大型放射光施設 SPring-8

公開日

2013年08月16日

2013年8月16日
独立行政法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター

本研究成果のポイント
○ レーザー発振に最適なエネルギーを持つ電子ビームを全てのビームラインに供給
○ 線形加速器の安定性やビーム品質を全く損なわない
○ 放射光を約100倍明るくするSPring-8次期計画に不可欠な技術

1. 背景
　X線自由電子レーザー（XFEL）施設から発振されるレーザー光は、パルス幅が10 fs（フェムト秒）以下でピークパワーが10 GW（ギガワット）以上と、既存の放射光に比べ100億倍明るいため、原子や分子の瞬間的な動きが観察でき、物理学、化学、生物学などさまざまな分野の実験に使われ始めています。これまでSPring-8などが放つ放射光では不可能と考えられていた実験が行えるようになるため、SACLAやLCLS^[6]などXFEL施設の利用実験は、今後増大すると予想されます。これに対応するため、ビームラインの複数化が世界の各XFEL施設で計画されています。しかし、複数のビームラインで同時に利用実験を行う場合、ビームラインごとに異なるレーザー波長に対し、電子ビームのエネルギーを電子バンチ（電子の集団）ごとにどのように変化させるかが課題となっていました。
　複数のビームラインを同時に用いるマルチビームライン運転では、線形加速器で加速された電子バンチを、パルス電磁石などを用いてそれぞれのビームラインに振り分けます。しかし、線形加速器のパラメータを電子バンチ加速の度に変更することは技術的に難しく、できたとしても線形加速器の安定性を大きく損ないます。これを避けるため従来考えられていたのは、低エネルギーの電子ビームを線形加速器途中のエネルギーがまだ低い部分で取り出し、アンジュレーターに通す方法でした。（図1a）。しかし、この方法では、アンジュレーターや利用実験を行う建屋が新たに必要なためコストがかかるだけでなく、レーザー光の波長によって実験する建屋が変わるので実験装置を移動しなければならず、効率的な施設の運用に支障が出ます。そこで、共同研究グループはこのような課題を解決するため、効率的に電子ビームをオーダーメードで加速する手法の考案に挑みました。

2．研究手法と成果
　共同研究グループは、線形加速器の終端に全てのビームラインを展開し、各ビームラインに最適なエネルギーを持った電子バンチの供給を可能にする方法を考案しました（図1b）。この方法は、線形加速器の加速管ユニットを動作させるタイミングシステムを工夫することにより、下流の加速器を構成する加速管ユニット（SACLAの場合、有効なユニット数は52）を、電子バンチの繰り返し周波数の整数分の1の周波数で動作させ、電子バンチごとに異なる目標エネルギーまで加速するものです（図2）。このとき、加速器は全て一定の繰り返し条件で動く定常状態で運転されるため、加速器の安定性や電子ビームの品質を損なうことはありません。
　次に、今回考案した手法で実際にSACLAを用いて実証実験を行いました。その結果、10 Hzの電子バンチを、異なる2つの目標ビームエネルギー（8 GeVと6.9 GeV）まで交互に加速するができました（図3）。また、これらの電子ビームをSACLA ビームライン（BL3）のアンジュレーターに通して異なるビームエネルギーでレーザー発振を得ることに成功しました。さらに、10 Hzの電子バンチを3つの目標ビームエネルギーまで電子バンチごとに加速し、レーザー発振させることにも成功しました（図4）。各ビームエネルギーでレーザー発振が得られていることからも分かるように、電子ビームの安定性や品質は損なわれないことも確認できました。

3．今後の期待
　今回SACLAで実証した技術は、加速管ユニット単位でビームエネルギーを変えることができ、安定にレーザー発振が可能な条件において、4 GeVから8.5 GeVの範囲で異なる電子ビームの供給が可能になります。また、パルス電磁石を用いた電子バンチ振り分けシステムと組み合わせることで、多数のビームラインに最適なエネルギーを持った電子ビームを供給し、全てのビームラインで強度の強いレーザー光の利用が可能になります。この技術は、全てのビームラインを同じ建屋内にコンパクトに並べて配置することができるため、今後計画されているXFEL施設の基本設計に大きなインパクトがあると予想できます。
　また、SPring-8次期計画において予定されている、SACLAからSPring-8蓄積リングへのトップアップ運転（電子を継ぎ足し入射し蓄積電流を通常運転時の上限一杯に維持する運転）のための電子ビーム入射では、不可欠な技術要素となります。

《参考図》

《補足説明》
[1]　線形加速器
電子銃から放出された電子ビームを、RF電磁場を用いて加速する直線型加速器。サイン波であるRF電磁場を用いるため、電子ビームは連続ではなく、バンチと呼ばれる電子の集団ごとにパルス的（間欠的）に加速される。

[2]　SACLA
理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL（X-ray Free-Electron Laser）施設。科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして位置付けられ、2006年度から5年間の計画で建設・整備を進めた。2011年3月に施設が完成し、SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser の頭文字を取ってSACLAと命名された。2011年6月に最初のX線レーザーを発振、2012年3月から共用運転が開始され、利用実験が始まっている。大きさが諸外国の同様の施設と比べて数分の1と、コンパクトであるにも関わらず､ 0.1ナノメートル以下という世界最短波長のレーザーの生成能力を有している。

[3]　アンジュレーター
NとSの極性を交互に反転させた永久磁石列を上下に並べた装置。電子ビームが上下の磁石列の間を通過するとき、アンジュレーターの周期磁場によって電子ビーム軌道は左右にうねり放射光を発生する。XFELでは、さらにアンジュレーター内で放射光と電子ビームを相互作用させることにより電子と光の間のエネルギー交換が生まれ、放射光を増幅することでX線領域のレーザー光を得る。また上下の磁石列間のギャップ距離を変えることで、レーザー光の波長を調整することができる。

[4]　SPring-8次期計画
SPring-8の放射光を現状よりも約100倍明るくするための、SPring-8蓄積リングのアップグレード計画。SPring-8次期計画では、リングの電子ビームの光源サイズを極限まで絞り込むため、電子ビームの周回可能な領域が現状に比べ狭くなる。この蓄積リングへ効率よく入射するには、品質のよい（細い）電子ビームを用いる必要があるため、SACLAで加速した電子ビームの一部をSPring-8蓄積リングへ入射する。SPring-8次期計画ではビームエネルギーを6GeVにする想定であり、SACLAのレーザー利用運転とSPring-8への入射を両立させるには、電子バンチごとのビームエネルギー制御が不可欠となる。

[5]　大型放射光施設SPring-8
理研が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す放射光施設。利用者支援はJASRIが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

[6]　LCLS
米国スタンフォード線形加速器センター（現在のSLAC国立加速器研究所）で建設された世界で初めてのXFEL施設。Linac Coherent Light Sourceの頭文字をとってLCLSと呼ばれている。2009年12月から利用運転が開始された。