科学技術・学術審議会研究計画・評価分科会(第19回）配付資料［資料9-2（3）］

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あいとこやぎ
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1 国内の主な放射光施設参考資料 4 国内の主な放射光施設の所在地 Rits SPring-8 New Subaru KEK/PF KEK/PF-AR Saga UVSOR HiSOR

2 SPring-8 New SUBARU Photon Factory PF リング Photon Factory PF-AR リング利用開始年 1997 年 2000 年 1982 年 ( 高度化 2005 年 ) 1996 年放射光専用化所在地兵庫県佐用郡茨城県つくば市運用管理者高輝度光科学研究センター兵庫県立大学高エネルギー加速器研究機構 ( 物質構造科学研究所 ) 規模 ( 蓄積リング周長 ) 1,436 m 118 m 187 m 377 m 電子エネルギー 8.0 GeV 1.5 GeV 2.5 GeV 6.5 GeV 蓄積電流値 100 ma 460 ma 450 ma 60 ma 波長領域 ~ 硬 X 線 ~ 軟 X 線 ~X 線 ~ 硬 X 線輝度 ~10 21 ~10 18 ~10 18 ~10 16 年間運転時間 5,363 時間 3,400 時間 4,864 時間 4,857 時間年間利用者数 9,336 人 3,658 人 29,376 人 (PF,AR の合計 ) 建設費 1,089 億円 53 億円 195 億円 68 億円年間維持費 106 億円 3 億円 17 億円 14 億円世界最高性能最先端研究地域産業支援大学共同利用機関主な特徴国内外 / 産学官の研究者へ開かれた利用多種多様な研究分野 SPring-8 の入射器を活用産学官連携共同研究多種多様な研究分野放射光関連技術 R&Dの先鞭 ( 医学臨床応用を含む ) 世界唯一の常時単ハンチ運転 UVSOR SR Center HiSOR SAGA LS 利用開始年 1984 年 ( 高度化 2002 年 ) 1996 年 1996 年 2005 年 ( 予定 ) 所在地愛知県岡崎市滋賀県草津市広島県東広島市佐賀県鳥栖市運用管理者自然科学研究機構 ( 分子科学研究所 ) 立命館大学広島大学 ( 財 ) 佐賀県地域産業支援センター規模 ( 蓄積リング周長 ) 53.2 m 3.14 m m 75.6 m 電子エネルギー 0.75 GeV GeV 0.7 GeV 1.4 GeV 蓄積電流値 ~350 ma 300 ma 300 ma 300 ma 波長領域 ~ 真空紫外軟 X 線真空紫外 ~ 軟 X 線 ~X 線輝度 ~10 17 ~10 12 ~10 15 ~10 13 年間運転時間 2,500 時間 1,600 時間 1,580 時間 5,200 時間 ( 計画 ) 年間利用者数約 800 人約 250 人約 270 人 - 建設費 37 億円 ( 建屋含む ) 20 億円 30 億円 ( 建屋除く ) 51 億円年間維持費 3.8 億円 1.2 億円 2.7 億円 4 億円主な特徴トップアップ運転基礎的な分子科学研究分野での高輝度低エネルギー放射光の重点的利用次世代光源開発に向けての基礎研究小型施設で世界最高性能学内教育研究による高度な人材育成産学官共同研究マイクロシステムセンター ( 隣接 ) との連携固体物理学を中心とする革新的物質科学研究学部大学院生と若手研究者の育成地域産業の高度化新産業の創出産学官連携の拠点形成地方自治体と地域の大学との連携

