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放射光第 13巻第 5 号(2000年)<1研究会報告じ>"WorkshoponPhysicsof, andSciencewith ,theX.幽ray Free圃Electron Laser" に出席して羽島良一人上坂充人松下正3(1 日本原子力研究所， 2東京大学原子力工学研究施設， 3物質構造科学研究所)

2000年 9 月 10-15 日にイタリアの Arcidosso (ローマかFEL" の演題で， SASE-FEL の原理と特徴を第 3 世代放ら北に車で約 3 時間)で上記ワークショップが第20 回

射光と比較しながら説明した後，最近の SASE-FEL の実

ICFA(InternationalCommitteeforFutureAccelerator)
AdvancedBeamDynamicsW orkshop として Cornacchia(SSRL) , Lindau (SSRL) , Pellegrini (UCLA) を wo子kshopchairpersons として開催された。全参加者は 76 名

験成果で，アメリカ 40名，される XFEL 加速器の技備的課題を説明した。特に，

ドイツ 9 名，イタリア 14 名，日本 3(APS-LEUTL の 530nm 発振， DESY-TTF の87nm 発振)を紹介した。 J.

Rosenzweig (UCLA) は“ Physics andTechnologyissuesforanXFEL" の演題で，15GeV 電子ライナックと 100m アンジュレータより構成名の他 7 国からの参加があった。現在， X 線領域の自由1nC70fs(rms) 電子パンチで横方向エミッタンス 1電子レーザーのプロジェクトの提案は LINAC を用いるもmm.mrad を達成するのはかなり国難で，アンジュレータのがアメリカとドイツでなされている。スタンフォード大セクションの真空チャンバの内壁の surface roughness に学の計酒は Linac CoherentLightSource (LCLS) と呼ばよる wakefield の影響なども考慮すると low chargeoption

れ 14.3 GeV の LINAC と約 100m の長さの undulator を用い Self Ampli企edSpontaneous Emission により波長(0.
2nC/bunch) も念頭におく必要があると提案した。また，国際的協力@

課題解決の分担の必要性も力説した。

している。一方ドイツの DESY の TSLA-FEL 計画ではAndreasFreund (ESRF) は， "Presentstatusofexperi輔
ments withshortX‑raypulsesand/orcoheren
tX欄rayLINAC のエネルギー25-50 GeV ，波長 0.1 nm , 2010 年完pulses" の演題で，放射光源，プラズ、マ X 線源を利用した成をうたっている。 DESY では，第 1 段階として230例を話し，また光学系，検出器などのインスツルメンテー

1.5‑
0.
15nm の発援を自指し 2003年からの建設開始を提案

MeV の LINAC を用いた TESLA柵Test Facility においてションの今後の課題についてサマリーを行った。 Ingolf

1999 年末に 90nm 付近の波長で LINACFEL のレーザー

Lindau(SSRL) は“明That newsciencecanwedowiththe

発振が確認されている。また， LINAC を 1GeV に増強しXFEL?" の演題で，主に SLAC の LCLS において計画さて 200 eV までのフォトンをレーザー発振した状態で取りれている最初の 6 つの実験について話した。その内容は出して 2003年から利用実験を開始するという phase 1IのSciencewithX-FEL のグループの議論と重複するのでそ計癌も進行しており，すで、に実験ホールとなる建物が完成

この部分で述べる。なお， LCLS の“最初の実験"についしている。 SLAC と DESY の計調についてのより詳しいては， DOE のもとに設けられた委員会に 10 月に報告をSite (http://www-ssrl.slac.stanω

行い評価が行われると開いている。 SLAC では LCLS の情報は各々の Web

ford.edu/l c1s/ , http://tesla.desy.de/) を見ることにより得Conceptual Design Report を，られる。

XFEL の Technical DesignReport をまとめる作業が進行

DESY では TESLS­

ワークショップは，初日に 4 人の講演者による plenaryしていることが述べられた。 DESY では， TDR をまとめtalk があった後に，初日後半からは Physics andtechnoloｭ

るために主に利用実験に関連して 11 のワークショッブを

ithX-FEL のふたつのグgyissuesofX-FEL と Science w

今年開催している。

J]/-ープに分れて討論を行う形式をとった。火曜自以降は，

Plenarysession の後は，羽島と上坂が working group1(PhysicsandtechnologyissuesofXFEL:Coordinator=A.
Renieri (ENEA)，約2/3 の出席者が参加) ，松下が work­
inggroup2(SciencewithX‑FE:Coordinator 口 M. Sutton(McGi
11Univ , Canada ，約 1/3 の出席者が参加)に参加し毎朝 9 時に二つのグループが一緒になって前日の各々のグループの議論の内容についてグγレープリーダーからの報告を聞いてからまたその自の議論に入るという形をとった。

4 人の plenary talk は以下のようなものであった oKwang‑JeKim (APS) は“ Present statusoftheX‑rayた。
羽TG1 は，さらに Accelerator(leader:T. Limberg ,‑56‑(C) 2000 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 13巻第 5 号

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DESY), Col
1ectivee:
ffects(
1. Serafini, INFN嗣Milano) ，SASE‑FEL (G. Dattoli , ENEA), Undulator(].Rosenｭ

