XFEL

Ｘ 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー

世界のＸ線自由電子レーザー計画
XFEL/SPring-8 日本（兵庫県）
E-XFEL,DESY ドイツ（ハンブルグ）
LCLS,SLAC アメリカ（カリフォルニア）国 家 基 幹 技 術

E-XFELLCLS

XFEL/SPring-8
姫路

京都神戸
大阪
東京

XFEL/SPring-8

試験加速器によるレーザー発振に成功「夢の光」実現に、着実かつ大きな一歩

コヒーレント性を示す干渉縞

2005年、XFEL実機の実証実験用として
SPring-8 Compact SASE Source (SCSS)の試験加速器を建設しました。電子の加速エネ
ルギーはXFEL実機の32分の1のエネルギーである2.5億電子ボルトですが、主要装置の基本的な部分はXFEL実機と同様です。2006年6月20日には、波長 49ナノメートルのレーザー発振に成功しました。これは日本のXFEL実現に向けた、記念すべき着実な一歩となりました。

電荷量の増加とともにピーク出力が指数関数的に増加して、レーザー発振していることを示している

Ｘ線自由電子レーザー計画合同推進本部
独立行政法人 理化学研究所
財団法人 高輝度光科学研究センター〒679-5148 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
Tel: 0791-58-2849, Fax: 0791-58-2862
URL: http://www.riken.jp/XFEL/ E-mail: project-xfel@riken.jp

Ｘ線自由電子レーザー計画合同推進本部

XFEL

X-ray Free Electron Laser

XFEL
X-ray Free Electron Laser

XFEL : 未来を拓く新たな光XFEL計画 : 国家基幹技術

Ｘ線自由電子レーザー (XFEL) によって拓かれる21世紀のサイエンス

SPring-8に隣接するXFELによって光科学の最先端拠点が完成

もっと細かく、 もっと速く、 もっと遠くを ･･･ 今まで誰も見られなかったものを ｢見たい｣ という

兵庫県西播磨地方に建設された大型放射光施設 SPring-8（Super Photon Ring - 8GeV） は、世界最高強度のX線を極めて安定に生み出す施設として幅広く利用されています。2006年、
このSPring-8キャンパスにおいて、2010年度の完成を目指してＸFEL施設の建設が始まりました。 本計画は、政府から ｢国家基幹技術｣−世界最高性能の研究設備を実現する技術−の指定を受け、（独）理化学研究所（理研）が（財）高輝度光科学研究センターと協力して組織する ｢Ｘ線自由電子レーザー計画合同推進本部｣ によって進められています。

私たちの好奇心は、 何世紀にもわたって科学技術を発展させる原動力となってきました。 新しい道具を使い、 新しい視点から対象を観察することによって初めて、 天体の動きや細菌の存在が明らかになりました。 ロケットや抗生物質といった後世の大発明は全て ｢見る｣ ことから始まったのです。
近年、 ｢見る｣ ための光科学は、 2つの革命を経験しました。 19世紀末のX線の発見と、 20世紀半ばのレーザーの発明です。 X線を用いると、 ｢原子の世界｣ を直接覗くことができます。 また、 高い透過力によって対象物の｢内部｣ を壊さずに見ることができます。 X線は、 大学や研究所にとどまらず、 病院、 工場、 空港といった私たちの身の回りでも広く用いられています。 一方、 レーザーは、｢非常に明るく｣ ｢きれいに揃った｣ 光を発生します。 レーザー技術は、 現代の情報･通信社会にとって欠くことができないものになっています。
この2つの世紀の発見、 X線とレーザーを組み合わせることはできないだろうか ･･･ 世界中の科学者

世界に目を向けると、 アメリカ (SLAC: スタンフォード線型加速器センター) や欧州連合 (DESY:ドイツ電子シンクロトロン研究所) においてもXFELの建設が進められ、 熾烈な国際競争が繰り広げられています。 日本はどう戦うか ? そのヒントは、 日本の製造業が得意とする、無駄を省きながら 高品質に仕上げることにあります。 日本のXFEL施設は、 SPring-8で培われた最先端技術を応用することで、 高い性能を維持しながら他と比べて非常にコンパクトになるよう設計されています。 日本独自技術の検証は、 2005年に建設された試験加速器を舞台として行われました。 2006年6月20日、波長49ナノメートルという真空紫外光のレーザー発振に速やかに成功したことで、 高性能のXFELの実現は確かなものになりました。

が抱いたかつての夢が、 いま、 X線自由電子レーザー (XFEL) として現実のものになろうとしています。 従来のX線より10億倍の明るさで、わずか100兆分の1秒の現象を切り取る ･･･ XFELは、 光科学に第3の革命をもたらし、 私たちの社会にも大きく貢献するでしょう。

Ｘ線自由電子レーザー

SPring-8キャンパス内でXFELが利用できるということは、 ユーザーにとっても大きなメリットがあります。 非常に強力なXFELと、 安定したSPring-8の放射光を使い分けることによって、 未知の対象を分析する効率は飛躍的に高まります。 また、2つのX線を試料に同時照射することによって、反応過程を追跡することも可能になります。 XFELを配したSPring-8キャンパスは、 世界の叡智が結集する光科学の拠点としてさらに発展していくものと期待されます。

(XFEL)

大型放射光施設
SPring-81

XFEL X-ray Free Electron Laser

XFEL X-ray Free Electron Laser

2

XFEL

X-ray Free Electron Laser

XFEL
X-ray Free Electron Laser

XFELとは何か ?

