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研究紹介

XFEL の自動調整・序˦ˬƟʱ˺機械学習手法を用いたg − 2f1.J ߹‫ٲ‬ๆ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʂҔ౎എ஑Ւ高エネルギー実験屋が異分野転生したら…？
E1E ৔ຆޫ‫ޫٵ‬Ҵ٥֋ࡿԦ ч ଵ λ光源基盤部門
高輝度光科学研究センター

FBbBbBi!TQbiXF2FXDT(兼) 理化学研究所
XFEL 開発研究部門
岩井 瑛人
iwai@spring8.or.jp‫ܯ‬ஆ บਫ໫
2020 年 8 月 5 日
bvmi`Q!TQbiXF2FXDTπࣞ੒Ӂ੒Ӂώ๲‫ۆ‬Ӂ٥֋ѕ

1

はじめに

kyky ௰ Uິ໳ k ௰V e ُ R ௟

R 本稿ではʃɬʕɿ, 思いがけず高エネルギー実験から放射光加速器へと “ 異分野転生” した実験屋が, その後どうなっ಺੕ʂ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ɼʃ٠ࡥԶʂ˂˺ʼƟ૥
たかを, いくつかの研究トピックの中から, 皆様に興味‫פ‬ɿజટɩʠ- ˂˺ʼƟɟʝʂಘࠜɾࣿ‫܃‬ʦࡽ๲ɭʟɳʕ
を持っていただけそうな機械学習を用いた研究について
ʂ A* ˈˊ˞ʦ‫ޱ‬ɫʒɭƆ஬ࠋʂҐɩʧʃ A* ˈˊ˞ɼഔ
触れながら紹介したいと思う。
ɘɺʖ- അ๲߹‫ٲ‬ɼɽɚԟ‫ؙ‬ɭʟʂɟդ෻ɿްʣʠʟɟʖ
, ポスドクや学生の方々に向けて。本
特に若い研究者ɫʠʒɯʧƆɫɟɫ- "2HH2 AA ߹‫ٲ‬ʘhGa ߹‫ٲ‬ɿ੐಺, 直接関わりがないように
稿は他分野の研究紹介でありɩʠʟʜɚɾ੒Ց෦ɾ٠ࡥԶʾˀˍ˧ɻʃ- ˂˺ʼƟɟ
見えるため, いまいち興味が湧かないかもしれないけれʝʂࣿ‫܃‬ʦࡽ๲ɭʟɳʕʂ
aA* U஦଑ๆ୘‫ڽ‬ɥࡍঀѾ, 主題は別にあり, 研究内容自体は二の次なので, 途中ど, 締めの下りに目を通して, 今後の研究を飛ばしてでも໚V ɼ‫څ‬ʄʠʟছๆ
A* ˈˊ˞ɠ಩ɮɼɘɷɺʜɘʏɽ‫ޡ‬
生活のヒントにしていただければ幸いである。
ʣʠɺɘʒɭƆʒɳ- ‫ۿ‬ʯ˔˲ʵƟ߹‫ٲ‬ɴɥɻɾɣ- ଼ഓʘδຘɼɘɷɳഇฅɿɞɘɺʖʫ˨Ɵʿ˺ʷʾˀˍ˧ʘਪˈ˪˺˔˲ʂൗࠄভ٠ࡥԶʦ‫ݩ‬ʟɳʕɿ- ছๆ A* ˈˊ2SACLA/SPring-8˞ʂҔ౎ɠ‫و‬ɟɯɾɘՠࡦɿɾɷɺɘʟʂɻɭƆɱɧɻ

C@S_*˦ˬƟʱ˺g − 2f1.J
E1E
SACLA[1,2]/SPring-8[3,4] は,߹‫ٲ‬ʷ˲Ɵ˞ɼ
兵庫県の播磨科学公園都市にある大型放射光施設である。
ʂʯ˳ʶˏ˴˒ʶˀʾˀˍ˧ʷ˲Ɵ˞ʃ֩ஔɻ- ३୞ʂ‫ۿ‬
SPring-8 は, 8 GeV の電子ビームを用いて主に X 線ɘਗ଑ʦ߹‫ټ‬ɭʟɳʕɿड़௾ʦ૰ֆɫɳছๆʂ˜˴˺ˏ

, 1997 年 10領域の放射光を発生させる実験施設でありʯ˺ːˈˊ˞ʦҔ౎ɫɺɡʒɫɳƆɱɫɺ- ъѾʖʂ߇‫ݩ‬
月に供用運転を開始した。
SPring-8 の加速器は, 1 GeV
ʂද- ɭʍɺʂ์ֆड़௾ʦභɳɭˈˊ˞ʂҔ౎ɿढ़‫ڸ‬ɫ

