Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TWP002

京都大学自由電子レーザ施設の現状
PRESENT STATUS OF FREE ELECTRON LASER FACILITY AT KYOTO UNIVERSITY
全炳俊#, A), 紀井俊輝 A), 大垣英明 A)
Heishun Zen#, A), Toshiteru KiiA), Hideaki OhgakiA)
A)
Institute of Advanced Energy, Kyoto University

Abstract
An oscillator-type mid-infrared Free Electron Laser (FEL) named KU-FEL has been developed at the Institute ofAdvanced Energy, Kyoto University for energy related researches. A THz coherent undulator radiation source driven by
a compact-accelerator using a photocathode RF gun has been developed as an accelerator based intense THz lightsource with quasi-monochromatic wavelength spectrum. In this paper, the present status of the facility is reported.

はじめに

京都大学エネルギー理工学研究所では、エネルギー
関連研究への応用を目指し、中赤外自由電子レーザ装置(Kyoto University Free Electron Laser, KU-FEL)を開発してきた[1-3]。これまでに、波長 3.4～26 μm での発振に成功しており[3]、固体試料や薄膜のポンプ・プロー
ブ分光[4-8]、生物試料への照射[9-13]等、幅広い応用実験に供されている。
KU-FEL 装 置 の 中 赤 外 FEL(MIR-FEL) は 周 波 数2856 MHz のマイクロ波で駆動する 4.5 空胴高周波電子銃と 3 m 加速管、ビーム輸送部、アンジュレータ、光共振器により構成されている[1, 2]。Figure 1 に 2022 年 8月現在の FEL 装置概略図を示す。Q-LEAP 事業の下、
MIR-FEL の更なる性能向上のため、加速管直上流に
1.6 空胴高周波電子銃の増設を進めている。

光源の開発も行っている[14-20]。THz-CUR 光源の概略図も Fig. 1 に示した。THz-CUR 光源は専用の光陰
極高周波電子銃を持つが、高周波源と光陰極駆動用
レーザを MIR-FEL 用電子銃と共有している。ECC-RF
Gun[21]を用いた高強度化[22]や低減衰偏光可変性付
与光学系の開発[23]、外部共振器を用いた高強度化[24]などを外部利用者との共同研究で進めている。

Macro-pulse Energy [mJ]

1.

100

40.0 29.0 26.5
23.9

10

21.5
35 27.5
30.9

1

23.0

19.1 MeV
18.0

0.1
2

4

6

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

e-BeamEnergy
[MeV]
18.0
19.1
21.5
23.0
23.9
26.5
27.5
29.0
30.9
35.0
40.0
SHG

Wavelength [μm]Figure 2: Macro-pulse energy of KU-FEL under thethermionic operation available at the user station 1.

2.

京都大学中赤外自由電子レーザの性能

KU-FEL の 2022 年 8 月現在の性能を Table 1 に示す。4.5 空胴高周波電子銃内に設置された LaB6 陰極を熱陰極として利用した際には、最短波長 3.4 μm、最長波長 26 μm での発振が確認されている。ユーザー利用
ステーションにおける各波長でのマクロパルスエネル
ギーを Fig. 2 に示す。近年、発振可能再短波長よりも短い波長を利用したいという内部ユーザーの希望があり、
Figure 1: Layout of MIR-FEL and THz-CUR source in
中赤外用非線形結晶(ZnGeP2, θ=48.8 deg. φ=0 deg., 3
August 2022.
Photon 社製) を用いた二次高調波発生も行っている
MIR-FEL の開発に加えて、近年は光陰極高周波電 [25]。これまでの実績としては、波長 6.3 μm の二次高調子銃で発生させた電子バンチをバンチ圧縮器で圧縮し、 波発生で 3.15 μm を発生した際に、約 1.5 mJ のマクロ
1 ps 程度の短バンチにした後に、アンジュレータに入射 パルスエネルギーが、波長 5.0 μm の二次高調波発生する事で強い準単色 THz 光を発生させるコヒーレントア で 2.5 μm を発生した際に、約 6 mJ のマクロパルスエネ
ンジュレータ放射(Coherent Undulator Radiation: CUR) ルギーが得られている。
___________________________________________# zen@iae.kyoto-u.ac.jp- 1079 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: Performance of KU-FEL
Thermionic
3.4 – 26 μm
41.8 mJ @4.9 μm
2 μs
2856 MHz
7.3 μJ @4.9 μm~0.3 ps @11 μm
3%-FWHM
5.5% @11.6 μm [24]2019 年度には FEL の引き出し効率測定を行い、熱陰極運転においては波長 11.6 μm にて最大 5.5 %の引き出し効率が得られている事を確認した。これは常伝導加速器を用いた共振器型 FEL では最高の引き出し効率であり、動的バンチ位相変調を導入することで、高い引き出し効率が得られていることが明らかとなっている[26]。2020 年度に実施したミクロパルス長計測により、波長 11 μm において半値幅約 0.3 ps のミクロパルス長が得られていることが明らかとなった。
2022 年 8 月現在、本装置は波長可変範囲およびユーザーステーションで利用可能な最大マクロパルスエ
ネルギーにおいて、中赤外自由電子レーザとして国内最高性能を有すると共に、引き出し効率において現在稼働中の共振器型 FEL として世界最高性能を有する。
高周波電子銃内に設置された LaB6 陰極に外部から
波長 266 nm のマルチパルスピコ秒レーザを照射し、光陰極動作させた際の性能も Table 1 に示した。波長可変域はまだ調査できていないが、電子バンチ電荷量の増大により、FEL ゲインが増加しており、熱陰極運転時よりも幅広い波長可変域が得られると考えられる。ミクロパルス繰り返し周波数が熱陰極運転と比べて約 1/100 と低いため、マクロパルスエネルギーは低下するが、より高いミクロパルス当たりのエネルギー得られる。これは熱的な影響を低減して非線形効果を得るのに適した条件と考えられる。FEL の引き出し効率は 9.4 %と熱陰極運転と比べて増大し[27]、それに伴い、ミクロパルス長は波長 11 μmにおいて半値幅約 0.2 ps と短くなっている。
OthersTotal: 430.8 hr

