作成： 1997/09/30 井上 信
データ番号 ：040068
自由電子レーザーの現状
目的 ：世界各地の自由電子レーザー開発の現状
放射線の種別 ：電子,エックス線
放射線源 ：電子加速器(1.7MeV〜7GeV, 0.1〜2500A)
線量（率） ：120MWピーク
利用施設名 ：カリフォルニア大学ほか
照射条件 ：大気中
応用分野 ：材料分析、光化学、同位元素分離、大電力高周波源
概要 ：
電子加速器と磁石を利用して、波長可変の強力なレーザー光を得る、いわゆる自由電子レーザー(FEL)が世界各地で開発されてきている。波長の長い光を発生させるものと、波長の短い光を発生させるものとがあるが、波長が1mm以上のものはおもに線形加速器、波長が1マイクロメートル以下のものは電子蓄積リングを使うことが多いが、最近はその中間の波長に対して線形加速器を使うFELが増えている。現状のリストと最近の例として実験を示す。
詳細説明 ：
自由電子レーザーは電子ビームを両端にミラーを置いたウイグラーあるいはアンジュレータの光共振システムに入射し、レーザー発振させるものである。得られるレーザー光の波長は、磁場と電子のエネルギーで決まるので、従来の固体・気体のレーザーと異なり、波長可変にできる。また、従来の可変波長のレーザーであるダイレーザーにくらべて、強度が大きい。このため、一時は軍事目的に利用できると注目されたこともあるが、それほど実用的でないようである。またウランの精製法として、ウランの原子の励起状態のエネルギーが同位元素の違いにより異なることを利用して、一方だけを電離して分離する方法が考えられている。このとき電離するのに適当な波長の強力な光があれば、この精製法は実用的なものになる。これには自由電子レーザーが最適だということで注目され、各地で開発が進んだ。しかしこれも現状ではそれほど進んでいない。
一方、物質科学の研究や、医学利用などには段々と使われるようになってきて、それほど大型のプラントではない装置が数多く作られている。例えば、特定の波長の赤外線で骨を非常にシャープに切るといった応用がなされている。また、波長の長い方では、核融合のプラズマ加熱用の大電力高周波源として使うための、自由電子レーザーも開発されている。
波長の長いものは、初期の原理的研究の時代には平均出力は問題にしなかったが、現在では上述のように平均出力の大きいものが要求されている。
表1に波長の長いものの現状を示す。
表1 Summary of long wavelength FELs.（原論文1より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., Vol.A375, 665 (1996), H.P.Freund, V.L.Granatstein: Long wavelength free-electron lasers in 1995, Figure 1 (Data source 1, pp.27), Copyright (1996), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
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FEL[Ref.] λ[mm]/ Ppeak Τp νrep Vb/Ib λw[cm] Type/
f[GHz] [MW] [μs] [Hz] [MV/A] K(type) Acc.
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UCSB[9] ≦2.5mm ≦0.5 6 2 6/2 7.14/1.0(P) O/ES
UCSB[23] 1/260 UC CW 2/2 3/0.73(P) O/ES
TAU[29] 300/1 10-5 1000 SS 0.001/0.2 2/0.04(P) O/IC
TAU[37] 30/10 10-5 1000 SS 0.01/0.2 2/0.02(P) O/M
TAU[27] 68/4.48 0.0023 5 1 0.07/0.8 4.4/0.12(P) SASE/ES
UL[18] 35/8.2 1x10-6 CW 0.13/0.0018 3.8/0.16(P) O/M
KEK[8] 32/9.4 120 0.04 0.07 1.5/700 1.6/1.94(P) SASA/IL
ISAS[20] 26/12 3.6 0.4 SS 0.43/190 3.27/0.27(C) O/PL
ILT/ILE[24] 2.7/109 1 4x10-6 2.856 9/50 6/4(P) O/RFL
MIT[15] 8/33 60 0.025 SS 0.75/300 3.1/0.4(H) A/PL
CESTA[32] 8/35 50 0.03 SS 1.8/400 8/2.24(H) A/PL
NRL[16] 8/35 UC 1 6 150/10 0.75/0.2(CH) A/M
UT[25] 8/35 2.3 0.1 SS 0.5/750 3/0.53(H) SASE/PL
IEE[35] 8/35 140 0.05 3.4/800 11/ 3.5(P) A/IL
JINR/INR[30] 8/37 23 0.2 SS 0.8/150 6/0.84(H) O/IL
SIOFM[33] 3/100 1 0.015 SS 0.4/400 1/0.14 SASE/PL
IAP[17] 6.7/45 7 0.025 SS 0.5/120 2.4/0.07(P) O/PL
ENEA[21] 2/150 0.0015 5.5 40 2.3/0.35 2.5/1.42(P) O/MI
JAERI[34] 6/45 10 0.1 1 1/600 4.5/1.3(P) A/IL
JAERI[34] 0.8/300 UC 0.16 1 3.5/1000 UC(P) A/IL
NRL[12] 8/35 UC 1 6 0.15/45 0.85/0.08(H) A/M