3 SPring-8 の現状と高度化の方向性参考資料 5 SPring-8: 電子ビームエネルギーが8GeVの世界最先端の高輝度 X 線光源現段階 : 世界で最も輝度および光束が高いX 線を本格活用今後 : 随時トップアップ入射の導入で最先端光子の生成と利用へ光子のエネルギー及びパルスの時間構造と幅を本格活用 SPring8 のビーム性能と発展の方向性輝度 ( 現状 ) 平均輝度ピーク輝度干渉性今後の高度化計画低エミッタンス化エミッタンスの成形低エネルギー運転蓄積電流の増強 100mAから200mAへ光子のエネルギー赤外軟 X 線硬 X 線 MeVγ 線 GeVγ 線 (LEP) 今後の高度化計画 10テスラ超伝導ウイクラー大強度 MeVγ 線大強度陽電子ビーム GeVγ 線の高強度化パルス幅と時間構造 30~75psec(FWHM) sub-psec へ 2ns から 4.8μsec 今後の高度化計画短パルスX 線の生成バンチスライス crab 空洞によるバンチ回転バンプバンチ長の制御 α 加速電圧低エネルギー運転 SPring-8 の電子ビームの性能水平および垂直方向のエミッタンスが世界最小軌道変動が水平で3ミクロン垂直で0.7ミクロンと小さい蓄積電流が8GeVで100mAと高いバンチ当たり14mA(67nC) ピーク電流 840Aと高いバンチ長が30から75ps(FWHM) と短いバンチの純度が10-10 と高いバンチの時間間隔が2nsecから4.8μsecまでの任意の値ビーム電流が随時トップアップ入射で0.1% 以内で一定施設の特徴全エネルギー入射器システム蓄積リングの4カ所に30m 長直線部が設置放射光利用の特徴多数の利用者が高機能高精度 X 線を同時利用先端的研究と多様な汎用的研究の同時利用加速器とビームライン機器の高精度制御柔軟性の高い加速器運転システムの構築 SPring-8の高度化 : 最先端のビーム性能と最先端の科学技術と施設の特徴を最大限活用することで次世代放射光で目指す科学分野およびその他の先駆的研究の開拓を目指す 1. 空間干渉性の利用 : 低エネルギー運転やround-beamによる電子ビームの低エミッタンス化と挿入光源の高度化サブミクロンサイズの結晶構造解析 : 低分子からタンパク質等巨大分子までナノイメージング ( ナノビーム蛍光 X 線分析超微量分析 ) X 線コーヒーレント回折顕微鏡 X 線磁気顕微鏡による物性研究 2 サブピコ秒短パルスおよび電子ビームの時間構造の利用: 超伝導 crab 空洞 +30m 超直線部 +アンジュレータ生命物質科学でのサブピコ領域の過渡現象光誘起相転移構造物性電子物性ダイナミックスの映像化等 3. 高エネルギー X 線およびγ 線の利用 : 超伝導ウイクラーインバースコンプトンγ 線数 100keVからGeVγ 線までの広範囲な光子生成と利用高エネルギー非弾性散乱を用いたスピンエレクトロニクス MeV-ガンマー線 : 元素起源の解明 ( 天体核物理 ) ハドロン核物理( 核準位のパリティー混合比の測定 ) GeV-ガンマー線 : クォーク核物理二次生成粒子 ( 陽電子中性子 ) の利用 : 陽電子ビームによる微小格子欠陥の診断 4. その他 : sase-fel エネルギー回収型リニアック(ERL) 等次世代 X 線光源に関連した技術開発エックス線ハンドリング技術の開発高精度光学素子の開発時分割測定手法の高度化等 SPring-8 の 30m 長直線部 3 本を含めた 15 本のビームラインの有効活用と次世代光源への展望真空紫外軟 X 線の利用産業利用等での利用拡大緊急性等に関しては加速器施設研究者と利用研究者間で問題の共有化を図ることで対応が可能今後第三世代の到達性能と超伝導等加速器科学とX 線 FELの進展および利用の動向と緊急性を考慮しつつ次世代光源を策定するエネルギー回収型リニアック超高輝度超短パルス放射光リング型光源高強度 X 線 FEL

SPring-8 の高度化の概要 1. 高輝度化高空間干渉化 a) Round beamの生成 30m 長直線部に設置した4 次元位相空間形状変換器でほぼ回折限界の垂直方向のエミッタンスを水平方向に局所的に割り振ることで高干渉性と高輝度化を実現する位相空間面積 : 0.3nmrad 0.

4 SPring-8 の高度化の概要 1. 高輝度化高空間干渉化 a) Round beamの生成 30m 長直線部に設置した4 次元位相空間形状変換器でほぼ回折限界の垂直方向のエミッタンスを水平方向に局所的に割り振ることで高干渉性と高輝度化を実現する位相空間面積 : 0.3nmrad 0.3pmradと33pmrad 33pmradは等価現在実現に向けて計算機シュミレーションを実施中建設費はリングの改造とビームラインの新設で10 億程度 b) 低エネルギー運転エミッタンスおよびエネルギー分散がそれぞれビームエネルギーの二乗および1 乗に比例することを利用し低エネルギー運転で高輝度化を図る次世代光源のERLと干渉度と利用できる干渉光束 (coh-flux) を比較したものが右表で TCFはERLに較べ1ないし2 桁ほど低いがビーム電流が1 桁高いため 10keVのX 線での干渉光束は 8GeV 運転で ERLの10 分の1 4GeV 運転ではほぼ同水準となる今後蓄積エネルギー短時間での切り換えや周期長のより短い超伝導電磁石型のアンジュレータ等の開発が課題 x' x Betatron Function β x, y [m] y' y β x 4 次元位相空間形状変換器 β y x' 4D Phase-space Transformer ID x y' y 4 次元位相空間形状変換器 x' Dispersion Function η x [m] x y' y :Electron beam :Photon beam 干渉度 ( 二次元干渉性 (TCF),1 次元 (VCF) と干渉光束 (coh-flux) の比較 10keV-X 線 SPring-8 (100mA) 8GeV(3nmrad,3pmrad) 4GeV(0.75nmrad,0.75mrad) Cornell-ERL(10mA) 5.3GeV(15pmrad,15pmrad) TCF VCF coh.-flux 短パルス高強度 X 線の生成 ERL に匹敵するピーク電流と世界最小の垂直エミッタンスンを生かし 30 m 長直線部に設置した 2 台の超伝導 crab 空洞を用いてバンチの進行方向の時間情報を垂直方向の位置情報に変換し中央部に設置したアンシュレータからの準単色 X 線をスライスすることでサフヒコ秒の高強度短パルス X 線 ( 右図参照 ) を生成するアンシュレータを通過した電子ビームは下流側の 2 台の crab 空洞で逆変換され初期状態に戻もどされ周回する ( 下図参照 ) Sp8 15mA/b 25mID 5mID rf=1300mhz 平均光束はスライスする幅にもよるが FWHM で 2ps の場合で 10 10~12 p/s 程度となりレーザースライスの 10 5~6 倍以上の高い光速が期待される現在 crab 空洞 (KEK で開発 ) や rf タイミング制御システムの検討が進められており建設費用はヘリウム液化システム建物等を含め概算 30 億程度 By Qun Shen (CHESS) April 14, 高エネルギー X 線 γ 線の生成と利用 a) 大強度 MeVX 線の生成 8GeV 電子ビームと 10 テスラ超伝導ウイクラ - の融合することで数 100keV から MeV 領域で大強度で偏光特性を利用できる X 線 ( 右図参照 ) が世界で初めて利用可能さらに垂直方向のエミッタンスと軌道変動が小さいことから分光器への浅い角度での入射が必須な高エネルギー X 線の単色化も可能となる現在超伝導ウイクラーの実ビーム性能試験高熱負荷対応機器等の開発および利用分野の開拓等の作業が進行中である建設費は加速器の改造とビームラインの新設を合わせて概算約 10 億 b) 10 から数 10MeV 領域の高強度ガンマー線の生成電子ビームのエネルギーが 8GeV と高いことおよび運動量許容値が大きいことを利用しレーザーと電子の相互作用を利用して高強度 γ 線を生成する現在 10MeV 領域の γ 線を生成するための大強度遠赤外レーザーの開発が順調に進み電子ビームを用いた検証実験が進んでいるまた LEPS の高強度化高機能化も検討中 mev から GeV までの全ての光子に関連した研究を可能とする光科学の拠点を目指して各種高度化が検討中

