作成： 1999/11/25 清 紀弘
データ番号 ：140033
蓄積リングNIJI-IVの電子ビーム特性
目的 ：短波長 FEL 発振のための蓄積リング NIJI-IV 電子ビームの改良
研究実施機関名 ：電子技術総合研究所量子放射部
応用分野 ：軟X線源,材料分析,医療
概要 ：
ここ数年の間に自由電子レーザー(FEL)の研究・開発が飛躍的に進み、短波長 FELの分野でも真空紫外域で発振が可能になった。電子技術総合研究所では、小型蓄積リング NIJI-IV を用いて短波長 FEL の研究に取り組んでおり、1998年には当時の FEL最短波長記録である 212 nm で発振に成功している。FEL の短波長化に貢献した蓄積リングの改造に伴う電子ビーム高品質化を説明し、更なる短波長化について述べる。
詳細説明 ：
可視以下の短波長 FEL の分野では、比較的高エネルギーで電子ビームの質の高い、蓄積リングが利用されてきた。しかし既存の蓄積リングは放射光利用が目的であり、FEL 発振には適していなかった。このような背景から、1990年代になると FEL研究に適した蓄積リングが開発され成果を上げ始めている。
蓄積リング NIJI-IV は、電子技術総合研究所が川崎重工業社と共に 1990年に開発した世界初の FEL 専用リングである。FEL 専用装置としての特徴は、高利得な挿入光源が設置可能なように長い直線部を有することである。このため NIJI-IV はレーストラック型をしており、二つの長直線部はリングの周長の半分近くを占めている。そのラティスは triple-bend-achromat であり、エミッタンスを小さく、かつ挿入光源が設置される長直線部において分散関数が零になるように設計されている。このことは、ビーム不安定性によりエネルギー広がりが増大してもビームサイズに影響を与えない利点がある。
また、NIJI-IV の設計に当たっては小型という要求も付加されていた。小型であると低エミッタンス化が難しくなり FEL装置としては不利に働くが、これは将来的に蓄積リング FELが産業応用として波及できることを睨んでの配慮である。NIJI-IV の周長は僅か 29.6 m であるが、長直線部を長くできたため、その一つに 6.3 m の光クライストロンを設置することができた。FEL 実験が開始された 1992年には 590、488 nm 付近で FEL 発振に成功し、蓄積モードを変更するなどして 1994年には紫外域の 350 nm 付近まで短波長化を行った。
しかし、当時の NIJI-IV には有効な非線形磁石が設置されておらず、様々なビーム不安定性が観測されていた.特にヘッドテイル不安定性はピーク電子密度を 1.3×1016 m-3 程度に制限して FELの短波長化を阻んでいた。この不安定性を抑制するには分散関数の大きな所に 6極磁石を挿入してクロマティシティを補正する必要があるが、補正に適切な場所は僅か 47 cm の短直線部であり、そこは既に 4極磁石が占拠していた。そこでボーア径を 45 mm と半分以下にすることで有効長を短くし、短直線部に 2 台の 6 極磁石と 1 台の 4 極磁石を挿入できるように設計した (図 1)。
この磁石の組はその並びから SQS 磁石と呼ばれている。SQS 磁石は 1997年に全ての短直線部に設置された。両方の 6 極磁石にほぼ設計通りの電流を流すことでクロマティシティ補正をでき、ヘッドテイル不安定性を完全に抑制することに成功した。ダイナミックアパーチャーもビームサイズに比較して十分大きいため、最大蓄積電流値もこの改造前と同程度(260 mA)になった。このためピーク電子密度は 6×1016 m-3 以上に増大した。SQS 磁石挿入後の電子ビーム特性を表1に示す。この電子密度の増大により最大FEL利得も増大し、波長 300 nm に対しては約 3.2 %、215 nm に対しては約 2 % の利得が得られるようになり、1998年には発振波長を 212 nm まで下げることに成功した。この値は当時のFEL最短波長記録である。
図1 Overview of the 6-QF2-6 section. 数字の単位は mm.（原論文1より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. 1997; A393, 38-43, Fig.6(p.41), N.Sei, H.Ohgaki, K.Yamada and T.Yamazaki, Beam quality in storage ring NIJI-IV, Copyright(1997), with permission from Elsevier Science. ）
表1 主な NIJI-IV電子ビーム特性.
