JAIMA Season 2024
機器分析が支える、豊かな暮らしと産業のフロンティア「分析機器産業とNanoTerasu（ナノテラス）」という未来

No. 25

東北大学 国際放射光イノベーション・スマート研究センター 教授、（一財）光科学イノベーションセンター（PhoSIC） 理事長
高田昌樹

１．はじめにユーザーとして、企業（戸田工業、住友ゴム工業、TDC、マルニ食品）や学術（東工大、東北大他）が、放射光施設と電子顕微鏡を比べて、どちらが優コアリションのもと、７本のビームライン（回折、れているのか？ 中性子施設、NMR との比較はど散乱、イメージング、分光）で利用実験を展開した。

うか？ 新しい大型施設の建設や改修の検討が始そして、企業の経営層とともに、実験ホールで計まる際に、ユーザー間でよくあがる話題である。

測に取り組む様子が、TV、新聞の多くのメディそれぞれ、互いの優位性を主張しあう場で、時に、アの取材を受け、報道された。国の大型研究施設狷介な議論の応酬に当惑したこともある。多額のの見る、“ 新たな景色 ” である。

予算が施設建設に必要とされるのであるから、そナノテラスの施設としての先端性、卓越性は、のための真摯な主張は大いになされるべきである。

KEK 及び SPring - 8/SACLA で培われた加速器・

しかし、35 年前に高分解能電子顕微鏡を用いた光源技術と共に、光学系、制御系、検出器の他、研究で学位を取得し、大学の研究者として放射光、数多の分析機器を結集して成し遂げられたもので中性子を活用してきた者として、NanoTerasu（ナある。それを、我が国の主だった企業、大学・国ノテラス）の運用が始まった今、共創という視座研が建設資金の一部を拠出し、コアリション・シに立った戦略的な議論が必要と考える。異なるプステムで利用するのである。その数は企業が 150、ローブとしての相補性、施設と実験室系の利便性

大学・国研は 10 を超える。の違いを生かした共創は、課題解決の場で、最も強力な武器となるからである。

そして、ナノテラスに隣接するサイエンスパー
クでは、放射光では解決できない課題に、電子顕

ナノテラスとは、東北大学青葉山新キャンパス

微鏡や NMR 等との共創で取り組む構想の検討も（仙台市内）に建設された 3GeV 高輝度放射光施設始まっている。それは、リサーチコンプレックス1）のことである 。我が国の科学技術の進展、国際形成の一環であり、ナノテラスとサイエンスパー競争力の強化、リサーチコンプレックスの形成をクは、いわば、分析機器産業にとってのショーケーミッションとして、SPring - 8/SACLA（スプリスとなりつつある。その道の先にある、ナノテラ

ングエイト / サクラ）と共にイノベーションを牽スを起点とするイノベーション・エコシステムで、引する施設として 2024 年４月１日に運用開始さ分析機器産業は、なくてはならないプレイヤーのれた。共用利用は、国の主体である量子科学技術一つになると考える。本稿は、その視座に立って、研究開発機構（QST）のもと、登録利用施設促進

ナノテラスについて詳解する。

機関である高輝度光科学研究センター（JASRI）により 2025 年３月から開始される予定である。

２．安定した高輝度な光源性能

ナノテラスには、共用に加え、コアリション（有まず、ナノテラスの光源性能について紹介す志連合）に基づくユニークな産学共創の専有利用る。図１の写真の円形の建物が、ナノテラスであ制度が初めて加わる。そのコアリション利用が、る。放射光施設では、加速器を使って実験室の X共用に先駆けて４月９日から始まった。最初の線装置の 10 億倍もの明るさを有する X 線を発生

JAIMA Season 2024 Summer

5図１

図１

東北大学青葉山新キャンパスに建つ NanoTerasu（ナノテラス）。遠景は仙台市内。
1

させることができる。直径 170 ｍのドーナツ型の団を、低エミッタンス（発散を小さくする）の電屋根をもつこの施設は、SPring - 8/SACLA での子ビームとして蓄積することで、発生する放射光研究開発の成果に基づく最先端の加速器技術で建ビームの輝度を高めることができる。加速器の詳設された。

細は他の解説に譲ることとして 、エミッタンス

2）

その加速器技術は、MAX IV（スウェーデン；について述べる。

3GeV）、ESRF - EBS（EU；6GeV）、SIRIUS（ ブ

図２にあるように、スプリングエイトの電子ラジル；3GeV）に続く、世界で４番目の低エミッビームのエミッタンスは 2.4nm・rad であるのにタンス電子ビーム蓄積リングに代表される。施設

