表面研究における放射光利用の現状と将来を考えるために

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光科学研究施設（ＫＥＫ−ＰＦ）　北島　義典
yoshinori.kitajima@kek.jp
２００５年　７月　７日加筆

はじめに

Ｘ線領域まで利用可能な日本最初の専用放射光源としてＰＦリングが運転を開始したのが1982年であり、まもなく20年を迎えようとしている。この間、放射光を光源として用いる研究は飛躍的に発展している。この文章は、これから5年後・10年後に“どのような光源・施設を作っていけばいいか”考えていくための基礎資料として、表面研究に用いられる軟Ｘ線実験ステーションの現状とＰＦで検討中の将来計画について紹介するために作成するものである。

光源

放射光は高速で運動する荷電粒子が曲げられる時に発生する電磁波であり、通常は電子／陽電子蓄積リングを構成する２極（偏向）電磁石（Bending Magnet）から発生するものとリングの直線部に磁石列を置いて特別なＸ線を発生させる挿入型光源（Insertion Device）がある。得られるＸ線の特性は電子ビームのエネルギーと磁石の磁場強度によって決まり、ＰＦ 2.5GeVリング及びＰＦ−ＡＲ 6.5GeVの場合は図１のようになる。アンジュレータ１次光の波長は、次の式で計算されるが、周期長が長く、磁場が強い方が長くなることに留意されたい。

追記１（２００１／４／３）：以下に示した式は、最も基本的なアンジュレータについてのものである。ＰＦにおいては、ＢＬ２８及びＡＲ−ＮＥ１に楕円偏光（ヘリカル）アンジュレータが建設されているが、それ以外にも様々なアンジュレータが考案されている。例えばＳＰｒｉｎｇ−８では、８の字アンジュレータによって、熱負荷を抑えながら低エネルギーの直線偏光（鉛直及び水平）を発生させることに成功している（ＳＰｒｉｎｇ−８の挿入光源についてはＳＰｒｉｎｇ−８挿入光源グループのページを参照されたい）。アンジュレータ光のエネルギーは電子ビームエネルギーの２乗に比例するので、ＰＦ2.5GeVを考える場合は、ＳＰｒｉｎｇ−８のおよそ１０分の１になると思えばよい。




ここで、γは電子ビームのエネルギー、Ｋはアンジュレータを特徴づけるパラメータであり、それぞれ





で与えられる。λ_uは周期長であり、ＰＦのアンジュレータU#02/MPW#16/MPW#13の場合は6cm/12cm/18cmである（#19は5cm/7.2cm/10cm/16.4cmの切り替えが可能なrevolver型アンジュレータである）。


図１：ＰＦ 2.5GeVリング及びＰＦ−ＡＲ（6.5GeV）で得られる放射光のスペクトル分布。bendは偏向電磁石、Uはアンジュレータ、MPWはマルチポールウィグラ、VWは超伝導ウィグラ。Uに関しては、それぞれ１次光ピークの可変範囲のみを示してあり、実際には３次以上の高次光も利用できる。縦軸は、光源の単位面積・単位放出角あたりの光子数（輝度）で示されていることに注意が必要である。


追記２（２００１／４／１６）：具体的な数字を入れて補足説明したい。アンジュレータの１次光に関しては、電子ビームエネルギーが変えられない場合は、カバーできる最高エネルギーが周期長に反比例し、最低エネルギーは磁場の強さ（と周期長によって決まるＫパラメータ）に依存する。なお、電子ビームエネルギーを変える場合は、その自乗に比例する。

現在のPF 2.5GeVのBL-2を例に取れば、図に示した通り、周期長6cmで１次光が290〜970eVをカバーするが、970eVというのはＫ→０の極限であり、2.5GeV/6cmで決まっている。
＃3GeV運転なら、光エネルギーは(3.0/2.5)の自乗で1.44倍になる。
＃BL-16/BL-13では、周期長が12cm/18cmなので、１次光の最高エネルギーが周期長6cmのBL-2の半分（480eV）/３分の１（320eV）となる。

