マルチバンチ構造のX線自由電子レーザー光の発生に成功 -新しい利用実験やパルス繰り返しの増強への応用に期待-

2026-09-16 理化学研究所

理化学研究所の研究チームは、X線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAで、複数の電子バンチを一つの高周波パルスで加速し、マルチバンチ構造のXFEL光を発生させる技術を初めて実現した。従来のSACLAでは、一つの高周波パルスに一つの電子バンチを入射してXFEL光を発生させていた。研究チームは、電子ビームを任意の時間構造に切り出すビームチョッパー装置と、広帯域高周波アンプを利用した新しい高速パルス電源を開発。試験施設で最大8個の電子バンチを生成し、SACLAでは8.4ナノ秒間隔の2個の電子バンチを安定して加速した。その結果、1バンチ当たり0.5mJ、合計1mJのXFEL光を発生させることに成功した。複数のXFEL光を同時利用する実験や、大量のX線光子を必要とする実験への応用に加え、複数ビームラインへの高速振り分けによるパルス繰り返し数の増強も期待される。開発した高速パルス電源は、線形・リング加速器のビーム制御や光学レーザーの高速変調などへの応用も見込まれる。

マルチバンチ構造のX線自由電子レーザー光の発生に成功 -新しい利用実験やパルス繰り返しの増強への応用に期待-
図1 ビームチョッパーのパルス波形と電子ビームの波形

<関連情報>

熱電子ビームにおけるナノ秒マルチバンチ構造の形成とマルチバンチX線自由電子レーザーパルスの生成 Formation of nanosecond multibunch structure in thermionic electron beams and generation of multibunch x-ray free-electron laser pulses

Kazuaki Togawa, Hirokazu Maesaka, and Vitaliy Goryashko
Physical Review Accelerators and Beams  Published: 9 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/3×73-lc4f

Abstract

The x-ray free-electron laser (XFEL) facility SACLA uses a thermionic pulsed electron gun and a beam chopper to produce a low-emittance, short-bunch beam. Recently, a new type of fast pulse generator, which utilized wideband rf amplifiers and a new chopper chamber with high-impedance strip-line electrodes, was developed to reliably and accurately cut out a short bunch from the long-pulsed beam emitted from a single-crystal CeB6 hot cathode. Using these apparatuses, we succeeded in forming nanosecond multibunch structure in the thermionic electron beam and generating a double-bunch XFEL pulse with a total pulse energy of 1 mJ at 10 keV. The results will provide new possibilities for XFEL beams: higher intensity, higher coherence, and higher pulse repetition rate.

0403電子応用
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