５０

１

８

４０００

０.３６

繰り返し数

ｐｐｓ

１２.５

１０

１０

１０

１

バンチシステム

ＰＢ＋Ｂ

ＳＨＢ＋ＰＲ＋Ｂ

ＲＦＧ

ＳＨＢ＋ＰＲ＋Ｂ

ＲＦＧ

加速管

４ｍ×３本

３ｍ×７本

３ｍ×１本

３ｍ×２本

２ｍ×１本

＊

クライストロン

３０ＭＷ×２本

２４ＭＷ×２本

２４ＭＷ×１本

５０ｋＷ

レーザー波長μｍ

５～０.３５２０～０.３５

１６～５

２２.４

１３～１８０アンジュレーター

２台

４台

１台

１台

１台

＊：平均電力１）日本大学本部予算：８.３億円（加速器：２.８億円、建屋：５.５億円）

２）学術フロンティア：１４.１９億円（研究装置：４.８億円、研究設備：１.０４億円、建屋：５.０億円、研究費：３.３５億円／５年）
３）通産省＋郵政省の所管（特別認可法人）基盤技術研究促進センター（７割出資）
民間企業（１２社＋１団体）（３割出資）

６年間：１９９１．３～１９９７．３

加速器：３５億円、建屋：２０億円、土地購入：１０億円、運転経費：１０億円、人件費：１０億円
４）東京理科大学：９億円（加速器：６.５億円、建屋：２.５億円）
５）文部省科学研究費助成金（創成的基礎研究費）：１０億円／５年-8-５. 共同研究協定
５.１

高エネルギー加速器研究機構と共同研究

高エネルギー加速器研究機構とは、これまでに下記に示すような、共同研究を５年間に亘って続けてきた。これから、更に３項目に示すような内容で共同研究を続ける。
実施期間

平成８年４月１日から平成１０年３月３１日

２年間

研究題目

「大強度電子線形加速器の高輝度化と大出力短波長自由電子レーザーの開発研究」

研究目的

高輝度大電流ビーム電子銃を開発し、電子線形加速器による低エミッタンス大強度ビームの加速を行う。１００MeV電子線形加速器の加速ビームを利用して、自由電子レーザーの基礎実験を重ね、紫外領域の自由電子レーザーに発展させ、さらに短波長の開発研究を進めて、２００nmから１００nm以下の真空紫外自由電子レーザーの発振と実用化をめざすことを目的とする。
研究内容

イ．自由電子レーザー用高輝度大強度線形加速器の設計・製作
ロ．ビーム軌道の設計・製作
ハ．光共振器システムの設計・製作
ニ．ウイグラーの設計・製作
ホ．自由電子レーザーの計測システムヘ．自由電子レーザーの基礎実験
ト．真空紫外領域自由電子レーザーの開発研究

実施期間

平成１０年４月１日から平成１３年３月３１日

３年間

研究題目

「大強度電子線形加速器の高輝度化と大出力短波長自由電子レーザーの開発研究」

研究目的

赤外線から真空紫外領域における大強度アンシュレーター放射光を高精度に計測する測定器の研究を行う。

研究内容

イ．自由電子レーザー用高性能電子線形加速器の研究開発
ロ．自己放出光・自己増幅過程におけるリミットに関する研究
ハ．自由電子レーザー発振最適化に関する基礎研究
ニ．真空紫外領域自由電子レーザーの研究開発

実施期間
研究題目

平成１３年４月１日から平成１６年３月３１日

３年間「電子線形加速器の高性能化と自己診断システムの開発研究、並びに、可変波長高輝度単色光源の高度利用に関する共同研究」

研究目的

電子線形加速器高度化は、最適な状態を継続する自動制御システムと故障時の迅速な復旧を目的する故障診断システムの研究開発を行う。これは共通研究施設の加速器に共通する効率的な稼働に関する恒久的で且つ非常に重要な課題である。又、各種装置の稼働状態を常時自己診断-9-することによって、重故障を察知し予知できるようにするものである。可視光から紫外線領域の短波長自由電子レーザーを発振させるには、電子線形加速器に高度の高性能化が要求される。これを実現するため、安定に稼働するレーザー励起による高輝度低エミッタンス高周波電子銃の開発研究を行う。一方、この高輝度電子ビームと長尺アンジュレーターの特長を活かし、自発放射光自己増幅メカニズムの基礎研究、並びに、この高調波である真空紫外線領域のコヒーレント放射光に関する研究を行う。この放射光の実用化を視野に入れ、この光利用に関する光プロセス研究の新分野を開拓する。これまで研究開発してきたパラメトリックＸ線を基盤として、高エネルギー電子ビームの特長を活かした指向性の強い波長可変高輝度単色Ｘ線の実用化を目的とする線源の建設を進めている。この高輝度単色Ｘ線による金属結晶や高分子結晶構造の高精度分析に関する基礎研究、及び、高効率輸送システムの研究開発を行う。
研究内容