INP/IAP[31] 4/75 50 1 SS 1/1500 4/0.3(P) O/PL
UM[13] 3.5/85 0.25 0.02 SS 0.45/17 0.96/0.34(P) A/PL
NSWC/MRC[19] 3/95 10 0.25 SS 2.5/100 10/1.9(H) O/PL
DLR[22] 3/100 1 1.5x10-2 SS 0.5/100 2/0.28(H) SASE/PL
KAERI[26] 1/260 0.001 10-30 SS 0.4/1.7 3.2/0.39(H) O/ES
TAU/WI[28] 3/100 UC 100 SS 1.5/0.5 4.4/0.82(P) O/ES
CU[14] 2/150 5 0.15 SS 0.8/150 1.85/0.25(H) A/PL
FOM[9] 1/260 UC 1x105 1 2/12 2/0.67(P) O/ES
LLNL/SLAC[36] 38/11.4 DS 0.25 120 0.5/1000 3.4/05(CA) A/M
DU[38] 0.4/650 UC 10 60 40/0.2 3/1.4(P) O/RFL
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A-amplifier.
C-circular.
CA-coaxial.
CESTA-Centre d' Etudes Scientifique e Techniques d'Aquitaine.
CH-CHI wiggler.
CU-Columbia University,USA.
DLR-German Aerospace Research Establishment.
DS-design study.
DU-Duke University.
ES-electrostatic acclerator.
H-helical wiggler.
IAP-Institute of Applied Physics,Russia.
INP-Institute of Nuclear Physics,Russia.
IC-ignition coil
IEE-Institute of Electronic Engineering,China.
IL-induction linac.
ILT/ILE-Institute for Laser Technology/Institute for Laser Engineering; Osaka,Japan.
ISAS-Institute of Space and Astronautical Science,Japan.
JAERI-Japan Atomic Energy Research Institute.
JINR-Joint Institute for Nuclear Research,Russia.
KAERI-Korean Atomic Energy Research Instiule.
KEK-National Laboratory for High Energy Physics,Japan.
LLNL/SLAC-Lawrence Livermore National Laboratory/Stanford Linear Accelerator Center.
NRL-Naval Research Laboratory.
NSWC-Naval Surface Weapons Center,USA
M-modulator.
MI-microtron.
MRC-Mission Research Corp.
O-oscillator.
P-planar wiggler.
PL-pulse line accelerator.
RFL-radio frequency linac.
SASE-self amplified spontaneous emission.
SIOFM-Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.
SS-single shot.
TAU-Tel Aviv University.
UC-under construction..
UL-University of Livepool,UK.
UM-University of Maryland,USA.
UT-University of Twente,the Netherlands.
WI-Weizmann Institute,Israel.
ここで最後から2番目の列は、ウイグラーの周期(cm)とKというウイグラーのパラメータである。Kはウイグラーの周期(cm)と磁場(T)の積にほぼ等しい値である(より正確には0.934倍)。
オランダのFOMは200GHz付近で発振する連続1MWのものをめざしている。これは静電加速器とパルス化装置の組みあわせで必要な電子ビームを作っている。磁気誘導型の線形加速器の例では高エネルギー物理学研究所(KEK)のものがあり、イオンチャンネルをガイドにしてピークで120MWを得ている。
他方、波長の短いものの現状を表2に示す。
表2 Relativistic short wavelength free electron lasers (1996).（原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., Vol.A375, 669 (1996), W.B.Colson: Long wavelength free-electron lasers in 1995, Table1 (Data source 2, pp.666), Copyright (1995), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
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FEL λ σz E I N λo K Acc.,Type
(μm) (MeV) (A) (cm) (rms) [Ref.]