Operation Time [Hour]

User

80
60
40
20
0

4 5
2021

6

7

8

KU-FEL 稼働状況

Figure 3 に KU-FEL 駆動用電子線形加速器の 2021
年度における稼働状況を示す。総運転時間は 430.8 時間であった。放射線管理上の年間最大運転可能時間(960 時間)の約 45 %であり、まだマシンタイムに余裕がある。2020 年度から予め全ユーザーに対してマシンタイム意向調査を行い、10 月末までに一通り外部ユーザー
利用実験を実施することとした。2021 年度も同様の方針
でマシンタイム配分を実施し、ユーザー利用を行った。
2021 年 4、5 月の運転時間が短いのはこのためである。
また、2022 年 3 月から 6 月の間は 1.6 空胴高周波電子
銃の加速管直上流への追加に伴う放射線遮蔽の変更に関する変更申請および遮蔽変更・追加作業のため、シャットダウン期間となった。
Figure 4 に 2009 年度以降の総運転時間とユーザー
利用時間及びユーザー利用時間が総運転時間に占める割合の履歴を示す。2010 年度までは加速器の R&Dがメインであったが、2011 年度から 2013 年度にかけてユーザー利用実験が増加した。2021 年度には、総運転時間の約 93 %がユーザー利用実験に供された。2021
年度は 2020 年度とほぼ同等の運転時間となった。ユー
ザー数は 2020 年度の 16 件と変わらず 16 件であった。
全てが同じユーザーではなく、新規に 3 件のユーザー
利用が始まっている。
2022 年度は所外共同利用・共同研究の件数が 18 件と 2021 年度の 16 件から増加した。本年度も昨年度同Shutdown

Operation Time [Hours]

100

3.

PhotocathodeTo be determined
4.5 mJ @11 μm
3.5 μs
29.75 MHz~40 μJ @11 μm~0.2 ps @11 μm~6%-FWHM
9.4% @11 μm [25]

9 10 11 12 13
3
1 14
2 15
2022

1000 Maximum Operation Time per Year = 960 h
100
900Percentage
800
of User Exp.
80
700
600
60
500
Total
400
40
300
User
200
20
Exp.
100
0
0
2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022

Percentage of User Exp. [%]RF Gun Operation Mode
Wavelength Range
Max. Macro-pulse Energy*
Typ. Macro-pulse Duration
Micro-pulse Repetition Rate
Max. Micro-pulse Energy*
Micro-pulse Duration*
Typ. Bandwidth*
Max. Extraction Efficiency*Observed at user station 1 (after 12 m transport).

MonthFiscal Year

Figure 3: Operation time of KU-FEL facility in FY2021.
The adjustment of accelerator, machine tuning for FEL
lasing, study of the driver linac and FEL parametermeasurements are included in “Others”.

Figure 4: History of total operation time and user
experiment time of KU-FEL since 2009. The maximum
operation time per year is 960 hours, which is limited byradiation restriction.

