大型放射光施設 SPring-8

公開日

2001年02月28日

平成13年2月28日
理化学研究所

１．背景
　SPring-8は、挿入光源としてレーザーに近い性質を持つ高輝度Ｘ線^※３を発生できるアンジュレータ（図１）を多数設置できるように設計された第３世代の大型放射光施設^※４です。アンジュレータは、加速器の偏向電磁石間の直線部分にＮおよびＳ磁極をハーモニカのように上下に配置し、その間をすり抜ける電子ビームを蛇行させることで、その運動方向を変え、高輝度の放射光を発生させます。既存のアンジュレータの装置長は、長くても5ｍ程度しかありません。ところが、SPring-8ではその設計段階（1990年）から、第３世代の次に到来する第４世代放射光源を展望しており、20ｍを越える装置長を持つアンジュレータの設置が可能となっています。
　次世代の第４世代放射光源とは、第３世代放射光源の特質に極短パルス特性^※５を持たせたもので、短い時間に干渉性に優れたＸ線が大強度で得られるような光源です。この光源は、レーザーの特質をすべて備えていることから、Ｘ線自由電子レーザーと呼ばれており、これを実現するための大前提として高性能加速器と20ｍを越える長尺型のアンジュレータが必要となります。今回の開発はこの考えに沿って開発、製作されたものです。

２．開発経過
　アンジュレータの長さを増やしていくと、電子の蛇行回数が増えるため理論上は、Ｘ線の輝度特性が飛躍的に向上します。しかし、実際には期待したほどの性能が得られないことが多いのが事実です。理論値に達する性能を得るためには、工学上の多くの問題点を解決しなければなりません。
　本研究で製作したアンジュレータの装置長は27ｍ。電子ビームを蛇行させるための永久磁石部の長さは25ｍとなっており、磁場周期長を32mmに設計したことにより蛇行の繰り返し数（周期数）は780回となります。これほどまでに長いアンジュレータは、今まで建設されたことがありません。従来の考え方では、5ｍ毎に装置を分割することが推奨されていました。しかし、分割によって磁石列にすき間ができるため、放射光性能が著しく低下することが問題になっています。これを避けるために本研究では、わが国独自の技術である真空封止アンジュレータ技術を投入しました（図２）。この結果、25ｍにわたって切れ目のない磁石列を実現することができました。
　もうひとつの重要な技術は、完全に近い周期磁場をつくることです。これにエラーが存在すると正確な蛇行運動が期待できなくなり、結果として放射光性能が劣化することになります。本装置では、世界最高水準の磁場評価技術を適用することにより、理論値に近い放射光性能を得ることができました。図３は、SPring-8直線部に設置した27ｍアンジュレータの写真です。

３．性能評価
　性能評価を行うために、本装置で発生した高輝度Ｘ線のスペクトルを測定しました。光子エネルギー18.8keV（波長0.66オングストローム）が得られるよう磁石ギャップを50mmにしたところ、図４の赤色曲線で示すスペクトルが得られました。しかし、黒色曲線で示した理論値と比較して、“光子エネルギー位置がずれている”、“光強度が不足している”、“スペクトル幅が広い”という結果が得られました。そこで27ｍアンジュレータ全体に0.1ガウスの一様磁場を与えたところ、緑色曲線で示すように理論値にほぼ一致する結果が得られました。
　このような現象がみられた主たる原因は、地磁気（0.5ガウス程度）の方向性であることが判明しました。これは、本装置の磁場調整を行った方向と、最終的に設置した方向とに90°の違いがあったためです。今まで、地磁気がアンジュレータのスペクトルに影響を与えたという例は報告されたことがありません。それだけに、このアンジュレータが高度に調整されていることを物語っております。
　図５は、第１次光の光子エネルギーが7.5keV（1.7オングストローム）となるよう、磁石ギャップを12ｍｍにしたときに得られたスペクトルです。第1次光以外に、第3次光と第5次光の鋭いスペクトルピークが22keV（0.56オングストローム）、37.5keV（0.33オングストローム）で得られています。
　図６は、アンジュレータから発生するＸ線の輝度を表しています。光子エネルギーが10keVの場合、27ｍアンジュレータは９×10²⁰（単位：光子数/sec/mm²/mrad² in 0.1% b.w.）、SPring-8の4.5ｍアンジュレータでは2.3×10²⁰、欧州共同のESRFの5ｍアンジュレータでは1.7×10²⁰となっております。さらに、40keVの場合、27ｍアンジュレータは2.2×10²⁰、4.5ｍアンジュレータ（SPring-8）は７×10¹⁹、ESRFでは1.7×10¹⁹となっています。