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Existing FELs
UCSB(mm FEL) 340 25μs 6 2 42 7.1 0.7 EA,O[1]
Stanford(FIRFEL) 80-200 15ps 4 8 50 1 0.7 RF,O[2]
UCSB(FIR FEL) 60 25μs 6 2 150 2 0.1 EA,O[1]
Osaka(ILE/ILT) 47 3 ps 9 50 50 0.66 0.5 RF,O[27]
Tokyo(UT-FEL) 43 10 ps 13 20 40 4 0.7 RF,O[3]
Nieuwegein(FELX1) 5-35 5 ps 25 50 38 6.5 1.2 RF,O[4]
Osaka(ISIR) 40 30 ps 17 50 32 6 1 RF,O[5]
Bruyeres(ELSA) 20 30 ps 18 100 30 3 0.8 RF,O[6]
Nieuwegein(FELIX2) 20-110 5 ps 45 50 38 6.5 1.8 RF,O[4]
Stanford(FIREFLY) 19-65 1-5ps 20 14 25 6 1 RF,O[7]
Frascati(LISA) 15 7 ps 25 5 50 4.4 1 RF,O[8]
Grumman(CIRFEL) 14 5 ps 14 150 73 1.4 0.2 RF,O[9]
Beijing(IHEP) 10 4 ps 30 14 50 3 1 RF,O[10]
Orsay(CLIO) 3-40 0.2-4ps 25-50 80 48 5 2 RF,O[11]
LANL(AFEL) 4-6 10 ps 15 200 24 1 0.3 RF,O[12]
Osaka(FELII) 5.5 10 ps 33.2 42 58 3.4 1.0 RF,O[41]
Darmstadt(IR-FEL) 5 2 ps 40 2.7 80 3.2 1 RF,O[13]
Stanford(SCAFEL) 3-10 0.7 ps 37 10 72 3.1 0.8 RF,O[14]
Vanderbilt(FELI) 2.2-9.6 2 ps 43 50 52 2.3 1 RF,O[15]
Duke(MarkIII) 3 3 ps 44 20 47 2.3 1 RF,O[16]
Osaka(FELI) 2-6 2 ps 170 100 50 6 1.3 RF,O[27]
Osaka(FELI2) 1.88 10 ps 68 42 78 3.8 1.0 RF,O[41]
BNL(ATF) 0.5 6 ps 50 100 70 0.88 0.4 RF,O[17]
Tsukuba(NIJI-IV) 0.35 160 ps 300 5 2x42 7.2 2 SR,O[19]
Orsay(Super-ACO) 0.35 20 ps 20 0.1 2x10 13 4 SR,O[20]
Okazaki(UVSOR) 0.3 6 ps 500 5 2x8 11 2 SR,O[21]
BNL(ATF-UV) 0.25 6 ps 70 100 70 0.88 0.4 RF,O[17]
Novosibirsk(VEPP) 0.24 35 ps 350 6 2x33 10 1.6 SR,O[22]
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Proposed FELs:
Florida(CREOL) 200-600 CW 1.7 0.2 185 0.8 0.15 EA,O[23]
Netherlands(TEUFEL)180 20ps 6 350 50 2.5 1 RF,O[24]
Rutgers(IRFEL) 140 25ps 38 1.4 50 20 1 MA,O[25]
Moscow(Lebedev) 100 20ps 30 0.25 35 3.2 0.8 MA,O[26]
Tokai(SCARLET) 40 40ps 15 10 62 3.3 1 RF,O[27]
LBL(IRFEL) 3-50 30ps 55 60 40 5 1 RF,O[28]
CEBAF(IRFEL) 2.5-25 1.5ps 200 36 2x12 20 4 RF,O[35]
Boeing(kWFEL) 0.2-4 7ps 120 500 220 2.18 1.31 RF,O[30]
Stanford(FEL) 10 4ps 24 25 52 2.6 0.9 RF,O[31]
UCLA(IRFEL) 10 2ps 20 200 40 1.5 1 RF,A[32]
Novosibirsk(RTM) 7 50ps 51 100 4x40 9 1 RF,O[33]
BNL(HGHG) 3.4 10ps 30 110 83 1.8 1.4 RF,A[34]
CEBAF(UVFEL) 0.16-1 0.2ps 200 270 72 3.3 1.3 RF,O[35]
Rocketdyne(FEL) 0.84 3ps 90 500 160 2.4 1.4 RF,MOPA[36]
Dothmund(DELTA) 0.4 50ps 500 90 17 25 2 SR,O[37]
Harima(HIT) 0.28 100ps 500 3 170 1.8 4.2 SR,O[27]
BNL(DUVFEL) 0.075 6ps 310 300 682 2.2 1.5 RF,A[38]
Frascati(COSA) 0.08 10ps 215 200 400 1.416 1 RF,O[41]
Duke(Ring) 0.05 10ps 1000 350 2x33 10 1.7 SR,O[39]
SLAC(LCLS) 0.0004 0.1ps 7000 2500 723 8.3 4.4 RF,A[40]
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RF-RF linac accelerator, MA-Microtron accelerator,SR-Electron storage ring,
EA-Electrostatic accelerator,A-FEL amplifier, O-FEL oscillator,
MOPA-Master oscillator power-amplifier.
