広報活動

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2016年2月17日

理化学研究所

SACLA マルチビームライン運転に成功

-2本のビームラインによる同時レーザー発振で利用機会を拡大-

理化学研究所には、世界で米国と日本の2カ所でしか稼働していない特別な施設があります。それがX線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」です。SACLAのX線レーザーは、パルス幅が10フェムト秒(100兆分の1秒)以下と非常に短く、かつSPring-8などの従来の放射光と比べて10億倍も明るい光です。極めて速いシャッタースピードで連射をしながら、極めて明るいストロボを焚くことができるため、原子や分子の瞬間的な動きを捕えることができます。タンパク質の原子レベルでの構造解析など生物学分野をはじめ、物理、化学、材料工学分野などで幅広く利用され、新しい成果が次々と生まれています。

しかし、XFEL施設には「同時に多数の実験を実施できない」という問題がありました。従来の放射光施設では電子ビームが円形加速器の中を周回するため、接線上に設置された複数のビームラインに光を供給することができます。一方で、直線形の線型加速器を使うXFEL施設では加速した電子ビームを1本のビームラインに送るため、1つの加速器から1つのビームラインに光を供給します。SACLAには現在2本のビームラインがありますが、実験によって使い分けることはできても、同時に利用することができません。増え続けるSACLAの需要に対応するには、複数ビームラインの同時稼働「マルチビームライン運転」が必須でした。

理研の研究者は、線型加速器の終端で、電子ビームを複数のビームラインへ振り分けることで、同時にX線レーザーを発振させる運転方法の開発に取り組みました。電子ビームを振り分けるキッカー電磁石の電源として、安定性が高いパルス幅変調制御の電源を採用したことで「1m先で見た時にビームの位置が1000万分の1mしかずれない」という高精度の振り分けに成功しました。しかし、同じエネルギーの電子ビームをそのまま振り分けるだけでは、2本のビームラインのXレーザーの波長が同じ波長になります。XFELが持つ「波長を自在に変えられる」という利点を損なわないために、線型加速器の一部の加速空洞の繰り返し周波数を変えることで電子ビームパルスごとに異なるエネルギーまで加速させる、マルチエネルギー運転の技術を開発しました。この2つの技術を組み合わせることで、2本のビームラインそれぞれのX線レーザーの波長を、広範囲にわたって独立に制御することができました。

SACLAのマルチビームライン運転図

SACLAのマルチビームライン運転