大型放射光施設 SPring-8

公開日

2014年03月15日

2014年3月15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
大学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所

本研究成果のポイント
• SACLAで照らし出した世界を捉える「目」の役割を果たす
• SACLAの基幹技術となるX線イメージング検出器の開発に成功
• CCDセンサーの先端技術を駆使、総合性能と安定性で世界最高性能

背　景
　X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」のXFEL光は、大型放射光施設「SPring-8^[3]」の放射光よりも約100億倍明るいことに加えて、パルス幅が約1,000分の1の10フェムト秒以下と非常に短いのが特徴です。さらにX線の波が全てそろったコヒーレンス性を備えています。これらの特徴を利用して、未知のX線現象の発見や、創薬につながるタンパク質の構造解析や、触媒の反応メカニズムを探る原子レベルの実時間観測といった基礎科学分野から、レーザピーニング^[4]による金属疲労防止効果のメカニズム解明などの産業利用分野まで、多岐にわたる研究テーマが実施されています。
　X線イメージ検出器は、これら全ての実験に必須です。SACLAで発生させたX線パルスが試料に照射されたのち、透過もしくは回折してくるX線を正確に捉える「目」の役割を担うのが、X線イメージ検出器だからです。この「目」には、SACLAの光の特性を最大限に活用し、高精度な計測を実現するべく、1光子以下の微弱な信号から数千光子を超える強い信号まで正確に測ることが求められています。しかし、このような高いスペックを満たす検出器はこれまで存在しませんでした。
　第1の課題は放射線への耐久性です。XFEL用のイメージ検出器に求められる性能を実現できるのは、現時点では半導体センサーだけです。しかし、半導体センサーは精緻な部品で、X線が大量に照射されると損傷を起こし壊れてしまいます。XFELで用いられる場合、センサーは1年間で医療用レントゲン撮影の1億回以上のX線量を浴びると予想されており、この過酷な使用環境に耐えなければなりません。
　2つ目は、多くのX線光子を検出するための電荷の集め方です。X線はセンサーの中でプラスとマイナスの電荷に変換されます。マイナスの電荷はプラスの電極に、プラスの電荷はマイナスの電極に集めて電気信号として検出します。XFEL実験では、数フェムト秒（1フェムト秒は10^-15秒）という短い時間内に飛来する数多くのX線光子が検出器に到達するので、センサーの中には大量の電荷が同時に発生します。その結果、プラスとマイナスの電荷同士が引きつけ合って電極に集められてしまうため、従来の半導体センサーでは検出が不可能でした。
　3つ目は、1秒間に60フレーム撮像するという高速撮影への対応です。XFELは1秒間に60パルスのX線を発生しますが、パルスごとの微妙な違いもすべて測定する必要があるため、すべてを正確な画像で検出する必要があります。ゆっくり丁寧に画像を読み出している余裕はありません。しかし、検出器は早く画像を読もうとすると、ノイズが大きくなってしまいます。
　4つ目は、大面積のイメージ領域の実現です。X線は簡単に曲げられないため、試料から四方八方に放出されるX線を、大きな検出面を用いて一度に測定する必要があります。しかし一般に半導体センサーを大型化することは性能劣化につながり開発が難しいのが現状です。
　XFELに適したイメージ検出器の開発には、これら4つの課題をクリアしなければなりません。

研究手法と成果
　本開発では、特殊な金属･絶縁体･半導体（MIS）構造^[5]をもつCCDセンサーを開発しました。従来MIS構造をもつCCDセンサーは、XFEL実験のような高強度のX線が照射される環境では、センサーの中の絶縁体が帯電して動作しなくなると信じられていました。今回、共同研究開発グループは、X線が照射された際に引き起こされる損傷のメカニズムを実験的に検証しました。その結果、酸化物層を特に薄く製造した場合、XFEL実験で要求されるX線に対する耐久性である1メガグレイ（1メガグレイは10⁶グレイ）という極めて高い耐久性が実現できることを見いだしました。
　次に特定のCCDセンサーの構造を用いることで、大量のプラスとマイナスの信号電荷が発生した場合においても、センサー内部の電荷収集を担う電場が崩れない条件をシミュレーションにより見いだしました。実際に製造したCCDセンサーを使い、実験的にこの条件が満たされていることを確認いたしました。これにより1光子を間違いなく捉えつつ、X線光子が数千光子に至るまで極めて正確に測定することが可能となりました。
　また、このCCDセンサーの構造で毎秒60回撮像する高速動作への対応が可能となる設計を行いました。その結果、製造したCCDセンサーで、高速撮像時においても1光子を間違いなく検出できるレベルまでノイズを低くできました。
　さらに、100mm×100mmの大面積イメージ領域を実現するため、1個25mm×50mmの大型センサーを8個並べる構造とし、それぞれのセンサー端に設けた配線構造を極細化しました（図1下）。その結果、センサー間の隙間を0.3mm以下とすることができ、センサーの性能を劣化させずに放出されるX線を捉えることが可能となりました。
　開発に成功したイメージ検出器技術は、SACLA発振時の調整に利用されたほか、利用実験用としてセンサーの並べ方の異なる4種類の検出器システムとしてSACLA施設に整備され、8割以上の利用実験課題で基幹検出器としてすでに活用されています。

今後の期待
　今回初めてX線自由電子レーザーの潜在的可能性を引き出すことが可能なX線イメージング検出器「マルチポートCCD検出器」の開発に成功しました。開発した検出器技術はSACLAを利用する全ての実験を支える基幹技術です。この検出プラットフォームを基盤として、今後もセンサーの感度向上や小型化、安定化などの高性能化を実現していきます。これにより、SACLAで実施される多様な実験が高度化され、SACLA施設の総合的な問題解決能力の強化が図れます。
　なお、本研究の一部は、文部科学省X線自由電子レーザー利用推進研究課題「非線形X線ラマン分光法の開拓」（研究代表者：初井宇記）として実施されました。

《参考図》

《用語解説》
[1]　 X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」
理研と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本初の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、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月に共用運転を開始し、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]　CCD（電荷結合素子）センサー
X線や可視光などを電荷に変換する変換部と、生成した電荷を移動させるための構造を有するセンサー。電荷を移動させる部分は金属･絶縁体･半導体（MIS）構造となっている。

[3]　SPring-8
SPring-8は兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高輝度の放射光を生み出す理化学研究所の施設。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジーからバイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

[4]　レーザピーニング
金属表面を強化する加工方法のひとつ。金属表面に強力なパルスレーザを照射し、その衝撃によって表面を叩いて押し延ばすことにより表面を改質する新しい技術。しかし、処理中に材料内部で何が起こっているかについては明らかになっていなかった。SACLAを用いて、その改質過程の詳細が解析され始めているが、そこでもこのマルチポートCCD検出器が利用されている。

[5]　金属･絶縁体･半導体（MIS）構造
Metal-Insulator-Semiconductor。半導体層の上に絶縁層、さらにその上に金属を乗せた構造。CCDセンサーでは金属に電圧をかけ、その電圧を上げたり下げたりすることで、半導体中にとらえた信号電荷を移動させる。絶縁体層には酸化シリコンを用いるが、酸化シリコンはX線照射により帯電してしまい、CCDセンサーが動作しなくなる原因となる。今回、この過程を抑制する構造を採用することによって、CCD方式では達成不可能であると信じられていたXFEL実験用検出器の開発に成功した。