世界のXFELの展望とSACLAの現状と高度化の方向性	
理化学研究所
大竹雄次、 XFEL研究部門を代表して	

本発表の内容	
! 世界のXFELの展望! SACLAの現状
安定化
高度化の方向性	世界のXFEL施設（稼働中、建設中および計画中）	
LCLS	
LCLS –II（計画中）	

EURO XFEL	FLASH	PSI XFEL	MaRIE	PAL XFEL	SCSS+	FERMI ELETRA
Soft X-ray	

稼働中 X-ray laser : SACLA, LCLS	SACLA	
SINAP FELSoft X-ray	

建設中 X-ray laser : Eruo XFEL, PSI XFEL, PAL XFEL	
計画中 X-ray laser : Los Alamos XFEL (MaRIE)	
稼働中 Soft X-ray laser : Flash, FERMI	
建設中 Soft X-ray laser : SINAP FEL	XFELの性能	

建設中	

SACLA（稼働）LCLS（稼働）	

EURO-XFEL	 PAL-XFEL	PSI-XFEL	

X線の最大エネルギー(keV)	

14.5	

9.5	

24.8	

12.4	

12	電子の最大エネルギー(GeV)	

8.2	

14.5	

17.5	

10	5.8	

電子の尖塔電流(kA)	

>3~4	3~5	5	

2~4	

1.5~2.7	

電子ビームパルス幅（fs rms）	

< 30	

10 ~ 300	

10 ~ 100	

< 60	

13	

Peak Brightness @ 10keV(Photon/s/mm^2/mrad^2/0.1% bandwidth)	

2x10E33	

8x10E32	

5x10E33	

1x10E33		

3x10E32	

Pulse Energy/Pulse	

0.5 mJ @10keV	

2.1 mJ @9.5 keV	

2.2 mJ（設計） @ 12.4keV	

1.8 mJ（設計） @
12.4 keV	

0.06 mJ（設計） @
12.4 keV	

Pulse repetition (Hz)(Shots/pulse, Sh/p)	

60
1 sh/s	120
1 sh/p	

102700 sh/p

60
1 sh/p	100
1 sh/p	

K Value	

1.5~2.2	

2.5	

3.3	

1.3~2.1	

0.85	

加速空洞	

Cバンド	

Sバンド	

超伝導(Lバンド）	

Sバンド	

Cバンド	

各XFEL施設のレーザー輝度	

Springer Tracts in Modern Physics
Volume 258 2014
Free-Electron Lasers in the Ultraviolet
and X-Ray Regime, 2nd Ed,
Physical Principles, Experimental
Results, Technical Realizationから引用。	

計画中の(Soft)XFELの性能（設計） 	
LCLS-II (NGLS)MaRIE (LANL)	

X線の最大エネルギー(keV)	

1.24 	

41.3	

電子の最大エネルギー(GeV)	

2.4	

12	

電子の尖塔電流(kA)	0.6	3.4	

電子ビームパルス幅（fs rms）	

1 ~ 300	

< 30	

Peak Brightness @ 10keV

8x10E32	

5x10E33	

(Photon/s/mm^2/mrad^2/0.1%bandwidth)	
Pulse Energy/Pulse	Pulse repetition (Hz)	

0.1 mJ @ 9.5 keV	 0.3 mJ @ 12.4 keV	
連続波	

120 ?	K Value	

1.4	

0.86	

加速空洞	

超伝導（Lバンド）	

Xバンド	

高ディユーティー・高エネエルギーX線（？）への指向	NGLS (LCLS-II)の例	
CW Photo
Cathode RF
Gun	
BC 1	

Undulator Multi-Beamlines	

BC 2	

CW SC RF Cavities	CW SC RFInjector	

1 ~ 300 fs	
1 µs	

電子ビームのバンチ構造	
CW リニアックでたくさんのビームラインを駆動。
そのための大きな障害となるのは電力である。
だから、超伝導CWリニアックを使用する。	

Experiment Hatches	SACLAの現状と高度化	
ユーザー実験の再現性のために
l SACLAの概要、現状l X線レーザーの出力強度、波長範囲、安定性、パルス幅レーザーの強度安定性を向上するための機器の安定化 （環境影響排除）l 空洞の温度制御、湿度制御	
l 高周波時間基準信号ライン用ファイバーの光路長制御	
l バンチ圧縮のためのバンチ長制御	
SACLAの高度化（シングルユーザーマシンを超えて、より柔軟にユーザーの要求に対応するために）!

