CHARACTERIZATION OF LIGHT SOURCE PERFORMANCE AND
UPGRADE OPTION AT SACLA
Takashi Tanaka †, Toru Hara, Kazuaki Togawa, Makina Yabashi, Hitoshi Tanaka
RIKEN SPring-8 Center, XFEL Research and Development Division
1-1-1 Koto, Sayo, Hyogo, 679-5148

Abstract
The quality of the electron beam in the X-ray free electron laser facility is more critical to the performance of the lightsource than in the conventional synchrotron radiation facility and thus should be precisely evaluated. However, it isdifficult to measure the sliced beam quality that is related to the laser performance only based on the conventional
measurement scheme. In SACLA, the beam quality has been deduced by means of the characterization of the laser
performance, which are presented in this paper, together with the future upgrade option in SACLA

SACLA における光源性能評価と光源高度化

X 線自由電子レーザー(XFEL)施設における光源性能は電子ビームの品質に大きく依存する。即ち、電子ビームの品質が劣化し、SASE の発振条件を満たさなくなった場合、自発放射が主たる放射過程となるため、光強度は大幅に低下する。この意味において、光と電子のコンボリューションによって光源性能が規定される従来型放射光施設とは、根本的に電子ビーム品質の重要性が異なる。従って、電子ビームの特性を実験的に把握しておくことは重要である。
従来型放射光施設では、全ての電子が同等に光の放出に寄与するため、電子バンチ全体に渡って時間的に平均化された、いわゆる投影エミッタンスやエネルギー幅が重要なビームパラメータである。一方
XFEL においてレーザー発振と相関があるのは投影されたビーム特性ではなく、Cooperation Length と呼ばれる狭い時間領域で平均された、いわゆるスライスされたビーム特性であり、通常の方法で精度良く測定することは容易ではない。このため SACLA では、RF ディフレクタによってバンチの時間構造を測定し、その情報を元に、実測されたゲインカーブやスペクトルなどの光源性能を再現するようにスライスエミッタンス等のビーム特性を推定している。
本論文ではそれらの結果について報告するとともに、真空封止型アンジュレータを使用する SACLA に特有のウェイクフィールドの間接的な評価とその手法、並びに今後予定される光源に関する高度化について展望する。

2.

光源性能の測定とビーム特性の推定

2.1

ゲインカーブや放射パワー）を意味する。SACLA では、周期長18 mm、全長 5 m のアンジュレータセグメントが6.15 m の間隔で 18 台設置され、通常運転時にはレーザーゲインが最大になるように各アンジュレータのギャップが最適化されているが、ゲインカーブを測定する際にはギャップを 10 mm まで開けることによって当該セグメントを無効化し、有効なアンジュレータ台数、即ちアンジュレータ長を制御している。表１に、2012 年 6 月にゲインカーブを測定した時のビーム条件を、また図１に測定結果を示す。
表 1：ゲインカーブ測定条件
7.8 GeV
電子エネルギー~0.15 nC
バンチ電荷
2.1
アンジュレータ K 値（最上流部）~3.7 mm
アンジュレータギャップ
0.124 nm
発振波長

Pulse Energy

ztanaka@spring8.or.jp- 54 -

80

10-1
60-210Fluctuation

40-31020
10-410-5

ゲインカーブとは、アンジュレータの長さを関数として測定されたレーザー強度（パルスエネルギー†1000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Undulator Segments

図 1：ゲインカーブ測定結果

Flucutuation (%)

はじめにPulse Energy (mJ)1.

