Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

R&D STATUS REPORT ON SCSS X-RAY FEL PROJECTAT RIKEN/SPRING-8
T. Shintake1,A), K. TogawaA), T. InagakiA), T. TanakaA), T. HaraA), H. KitamuraA), T. IshikawaA), H. BabaA),
K. OnoueA), Y. OtakeA), K. Shirasawa A), T. BizenB), T. SeikeB), M. XavierB), Y. KawashimaB), T. TakashimaB),
S. MatsuiB), Z. ChaoB), H. EgoB), S. TakahashiB), T. KudoB), T. Fukui B), T. OhataB), R. TanakaB), N. Kumagai B),
H. MatsumotoC), M. YoshidaC)
A)
RIKEN Harima Institute, SPring-8, Koto, Hyogo, 679-5148, JapanB)
JASRI SPring-8, Koto, Hyogo, 679-5198, JapanC)
KEK, Tsukuba, 305-0801, Japan
Abstract
In the low-emittance electron source development, we started operational test of the 500 kV pulsed thermionic gun in
the end of 2003, where we have performed series of emittance measurements[1]. Typical value of the transverse
emittance was 1.1 π.mm.mrad at 1 Amp. peak, 2 nsec time-slice in micro-sec beam, 500 kV gap voltage. It satisfies therequired emittance value for the future X-FEL machine based on SASE at Angstrom region. For the next step, we aredesigning beam bunching system using sub-harmonic buncher. As the high-gradient accelerator development, we arepreparing the high power test of the Choke-Mode type accelerator structure[2]. About the undulator, the first model ofthe in-vacuum type FEL undulator (15 mm pitch) was manufacture and tuned. We applied a minor change in the hangerstructure to obtain superior stability. We are doing various R&Ds in parallel, such as the laser beam alignment system,
precise water temperature control system[3], automatic control system using PLC [4], and trigger timing system of subpico-second precision.

SPring-8 SCSS計画（Ｘ線ＦＥＬ技術開発)の現状（２） 高電界Cバンド加速器技術（３） 短波長の真空封止型アンジュレータの３つの技術によって、全長100m以内の装置にて波長4 nmの軟X線FELを実現するものである。これは、諸外国の同種のプロジェクトに比べて格段に短いため、プロジェクトの特徴として“Compact”性を強調している。より広くこの種のFELを利用できるようにするために、装置のコンパクト化を行い、施設のコストの低減を図っているのである。
図１にSCSSの構成を示す。単結晶CeB6の熱電子銃から低エミッタンスビームを発生させ、入射加速器によりバンチ化し20 MeVまで加速、Ｃバンド加速器
1ユニットにより250MeVに加速後、バンチコンプレッサーにてバンチ長を1/4に圧縮、さらに3ユニットのＣバンド加速器によって1 GeVのビームを得て、5台のアンジュレータ(15 mm周期、4.5 m長)に通し、SASE-FEL動作を行い、電子ビームはアンジュレータ下流でダンプし、軟Ｘ線ビームをミラーにて取り出し、ユーザー実験室へ供給する。予測される最高出力は、波長3.6 nmにて 2 GWである。
さて電子バンチの圧縮過程において、バンチャー空胴のモジュレーション電圧の非線形、加速電界の非線形、Longitudinal wakefieldの非線形などのために、バンチ内部の電流密度が中央だけが鋭くデルタ関数的にピークを形成する。このピーク部分のみ１．はじめにＸ線領域（波長が1Å以下）のレーザーは、現在のところ、SASE-FEL（自然放射自己増幅型FEL）が唯一実現可能な方式として国際的に認知され、SLAC-LCLSが筆頭にプロジェクトが進行中であり,TESLA-XFEL、PAL-XFELなどがこれにつづいている。
日本国内では、正式な形でＸ線領域のSASE-FELはまだ提案されておらず、国際的な立ち遅れが懸念される。
波長1ÅのＸ線をアンジュレータで発生させるには、短波長の真空封止型を用いても、電子ビームのエネルギーとして 6 GeV以上が必要となり、加速器としてかなり大型の大規模プロジェクトとなり、その実現性につき慎重な検証が必要である。
理研播磨研究所(RIKEN/SPring-8)では、Ｘ線FELに必要となる技術の習得と、SASE-FELの実用性の検証のため、電子エネルギーが 1 GeVの軟Ｘ線ＦＥＬ計画(SCSS)を2002年にスタートした。現在、各要素の技術開発を行っている。