5 PF 次期放射光光源計画 PF の高度化 ( 現在計画 ) 直線部増強計画参考資料 6 MPW05 = 挿入光源 (ID) 7 台 U= アンジュレーター MPW= 多極ウィグラー VW= 超伝導ウィグラー挿入光源 (ID) 最大 13 台 (6 台の増 ) 1 ミニポールアンジュレーターの導入 2 長尺挿入光源による更なる VUV/SX 領域高輝度化高度化の狙いますます高度化多様化する放射光利用研究に対応するため PF 光源加速器を改造し第三世代の放射光源に匹敵する性能を低コストかつ短期間で実現しているさらにトップアップ運転の導入等の改良を行い今後 5~8 年程度の競争力を保つ 5~8 年後に稼動始める次期放射光源が持つべき機能は? 基盤的研究ツール ( 高輝度光源 ) と先端的研究ツールの両面性が不可欠 1) 試料は益々微小化 ( マイクロメートルから数 10 ナノメートル ) 2) 詳細な電子状態解明 ( エネルギー分解能上 :1meV 0.1meV ) 基盤的ツールとしての高輝度光源 + 3) 結晶ではない試料の構造決定 ( コヒーレント X 線が不可欠 ) ( エミッタンス ~10pmrad) 4) 非平衡状態の解明 ( 短時間パルス放射光が不可欠 ) ( サブピコ秒以下 ) 先端的研究ツール次期放射光光源の光の仕様 VUV-X 線領域をカバー (30eV-30keV( コア領域 50eV-20keV)) 輝度 : photons/sec/mrad 2 /mm 2 kev コヒーレントフラクション : 10keV ( 現在の SPring-8 では ~0.2% 程度 ) エミッタンス : 10keV 極短光パルス : ~100fs 挿入光源ビームラインの数 : ~30 本

次期放射光光源として ERL を選択 ERL の鍵となる技術は電子銃の性能向上と超伝導空洞技術電子銃は 5~8

6 次期放射光光源で夢開く研究分野 1. 極短光パルスの利用研究 ( サブピコ秒光パルス ) 非平衡状態からの秩序形成スピンダイナミクスの解明触媒科学反応機構の解明光誘起相転移現象の解明生命科学の機能解明 etc. 2. コヒーレント X 線の利用研究結晶ではない物質極微小結晶の構造決定位相型 X 線イメージングスペックルによる秩序状態の解明 etc. 3. マイクロビームからナノビームへ (~10nmφ) 局所元素分析局所構造評価局所電子状態顕微分光光電子顕微鏡 etc 次期放射光光源として ERL を選択 ERL の鍵となる技術は電子銃の性能向上と超伝導空洞技術電子銃は 5~8 年後の稼動に向けて開発を進める超伝導空洞の開発は KEK 内で ILC に向けた技術開発で進行中すべてのビームポートで先端的な光源仕様を満足 0.3GeV の実証機を用いて VUV のビームポートを整備 2003 年にすでに概念設計した 5GeV ERL 5GeV_ERL からの放射光 0.3GeV_ERL からの放射光 5GeV ERL および 0.3GeV ERL に適切なアンジュレーターを用いることで数 10eV から数 10keV までの放射光を得る