Normalized Photon Flux

パルスエネルギー（パルスあたりの光エネルギー） 2.2 スペクトルは、光ビームラインに設置された、複数の方法で較
後述する電子ビーム特性の推定には、ゲインカー正済みの散乱型光強度モニター [1]によって測定され、 ブと同じく SASE 光のスペクトルの情報が有用であ
各測定条件（有効セグメント台数）において 100 る。そこでゲインカーブ測定と同様に、有効なアンショット分の平均値として求められている。その標 ジュレータセグメントの台数を変化させてスペクト準偏差が出力変動として同図にプロットされている ルを測定した。今回の測定では単一ショット測定でが、これを指標としてレーザー発振状態を、(i)自発 は な く、分光器によって単色化した光強度の 10放射過程、(ii)指数的増幅過程、(iii)出力飽和過程、 ショット分の平均として当該光子エネルギーにおけという 3 つの過程に分類することができる。自発放 るフラックスを測定し、結晶のブラッグ角を掃引す
射過程では出力変動は小さく 3%以下であるが、指 ることによってスペクトルを求めた。測定結果を図数的増幅過程に至ると一気に増加して 70%近くにま 2 に示す。尚、フラックスは最大値で規格化してあで達する。これを過ぎると飽和過程に到達し、出力 ることに注意されたい。
変動は 10%程度にまで抑制される。また全 18 セグ
メントを有効化したときのパルスエネルギーは 2501.0# Segs.
µJ であった。
6
このゲインカーブにおいて特筆すべきことは、ゲ0.8
1014イン長が非常に短いということである。前述した増18幅過程に属するセグメント 3~5 において求めたゲイ0.6ン長 Lg は 2.3 m であるが、これは図 2 に示した、RF ディフレクタによる電子バンチ形状測定から算0.4出されたピーク電流値 3.2 kA と、SACLA で用いられているパルス熱電子銃における最小エミッタンス
0.20.4 π mm.mrad を仮定して得られるゲイン長 4.4 m の半分程度であり、実際のビーム特性がこれらの仮定0.0よりも良好であることを示唆している。電子銃から
9.90
9.95
10.00
10.0510.10
放出された後にエミッタンスが改善することはあり
Photon Energy (keV)得ないから、バンチ内に局所的にピーク電流が高い
図 3：スペクトル測定結果領域が存在すると推定できる。
この測定結果で注目すべきことは、セグメント数の増加に伴って中心波長が高エネルギー側にシフトするとともにバンド幅が増加するということである。
これは、電子バンチにエネルギーとゲイン長が異なる複数の領域が存在すること、また低エネルギー領域におけるゲイン長が高エネルギー領域のそれよりも短いこと、を意味する。

43.2

ACurrent (kA)

32B

12.30-100-50050100Time (fsec)

図 2：バンチ形状測定例（実線）とダブルガウシアンによるフィッティング（破線）
実際、RF ディフレクタ [2] によるバンチ形状測定の時間分解能は 10 fsec よりも大きいため、これよりも狭い時間構造が電子ビームに存在する場合は、ピーク電流値を過小評価する可能性がある。図 2 における青線で図示した領域の時間幅は、測定の時間分解能 10 fsec と同程度であり、この領域のピーク電流は 3.2 kA よりもずっと高い可能性がある。

電子ビーム特性の推定

上記の議論から、SACLA において実測された光源特性を説明するため、以下のような電子ビームモデルを仮定した。
1) 電子バンチはエネルギー及びゲイン長の異なる2 つの領域 A 及び B（図 2 参照）で構成される。
2) 領域 A の時間幅はバンチ形状測定の時間分解能 10 fsec より短く、従ってピーク電流は実測値 3.2 kA よりも高い。
3) 領域 B のエネルギーは A よりも高く、その時間幅は実測値（FWHM 70fsec）と同等である。
また、バンチ形状の測定結果をピーク位置が同一の2 つのガウス関数でフィッティングし（図 2 の破線）、その面積を求めることにより、領域 A の電荷を 0.023 nC、領域 B の電荷を 0.13 nC と求めた。
ただし先に述べたように、領域 A のバンチ形状は- 55 -

表 2：電子ビーム特性推定値
項目
領域 A
0.023
バンチ電荷（nC）
2.4
時間幅（FWHM：fsec）
9.0
ピーク電流（kA）
0.4
エミッタンス（πmm.mrad）

Measured
10-1

1614

Peak Current Ip(kA)

領域 B
0.13701.6
0.7100

Pulse Energy (mJ)