２．理研SCSS計画の特徴
SCSSとはSPring-8 Compact SASE Sourceの頭文字をとったものであり、（１） 低エミッタンス電子銃
1E-mail: shintake@spring8.or.jp

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図１

SCSS: SPring-8 Compact SASE Source システム図く抑えた。ただしその分、電流密度が大きくなるのが、FELに寄与し、残りは自然放射を発生しミラーで高エミッションの取れるランタノイド(La, Ce)をへの熱負荷となる。SLAC-LCLSなどでは、バンチ内採用し、また空間電荷に打ち勝つに十分な高電圧密度分布をできるだけフラットになるように高調波（ 500kV/5cm ） を 印 加 。 た だ し ラ ン タ ノ イ ド の カ
空胴などで補正を行っている。しかし我々は、むしソードは1500℃まで加熱する必要があり技術開発にろデルタ関数的なピーク波形がフェムト秒のFEL光集中した。
を発生できるので、好都合と考えており、高調波空（2）は単結晶カソードを採用。具体的にはCeB6胴はあえて準備していない。の<100>面を使用しており、高温で自然蒸発によりさてSASE-FELでは、初段のアンジュレータから発平坦な<100>面が維持される。システムの中で最も生する自然放射（ノイズ）を後段のアンジュレータによって増幅させ、飽和までもってゆく。このため、 高温であり、周囲からのコンタミがない。
(3)は、カソード・ロッドを電子放出が少ないグパルス内の時間方向のコヒーレンシーがなく、またラファイトに埋め込むことで、エッジからの放射をパルスごとのパワーも不安定となる。これを改善すゼロにしている。
るため、通常のパルスレーザー光のシード光を入れ図２がスリットを用いて測定されたエミッタンスることも検討しており、ガス励起の高調波発生にの位相プロットである。規格化エミッタンスは1.1
よって10 nm程度までのSeedingは容易に実行可能でπ.mm.mradであり十分にSASE-FELに必要となる性能ある。この方法により、波長、位相、パワー、空間を満足する。若干のテールの成長が見られるが、実分布ともに安定な光が得られるようになるが、この機では円形スリットにより切り取るため問題となら技術をＸ線領域にまで拡張することは、容易ではなない。電子銃について渡川が本会で詳しく報告していと考えている。
いるのでそちらを参照していただきたい。
このエミッタンスは電子銃直後の長いパルス（2３．電子入射器micro-sec）での値である。今後これをデフレクター寿命、安定性、再現性、取り回しなどを考慮して、 で 2 nsec分だけ切り出し、バンチャー空胴等で圧縮
熱カソードを用いた電子銃を採用した。フォトカし、さらにシュケイン磁場によって圧縮すると、空ソードを用いた電子銃は、レーザーパルスによって間電荷効果や、空胴での不要なキック、CSR放射に電子を発射するので、サブピコ秒の同期が容易に取よる分散、加速管でのWakefield、アンジュレータ内れるという大きなメリットがあるが、上記の理由で部でのResistive Wakefieldなどによってエミッタンス採用しなかった。熱電子銃からのビームは、入射器が大きくなってゆく。ただし、これらはすべてのバンチャー空胴の高周波電界によりバンチ化する
Collective Effectであり、あくまで位相空間での大きので、この高周波と同期をとることになる。
な構造が変化するだけであり、微細な構造は崩れな熱カソードからの電子ビームのエミッタンスの要い。幸い、SASE-FELの増幅現象において、光がバ因は、ンチ内部の進行方向にローカルな範囲（数十ミクロ（１） 横方向の熱運動エネルギーン、Cooperation Lengthという）でしか伝播しないの（２） カソード表面の凹凸、表面の活性化の不で、大きな構造変化（Projected Emittance Growth）均一性がFELゲインを劣化させない。先に述べたように、（３） エッジ放射
我々の設計では、意図的にバンチ電流の形状をデルなどがあり、それぞれに対して次の対策をとった。 タ関数的にしており、FELに寄与する部分の長さは（1）エミッタンスは位置と運動量の積であるか数十ミクロンと考えられ、この範囲のエミッタンス
た、カソード半径を小さくして熱エミッタンスを低(Slice Emittanceという)が壊れなければ良い。詳しい46