対して、ナノテラスは、半分以下の 1.1nm・radは、国の主体である QST によって整備された直を実現する 。表中に、ナノテラスとほぼ同じ周線の線型加速器と、リング形の蓄積リングから長 350m のフランスの SOLEIL のエミッタンスが構成される（図２）。線型加速器は、110m の長さ3.7nm・rad と示してある。このエミッタンスので、3GeV で６GHz 高周波加速により電子集団を違いは、ナノテラスに SOLEIL と比べて 10 倍の光速近くまで加速する。加速された電子集団は周輝度の高さをもたらす。世界の多くの放射光施

長 349m の蓄積リングに、蓄積される。光速近く

設は現世代型で、まだ、ラティスに有する偏向まで加速した電子の集団を挿入光源と呼ばれる磁電磁石の数は２つである。しかし、APS（米国；石列で進行方向を繰り返し曲げられることで、制7GeV）、SLS（スイス；3GeV）、SPring - 8 - II（日動を受け放射光を発生させる。光源となる電子集本；6GeV）など、世界中で次世代型への改修及図２図２2）

ナノテラス の線型加速器、蓄積リング、ビームライン、エンドステーションの配置、及び施設のエミッタンスの比較
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び検討が急ピッチで進んでいる。電子ビームの低れている。“ ナノの見え方 ” を変えるには、まず、エミッタンス化が、次章で示す「ナノの見え方」強度の殆ど変化しない光源であることが必須であを変えるからである。

る。それを、電子ビームを蓄積リングに逐次入射

図 ３ の 右 図 に、Web 上 に あ る、 ナ ノ テ ラ ス
3）

して常に電流を一定に保つ「トップアップ」運転の運転状況（ ４月 17 日 14 時 ）を示した 。MBSで実現した。左図の ESRF のほぼ同時刻の鋸の歯Open とあるのは、Main Beam Shutter Open の状の電流値の変動の状況との比較で、光源の安定略である。図では 10 本すべてのビームラインが性の秀逸さは明白である。ナノテラスでは、世界MBS Open となっている。３本の共用ビームラ

トップクラスの信頼性の高い放射光計測が可能でイン、７本のビームラインすべてに光が供給さ
図３あることを示している。

3

https://nanoterasu.jp/users/operation_status/

https://www.esrf.fr/Accelerators/Status

ESRF-EBs Operation Status
2024/4/17

15:08:50

6GeV 200mA
Extremely Brilliant Source (EBS)

電流値が変動輝度が変動

電流値が安定輝度が安定

15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00

場所︓グルノーブル周⻑︓844ｍ
2020年よりEBs
図３

ナノテラスの運転状況（４月 17 日 14：16）と蓄積電流の安定性の ESRF（EU）との比較

３．‌多 彩な軟 X 線、テンダー X 線、硬X 線ビームライン
発生した放射光は、図３にも示した初期整備の、
4）

ジム磁石の磁区の可視化の事例を示した。白黒像
は軟 X 線吸収コントラスト像で Fe がよく見えるエネルギーの軟 X 線を用いて走査イメージを観測したものである。鉄の含有量の多いところほど10 本のビームライン に導かれて様々な計測が行明るくなっている。カラー図は、放射光の円偏光われる。ビームラインは最大 28 本まで建設が可の向きを変えた走査イメージから、磁極の分布能である。国側が３本の共用ビームライン（軟 Xを、青（N 極）、赤（S 極）で着色し、磁区の分布を線）、地域パートナー側が７本のコアリションビー

100nm の画素の分解能で観測（計測時間 10 分）しムライン（軟 X 線３本、硬 X 線４本）である。

たものである。現在、空間・時間分解能の向上が表１に、利用を開始した７本のコアリション検討されている。ネオジム磁石の性能向上、サマビームラインについて、測定手法、利用できる光リウム鉄系磁石、ボンド磁石などの次世代の永久のエネルギー範囲などを示した。特定の元素の情磁石の開発だけでなく磁気情報デバイス、スピン報を得るためには、その吸収端のエネルギーのトロニクスの研究開発への応用も期待されている。

放射光を選択して計測をする。BL14U では、Fe、Co、Ni のスピンや磁気構造を可視化することが可能である。図４に BL14U の概要と市販のネオJAIMA Season 2024 Summer

7

表１

表１9

コアリションビームラインの概要

７本のビームラインで，化学状態，電子状態，磁性，配向・凝集，歪み，分子構造，の可視化をカバー
挿入光源

BL No.