測定系の応答関数でコンボリューションされており、実際のピーク電流はこれよりもずっと高いと推測される。これらの仮定の下で決定すべきパラメータは、
領域 A のエミッタンスとピーク電流（時間幅）、及び領域 B のエミッタンスということになる。これ
らを、ゲイン長 2.3 m 及びパルスエネルギー250 µJという実測値を再現するように推定する。
領域 A のビーム特性は Lg = 2.3 m という束縛条件から推定できるが、Lg はエミッタンスεn とピーク電流 Ip の両方に依存するため、これらを一意に決定することはできない。そこで、上記束縛条件を満足するεn と Ip の関係を計算により求めた。結果を図 3 に示す。

10-210-3

CalculatedAB
A+B

10-4
10-5

1210-610

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Undulator Segment8図 4：推定されたビームパラメータに基づくゲインカーブの計算値と実測値の比較

60.3

0.4
0.5
0.6
Normalized Emittance εn(πmm.mrad)

0.7

3.

ウェイクフィールドの評価

SACLA では真空封止型アンジュレータを 5 mm以下の狭いギャップで使用するため、計画当初からウェイクフィールドによるゲインへの影響が懸案事項であり、コミッショニングの初期段階から、これ破線で示したεn = 0.4 πmm.mrad は前述した、取り得 を補正するためのテーパリング（アンジュレータのるエミッタンスの下限値であり、このときピーク電 ギャップを徐々に開いて K 値を調整することに流 Ip は 9.0 kA となる。以後、領域 A のビーム特性 よって発振波長を一定に保つ手法）が適用されていとしてこれらの値を仮定するが、いずれも下限値で る 。 こ れ ま で の コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ の 経 験 か ら 、あることに注意されたい。即ち、真のエミッタンス SACLA においては最小ギャップの 3.5 mm においてがこれよりも大きく、例えば 0.5 πmm.mrad である もウェイクフィールドによるレーザー出力の低下はときには、ピーク電流は 11 kA と修正される。
深刻なものではなく、当初の懸念は払拭された感が領域 B では、電荷と時間幅が求められているので、 あるが、その一方次節で述べる、アンジュレータの決定すべき残されたパラメータはエミッタンスであ さらなる狭ギャップ化に向けて、その影響を定量的るが、これは全セグメントを有効化したときのパル に評価しておく必要がある。
スエネルギー250 µJ から、0.7 πmm.mrad と推定でき
ウェイクフィールドは、電子バンチに沿ったエネる。以上の議論をまとめたものを表 2 に、またこれ ルギー損失を誘起するため、アンジュレータ通過後らのパラメータに基づいて行った FEL シミュレー のエネルギー分布を測定することによってウェイクションから求めたゲインカーブを、領域 A からの フィールドの影響を評価することができる。これは寄与、領域 B からの寄与、及び両領域からの寄与に 一般には強い分散部、例えばダンプ部において空間分類して、実測値と比較して図 4 に示す。レーザー プロファイルを測定することによって可能であるが、発振の各過程において実測値と計算値（A+B）がよ SACLA では機器設置の優先度の関係から、ダンプく一致していることがわかる。
部における精密な測定系が整備されていない。そこ
で、アンジュレータ自発光の全光束スペクトルを測定し、これを微分することによって近似的にエネルギー分布を求める手法を導入することによってウェイクフィールドの影響を評価することを試みた。
図 3：Lg=2.3m を束縛条件としたピーク電流とエミッタンスの関係- 56 -

1.0(a) Measured

0.8#01~#16 Condition
K = 0.6 (g~10 mm)
K = 1.5 (g~5.2 mm)
K = 1.8 (g~4.4 mm)
K = 2.1 (g~3.7 mm)

SACLA でもこの手法によるシード化を目指して、各種の検討を行った。特に分光器種類（配置、結晶材質、格子面）による光源特性の相違について検討を進めた。結果を、シード化によって想定されるスペクトルの改善例として図 6 に示す。

9980 9990 10000 10010

0.680.460.2

Photon Flux (1012photons/pulse/0.1% b.w.)