４．今後の展開
　SPring-8の光源性能は、標準長（4.5m）のアンジュレータだけでもすでに世界トップの位置にあります。供用開始以来３年以上の歳月を経ましたが、この間、高輝度Ｘ線を利用する科学分野は大きく前進しました。その一方、干渉性に優れたＸ線の利用が生命線となっているイメージング分野や、空間的にも時間的にも高密度のＸ線を必要とする非線形光学などの研究分野では、光強度の不足が指摘されています。しかし、本研究で開発した27ｍアンジュレータが発生する超高輝度領域のＸ線は、SPring-8標準型に比べても格段に優れており、これらの科学分野の要望に十分対応できるものとして大きな期待が寄せられております。
　さらに、本開発の過程で得られた高精度の長尺アンジュレータ技術は、新世代光源を実現するための大前提であり、第４世代放射光源といわれるオングストローム領域のＸ線自由電子レーザーの早期実現を促すものともいえます。

《参考資料》

＜補足説明＞

※１　イメージング手法：
　超平行Ｘ線が必要な屈折イメージング、干渉性に優れた（位相のそろった）Ｘ線ビームが必要な位相コントラストイメージングとＸ線ホログラフィーイメージングなどの先端的結像手法。いずれも医学、生命科学および材料・電子デバイス分野で重要な手法となることが期待されている。
　　
※２　オングストローム領域：
　Ｘ線の波長領域の定義は科学分野によって異なる。構造解析を手法とする科学分野では、波長2オングストローム以下をＸ線と呼ぶのに対して、レーザー科学分野では100オングストローム、あるいは1000オングストローム以下をＸ線と呼ぶことがある。オングストローム領域のＸ線とは、1オングストローム付近あるいはそれ以下の波長をもつ正真正銘のＸ線に限定される。

※３　高輝度Ｘ線：
　レーザーのような空間的特性（小さなビーム径と優れた平行性）をもつＸ線。これに対し医学用Ｘ線発生装置は、完全無指向性Ｘ線光源。高輝度Ｘ線の特徴は微小面積に干渉性に優れた大強度のＸ線ビームを得ることができる。

※４　第３世代放射光施設：
　現存する放射光施設は以下の3つのカテゴリーに分類される。
　（1）第１代放射光：素粒子実験用に建設した電子蓄積リングから副産物として得られる放射光を寄生的に利用、あるいは後に放射光専用に転用したもの
　（2）第２代放射光：光利用のために建設した電子蓄積リングであるが今や古典的ともいえる偏向部放射光利用を主力とするもの
　（3）第３世代放射光：挿入光源（特にアンジュレータ）に最適化した電子蓄積リングで干渉性に優れた高輝度放射光を発生するもの。
　米国スタンフォード大学のSSRLは現存する数少ない（1）のカテゴリーに属する施設。（2）に属する施設は世界各国で活躍しているが、代表的なものでは最初の放射光専用リングである東大物性研のSOR-RING（運用終了）、筑波のフォトンファクトリー、米国ブルックヘブン研究所のNSLSなどがある。一方、（3）のカテゴリーに属する施設はＸ線領域に限定すると、欧州共同のESRF、米国アルゴンヌ研究所のAPS、そしてSPring-8がある。

※５　極短パルス特性：
　放射光は、決して直流的な光ではなく必ずパルス光の列として得られる。その典型的なパルス幅は加速器によって異なるが短くても50ピコ秒程度である（1ピコ秒は10-12秒）。これを通常のパルス特性とすると極短パルス特性とは、極めて短いパルス幅（0.1ピコ秒以下）をもつ光の特性のことをいう。複数の光子が同位置に同時到着するが可能性が期待されることから非線形光学分野にとって欠くことのできない光の性質。