SCSS : SPring-8 Compact SASE Source project の現状
新竹積1,A)、渡川和晃 A)、稲垣隆宏 A)、Y.J. Kim A)、田中隆次 A)、原松本
A)B)

浩 、馬場A)斉 、吉田

理化学研究所、SPring-8 播磨研究所
B)
C)
D)

徹 A) 北村、高須ゆう子

英男 A)、石川高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

東京大学素粒子物理国際研究センター〒113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1

東京大学大学院理学系研究科物理学専攻〒113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1

SPring-8 理研では、将来の本格的 X 線 FEL 利用施設（波長 1Å）の実現を目指して、その技術開発の足がかりとなる軟 X 線 FEL プロジェクト（SCSS 計画、目標最短波長 3.6 nm）の建設を行っている。SCSS の特徴である“コンパクトな FEL”を実現するために、
C バンド高電界加速器、短周期の真空封止アンジュレータ、そして電子銃には単結晶 CeB6 カソードを採用し、その技術開発を行っている。この３つの技術は日本独自のものであり、諸外国の SASE-FEL 計画とは一線を画しており、その成否が大きく注目されている。また我々の最近の研究によって、ひとつの大きなチャレンジであった長尺なアンジュレータのアラインメント精度が、実はそれほど厳しいものではないことがわかり、SASE-FEL 設計手法の流れを変えるものとして注目されている。

１．はじめに現在まで世界各地の放射光施設が、材料科学、地球科学、生命科学、環境科学及び医学利用など幅広い研究分野で高度の解析技術を提供してきた。そのなかで、分析能力のさらなる向上をめざして SPring-8をはじめとする第 3 世代放射光施設（アンジュレータ光源を主に使用）がつぎつぎに建設され、広くユE-mail: shintake@spring8.or.jp 図１哲也 A)、D)〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都 1-1-1

概要1光宏

C)

ーザーに高輝度の X 線を供給している。
この高輝度化の流れの究極が X 線レーザーである。
点光源に近い線源から平行な X 線が放射され、その波長が単色であり、かつ位相がそろっており、その強度が十分に高いこと。これが X 線レーザーであるが、これを実現できるのが SASE 型の自由電子レーザーと考えられている。
従来の自由電子レーザーでは、2 枚の反射ミラーの中にアンジュレータを置き、これにリニアックまたはストレージリングの電子ビームを通過させた。発生した放射光がミラーで反射されて、次にくるバンチした電子ビームと重なると、放射光電場 E のなかを電子がサイン波運動（アンジュレータ運動）をすることによって、電子が加速または減速され、これがアンジュレータ磁場の分散により電子密度の粗密の縞を形成させた。この縞の周期が放射光の波長と一致するために発生する放射光が互いに干渉し強めあう。その結果、強度は次式のように非常に高くなる。

PFEL = n ⋅ Pspont
ここで、Pspont は密度波がない場合の自発放射のアンジュレータパワー、n は粗密波を形成する電子の数である。通常、電子バンチ１個当たり 1 nC 程度の電SCSS: SPring-8 Compact SASE Source :システム図