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Electron energy [MeV] E 200〜450
Bunch number h 16
Betatron tune
horizontal Vx 2.29
verical Vy 1.21
Natural emittance [m・rad] ε 4.69×10-8
Natural chromaticity
horizontal ξx -2.97
vertical ξy -4.17
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Synchrotron frequency [kHz] fs 46.6
Bunch length [ps] σ1 70〜220
Energy spread σγ/γ 3x10-4〜7x10-4
Beam size
horizontal [mm] σx 0.77
vertical [mm] σy 0.26
Peak electron density [m-3] ρpeak >6x1016
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次なる目標は真空紫外域での FEL発振であるが、NIJI-IV の電子ビームにはまだ他のビーム不安定性が残されている。電子バンチのエネルギー広がりの電流依存性をプロットした 図 2 が示しているように、2 mA 以上で急激な増大が観測されている。同様にバンチ長に対しても 2 mA 程度から異常な増大を観測している。これらは蓄積リングのインピーダンスが非常に高いために、マイクロウェーブ不安定性が発現することが原因である。このため高電流領域では FEL利得が電流値の 1/3 乗に比例して増加するのに留まり、更なる短波長化に必要な高い FEL利得の実現を阻害している。そこで蓄積リングの真空チェンバーを更新し、マイクロウェーブ不安定性を抑制することを計画している。現在進行中の高周波系統の更新によるバンチ長の短縮と併せることで、電子密度の飛躍的増大が得られ、真空紫外域でのFEL発振が実現できると期待している。
図2 Dependance of the energy spread on the beam current.（原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. 1999; A429, 185-190, Fig.4(p.188), N.Sei, K.Yamada, H.Ohgaki, V.N.Litvinenko, T.Mikado, and T.Yamazaki, Improvement of the beam quality by chromaticity correction for wavelength shortening in the NIJI-IV FEL, Copyright(1999), with permission from Elservier Science. ）
コメント ：
FEL 専用蓄積リングの出現により FEL の短波長化が進み、1999年には Duke 大学により遂に真空紫外域(λ: 193 nm)で FEL発振に成功した。その一方で ELETTRA のような第 3 世代の大型蓄積リングでも FEL 利用の計画があり、2000年には近紫外から真空紫外域 (350〜200 nm) までの FELを供給するであろう。真空紫外域での FEL 発振技術の確立が進むにつれ、蓄積リング FEL は更に短波長化を成し遂げ、物性研究など応用への可能性を拓くと考えられる。
原論文１ Data source 1：
Beam quality in storage ring NIJI-IV
N. Sei, H. Ohgaki, K. Yamada and T. Yamazaki
Electrotechnical Laboratory, 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan.
Nucl. Instr. Meth., A393, 38-43 (1997).
原論文２ Data source 2：
Improvement of the beam quality by chromaticity correction for wavelength shortening in the NIJI-IV FEL
N. Sei, K. Yamada, H. Ohgaki, V. N. Litvinenko, T. Mikado, T. Yamazaki
Electrotechnical Laboratory, 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan. FEL Laboratory, Physics Department, Duke University, Durham, NC 27708, USA. Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto 611, Japan.
Nucl. Instr. Meth., A429, 185-190 (1999).
参考資料１ Reference 1：
First lasing of the NIJI-IV storage-ring free-electron laser
T. Yamazaki, K. Yamada, S. Sugiyama, H. Ohgaki, N. Sei, T. Mikado, T. Noguchi, M. Chiwaki, R. Suzuki, M. Kawai, M. Yokoyama, K. Owaki, S. Hamada, K. Aizawa, Y. Oku, A. Iwata and M. Yoshiwa
Electrotechnical Laboratory, 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan. Kawasaki Heavy Industries Ltd., 1-1 Kawasaki-cho, Akashi, Hyogo 673, Japan.
Nucl. Instr. Meth., A331, 27-33 (1993).
キーワード：自由電子レーザー、Free electron laser, 蓄積リングNIJI-IV、Storage ring NIJI-IV, ビーム特性、Beam quality, 利得、Gain,ヘッドテイル不安定性、Head-tail instability,ピーク電子密度、Peak electron density, 真空紫外、Vacuum ultra violet, マイクロウェーブ不安定性、Microwave instability
分類コード：140103, 140106, 140201