Volume 17, No.2 Pages 122 - 125

1．はじめに
　XFELは、放射光と比べて９桁以上高い瞬時輝度、完全な空間コヒーレンス、10フェムト秒オーダーの超短パルスというかつてない特性を有するX線光源である。SACLAは、国内では初めて、世界でもLCLSに続く２番目のXFEL施設である。単粒子イメージング、ダイナミクス研究、非線形光学等、広範な分野への革新的な応用が期待されている。
　SACLAの建設は、2006年度から５年間にわたり国家基幹技術として行われた。実験研究棟は、2009年３月に工事が開始され、2010年５月に完成した。実験ハッチの建設、ビームライン機器の設置に続き、SACLAのビームコミッショニングが2011年２月より開始され、３月にはアンジュレータ自発放射が光学ハッチに導かれた。４月からアンジュレータ部の超精密アライメントを開始し、2011年６月７日には初のレーザー増幅を確認した。さらに、国内の意欲的な研究グループの協力のもと、10月からテスト実験が開始された。同月より、2012A期の利用研究課題の公募が行われ、2012年３月７日から供用運転が開始された。

2．全体構成
　SACLAビームライン^{［1, 2］}［1］M. Yabashi and T. Ishikawa (eds.): XFEL/SPring-8 Beamline Technical Design Report ver. 2.0 (RIKEN/JASRI, Hyogo, Japan, 2010).
［2］矢橋牧名ら：「放射光」25 (2012) 70.の鳥瞰図を図1に示す。最初の共用ビームラインとして、主に4 keV以上の硬X線FELを利用するBL3、および広帯域自発放射を利用するBL1が整備された。全ての実験に共通で用いられるビームライン光学系・診断系は、光学ハッチ内に集約して設置されている。ビームライン光学系は、不要なガンマ線・ハロー・高次光等を除去するととともに、必要に応じて分光を行い、下流にXFEL光を輸送する。ビームライン診断系は、極めて強いパルス性を有するXFEL光を安定に供給し、かつ利用実験を高い精度で行うために非常に重要である。

3．光性能
　BL3においては、約4〜20 keVがXFELの基本波で利用可能である。波長の調整は、大きく変更する場合は電子ビームのエネルギーを変える必要があるが、30%程度の範囲であれば、アンジュレータのギャップを実験ステーションから制御することにより変更可能である。光強度（パルスエネルギー）は、10 keVにおいて0.1〜0.2 mJ/パルスを達成しており、パルス当たりの光子数に換算すると10¹¹台である。パルス幅は数fsから20 fs程度と見積もられている。発散角は垂直・水平ともに約2 μrad、実験ステーションにおけるビームサイズ径は約200 μmである。

4．ビームライン基幹部
　光学ハッチ内には、ビームライン光学系・診断系が収納されている。配置を図2に示す。光学系としては、ダブルミラーシステムおよび二結晶分光器が設置されており、実験ステーションに設置された端末上のGUIにより、簡便に切り替えが可能である。いずれを選択した場合にも、実験ハッチ内のサンプル位置でのビーム高さは一定に保たれるため（床面より1420 mm）、実験中にも容易に切り替えることが可能である。ダブルミラーシステムとしては、垂直偏向の平面ミラーを２枚用いることにより、高エネルギー成分を除去しながら、反射光を入射光と平行に振り戻す。入射角は4 mradと2 mradが選択可能であり、カーボンコーティングを用いたときのカットオフエネルギーはそれぞれ7.5 keV、15 keVである。二結晶分光器（DCM: Double-Crystal Monochromator）としては、分光素子として無歪み鏡面研磨加工されたシリコン（111）結晶を用いている。DCMを選択した場合、使用波長を固定することが可能であるが、XFELのスペクトル幅（ΔE/E〜5×10^-3）と比較して分光後の幅は数十分の一に制限されるため（ΔE/E＝1×10^-4）、強度が低下し強度変動も増大する。図3にDCMで分光したXFEL光のビームプロファイルを示す。ビームサイズと光源からの距離から、典型的な角度発散は1〜2 μrad程度と見積もられている。これらの光学系は、初期の硬X線レーザー増幅のための超精密調整に有効に利用され、定期的な軌道補正にも用いられている。また、ビーム強度を減衰させるために、シリコン単結晶の固体アッテネータ（0.1 mmから3 mmまで可変）とガスアッテネータが用意されており、これらのパラメータも実験ステーション端末から制御することができる。さらに、任意のXFELパルスを選択して利用するためのパルスセレクター^［3］［3］T. Kudo, T. Hirono, M. Nagasono and M. Yabashi: Rev. Sci. Instrum. 80 (2009) 093301.が用意されている。