一方、低エネルギー側の極限は、どこまでギャップを縮めて磁場強度を上げられるかに依っており、現状のBL-2では、ギャップ26.5mmが認められている最小値で、磁場強度は0.4T、Ｋパラメータが2.3、最低エネルギーは290eVである。昨年末のＰＦシンポジウムの時のポスター発表によれば、より小さなギャップまで縮められるように改造することは可能なようで、Ｋ＝５まで持っていけば、計算上の１次光のエネルギーは80eV程度まで到達可能ということになる。ただ、注意しなければならないのは、これくらいまでＫ値を大きくするとアンジュレータとマルチポールウィグラの中間的な性格を持つようになり、アンジュレータ的性格が少し失われてくることである（ビームの拡がりが大きくなり、干渉性が下がる）。
＃実は現状のBL-19（物性研ライン）のC/D面でも、低エネルギーを出すために、Ｋの大きなところまで使えるようになっている。

Ｋ値が小さいところでは、高次ハーモニクスの放出は抑えられ、光学系への熱負荷になる放出パワーも小さいので、アンジュレータ利用の理想としては、できる限り弱磁場で使った方が良いことになる。一方、Ｋ値が大きくなると、高次ハーモニクスが強く出るようになり、熱負荷も大きくなるという問題がある。
＃現状のBL-13CやBL-2Aは、高次ハーモニクスを利用するステーションである。

追記１に書いた通り、SPring-8では、アンジュレータで低エネルギー（SPring-8においては軟Ｘ線領域）を得るために“Figure-8（８の字）アンジュレータ”が考案されている。これは電子ビームの軌道を８の字をなぞるように走らせることによって、軸上のパワーを抑えながら低エネルギーの直線偏光を発生させることができる光源である。また、この光源の特徴として、“０．５次光”（SPring-8での呼び方）が電場ベクトルが鉛直向きの直線偏光になるため、偏光を切り替える実験に向いている可能性がある。

SPring-8 BL27SUでは、周期長10cmの８の字アンジュレータが光源となっており、その１次光がカバーする範囲は100eV〜5keVである（ただし、低エネルギー側＝Ｋ値の大きなところでは、軸外に放出されるパワーが強くなるので、その対策が必要であり、現時点では200eV程度以上に制限されている）。

単純に、このパラメータのままPF 2.5GeVに８の字アンジュレータを建設できるとすれば、光エネルギーは電子ビームエネルギーの自乗に比例するので、１次光がカバーする範囲が(2.5/8.0)の自乗で1/10、すなわち、20〜500eV程度と計算される。SPring-8にはBL24XUに周期長2.6cmの真空封止型８の字アンジュレータ（１次光3.5-60keV）も建設されており、適当にパラメータ設定することにより、PF 2.5GeVで軟Ｘ線領域をカバーできるようにすることが可能かもしれない（詳しくは挿入光源グループに検討してもらう必要あり）。
＃なお、さらにSPring-8挿入光源グループでは、８の字アンジュレータに微少な垂直磁場を付加して２次光で円偏光を発生させる“非対称８の字アンジュレータ”を提案している＜T.Tanaka & H.Kitamura, Nucl. Instrum. Methods A 449, 629 (2000)参照＞。


追記８（２００５／７／７）：電子ビームエネルギーを上げずに光のエネルギーを上げるためには、周期長を短くすれば良いが、それで同じ磁場強度を得るためにはgap値を小さくしなければならない。そのようなコンセプトのShort Gap Undulator(SGU)［もしくはmini-Pole Undulator; mPU］がＰＦリングにも“直線部増強”リング改造で新たに生み出された短い直線部に導入されることになった。SGUの１号機はBL-17に設置されるが、その周期長は1.6 cmであり、Ｋ→０の極限で得られる１次光の最高エネルギーは約3.6 keVとなる（実際にはタンパク質Ｘ線結晶構造解析のために、３次ないし５次光を利用するビームラインが建設されている）。
このようにSGUによって1-3 keV領域を2.5 GeVリングでも１次光で出せることになるので、軟Ｘ線分光分析ビームラインの建設を提案している（「PF挿入光源ビームライン増強提案（暫定版）」 p. 141-146参照；「本提案部分のみのページ」）。

