加速器とコヒーレントX線源 日本大学量子科学研究所 電子線利用研究施設（LEBRA） 早川 恭史 2005年11月10日 LEBRA 放射線と加速器 • 放射線 高エネルギー粒子の総称 • 荷電粒子（電子, 陽子, イオン・・・） • 中性粒子（光子, 中性子） • 加速器 荷電粒子を電場で加速する装置 一種の放射線発生装置 • 加速粒子 電子, 陽子, 陽電子, イオン・・・ • 加速器のタイプ 直線加速器, 円形加速器 （高周波加速） 静電加速器 LEBRA X線とは何か？ 放射線の一種 X線は波長の短い電磁波（高エネルギーの光子） Photon Factory (KEK) のサイト( http://pfwww.kek.jp/ )より引用 LEBRA X線の定義 • X線 (原子中の)電子の状態変化によって生ずる 電磁放射（ 特性X線, 制動放射 ） • γ線 原子核の状態変化によって生ずる 電磁放射 （原子核の遷移, 原子核反応） 慣例としてエネルギーで区別する場合が多い 特に1MeV以上をγ線 100keV以下程度をX線 LEBRA X線の研究・発見の歴史 1895年 1896年 X線の発見（レントゲン） （放電管の研究） ウラン放射能の発見（ベクレル） 1908年 計数管の発明（ラザフォード, ガイガー） （測定技術の進歩） 1931年 サイクロトロンの発明（ローレンス , リヴィングストン） 高電圧加速器の発明（コッククロフト, ウォルトン） 1932年 LEBRA X線を用いるメリット 何故X線を使うのか？ •透過力が高い 特に短波長（高エネルギー）のX線は物質を 透過しやすい 物質を構成する元素の種類でコントラストが つきやすい （レントゲン写真, ラジオグラフィ） •波長が短い 原子レベルの微細な構造を見ることが できる （X線回折実験） （見えるサイズの限界～光の波長） LEBRA 一般的なX線源 •X線管（放電管の延長） 静電加速した電子（<100keV）を金属ターゲット に照射（特性X線, 制動放射） 回転陽極（ローター）による高強度化 （研究, 医療, 非破壊検査, etc …） 低エネルギー加速器 によるX線源 LEBRA 加速器を用いたX線源 •小型電子加速器 電子線形加速器（リニアック）やベータトロンから の電子ビーム（> 1 MeV）をターゲットに照射 ⇒ 制動放射 （医療, 癌治療, 大型非破壊検査） •大型放射光施設 シンクロトロンで発生する制動放射を利用 偏向電磁石： 白色, アンジュレータ： 準単色 ⇒ 波長選択可能, 高輝度 （研究） LEBRA 特性X線 原子の内殻軌道に空位がある とき、外側の軌道電子が遷移 して光子を放出する 最も内側のK殻（重い元素の 場合はL殻）が空いていないと 光子のエネルギーが数keV 以上にならない 輝線スペクトル（単色）のX線が得られる （等方的に放射） LEBRA 制動放射 観測者には電荷の振動 つまり 交流電流として見える （電気双極子放射） 高エネルギーの荷電粒子が外場（磁場, クーロン場） によって加速度運動（減速, 曲がる）をする時、運動の 接線方向に電磁波を放射する 指向性のある白色X線が得られる LEBRA シンクロトロン放射 円形加速器中で電子ビームが磁石の磁場によって 偏向をうけるときに発生する制動放射 •指向性 ～1/ 接線方向に放射 ビーム加速という観点からは厄介者 4/ρ •放射パワー ∝ γ ↓ ( ρ: 曲率半径 ) 光源（線源）として見てみると、 E: 電子エネルギー メリットがいっぱい！ •臨界周波数（波長） （高輝度、指向性が良い、波長選択可能・・・） = E/mec2 3 / 2ρ ω = 3cγ c 相対論ローレンツ因子 •直線偏光 電子のエネルギーが高くなるほど、 短波長＆ハイパワーの放射が起こる LEBRA 加速器のエネルギーと臨界波長 短波長高輝度化するには 電子エネルギー → 大 あるいは 曲率半径 → 小 電子エネルギーを上げる ほうが効率が良い （施設の大型化 GeV領域） LEBRA X線源の進歩 第4世代光源（ERL? XFEL?） 