大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年07月20日

2022年7月20日
理化学研究所
株式会社アールアンドケー

背景
　粒子加速器は、基礎物理や物質・生命科学、医療、材料開発などさまざまな分野で欠かせない装置です。多様化する用途に応じて、粒子加速器に対する性能の要求も年々複雑化してきています。
　X線自由電子レーザー施設「SACLA」では、電子銃で発生したマイクロ秒（100万分の1秒）の長いパルスビームからナノ秒（10億分の1秒）の短いパルスビームを切り出し、X線レーザーの発生に使用します。電子ビームを切り出すために、これまではアバランシェダイオード^[8]と呼ばれる高速スイッチを用いた高電圧パルサーが用いられてきました。しかし、パルス出力が不安定であることやパルス波形の調整が難しいといった欠点を持ち合わせており、これに代わる新しいパルサーの開発が「SACLA」をより安定に稼働するための課題の一つになっていました。

研究手法と成果
　共同研究チームはまず、半導体アンプに着目しました。半導体アンプは粒子加速器をはじめさまざまな分野で使用されており、その安定性については十分に実証されています。しかし、信号源である種パルスを半導体アンプで増幅する場合、増幅や合成の過程で群速度の遅延など周波数に依存して生じる現象により、元のパルス波形を維持することができません。
　次に着目した点は、いくつかの単一周波数の波を適切に重ね合わせれば、任意の波形をほぼ再構築できるというフーリエ変換の原理です。例えば矩形波は、基準となる周波数のサイン波にその奇数倍の周波数の高調波^[9]を無限次数分重ね合わせれば出来上がります。無限個の高調波を用意することは不可能ですが、有限個の高調波でも矩形波に近づけることは可能です。
　共同研究チームは、波形の乱れを修正するために、いったんパルスを六つの周波数成分に分解し、それぞれの強度や時間タイミングを独立に調整した後で再び合成して目的とする波形を再構築することを考えました（図1）。各ラインには時間遅延調整器と振幅調整器の二つの調整器を取り付けているので、合計で12個の調整ノブが備わっていることになります。

　実際の合成波形をモニターしながら、矩形波のフラットトップの平坦度が小さくなるように上述のノブを調整することで、パルス幅2ナノ秒（1ナノ秒は10億分の1秒）、パルス波高0.4kV（2チャンネルの合計）、パルス平坦度0.8％の矩形波が発生できることを示しました（図2）。

　また、より複雑な構造のパルスに対しても応用できることを示すために、30ナノ秒間隔でパルスを並べたマルチバンチ構造のパルスを生成しました（図3）。
　今回の方式を使うと、従来型のパルサーでは発生することが難しいパルス列を作り出すことが可能であることが分かりました。

　次世代の粒子加速器は、より複雑な時間構造を持つビームを安定に発生することが要求されます。また、ビームの平均強度を高めるためにビームの出射繰り返し頻度を高める傾向にもあります。原理的には任意のパルス波形を作ることが可能な上に、電圧などのパルス特性の拡張性が高いという特長を持つ本成果は、そうした要求に応えるものであり、加速器の性能向上に大きく貢献すると期待できます。
　また、高速の高出力パルサーを必要とする分野は粒子加速器に限らず、例えば、光学レーザーの偏光面を高速で回転してレーザーパルスの時間構造を制御するために使用されます。電気・光通信機器でも複雑なパルス列を取り扱っています。このような電子や光のパルスを扱う幅広い分野で、本成果はその性能向上に貢献するものと期待できます。

補足説明

共同研究チーム
理化学研究所　放射光科学研究センター
　先端光源加速器研究開発グループ
　　　グループディレクター　田中　均（タナカ・ヒトシ）
　　先端ビームチーム
　　　先任研究員　渡川　和晃（トガワ・カズアキ）
　　　専任研究員　前坂　比呂和（マエサカ・ヒロカズ）
株式会社アールアンドケー
　　　社長　小花　利一郎（コバナ・リイチロウ）