荷を有し、これに含まれる電子は 109 個程度であるか プ・プローブ実験が注目されている。
ら、わずかな粗密波が形成されてもその増幅度は非常に大きくなる。例えば 0.1%の粗密波では、n は 106
２．SCSS 加速器となり、そのパワーは単純に 106 倍となり、強力なレSCSS のビームパラメータを表１に、そのシステムーザー光となる。これが自由電子レーザー(FEL)であを図１に示す。
電子ビームの最高エネルギーを 1 GeVり赤外、可視そして紫外線までが実現されている。と設定し、アンジュレータを真空封止型として、そこの FEL を短波長の真空紫外、軟Ｘ線、さらにはＸ線へと応用しようとすると大きな問題が発生する。 の周期長を無理なく実現可能な最短の 15 mm に選ぶそれは FEL に必用な十分な反射率をもつミラーが存 と、最短波長 3.6 nm が得られることになる（K=1 の在しないのである。この問題を解決するには、「ミ とき）。これはちょうど水が X 線に対して透明、有ラーのいらない FEL」を作ればよい。そこで考えら 機物が不透明といういわゆる Water Window 領域であり、生体物質を生きたまま観測するという X 線顕れたのが、SASE（Self Amplification of Spontaneous微鏡の実現が期待される。発生する放射光はきわめ
Emissions 自然放射の自己増幅）である。非常に長いアンジュレータを用い、１回通過によって自発放射 てピークパワーが大きく数 GW レベルである。このため広範囲な分野への貢献が期待されているが、そ光を増幅するという方法である。
6の有用性は未知の部分が多いのも事実である。
自発放射のパワーから飽和までには 10 倍以上のゲインが必要であり、これを現実的な長さ（約 100m2.1 500 kV パルス電子銃以内）のアンジュレータにて実現するには、大きな増幅ゲインが求められ、電子ビームに次のような条SCSS では RF-Gun は使用せず、パルス高電圧を用件が課せられる。
いた熱電子銃を採用した。まず RF-Gun についての問（１） 高密度の電子。ピーク電流にして数キロア
題は、ンペア。
(1) ユーザー利用を目的とする X 線 FEL では、ビー（２） 横 方 向 エ ミ ッ タ ン ス （ 規 格 化 ） 1 π
ムパラメータの安定性、再現性、機器の寿命が重mm.mrad 程度。
要視されるが、Photo-cathode を用いた RF-Gun で（３） エネルギー分散 10-4 以下。
は、カソード表面の特性とパルスレーザーの安定したがって SASE-FEL では、低エミッタンス電子性に疑問がまだまだ多い。
入射器を開発し、そのエミッタンスを壊さないよう (2) RF-Gun 空胴の背後には、klystron とその電源、に加速、その途中でバンチ圧縮を行い必要なピークRF-low power system、冷却水、インターロック、電流を確保し、アンジュレータに入射させる必用がレーザーとその電源、タイミングシステム、光パある。
イプ、レーザー室が必要であり、RF-Gun が従来
このバンチ圧縮過程の副産物として、フェムト秒のバンチャー型入射器に比べてシステムが格段の FEL 光が得られる。これを用いた高時間分解能のに単純化されたわけではない。また、光電カソー実験、とくに可視光のフェムト秒レーザーとのポンドを使用する場合には、その準備のための設備を要する。
表-1 SCSS 設計ビームパラメータ(1 GeV).
一方、従来型の DC 高電圧を印加した熱電子銃とバンチャーによる電子入射システムについては、
注：バンチ長は標準偏差ではなく FWHM.
(1) そのエミッタンスが大きいことを除けば、長年のbunch charge
Q
1nC
実績があり、安定性やメンテナンス性は充分にユπmm.mrad
2normalized emittance
εnx,yーザー利用にかなうものと思われる。
final electron energy
E1GeV(3) そのビーム性能については、改善の可能性がある。
final rms energy spread
0.02%σδ
具体的には電子銃の印加電圧を高くし、かつ小面
final FWHM bunch ∆z
0.15mm
積のカソードから細いビームを引き出せば、エミlength
ッタンス 1 π.mm.mrad 程度（電荷 1 nC, バンチ長0.5psec∆t数 psec）が得られる可能性が残されている。
peak current
Ipk
2kA(4) 電荷量、バンチ長、エネルギー幅などの各パラメ
15mm
undulator period
λuータを独立に調整でき、SASE-FEL の研究に最適
3.6nm
radiation wavelengthλxである。
minimum gap
g
3.7mm
2.2 カソード
maximum K-parameterK
1.3
undulator unit lengthL14.5m
電子銃のカソードには CeB6 の単結晶を用いる予
total undulator length
22.5m定である。CeB6 は高輝度電子源としてよく知られたbeta function10m
βLaB6 とは兄弟分であり、両者ともに電子顕微鏡用のFEL parameter8.9x 10-4ρ
電子銃として広く使用されている。Ce（セリウム）は原子周期律表上で La（ランタン）の右隣に位置し、
gain length
Lg
0.94m
CeB6 の方が高温運転時（1400℃）の蒸発量が LaB6saturation length
Lsat20mより少なく、カソード寿命を長くすることができる。
saturation power
Psat
2.0GW

CeB6 を供給する FEI 社の報告では、実際の電子顕微鏡に組み込んだ現場の運転実績では 5000 時間が報告されている。この寿命はニードルカソードの円錐部分が蒸発して、先端の平坦部が消滅する時点で定義されており、FEL 用の電子銃のようにロッド形の場合、その寿命はこれよりはるかに長くなるものと予想される。むしろヒーターの寿命が問題となろう。
現在、グラファイトヒーターを用いた加熱システムの開発を行っている。

