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らむとべ
5 years ago
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1 X 線自由電子レーザーシンポジウム 10 月 19 日大阪大学レーザー研 X 線自由電子レーザーを用いた利用研究登野健介理研 /JASRI X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 1

2 科学の基本中の基本 : 光 ( 電磁波 ) による観察顕微鏡望遠鏡細胞の顕微鏡写真赤外望遠鏡 ( すばる ) で観測した銀河 2

3 20 世紀の偉大な発明 : 2 種類の人工光源レーザー LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 位相の揃った高品質な光 ( コヒーレント光 ) シンクロトロン放射光荷電粒子の加速度運動に伴う電磁波放射荷電粒子 S N S N S N S N N S N S N S N S 強力な X 線源 3

4 次世代 X 線光源 :X-ray Free Electron Laser (XFEL) [coherence h ] コヒーレント高強度超短時間パルス X 線光源 LASER XFEL Lamps Synchrotron Light 10 μm 1 μm 100 nm 10 nm 1 nm 1 Å THz IR VIS UV SX X [wavelength ] 4

5 従来の X 線光源 (SPring-8) との特性比較 XFEL SPring-8 Wavelength > 60 pm ビームラインによる Peak power 29 GW 1MW Pulse energy ~1 mj 10 nj Number of Photons /pulse ~10 5 /pulse Coherence (transverse) 2D coherent 1D coherent Bose degeneracy Pulse width 6~30 fs 30 ps 1 pm = m 1 fs = s 矢橋石川 ( 編 ), XFEL/SPring-8 Beamline Technical Design Report, (2008) 5

6 XFEL のおもな特徴波長が短い (~0.1nm) 明るい ( 既存放射光の 10 億倍の輝度 ) コヒーレンスが高い ( 位相がそろっている ) 短時間パルス (6~30 fs) 位相がそろった波そろってない波 6

7 XFEL の特徴を活かして微小な領域を観察する < 1 nm 細胞光合成 ATP 分子 ~10 nm ( 出典 :Wikipedia) 従来の X 線源による観察法 X 線結晶 7

8 どこまで微小な構造を観察したいのか? ~1μmμ ~10μm <1nm ( 出典 : Wikipedia ) 8

9 従来 X 線光源 (SPring-8) を利用した観察例ウィルスの観察電子顕微鏡電子顕微鏡空間分解能 : 22 nm XFELの利用原子分子スケール (1 nm 以下 ) の分解能へ Song et al, Phys. Rev. Lett. 108, (2009) 9

10 XFEL の特徴 (1) 波長が短い (~0.1nm) 10

11 次世代 X 線光源 XFEL 従来の X 線光源 (SPring-8) との特性比較 XFEL SPring-8 Wavelength > 60 pm ビームラインによる Peak power 29 GW 1 MW Pulse energy ~1 mj 10 nj Number of Photons /pulse ~10 5 /pulse Coherence (transverse) 2D coherent 1D coherent Bose degeneracy Pulse width 6~30 fs 30 ps 11

12 光でどこまで小さな構造を観察できるか? 波長と分解能回折限界光の回折による影響レンズ結像回折によって決まる分解能 : δ = 1.22 λ f /D λ: 光の波長 f 光源 ( 試料 ) (f /D はせいぜい 1 程度 ) D 分解能は波長程度に制限される : 可視光だと 0.1 μm~1 μm 程度 (cf. 100 V で加速した電子線の波長 :0.12 nm) 12

13 原子分子スケールの波長の光 = 硬 X 線原子分子生体高分子 ( タンパク質など ) ウイルス半導体素子細菌可視光で見える細胞可視 X 線 ( 硬 X 線 ) 軟 X 線 / 極紫外紫外赤外マイクロ波 / 電波 100 pm 1 nm 10 nm 100 nm 1 μm 10 μm 100 μm 1 mm 波長 XFEL 13

14 波長が短いだけでは不十分波長 025nm 0.25 の X 線 (SPring-8) によるウィルスの観察電子顕微鏡電子顕微鏡空間分解能 :22nm もっと明るく高品質な光が必要 Song et al, Phys. Rev. Lett. 108, (2009) 14

15 XFEL の特徴 (2) 波長が短い (~0.1nm) 明るい ( 既存放射光の 10 億倍の輝度 ) 15

16 次世代 X 線光源 XFEL 従来の X 線光源 (SPring-8) との特性比較 XFEL SPring-8 Wavelength > 60 pm ビームラインによる Peak power 29 GW 1 MW Pulse energy ~1 mj 10 nj Number of Photons /pulse ~10 5 /pulse Coherence (transverse) 2D coherent 1D coherent Bose degeneracy Pulse width 6~30 fs 30 ps 16

17 小さな領域を明るく照らす直射日光 10 cm 10 9 W /(10 μm) 2 XFEL X 線集光鏡 10 μm W /(10 μm) 2 17

18 もっと明るく : X 線のナノメートル集光 ( 実測 ) ( 計算 ) 集光サイズ<10 nm ~10 18 W /(10 μm) 2 Mimura, Yamauchi et al, Nature Phys. (2009) 18

