SACLAにおける自己シード型X線FELの観測稲垣 隆宏a、田中 隆次a、犬伏 雄一b、原 徹a、長谷川 太一c、
大橋 治彦b、三浦 亜由美b、大端 通b、登野 健介b、金城 良太a、
矢橋 牧名a、後藤 俊治b、田中 均aa 理化学研究所

放射光科学総合研究センター
b 高輝度光科学研究センター JASRI
c スプリングエイトサービス㈱第11回日本加速器学会（2014年8月9日、青森） SAOL03

Outline• 自己シード型FELの原理• システムの構成• 試験結果 主に、今年6月の調整試験より• まとめと今後の課題

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SASE型FELとシード型FELの違い• SASE（Self-Amplified Spontaneous Emission）型FEL• 自発放射光の揺らぎを増幅。
• 時間的にコヒーレントでない。

自発放射光SASE（レーザー）• 波長スペクトルの広がり、変動がある。

• シード型FEL• シード（種光）を増幅。

アンジュレータ• 時間コヒーレンスの改善。
• 波長スペクトルが狭く安定。
• SCSS試験加速器• 希ガスでの高次高調波をシードに使用• 2007年 161 nm、 2010年 61 nm
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自己シード型 X線FEL• X線領域では、シード光源（レーザー）が無い。
• SASEを分光器で単色化し、シードとする。
• 反射型• 二結晶分光器を使用。
• 巨大なシケインが必要。
From The European XFEL TDR (2006 )• 透過型

ChicaneSeededX-raysCrystale-• 2011年にDESYで考案。
• 結晶のBragg回折を利用。
• 小型のシケインで済む。
• 2012年 LCLSで実証。

Undulator-1

Undulator-2

G. Geloni et. al., J. Mod. Opt. 58, 1391-1403 (2011 )and FEL conference 2011 presentation.

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自己シード型FELの動作原理• 短時間長のX線（SASE）が、結晶で多重Bragg回折をする。
• 透過光から遅れて、単色成分が出現する。

単色成分の強度
𝐺𝐺00 (𝑡𝑡) 2 ∝𝐽𝐽1𝑡𝑡⁄𝑇𝑇0T0 𝑡𝑡⁄𝑇𝑇0

Λ2 sin 𝜃𝜃𝑇𝑇0 =2𝜋𝜋 2 𝑐𝑐𝑐𝑐

2,

SACLAの場合
C(400)回折
d =180μm
θ =44°
Λ =消滅長 23μm
T0 =0.3 fs

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SACLA-BL3に 自己シード型X線FELを建設• 単色化、輝度の向上、時間コヒーレンスの改善

早期の実用化、供用化を目指す• 2012年夏 シケインの設置

真空封止型アンジュレータ 5 m×21台
λu=18 mm、K～2.1(max.)• 2013年夏 ダイヤモンド結晶の設置• 9月

ビーム調整開始• 11月 シード増幅を確認

偏向電磁石（シケイン）• シード増幅の最適化、安定化のため調整試験を行ってきた。
アンジュレータ1台を下流に移動。
ダイヤモンド結晶チャンバー
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6ダイヤモンド結晶とチャンバー
2θ回転アーム先端に、回折光モニタ（Photo-diode ＆ CCDカメラ）

Be真空窓

ダイヤモンド単結晶（2枚）
180 µm ×6.5mm×6mm
真空チャンバーの内部

真空チャンバー

目視確認用カメラ

局所排気系（イオンポンプ）

多段ステージ（x,y,z,Ry,θ）
使用しない時はx=-10 mmに退避

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調整の手順

6/23に行ったスタディを例に、調整過程を報告する

回折光モニタ（Photo-diode）

光強度モニタ

シングルショット型
スペクトロメータ• 6/23の運転条件 Ee=7.8 GeV、Qe=340 pC、K=2.1、Eγ=10 keV、550 µJ/pulse• 上流アンジュレータだけを閉じ、SASEの強度を確認 ＠光強度モニタ• 結晶を挿入し、回折光が最大となるよう調整 ＠回折光モニタ• 透過光のスペクトル測定 ＠スペクトロメータ• 下流アンジュレータを閉じて、スペクトルの変化を測定 ＠スペクトロメータ• シード条件の最適化（アンジュレータの台数、K値、遅延時間など）• 加速器の調整（RF位相、ビーム軌道など）
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上流アンジュレータからのSASEの調整• 上流のアンジュレータ4台のみ閉。
• シケインで遅延20 fsを付け、結晶を挿入。
• 結晶の角度θは、10 keVのBragg角（約44°、C(400）回折）に固定。
• 上流アンジュレータのK値を変え、SASEの発振波長を変える。
• Bragg回折光の強度が最大となるように調整した。
上流アンジュレータ