第3世代光源（SPring-8@播磨） 第2世代光源（PhotonFactory@KEK） シンクロトロン放射 LEBRA 大型放射光施設 大型のシンクロトロン蓄積リング を用いることにより、 高輝度、単色（波長選択）、 複数光（X線）ビームライン を実現 第2世代 Photon Factory （日本） 兵庫県播磨 SPring-8 http://www.spring8.or.jp/ 第3世代 SPring-8 （日本） APS （米国） 予算規模は1000億円レベル ESRF （フランス） ⇒ 国家プロジェクトにならざるを得ない LEBRA 放射光施設のビームライン 複数の光、X線ビームライン を並列に運用可能 用途に合わせて、光源 を選択できる （波長、光源の質は様々） LEBRA 加速器で用いられる光源・線源 偏向電磁石放射 電子が曲がるときに接線 方向にシンクロトロン放射 赤外～（軟）X線の準白色 光源となる 結晶分光器との組み合わ せにより、連続的にX線の 波長が精度良く選べる SPring-8のサイト http://www.spring8.or.jp/ より引用 一般に曲率半径は大きい ⇒ 短波長化は難しい LEBRA 加速器で用いられる光源・線源 アンジュレータ放射 磁石を交互に並べたアンジュレータ （挿入光源）により、電子は（正弦的 な）蛇行運動 ↓ シンクロトロン放射が準単色化する （一種のドップラー効果） 特定の波長の輝度が飛躍的に向上 SPring-8のサイト http://www.spring8.or.jp/ より引用 日本大学電子線利用施設 近赤外用（0.8~6μm）アンジュレータ （アンジュレータに比べて）大き目の蛇行を http://www.lebra.nihon-u.ac.jp/ ウィグラー放射 数回起こしてやる 白色スペクトルが短波長にシフト （フーリエ高周波成分が増える） LEBRA X線光学の進歩 平行度が高く（指向性が良い）高輝度の準白色X線源の登場 完全結晶（シリコン単結晶）を 用いたX線分光の進歩 ブラッグ条件を満たす成分のみ 結晶内部で入射波と散乱波が 定在波を形成 ↓ コヒーレンシーの向上（単色化） （エタロン共振器のような働き） LEBRA 放射光の応用 •蛋白質などの結晶解析 高輝度 光源（線源）に対する要求 •X線吸収微細構造（XAFS）測定 連続波長可変 より高輝度に •核共鳴散乱 単色性・高エネルギー分解 より平行で単色な （コヒーレントな） •トポグラフィー・干渉イメージング 単色性・高平行性 LEBRA コヒーレントな状態とは？ •コヒーレンス 互いに干渉することができる波動の性質 可干渉性 •コヒーレント光（コヒーレンスの良い光） 時間的または空間的に長い間隔にわたって位相が 規則的に持続する光 •空間的コヒーレンス： 鋭い指向性 •時間的コヒーレンス： 鋭い単色性 理想的な平面波に近い状態 LEBRA 加速器によるコヒーレントな光源 電子バンチ （高周波加速されたビーム） 放射光源である電子の塊（バンチ） と同じくらいの波長だと、異なる電子 から放射された光の位相が揃う コヒーレント放射 通常の偏向電磁石放射、アンジュレータ放射 には光源コヒーレンスがない 通常波長は0.1~数ｍｍ （ミリ波, サブミリ波, ＴＨｚ波） 蓄積されたアンジュレータ放射光 との相互作用で電子ビームが光の 波長で集群（マイクロバンチング） ↓ 自由電子レーザ（FEL） 光源コヒーレンスを獲得 輝度、単色性、指向性向上 現状は遠赤外～紫外領域まで（X線領域は未踏） LEBRA コヒーレントなX線源（現状） 放射光自体のコヒーレンシーは良くない（カオス光源） 第3世代 放射光 厳しいコリメーション（点光源化）＆単色化 距離が離れると・・・・・ 届いたX線の波面が平面波的に揃ってる！ 