加速器科学研究やイタリアの INFN /U.
Milano/ENEA のzweig) の 4 つのサブグツレープに分かれ，合同セッション，が不可欠であろう。

サブセッションが繰り返された。

グループの理論@数値解析研究などの国際協力体制と精神“ collective e:ffects" サフグループ(コーディネータ z“ Accelerator' ，のサブグループでは S バンドレーザーフ

L.Serafmi (INFN剛Milano))

では，“ surfaceroughness"ォトカソード RF 電子銃からの電子ビームの要求品質の達が議論の中心を占めた。これは，アンジュレータ@ダクト成の可能性，計測方法，ライナックの安定性，新しい電子内面の微小な由凸により生じるウェーク場がパンチ内の電銃の提案と議論された。電子ビーム品質については，ここ子にエネルギー変化をひき起こし， SASE-FEL の妨げにまでの BNL (3mm.mrad@lnC) , SLAC(3mm.mrad@lなるという現象である。アンジュレータ中のウェーク場にnC) , UCLA , DESY (ここは L バンド)の低エミッタンスよる電子のエネルギ一変化が FEL パラメータ“p"実績を参照し， Rosenzweig のエミッタンスの竜荷量依存(LCLS では 0.05%) 以上になると， SASE のゲインが著性のスケーリング則 (Proc. ofthe6thAdvancedAcceleraｭtorConceptsWorkshop(AIP)(1994)) や PARMELA コを払う必要がある。C. Pellegrini(UCLA) らは，ード他による数値計算結果をもとに，しく低下してしまうため，このような徴妙な問題にも注意

LCLS

1nC でエミッタン

パラメータでは，“surface roughness" の影響が大きいの

ス 1 mm.mrad 以下達成の可能性を議論した。ここでは縦で設計の変更(アンジュレータ@ギャップを広げる，また方向に分割したスライスエミッタンスの高精度補正が不可

は，パンチ電荷を小さくする)が必要との見解を恭した。

欠である(Phys. Rev.Lett.76(1996)3723) 。結論はかな

SLAC‑LCLS (SLAC-R-521) の目標として，0.2 nC , 0.5 mm.mrad (熱エミッタンスは 0.3程度)とり困難で，,,-,,,-,

これに対して，

G.Stupakov(SLAC) は，原子関力顕徴鏡を用いたダクト表面の測定結果と，それに基づいた独自のモデルによる計算結果を示し，

C.Pellegrini らの用いたモするのが適切であるとするものであった。 70 fs(rms) のデルは，“ surface roughness" を過大評価していると主張

極短電子ビームの計測法はフェムト秒ストリークカメラ

した (Phys. Rev.ST-AB , 2, 060701 , 1999参照)。サブグ(分解能200 fs (fwhm) , 85fs (rms))とコヒーレント放射ループでは， 4 つの異なるモデルを用いて LCLS における光遠赤外ポリクロメータの併用がベストであることが，“ surface roughness" の影響を検討したが，ウェーク場のRosenzweig ，上坂から報告された。また， GeV レベルに計算値がモデルによって最大 1000倍異なり，意見の一致なった電子ビームのスライスエミッタンス，パンチ長の同を見るには至らなかった。今後も，引き続き理論解析を進時計測法として RF…T (Transverse).嗣Cavity の提案と実験めるとともに， DESY-TTF や APS-LEUTL で実験的な予定が SLAC から報告された。安定性について SLAC ラ検証を行なうことが提案された。

イナックの位相安定性が数分で 0.2 deg , E
indhovenUniv.
ofTech. の RF ガンドライブレーザーの入力 RF 位相に対"FELprocess" サブグループ(コーディネー夕立 G.
Dattoli (ENEA))では， LCLS の先を見謡えた展開としするレーザーパルスの時間ジッターが 50 fs(rms) ，東大ラて，“harmonic generation" による X-ray FEL の可能性

イナックでレーザーと電子ビームの時間ジッタ -330が議論された。 L-H. Yu(BNL) は， BNL-ATF リニアッfs(rms) が state-of-art であった。低エミッタンスを狙う新しい電子銃の提案として， Eindhov
enUniv.ofTech. から DC/RF ガン， UCLA から PWT (PlaneWaveTransｭformer) RF ガン，さらに Rosenzweig からプラズマガン

クを用いた HGHG (high‑gainharmonicgeneration) の実験結果を報告した。この実験では， C02 レーザを seed 光にして， 2 次高調波 (5.3μm) の FEL 発振に成功している (Science ， vol. 289 , 932-934) 。原理的には，同様の装S.の紹介があった。特にプラスマガンは 1 か 2 か 3 個の置で X-ray FEL を構築することも可能である。また，

TW レーザーパルスを He ガスジェットにフォーカス照射

Biedron(APS) は，して別途電子入射器を使わず航跡場加速で 10 fs(fwhm) レ分の増幅を利用した“nonlinear harmonic generation" のベルの極短電子パンチを生成するアイデアで，電荷量は数可能性を示した (Nucl. I
nst.Meth.A445(2000)53-58) 。