イ．自動制御システムと故障診断システム
ロ．高周波電子銃の開発研究
ハ．自発放射光自己増幅プロセスの研究
ニ．真空紫外領域コヒーレント放射光の基礎研究
ホ．結晶構造高次解析に関する研究
ヘ．Ｘ線の高効率輸送システムの研究開発

５.２

川崎重工業株式会社と共同研究

実施期間

平成９年１２月２５日から平成１０年３月３１日

研究題目「短波長領域における大出力自由電子レーザー発振に関する開発研究」

研究目的

１２５MeV電子線形加速器の加速ビームを利用して、自由電子レーザーの基礎実験を重ね、紫外線領域における自由電子レーザーの大出力発振とレーザーの安定実用化をめざすことを目的とする。
研究内容

イ．電子ビームエネルギーの最適化
ロ．電子ビーム特性と自由電子レーザー発振条件の追究
ハ．アンジュレーター放射光と自由電子レーザー波長分析に関する基礎実験
ニ．光共振器システムの最適パラメーターの追究- 10 -

６．研究会、その他
６.１

学術フロンティア推進研究会

学内外研究者

電子線利用研究施設の利用研究会
日時

平成１２年３月１６日（木）１０時００分～１７時

場

所

東京都千代田区九段下南４丁目８－２４
日本大学会館（日大本部）７階

７０１室- プログラム研究施設報告 １０時００分～１１時２０分
電子線利用研究施設現状と計画研究

日本大学原子力研究所

佐藤勇

（２０分）

電子線形加速器の現状

同上

原子力研究所

田中俊成

（２０分）

自由電子レーザーの改善

同上

原子力研究所

早川建（２０分）

Ｘ線発生とその測定

同上

原子力研究所

早川恭史

（２０分）

学術特別講演 １１時３５分～１２時３０分
多層薄膜ターゲットを用いた共鳴遷移

ＮＴＴ通信エルギー研究所

山田浩治（３０分）

放射によるＸ線発生実験
無脊椎動物酸素結合タンパク質

日本大学医学部生物学

宍倉文夫

（２５分）

－構造、機能、進化と展望－
利用研究１

１３時４５分～１４時４０分

自由電子レーザー放射光による同上 理工学部電子工学科 山本寛（２０分）

スーパーダイヤモンドの合成
自由電子レーザーによる尿路結石

同上

医学部泌尿器科学 吉田利夫 (１５分)

同上

歯学部

同上

松戸歯学部

破砕に関する基礎研究
歯学領域におけるレーザー利用の現状

菊池久二

(２０分)

－歯科技工を中心に－
利用研究２

１４時５５分～１６時１５分

Ｘ線回折法を利用した生体血漿物質

寒河江登志朗 （２５分）の極超微細検索
光による固体・クラスターの価数制御、同上 文理学部

構造相転移－新しい光機能物質の探索－
利用会の発足 １６時３０分～１６時５０分- 11 -

望月章介

(２５分)

学術フロンティアと特定領域研究（Ｂ）合同シンポジュウム
場所：日本大学理工学部（船橋校舎）図書館小視聴覚室
日時：２０００年１２月２２日（金）１０時～17時１０分
プログラム
学術フロンティア推進事業の進捗状況

佐藤勇（日大原研）

自由電子レーザーと高調波同期光源の開発

早川建（日大原研）

広帯域２連アンジュレーターの開発

田中俊成（日大原研）

レーザー照射による骨形成促進炎症抑制作用の機序

安孫子宜光 （日大松戸歯）

ピコ秒ポンプ・プローブ法による高速光化学反応

佐藤伸（東大理）

回転コヒーレント分光法による様々な

奥山克彦

（日大工）

赤外自由電子レーザー施設ＦＥＬ－ＳＵＴの現状と研究計画

黒田晴雄（東京理科大）パラメトリックＸ線の特性

早川恭史(日大原研）

最近のヘモグロビン研究の成果と将来の研究計画

宍倉文夫

（日大医）

微小部Ｘ線回折法に期待する研究の数例

寒河江登志朗（日大松戸歯)

