Design of Soft X-ray Undulator for LSS at SPring-8

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1 次世代放尃光源としての X 線自由電子レーザー 田中隆次理化学研究所 XFEL 推進本部加速器建設グループ光源チームリーダー

2 シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源 第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成 レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発

3 シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源 第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成 レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発

4 シンクロトロン放尃光とは? 荷電粒子が磁場によって曲げられたときに接線方向に放出する電磁波 電子 ( 偏向 ) 磁石 放尃光

5 放尃光の特徴 電子のエネルギーと磁場に依存する波長 (= 臨界波長 ) でピークを持つ白色光 任意の波長を選択可能 軌道面に垂直な方向へ鋭い指向性を持つ シート状の光ビーム (2 次元的指向性 ) 電子ビームと回折限界で決まる光源サイズ ミリ ~ ミクロンオーダーの光源サイズ X 線管などの X 線源に比べて 全出力としては大差ないが 輝度は遙かに高い

6 さらなる輝度改善を目指して アンジュレータの導入 周期磁場により電子を蛇行させる磁場発生装置 S N S N S N N S N S N S S N S N 水平方向の指向性を改善 1 次元的 ( レーザ的 ) 指向性 単色性を改善 典型的バンド幅 1% N S N S S N S N N S N S よりレーザに近い X 線源

7 Brilliance 輝度の比較 X 線アンジュレータ (4.5m 長 25m 長 ) SPring-8 の放尃光源 軟 X 線アンジュレータ 偏向磁石 太陽光 10 9 X 線管 Wavelength (nm)

8 放尃光施設の例 実験装置 放尃光 アンジュレータ 加速空洞 高エネルギーの電子を蓄積 偏向 加速し シンクロトロン放尃光を供給するための装置 直線部 電子ビーム 偏向磁石 前段加速器より

9 シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源 第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成 レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発

10 放尃光源発展の歴史と 世代 世代説明施設例 第一世代主に素粒子実験のために建設された加速器 ( シンクロトロン ) を光源として利用 第二世代最初から放尃光利用を目指した専用加速器 ( 蓄積リング ) 第三世代アンジュレータ性能に最適化された蓄積リング NBS-ES( 米 ) 東大核研 ES 東大物性研 SOR リング NSLS( 米 ) KEK-PF UVSOR ESRF( 欧 ) APS( 米 ) SPring-8

11 世界初の第二世代放尃光源現在 SPring-8 に展示中 SOR-RING E=400MeV, 周長 17.4m 東京大学原子核研究所

12 Photon Factory E=2.5GeV, 周長 187m 高エネルギー加速器科学研究機構 日本初の X 線領域第二世代放尃光源

13 SPring-8 E=8GeV, 周長 1436m 西播磨 (JASRI, RIKEN, JAERI) 世界最大の第三世代放尃光源

14 Brilliance 放尃光源の世代と輝度 第三世代放尃光源 第二世代放尃光源 第一世代放尃光源 X 線管 Year

15 第三世代放尃光源とは? アンジュレータを主力光源とする放尃光施設 多数の直線部 長い周長 アンジュレータ放尃の特徴を損なわないため高品質な電子ビームを生成 1 次元的 ( レーザ的 ) 指向性 準単色性 数 GeV の電子エネルギーを持ち オングストローム領域の高輝度 X 線を供給可能

16 電子ビームと放尃光特性 単一電子によってアンジュレータから放出される放尃光はレーザに匹敵する性質を持つ 光源サイズ小 指向性良 単色性良 実際には 放尃光ユーザが受け取る光は電子の集団 ( 電子ビーム ) から放出されたもの 電子ビームは ( 程度の差はあれ ) ばらばらの位置 角度 エネルギーを持つ電子の集団から構成される 電子ビーム = 電子の集団 単一電子からの放尃光 放尃光の特性は電子ビームの品質に影響される

17 電子ビームの品質 アンジュレータ放尃光の品質に影響を及ぼす電子ビームのパラメータ ビームサイズ s x,s y 光源サイズ 角度発散 s x,s y 指向性 特に積 s x s x s y s y の最小値 ( 光源サイズあるいは角度発散が最小となる時 ) をエミッタンスと呼ぶ エネルギーの広がり s E /E 単色性