日本原子力研究開発機構 ERL 型次世代放射光源の提案参考資料 7 先進レーザー技術先進加速器技術高輝度放射光技術

多数ユーザーの同時利用極めて高い安定性利用分野の拡大実験技術の蓄積三つの技術の融合エネルギー回収型リニアック (ERL) 次世代放射光源

汎用性質の良い ( 干渉性のある ) 短いパルス ( フェムト秒 ) の X 線を発生 = 先進性レーザーガンマ線

多数の実験ライン複数の同時利用が可能汎用性を確保従来光源を凌駕する先進光源干渉性を持った X 線超短パルス X 線 ( フェムト秒 ) エネルギー回収

原子力機構における ERL 研究開発 ERL 基盤技術の獲得 1987 年超伝導リニアックの開発をスタート 2001 年 ERL を完成 ERL

7 日本原子力研究開発機構 ERL 型次世代放射光源の提案参考資料 7 先進レーザー技術先進加速器技術高輝度放射光技術フェムト秒超短パルスコヒーレント光高繰り返し高出力化超伝導加速器フェムト秒高輝度電子ビームエネルギー回収技術多数ユーザーの同時利用極めて高い安定性利用分野の拡大実験技術の蓄積三つの技術の融合エネルギー回収型リニアック (ERL) 次世代放射光源従来の放射光と同等の汎用性を保ったまま先進性を実現 XFEL とは異なり高い繰り返し ( 最大毎秒 10 億パルス ) で X 線を発生 = 汎用性質の良い ( 干渉性のある ) 短いパルス ( フェムト秒 ) の X 線を発生 = 先進性レーザーガンマ線電子とレーザの衝突により大強度のガンマ線を発生レーザー駆動光陰極高輝度電子の発生が可能に入射器加速電子減速電子超伝導リニアックダンプ多数の実験ライン複数の同時利用が可能汎用性を確保従来光源を凌駕する先進光源干渉性を持った X 線超短パルス X 線 ( フェムト秒 ) エネルギー回収電子のエネルギーを回収再利用少ない電力で大電流の加速が可能超伝導リニアックリニアコライダー等プロジェクトの技術を援用レーザーと同期した高繰り返し運転原子力機構における ERL 研究開発 ERL 基盤技術の獲得 1987 年超伝導リニアックの開発をスタート 2001 年 ERL を完成 ERL を使った赤外 FEL 実験を実施中 ERL 次世代光源へ 2005 年 ERL グループ発足 ERL 次世代光源の R&D 電子銃 20m 前段加速器アンジュレータ光共振器主加速器周回軌道 JAEA-ERL (17MeV) 高輝度大電流電子銃 ERL 基盤技術と経験を生かして X 線光源 (5-6GeV ERL) の実現へ

日本原子力研究開発機構 ERL 放射光源が拓く新しい光科学 ERL 放射光の特長 (1) = コヒーレント X 線ナノビーム極小電子ビームからの放射光点光源 = コヒーレント光 ERL SPring-8 ERL からの X 線極小スポットへの集光が可能にレンズ集光

ナノテクノロジーの大きな武器ナノサイズ局所構造の観察 ERL 放射光の特長 (2) = 超短 X 線パルス ( フェムト秒 ) X 線パルスの時間波形 SPring-8=15 ps ERL 放射光による観察 ERL=100 fs 時間フェムト秒のストロボで動きを止めて見る化学反応

10-9 秒 10-6 秒 10-3 秒内核励起振動解離コヒーレント化学分子内緩和スピン揺らぎスピン緩和スピン歳差運動光誘起相転移量子状態のコヒーレント観察レーザー化学物性海外における ERL 研究開発米国 : コーネル大学 5GeV-ERL

8 日本原子力研究開発機構 ERL 放射光源が拓く新しい光科学 ERL 放射光の特長 (1) = コヒーレント X 線ナノビーム極小電子ビームからの放射光点光源 = コヒーレント光 ERL SPring-8 ERL からの X 線極小スポットへの集光が可能にレンズ集光コヒーレント成分従来光源マイクロメータ平均構造の観察集光サイズの進歩 ERL 光源ナノメータ局所構造の観察 ERL 放射光はコヒーレント成分を多く含みレーザーと同様の干渉性の特徴を持つホログラフィーなど干渉利用実験が可能にナノテクノロジーの大きな武器ナノサイズ局所構造の観察 ERL 放射光の特長 (2) = 超短 X 線パルス ( フェムト秒 ) X 線パルスの時間波形 SPring-8=15 ps ERL 放射光による観察 ERL=100 fs 時間フェムト秒のストロボで動きを止めて見る化学反応物質のダイナミクス有害物質除去のための新しい触媒の開発超高速動作可能なスイッチングデバイスの開発など超高速現象を解き明かす超短パルス光源超高速現象 as 秒コヒーレント電子波束 ERL 従来放射光 fs ps ns μs ms 秒秒 10-9 秒 10-6 秒 10-3 秒内核励起振動解離コヒーレント化学分子内緩和スピン揺らぎスピン緩和スピン歳差運動光誘起相転移量子状態のコヒーレント観察レーザー化学物性海外における ERL 研究開発米国 : コーネル大学 5GeV-ERL 既設放射光のアップグレードとして ERL 光源の計画高輝度大電流入射器建設中年入射器の予算 =$18M (20 億円 ) 英国 : ダーズベリー研 0.6GeV-ERL DIAMOND 放射光施設を補完する波長領域 XFEL を組み込んでいる (VUV から軟 X 線 ) プロトタイプ建設中 : 14M(28 億円 ) 年

5 m UVSOR-III 1meV ~500eV X brilliance ~1

9 UVSOR UVSOR-II U VSOR Chasman-Green ( ) UVSOR 1 4 UVSOR-II UVSOR-II 1 4 (200 3 ) ( ) 350 ma 6 UVSOR UVSOR- II 500mA 1GeV 27nmra d 15nmra d 4m 1.5 m UVSOR-III 1meV ~500eV X brilliance ~ ~ mr ad UVSOR UVSOR 215nm 0.1W 200nm 1W ( )

海外の主な放射光施設 ( 所在地 ) 参考資料 10 Australian Synchrotron 海外の主な放射光施設 (1/2) [3 極を成す日米欧の第 3 世代大型放射光施設 ] ESRF

( 米国 ) 播磨科学公園都市 ( 兵庫県 ) 設置者 / 運転機関欧州 18 ヶ国 DOE 理研 /JASRI 電子エネルギー 6 GeV 7 GeV 8 GeV 蓄積電流 200 ma 100 ma

年 1996 年 1997 年年間運営費 (2002 年度日本円換算 ) 95 億円 (72MEuro) 96 億円 (89M$) 110 億円年間ユーザー時間数 ( 2 0 0 3 年度実績 )