BL名称

07U

軟X線電子状態解析

08U

軟X線オペランド分光

14U

軟X線イメージング

08W

局所構造解析

09U

X線オペランド分光

09W

階層構造10U

X線コヒーレントイメージング

主要装置特徴軟X線発光分光
NanoESCA

デバイスや溶液を含む複雑系の電子状態や化学状態の分析

雰囲気光電子分光
軟Ｘ線吸収測定

固体の電子状態・化学状態のオペランド時
空間マッピング，リアルタイム観察

走査型軟X線顕微鏡

ナノ構造の元素分布，磁性，ダイナミクスを含む高分解能分光イメージング

メイン︓X線吸収分光
ブランチ1(17.5 keV)︓Ｘ線回折
ブランチ2(8 keV)︓Ｘ線⼩角・広角散乱

原子配列・配位数（メインビームライン）の解析，結晶構造〜メソ構造の可視化（⾃動・リモート測定，ブランチビームライン）

エネルギー

APPLE-EUV型
0.05~1.0 keV
APPLE-SX型
0.18~2.0 keV
Twin-Helical型
0.20~1.4 keV
MPW型
2.1~13 keV
IVU型

硬X線光電子分光

5~15 keV
MPW型

白色Ｘ線CT
4D高速X線CT

約4.4~30 keV

EUV（~50eV）〜 軟X線

IVU型

ハッチ1︓マイクロ蛍光Ｘ線分析2.1~15 keV

ハッチ2︓コヒーレント回折イメージング

軟X線

バルク内部や埋もれた界面の化学状態
X線CTによる内部構造の可視化
10μmレベルの高感度元素分布解析
10nmレベルの高分解能可視化

テンダーX線 〜 硬X線

硬X線

７本のコアリションBLの横断利⽤で，EUV（50eV）〜 硬X線（約15keV）の単色光と，約5〜30 keVの白色X線の利⽤が可能
9

図４

BL14U の概要と市販ネオジム磁石のナノスケール可視化の事例

４．‌計
 測・計算融合、“見ただけ”で終わらせないために8レンス）の高いコヒーレント光を用いてナノス5）ケールの構造を可視化できる 。図中に、ゴム中のフィラーと同程度のサイズの 30 nm のシリカ

図４に示したように、高輝度放射光の特徴は、の粒子の分布が明瞭に可視化できているのがわか

従来の放射光 X 線を用いた分析法に加え、不均る。この可視化の結果と、ゴムの変形によるフィ一な構造と機能の相関をイメージングできるようラー周りからはじまる破壊進展のシミュレーショになることである。図５は、10 数年前の事例でン により、高い耐久性と強度を持つフィラーのあるが、企業のタイヤの製品開発が可視化によ分布や密度、界面の構造について設計指針を得るり、どう変わるかを例に示している。高い耐久性ことができた。この様なアプローチは、フィジカと強度を持つタイヤ材料の開発に、従来は、小角

ル空間でのナノの可視化と、デジタル空間での計散乱データを基に推定したモデル構造を用いてい算科学による、デジタルツインの形成であり、課た。しかし、最近の放射光施設では、レーザー光題解決を加速・強化する研究開発の DX 化ともいのように光の波の山と谷が揃った干渉性（コヒーえる。2023 年の１月に、東北大学のグリーン未JAIMA Season 2024 Summer

6）

来創造機構に、グリーンクロステック研究センさせるデジタル化の取り組みが、青葉山キャンパター（岡部朋永センター長）が発足した。そして、スで始まっている 。

7）

ナノテラスから得られたデータを製品開発に直結
図５

開発品

従来品

製品・技術

計測・計算融合研究開発サイクルの高速化材料，半導体，デバイス，生命，創薬，食品，農林⽔産業ほか

ナノの可視化
学術シーズ

産業現場

研究開発

世界最先端
産業ニーズ

試⾏錯誤・ノウハウ蓄積による機能探索

ナノ構造の最適設計

シミュレーション

NanoTerasu

計測

スパコンほかモデル化と予測

科学・理論

発⾒・理解

計算

AIによる分析，モデル化，シュミレーションによる予測へ

ディジタル空間

東北⼤ グリーンクロステック研究センター

ディジタル
ツイン

フィジカル空間（2023年1月1日設置）

5

図５

タイヤの高耐久性、高強度化への計測・計算融合の活用

５．産学共創を促進するコアリション形成

財源は、自治体及び、コアリションに参画する企業や大学の機関により拠出された資金を活用する。

ナノテラスは、産業界を巻き込み、研究力、国施設にコミットする多彩なプレーヤーからの資金際競争力の強化に貢献し、リサーチコンプレック源を活用する整備・運用手法であり、民間資金をスの形成を加速する事がミッションとして与えら活用した今後のロールモデルになると言われていれている。
そのため、「官民地域パートナーシップ」