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行 わ れ ている「省配線」設計を採用し、たとえば、
電 源 の 制御は、電源内部にPLC (Programmable LogicController)を組み込み内部の 制 御 を行い、上位の制御 シ ス テムとの情報交換
は 、 通 信を使用し、配線を電源から引き出さない。
た だ し 、安全上、非常に重 要 な 回線だけは、ハード ワ イ ヤを併用する。またPLCが現状でハンドルでき な い 情報、例えば数マイ ク ロ 秒のパルス波形な
どは、VME上のADCに繋ぎ 込 む 必要が残されている が 、 上記の方式で、配線 の 数 を圧倒的に少なくす る こ とができ、立ち上げ の 時 間、費用が大幅に
図２ 測定されたビームプロファイルと位相空間プロット削 減 さ れる。また機器の故 障 時 の交換作業が容易
計算によると、Slice Emittanceは、シュケイン磁石になる。このようなことが可能となった背景には、での放射光発生にともなう光子からの反作用でしかPLCの高性能化、そして完成度が高くなったこと、壊れず、これは無視できるぐらい小さい。従って、十分な数のPLC機器が市場に準備され使用されデ電子銃直後に測定されたエミッタンスが保存され、バッグされており、低価格であり、これを取り扱う
アンジュレータ区間でのSlice Emittanceに近いと考エンジニアを得やすいことなどがあげられる。ただえても良い。今回測定されたエミッタンスは、軟Ｘし将来のメンテナンスを考えて、すべての機器に共線のSASE-FELに十分な値である。
通のPLCを採用し、できるだけ単純な構成とし、ド[5]キュメントを共有資産として公開保存する方法の確
３．Cバンド加速器
立がこれからの課題と考える。
KEKに於いてリニアコライダー向けに開発された、Ｃバンドの高電界加速システムを採用し、関連機器５．SCSS計画の今後の改良を行ってきた。密閉型のパルス・モジュレー
2004年度はR&Dを継続する。R&D項目として、タ、インバータ電源、インバー材料を用いた温度安(1) サブハーモニック・バンチャの開発、バンチン定化パルスコンプレッサーなどがあるが、詳しい情グ試験、エミッタンス測定。
報はホームページ (http://www-xfel.spring8.o.rjp)にす(2) アライメント・テストビームラインの設置。
べてまとめてあるので参照願いたい。そのひとつを(3) Intelligent ADC, RF Vector Modulator/De-Modulator
紹介すると、Ｃバンドでは従来のＳバンド加速器に開発。フィードバック試験。
比べて2～3倍の加速勾配で運転するため、加速管で(4) RF-reference, 基準タイミングシステム開発の発熱が大きく、加速管の温度をモニターしながら(5) 制御システムの整備。MADOCA導入。
冷却水温度をダイナミックに制御するシステムを開加速器の建設は、2005年度以降に実施する予定。
発した [3]。なお現在、加速管の高電界試験の準備を行っており、稲垣が本会にて詳しく報告している[2]。

参考文献
４．省配線

[1] 渡川、”CeB6電子銃のエミッタンス測定結果とＸ線FELへの応用について“、本研究会。
[2] 稲垣、”C-bandチョークモード型加速管の高電界試験”、本研究会。
[3] 高橋、”Ｃバンド加速管の精密温調システム”本研究会。
[4] 尾上、”PLCを用いた自働RFエージングコントロールシステム”、 本研究会。
[5] 松 本 、 ”Present Status of the C-band Activities
at KEK”, 本研究会。

一般に加速器を建設するさい、トンネルや電源室に機器を搬入してから、電源ライン、制御線、冷却水などをつなぎこみ、試験立ち上げを行う。この工程が複雑かつ長期に渡り、これにかかる人件費がばかにならない。そこで我々は、(1)出来るだけ機器をユニット化し、(2)搬入前に試験を終了させ、(3)繋ぎ込む線の数を減らすという方針で設計を進めている。特に制御線の数を減らすため、産業界でよく47