11 海外の主な放射光施設 ( 所在地 ) 参考資料 10 Australian Synchrotron 海外の主な放射光施設 (1/2) [3 極を成す日米欧の第 3 世代大型放射光施設 ] ESRF European Synchrotron Radiation Facility APS Advanced Photon Source SPring-8 所在地グルノーブル ( フランス ) アルゴンヌ ( 米国 ) 播磨科学公園都市 ( 兵庫県 ) 設置者 / 運転機関欧州 18 ヶ国 DOE 理研 /JASRI 電子エネルギー 6 GeV 7 GeV 8 GeV 蓄積電流 200 ma 100 ma 100 ma 施設規模 ( 蓄積リング周長 ) 844 m 1,104 m 1,436 m ビームライン本数 ( 稼動本数 / 最大可能本数 ) 41/56 48/68 46/62 利用開始年 1994 年 1996 年 1997 年年間運営費 (2002 年度日本円換算 ) 95 億円 (72MEuro) 96 億円 (89M$) 110 億円年間ユーザー時間数 ( 年度実績 ) 5,275 時間 4,960 時間 3,930 時間年間利用者数 (2002 年度のべ人数 ) 4,802 人 6,135 人 9,112 人論文発表数 ( 共用開始 7 年目 ) 878 編 655 編 424 編

レーザを利用した加工技術海外の主な放射光施設 ( 製造実現 ) (2/2) [ 軟 X 線領域の第 3 世代中型放射光施設 ] ALS Advanced Light Source CLS Canadian Light

BESSY Berliner Elektronenspeicherring- Gesellschaft m.b.h. PSI Paul Scherrer Institute 電子エネルギー 1.9 GeV 2.9 GeV 1.

1 nm rad 5 nm rad 施設規模 ( 蓄積リング周長 ) 197 m 171 m 240 m 288 m ビームライン本数 ( 最大可能本数 ) 50 40 70 33 利用開始年 1993 年 11 月 2005

設置者 / 運転機関 SOLEIL company Diamond Light Source Ltd. Pohang Accelerator Laboratory ビクトリア州政府電子エネルギー 2.

4 nm rad 施設規模 ( 蓄積リング周長 ) 354 m 562 m 281 m 164 m ビームライン本数 ( 最大可能本数 ) 24 30-40 32 30 利用開始年 2006 年春頃 ( 予定 ) 2007 年

12 レーザを利用した加工技術海外の主な放射光施設 ( 製造実現 ) (2/2) [ 軟 X 線領域の第 3 世代中型放射光施設 ] ALS Advanced Light Source CLS Canadian Light Source BESSY II SLS Swiss Light Source 所在地アメリカカナダドイツスイス設置者 / 運転機関カリフォルニア大学 CLSI Canadian Light Source Inc. BESSY Berliner Elektronenspeicherring- Gesellschaft m.b.h. PSI Paul Scherrer Institute 電子エネルギー 1.9 GeV 2.9 GeV 1.7 GeV 2.4 GeV 蓄積電流 400 ma 500 ma 600 ma 400 ma ビームエミッタンス * 6 nm rad 18.2 nm rad 6.1 nm rad 5 nm rad 施設規模 ( 蓄積リング周長 ) 197 m 171 m 240 m 288 m ビームライン本数 ( 最大可能本数 ) 利用開始年 1993 年 11 月 2005 年 5 月 1998 年 2001 年 10 月 SOLEIL Diamond PLS Pohang Light Source Australian Synchrotron 所在地フランスイギリス韓国オーストラリア設置者 / 運転機関 SOLEIL company Diamond Light Source Ltd. Pohang Accelerator Laboratory ビクトリア州政府電子エネルギー 2.75 GeV 3 GeV 2.5 GeV 3.0 GeV 蓄積電流 500 ma 300 ma 182 ma 200 ma ビームエミッタンス * 3.7 nm rad 2.74 nm rad 13 nm rad 7.4 nm rad 施設規模 ( 蓄積リング周長 ) 354 m 562 m 281 m 164 m ビームライン本数 ( 最大可能本数 ) 利用開始年 2006 年春頃 ( 予定 ) 2007 年 1 月 ( 予定 ) 1994 年 9 月 2007 年 1 月 ( 予定 ) これらの他 MAX-Ⅳ( スウェーデン ) ELETTRA( イタリア ) が稼働しており LLS( スペイン ) MAX-Ⅲ MAX-Ⅳ( スウェーデン ) SSRF ( 中国 ) SESAME( ヨルダン ) などの計画がある SPring-8のエミッタンス = 6.6nmrad

13 参考資料 11 用語解説 ( 五十音順 ) アンジュレーター挿入光源の一種周期的磁場によって電子ビームを小さく蛇行させ蛇行の都度発生する放射光を干渉させることにより極めて明るい特定波長の光が得られる遺伝子発現遺伝子の情報に従ってmRNAが作られそれによってポリペプチド ( アミノ酸が鎖状に連なったもの ) の合成が起こること生体内での遺伝子活動を表す遺伝子発現プロファイルを測定しデータベースとして保存することにより例えば特定の臓器のプロファイルの経時的な変化から病気の超早期診断が可能となるウィグラー挿入光源の一種電子ビームを複数回大きく蛇行させることによりより明るく波長の短い白色光が得られる蛇行させる磁場を強くすると得られる光の波長が短くなることから超伝導電磁石を使用するウィグラーも多数ある X 線電磁波の一種で紫外線より波長の短いものをいう一般的には0.001~0.2ナノメートルの波長域にあるものを指すが分野によっては10ナノメートル域でもX 線と呼ぶ場合もある X 線のうち特に波長の短いものを硬 X 線というまた上記より波長の長いものを軟 X 線という場合もあるただし硬 X 線や軟 X 線の範囲については分野によって様々である硬 X 線はガンマ線と波長領域が重なるが発生機構により区別される物質中の電子の状態変化に起因するものがX 線であり原子核の状態変化に起因するものがガンマ線である X 線は蛍光作用電離作用写真作用により検出することができ材料や構造物の非破壊検査医療診断用 X 線写真結晶構造解析などの手段として利用される