BL3でのセルフシーディング!

新規X線ビームライン増設, BL2.

!

マルチビームラインに対応したビームのパルス振り分け!

SCSSのSACLA光源棟への移設による（SCSS+）、既存ビームラインBL1の能力向上!

加速器の高電界化および高繰り返し化（将来に向けた開発）

SACLAの現状	

SACLAは、500kV低エミッタンス(<1mmmrad)パルス電子銃とCバンド高電界（37MV/m)、短周期(K〜2,2)真空封止アンジュレータにより構成されている。	

S-band accelerator system

104 cavities	

24 cavities	

8 cavities	

Low emittance injector
with CeB6 E-gun

C-band accelerator system

700m	

~700	  m	  Experimental Hall	

In-vacuum undulators

SACLA の現状性能	
SASE 強度安定性	

0.6 mJ/pulse @ 10 keV, K=2.1, σ~10% 	
8.5 hour	

Pointing stability @実験ハッチ１	

V10 um, H20 um~ several %of beam size

Spectrum stability	X線パルスエネルギーの増加 from 2013 to 2014	
Tail→	May 2014

ßhead	700

C-OTR
noise	

Electron beam(deflector-ON)	

250 fs	

典型的なバンチ長 <15 fs (FWHM), RF デフレクター
での測定 (測定精度 ~12 fs エミタンスにより制限)	

!

September-October 2013

600

June-July 2013

500
Pulse energy (µJ)

電子バンチの時間構造
RFデフレクターで測定	

X線レーザーの出力強度は、増加傾向にある。0.5 mJ@ 10 keVにまで到達。

!

7.8 GeV

6.8 GeV

Increased	

400
300
200

FWHM
15 fs	

5.8 GeV

100Projection	
At each beam energy, K is varied from 1.5 to 2.15.

068

1012

Photon energy (keV)1416

SACLAの安定化	
現状の安定性は、次の例に示す性能向上策などで実現。	

高周波空洞の精密温調制御系 	
SACLA建設当初の精密温調系の性能(100mKの安定度）は不十分だったので、改良した。	

DC電源駆動	

入射部の空洞には高度な温度安定性が要求される。この理由から、2次冷却水系には10 mK に及ぶ恒温性を確保するために、精密温調制御装置が設置されている。 また、温調用ヒータ電源をDC化して、ヒータ電流変化によるビーム軌道キックを低減した。	

高周波空洞精密温調装置の温度制御性能 	

238 MHz-SHBの場合を示す。空洞に入力される冷却水の温度は、10 mK以内に制御されている。これにより空洞の高周波位相は、0.07度以内に収まっている。 	

加速器高周波基準信号光ファイバー伝送ラインへの湿度変化の影響（クライストロンギャラリー）	 
最近の湿度制御の改善で、これくらいには収まっていまる。	

L1供給露点	

露点	
5712MHz位相	

ファイバ往復位相 露点変動の影響は見られている	

T. Ohshima et al., Proc. of the
11th PASJ, (2014), in Japanese. 	

光ファイバー長制御装置	
マイケルソン干渉計を使用した、粗調と微調のファイバー長測定装置建設している。	
より品質の良い5712 MHz RF 基準信号を伝送	

位相比較	

klystron	
IQ変調器	

微調の測長制御は、λ0 (1548.96 nms) の光波長を基準としている。 粗長の測長基準は 、光の波長λ2 (1552.15 nm) and λ3 (1552.89 nm)の差周波である45 GHzを使用している。

微調のファイバ長制御装置の性能例	
（実験室でのデータ）	

Optical	 Length	 [um]	 

2	 1.5	 
1	 0.5	 0	 -0.5	 -1	 -1.5	 -2	 0	 100	 200	 300	 400	 500	 600	 Time	 [s]	 
安定化している光ファイバー長は、1500 mである。実験室でデータ。	
現在、SACLAの実機でもファイバー長制御が実働しており、ファイバー長制御ループの外の変動も含めてSACLAの高周波時間基準ラインの安定度は、50fs p-p程度に安定化されている。	
H. Maesaka et al., Proc. of IPAC14, 1906 (2014).	

