要旨
理化学研究所（理研、野依良治理事長）と高輝度光科学研究センター（JASRI、白川哲久理事長）は、特殊な高周波電場を使用し、電子ビームの広がり（エミッタンス[1]）を低減することによりX線の輝度（明るさの指標）を大幅に向上する手法を考案しました。この手法を大型放射光施設SPring-8[2]の蓄積リングに適用すると、輝度が約3倍向上することが分かりました。これはJASRI加速器部門の下崎義人研究員と理研放射光科学総合研究センター（石川哲也センター長）XFEL研究開発部門の田中均部門長らの研究チームによる成果です。
近年、「SACLA（さくら）」[3]などのX線自由電子レーザー[3]（XFEL）の登場により、原子レベルの高分解能で極めて短い時間スケール（1000兆分の1秒程度）の観察が可能になりつつあります。しかし、XFELは強い強度のため瞬時に観察試料を破壊してしまうことから、長い時間にわたり現象をじっくり観察するには不向きです。そこで、試料を破壊せずに、生物試料などをそのまま結晶化せずに観察可能な光源として「次世代リング型放射光光源」が注目され、その開発に世界中がしのぎを削っています。この超高輝度リング型放射光光源の実現には、輝度を制限する水平エミッタンスを現状から大幅に低減する必要があります。その1つの可能性として、エミッタンス交換[4]により水平エミッタンスを低減する方法が知られていましたが、従来の磁場を用いる方式ではさまざまな問題があり、SPring-8などの既設の放射光光源への導入は困難でした。
そこで研究チームは、これらの問題を克服するため、従来の方式とは全く異なる、高周波電場を用いる方式を考案しました。これは、「電場を使用して振動モード[5]間でのエミッタンス交換はできない」という長年の定説[6]を55年ぶりに覆すもので、学術的にも大きな発見です。
今回考案した手法は、既設の放射光光源の性能向上だけでなく、XFELとの協調利用により、ものづくりに必要となる多くの情報が得られると期待される次世代リング型放射光光源の実現にも大いに貢献します。
本研究成果は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters 』に近日中に公開されます。
背景
近年、SACLAをはじめとするX線自由電子レーザー（XFEL）が稼働し、X線領域でレーザーが利用できるようになってきました。XFELを用いれば、短パルス性（フェムト秒[7]のストロボ）と10GWを超える高強度特性を使って、原子が動く非常に短い時間スケールで原子レベルの空間分解能で現象を観察することが可能です。しかし、X線レーザーはエネルギー密度が高いために、観測した試料を破壊してしまいます。このため、長い時間スケール（ピコ秒[7]以上）での観測をXFELで行うことは、現実的には非常に困難です。
一方、現在世界中で空間干渉性[8]の高いX線が利用できる次世代リング型放射光光源の開発競争が行われています。次世代リング型放射光光源は、XFELに比べると強度が弱く、XFELでは観測が難しいピコ秒を超える長い時間の現象を、試料を破壊することなく観察できます。また、放つビーム（光）の位相が空間的にきれいに揃うため、XFELと同様に観測対象を結晶化することなく観察が可能になります。
従って、XFELと次世代リング型放射光光源の2つを用いることで、観察対象の結晶化という制約を受けずに、見たいものをそのまま原子レベルの分解能で、原子の動き出す時間から対象現象が終了する時間まで長時間観察できるようになります。この2つの光源を用いた、極短時間の観測とピコ秒以上の観測の組合せにより、ものづくりに必要とする多くの素材に関する有効な情報が得られるとの期待が寄せられています。こうした理由から、XFELの建設ラッシュと平行し、X線領域での次世代リング型放射光光源の輝度向上をめぐる開発競争が日米欧で展開されています。
研究手法と成果
リング型放射光光源から出てくる光の輝度は、リングに蓄積する電流と電子ビームの特性で決まります。多くのパラメータの中で光源の空間干渉性を制限し、実験で使用する光の輝度を大幅に低減させているものが、電子の水平振動に起因する「水平空間広がり」と「角度発散」です。これらは水平エミッタンスという力学パラメータで表されます。つまり、水平エミッタンスを低減することで輝度を向上させることができます。水平エミッタンスを直接低減する方法もありますが、今回研究チームでは、水平エミッタンスを輝度への影響が小さい電子ビーム進行方向の振動のエミッタンスに換える「エミッタンス交換」の手法を検討しました。
エミッタンス交換による輝度の向上は以前からよく知られていました。しかし、これまでの方式では、磁場を用いてエネルギーの高い電子からのX線放射を促進するため、電子ビームの軌道がリング全周に渡って歪み、周長に沿って存在する光源点がずれるなどの問題が生じました。そのため、リング型放射光光源に対してはこの手法の導入が見送られてきた経緯があります。
研究チームは、従来の静的な磁場に代わり、電子ビームの水平変位に比例して加速電界が変わる高周波電場を用いてエミッタンス交換を行う手法を試みました（図1）。しかし、高周波電場は同時に高周波磁場も伴うので、そのままでは2つの効果が打ち消し合いエミッタンス交換を行うことができません（図2）。そこで、高周波電場を発生する空洞を一対にして、その間の電子の水平振動の位相を半周期になるように調整し、磁場の効果を2つの空洞間に閉じ込め（図3）、これによって電場の効果だけを足し合わせることを可能にしました。
この手法はどのようなリング型光源にも適用が可能です。そこで、今回提案したシステムをSPring-8の蓄積リングに導入し、どの程度水平エミッタンスを低減（輝度を向上）できるかを、数式モデルとシミュレーションにより評価しました。その結果、理論限界の3分の1近くまで低減できることが確認できました（図4）。さらに、このシステムを例えば3ミリ秒ごとに（1秒間に333回）運転を行えば、理論限界を超えたエミッタンスの低減が可能なことも分かりました。
今後の期待
今後、目標としている次世代リング型放射光光源の性能は、水平エミッタンスをこれまでのSPring-8で代表される第3世代放射光光源[9]の実績値（数nmrad[10]）から、さらにその30分の1から100分の1まで低減する必要があります。これは非常に難しく、これまで培ってきた技術、知識や経験の単純な延長では困難です。新しいエミッタンス低減化策をいくつか導入し、これまで積み上げてきた技術に融合させることで、この目標を達成することを目指します。今回考案した手法は、エミッタンス低減策のパラダイムシフトが期待できる大きな発見の1つであり、その実現を後押しすることが期待されます。
発表者
独立行政法人理化学研究所
放射光科学総合研究センター XFEL研究開発部門
部門長
田中 均
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Tel: 0791-58-0900 / Fax: 0791-58-0800
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独立行政法人理化学研究所 広報室 報道担当
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