理化学研究所 放射光科学総合研究センター 田中隆次

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1 理化学研究所 放射光科学総合研究センター 田中隆次
XFELの現状とILCにおける可能性 理化学研究所 放射光科学総合研究センター 田中隆次 2017/11/29-30

2 XFELの現状 XFELの発振原理 世界情勢 ILCにおける可能性 高出力硬Ｘ線としての光源性能 ガンマ線レーザーとしての光源性能

3 XFELの現状 XFELの発振原理 世界情勢 ILCにおける可能性 高出力硬Ｘ線としての光源性能 ガンマ線レーザーとしての光源性能

4 XFEL(X線自由電子レーザー) 高品質電子ビームをアンジュレータに入射し、電子と光の相互作用に起因する増幅作用によって、X線レーザーを発振させる機構 S N アンジュレータ N S “高品質” 電子ビーム レーザー 2017/11/29-30

5 XFELにおける増幅作用 空間的＆エネルギー的に滑らかな分布を持つ電子ビームが光と同期してアンジュレータに入射する エネルギー 水平方向
N S エネルギー 空間的＆エネルギー的に滑らかな分布を持つ電子ビームが光と同期してアンジュレータに入射する 水平方向 電子の進行方向 2017/11/29-30

6 XFELにおける増幅作用 電子と光はエネルギーを継続的に交換し、波長と同じピッチでエネルギー変調が誘起される。 エネルギー 水平方向
N S エネルギー 電子と光はエネルギーを継続的に交換し、波長と同じピッチでエネルギー変調が誘起される。 水平方向 電子の進行方向 2017/11/29-30

7 XFELにおける増幅作用 アンジュレータを進むにつれ、エネルギー変調は波長と同じピッチの密度変調（マイクロバンチ）に変換される。 エネルギー
N S エネルギー アンジュレータを進むにつれ、エネルギー変調は波長と同じピッチの密度変調（マイクロバンチ）に変換される。 水平方向 電子の進行方向 2017/11/29-30

8 マイクロバンチによる放射光 l l FELとは密度変調した電子ビームから放出される位相の揃った放射光である 𝑙 𝑏 𝑙 𝑏 マイクロバンチ
2017/11/29-30

9 XFELの現状 XFELの発振原理 世界情勢 ILCにおける可能性 高出力硬Ｘ線としての光源性能 ガンマ線レーザーとしての光源性能

10 世界の短波長FEL施設 短波長:l<100nm ー稼働中 ー建設中 PAL XFEL DCLS LCLS/LCLS-II SACLA
Shanghai SXFEL FLASH/ Euro XFEL 短波長:l<100nm ー稼働中 ー建設中 SwissFEL FERMI 2017/11/29-30

11 稼働中短波長FELの分類 全て単一パス型：電子と光は アンジュレータを一度だけ通過 施設名前 電子銃 加速器 発振波長 発振機構 BL数
FLASH 光陰極 超伝導L ~4nm SASE 2 LCLS 常伝導S ~0.12nm 1 SACLA 熱電子 常伝導C ~0.08nm 3 FERMI シード PAL-XFEL ~0.1nm 1(2) SwissFEL (~0.1nm) Euro-XFEL ~0.2nm (0.05nm) 1(3) 全て単一パス型：電子と光は アンジュレータを一度だけ通過 2017/11/29-30

12 バンチ構造 常伝導(LCLS,SACLA,…) 超伝導(FLASH,Euro-XFEL) *LCLS-IIではバンチ間隔は均等
0.6~0.8ms ~800bunches 超伝導(FLASH,Euro-XFEL) *LCLS-IIではバンチ間隔は均等 2017/11/29-30

13 XFELの現状 XFELの発振原理 世界情勢 ILCにおける可能性 高出力硬Ｘ線としての光源性能 ガンマ線レーザーとしての光源性能

14 ILCにおける可能性 XFELへの応用という観点から見たILC電子ビーム 高エネルギー 高繰り返し 低エミッタンス 低エネルギー幅
低ピーク電流（低レーザー利得） TDRの特性そのままでのXFELへの応用は困難 2017/11/29-30

15 ILCにおける可能性 本報告ではバンチ圧縮ビーム を利用する場合について検討 共振器型XFEL ピーク電流増強 （バンチ圧縮）
High-current beam ピーク電流増強 （バンチ圧縮） Low-current beam Chicane 2017/11/29-30

16 想定パラメータリスト パラメータ 値 単位 エネルギー 100 GeV 規格化エミッタンス 0.4 mm.mrad エネルギー幅 1 MeV
バンチ電荷 40 pC バンチ長(FWHM) 2 fs Euro-XFELの短バンチモード電子ビームを100GeVまで加速 硬X線(~Å)における高出力化 ガンマ線(1.67MeV)レーザー発振 2017/11/29-30

17 XFELの現状 XFELの発振原理 世界情勢 ILCにおける可能性 高出力硬Ｘ線としての光源性能 ガンマ線レーザーとしての光源性能

18 想定パラメータ パラメータ ILC SACLA 単位 周期長 80 18 mm ピーク磁場 1.8 1.1 T セグメント長 3 5
セグメント数 20 21 平均ベータ関数 6 25 m 発振波長 0.1 ← nm ゲイン長 1.3 FELパラメータ 2.8x10-3 7.0x10-3 - 2017/11/29-30

19 ゲイン曲線 2017/11/29-30

20 スペクトル 1%バンド幅 2017/11/29-30

21 パルス構造 2017/11/29-30

22 XFELの現状 XFELの発振原理 世界情勢 ILCにおける可能性 高出力硬Ｘ線としての光源性能 ガンマ線レーザーとしての光源性能

23 想定パラメータ パラメータ 値 単位 周期長 18 mm ピーク磁場 1.2 T セグメント長 30 m セグメント数 20 -
平均ベータ関数 300 発振光子エネルギー 1.666* MeV ゲイン長 23 FELパラメータ 7.1x10-5 *9Be(g,n)8Be反応の閾値エネルギー 2017/11/29-30

24 ゲイン曲線 2017/11/29-30

25 光源性能 0.02% 2017/11/29-30

26 本報告で紹介した想定パラメータ・計算結果は（かなり）楽観的な仮定に基づくことにご留意ください。
計算結果の個人的所感 硬Ｘ線：一般的SASE方式によって10TW超のピークパワー、1012超のフラックス（及び ~1%のバンド幅）という光源性能は極めて魅力的 特殊方式の採用によりピークパワー1PWへ？ CDIによる１粒子解析を可能にするか？ ガンマ線：完全空間コヒーレンスを仮定するとピーク輝度は1037へ ただし中性子源として利用する際の利点については要検討 本報告で紹介した想定パラメータ・計算結果は（かなり）楽観的な仮定に基づくことにご留意ください。 2017/11/29-30

27 その他の利用法 … 100GeV超電子ビームの利点 段階的加速&増幅 空間電荷の抑制（超高ピーク電流） アンジュレータウェイクの影響の軽減
新たなスキームが期待できるか？ 段階的加速&増幅 特性(エネルギー幅)劣化した電子ビームの加速による再利用 前段FEL過程によるX線をシードとした“再帰的”増幅：超高出力化が可能(と期待） lu1,K1 lu2,K2 luN,KN 電子 ビーム Acc. Und. 10GeV 100GeV … 20GeV 2017/11/29-30

28 ご清聴ありがとうございました