大型放射光施設 SPring-8

公開日

2012年03月06日

2012年3月6日
独立行政法人 理化学研究所
財団法人 高輝度光科学研究センター

1　概要
　X線自由電子レーザー（XFEL）は、X線とレーザーの特性を併せ持つ優れた光です。X線は波長が短く、小さな物質を観察するのに適した光であるため、原子・分子レベルでの物質の構造や性質を調べるときに用いられています。一方レーザーは、光の波が完全にそろっている（コヒーレントである）ため、指向性と集光性に優れており、微細加工や測量、CD・DVDなどの読み書きに用いられています。
　このX線とレーザーの特性を併せ持つXFELを利用するため、日・米・欧の3箇所でそれぞれ施設の建設が進められてきました。日本では、理研が日本独自の「コンパクト」なXFEL施設の計画を考案し、第3期科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして選定されました。2006年から5年計画でSACLAの建設を進め、計画通り2011年3月に施設が完成しました。建設には300社を超える国内企業が関わっており、日本の技術力を集結した施設であるといえます。
　SACLAは、隣接する大型放射光施設SPring-8^※2（スプリングエイト）とともに、「特定先端大型研究施設の共用の促進に関する法律」における特定放射光施設として指定されており、広く研究者などに提供することが義務づけられています。SACLAは、施設完成後わずか3カ月の調整運転で、波長0.12 nmのXFELの発振に成功（2011年6月）し、その後順調に調整を進め、現在は世界最短波長0.063 nmを達成、2012年3月7日から供用運転を開始する運びとなりました。当初行われる実験としては、タンパク質の微小結晶を用いた構造解析や細胞小器官のイメージング実験、フェムト秒時間分解能での物質の反応ダイナミクスの測定等が挙げられます。

2　XFELの特徴
　SPring-8は、「放射光」と呼ばれる強力なX線を利用して、物質の原子・分子レベルでの構造や性質を解き明かしてきました。しかし、放射光は光の波がそろっていない（コヒーレントでない）ため、この強力な光でも照らすことのできない未知の世界があります。SACLAの光は、これまで誰も捉えることのできなかった世界を解き明かすことのできるツールとして期待されています。
　SACLAの発生するXFELの特徴は、①極めて明るいこと（SPring-8のX線の1000億倍の明るさ）、②発光時間が10兆分の1秒と極めて短い（短パルスである）こと（SPring-8の1000分の1）、③波が完全にそろっている（コヒーレントである）ことです。明るい光は小さなものを強く照らします。短パルスの光は高速で動く物質の一瞬の姿を鮮明に切り取ることができます。コヒーレントな光は干渉性が高く、より鮮明な干渉縞を得ることができます。
　これらの特徴により、例えばタンパク質などの観察対象を結晶化することなく1分子だけで構造を調べることができます。そのため、これまで結晶化が困難で解析が進まなかった疾病に関わる重要なタンパク質を直接構造解析することが可能となり、疾病の原因解明や新薬の開発などが期待されています。また、化学反応などにおける電子の超高速な動きを10兆分の1秒という超短時間のコマ送りで観察することが可能になり、優れた触媒や燃料電池などの開発が大きく進展することなどが期待されています。
　理研とJASRIはユーザーと協力し、SACLAを利用して世界に先駆けて優れた研究成果を生み出していきます。

《補足説明》
＊1　LCLS
米国カルフォルニア州のSLAC国立加速器研究所に建設されたXFEL施設で、Linac Coherent Light Source（線形加速器コヒーレント光源）の略。2009年に稼働。

＊2　大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設。「放射光」とは、光速に近い速度で加速した電子の進行方向を電磁石で変えたときに発生する、強力な電磁波（X線）のこと。SPring-8の名前は「Super Photon ring-8 GeV」に由来する。1997年10月から供用運転を開始。年間およそ1万人のユーザーがこの放射光を利用。これまでに延べ13万人を超える研究者に利用されてきた。ナノテクノロジーやバイオテクノロジーなどの分野で、基礎研究から産業利用に至る幅広い研究開発を行っている。