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1 高エネルギー加速器セミナー OHO 08 ビームエネルギー回収型高輝度放射光光源 - ERL - 副題 : 次世代加速器技術としての可能性を秘めた ERL その原理と応用を学ぶ 008 年 9 月 日 KEK 3 号館 1 階セミナーホール Photon Factory (PF) & Photon Factory Advanced Ring (PF-AR) ERL 光源の性能と利用研究 物質構造科学研究所平野馨一 PF-AR PF-AR E = GeV LINAC 1. はじめに ~ERL 光源とは何か~.について 3.の利用研究 4. おわりに PF LINAC PF E =.5 3 GeV 1. はじめに ~ERL 光源とは何か ~ Photon Factory (PF) の平面図 電子蓄積リング 1.1. 放射光について 放射線遮蔽壁 エネルギー :.5-3 GeV エミッタンス : 7nmrad 電流値 : 450mA 周長 : 187m 真空度 : 6 x 10-8 Pa 1.. 放射光源の歴史 1.3. 次世代放射光源 (XFELとERL) 蓄積リング LINAC からの電子ビーム 実験ホール X 線ビームライン VUV/SX ビームライン 1.1. 放射光について PF の実験ホール 高エネルギーの荷電粒子 ( 電子や陽電子 ) の軌道が磁場によって曲げられるときに生じる光を放射光という 偏向電磁石光源 挿入光源 放射光の特徴 1) 指向性が高い ) 輝度が高い 3) 赤外 ~X 線の広いエネルギー領域が利用可能 4) パルス性 5) 偏光性 物質科学や生命科学に必要不可欠なプローブ 1

2 大学共同利用 民間企業の利用 X 線自由電子レーザー (XFEL) ~ LCLS の例 ~ LCLS = Linac Coherent Light Source SLAC Linac Undulator Hall Injector Near Hall Far Hall Linac-to-Undulator Switch Yard: 7m, Undulator Hall: 175m, Undulator: 11m Front End: 5m, X-ray transport from Near to Far Hall: 50m 1.. 放射光源の歴史 エネルギー回収型ライナック (ERL) ~ の例 ~ 1947 年電子シンクロトロンで初めて放射光が確認される 1950 年代 ~ 高エネルギー実験に寄生する形で放射光の利用が開始される ( 第 1 世代 ) 1970 年代 ~ 放射光専用施設の建設 ( 第 世代 ) 1975 年 SOR-Ring 建設 198 年 Photon Factory 稼働開始 1990 年代 ~ 挿入光源を主体にした大型放射光施設の建設 ( 第 3 世代 ) 1997 年 SPring-8 稼働開始 000 年代 ~ ~4GeVの中型放射光施設の建設 ( 新第 3 世代 ) 蓄積リング型光源加速器の規模や電子ビームのエネルギー等によって性能が決まるすでに性能限界に達しつつあり 大幅な性能向上は困難 線形加速器をベースにした光源 ( 次世代放射光源 ) 電子ビームは軌道を一度周回するだけなので軌道のボケが生じない入射器 ( 電子銃や低エネルギー領域の加速器 ) の性能限界まで Upgrade 可能 1.3. 次世代放射光源 (XFEL( とERL).PF について X 線自由電子レーザー (X-ray Free Electron Laser, XFEL) エネルギー回収型ライナック (Energy Recovery Linac,, ERL).1. なぜERLなのか?..の仕様.3.の性能.4.の特徴 ( まとめ ) (TESLA Technical Design Report Part V) (Physics Today March 00 p3-5.) LCLS( 米国 ) SCSS( 日本 ) European XFEL( 欧州 ) など CHESS-ERL( 米国 ) ( 日本 ) など