電子ビームのモニターを使用した帰還制御によるバンチ幅・強度の安定化	
238 MHz SHB
476 MHz Booster Cavity
1428 MHz Correction Cavity
1428 MHz APS Cavity
5712 MHz Correction Cavity	

制御フィルター
マトリックス	

バンチ圧縮器BC1	

帰還制御	

電子銃	 入射部空洞群	

ビーム位置モニター	ビーム到着時間モニター	

Sバンド空洞群	

CSRバンチ長モニター	

電子ビーム	
BC1の前後にある電子ビームモニターにより、ビームの到着時間、エネルギー、バンチ幅を測定して、入射部高周波空洞群の高周波位相などに帰還制御する。それにより電子ビームのバンチ幅ほかを、安定化してX線レーザーの強度変動を少なくする。	

電子ビームのモニターを使用した帰還制御によるバンチ幅・強度の安定化の結果	
5.5 keV	!

BC1部モニターを使用した入射部高周波空洞の位相への帰還制御の実験を行った。帰還制御部はコンピュータ上に構成された。現状で12時間くらいは、運転員が調整せずにX線レーザーの強度をある程度一定に保持できる場合もある。本システムは、現在、SACLAで稼働中である。

SACLAの高度化	
多くのユーザーに、より使いやすいX線レーザーを供給するために。	

SACLAの高度化のための増強装置	

3番目のビームライン、BL2の建設時分割の電子ビームのパ
ルス電磁石によるマルチビームラインへの振り分け

SCSS試験加速器移設・増設 → EUV-FEL 施設
400 MeV、 1 GeVまで増設予定

X線自己シード
透過型のブラッグ回折を使用

セルフシーディング（前方ダイアモンド結晶回折、FDB）	
!

DESY の G.Geloni, V. Kocharyan & E. Saldin, J. Mod. Opt. 58, 1391 (2011) により提案!

LCLS J. Amann, et. Al., Nat. Photonics 6, 693 (2012) により実証

FBD 放射のエンベロープ	
（数値計算）	
10 keV pulse,	C(400) plane ,	
t=180 µm	FBD により単色エンベロープ成分を生成	（シード光）	
磁気シケインで、シード光に対する電子ビームの遅延・デバンチを生成、単色光成分との時間的な重なりを生成		
FEL conference 2014 (Basel), TUC01
T.Inagaki (SACLA/RIKEN)

単色テール
at 10 fs、 24 fs

ダイアモンド結晶チェンバー	2θ 回転アーム	

回折モニター(Photo-diode & CCD)	
Be 窓	

ダイアモンド単結晶	
180 µm × 6.5mm × 6mm	θ 回転真空容器内部

回折真空容器

カメラ
24

遠隔操作多軸ステージ(x,y,z,Ry,θ)	

シードFELの発達	!

アンジュレータのギャップを閉じると、シード光が発達する。

シード結晶下流の	アンジュレータの台数	

Seeded FEL signal

100ショット積分した
シード光のスペクトル	
SASE background(including initial SASE)

上流4アンジュレータ

下流 6-13アンジュレータ

ダイアモンド結晶

Si 220 面使用
スペクトルメーター

広帯域レンジ100 ショット積分したシード化されたレーザーのスペクトル	!

ピーク強度: SASEのバックグラウンドより4倍!

