大型放射光施設 SPring-8

公開日

2013年09月24日

2013年9月24日
独立行政法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター
国立大学法人京都大学
国立大学法人東京農工大学

本研究成果のポイント
• 理研のXFEL施設「SACLA」を使い新X線吸収分光法の実証実験に成功
• 分割した2本のX線ビームを使って広域のX線吸収スペクトルを一括計測
• 化学反応の原子や分子の動きなど超高速現象をとらえる技術確立へ

背　景
　X線吸収分光（XAS：X-ray absorption spectroscopy）は、特定の元素に起こるX線吸収を観測し、液体・固体・気体といった試料の形態を問わず、注目する原子周辺の幾何構造や電子構造を知ることができる実験手法です。そのため、原理的には化学反応の全容を理解することが可能ですが、反応初期の超高速現象を追跡するにはパルス幅の短いX線を用いて反応途中の一瞬を切り出して（フラッシュをたいて写真をとるように）観察する必要があります。しかし、従来の放射光はそのパルス幅の短縮に限界があり、フェムト秒の時間スケールで起こる化学反応を追跡することは困難でした。SACLAや米国のLCLS^[5]に代表されるX線自由電子レーザー（XFEL）施設から発振されるレーザーは、オングストローム（1Å：100億分の1メートル）レベルの波長と数十フェムト秒以下のパルス幅を持つ新しいX線です。XFELの特性を利用することで原子や分子の瞬間的な動きをとらえることが可能になると期待されています。ただ、現状のSACLAでは1秒間に発生できるX線パルスの数が20パルスと少ないため、十分な信号雑音比のデータを積算するには、1パルスで得られる情報量がなるべく多い高効率な分光法の開発が必要です。
　従来のX線吸収分光では、狭いエネルギー範囲のX線を分けて取り出し、そのX線のエネルギーを少しずつ変えながら試料に照射します。そして、X線のエネルギーごとに、試料前後のX線強度の比（規格化）をとって、吸光度^[6]を計測します。一方で、XFELは広い波長帯域（約50eV）を持つため、その帯域に応じたエネルギー領域の吸光度を一括計測するのに向いています。XFELでしか得られない短パルス性という利点を生かすには、この一括測定が必要となります。
　しかし、XFELのスペクトルは微細なスパイク形状の集まりになっているため（図1a）、入射X線の明るさは波長によって極端に変動します。そのため、XFELの波長帯域（50eV）と同程度の吸収スペクトルを得るには、試料前後のX線のスペクトルを同時に計測する必要があります。そこで共同研究グループは、XFELを2つに分割し、2種類のスペクトルを同時に観測して吸光度を算出する手法を考案しました。

研究手法と成果
　共同研究グループは、XFELを分割するため透過型回折格子を使用しました。 XFELを透過型回折格子に照射することにより発生する2本の回折光は、異なる光路を伝搬するため、片方の光路のみに試料を設置することが可能です。この手法では同時に2種類のスペクトルを観測するため、スペクトルの波形がパルスごとに変化するSASE（自己増幅自発放射）方式^[7]のXFELにおいても、正確な吸光度を効率よく計測することができます。
　共同研究グループは、SACLAのビームラインにおいて、楕円ミラー、シリコン分光結晶、高感度のX線CCDカメラを組み合わせたスペクトロメーターに分割した2本のX線ビームを導入し（図1b）、スペクトルの計測を行いました（図2）。片方の光路にのみ亜鉛薄膜や鉄アンモニウム錯体水溶液を試料として設置し、試料を透過するX線と透過しないX線の2種類のスペクトルを計測しました。その結果、広範な波長範囲の吸収スペクトルを一括に計測することができました（図3）。本手法で計測したX線吸収スペクトルは、従来の手法で測定した参照用のX線吸収スペクトルとよく一致しており、正確に吸光度を計測できることが分かりました。

今後の期待
　XFELと同程度のパルス幅を持ち、化学反応のトリガーとして使える光学レーザーを今回開発した手法と組み合わせることにより、超高速の化学反応を追跡するフェムト秒時間分解でのX線吸収分光が可能になります。また、X線ビームを分割することによりXFELの一部を切り出してパルスごとのスペクトルを測定できることが示されました。今後の研究開発により、XFELパルスの時間幅の測定や、光学レーザーとXFEL間のタイミング計測を、他の実験と並行して行えるようになると予想されます。これらの情報をパルスごとに評価することは、XFELの短パルス性を生かすために重要であり、超高速現象の解明に役立つことが期待できます。

《参考図》

《用語解説》
[1]　X線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free Electron Laser）、SACLA
X線自由電子レーザーとは、X線領域におけるレーザーのこと。従来の半導体や気体を発振媒体とするレーザーとは異なり、真空中を高速で移動する電子ビームを媒体とするため、原理的な波長の制限はない。SACLAとは、理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL施設。科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして位置付けられ、2006年度から5年間の計画で建設・整備を進めた。2011年3月に施設が完成し、SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser の頭文字を取ってSACLAと命名された。2011年6月に最初のX線レーザーを発振、2012年3月から共用運転が開始され、利用実験が始まっている。大きさが諸外国の同様の施設と比べて数分の1と、コンパクトであるにも関わらず､ 0.1ナノメートル以下という世界最短波長のレーザーの生成能力を有する。

[2]　X線吸収分光法（XAS：X-ray absorption spectroscopy）
試料にX線を照射すると、試料に含まれる元素に固有なエネルギーのX線が吸収される。照射するX線のエネルギーを変えながら物質による吸光度を測定する実験方法で、注目した原子周辺の局所的な構造や化学状態を知ることができる。分析する試料は結晶にする必要がなく、軽元素以外は大気中でも測定可能なため、測定できる試料の自由度が高い。

[3]　パルスの時間幅（パルス幅）
パルス光は一定の時間（時間幅）だけ発生する光のこと。パルス光の周期は、1秒間にパルス光が発生する回数であり、パルスの時間幅とは直接的には関係ない。

[4]　透過型回折格子
周期的な凹凸構造を持った光学素子。X線を照射すると透過する光に加えて、散乱波が互いに干渉しあい、特定の方向にだけ強い回折波（回折光）が進行する。

[5]　LCLS
米国スタンフォード線形加速器センター（現在のSLAC国立加速器研究所）で建設された世界で初めてのXFEL施設。Linac Coherent Light Sourceの頭文字をとってLCLSと呼ばれている。2009年12月から利用運転が開始された。

[6]　吸光度
光が物質を通過した際にどの程度弱まるかを示す無次元量（α）。入射光強度I₀と透過光強度Iの比の対数をとり、吸収がある場合を正とするために負号を付けたもの。
α=-1n(I / I₀)

[7]　SASE（自己増幅自発放射）方式
Self Amplified Spontaneous Emissionの略。短波長のX線では反射率の高い鏡が存在せず共振器を作ることができない。そのため、加速した電子を非常に長いアンジュレータ（磁石列を上下に配置して、その間を通り抜ける電子から明るい光を放射させる装置）に通して、後ろの電子から出る光と前の電子との相互作用によって電子を波長間隔に並べ、コヒーレントなX線を発生させる方式。SASEのスペクトルおよび時間構造は、微細に観測すると細かいスパイク形状の集まりとなる。