3 .1. なぜ ERL なのか?.3.PF の性能 PF 次期光源に要求される条件 : 1) 先端性 : 最先端科学を切り拓けること ( 既存光源を上回る性能 ) ) 汎用性 : 多数のユーザーに利用の機会を提供できること ( 多数のビームラインを建設できること ) では電子ビームのエミッタンスが大幅に改善されるため 光源性能が既存光源よりも大幅に改善される 新第 3 世代光源 XFEL ERL SPring-8 y ビーム y 進行方向 x z x ビーム進行方向 z Canadian Light Source European XFEL CHESS ERL 先端性 汎用性 技術 その他 ( 国内情勢 ) 新第 3 世代光源 XFEL ( 容易 ) ( やや困難 ) SPring-8 稼働中 SCSS 建設中 ε x = 6 nmrad, ε y =3 pmrad τ = 36 ps ε x = ε y =10 pmrad τ ~ 0.3 ps ERL ( 困難 )..PF の仕様 アンジュレーター放射の利用 に要求される条件 : 現在 PF のユーザーの約 8 割が X 線利用者アンジュレーターの 1 次光で波長 1A の X 線を生成できること電子ビームのエネルギー ~5 GeV 約 400 m の超伝導線形加速器の必要性 I N 短パルス 微小円形光源 平行光 高輝度 高コヒーレンス の仕様 パルス長とビームサイズの比較 パルス長 SPring-8 τ~36ps τ~0.3ps 光源 (E = 8keV のX 線について ) 長尺アンジュレーター (00m~100m 級 )1~ 本 中尺アンジュレーター (30m 級 )4 本 短尺アンジュレーター (5m 級 )1 本 11μm SPring-8 18μm 偏向電磁石からの放射光も利用可能 長尺アンジュレーターの代わりに Canted アンジュレーターを設けることにより ビームラインをさらに増やすことが可能 89μm 18μm 3

4 フラックスの比較 光子縮重度の比較 フラックス : 光源から毎秒放出される バンド幅 0.1% に含まれる光子数 ( 単位 photons/sec/0.1%b.w.) [ A] 14 F = N Q I (3-11) 式 n u n 光子縮重度 : 一つのパルスの中に含まれる 空間的にも時間的にもコヒーレントな光子の数 δ = Bˆ D 3 λ [ ] [ Å] ph / s / mm / mrad / 0.1% b. w (3-6) 式 輝度の比較 E = 8keV のX 線に関する性能比較 (1) 輝度 : 光源の単位面積 (1mm ) から 毎秒 1mrad の単位立体角に放出される バンド幅 0.1% に含まれる光子数 ( 単位 photons/sec/mm /mrad /0.1%b.w.) F n B = (3-15) ( π ) 式 ε x ε 5 GeV 8 GeV 電流値 100 ma 100 ma 100 ma 100 ma アンジュレーターの長さ 30 m 5 m 5 m 5 m 光源サイズ 水平 (FWHM) (μm) 垂直 (FWHM) 発散角 水平 (FWHM) (μrad) 垂直 (FWHM) m 水平 (FWHM) (μm) 垂直 (FWHM) 平均輝度 B (ph/s/0.1%/mm /mrad ) 6.0x x10.x x10 コヒーレント比 p c コヒーレント比の比較 E = 8keV のX 線に関する性能比較 () コヒーレント比 : フラックスに占めるコヒーレントフラックスの割合 p Fc λ = = Fn ( 4π ) ε x ε y (3-0) 式 c 1 対 1 の集光をしたときに焦点で得られる単位面積当たりのフラックスとコヒーレントフラックス 4

5 の特徴 ( まとめ ) 参考文献 短パルス SPring-8 τ~36ps PF ERL τ~0.3ps パルス長が約 桁短くなる 微小円形光源垂直方向のサイズはほぼ同じだが 水平方向のサイズが数十分の一になり ビームの形が円形になる 高輝度平均輝度が約 桁高くなる 高コヒーレンス回折限界に近い光が得られる コヒーレント比と光子縮重度が約 桁高くなる フラックスフラックスはほぼ同じ 3.PF の利用研究 3.. ナノビーム利用研究 X 線集光素子の代表例 Kirkpatrick-Baez (KB) Mirror Fresnel Zone Plate 3.1. はじめに 3.. ナノビーム利用研究 3.3. 短パルス利用研究 3.4. コヒーレンス利用研究 光源点の縮小像が焦点に投影される SPring-8では光源が扁平な形をしているため ピンホールやスリットなどでビームを切る必要があり 強度の損失が大きい では光源は微小円形のため 強度の損失を抑えて 効率よくナノビームを生成することができる ビームサイズ ~50nm (SPring-8) ~10nm () 3.1. はじめに X 線顕微鏡 ERL 光源を使ってしてはいけない実験 走査型顕微鏡 1) フラックスが効く実験 (ERL 光源で得られるフラックスはSPring-8と同程度 ) ) ピーク輝度や光子縮重度が効く実験 (ERL 光源で得られるピーク輝度や光子縮重度はXFELには遠く及ばない ) 繊毛虫類中の元素分布 放射光利用研究の将来展望 ~ 光源性能に応じた棲み分けの必要性 1) XFEL 利用研究ピーク輝度や光子縮重度の高さを利用する研究 ) ERL 利用研究平均輝度の高さを利用する研究 3) 第 世代光源利用研究フラックスさえあればよい研究 + 微小円形光源短パルス高コヒーレンス ナノビーム利用研究短パルス利用研究コヒーレンス利用研究 結像型顕微鏡 藻類の観察例 5