まで電子を加速する線形加速器, 8 GeV まで加速するシʒɫɳƆඕՒߏɻʃ- ຟ‫ޓ‬ʦෳঽɿɫɳʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ
ンクロトロン, 電子を蓄積して放射光を発生させる蓄積˞٠ࡥԶๆʂ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʂҔ౎‫ر‬έɿࢺ୅ʦ
リングからなる。
୻ɺ- C@S_* ˦ˬƟʱ˺ g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ʷ˲Ɵ˞ɼ
SACLA は SPring-8 の隣に建設された X 線自由電子
E1E ʂʯ˳ʶˏ˴˒ʶˀʾˀˍ˧ʷ˲Ɵ˞ɠ‫ׯ‬ໜʦɼレーザー (XFEL; X-ray Free Electron Laser) 施設であʖɿɫɾɠʝ- ɽʂʜɚɿɫɺѨ੕ʦࣛʞЈɜ- Ҕ౎ʦछり, 2012 年３月に供用運転を開始した。SACLA は超低ʕɺɡɳɟɿɸɘɺࣅѻɫɺɘɡɳɘɼްɘʒɭƆ
エミッタンスな 8 GeV 電子ビームを生成する 400 m の線形加速器と, 電子ビームから X 線レーザーを発生させRXR ˦ˬƟʱ˺ g − (3002f1.J߹‫ٲ‬ʂҞ์m) からなる。連続的に強る挿入光源と実験施設部

い X 線を発生する SPring-8 と, 10 fs (フェムト秒) のC@S_* ˦ˬƟʱ˺ g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ʃ˦ˬƟʱ˺ʂ
超短パルス X 線レーザーを発生する SACLA は相補関Ϊ࣢ߞՉ௾๻ g − 2 ɼ୊ޫঢ়‫ޫ׎‬௾๻ U1.JV ʦ३වɿ係にある。本内容は主に後者の SACLA の研究について述べる。
ਗ଑ɭʟɧɼɻ- ವࡵ๲໱ʦ૝ɜʟഅ๲ʂ౎٪ʦෳ‫ޱ‬ɫɺɘʟ߹‫ٲ‬ɻɭƆ˦ˬƟʱ˺ g − 2 ʃ˝˲ˊʶ˟˝˺܎2.1SACLA๼٥֋ࡿU"LGV 加速器
ɻ۱ʣʠɳਗ଑ʂٌї (R)- ವࡵ๲໱ʂ
า২ખ(k) ɼʂԝɿ3.7 σ ʂ༎๸ɠ٪ʝʠɺɘʒɭƆɧ
図 1 は入射部, ３つのシケインとC バンド加速管など
ʂ༎๸ɠವࡵ๲໱ʦ૝ɜʟഅ๲ʂૄ‫ڴ‬ɻʃɾɘɟɼશෳ
からなる SACLA の線形加速器の概要である。SACLAʦࡍʕɺɘʒɭɠ
݂࠿ଯɾٌ໱ɿʃ߃ɷɺɘʒɯʧƆ‫ټ‬は数keV から 20- keV程度の XFEL を提供する。電子‫ݚ‬- ˜ʮ˲˦٥֋ࡿ U6LGV ɻʃ "LGɼஔɬ‫ٵ‬๲ɻ˦, ビーム条件を個別ビームを振り分け運転を行うことでˬƟʱ˺ʂ
g−2 ɼ 1.Jʦʜʞ३වɿਗ଑ɭʟ߹‫ٲ‬ɠ
XFEL
ビームライン: BL2, BL3 を同時稼に変えられる, さらに- 2020年２月からは蓄積リング
働しछ۱યɻɭɠ
C@S_*
ɻʃ "LG-SPring-8
6LG ɼʃʒɷɳɣSACLAへの入射も同時に行う。
Ϊɾʟࠡ൚ɻ˦ˬƟʱ˺ʂg − 2のプロトタイプ加速器
ɼ 1.J ʦਗ଑ɭʟ,改修,アップグレードを行った
Soft-XFEL
用のを移設߹‫ٲ‬ʂࡵಖʦछʕɺɘʒɭ (j- 9)ƆC@S_*˦ˬƟʱ˺, SCSS+ (BL1)が併設されている。
ビームラインg − 2f1.J ߹‫ٲ‬ʂ஦૎ʂR ɸɻɖʟ˦ˬƟʱ˺ືնƉюਙɿʜʟଊʯ˦ˊˆ˺ˀ˦ˬƟʱ˺˚Ɵ˧ʂ१ढ़ɿԟɫɺʃѬ֓ʂ‫ۿ‬ʯ˔˲ʵƟ˒ˬƟˀɻࠟʞࣘɦʝʠɺɘ
2.2XFELʟʂɻ- ɱɵʝʖɨ‫ࢻދ‬ɣɴɩɘ (8- e)Ɔ
X 線領域では, 可視光領域のような単純で高い効率のミラーが存在しないため, Self-Amplified Spontaneous