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様、11 月までに外部ユーザー利用実験を一通り終える
計画を立て、ユーザー利用実験を鋭意実施中である。

4.

トラブルおよび問題点

KU-FEL では 2 台のクライストロンを用いて、電子銃と進行波加速管を個別に駆動している。電子銃用モジュレータは 1997 年購入、加速管用モジュレータは 2003
年購入であり、どちらも 15 年以上継続して使用しており、老朽化問題が顕在化している。
電子銃用モジュレータは PFN 用高圧コンデンサの不良が 2014 年度より発生し、20 本の全交換を 2017 年度に完了していた[28]。2019 年度は加速管用モジュレータの PFN 用高圧コンデンサの不良が発生した。そこで、2019 年度はまず新しいコンデンサを 10 本調達し、交換した。残りの 10 本中 5 本を 2022 年度の予算で調達することとなった。2022 年度末に既設コンデンサとの交換を実施する予定である。
モジュレータの放電スイッチとして用いられているサイ
ラトロンに関して、電子銃用モジュレータは 10 年以上前に購入された予備品があったため、2020 年 4 月に交換した。現在、様子を見ながら継続して使用している。一方、加速管用モジュレータは 2021 年 3 月末に KEK 入射器
系より譲り受けていた使用済みサイラトロンへの交換を実施した。交換・調整後、本サイラトロンは問題なく動作しており、2021 年 4 月 21 日の段階で FEL の発振も問題なく行えることを確認した。
他方、根本的な老朽化対策として、上記クライストロン
モジュレータ 2 台の更新を考えており、大学本部への予算要求を行っている。

5.

施設整備状況

更により多くのユーザーに利用して頂ける様、加速器及び利用環境の整備を引き続き行っている。以下に案件毎に整理して述べる。
5.1

光陰極運転による KU-FEL の高ピークパワー化

2018 年度から光・量子飛躍フラグシッププログラム(QLEAP)、基礎基盤研究課題として、中赤外自由電子
レーザ (FEL)で駆動す る高繰 り返し高次高 調波発生
(HHG)アト秒光源(FEL-HHG)の実現を目指し、量研、日大、KEK、京大エネ研のチームで研究開発を開始した。
本プロジェクトでは、共振器型中赤外自由電子レーザで発生させた高強度数サイクル中赤外光を希ガスに集光し、HHG を行い、アト秒 X 線発生を行う予定である。研
究プロジェクトの構想や概要については、プロジェクトリーダーである量研の羽島氏が過去の加速器学会で報告しているので、そちらを参照されたい[29]。KU-FEL では、既設の KU-FEL 施設をアップグレードする事で
HHG 駆動に必要な高強度数サイクル中赤外光の発生を目指して研究を進めている。2018 年度には光陰極運
転用陰極励起用レーザシステムのアップグレードを行った[30]。2019 年度は中赤外 FEL のパルス長測定系の構築を進めると共に、アップグレードした光陰極励起用
レーザシステムを用いた実験を行い、バンチ電荷量
190 pC、マクロパルス長 7 μs の電子ビームを発生させ、FEL 発振を行うことで、引き出し効率 9.4 %という共振器

Figure 5: Photo of new 1.6 cell RF gun installation.
型 FEL の引き出し効率として、世界最高記録を達成した[27]。また、更なるバンチ電荷量の増大による引き出し
効率向上とピークパワー増大に向けて、新光陰極高周波電子銃の導入を進めており、2020 年度には KEK 工作室の支援を受けて専用 1.6 空胴光陰極高周波電子銃を製作した[31]。2022 年 3 月から 6 月の間に放射線遮蔽の改造・増強を実施すると共に、加速管直上流に新1.6 空胴高周波電子銃を設置した(Fig.5)。実運用に向けて鋭意、準備を進めている。
5.2