6 ナノビームによる微小結晶の構造解析 (1) 時間分解 X 線回折 (1) タンパク質の微小結晶の構造解析 光合成反応のダイナミクス研究 光スイッチング素子のダイナミクス研究 結晶化が困難で小さな結晶しか得られないタンパク質でも構造を解くことができる 光合成反応中心タンパク質に吸収された光のエネルギーは ~100 fs で化学エネルギーに変換される ナノビームによる微小結晶の構造解析 () 時間分解 X 線回折 () 極端条件下での物質の構造解析 固体の融解過程の研究 地球中心の高温高圧状態 (360GPa, 6000K) という微小領域でなければ地上では実現できない極端条件下での物質の状態や構造を解明できる 3.3. 短パルス利用研究 時間分解 XAFS スタティックからダイナミクスへ ~ 構造の解明からの解明から機能機能の解明へ ~ 溶液中有機分子のダイナミクス研究 光合成反応のダイナミクス研究 レーザーポンプ 放射光プローブ法 放射光ポンプ 放射光プローブ法 ( パルス分割 ) 放射光ポンプ 放射光プローブ法 ( 挿入光源 台使用 ) 溶液中の有機分子 (cis-stilbene) のコヒーレント振動は ~1ps 光合成のエネルギー変換過程について知るには金属ポルフィリンの励起状態のダイナミクスを調べる必要がある 6

7 3.4. コヒーレンス利用研究 ~ X 線コヒーレント回折顕微鏡 ~ ニッケルの図形パターンの観察例 フラウンホーファー回折像 (Log scale) 反復法のアルゴリズムによる像再生 ρ(x, y) FT FT -1 F(u, v) = F(u, v) exp[iφ(u, v)] ρ(x, y) の推定 FT G= G exp(iφ) 実空間拘束条件 フーリエ空間拘束条件 波長 A 空間分解能 8 nm 試料 新しい ρ'(x, y) FT -1 G= F exp(iφ) 空間分解能 50 nm 結晶の得られない物質でも構造を解くことができる! コヒーレント X 線 J. Miao et al, Phys. Rev. Lett. 89 (00) 像再生の例 (1) 大腸菌の観察例 FFT J. Miao et al.: PNAS 100 (003) pixel x 15 pixel Log Scale KMnO4 で染色された蛋白質の分布構造波長 A 空間分解能 5 nm CPU: AMD Athlon XP iterations, 0 min 反復法による位相情報の回復と試料像の再生 像再生の例 () 単分子イメージングへの挑戦 ルビスコ分子 回折像 再生像 J. Miao, K. O. Hodgson and D. Sayre: PNAS 98 (003) pixel x 463 pixel CPU: AMD Athlon XP iterations, 5 min 7

8 4. おわりに コンパクト ERL(E E = 60~00MeV 00MeV) ) の建設が急務! 10m 40m 原理実証機 要素技術の開発 改良 光源としても魅力的で多くの利用研究が見込まれるテラヘルツ 遠赤外領域の大強度のコヒーレント放射光の利用レーザー逆コンプトン散乱による X 線光源 ( 微小光源から短パルスの X 線が得られる ) ダイナミクス研究 医学イメージング研究など 汎用光源として一般社会 ( 病院など ) に広く普及する可能性あり ERL の可能性のさらなる追求 例 )ERL と共振器型 X 線レーザーの組み合わせ λ = 1 A のとき I = 10 9 photons/pulse f = 1 ~ 100 MHz t = 1 ps (rms) ΔE = mev (rms) K.-J. Kim et al.: PRL 100 (008) 加速器や X 線光学等の専門家の英知と技術を結集する必要性 ERL 光源実現に向けてご協力をよろしくお願いします Thank you! 8

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