佐藤  莞洋(Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory ) Linac Coherent Light Source Linac Coherent Light Source(LCLS)は、世界で初めてオングストローム領域の波長の発振を達成したX線自由電子レーザー施設である[1]。SLAC国立加速器研究所内に建設されたLCLSは2009年に硬X線領域のSASE(Self Amplified Spontaneous Emission)発振を達成後、ユーザー供用が開始された。250 eVから12.8keVの光子エネルギー領域において、サプ10~50フェムト秒、ミリジュールクラスのバルスエネルギーのX線を最大120Hzで発生することができる。電子銃、加速器部、アンジュレータ部、およびNEH(Near Experimental Hall)および、200m程度離れた下流側に位置するFEH(Far Experimental Hall)の2つ実験ホールから構成されている。実験ホールは上流側からAMO(Atomic, Molecular & Optical Science)[2], SXR(Soft X-ray Material Science)[3], XPP(X-ray Pump Probe)[4], XCS(X- ray correlation spectroscopy)[5], MFX(Macromolecular Femtosecond Crystallography), CXI(Coherent X-ray Imaging)[6],そしてMEC(Matter Extreme Condition)[7]の7つの実験ステーションから構成される。
実験ステーション
NEHに設置されたAMOおよびSXRはいわゆる軟X線領域の波長を対象としており、NEHのXPPおよび、FEHに設置された4つの実験ステーションは硬X線領域の波長の使用を前提としている。筆者はHXR(Hard X-ray Department)に所属している。HXRは、MEC以外の硬X線領域の実験ステーションを担当し、気相、溶液、固体などの試料をテラヘルツから紫外領域のレーザー光源によって励起し、その高速応答を回折や分光で計測するXPP、小角散乱やX線光子相関計測を主目的としたXCS、主に結晶たんぽくなどの生物系試料を大気環境下で計測することを対象としたMFX、真空雰囲気、大型検出器を用いたイメージングを主目的としたCXIのオペレーションを担当している。軟X領域の実験ステーションおよびMECについては、それぞれ参考文献を参照されたい。各実験ステーションには、バルスエネルギーやタイミングなどを計測する共通仕様のビーム診断系、ミラーやレンズなどの光学素子に加えて、XPPには物質励起用の光学レーザー、X線回折計、ロボットアーム、XCSには小角散乱計測用の大型の検出器アームや、X線ポンププロープ計測用のX線分割遅延光学系などが備えられており、6軸回折計や、溶液散乱用チャンバー、光電子分光用チャンバー、ヘリウムボックスを始めとした計測装置が用途に応じて設置される。
運転モード
LCLSは日本のSACLAやEuro XFEL、韓国のPALと同様に、SASE(Self Amplified Spontaneous Emission)方式と呼ばれるショットノイズに起因する種光を増幅させる。そのため、それぞれのバルスがもつ時間、周波数構造は、統計的な分布をもつスバイク構造である。典型的な SASE光はマルチモード、パルス幅は30~40 fs程度であるが、ダイヤモンドの回折を利用して単色性の向上を目的としたセルフシード、軟X線領域において外部からレーザー導入によって電子バンチにモジュレーションを誘起して、サプフェムトバルス発生するXLEAP、電子バンチの非線形圧縮によるサプフェムト秒パルス、ダブル電子バンチモードによる2色X線モードなど、実験の目的に応じた様々な運転モードが実現している。 LCLSは線形加速器ベースのFEL光源であるため、他のXFEL施設と同様に、原理的には一加速器に対して、１ビームライン１ユーザーであり、ビームタイムの配分の採択率はこれまで高いとは言えなかった。近年では、1ユーザー(1エンドステーション)がX線を占有する運転モードに加えて、硬Ｘ線領域において、薄いダイヤモンドを第一結晶に使用したLarge Offset Double Crystal Monochromator (LODCM)[8, 9]の(1 1 1)反射によって、30 eV程度のバンド幅を持つXFEL光の一部である約0.5 eVを分割し、XPPやXCSなどのユーザー実験に供用し、残りの部分を透過させて、CXIやMFXなどの他のユーザー実験に供用するMultiplexと呼ばれるビームラインオペレーションが供用されている。現在LODCMはXPPと、NEHとFEHをつなぐトンネル内の2カ所に設置され、 3グループ(2グループが単色光を利用、1グループがいわゆるピンクビームを使用)が同時に実験を遂行することが可能となっている。また、CXIではCDIタイプの実験に使用されたダイレクトX線を、検出器の中心を通過させ、再度Beレンズで再度集光、直列に接続したチャンバー内のサンプルに照射するという並行測定が可能である。Multiplexにより同波長の使用という前提はあるものの、最大4グループ(XPP、XCS、CXI x 2)が同時にX線レーザーを利用して実験を遂行することができ、ビームタイムの大幅な増加を実現した。
今後の展望
今後の予定(2017年12月現在)であるが、2018年12月までユーザー供用(Run 17)が予定されており、 12月から1年間にわたるシャットダウンの後、超伝導加速器および硬X線、軟X線それぞれに可変ギャップアンジュレータが導入される。その後、LCLS-IIのコミッショニングが予定されており軟X線領域(～2 keV)では、MHz・CWタイプの高繰り返しオペレーションが、硬X線領域では、既存の加速器と新しい可変ギャップ型のアンジュレータを組み合わせることによって、25 keVまでの波長領域の拡大が予定されている。新しい加速器とアンジュレータの導入は、硬X線および軟X線の同時オペレーションを可能とし、利用機会の増大が期待される。これらの情報は随時LCLSのwebサイトにおいて更新されているので興味がある方は参照頂きたい。 [1] P. Emma et al., Nat. Photonics 4, 641–647 (2010). [2] K. Ferguson et al., Synchrotron Rad. 22, 492-497 (2015). [3] G. Dakovski et al., J. Synchrotron Rad. 22, 498-502 (2015). [4] M. Chollet et al., J. Synchrotron Rad. 22, 503-507 (2015). [5] R. Alonso-Mori et al., J. Synchrotron Rad. 22, 508-513 (2015). [6] M. Liang et al., J. Synchrotron Rad. 22, 514-519 (2015). [7] B. Nagler et al., J. Synchrotron Rad. 22, 520-525 (2015). [8] D. Zhu et al., Rev. Sci. Insturm. 85, 063106 (2014). [9] Y. Feng et al., J. Synchrotron Rad. 22, 626-633 (2015).