5．実験ステーション
　EH2においては、フェムト秒光学レーザーをXFELと組み合わせたポンプ・プローブ実験が可能になっている。光学レーザー本体は、実験ステーション近傍のレーザーブース内に設置され、ここから実験ハッチ内にレーザーが輸送されて実験が行われる。また、EH3への輸送も準備されている。
　レーザーシステムは、チタンサファイヤ（Ti: Sapphire）ベースのモード同期オシレータ、チャープパルス増幅器（CPA: chirped pulse amplifier）と光パラメトリック増幅器（OPA: optical parametric amplifier）から構成されている。CPAは、波長800 nm、パルスエネルギー2.5 mJ、パルス幅30 fs（FWHM）のビームを供給する。OPAは、赤外〜紫外領域において、パルス幅約100 fsのビームを生成する。これらの出力を表1にまとめる。レーザーシステムの繰り返しレートは1 kHzであるが、回転シャッターを用いてXFELの繰り返しレート（最大60 Hz）に分周することが可能となっている。XFELに対する同期レーザーの遅延時間は、光学遅延ステージを用いて1 fs単位での調整が可能である。

6．展望
　SACLAの利用実験装置は、2006〜2010年度、文部科学省「X線自由電子レーザー利用推進研究課題」によって整備が行われ、2011年度は、理研の 「XFEL利用装置提案課題」により、当該装置のテストと共用化、ならびに新規装置の開発が行われた。2011年度末には、文部科学省の「X線自由電子レーザー重点戦略研究課題」の公募が行われ、先導的・革新的な成果の早期創出を目指して2012年度から実施される。
　最後に、施設の高度化の展望についてまとめる。SACLAとSPring-8を同時に使用可能な「相互利用実験施設」は、2012年度からのテスト実験を予定している。XFELと放射光源に加えて、光学レーザーや軟X線FELなど、様々なビームの複合利用の検討が行われている。また、XFELのシード化は、シングルモード化と輝度の数桁の向上を可能にするものであるが、近い将来の利用運転を目指して検討が進められている。さらに、広帯域自発放射ビームラインBL1は、現在は光学ハッチ内のみの利用となっているが、ビームライン・実験ステーションの高度化を進めており、光源側においても軟X線領域のレーザー生成に向けた検討を行っている。但し、この波長領域のレーザーとしては、FLASHやLCLS軟X線ステーションという他のFEL施設、さらには高次高調波に代表される実験室光源との競合もあるため、戦略的な観点が求められている。
　XFELはまだ利用が始まったばかりの若い光源であり、これまで期待されてきた利用分野に加えて、これまで予想もつかなかった方向に発展する可能性も十分高い。利用者の皆様からの斬新なご提案をお願いしたい。

参考文献
［1］M. Yabashi and T. Ishikawa (eds.): XFEL/SPring-8 Beamline Technical Design Report ver. 2.0 (RIKEN/JASRI, Hyogo, Japan, 2010).
［2］矢橋牧名ら：「放射光」25 (2012) 70.
［3］T. Kudo, T. Hirono, M. Nagasono and M. Yabashi: Rev. Sci. Instrum. 80 (2009) 093301.
［4］K. Tono, T. Kudo, M. Yabashi, T. Tachibana, Y. Feng, D. Fritz, J. B. Hastings and T. Ishikawa: Rev. Sci. Instrum. 82 (2011) 023108.
［5］T. Kudo et al.: Rev. Sci. Instrum. 83 (2012) 043108.
［6］H. Mimura et al.: Rev. Sci. Instrum. 79 (2008) 083104.

矢橋　牧名　YABASHI Makina
（独）理化学研究所　XFEL研究開発部門
ビームライン研究開発グループ
〒679-5148　兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL：0791-58-0803（ex. 3811）
e-mail：yabashi@spring8.or.jp