伝播コヒーレンス（空間コヒーレンスが良い状態） レーザのような光源レベルのコヒーレンスをもつ X線源は（地球上には）まだ存在しない LEBRA 次世代のコヒーレントX線源の候補 •従来のレーザ方式（原子物理的） 軟X線（波長～10nm）までは可能（イオンプラズマ等） 1keV （波長～1nm）より短い波長は困難 高反射率の鏡が無い、共振器の精度が厳しい 原子の最内殻の束縛エネルギー領域（ポンピングが難しい） 第4世代放射光源 •ERL（エネルギー回収型リニアック）放射光源 第3世代光源の改良版 比較的低予算（数100億円） •XFEL（X線自由電子レーザ） 光源（時間的）コヒーレンス実現の（現在）唯一の候補 10keV（～1Å）以上の短波長領域も原理的に可能 予算規模は桁違い LEBRA 新しいコヒーレントX線源 •ERL（エネルギー回収型リニアック）放射光 電子ビームは1回で使い捨て （常に新鮮なビーム） エミッタンス向上（点光源化） ⇒ 伝播コヒーレンス↑ LEBRA SASE－FELによるX線源(XFEL) 数m 数10m～数100m？ 共振器を用いる代わりに 非常に長いアンジュレータ （場合によっては複数直列） を用いると、実効的には 同じような働きになる 自己増殖自発放射光（SASE）タイプのFEL 鏡が不要 → X線領域でも可能 （XFEL） LEBRA 世界のXFEL計画（目標は波長 1Å） LCLS （SLAC : 米国）（2009年運転開始を目標） （主に米国内の）複数の機関の合同プロジェクト 既存の2マイル線形加速器を有効利用 予算：～400億円 TESLA （DESY : ドイツ） （2012年運転開始を目標） 欧州共同プロジェクト（リニアコライダーに便乗） 真空紫外領域でのSASE－FELで先行（数10nm） 予算：～1200億円 SCSS （SPring-8 : 日本）（2010年運転開始を目標） 後発で出遅れ（ゼロからのスタート） 予算：～400億円 巨大プロジェクト（素粒子物理などとプロジェクトと抱き合わせ） LEBRA 小中規模施設の役割 大規模施設のマシンタイム獲得 実績のある研究者が有利 萌芽的な研究も実績重視？ 裾野を広げるためにも、規模が比較的小さな施設も必要 （特に大学付属施設） X線領域の波長選択可能な単色線源 通常のシンクロトロン放射 → GeV以上のエネルギー やはり施設の大型化は避けられない？ 放射プロセス自体、別のものにすれば？ LEBRA 日本大学電子線利用研究施設（LEBRA） 理工学部船橋校舎(物理実験B棟) 近赤外自由電子レーザ（FEL） １２５MeV電子線形加速器（リニアック） LEBRA LEBRAリニアックによるX線源の可能性 電子エネルギーは最大で125MeVが限界 電子エネルギー 臨界波長 曲率半径 磁場 8 [GeV] 10 [keV] 113 [m] 0.24 [T] Spring-8 30 [keV] 37 [m] 0.72 [T] 2.5 [GeV] 10 [keV] 3.5 [m] 2.4 [T] PF 30 [keV] 1 [m] 8 [T] 125 [MeV] 10 [keV] 4×10-4 [m] 1×104 [T] 日大LEBRA 30 [keV] 1.4×10-4 [m] 3×104 [T] 必要な磁場は現実的なものではない ↓ 他の可能性を探ろう LEBRA 分極放射 荷電粒子の電場によって物質を構成する 原子が分極（変形）する（仮想励起） チェレンコフ放射 ⇒ 分極の緩和（脱励起）に伴い、電磁波放出 均質な媒質中を荷電粒子が光速度以上 （電子雲の振動 i.e. 