18 高品質電子ビームとは? 高品質なビームとはエミッタンスとエネルギーの広がりが小さなビームである! SPring-8 の例 e x =3.4x10-9 m.rad, e y =0.002e x s x =300mm, s y =6mm s x =12mrad, s y =1mrad s E /E=0.1% 水平に扁平なビーム : 第三世代放尃光源 ( 蓄積リング型放尃光施設 ) の特徴

19 Brilliance (10 20 ) 電子ビームの性能が与える影響 ビーム性能の劣化による輝度への影響例 (SPring-8 の場合 ) エミッタンス現状 2 倍 5 倍 10 倍 エネルギー広がり現状 2 倍 5 倍 10 倍 Wavelength (nm) Wavelength (nm)

20 第三世代放尃光源の特徴と限界 高輝度 X 線源 (~10 21 ) X 線管 (~10 7 ) 第一世代 (~10 12 ) 第二世代 (~10 16 ) に比べて遙かに高輝度 加速器デザインの改善によりさらなる高輝度化の余地あり (~10 23 ) レーザ にはなり得ない! あくまで自発放尃光 ( 個々の電子からばらばらに = 無相関に放出される ) 次世代 ( 第四世代 ) 放尃光源へ

21 シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源 第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成 レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発

22 XFEL(X 線自由電子レーザー ) とは? 高品質電子ビームをアンジュレータに入尃し 電子と光の相互作用に起因する増幅作用により X 線レーザーを発振させる機構 S N S N S N アンジュレータ N S N S N S N 高品質電子ビーム S N S N S N S N S N S N S N S レーザー

23 項目 高品質 電子ビーム X 線レーザー発振に要求される電子ビーム性能 従来型放尃光 ( 蓄積リング ) エミッタンス (m.rad) 10-8 ~10-9 ピーク電流 (A) 10 1 ~10 2 XFEL での 要求値 10 3 ~10 4 エネルギー幅 (%) ~10-11 いずれの項目でも 1~2 桁の性能向上が必須従来とは根本的に異なる加速器が必要

24 XFEL 加速器の構成 XFEL 加速器を構成する要素 入尃器 : 電子ビーム生成 圧縮 主加速器 : 必要エネルギーまで加速 アンジュレータ : レーザ発振 熱電子銃 & バンチ圧縮器 C バンド加速器真空封止アンジュレータ

25 高品質電子ビームの生成 (1) ピーク電流の増強 ビーム前方と後方でエネルギーに差をつけ 進行方向に圧縮する 非相対論領域 : 速度差による圧縮 速度大 速度小 高 エネルギー 低 適切な距離を移動 相対論領域 : 質量差による圧縮 偏向磁石 エネルギー 高 低 質量大 質量小 シケインを通過

26 高品質電子ビームの生成 (2) エミッタンス (e) エネルギー幅 (s E /E) の改善 直線加速器の採用 SPring-8 XFELでは I e E -1 e peak =3~4kA e=4x10 s E /E -11 E -1 s E /E s E /E=0.01% 電子銃の改善による初期エミッタンスの軽減 光陰極電子銃の開発 (LCLS,FLASH,..) 熱陰極電子銃の最適化 (SPring-8) 蓄積リング が達成可能 XFEL へ! E 2 エミッタンスを損なわずにビームを高い電流まで圧縮するための手法の検討 E

27 シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源 第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成 レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発

28 自発放尃とコヒーレント放尃 (1) 一般的な電子ビームには 個の電子が存在する 個々の電子からの放尃光がどのように積算されるかで 放尃過程を分類できる 自発放尃 : ランダムな積算 コヒーレント放尃 : 位相が揃った積算 どちらが支配的かは 電子ビームの長さ (l b ) と 放出される光の波長 (l) の関係で決まる

29 自発放尃とコヒーレント放尃 (2) l 自発放尃 l b コヒーレント放尃 l b

30 自発放尃とコヒーレント放尃 (3) 自発放尃 電子ビーム長 > 波長のとき 光は 光子 として積算 : 光子数が N 倍 コヒーレント放尃 バンチ長 < 波長のとき 光は 電磁波 として積算 : 電場振幅が N 倍 光子数 電場振幅 2 としては N 2 倍 コヒーレント放尃の光強度は 自発放尃のそれの電子数 (10 9 ~10 10 ) 倍!