19 XFEL の特徴 (3) 波長が短い (~0.1nm) 明るい ( 既存放射光の 10 億倍の輝度 ) コヒーレンスが高い ( 位相がそろっている ) 19

20 次世代 X 線光源 XFEL 従来の X 線光源 (SPring-8) との特性比較 XFEL SPring-8 Wavelength > 60 pm ビームラインによる Peak power 29 GW 1 MW Pulse energy ~1 mj 10 nj Number of Photons /pulse ~10 5 /pulse Coherence (transverse) 2D coherent 1D coherent Bose degeneracy Pulse width 6~30 fs 30 ps 20

21 コヒーレントな光を利用して物質の構造を調べる 1 次元の構造解析 (cf. ヤングの実験 ) 干渉パターン散乱点試料波長 λ a x L a Lλ x 干渉パターン (x) を観測して試料の構造 (a) が分かるただし入射光の位相がそろっていることが条件 21

22 回折パターンのコントラストとコヒーレンス FELのコヒーレントな光スリットミラー普通の放射光スリットスクリーン 100 μm Int tensity 2 FEL 普通の放射光計算 μm Position (mm) 22

23 2 次元の構造解析コヒーレントX 線の2 次元回折パターンを観察して電子 ( 散乱体 ) の分布を調べる 2 次元回折パターン試料 23

24 コヒーレント X 線回折イメージング微分 X 線散乱断面積 dσ dω 2 F(k) 構造因子 ( 電子密度のフーリエ変換 ) 回折パターン i r e k F ( k ) = ρ ( r )e d r 位相回復 ρ (r) : 電子密度 Sample フーリエ変換計算機を用いた試料イメージの再構成試料イメージ Y. Nishino et al., PRL 102, (2009). 24

25 SPring-8を利用した2 次元構造観察例銀キューブのコヒーレント X 線イメージング銀キューブ (SEM 像 ) 分解能 : 3nm Y. Takahashi et al., PRB 80, (2009) 25

26 3 次元の構造解析試料を回転させる GaN 粒子の 3 次元像 26

27 SPring-8 を利用した 3 次元構造観察例ヒト染色体 (~1 μm) の 3 次元像 500 nm 分解能 : 120 nm X 線を利用することにより内部構造も観察できる Y. Nishino et al., PRL 102, (2009). 27

28 波長 0.1nm の XFEL の到達分解能 ( 計算 ) ( 理研徳久博士 ) XFEL を直径 100 nm に集光して生体分子を観察する場合 1 14 分解能 /n nm log[ 入射光子数 ] 試料サイズ ( 球形を仮定 ) /nm

29 試料が高速で動いている場合はどうなるのか? 原子分子の運動の時間スケール並進運動環境による ( 時速 ~1000 km/h) 分子の回転 ~10 ps 分子の振動 ~100 fs 電子の運動 ~1 fs 29

30 XFEL の特徴 (4) 波長が短い (~0.1nm) 明るい ( 既存放射光の 10 億倍の輝度 ) コヒーレンスが高い ( 位相がそろっている ) 短時間パルス (~30 fs) ( 露光時間 1/125 秒 ) 30

31 次世代 X 線光源 XFEL 従来の X 線光源 (SPring-8) との特性比較 XFEL SPring-8 Wavelength > 60 pm ビームラインによる Peak power 29 GW 1 MW Pulse energy ~1 mj 10 nj Number of Photons /pulse ~10 5 /pulse Coherence (transverse) 2D coherent 1D coherent Bose degeneracy Pulse width 6~30 fs 30 ps 31

32 短時間パルス ( 露光時間 ) で素早い動きを捉えるシャッタースピードが遅い写真シャッタースピードが早い写真 ( 露光時間が長い ) ( 露光時間が短い ) 32

33 どこまで早い動きを捉えたいのか? 光合成化学反応の時間 : ピコ秒 (ps)~ フェムト秒 (fs) ~1 nm ATP 分子 1 ps = s, 1 fs = s 33

34 原子分子スケールで構造と動きを見る XFEL を用いた単一粒子の構造解析 XFEL -2 fs 2 fs 5 fs 10 fs 20 fs 50 fs Neutze, Nature 406 (2000) 34

35 まとめ光を利用して微小な領域を観察する観察者の要求もっと細かくもっと明るくもっとくっきりと一瞬の動きまで光源に求められる性能短波長高輝度高いコヒーレンス短時間パルス X 線自由電子レーザー 35

科学技術・学術審議会研究計画・評価分科会研究評価部会（第23回）議事次第［資料1－3］［参考資料3］

科学技術・学術審議会研究計画・評価分科会研究評価部会（第23回）議事次第［資料1－3］［参考資料3］ X 線自由電子レーザー計画の概要参考資料 3 X 線自由電子レーザーの概要 SPring-8 の 10 億倍を上回る高輝度の X 線レーザーを発振し原子レベルの超微細構造化学反応の超高速動態変化を瞬時に計測分析することを可能とする世界最高性能の研究基盤施設 X 線自由電子レーザー (X-FEL) を実現するこれによりライフサイエンス分野やナノテクノロジー材料分野など様々な科学技術分野に新たな研究領域を開拓する