Beam Intensity (arb. unit)

図 5(a)にウェイクフィールドを誘起するアンジュ 4.1 セルフシーディングによるシード化
レータを異なる条件（K 値）に設定して、電子エネシード化とは、SASE の欠点である、不十分な時ルギー分布を測定した結果を示す。また同じ条件で、 間コヒーレンスを改善するための手法であり、（理表 2 に示した電子ビームパラメータを仮定して計算 想的には）シングルモードレーザーを FEL 増幅のした結果を図 5(b)に示す。計算の際には、平行無限 シード光として利用することにより、いわば真の平板による抵抗性ウェイクフィールドの表式[3]を用 レーザーを得るための手法である。一方で X 線領いた。細かな構造の違いを除くと、K 値を増加する 域ではシード光として利用可能なレーザーが存在しためにギャップを閉じることによって、エネルギー ないため、SASE 型 FEL における長尺アンジュレー分布が全体的に負の方向へ移動するとともにその分 タを前半と後半に分け、前半部で得られた SASE 光布幅が広がるという傾向で一致しており、表 2 で示 を分光器によって単色化することにより、シード光したパラメータが、ウェイクフィールドの観点から として利用する、いわゆるセルフシード法が有望でも矛盾がないことを裏付けている。
ある。

0.0

Beam Intensity (arb. unit)

1.00.80.6(b) Calculated#01~#16 Condition
K = 0.6 (g~10 mm)
K = 1.5 (g~5.2 mm)
K = 1.8 (g~4.4 mm)
K = 2.1 (g~3.7 mm)

0.4
0.2
0.0-0.6-0.4-0.2

0.0

4.

4208640.22

図 5： ウェイクフィールドによるエネルギー偏差の(a)実測値と(b)計算値の比較

0Relative Energy (%)

C(400) 0.1t
C(400) 0.2t
C(400) Ref.
Si(111)
SASE

9993
9995
9997
Photon Energy (eV)

光源の高度化

最後に、SACLA で今後予定されている光源関連の高度化について述べる。

- 57 -

図 6：異なる結晶配置や材質に対するシード化によるエネルギースペクトルの改善

ダイヤモンド単結晶(400)を透過型で利用する場合を赤線（0.1 mm 厚）及び緑線（0.2 mm 厚）で、反射型で利用する場合を青線で、Si(111)を反射型で利用する場合を水色で示し、黒線で示した SASE スペク
トルと比較した。いずれの場合でもバンド幅やフラックスが顕著に改善されていることがわかる。今後、分光器の駆動方式や構造などを踏まえた上で、最終的な仕様を決定する。
4.2

アンジュレータ狭ギャップ化による発振波長の広帯域化

SACLA では計画当初から真空封止型アンジュレー
タを狭いギャップで運転する予定であったため、ウェイクフィールドによるレーザーゲインへの悪影響が懸念されていたが、これまでの運転経験から、少なくともギャップ 3.5 mm においては大きな問題は生じていない。むしろ、さらに狭いギャップでの運転の可能性を秘めている、と言い換えることもできる。真空封止型アンジュレータでは真空槽を取り替えることなく、最小ギャップを変更することが可能である一方、駆動架台が増大する吸引力に耐えられる必要がある。現在、SACLA アンジュレータのプロトタイプ機（実機に先駆けて 2007 年に製造）を用いた各種試験が行われており、早ければ今冬にも、より狭いギャップでの運転が可能となる。プロ
トタイプ機の磁場測定ではギャップ 2 mm で K 値は3.2 に到達しており、このギャップでの運転が可能になればレーザーの高出力化と広帯域化に大きく貢献すると期待される。一方でこのような狭いギャップでの運転を可能にするためには、電子ビームのハロー部がアンジュレータの永久磁石列に照射されることがないように、ビームを整形する必要があり、これは今後の検討課題である。

謝辞
光源特性測定や機器整備にご協力いただいた、理研
XFEL 部 門 ビ ー ム ラ イ ン 研 究 開 発 グ ル ー プ 及 び
SACLA 運転員の皆様に感謝いたします。

参考文献[1] K. Tono et al. “Single-shot beam-position monitor for x-ray
free electron laser”, Rev. Sci. Instrum. 82 (2011) 023108.
[2] H. Ego et al. “Transverse C-band deflecting structure forlongitudinal phase space diagnostics in the XFEL/SPring-8
SACLA”, Proc. IPAC 2011, 1221-1223 (2011).
[3] K. L. F. Bane and G. Stupakov, “Resistive wall wakefieldin the LCLS undulator beam pipe,” SLAC-PUB-10707(2004).

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