RXk ʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ˞٠ࡥԶɼ˜˴˺ˏʯEmission (自己増幅自発放射; SASE) を用いてレーザー˺ːˈˊ˞ʌʂ์ֆXFEL, SASE の発生原理の詳細は OHO’13発振を行う。のテキスト[5] を参照ください。定性的に説明をするとC@S_* ˦ˬƟʱ˺g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ɻʃ- λโߞࣟય,電子ビームから欲しい波長相当のマイクロバンチの列がʦ࠵Ѿɭʟ˦ˬƟʱ˺ʂ൓Ҁ๐୊ޫʂಓআɼߗԝʦ‫ظ‬ਗ
形成され, このマイクロバンチからのコヒーレントな放ɭʟɳʕɿ- ʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ˞٠ࡥԶʦๆɘʒɭ UयRVƆ射と電子ビームが相互作用することで, 正帰還的に発振・C@S_* ʂ˚Ɵ˧ʂ஦૎ɼɫɺ- ˚Ɵ˧ʂ،ʞറɫ࠵ఉ
増幅が進む過程である。その増幅ゲインは電流の 1/3
ॅ k8 >x ʂ੒ֲ୞˘˲ˀ˚Ɵ˧ɻɖʟɧɼɠ֘ɦʝʠʒ
乗, エミッタンスの −1/3 乗に比例する。出力が飽和すɭƆɸʒʞ- ˦ˬƟʱ˺˚Ɵ˧ɠ๝ʟˆʫ˦˺ʷʃߏঽɿ
る, ゲイン長の 20-25 倍を現実的な大きさ (〜50 m) にഇɟɷɺɞʞ- ‫ځ‬ʝʠɳߗԝU˦ˬƟʱ˺˚Ɵ˧௡ࠄ‫ڤ‬ɟ, (運動量) 規格化エミッタンス
収めようとするとすると
ʝ˦ˬƟʱ˺ʂ࠮ූଟ୞ʂߗԝ
ʂԝɿ‫ۿ‬ɘ˳ƟˏɻຆkA 程度にする必要を 1π mm mrad, ピーク電流をV 10ޫɠ٠ࡥԶɿಓʧɻɣʟɼɘɚ‫ޡ‬ๆԋְɿɾʞʒɭƆ൓がある。

Ҁ๐୊ޫɠˀˏ˱ˊ˞٠ࡥԶɿ௡ࠄɭʟ˳Ɵˏʃ
R ˈ˪SACLA では, 約 1 ns 幅, 1 A で切り出した電子ビー˺˔˲୻ɳʞ݂੒
RX9 J>x ɻɭƆʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ˞
ムについて, 速度の遅い入射部近傍では速度差を用いた

k48RX ຆޫʦ٠ࡥɭʟˆʫ˦˺ʷड़௾ʂ‫ޱ‬ವɻɖʟ iBK2@rHF ʦ- ௡ຢࣿ‫܃‬ʂ੒ɡɩ UyX8Ĝj JASV ɿΜʝɮ- ʼ˺˞˱˺ʷ࠵Ճʂ 8 Mb Ιчɿ๓ɜʟ಩์ɠɖʟƆ჌ৃkX ࣿ‫ށ਻܃‬цಅ UafLV ʦࢢɾɣɼʖ R8 Ιࣘҷസɭʟ಩์ɠɖʟƆɧʠʃ୊ޫԀ‫ށޔ‬ц 1L* ɻ

Reyy e− !C/2i = 30 T6 ɿ৷୻ɭʟƆjX ‫˳ۿ‬Ɵˏԋְчɻ˘ʫ˲ʩˊ˞ʦංɤɳʕɿࣿ‫܃‬ࡽ๲ɫɳ˘˲ˀ೺ʦ Ryy Mb රභɿɾʟʜɚɿఉ‫آ‬य़‫آ‬ɭʟ಩์ɠɖʟƆRX ʂ์ֆड़௾ɿɸɘɺʖɚࢢɫിਘɫʒɭƆൗࠄভ٠ࡥԶɟʝʂࣿ‫܃‬ʦࡽ๲ɭʟࣟ‫܄‬- ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʂ
φ