放射線変更申請によるビームパワー増強

新 1.6 空胴高周波電子銃の増設のため、放射線遮蔽
体の配置変更とそれに伴う変更申請が必要となった。この機に、放射線遮蔽を増強して電子ビームパワーを増強することとした。加速管後の偏向電磁石周りの鉛遮蔽を増強すると共に、ビームダンプの遮蔽増強を実施する
ことで、最大ビームパワーをこれまでの 41.2 W から
60.0 W まで増強可能である事が計算により分かったた
め、最大ビームパワーを 60.0 W として変更申請を実施した。そして、2022 年 3 月 1 日から加速器の運転を停止し、遮蔽体配置の変更および遮蔽の増強を実施した。
そして、6 月 1 日に施設検査を受け、6 月 6 日に合格通知を受け取った。これにより最大ビームパワーが 60.0 Wまで増強可能となった。その後、6 月 8 日から調整運転を再開し、6 月 20 日から外部ユーザーの施設利用実験を再開した。MIR-FEL では加速管に入射されるマクロパ
ルス当り電荷量が約 630 nC であり、電子ビームエネル
ギー40 MeV の条件下ではマクロパルスの繰り返し周波数を 1.6 Hz までしか上げることができなかったが、ビームパワー増強後は 2.3 Hz まで上げることが可能となり、実験効率が大幅に向上した。今後も更なる遮蔽増強によってビームパワーが更に向上可能かどうかについて検討を進めていきたいと考えている。
5.3

Optical Parametric Oscillator の導入

MIR-FEL との pump-probe 実験の高度化を目指し、
Optical Parametric Oscillator(OPO)を導入した。中古のOPO 光学系を手に入れ、既設のナノ秒 Nd:YAG レーザの三次高調波を励起源として利用した。Figure 6 に OPO
出力パルスエネルギーとシグナル光の写真を示す。
OPO の非線形結晶を回転させると発振波長が変わり、- 1081 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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シグナル光で約 400～700 nm、アイドラ光で 720～
2300 nm の間で波長可変である。波長 470 nm 辺りで最大パルスエネルギー850 μJ が得られている。既に輸送
光学系の整備を終えており、pump-probe 実験用極低温
クライオスタットの試料位置まで輸送可能な状況となっている。今後、更に調整を進めてパルスエネルギーの増大を図ると共に、OPO と MIR-FEL を組み合わせた pumpprobe 実験を実施する。

Pulse Energy [μJ]

1000

165;
http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/fel2017/papers/m
op050.pdf[4] K. Yoshida et al., “Experimental Demonstration of ModeSelective Phonon Excitation of 6H-SiC by a Mid-Infrared
Free Electron Laser with Anti-Stokes Raman Scattering
Spectroscopy”, Applied Physics Letters, 103, 2013, 182103;
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4827253[5] E. Ageev et al., “Time-resolved detection of structuralchange in polyethylene films using mid-infrared laser
pulses”, Applied Physics Letters, 107, 2015, 041904;
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4927666

Signal[6] M. Kagaya et al., “Mode-Selective Phonon Excitation in
Gallium Nitride Using Mid-Infrared Free Electron Laser”,
Japanese Journal of Applied Physics, 56, 2017, 022701;
http://iopscience.iop.org/article/10.7567/JJAP.56.022701/
meta

Idler
100

[7] M. Kitaura et al., “Visualizing Hidden Electron Trap Levels
in Gd3Al2Ga3O12:Ce Crystals Using a Mid-Infrared Free
Electron Laser”, Applied Physics Letters, 112, 2018,
031112;https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5008632

10

500

1000

1500

2000

Wavelength [nm]Figure 6: Pulse energy of OPO output. Insets are photo ofsignal beam with different crystal angles.

6.

[8] O. Sato et al., “ Two-photon Selective Excitation of
Phonon-mode in Diamond Using Mid-Infrared FreeElectron Laser,” Physics Letters A 384, 2020, 126223;
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S03759
6011931165X[9] F. Shishikura et al., “ザリガニの眼は中赤外線が見えるのか”, 日大医誌, 75, 2016, pp. 140-141;

まとめ京都大学中赤外自由電子レーザは 2022 年 8 月現在、当初の目標波長領域(5~20 μm)を超える 3.4～26 μm での発振が可能となっている。中赤外用非線形結晶(ZnGeP2) を 用 い た 二 次 高 調 波 発 生 も 開 始 し 、 波 長
2.5 μm および 3.15 μm でそれぞれマクロパルスエネル
ギー約 6 mJ および 1.5 mJ を達成可能である事が確認されている。従来の熱陰極運転のみならず、光陰極運転も実施可能となっており、より熱的影響が少なく非線形効
果の表れやすい条件が得られる様になっている。
2021 年度の総稼働時間は 430.8 時間でその内の約93 %がユーザー利用実験に供された。クライストロンモ
ジュレータの老朽化が深刻化しているが、高圧コンデン
サやサイラトロンの交換を適宜実施することにより、何とか延命できている。
一方、光陰極励起用レーザの整備が進み、光陰極高周波電子銃を用いた THz 光源開発や中赤外 FEL の性能向上などの開発が進められている。今後、これらの開発が進むことで、より幅広い応用実験に利用可能な施設となる事が期待される。

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