14 X 線自由電子レーザー自由電子レーザーとは自由電子 ( 原子核に拘束されていない電子 ) を媒質として発振するレーザー光またはそれを発生する装置をいい特にX 線領域のレーザー光を発振する自由電子レーザーのことをX 線自由電子レーザーという光速近くまで加速した電子ビームをアンジュレーターの交替磁場中で蛇行させると蛇行する度に発生する放射光同士が干渉し合いある特定の波長にピークを持つ高輝度でコヒーレントの高い放射光が発生するこの放射光と電子ビームが干渉し合うことで誘導放射が引き起こされ非常に高輝度のレーザーが発生する従来アンジュレーターの前後に対向する鏡を設置して放射光を繰り返し反射することで電子ビームと干渉させていたがこの方式では鏡による反射率が確保できる波長 100ナノメートル以上の光に限定される近年鏡を使用しない自己増幅自発放射 (SASE) 方式が発案されこの方式に基づいてX 線自由電子レーザーの実現に向けた開発が世界的に進められている自由電子レーザーは発振波長が可変であることやレーザー光への変換効率が高いことから医学化学産業分野等への応用が期待されているエネルギー回収型リニアック線形加速器 ( リニアック ) によって光速近くまで加速した電子ビームを一度のリング周回後に再び線形加速器に導いてエネルギーを回収しそのエネルギーを新たな電子ビームの加速に用いる方式のことこの方式では加速に要する電力がほぼゼロになり超伝導線形加速器による大電流加速の場合でも消費電力を低く抑えることが可能となることから放射光の平均輝度の向上に適した加速方式として期待されているまたエネルギー回収型リニアックによる電子ビームが低エミッタンス性短バンチ性を有することから高コヒーレントかつ短パルスの光がX 線領域を含む広い波長領域にわたって得ることが可能となる電子ビームを再び線形加速器に導くまでの間に偏向電磁石や挿入光源を多数設置することにより高品質の放射光を多数のユーザーに同時に供給することが可能となるエミッタンス電子ビームの空間的広がりを表す物理量ビームの品質を表すパラメータの一つでビームの断面積と発散する角度の積に対応する量であるエミッタンスが小さいほど細く平行度の高いビームであることを意味し X 線自由電子レーザーの実現に向けて大電流かつ低エミッタンスの電子ビームを供給する電子銃の開発が一つの鍵となっている

15 円形加速器電磁石の磁場によって荷電粒子の軌道を曲げ粒子運動の軌跡をほぼ円状に限定する加速器のこと円状軌跡の1ヶ所または数ヶ所に加速空洞を置くことで荷電粒子は周回するごとに加速される回折光の波としての性質の一つ物質に光をあてたときにその物質の背後に光が回り込む現象をいう結晶などに光をあてて得られる回折像から結晶構造の解析を行うことができることから SPring-8の放射光 X 線を用いたタンパク質分子の結晶構造解析が進められている電子や中性子も波としての性質を持つことから電子線回折法中性子回折法などによる構造解析手法が確立されている加速管加速空洞高周波電力を投入し内部に高電圧を形成することによって荷電粒子を加速する装置のこと輝度光源の明るさを単位面積単位時間単位立体角当たりの光子密度で表したものパルス光の場合最も明るい時の輝度 ( ピーク輝度 ) をもって光源の明るさを表す場合が多い逆コンプトン散乱波長の短い光を電子にあてると光のエネルギーが電子に渡され電子が反跳を受け光の波長が長くなるこの現象をコンプトン散乱という逆に電子のエネルギーが光に渡され光の波長が短くなる現象を逆コンプトン散乱といい強力なガンマ線を発生する手法として研究開発が進められている高温超伝導超伝導とは物質の温度を極低温に下げたときに電気抵抗がゼロになる現象のこと超伝導になる温度が液体窒素の温度 ( 絶対温度 77K マイナス196 ) 程度以上のものを特に高温超伝導という

16 高加速勾配加速管単位長さあたりの加速電圧が従来のものよりも高い加速管のこと従来のSバンド (2.85GHz) よりも高い周波数 (Cバンド(5.7GHz)) の高周波を用いることにより従来の2~3 倍の加速勾配をもつ加速管加速勾配を大きくすることにより加速器の小型化を可能にした光電子分光放射光を物質に照射しそこから飛び出してくる光電子を計測することで物質内部の電子状態を調べる手法のこと光電離気体に光を当てたときに気体分子から電子が放出されてイオンが生成するこれを光電離といいこれによって生じた電子とイオンで作られた気体を光電離プラズマと言う極めて高い出力のレーザー光を空気中に照射した場合光電離プラズマが形成されることが知られている光励起光で原子や分子系の特定なエネルギー準位の熱平衡状態から大きく偏らせる過程これは原子を特定のより高いエネルギー準位に上げ中間の準位間で反転分布を作る結果となる能動媒質をより高い周波数の光波で励起させて光波の増幅や発振を得る方法光ポンピングともいうコヒーレンス波の進む方向位相 ( 波の山と谷の位置 ) が空間的時間的にそろった状態が十分長く保たれている性質のこと干渉性ともいう多くの波が互いに重なり合って強めあうことができるコヒーレンスの高い光をコヒーレント光というシーディング技術シード光 ( 種光 ) を利用したレーザーの安定化技術のこと自己増幅自発放射 (SASE) 方式で得られる光は原理的にマルチモードであるがシード光 ( 種光 ) を導入しそれを増幅するシーディング技術によってシングルモードの出力安定性の高い光が得られる SASE 光にシーディングが加わることによってデータの精密化が期待されるばかりでなく X 線自由電子レーザーの適用範囲をさらに拡大することが可能になる