十 pC と少ないものの，0.
1mm.mrad 以下の極低エミッ

FEL の飽和領域に現われる高調波成

これらの方式では，外部 seed 光を用いることにより，通タンスが狙える可能性があることが紹介された。加速器に常の SASE-FEL に比べて，時間コヒーレンスの優れた

brightness
32
3322…
1.2X 10
1. 2X 10 P
hotons/(sm mmrad O.l%bw)

X 線を得ることができる。しかし，成するために，最も重要なビームパラメータは電子銃からビームと光の同期，電子ビームに要求される特性(エネルのビームのエミッタンス(く 1 mm.mrad@lnCor0.
2nC)

ギ一広がり)など検討すべき課題が多く残されている。

であり，実測はファクタ 3 程度まできている。また
XFEL 実現と発展のためには，中心となる SLAC-LCLS，‘ 'undulator instrumentation" サブク令ループ(コーディネータ= J.Rosenzweig(UCLA)) では，電子ビームとBNL-ATF , ANL/X 線の計測手法について議論された。電子ピームに関し

APS-LEUTL , UCLA/Neptune 等の小@中型マシンでのては，通常のビームポジションモニタ，七ラミックワイアついて総合すると， SLAC-LCLS で PeakDESY-TTL での活動のみならず，

hardXィay を得るには多段で harmonic generation を行なう必要があり，電子‑57‑

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放射光第 13巻第 5 号(2000年)

ーで位置と分布の計測が可能と思われるが，スライス。エjレス X 線で行うことになる。 4. Imaging:物質中の特定ミッタンスを GeV エネルギー領域で測定する方法などは涼子から放出される蛍光 X 線の干渉を検出する方法によ未解決のまま残った。

るホログラフィーをパルス光を用いて記録し，京子レベル

Sciencewiththe XFEL のグループでは， DESY でのの分解能をもった時分割イメージングが議論された。 5.

TESLA-FEL 計画を例に取って得られるパルス X 線の性

Structureofsinglebiomolecule
sandpartic1es:タンパク質を整理して理解する作業をまず行った。パルス光は全体質などの巨大分子 1 個あるいは少数分子からなるクラスとしては約200 fs の時間幅を持つがさらにその時間内ではターに XFEL ピームを照射すると光電子放出が起き分子2fs 程度の鋭いスパイク状のパルスがその高さと出現頻度が帯電しだしクーロン力による反発のために，数百 fs 後がランダムに分布している。第 3 世代 X 線リングに比べに分子は崩壊してしまう。しかしX線はそれよりも早い時てピーク輝度で約 10桁，平均輝度で約 5 桁高く，バンド間に散乱されており，それを記録できれば 2A 程度の分幡は 0.1% と狭い。一つのパルスの中に約 5 X 10 12 のフォ解能で分子の構造が解ける可能性があることを日ajdu らトンが含まれている。フォトンビームのもつ角度発散はが提案している (Nature 406(2000)752) 。結品化が不可1 ，urad 程度であり，極めて指向性が高い。連続的なスペ能なタンパク質の構造解明を目指す挑戦的なテーマとクトルを持つバックグラウンドがあり，その単位波長広がる。 6. X‑rayinterferencespectroscopy:ここではパルスりあたりの強度はピーク強度に比べて 5-6 桁低いが，そ光を使って Speckle pattern を記録することにより物質中れでも第 3 世代リング光源と同等以上である。の非平衡状態の研究を行う事が提案された。 7. Instrumen輔

次に，おもに LCLS において最初の実験として挙げられているテーマを中心に議論が進められた。 1. A
tomicPhysics , NonLinearOptics:ここでは内殻に多重ホールを形成した原子，原子クラスターのクーロン爆発，

tation/Optics:ここでは focusing ， monochromator , pulseuls
estretching/compression , detector , intenｭsplitting , psitymonitoring, synchronization が議論された。
XFEL の開発およびその利用には，まだまだ越えるべXFEL により励起された物質からの放射の研究およびレき課題が多いが，LCLS や TESLA-FEL の計画についてーザ一発振の可能性の研究，などが研究対象になることがかなり集中した努力がなされ，具体的な自標が整理されつ挙げられた。また，実験のために必要な光学系についてもつあり現実味を帯びてきたとの印象を持った。このようなWarmdensematter:XFEL 光で物質を流れを反映して活発に閤際的なワークショップなどが今後励起し国体状態としての取り扱いも，プラズマ状態としても開催されると思われる。そのうちのーっとして SPIEの取り扱いも適切でない状態をつくり，かっ後続のConference の一部として Optics forFourthGenerationXｭray Source が来年 8 月に米国サンディエゴにて開催され議論された。 2.

XFEL パルス光でその状態をプロープすることを提案している。 3. F
emtosecondc
hemistry:分子にパルスレーザる。今後日本で同様な計画を実行する際には，海外での活ーを照射して励起状態をつくり，そこから分子が解離して動の状況を見ながらどのような国際協力を行うかがが重要行く状態をパルス X 線により京子レベルの分解能の情報な要素になるとの印象を持った。

を得る。散漫散乱あるいは気体散乱の実験を極めて短いパ58