表2の後半部は提案中のものである。ここでNはアンジュレータの周期の数、次の2列はアンジュレータの(cm)とアンジュレータのパラメータKである。Nieuwegeinのもの、200GHz付近で発振するVanderbiltのもの、Orsayのものなどは実用化されている代表的なものである。日本では、大阪の自由電子レーザー研究所(FELI)のものが代表的なもので、研究に供されている。蓄積リング(SR)を使う短い波長のものはOrsayのものを除き、レーザー光の長期安定性があまり良くないようである。
図1 Typical energy spectra of the macropulse for maximum (a) and no output (b).（原論文3より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., Vol.A375, 26 (1996), G.J.Ernst, J.W.J.Verschuur, B.M.Van Oerle, A.F.M.Bouman, J.I.M.Botman, H.L.Hagedoorn, W.J.Witteman: First lasing of TEUFEL, Table1 (Data source 3, pp.669), Copyright (1996), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
表2では提案中となっている、オランダのTEUFELが最近レーザー発振に成功したので、最近の代表例として紹介する。1.3GHzの高周波で運転する線形加速器で、エネルギーは6MeVである。その他のパラメータは表2に示すとおりである。
図1に、レーザー発振した様子を示す。Aは発振したときのスペクトルである。Bは発振条件を満たしていないときで、ドライブレーザー(Nd:YLF)だけが見えている。レーザー発振しているとき(A)はエネルギーが低い方にずれて、幅が広がっていることがわかる。
コメント ：
放射光でウイグラーやアンジュレータといった、挿入光源を用いるものを第3世代の放射光というのに対し、自由電子レーザー(FEL)は第4世代の光といわれる。これは必要な波長の光だけを強力に発生する波長可変な光である。しかしながら、現在のところ、軍事やエネルギー関連の実用化は進んでいないし、放射光を利用している分野でも、まだ第3世代が中心で、実用的には注目されていない。これは一つには短い波長のものをめざしている蓄積リングによるFELが安定した発振をしないことがある。またX線領域のものがまだ開発できていないこともある。しかし、赤外線から紫外線にかけての領域も生物化学反応的には重要であるので、これを応用する利用者が出てきて実用化が進む可能性はある。
原論文１ Data source 1：
Long wavelength free-electron lasers in 1995
H.P.Freund, V.L.Granatstein
Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375, USA, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. A375, p.665 (1996).
原論文２ Data source 2：
Long wavelength free-electron lasers in 1995
W.B. Colson
Physics Department, Naval Postgraduate School, Monterey, CA 93943, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. A375, p.669 (1996).
原論文３ Data source 3：
First lasing of TEUFEL
G.J.Ernst, J.W.J.Verschuur, B.M.Van Oerle, A.F.M.Bouman, J.I.M.Botman, H.L.Hagedoorn, W.J.Witteman
University of Twente, Dept. of Appl. Physics, P.O. Box 217, 7500 AE Enschede, The Netherlands, Nederlands Centrum voor Laser Research B.V., P.O. Box 2662, 7500 CR Enschede, The Netherlands, Eindhoven University of Technology, Cycl. Lab., P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. A375, p.26 (1996).
キーワード：自由電子レーザー、ウイグラー、アンジュレータ、free electron laser, wiggler, undulator,
分類コード：040102, 040105,