ンジュレータのユニット長を短くし、各ユニット間に Q-magnet と BPM を配置し、Beam Based Alignmentによって軌道修正する方法を検討している。
われわれは、そのようなアラインメント精度が「本当に必要か？」という問題設定そのものに疑問を抱き、FEL の増幅原理に立ち戻って再検討した。その結果、「ゲインの高い SASE-FEL の場合、１セグメント長がゲイン長の数倍あれば、セグメント間のアラインメントおよび位相関係のマッチングは不必要」という結論に達した。SASE-FEL に必要な長さ数
2.３ C バンドによる主加速システム
十メートルのアンジュレータは、長さ数メートルのセグメントに分けて製造する。各セグメント内の磁電子・陽電子リニアコライダー計画に向けて、KEK場は、磁場測定器によって高精度に測定可能であり、にて開発してきた C バンド周波数(5712 MHz)によるシムなどの調整機構によって、予想電子軌道を直線高電界加速システムを採用した。加速勾配は単バンに高精度でアラインメントできる。問題はセグメン
チに対して 40 MV/m、マルチバンチにて 35 MV/m でトをトンネルに配置するときの精度と、セグメントある。C バンド・システムに必要となる各コンポー間の光の位相関係であった。我々の解析によると、
ネント（クライストロンなど）の開発は終了していセグメント間でのアラインメントが悪く、さらに位るが、１ユニット（クライストロン２本、加速管４相関係がマッチングしていなくても、FEL 信号の情本）の高電界試験が残されている。
報が電子の密度情報として下流へ伝達され、これがseeding laser のように増幅されるので、常に増幅が行2.４ バンチコンプレッサー
われる。また飽和現象があるため、最終的な出力パシュケイン型バンチコンプレッサーにて、バンチ ワーの低下は、ほとんど見られないということなの
長を 1/4~1/8 に圧縮し、ピーク電流を 4~8 倍に増大しである。くわしくは参考文献[2]を参照していただきて、短波長での FEL ゲインをかせぐ。バンチ圧縮率 たい。
を大きくすると、偏向電磁石の中で発生するコヒー
これによって、アラインメントの問題が解決されレントなシンクロトロン放射(CSR)が、バンチの水平 たばかりではなく、例えば下流に従ってギャップを方向エミッタンスを増大させる現象が問題となって 開放して電子の運動量をリカバリーしてゆく「テーおり、DESY、SLAC をはじめとする各研究所で勢力 パーアンジュレータ」を形成でき、resistive wakefield的に研究が行われている。さらに上流からくる電子 によるエネルギーロスの補償や、電子から光のエネビームに乗っている密度のばらつきが信号源となり、 ルギー変換効率の向上を図ることが可能となる。まこれが CSR によって自己増幅されるらしいことが明 た、最下流のセグメントの内部で、意図的に電子軌らかなってきている（CSR Instability）。われわれは、 道を折り曲げ、ユーザーへ供給するパワーをゼロか
これらの対策として電子入射器で出来るだけバンチ ら連続的に最大出力まで調整することが可能となり、長を短くしておき、シュケイン・バンチコンプレッ 物性研究に大きな自由度を供給できるだろう。
サーの圧縮率を下げる方法をとることにした。現在、入射器の最適化を行っている。
３．まとめ

2.５ アンジュレータ
SCSS では真空封止型アンジュレータを使用する。
この方式では、永久磁石をビームの直ぐ近くに近づけることができるので、短周期が可能である。SCSS用のアンジュレータは、周期長 15 mm、最小ギャップ 3.7 mm、最高 K 値 1.3 である。運転の当初は、ギャップを大きく開けて、ビームのチューニングを行い、軌道が安定したのちに、次第にギャップを閉じて FEL 発振へと持ち込む。最短波長 3.6nm にて十分に飽和させるには、約 20 m のアンジュレータが必要となる。
アンジュレータについての最大の懸案は、電子軌道をまっすぐにアラインメントできるかどうかであった。典型的な精度は 10 micron-m である。DESYTESLA では BPM を多数配置する方法、LCLS ではア

ここに述べたように、SCSS は各部でユニークな設計となっており、その成否が各国の研究所から注目されている。ここで得られる研究成果は SASE-FELの み な ら ず 、 最 近 注 目 さ れ て い る ERL (EnergyRecovery Linac)へも貢献できるものと考えている。これから数年、勢力的に技術開発を行いたいと考えておりますので、技術に関するコメント、研究協力、研究への参加など、大いに歓迎しております。

参考文献[1] SCSS 関連の情報（参考文献）はすべて次のホームペー
ジより入手可能です。http://www-xfel.spring8.or.jp[2]

T. Tanaka, H. Kitamura and T. Shintake,"Misalignment Effects of Segmented Undulator in
Self-Amplified Spontaneous Emission", PhysicalReview Special Topics - Accelerators and Beams,Vol. 5, 040701 (2002)