電気双極子振動） で進むときに発生 LEBRA パラメトリックX線放射 (PXR) ～ ～ パラメトリックX線放射（PXR） 数１０～１００MeV程度の電子でX線の発生が可能 結晶の回転により波長を連続的に変えられる LEBRA 2結晶型PXR発生装置 LEBRA LEBRA PXR発生装置 PXRによる連続波長可変X線源は世界初の試み LEBRA PXR発生装置からのX線の特性 18keV: IC PXRのコヒーレンシー： 波長が自由に選択可能 別の電子によるX線とはコヒーレントではない PXRとしては2004年現在世界で唯一 13.5keV: ICガード （通常のシンクロトロン放射と同様） （実績： 6keV~20keV） 単結晶を構成する原子を「光源」とみなすことができる 平行性が高い（発散が小さい）ため、イメージングに適している ↓ リニアな波長グラデーションを持っている 伝播コヒーレンスと光源コヒーレンスの中間？ LEBRA PXRによるイメージング 電子顕微鏡用金メッシュ @ 11keV ワイヤー太さ: ～25mm ワイヤー間隔: 100mm (ＸＣＣＤ) 葉っぱ（たんぽぽ？） @ 7keV (Imaging Plate) LEBRA PXRによるイメージング 人間の歯 @ 13.5keV ウサギの骨 @ 7keV LEBRA PXRの応用の可能性 波長可変性や 波長グラデーションの有効利用 （効率の良いXAFS測定等） Cu (K-edge: 8.981keV) Zn (K-edge: 9.661keV) LEBRA PXRの応用の可能性（XAFS） XANES structure XCCD image Cu CuSO4 Cu x-ray energy high chemical shift LEBRA PXRの応用の可能性（元素マッピング） 恐竜の卵の化石 Sr（K吸収端：16.1keV）が存在 LEBRA PXRの応用の可能性 素通し アクリル 2mm アクリル ４mm •コヒーレンシーを利用したイメージング （屈折イメージング、 位相コントラストイメージング） •パルス性を利用した時分割測定 （リニアック自体がパルス駆動） 難点： PXRは積分強度が弱くなる （幅20μ秒のパルスが2Hz） 高度なX線光学系と高感度・高分解能・パルス同期可能な 検出器と組み合わせれば、現在大型施設でしかできない ことができるようになるかも！ LEBRA まとめ • 加速器を用いたシンクロトロン放射実用化によっ て輝度の向上とともに、波長選択性が実現した • より高輝度な線源を求め、放射光施設は大型化し ている • コヒーレントなX線源の要求が高まっている ⇒ さらに大規模に（第4世代光源） • 大学付属の中規模施設でも「質」で勝負可能 （萌芽的な研究、基礎研究の裾野拡大） 日本大学LEBRAはその一翼を担っている LEBRA Fin. LEBRA Appendix LEBRA 結晶分光光学の応用 （＋，－）配置： 平行度が高い （エネルギー広がりは少し大きい） （＋，＋）配置： 単色性が良い 非対称反射： X線ビームサイズの拡大・縮小 LEBRA Formula of PXR yield g: reciprocal lattice vector of the crystal v: electron velocity W: direction of photon emission L: crystal thickness w: angular frequency of photon LEBRA PXRのエネルギー可変性 LEBRA Filtering effect for higher harmonics LEBRA Beam line for PXR generator LEBRA ビームライン 100MeV electron linac PXR beam line FEL beam line X-ray exit LEBRA 2nd gonio e-beam 1st gonio permanent Q-magnet LEBRA 楕円ミラーによるX線集光 K-Bシステムを導入 12.0 m for horizontal for vertical LEBRA LEBRA
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