यR, C@S_* ˦ˬƟʱ˺ g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ʂʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ˞٠ࡥԶʂҙԘयƆ˦ˬƟʱ˺˚Ɵ˧ʃ٠ࡥԶʂҙ਑ʦ࠵Ѿɫɺɞʞ- ˦ˬƟʱ˺൓Ҁɻ१ɬʟ๐୊ޫʦʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ˞٠ࡥԶɻ഼ʝɜʒɭƆયɻʃ- ʒɮ˂˺ʼƟɟʝʂ୊Ѥࣿ‫܃‬ʦਊ೺ɫ- ࣿ‫ށ਻܃‬цಅʦ݂੒ɿɭʟʜɚɿ࠵ఉॅਾηʦ૛य़ɫ- ఉ‫آ‬ʦय़‫آ‬ɫʒɭƆλ౫ଯɿ- ఉ‫آ‬य़‫آ‬ɫɳࣿ‫܃‬ʃयkUܳV ɿߟɩʠʟʜɚɾʳʭʾʩ˺ʦಒ਻ࣁɿɫɳʜɚɾ˂˦ʳʭʾʩ˺ɼ‫څ‬ʄʠʟ‫آ‬ɿɾʞʒɭƆɧʂࣿ‫܃‬ʦʺ˺˘˳Ɵˆɼ‫څ‬ʄʠʟࣿ‫܃‬ಅҼԶɿ௡ຢɫɺ- y ɟ R ʂ˙ˊˏࣣൎʦˎʿˆ˲ખɼɫɺ१ढ़ɫʒɭƆɫɟɫ- ɧʂ˂˦ʳʭʾʩ˺‫ؠ‬ʂఉ‫آ‬ʦๆɘɺಓআຆޫʂ˙ˊˏࣣൎʦ౜ઐɫɺɫʒ٠ࡥԶʃ਩ʂ‫ۿ‬ʯ˔˲ʵƟ߹‫ٲ‬ɻʖ‫ޡ‬ๆɩʠɺɘʟɳʕ-ɚɼ- ௡ຢࣿ‫܃‬ʂ੒ɡɩɿʜɷɺ१ढ़ɩʠʟ˗ʫˑ˱ࣿɱʠʝʂ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʦກๆɭʠʄʜɘɼްʣ‫܃‬ʂˆʫ˦˺ʷɠബʣɷɺɫʒɘʒɭƆɧɧɻ१ɬʟ‫ڬ‬ʠʟɟʖɫʠʒɯʧƆɫɟɫ- ‫ޝ‬௱ɾɠʝ- ਩ʂ߹‫ٲ‬ʂ˜

ܴʦ iBK2@rHF ɼ‫څ‬ʇʒɭɠ- ɧʠʦ 8 Mb Ιчɿɭʟɼ˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʦ C@S_* ʂ੒ֲ୞˘˲ˀ˚Ɵ˧ɿɘɚɧɼ U์ֆड़௾ RXV ɠ- ˦ˬƟʱ˺ g − 2f1.J ߹‫ٲ‬਻ɫɺ‫ޡ‬ๆɭʟɧɼʃ௔ɫɘʂɻɭƆʒɮ- ‫ۿ‬ɘ˙ˊˏɻ์ֆɩʠʟ݂ʖ˞˰ʫʱ˱ˍʪʂ‫ۿ‬ɘ์ֆड़௾ɻɫɳƆ˳Ɵˏɿ਻Ыɭʟɳʕ- ˙ˊˏࣿ‫܃‬ʂยʟ෌ɫʂ˗ʫˑ