スペクトル幅: 2 eV (FWHM), SASEの1/15

Seeded FEL signal

2 eV(FWHM)

SASE background(including initial SASE)

結晶真空容器上流の４アンジュレータでシード光を発生。
下流の１３アンジュレー
タでシード化されたX線レーザーを発生。	

シケインでの電子ビームのシード光に対する遅延は20 fs。

BL-2とSCSS+の建設状況	
この夏に18台のアンジュレータを含んだBL2 と2番目のリニアック（SCSS+）を設置した。	
現在、BL-2はコミッショニング中、レーザー増幅を確認（細かいデータは追って別の発表で）Light Source Building	

BL2

BL3
2nd Linac	

BL3	
BL2 :New	
BL1	

XSBT	

2nd Linac :New	BL2の性能	
Number of undulators 	

18	

Undulator length	

5 m	

Number of periode (undulator)	

277	

Minimum magnetic gap (undulator)	

< 3.5 mm	Maximum K vale (undulator)	

< 2.2	

Effective length of the beam line	~ 70 m	

Output wave length	~ 0.1 nm	Electron beam energy	

~ 8.5 GeV	Electron focusing	

FODO	

Use self seeding scheme	

SCSSとSCSS+の性能比較		 

SCSS	 

SCSS+	 

Operation period	 2005 ~ 2013	 

2015 ~	 Accelerator	 
Beam energy	 

250 MeV	 

420 MeV	 

Bunch charge	 

~0.3 nC	 

~0.3 nC	 

Peak current	 

~300 A	 

~500 A	 

Repetition	 

60 pps (max.)	 

60 pps (max.)	 

Undulator	 
Periodic length	 

15 mm	 

18 mm	 K parameter	 

1.5 (max.)	 

2.1 (max.)	 

Photon Beamline	 
Wavelength	 

50-60 nm	 30-40 nm	 

Pulse energy	 

10-30 µJ/pulse	 

100 µJ/pulse	 

SACLAにおける複数ビームラインへの時分割出射	
異なったビームラインへの異なったエネルギーでの電子出射	TriggerBL2	

ビームルート切り替え	
Triggeracc1	

Triggeracc2	

accelerator	

電子ビーム	Mastertrigger	
acc1	
acc2	
Pulse mag	
BL3	
BL2	

Trigger
BL3	

Triggerpulse mag	

Undulator 2	Exphutch 2	ACmag	Undulator 3	Exphutch 3	

SPring8-II storage ring	trigger	

定常的なリングへの入射は、近い将来の課題	

SACLAにおける2 エネルギービーム実験結果	

２色のレーザービーム、電子のエネルギーは7.3と7.8GeVである。	

電子ビーム、一つおきのパルスでエネルギーが交互に変わっている。電子のエネルギーは、8.9と6.9 GeVである。	

T. Hara et al., PRST-AB, 16,080701 (2013)	

更なる未来のために	当面の実施計画はないが	多くのユーザのための、装置の高繰り返し・コスト削減のための高電界加速。	

５０MV/m、120 pps 試験大電力高周波源開発	

５０MV/m、120 pps 試験大電力高周波源実験結果	
T. Sakurai et. al., Proc. of LINAC12,372 (2012). 	

高周波電力波形	

発生加速電界（シャントインピーダンス、64 MΩ/mから計算）	

まとめ	
l 大竹の私見としては、世界のXFEL（軟X線も含む）は高繰り返しで、多数のユーザー（マルチビームライン）に同時に対応できるような方向に進みつつある。
l もう一方の流れとしては、X線の高エネルギー化もあるかもしれない。
l 現状の稼働中や建設中の装置を見ると、より小型化・低コスト化は既定路線。
l SACLAのユーザー運転は、機器の安定化などにより4 ~ 8 時間程度は無調整でレーザーを供給できようになっている。ユーザー運転を順調にこなしている。
SACLAの高度化l シード化でX線レーザーの時間方向の単色化を進めている。
l BL-2の増設やSCSS+の建設、時分割での電子ビームの振り分けで、多数のユーザーが同時に実験が可能なように進めている。
l 更なる将来を目指して、現状では実施計画は無いが、60pps から120pps、更に上に行くような高電界・高繰り返しのCバンドリニアックの開発を進めている。