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9透過光のスペクトル測定• スペクトロメータの分解能を上げ、透過光のスペクトルを測定。
• Bragg回折によって生じる凹みを観測。
• ダイヤモンド結晶の損傷や品質劣化が無いことを確認。

透過光のスペクトル（100ショット積算）

凹み

幅～0.1 eV
（分解能と同程度）

Si(660)面を用い高分解能で測定
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シード化による増幅の確認• 下流アンジュレータを閉じると、シード化された単色成分の増加が観測された。
• 下流アンジュレータを全13台とも使用した時、100ショットの平均強度で• ピーク強度 SASEの約４倍• スペクトル幅 FWHMで3 eV ・・・SASEの約1/10

下流アンジュレータの台数

シード化成分

SASEによるバックグラウンド
100ショット積算
したスペクトル
上流アンジュレータ 4台
遅延時間 20 fs
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11下流のアンジュレータの台数• SASEは、台数を増やしても、強度がほとんど変わらなかった。（ほぼ飽和している）• シード化成分は、10台目まで強度が増加した。
• 今後、条件（K値のテーパー等）を最適化すると、更に増加できるかもしれない。

Set

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12上流のアンジュレータの台数• 上流を3台にすると、SASE（～1 µJ/pulse）が弱すぎ、シード化されない。
• 上流を6台（～150 µJ/pulse ）以上にすると、エネルギー発散が大きくなり効率が低下。
• 上流は4～5台（20～100 µJ/pulse ）が適切。

Set

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加速器のRF位相に対する感度• RF位相を変えた時の、スペクトルの変化を測定。
• シード化成分の許容RF位相誤差 SASEの半分程度• Cバンド・オフクレスト部• Lバンド加速器±0.2° (100 fs)

SACLA入射部の構成±0.05° (100 fs)• 238MHzプリバンチャー空洞±0.05° (600 fs)• スペクトル幅が1/10であること、および ピーク電流やエネルギーチャープが増幅過程に影響するためか。
238MHzの位相を変えた時の、スペクトルの変化

パルスエネルギー（主にSASEの強度）

シード化成分のピーク強度（SASEを差し引き済み）

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シングルショット毎のスペクトル

Movieにて

アンジュレータ 上流4台、下流13台、遅延20fs、238MHzを+0.05°

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シングルショットでのピーク強度と波長• 「シード化された」と判定されるショットの割合は、100ショット中42ショット。
• ピーク強度の変動幅

RMSで 31%• 光子エネルギー（波長）の変動幅 RMSで 0.9 eV（測定系の分解能と同程度）• 今後の実用化に向け、加速器の最適化と安定化をしてヒット率を上げたい。

シングルショット波形の例

シード化されたショット

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SASEによる
バックグラウンド16

シード化の安定性Free run運転時のスペクトルの変化• 中期的、長期的な安定性、再現性は、残念ながら、まだ不足している。
• 自己シード型FELはSASEよりも敏感なため、SASEでは問題とならなかった加速器の不安定性が、影響している可能性がある。
• 加速器の更なる安定化（光路長の制御、フィードバック制御など）や、運転条件の変更（感度を緩和する、等）等を、今後実施する予定。
• SASEより 1ランク上の安定性と制御精度が要求される。

4:00頃

5:00頃

6:00頃

7:00頃

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まとめと今後の課題• SACLAでは、X線FELの単色化、高輝度化を目指して、自己シード型FELの調整試験を行ってきた。
• ダイヤモンド単結晶のBragg回折により、シード光を生成。
• 下流アンジュレータで増幅し、9.991 keV、波長幅 3eVの単色光を発生できた。
• 平均ピーク強度は、SASEの約4倍。
• 半数近くのショットでシード化がなされ、ショット毎の強度変動は、RMSで31%。
• 加速器の変動に対して、通常のSASE運転時よりも、更に敏感である。
• 中期的、長期的な安定性が、まだ不足している。
• 実用化を目指して、安定化と調整を進めてゆく予定である。

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ご清聴ありがとうございましたスペクトル

昨年11月17日
初めてのシード化の観測

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