ɻʃɧʂ์ֆɿ਻ɫɺ- ‫ࣟټ‬ʂҔ౎ˈƟ˧ʃɽʂʜɚɿ਻˱ࣣൎʦʼ˺˞˱˺ʷɭʟԝҿʦ઄ɣɭʟ಩์ɠɖʞʒЫɫɺɘɷɳʂɟʦΙчɻ࣏ɫɣ঑෗ɫɳɘɼްɘʒɭƆɭƆλ൘ɻ- ˦ˬƟʱ˺ g − 2 ʂਗ଑ʂɳʕɿʃ˦ˬƟʱ˺࠮ූ R ʂ 8 ఝΙࣘʂԝ- ൓Ҁ๐୊ޫʦਗ଑ɭʟ಩์ɠɖʞʒɭƆɧʠʝʂ์॰ʦຑ๼ɩɯʟɳʕɿʃ- ˈˊ˞௅ɿλߗଯɿˎƟˆʦസਣɭʟɳʕʂ੒ɡɾ˨˩˱ɠ಩
์ɼɾʞʒɭɠ- Ղਣʂʾ˱ʺ˺ˀˏ˱ˊ˞٠ࡥԶๆʂk ߏʂިʒʞ
C@S_* ˦ˬƟʱ˺ g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ๆʂ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʂ෕ࣁʃ ǳaHBhǴ ɼɘɘʒɭƆુࠋʂλञɻɖ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ɻʃɧʂʜɚɾ੒฻ຟ˨˩˱ʦസʟ‫ܯ‬ஆʃ kyRe ௰ 9 ُɿ E1E ɿમ௥ɫɺ- C@S_* ˦ߖɫɺɘʟʖʂʃɖʞʒɯʧɻɫɳƆɱʂɳʕ- C@S_*ˬƟʱ˺ g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ʷ˲Ɵ˞ɿюʣʞʒɫɳƆ୻ʂ੒ֲ୞˘˲ˀ˚Ɵ˧ɿ਻Ыɫɳ C@S_* ˦ˬƟʱ˺g − 2f1.J ߹‫ٲ‬ছๆʂ˜˴˺ˏʯ˺ːˈˊ˞ʂҔ౎ɠިʒʞʒɫɳƆ˙ˊˏࣿ‫܃‬ʂยʟ෌ɫʂ˗ʫˑ˱ࣣൎʦߗʃࢡՑ෦ɾʩˑ˴ʷѾ໚ʂ߇‫ݩ‬ʦ‫ر‬ɺ- aHBhRk3 ɼ‫څ‬ʄʠʟ- Rk3 ˈ˪˺˔˲ഇʂࣿ‫ࡽ܃‬๲Ѿ໚ʦ R ˈˊ˞ɿԥʧɴʩˑ˴ʷƉˎʿˆ˲‫˞ˊˈݗܩ‬ʂ६‫ݩ‬ɠӷຎɫɳ

8 Mb ɨɼɿʼ˺˞˱˺ʷɫ- ऍɩ 3RNk ʂ˨˩˱ɿનঀɭ

ߗՃɻɫɳ (3)ƆR ˈ˪˺˔˲ʂʩˑ˴ʷѾ໚ʃ˂˦ʳʭʟɧɼɻ 40.96 µb ʂԝʂˎƟˆʦസਣɻɡʟʜɚɾˈˊ

ʾʩ˺‫ؠ‬ʂय़‫آ‬Ѿ໚ɼʺ˺˘˳Ɵˆʦ৕ʓ‫܄‬ʣɯɳ൘ߧ˞ɠ์ֆɩʠʒɫɳƆɩʝɿ˦ˬƟʱ˺ g − 2 ਗ଑ʂ์ֆ३୞ʦ੬ढ़ɭʟɳʕɿ- ˂˺ʼƟɟʝʂࣿ‫܃‬ʦࡽ๲ɭʟʩˑ˴ʷѾ໚ɿߘʂʜɚɾड़௾ɠ์ֆɩʠʒɫɳƆR C@S_* ʂ߹‫ٲ‬ɻʃ jyy J2ofc ʂϬஓຟʂ˦ˬƟʱ˺ʦ‫ޡ‬ๆɭʟɳʕ- ࠮ූ (γτ ) ʃ 6.6 µbƆʦ݉ๆɫɺɘɺ- यkUܳयV ɿߟɭʜɚɿ- य़‫آ‬Ѿ໚ʂࡥຢɠ঎଑ɫɳ᪭ખ୊΄ʦЈɜɳˆʫ˦˺ʷɻಓআຆޫʂ
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यk, UܳयV ˎʿˆ˲ࣿ‫܃‬ɠ y ɟʝ R ɿউʞ੃ʣɷɳߗԝʦ‫ى‬ʕʟ‫ݘ‬- ૳࣢ʃࣿ‫܃‬ɠɖʟ᪭ખʦ૝ɜɳߗ‫܌‬ʦਗ଑ɫʒ
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ɺ- ‫˳ˏˊ˙ۿ‬Ɵˏʂϳׄʦ٪ঀʖʟɧɼɿʜɷɺ‫ࡥޔ‬జভɠૠɣɾʞɭɢɺʃɘɾɘɟ- Ѿ໚यʂజভɿɞɟɫɫʒɫɳƆɧʂٌїɟʝ iBK2@rHF ɿԟɭʟ์ֆʃ୻ࡾɾѠࡿɠɾɘɟʦ *. ˋƟ˲ʦ‫ޡױ‬ɫɺૃ௬ɿˈʮˊ

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