KU-FEL（京都大学自由電子レーザー）

FEL（自由電子レーザー）は、従来のレーザーでは到達できない広い波長可変性、将来的な高効率性、そして高ピーク出力を持つことから、次世代の光源として注目されています。私たちは、共同研究プログラムを通じて、FELシステムの改良および応用研究のための新たなアプローチをいくつか開発しています。
KU-FELのターゲット波長は中赤外（MIR）領域であり、5～20 μmの範囲で高出力かつ波長可変性を持ち、エネルギー材料の基礎研究に活用されています。KU-FELは、4.5セル熱陰極RFガン、3メートルの進行波加速管、ビーム輸送系、1.8メートルのアンジュレータおよび5メートルの光共振器から構成されています。現在、このFEL装置は3.4～28 μmの波長範囲をカバーしています。最大マクロパルスエネルギーは、8.5 μmの波長において2マイクロ秒のマクロパルスで約80 mJに達します。FELは定常的に運転されており、学内外のユーザーに開放されています。

KU-FELのピーク出力向上のために、4.5セル熱陰極RFガンを用いたフォトカソード運転が確立されました。この運転モードでは、100 μJのマイクロパルスエネルギーと、世界最高の発振型FELにおける抽出効率（9.4%）を達成しました。また、マイクロパルス幅は150フェムト秒（11 μmで約4.2サイクル）まで短縮されました。さらに、8.6 μmのFELパルスに対して非線形圧縮を行い、30 mm厚のGe板を通過させることで、パルス幅を146フェムト秒から106フェムト秒（5.1サイクルから3.7サイクル）に圧縮することに成功しました。

KU-FELのさらなるピーク出力向上のため、新たに製作された1.6セルRFガンが加速管の上流側に設置されました。この新RFガンのコミッショニングは無事完了し、従来の4.5セルRFガンよりも高いバンチ電荷を持つ電子ビームによるFEL発振に成功しました。

コンパクトなテラヘルツ領域のコヒーレントアンジュレータ放射光源（THz-CUR）が構築されました。本装置は、エネルギーチャーピングセル付きRFガン、ソレノイド磁石、マグネティックシャカイン型バンチコンプレッサー、三重極四重極磁石、平面型アンジュレータ、そしてフォトカソード用レーザーシステムから構成されています。この装置では、フォトカソードRFガンとバンチコンプレッサーによって短パルス電子バンチが生成され、アンジュレータに入射されることで強力なコヒーレントアンジュレータ放射が得られます。

また、東北大学の柏木博士との共同研究により、THz-CURの偏光制御技術も開発されました。これにより、出力損失をほとんど伴うことなく、THz-CURの偏光状態を直線偏光から左円偏光、右円偏光へと容易に切り替えることが可能となりました。

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MIR-FELおよびTHz-CURの応用

当研究所のゼロエミッションエネルギー研究拠点（共同利用・共同研究拠点）のもとで、MIR-FELおよびTHz-CURの多くの応用研究が行われています。2024年度には、15の学外研究グループがKU-FELを利用しました。MIR-FELを用いた数多くの応用の中でも、モード選択的フォノン励起が特に注目されています。強相関系物質においては、各フォノンモードが物性に及ぼす影響を理解することが重要です。MIR-FELの広帯域な波長可変性により、中赤外領域の多くのフォノンモードが励起可能となっています。

これまでに、ラマン活性フォノンモード（6H-SiCのLOモード、GaNのA1（LO）モード）、ラマン非活性モード（SrTiO₃のLO3モード）、さらには赤外非活性モード（単結晶ダイヤモンドのT2gモード）までも、ポンプ・プローブ実験によって選択的に励起されたことが確認されています。最近では、NiO（酸化ニッケル）の2TOフォノンモードを励起した際に、反強磁性ドメインパターンの変化が観察されました。ドメインパターンは、ナノ秒Nd\:YAGレーザーを用いた磁気線形複屈折法によって可視化され、電子遅延ジェネレーターを用いてナノ秒レーザーのタイミングを制御することで、フォノン励起によるパターン変化の時間発展も記録されています。

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核の安全・セキュリティのための同位体イメージング

多同位体イメージング手法は、分子科学研究所のUVSOR・BL1Uビームラインにて開発されましたが、レーザー・コンプトンガンマ線の空間的な強度変動が大きいため、定量評価はまだ達成されていません。そこで、ビームサイズが数ミリ径で空間分布が平坦な「フラットLCSガンマ線ビーム（Flat-LCS）」を新たに提案しました。原理実証実験（Proof-of-Principle）は既に実施されており、現在、UVSORにて天然鉛ターゲットの同位体存在比の測定を試みています。

6 mmφの濃縮鉛（206Pb、207Pb、208Pb）棒をウィットネスターゲットとして使用し、天然鉛の吸収体ターゲットに通常のLCSガンマ線とFlat-LCSガンマ線の両方を照射しました。ウィットネスターゲットから放出されるNRFガンマ線は、2台のGe検出器で測定されました。現在、天然鉛吸収体中の同位体存在比の評価を進めています。

ASEANにおける再生可能エネルギー導入

東南アジアでは、普遍的な電化に向けて大きな進展が見られていますが、現在でも約3,500万人が電力アクセスを持っていません。電化の課題に関する多くの研究はアフリカや南アジアを中心に、経済的・技術的・制度的要因に焦点を当てており、社会的側面はあまり考慮されていませんでした。これに対し、私たちのグループは2016年以降、生活の質の視点からさまざまな電化プロジェクトの社会的影響を調査してきました。東南アジアの多様な地域で生活環境や社会的格差の変化を評価しており（図3参照）、社会科学の混合手法を用いた研究から、再生可能エネルギーによる電化は高価な灯油ランプや車のバッテリーへの依存軽減、学生の教育機会の向上、社会的交流の促進など多くの利点をもたらすことが示されています。

しかし、経済活動の拡大にこれらのシステムを活用している世帯は限られています。また、電化への移行は意図せずに既存の不平等を強化し、変化の前から社会経済的に有利な層をさらに有利にする可能性があります。電化過程における他の重要な要因として、ライフスタイルの変化やシステム容量の制約も挙げられています。さらに、私たちはエネルギーの公正性やクリーンで持続可能なエネルギー転換に関する追加の研究プロジェクトにも積極的に取り組んでいます。