半導体素子に対する放射線照射効果

高橋芳浩（日大理工）

ダイヤモンドアンビルセルを用いた

高橋博樹（日大文理）

ポストゲノム時代の放射光Ｘ線構造生物学

若槻壮市

（ＫＥＫ）

放射線業務に対する緒注意

佐藤和男（日大原研）

１：１Van der Waals 錯体の構造決定
特別講演

高圧ＸＡＮＥＳ測定－物質科学への応用
特別講演- 自由討論 -6.３

共同研究の成果発表

高エネルギー加速器研究機構とは、これまでに平成８年４月１日から平成１３年３月３１日 までの過去５年間に亘って共同研究を続けてきた。これから、更に、３年間の共同研究を続けるが、外部有識者による評価を受けるため高エネルギー加速器研究機構で過去５年間の共同研究の成果発表を行うことになった。
日時：２００１年

７月１３日１５時～１７時

場所：高エネルギー加速器研究機構
演

題

講 演 者時 間１）自由電子レーザーの発振

佐藤勇

５０分

２）パラメトリックX線の実用化

早川恭史

４０分

３）加速ビームの安定化

横山和枝

３０分

- 12 -

講演趣旨
１）日本大学における自由電子レーザーは、これまでの自由電子レーザー用電子線形加速器に特有な高周波電子銃、サブ・ハーモニックバンチャー、超伝導空洞等を用いないで発振に至った世界最初の特殊なケースです。
今年の３月始めに日本大学でＦＥＬと大電力光放射の国際シンポジュウムを開催したとき、ジェファソン研究所のベンソン博士を招いて特別講演をしていただきましたが、その時、日大の自由電子レーザーを視察し意見交換して帰国されました。５月にレーザー発振を知らせると、彼は日本大学の自由電子レーザーは発振が大変難しいとの結論であり、改善案を検討して日大に提案するつもりであった。現在はレーザーが何故発振できたかの理由を世界中に知らせて欲しいとのコメントでした。
事実、日本国内で自由電子レーザーに精通して居られる方々のなかには、日大の加速器事情に詳しい人もおられ、日大の自由電子レーザーは常識をはずれた計画であり、レーザー発振は不可能に近いとのご意見を拝聴したこともありました。中にはレーザー発振は絶対しないと言い切った方もおられました。詰まり、サブ・ハーモニック・バンチャーや高周波電子銃を用いない限り、尖頭ビーム電流とエミッタンスが要求を満たさず、利得が小さいために可視光領域の自由電子レーザー発振は絶対無理という理屈でした。私は、これらとちがった見解をもっていました。ここでは、詳しく述べませんが、日大の自由電子レーザーは何故発振できたかについて、詳しくご報告したいと思っています。
今度の自由電子レーザー発振実験では、初めて発振した日のレーザー強度は光空洞共振器に蓄積される光の強度の約３千倍、２回目のテストでは、約１０万倍、６月に入り、３回目のテストでは約１億倍になりましたが、未だ、飽和状態が確認されていません。最近は、共同利用研究を視野にいれて、加速ビームの安定性の向上に努力しております。
２）パラメトリックＸ線ですが、これはシリコンの単結晶を高品質の電子ビームで照射したとき電子ビームにより原子がデフォームして分極しますが、分極が緩和するとき、電子ビームの入射角に対して、ある特定な方向にＸ線を放射します
が、各原子から放射されるこのＸ線が特定な原子配列で干渉し強度を強めると同時に、その位相と単色性が強調されます。従って、単結晶を回転させると、Ｘ線の放出角度と放射エネルギーが変わり、そのＸ線をもう１つのシリコンの単結晶でブラック反射させて、γ線と分離して取り出します。このＸ線発生装置は製作が完了し、自由電子レーザー用の高品質で長パルスの電子ビームを使い７月には実用化を目的とした基礎実験を行い、その結果を報告する。
３）日大の自由電子レーザーにとって加速ビームの安定性は、最も重要なテーマでした。その理由は、自由電子レーザーシステムが電子線形加速器のビームラインに対して９０度偏向していることです。特に、可視光用自由電子レーザ
ーは波長が短いために利得が小さく（利得は波長の４乗分の１と電子エネルギーの３乗分の１の積に比例）、従って、電子ビームのパルス持続時間を長くする必要性から、クライストロンの出力高周波電力も長パルスになります。短パル
ス・クライストロンの長パルス化には成功したのですが９０度偏向された加速ビームのパルスは、クライストロンの前段増幅器（半導体）の位相がシフトするために、広がらなかった。又、出力高周波電力がパルス毎に変動し、加速ビームの安定性が欠如した。これらの原因追及は将に広い砂漠の中で水を探し求めるようなものであった。何が原因で、どの様にして克服したかについて報告する。