17 自己増幅自発放射方式 (SASE 方式 ) 長いアンジュレーターを通る中で電子の軌道が蛇行するたびに放射された光が前方の電子を加速あるいは減速することにより発生波長に等しい間隔で電子密度の濃淡が生じ強いレーザー光を発生させる方式のこと現状の高輝度放射光源では振幅の小さい多数の光がランダムに発生しているが SASE 方式の自由電子レーザーにおいてはそれらの光が重なり会うことによって振幅の大きい単一の光が発生する鏡による共振器を必要としないので X 線領域におけるレーザー光の発振が可能となる真空紫外線光路を真空に維持しないと通せない波長域 ( 空気による吸収が顕著な波長域 ) の光を指す厳密な意味では0.2~180ナノメートルの波長領域を指すが狭義では40~180 ナノメートルの領域を指す 0.2~40ナノメートルの領域は軟 X 線ともいう 2.3~4ナノメートルの波長領域の光は水を透過することから水の窓 Water windowと呼ばれる真空封止型アンジュレーター従来のアンジュレーターでは交替磁場を作る磁石列を真空槽の外に設置していた真空封止型アンジュレーターはコーティング技術等の開発により磁石列を真空槽内に設置することを可能にし磁石間隔の制約を取り除くことに成功したアンジュレーターのこと磁石間隔を非常に狭くすることが可能になるため短周期長の小さな磁石でも十分強い交替磁場が発生しアンジュレーターの長さを非常に短くするとともに X 線レーザーを発振するために必要となる電子ビームのエネルギーを低く抑えることができ施設全体のコンパクト化に貢献するものである本装置は KEKで開発され SPring-8において理化学研究所が実用化した純国産の技術であるスーパーストレージリングスーパーストレージリングは第 3 世代の放射光源の設計をベースとして従来よりも周長を長くし最適な電磁石配置をとることによって低エミッタンスかつ大電流を実現し更に特別に設計した電磁石群によって局所的にエミッタンスを極めて小さくしまた超伝導クラブ空洞などによって電子ビームのバンチ長を短くする等により一部ビームラインにおいて高コヒーレントかつ短パルスの放射光を発生するもの

18 少ない要素技術開発で高品質の放射光を供給できるものと期待されているスピン原子や電子素粒子が持つ量子力学的特性の一つで磁気的な性質を表す赤外線電磁波の一種で可視光線より波長の長いものをいう 700ナノメートル~1ミリメートルの波長域にあるものを指すセルマップ異なる元素で標識した複数の遺伝子発現量を同時に測定し細胞単位での遺伝子発現量の分布や分子の動態を調べてデータベース化するセルマップデータベースが考案されており病理に対する遺伝子レベルでの診断への応用が期待されている線形加速器加速空洞を直線状に並べて荷電粒子を直線的に順次加速する加速器のことビームの質の劣化をもたらす偏向部を持たないので高品位電子ビームを供給できる挿入光源挿入光源とは偏向電磁石による放射光よりさらに質の高い光を得るために考案された装置であって蓄積リングにおいては隣り合った偏向電磁石の間の直線部に挿入されるためにこのような名前がつけられている挿入光源には大別してアンジュレーターおよびウィグラーと呼ばれる2つの種類があるこれらのうち特にアンジュレーターは非常に鋭い特定波長の光が得られるという利点があり SPring-8をはじめとする第 3 世代と呼ばれる放射光施設はアンジュレーターの設置に最適化した蓄積リングを有しているタンパク質 20 種類のアミノ酸を基本ユニットとしてそれらが結合して鎖状につながり折り畳まれて立体的な構造を持った高分子化合物のこと遺伝子の情報はアミノ酸の種類順序を決めているに過ぎずタンパク質の働きは立体構造と深い関係を持つことからタンパク質の機能を解明するためには立体構造を知ることが必要である

19 タンパク質の立体構造の解析には NMR( 核磁気共鳴 ) や放射光などのX 線が用いられる NMRでは分子量の大きさに制約があるものの動きのあるタンパク質の構造決定が可能となる一方 X 線ではタンパク質分子の結晶化が必要となるが巨大分子の解析も可能となる蓄積リング電子陽電子などの荷電粒子を長時間一定のエネルギーで周回軌道に蓄積するための円形加速器放射光発生用に適した加速器の一つ中性子線中性子は陽子とともに物質の原子核を構成する粒子でそのビームを中性子線という中性子は電荷が無く物質中の電子を通過して直接原子核と作用することから X 線では観測困難な物質中の水素の検出や同位体の観察に適している超伝導加速空洞金属超伝導体を加工して作製した加速空洞または空洞の内側に超伝導体をコーティングした加速空洞のこと通常の加速空洞は銅で作製されるが高周波によって加速電圧を形成すると空洞内側に誘導電流が流れ銅の電気抵抗によるジュール熱によって発熱するため投入できる高周波のパワーが限られることになる空洞内側を電気抵抗がゼロの超伝導体にすると発熱が抑えられるため投入するパワーを大きくできより大電流の電子ビームを加速することが可能となる超伝導クラブ空洞進行方向に細長く伸びた電子のバンチを横方向にキックしてカニのように横歩きをさせる空洞のこと一般に空洞は電場を使って電子ビームを加速するものであるがクラブ空洞は磁場によって横方向の力を加えるものである横歩きするバンチを進行方向から見るとバンチの長さが短くなったように見えることから短パルス放射光を発生させるための技術として期待されている電子銃固体中の電子を熱や高電界によって空間に放出し高電圧によって加速することで電子ビームを生成する装置のこと電子銃において電子を放出する物質のことをカソード ( 陰極 ) という