ビームライン光学系

単色光を利用するための分光系として、2keVを超えるエネルギー領域では結晶分光器、2keV以下では回折格子分光器が用いられる。集光素子としては反射鏡を用いるのが一般的である。いずれもアンジュレータを光源とするビームラインでは、高エネルギー分解能（例えば5000）で大強度（例えば10¹¹ ph/s）の光を試料上で比較的小さなスポット（例えば1mmφ以下）に得ることが容易になっている。偏向電磁石光源の場合は、大まかに言えば２桁くらい強度が弱くなると考えればよい。なお「軟Ｘ線領域のビームラインの現状」に関しては別ページを参照されたい。

表面化学ステーション

ＰＦには60以上の実験ステーションがある（→実験ステーションのリスト）が、軟Ｘ線・VUVの場合は、研究分野・目的ごとに整備されているということはなく、エネルギー領域ごとにアンジュレータ１、偏向電磁石２〜３を様々な実験に利用しているのが実情である。特にアンジュレータに関しては絶対数が不足しているため研究分野に特化したステーションとすることが全くできないでいる。1995年の「放射光実験施設評価委員会用資料」“表面・界面の構造研究”の「今後の発展」に書かれていることは、残念ながら殆ど実現していない。

将来計画

ＰＦが現時点＜２００１年４月＞で、将来をどう考えているかについては2000年12月の第18回ＰＦシンポジウムで報告された通りである。すなわち、
＜１＞現在進行中の「ＰＦ−ＡＲ高度化計画」を進めつつ、
＜２＞10年先を想定した新しい光源“ＰＦ−２”がどのようなものであるべきか検討する。
ただ新光源が認められるのを待つだけでなく、
＜３＞現在のＰＦリングを改造することによって挿入光源設置可能な直線部を増やそうとする“ＰＦ直線部増強計画”も考えていく。
各計画の具体的な内容に関してはＰＦニュース等で紹介されており、今後、web等でも順次新しい状況を公開していくようにしたいと考えている。

追記３（２００２／４／１１）：第19回ＰＦシンポジウムが2002年3月に開催された。上記＜１＞〜＜３＞の方針は基本的には変わっていないが、＜２＞の“10年先を想定した新しい光源”に関しては、「入射器に特徴を持たせた蓄積リング」という新しい提案がなされた。ＰＦシンポジウム報告集目次からPDFファイルを参照されたい。

追記３補足（２００２／７／３１）：その後、特に上記＜２＞の“10年先を想定した新しい光源”に関しての検討が施設内で行われている。現在の提案は上記「入射器に特徴を持たせた蓄積リング」をmodifyしたものである。ＰＦシンポジウムの時点では“入射器に特徴を持たせた蓄積リング型光源”というタイトルが示す通り、外側にいわゆる“新第３世代光源”としての蓄積リングを持ち、その入射器として1GeVの超伝導linacを４回通して4GeVまで加速するという考えだった。この入射器はエネルギー回収型linac（ERL; Energy-Recovery LINAC）と呼ばれ、ビームを蓄積せずに１回限りで捨ててしまうことにより、後に述べる特徴を持った放射光を得られる画期的なものである（詳しくは放射光学会誌の記事［羽島良一、放射光14, 323 (2001)］またはCHESSのweb site http://erl.chess.cornell.edu/ を参照されたい）。
modifyされた提案では、計画をPhase-1/Phase-2に分けて考えている。
　・Phase-1：1mAのMARS（Multi-turn Accelerator Recuperator Source）と外周の蓄積リング（4GeV/400mA）＝２００２年３月ＰＦシンポジウム時点の案
　・Phase-2：外周も含めて、全体を4GeV/100mAのERLとして利用する。
これは、Phase-2が安定した放射光源として利用できるようになるまでには、相当の時間がかかる（マシンスタディーが必要）と考えられるためで、それまでのPhase-1では、外側の蓄積リングでは、現在の第３世代光源的な利用を推進しつつ、内側のMARSで特徴的な研究を展開していこうという訳である。

●ERLの特徴と展開される新しいサイエンス
ERL光源の特徴を簡単に言うと、
　［１］短パルス（バンチ長によるが、1ps以下が期待できる）
　［２］高輝度（特に縦横が同じサイズで小さい）で一定の強度
　［３］coherency（ある程度以上の波長では回折限界が実現する）
等が挙げられる（ＰＦの計画とはパラメータが異なるので、直接には比べられないが、CHESSのレポート http://erl.chess.cornell.edu/papers/ERL_Study.pdf が参考になる）。
Phase-1で期待される光源スペクトル等はＰＦシンポジウム報告集 http://pfwww.kek.jp/pf-sympo/19/yukinori1.pdf に含まれている。
新光源施設で展開されるサイエンスに関しては、下記の「おわりに−追記４補足」を参照されたい。