XFELを生み出す原理

私たちはどこまで細かい世界を見ることができるのでしょうか？それは、ものを見る光の波長によって決まります。可視光の1万分の1程度の波長を持つX線は、原子ほどの小さな物質の観察が可能な分解能を持ちます。しかし放射光を含む従来のX線源は、レーザーのようにきれいに揃った光の波を発生させることはできません。レーザーは、コヒーレント光と呼ばれる、完全に波の位相（波の山と山どうし、谷と谷どうし）が揃った光です。
レーザーは、コヒーレントな光を作るために2枚の鏡を向かい合わせ、光の反射を繰り返しながら光を増幅しますが、X線領域の光は物を透過する力が強いために反射率が低く、これに適した鏡が存在しません。
近年、科学者は、最先端の加速器技術を応用して自由な電子からレーザーを発生させる、自由電子レーザーという方法を考案しました。この方式は、反射鏡を使わなければ波長の制約がないため、Ｘ線にも応用できるのではな
いか・・・こうして、世界各国でX線自由電子レーザー（XFEL）の研究開発が始まりました。

XFELを生み出す源は線型加速器でほぼ光速まで加速された電子の集まり（バンチ）です。この電子ビームは、アンジュレータと呼ばれる磁石が多数並んだ装置によって蛇行しながら進みます。まずアンジュレー
タの入り口では、電子ビームから弱い光が放射されます。この放射光は電子ビーム自身の密度をわずかに変化させます。長いアンジュレータの中を進むにつれて、この密度の変化は徐々に大きくなり、それとともに光の強さも急激に増大します。このようなプロセスは自己増幅自発放射（SASE）と呼ばれています。
効果的にSASEを起こすためには小さく絞られ、きれいに方向の揃った高密度の電子ビームが必要であり、そのためには高品質の電子銃とバンチ圧縮システムが求められます。

デザインパラメータ

日本のオリジナルテクノロジーの結集
現在建設を進めているXFEL施設は非常にコンパクトに設計され、なおかつ安定に運転できることを重視したデザインになっています。このコンパクトかつ安定なXFELのデザインは日本独自の技術によって支えられています。
さらにこの技術が、他国のXFEL計画よりも建設費を大幅に抑えることを可能にしています。

電子銃

電子エネルギー

8 GeV（８０億電子ボルト＊）

電子ビームサイズ

40 μm

X線波長>0.06 nm

X線パルス長<100 fsec

X線ピークパワー

5 GW

X線ピーク輝度

1033 photons/s/mm2/mrad2/0.1% b.w.

＊電子ボルトはエネルギーの単位

アンジュレータ

加速管

自由電子

放射光

X線レーザー

Cバンド加速管
電子銃の電子源真空封止
アンジュレータ

熱電子銃が高品質な電子ビームを生み出す
電子ビームは、テレビのブラウン管にも使われる熱電子銃という装置から取り出されます。電子ビームの最初の状態はXFELの性能を大きく左右するため、理研ではセリウムボライド（CeB6）という金属化合物の単結晶を電子源に用いた新しい熱電子銃を開発しました。この結晶の表面は非常に滑らかで、これを加熱することで、細く絞られた電子ビームが安定に供給されます。その後、電子ビームはバンチ圧縮システムに導かれ、最終的には数千倍という高い密度に圧縮されます。
3XFEL X-ray Free Electron Laser

電子を効率 よく加速
電子ビームのエネルギーは加速器に よって約80億電子ボルトまで加速されます。理研では高エネルギー加速器 研究機構と共同でCバンド*加速管を開発しました。この新しい技術によって 電子を効率よく加速することが可能になり、加速器の全長は大幅に短縮され ました。また、この加速管は0.1ミクロンという極めて高い精度で加工され ます。XFELでは、約2メートルの加速管が400メートルのトンネル内に 128個並べられる予定です。

真空封止アンジュレータが強力なX線レーザーを生み出す
電子ビームはXFELを発生させるためにアンジュレータに入射されます。
理研で開発されてきた、真空封止（真空容器の中に磁石を置く）アンジュレータの技術は、より短い磁場周期によって、より短い波長の光を得るために導入されました。この技術は、Ｘ線領域に到達するために必要な電子ビームエネルギーを低く抑え、大幅なコストダウンを可能にしています。

*Cバンドは周波数帯域の種類

XFEL X-ray Free Electron Laser

4

約10nｍ5

XFEL X-ray Free Electron Laser

XFEL X-ray Free Electron Laser

6