作成： 1999/01/07 山崎 鉄夫
データ番号 ：140004
世界初の自由電子レーザー専用蓄積リングNIJI-IV
目的 ：(真空)紫外領域自由電子レーザー研究のための、世界初の自由電子レーザー専用蓄積リングの建設と、蓄積ビームの高品質化。
研究実施機関名 ：電子技術総合研究所
応用分野 ：光化学反応、物性研究、新材料創製、生物学、医療
概要 ：
世界初の自由電子レーザー(free-electron laser,FEL)専用蓄積リングNIJI-IVの概要が述べられている。NIJI-IVは周長29.6 mと小型であるが、レーストラック型で光クライストロン用に7.25 mの直線部を有する。初の電子蓄積は1991年で、この当時のFEL波長範囲は488〜595 nmであったが、電子ビームのエミッタンスを小さくするためのリングの改造が行われ、FELのより短波長・高品質化のための基盤が整った。
詳細説明 ：
電総研では蓄積リングTERASにおいて1991年に国内初の可視域自由電子レーザー(free-electron laser, FEL)の発振に成功したが、TERASの直線部は短く、大幅な短波長化は困難であった。NIJI-IVは世界初のFEL専用リングで、図1に示すように周長29.6 mと小型であるが、レーストラック型で光クライストロン(optical klystron, OK)用に7.25 mの直線部を有する。直線部の長さがリングの周長に占める割合0.49は他に例を見ない。図にはFEL実験の配置も同時に描いてある。NIJI-IVの基本設計パラメータを表1に示す。建設完成は1990年で、翌年2月に初のビーム蓄積に成功した。
図1 Plan view of the NIJI-IV FEL System. (原論文１より引用、一部改作)
表1 Fundamental parameters of the NIJI-IV.
（原論文1より引用）
---------------------------------------
Maximum beam energy(MeV) 500
Circumference(m) 28.6
Lattice type triple-bend
achromat
Periodicity 2
Ls/Cr 0.49
Bending angle(゜) 60
Field index 0
Edge angle(゜) 16.1
Harmonic number 16
Radio frequency(MHz) 162
Maximum RF power(kW) 2.5
---------------------------------------
リングへの入射は電総研リニアックから直接行われ、通常のセプタム・コイルとキッカー・コイルを用いている。入射エネルギーは約310MeVである。初期の運転モードでは、設計よりも相当低いチューン(ベータトロン振動数)であり、従ってエミッタンスも目標の10倍程度で非常に大きかった。それでも可視域でのFELの発振は可能であると予測され、1992年4月からFEL関連の実験が開始された。FELの実験では、以下に述べる様な特殊なモードでリングを運転する必要がある。
NIJI-IVの通常運転では周長29.6mの中を16バンチのビームが周回しているが、FEL発振には1バンチのみが必要で、残りのバンチは自発放出光を発してミラーの劣化を促進する。そこで、蓄積リングTERASで用いたトラッキング・ジェネレータを併用する2段階RF-KO法を適用しで1バンチに落した。次に、目標のFEL波長に合せてビームエネルギーを変化させる。例えば590nmの場合は240MeV,488nmの場合は265MeVであった。この間、多少のチューン補正と軌道誤差(closed orbit distortion, COD)補正が必要である。その後OKのギャップを狭める。ギャップを変化させるとチューンが変化するので、チューンをモニタしながらそれを一定に保つように四重極電磁石の電流を変える必要がある。
FELの実験においては、電子ビームの軌道をOKの中心軸に一致させ、さらに共振器の軸もそれに一致させる必要がある。OKは理想的な電子軌道に合せて設置したが、四重極電磁石の設置誤差があってリング自体にCODがあり、OKの中でも多少の軌道のずれがあるために結果的に電子軌道とOK軸のずれは大きく、FEL実験の前にこれを補正する必要があった。これらの軸合せにはアルゴンレーザーあるいは色素レーザーを用いた。先ず、レーザーを上流側から入射し、その軸を理想的な軌道に合せておく。次にビームを蓄積してOKからの自発放出光をレーザーと重畳させ、距離を隔てた数ヶ所において双方のプロフィールを観測し、両軸が一致する様に電子ビーム軌道を調整する。共振器ミラーの回転の非常に粗い調整は、レーザーの少数回の反射光が軸に一致させることで行い、その後は実際の共振パターンと出力スペクトルを観測しながら微調性を行っている。リングに関しては以上の調整を行うことにより、1992年8月に589〜595nmでのFELの発振に成功してNIJI-IVシステムが順調に稼動することが確認され、同年9月には488nmでの発振にも成功して、このシステムでの波長可変範囲は100nm以上に拡大された。
FELをさらに短波長化・高度化を図るために、1993年から、長直線部での運動量分散関数が零になり、かつより高いチューンに運転モードを変更する実験を行い、さらにCODを小さくし、入射系、真空系も改造した。その結果、入射効率は格段に向上し、最大蓄積電流も飛躍的に向上した。新旧のモードでの主なパラメータを表2に比較してある。新しいモードではエミッタンスが相当低く、バンチ長も短くなっている。
表2 Calculated machine parameters of the storage ring NIJI-IV at 300MeV.（原論文1より引用）
------------------------------------------------------
Parameters Old mode New mode
------------------------------------------------------
Betatron tune υx 1.595 2.230
υy 1.300 1.344
------------------------------------------------------