20 電子ボルト (ev) 素粒子原子核原子分子などのエネルギーを表す単位 1eVは電気素量 eの電荷を持つ粒子が真空中で電位差 1Vによって加速されるときに得るエネルギー 1eV= J( ジュール ) 加速器の加速能力を表す場合に用いられ放射光科学の分野では光のエネルギーも電子ボルトで表すことが多いトップアップ運転放射光実験にとって理想的なのは高輝度の放射光が長期間にわたり安定に供給されることである高輝度光を実現するには電子を狭い空間に集め高密度のバンチとして蓄積しなければならないがこのような高密度バンチ内では電子同士の反発が強く電子ビームが散乱し蓄積電流が減少してしまうこの現状を打開し長時間にわたり高輝度の放射光を供給するため電子の損失分だけを継ぎ足して常に蓄積電流を一定に維持する方法が採られておりこの運転方法をトップアップ運転というトライアルユース産業界等が抱える研究開発分野応用開発分野等の問題のうち SPring-8の高輝度放射光を利用することにより技術的ブレイクスルーが期待されるものを対象として 2003 年度より実施している制度地域産業活性化のためのイノベーション新産業の創出を支援することを目的としているナノメートル (nm) 1ナノメートルは10 億分の1メートル 1nm=10 9 m ほぼ原子の大きさに匹敵する現在の電子デバイスではナノメートルの領域を対象とする技術が使われておりこれらの技術を総称してナノテクノロジーというパルス間欠的に発光する ( 点滅を繰り返す ) 光の一回の発光をパルスとよぶ発光の持続時間をパルス長またはパルス幅というバンチ加速された荷電粒子の一塊のこと放射光源の場合進行方向の長さがパルス幅に相当し進行方向と垂直の断面積がエミッタンスに相当する

21 ビームライン偏向電磁石や挿入光源で発生した放射光を照射実験を行う実験ハッチまで導くための一連の装置群を総称してビームラインというビームラインを構成する装置には必要な幅で放射光を切り出すスリットや放射光の進行方向を変えるとともに湾曲面を利用して集光を行うミラー必要な波長の光だけを切り出す分光器放射光の位置や強度を計測する各種モニターなどがある挿入光源を放射光の発生源とする場合挿入光源も含めてビームラインと呼ぶことがある光誘起相転移物質に僅かな光をあてただけで物質を構成する原子や電子に新しい秩序が成長し構造や物性の変化が生じることがあるこのような現象を総称して光誘起相転移というフェムト秒 (fs) 1フェムト秒は1,000 兆分の1メートル 1fs=10 15 s 化学反応中の原子や分子の動きを捉えることができる時間領域偏向電磁石荷電粒子の軌道を曲げるための磁場を形成する電磁石のこと放射光ほぼ光速で進む電子の軌道を磁場によって偏向した際に軌道の接線方向に放射される強い電磁波のことを放射光という物質の分析反応解析等のための画期的な手段として材料科学地球科学生命科学医療等の幅広い分野の研究への利用が期待されている放射光源とは放射光を発生させる装置を指す膜タンパク質タンパク質を存在環境から分類すると水溶性タンパク質と膜タンパク質に分けられる膜タンパク質は細胞の内外をつなぐ情報のやりとりなど生体内で重要な役割を果たしているが生体膜という極めて疎水的な環境に存在するためタンパク質そのものを安定に抽出することが難しく X 線結晶構造回折やNMRによる構造解析が困難である

22 誘導放射エネルギーの高い状態にある電子が同じエネルギーを持った別の光子に誘発されて光子を出す放射のことあるエネルギー準位にある原子もしくは分子が低いエネルギー準位に電磁波を放出して移動するときそれに等しい振動数の電磁波を外部から加えるとその加えた電磁波と同じ振動数を持ち加えたエネルギー密度に比例した放射を放出する現象レーザー誘導放射の原理を利用して位相 ( 光の波の山と谷 ) の揃った単色光を作り出す発振器またはその発振器により発生する単色光のこと語源はLight Amplification by Stimulated Emission of Radiationの頭文字をとったもの光通信ホログラフィー臨床医学あるいは金属の切断など幅広い分野に利用されている

Design of Soft X-ray Undulator for LSS at SPring-8

Design of Soft X-ray Undulator for LSS at SPring-8 次世代放尃光源としての X 線自由電子レーザー田中隆次理化学研究所 XFEL 推進本部加速器建設グループ光源チームリーダーシンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成レーザー発振の原理 SPring-8 における XFEL 開発シンクロトロン放尃光とは? 第三世代放尃光源第四世代放尃光源としてのXFEL 高品質電子ビームの生成レーザー発振の原理

科学技術・学術審議会 研究計画・評価分科会(第19回）配付資料 ［資料9-2（3）］

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