BL3
BL3はSACLAにおける初めての硬X線FELビームラインです｡ 2012年3月の供用開始から､ 様々な分野において革新的な成果をうみだしています｡ 自己増幅自発放射方式（Self-Amplified Spontaneous Emission : SASE）による通常の運転モードで利用できる光子エネルギーの範囲は4~20 keVで、XFELビームを輸送するためにX線ミラーと二結晶分光器のいずれかを選択して用います。BL3の特色は、通常の運転モードに加えて、2色XFELやセルフシードXFELのような先端的XFELパルスを利用できることです。実験システムとして、XFELとフェムト秒光学レーザーのタイミングモニター、XFELナノ集光光学系、ハイパワーナノ秒レーザーとXFEL同時利用実験プラットフォームなどを備えています。
参考文献:
T. Ishikawa et al., Nature Photonics, 6, 540 (2012).
K. Tono et al., New J. Phys., 15, 083035 (2013).
K. Tono et al., J. Synchrotron Rad. 26, 595 (2019).
光源性能
| 最大電子ビームエネルギー | 8.5 GeV |
| 繰り返しレート | 30 Hz（BL2&3同時運転時） |
| アンジュレータ周期長 | 18 mm |
| K値 | ~2.6 |
| 光子エネルギー（基本波） | 4-20 keV |
| パルスエネルギー | 光子エネルギーに依存（下図参照） |
| エネルギー幅（ΔE/E） | ~0.5%（二結晶分光器なし） ~0.01%（二結晶分光器あり） |
| パルス幅 | < 10 fs |
参考文献:
M. Yabashi et al., J. Synchrotron Rad. 22, 477 (2015).
K. Tono et al., J. Synchrotron Rad. 26, 595 (2019).
（参考）光子エネルギーとパルスエネルギー・光子数の関係（BL3の場合）
（参考）自己増幅自発放射（SASE）方式のスペクトル例
BL3の特殊運転
BL3では、通常のXFEL運転に加え、特殊なモードでの運転が可能です。各運転の概要については下記をご覧ください。
特殊運転を利用した実験を計画されている場合は、各運転の詳細情報をご確認の上、課題申請前にXFEL利用研究推進室(sacla-bl.jasri@spring8.or.jp)まで必ずお問い合わせください。
2色XFEL
SACLAのアンジュレータ列を2つの区間に分けて、それぞれに異なるギャップを設定することで2種類の波長のXFELを発振させることができます。BL3においては、 1色目のレーザー発振を終えた電子ビームをマグネティックシケインにより迂回させ、1色目と2色目のXFELパルスの間に時間差を付けることが可能です。 遅延時間は数十アト秒の精度で設定することができ、精密なポンププローブ計測などへの応用が期待できます。詳しくはこちらをご覧ください。
参考文献:
T. Hara et al., Nat. Commun. 4, 2919 (2013).
2色発振時のXFELビームパラメーターの例
| 第1色 | 第2色 | |
| 光子エネルギー | 13.1 keV | 9.7 keV |
| パルスエネルギー | 40 µJ | 40 µJ |
| 最大遅延時間 | – | 300 fs |
| 第1色 | 第2色 | |
| 光子エネルギー | 12.2 keV | 9.7 keV |
| パルスエネルギー | 50 µJ | 30 µJ |
| 最大遅延時間 | – | 300 fs |
| 第1色 | 第2色 | |
| 光子エネルギー | 6.1 keV | 5.9 keV |
| パルスエネルギー | 60 µJ | 60 µJ |
| 最大遅延時間 | – | 450 fs |
セルフシードXFEL
BL3において、反射型セルフシード方式によるXFELの利用が可能です。セルフシードXFELは、SASE型XFELと同等の平均パルスエネルギーを有しつつ、高い単色性を示します。詳しくはこちらをご覧ください。
参考文献:
I. Inoue et al., Nature Photon. 13, 319 (2019).
光源パラメーター
| 光子エネルギー | 7 keV-15 keV |
| エネルギー幅 | 0.01% |
| パルスエネルギー | 200 µJ@7-10 keV, ~100 µJ@15 keV |
SDO（Split-and-Delay Optics）
BL3 OHには、分割遅延光学系（Split-and-Delay Optics, SDO）が常設されており、時間差を有するダブルパルスXFELを実験に利用できます。詳しくはこちらをご覧ください。
※SDOは、大阪大学の山内和人教授のグループとの共同開発により整備されました。
参考文献:
T. Osaka et al., IUCrJ 4, 728 (2017).
T. Hirano et al., J. Synchrotron Rad. 25, 20 (2018).
典型的なパラメータ
| Photon energy range | 5 ~ 15 keV |
| Relative bandwidth of each branch | 5.6 × 10–5 |
| Typical pulse energy of each branch | ~0.2 μJ (SASE) ~2 μJ (self-seeding) |
| Delay time range | negative to >100 ps |
| Delay time step | <1 fs |
| Pre-alignment time | ~5 hours |
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Schematic layout of the SDO system
Conceptual illustration of the wavefront splitting (left) and example beam profiles measured at the exit of the SDO system
SDOに入射されたXFELパルスは、波面分割結晶（BS）により2つに分割されます。透過側のブランチ（青）には高品質なSi(220)チャネルカット結晶2個配置されており、光路長はある光子エネルギーにおいては固定となります。反射側のブランチ（赤）はBSを含め計4つの独立したSi(220)結晶で構成されています。結晶BR1とBR2とをそれぞれ移動させることで、光路長を変えることができ、分割パルス間の到達時間差を制御できます。
Photon-energy dependence of the range of time delay. At positive delay times, the CC branch pulse comes earlier.
パルス間の時間差は0 fsをまたいで100 ps以上にまで、1 fs以下のステップで調整可能です。
Example results of field autocorrelation measurement
正確な時間差ゼロは、干渉縞のビジビリティ変化から、数fsの精度で決定できます。ただし、干渉縞の発生には両ブランチが共に同じ光子エネルギーである必要があります。
XPR（X-ray phase retarder）
BL3 OHには、XFELの偏光を制御するためのX線移相子（X-ray phase retarder, XPR）が常設されており、偏光が制御されたXFELを実験に利用できます。詳しくはこちらをご覧ください。
参考文献:
M. Suzuki et al., J. Synchrotron Radiat. 21, 466 (2014).
Y. Kubota et al., J. Synchrotron Radiat. 26, 1139 (2019).
XPR装置の利用パラメーター例
XPR装置には偏光を制御するための3種類のダイヤモンド結晶が備えられています。各ダイヤモンドのパラメータと対応する光子エネルギーを以下に示します。
各ダイヤモンド結晶を用いた際の円偏光度と透過率のX線光子エネルギー依存性の計算値は以下の通りです。
ー円偏光度（左図）と透過率（右図）の光子エネルギー依存性
11.562 keV（PtのL3殻吸収端）における垂直直線偏光度と円偏光度の測定結果はそれぞれ67%、97%です。
共通装置
BL3に常設されている下記の装置を、必要に応じて利用することができます。
インラインスペクトロメーター
全てのXFELパルスの中心光子エネルギーを記録します。
ビームモニター
全てのXFELパルスのパルスエネルギーを記録します。
チャンネルカットモノクロメーター
シリコンのチャンネルカット結晶を2つ用いたモノクロメータです。
シングルショットスペクトロメーター
全てのXFELパルスのスペクトルを記録します。分解能と観測領域が可変ですが、分解能が良くなると観測領域は狭くなります。
タイミングモニター
XFELとフェムト秒光学レーザーのタイミングを全てのパルスについて記録します。
主な実験
BL3では主に下記のような実験が実施されます。