Momentum compaction factor 0.251 0.0884
------------------------------------------------------
Natural emittance[m rad ] 3.988×10-7 4.913×10-8
------------------------------------------------------
Relative energy spread 2.13×10-4 2.28×10-4
------------------------------------------------------
Bunch length[mm] 35 22
------------------------------------------------------
Damping time τx[msec] 178 113
τy[msec] 99 99
τs[msec] 41 47
------------------------------------------------------
Chromaticity ξx -1.61 -3.37
ξy -2.22 -4.82
------------------------------------------------------
以上の蓄積リングの改造により、その後1994年に紫外領域FELの発振に成功した。さらに、1997年から6極電磁石群を設置することによっていわゆるhead-tail不安定性を抑制することにより、1998年に世界最短波長である212 nmでの発振にも成功している。
コメント ：
電子ビーム、光共振器、アンジュレータはFELの3大要素技術であるが、加速器に要する費用が大きな比重を占めるため、FELにおいて、電子ビームの品質は死命を制すると言って過言ではない。今後、蓄積リングのみならず、どの加速器を用いても、ビームの品質はFELのキー・ポイントであり続けるであろう。
原論文１ Data source 1：
A Compact Storage Ring NIJI-IV Dedicated to Free Electron Lasers
T. Yamazaki, K. Yamada, N. Sei, H. Ohgaki, S. Sugiyama, T. Mikado, R. Suzuki, T. Noguchi, M. Chiwaki, M. Kawai*, M. Yokoyama*, S. Hamada*, A. Iwata*, and S. Nakagawa*
Electrotechnical Laboratory, * Kawasaki Heavy Industries, Ltd.
Synchrotron Radiation Facilities in Asia, Proceedings of the Asian Forum on Synchrotron Radiation (Ionics, Tokyo) (1994) pp. 189-201
原論文２ Data source 2：
自由電子レーザー専用小型蓄積リングNIJI-IVの現状
山崎 鉄夫、山田家 和勝、清紀 弘、大垣 英明、杉山 卓、三角 智久、鈴木 良一、野口 勉、千脇 光國、河合 正之*、横山 稔*、浜田 信治*、岩田 章*、中川 茂友*
電子技術総合研究所、*川崎重工業(株)
放射光 6 (1993) pp. 379-390
原論文３ Data source 3：
Present status of a 500MeV compact electron storage ring for UV FEL experiments
M. Kawai, K. Aizawa, S. Kamiya, M. Yokoyama, Y. Oku, K. Owaki, H. Miura, A. Iwata, M. Yosiwa, T. Tomimasu*, S. Sugiyama*, H. Ohgaki*, T. Yamazaki*, K. Yamada*, T. Mikado*, and T. Noguchi*
Kawasaki Heavy Industries, Ltd., *Electrotechnical Laboratory
Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A318 (1992) pp. 135-141
参考資料１ Reference 1：
Lasing in the ultraviolet region with the NIJI-IV storage-ring free-electron laser
T. Yamazaki, K. Yamada, N. Sei, H. Ohgaki, S. Sugiyama, T. Mikado, R. Suzuki, T. Noguchi, M. Chiwaki, T. Ohdaira, M. Kawai*, M. Yokoyama*, S. Hamada*, and A. Iwata*
Electrotechnical Laboratory, * Kawasaki Heavy Industries, Ltd.
Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A358 (1995) pp. 353-357
参考資料２ Reference 2：
Free Electron Laser Oscillation down to the Deep UV Range Using a Small-Scale Storage Ring
K. Yamada, N. Sei, T. Yamazaki, H. Ohgaki, T. Mikado, S. Sugiyama, M. Kawai*, and M. Yokoyama*
Electrotechnical Laboratory, * Kawasaki Heavy Industries, Ltd.
Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) pp. L1151-L1153
キーワード：自由電子レーザー、電子蓄積リング、高品質電子ビーム、
free-electron laser, electron storage ring, high-quality electron beam
分類コード：140102, 140103, 140201