おわりに

施設としては2001年を“将来を考える時機”と考えており、“直線部増強”及び“ＰＦ−２”に関するデザインレポートを作成する予定である。外部研究者各位の御理解・御協力をお願いしたい。特に本研究会においては、様々な実験研究の今後の展開のためには、どのような光が必要となるのか、エネルギー・分解能・強度・スポットサイズ・偏光性及びそれらの安定性などについて、できる限り定量的に伺えれば幸いである。もちろん、研究は“光だけ”で済むものではないであろう。実験装置、試料作成・評価装置、その他周辺設備等についてもコメント戴きたい。
メーリングリストで御議論いただくか、個別に電子メール等でお送りいただければ幸いである。

追記４（２００２／４／１１）：第19回ＰＦシンポジウム「外部評価」のセッションでも指摘された通り、残念ながら2001年中にデザインレポートを作成する等、未だ将来計画を明確に打ち立てることができていない。2002年度は、仕切直しとして「将来計画に向けた研究会」を開催することにしているので、上記「入射器に特徴を持たせた蓄積リング型光源」提案をたたき台として議論していただければ幸いである。


追記４補足（２００２／７／３１）：遅きに失した感は否めないが、ＰＦが所属する物質構造科学研究所の運営協議員会の下に作られていた「放射光将来計画ＷＧ」の第１回会合が２００２年７月１１日に開催された。ＷＧのメンバーはＰＦの松下正副所長、小林正典、大隅一政、野村昌治の３主幹、河田洋、若槻壮市両教授、神谷幸秀加速器研究施設長、また外部から、太田俊明（東大）、雨宮慶幸（東大）、村上洋一（東北大）、小杉信博（分子研）、下村理（原研）、谷口雅樹（広島大）の各氏で、その下に加速器作業Ｇ（世話人：神谷）と利用研究作業Ｇ（世話人：飯田）を置くことが了解されたとのことである。利用研究Ｇは、さらにInstrumentation（世話人：野村）、Scientific Case-X（世話人：河田）、Scientific Case-VUV/SX（世話人：柳下）で作業を分担し、当面の目標は“２００２年１２月を目処に概念計画書をまとめる”ことである。
その中心となるのは、新光源が実現した場合に展開する新しいサイエンスの提案であり、２００２年１０月からの「ＰＦ将来計画に関する研究会」シリーズ
　［１］フェムト秒パルス放射光源の開発と新しいサイエンスの展開（１０月３，４日）
　［２］X線位相利用計測における最近の展開（１０月３１日，１１月１日）
　［３］放射光マイクロビームと新しいサイエンスの展開-放射光ナノビームに向けて（１１月１４，１５日）
も、それを考える場となる。
もちろん、ＰＦだけに閉じて考えるのではなく、ユーザー（ＰＦ懇談会）及び“新しいユーザー”に参加していただく必要があり、積極的な提案が歓迎されている。

追記５（２００３／３／７）：上記の検討中間報告がまとまった。下記のリンクを参照されたい。
「放射光将来計画検討報告−ERL光源と利用研究−」


追記６（２００３／８／６）：２００３／８／５にユーザーとの意見交換会が開催され、その後のＰＦの将来計画に関する状況（半年前とはかなり変わった）が報告された。「外に出しても問題ないと考えられる資料は近日中に公開する」とのことなので、お待ちいただきたい。
追記６補足（２００５／７／７）：２００３／８／５のユーザーとの意見交換会の資料は http://pfwww.kek.jp/outline/tfohp0805.pdf に公開されている。


追記７（２００５／７／７）：あれから２年が経ち、将来計画は紆余曲折を経たが、改めて物質構造科学研究所運営会議の下に「ＰＦ次期光源検討委員会」を設けて検討が行われることになった。経緯を紹介する「ＰＦ将来計画に関するホームページ」を参照されたい。２００５年８月８，９日の日本放射光学会主催「次世代光源計画ワークショップ」（岡崎市）で検討の進捗状況が紹介され、２００６年１月の日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム（名古屋市）で「中間報告」を行う予定である。