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6.４

自由電子レーザー＆大電力放射光のトピカル研究会（準国際シンポジュウム） 日本大学原子力研究所電子線利用研究施設

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開催日時

平成１３年３月８日（木）～９日（金）１０時～１６時

開催場所

日本大学理工学部船橋校舎１３号館１３２５教室

講演プログラム
３月８日（木）I. 開催の挨拶（10:00）

佐藤 勇（日大・原研）（日大・原研）II. 現状報告・将来計画（10:10〜12:00）
10:10～10:30

日本大学電子線利用研究施設の現状

佐藤 勇

10:30～10:45

中赤外FEL装置の現状

小田史彦 （川崎重工）

10:45～11:00

線形電子加速器LEENAの現状と将来計画

井上隆博 （姫工大・高度研）

11:00～11:15

休憩

11:15～11:30

NIJI-IV自由電子レーザーにおける

山田家和勝 （電総研）

紫外域発振の現状
11:30～12:00

自由電子レーザーの技術開発と応用の進展

峰原英介

（原 研）

12:00～13:30

休憩（昼食） [世話人会]

13:30～14:00

オングストロームX線自由電子レーザー計画 北村英男

（理 研）

14:00～14:15

蓄積リングNIJI-IVの赤外FEL用挿入光源

清（電総研）

14:15～14:30

遷移放射によるPrebunched FELの研究

柴田行男（東北大・科研）

14:30～14:45

休憩

14:45～15:05

日大赤外FEL早川 建（日大・原研）

15:05～15:20

FEL-SUTにおけるFEL導光システム

能丸圭司 （東京理大・総合研）

III. FEL（13:30〜16:05）
紀弘とその性能評価
15:20～15:35

遠赤外からサブミリ波領域で加藤龍好 （阪大・産研）のSASEスペクトルと高調波発生
15:35～15:50

Resonace wavelength shift insingle-pass

15:50～16:05

FELs by self-fields

Saturation in an FEL oscillator at

Dong zhiwei（京大・エネルギー理工研）
N.Nishimori（原 研）

perfect synchronism
施設見学（16:20）
懇親会（17:30） 13号館食堂

３月９日（金）IV. 加速器・制御（9:30〜10:55）
9:30～9:45

UVSOR-FELにおける同期フィードバックシステムの開発とpump & prove実験への応用- 14 -

江田茂（分子研・UVSOR）

9:45～10:00

阪大産研Lバンド電子ライナック

小西敏文 (阪大・産研）の安定性の研究
10:00～10:10

休憩

10:10～10:25

高周波電子銃におけるback-山口智彦 （京大・エネルギー理工研）

bombardment現象の定量的評価
10:25～10:55

RFガン製作及びRFガン試験計画

10:55～11:10

休憩

浦川順治

（KEK）

V. X線放射（11:10〜11:55）
11:10～11:30

日大パラメトリックX線発生装置の概要

早川恭史 （日大・原研）

11:30～11:55

世界最小電子蓄積リングへのビーム

山田廣成（立命館・理工）

入射と高輝度Ｘ線発生
11:55～13:30

休憩（昼食）

VI. 特別講演（13:30〜14:30）
Lessons learned from high power

S. Benson（Jefferson Lab）

lasing at Jefferson Lab
14:30～14:45

休憩

VII.利用研究（14:45〜15:30）
14:45～15:00

高強度電子ビームの制御とサブミリ − ミリ奥田修一

（阪大・産研）吉田利夫（日大・医）

勝呂 尚（日大・歯）波コヒーレント放射光源による吸収分光
15:00～15:15

自由電子レーザーによる尿路結石破砕に関する基礎的研究

15:15～15:30

Laser in Dentistry- 15 -