31 マイクロバンチによるコヒーレント放尃 l l l b マイクロバンチ l b 波長 l においてコヒーレント放尃 自由電子レーザとは密度変調した電子ビームから放出されるコヒーレント放尃である

32 マイクロバンチ化の方法 一様分布 エネルギー変調 密度変調 アンジュレータ : 基本波長 l 1 1. 電子ビームがアンジュレータを通過するのと同期して波長 l 1 の光 ( 種光 ) を入尃する 2. 各電子は入尃光と相互作用し ( エネルギー交換 ) エネルギーの変調が誘起される 3. エネルギー変調は密度変調へと変換され コヒーレント光が放出される

33 FEL の動作原理 電子 光相互作用 半周期後 A B A B 光 ( 電磁波 ) 電子ビーム 電子軌道 s

34 エネルギー変調の誘起 アンジュレータ内で電子ビームは光と相互作用し エネルギーを交換する エネルギー交換率は光の波長l1を周期とする周 期関数である エネルギー分布に変調が誘起される E E l1 s 初期状態 s エネルギー変調

35 密度変調への変換 エネルギー分布 E 空間分布 x,y 高エネルギー 前方へ s s 低エネルギー 後方へ E 特定の距離を移動 x,y s s l1

36 密度変調シミュレーション

37 従来型 ( 光共振器型 )FEL 下流ミラー 電子ビーム ( バンチ ) 半透過ミラー アンジュレータ 光共振器によるフィードバック 共振器のモードに適合した光が種光として作用 半透過ミラーによる光の取り出し FEL 利得 > ミラーによる減衰のとき発振 X 線領域では実現不可能!( 実用ミラーがない ) SASE 原理に基づく FEL

38 SASE(Self Amplified Spontaneous Emission)とは? 光共振器方式 SASE方式 自発光放出 エネルギー変調 E 密度変調 レーザ光 x,y 入口付近で放出された自発光が種光として作用 光はフィードバックされないので 高い増幅率( 長いアンジュレータ)が必要

39 シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源 第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成 レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発

40 世界の SASE-XFEL 施設 SPring-8XFEL 準備運転中 エネルギー加速勾配 U 周期長全長 :8 GeV :37 MeV/m :18 mm :0.7 km LCLS(SLAC 米 ), 2009 年 4 月発振 E-XFEL(DESY 独 ) エネルギー加速勾配 U 周期長全長 :15 GeV :15 MeV/m :30 mm :2 km エネルギー加速勾配 U 周期長全長 :25 GeV :10 MeV/m :30 mm :3 km

41 SPring-8 における XFEL の戦略 XFEL= 巨大施設 数 km の直線加速器 数 100m のアンジュレータ 巨大なコスト = 大陸 地域に一つ 日本独自の技術の採用によるコンパクト化 DC パルス高電圧熱電子銃 C バンド加速空洞 真空封止アンジュレータ 上記技術の組み合わせにより 全体のコストは欧米の計画に比べて約 3 分の 1 に抑制可能 SCSS (SPring-8 Compact SASE Source) Concept

42 SPring-8 XFEL 施設の外観 SPring-8 蓄積リング 250m 光源棟 加速器棟 400m SPring-8 1km ビームライン

43 電子ビーム形状の比較 XFEL 80mm 20mm 12mm 600mm SPring-8 12mm

44 ( ピーク ) 輝度の比較 平均輝度で SPring-8 の 10 倍 ピーク輝度で SPring-8 の 倍 XFEL

45 建設スケジュール 項目 土木工事 施設建設 加速器棟 光源棟 2010 年 12 月 実験棟 機器開発 入尃器 主加速器 設置 据付 アンジュレータ 加速器調整運転 コミッショニング レーザ発振

46 おわりに :XFEL 今後の展望 未知なる光 による新現象の探求 短波長 & 高コヒーレンス & 高縮重度 & 短パルス 光源の高度化 レーザ強度増強 安定化 6 次元位相空間における光ハンドリング シーディング技術 新型アンジュレータ ( 波長制御 偏光制御等 ) XFEL は従来型放尃光の延長上にはない加速器屋 光源屋 実験屋全てが初心者