る。という新しい施設整備の方法が導入された。国より多くのプレーヤーにナノテラスを活用して側の主体である QST とともに、光科学イノベーもらうためには、これまで高いと言われて来た放ションセンター（PhoSIC）を代表とする地域パー射光活用のハードルを低くする利用スキームが必トナー（宮城県、仙台市、東北大学、東北経済連要となる。それが、図６に示した “ コアリション合会）が役割を分けて施設の整備を行った。図６（有志連合）” コンセプトである。放射光の非専門は、その役割分担を示したものである。従来の国家（企業・学術）が、放射光及びサイエンスの専側の役割とは別に、地域パートナーが新たに設定

門家（学術）と競争領域と協調領域を分けて、そされ、基本建屋と７本のビームラインを建設する。
図６
分担約200億円

官
官 国の主体地

地域域 パートナー•
光科学イノベーションセンター

分担約180億円

代表機関（⺠間の非営利型法⼈）• コアリション利⽤の運⽤•共• 加速器・共⽤利⽤の運⽤• 先端技術開発

共⽤利⽤へのビームタイム提供



宮城県，仙台市，東北⼤学，東北経済連合会



コアリション︓有志連合

共⽤ユーザー

個別研究グループ，個人研究者
新たなシーズ・プッシュの創出⺠

66
れぞれの役割に専念できる “ コアリション（有志

企業・学術・放射光のプロが，それぞれの専門に専念する活用法

コアリションメンバー

専門分野の高いレベルでの融合

⺠間企業（150以上）・大学・国研等の組織
ニーズ・プルによる戦略的利⽤建設資⾦を拠出

新たな卓越性が生まれる人財活用

コアリション(有志連合）

協調領域
研究インフラ,学術的知⾒…

コアリションメンバー
アカデミア
Access
A社
スタートアップa

成果
コアリション
Unit A

b

分析会社

B社

コアリション
Unit Bc

サービス事業

C研究所

コアリション
Unit C

競争領域

図６

イノベーション創出への施設活用を支援
共⽤︓シーズプッシュ
コアリション︓ニーズプル
両者の好循環を生む．

官民地域パートナーシップとコアリション（有志連合）のコンセプト

JAIMA Season 2024 Summer

97）連合）” を形成する考え方である 。

分けて、それぞれのプロが役割に専念し課題解決

この “ コアリション ” は、従来の産業利用とは、できるよう、図７のコアリション・マッチングを全く考え方を異にするものである。単なる “ 先端行う。図中にあるように、10 を超える学術機関も、計測分析 ” がゴールではない。計測結果を基に計建設資金を拠出して、コアリションメンバーに加測計算融合などにより課題解決する産学共創がわった。それぞれの機関は、放射光分野、モノづゴールである。そのために、資金を拠出した放射くり、データ科学、AI 等の卓越した研究人財リ光の非専門家（企業・学術）が、放射光及びサイストを基に、メンバー企業の様々にコアな課題解エンスの専門家（学術）と競争領域と協調領域を決とのマッチングに参加する。
コアリション︓課題解決のプラットフォームの形成

7

図７

図７

コアリション・マッチングシステム

以上のように、共用・成果公開をベースとしたの３分岐されたビームラインの一つに設置された、既存の産業利用の垣根を超え、「計測（見る）施設」

小角 X 線散乱装置で計測される。ここでは、実から、データ科学・AI・モノづくりなどの異分験室でも使用されている市販の装置を、放射光用野融合を展開する「課題を解決する施設」への革に改造し導入している。ハード・ソフト面での企新を図る。

業各社が所有している市販装置との連携の容易さから、ユーザーから高い評価を受けている。一方、

６．分析機器産業との共創

10

X 線 CT の計測については、まずは実験室で市販第３期戦略的イノベーション創造プログラムの装置を使って行っている。プロジェクトの進行（SIP）の課題「サーキュラーエコノミーシステムによっては、ナノテラスとの連携も必要となる事の構築」（担当研究推進法人 ERCA）での活用が、であろう。

ナノテラスに隣接するサイエンスパーク内の青葉

ナノテラスのコアリションは、できたばかりで8）山ユニバースに拠点を置き、本格的に始まった 。

ある。ナノテラスの活用をどう展開していくかに

このプロジェクトでは、再生プラスチック材の物ついて蓄えられるべきものは、まだ蓄えられてい性と構造計測、計算およびデータ駆動科学の融合ない。コアリションメンバーが、第一線に並んによる再生材の品質分析・品質改善を行い、循環で、それぞれの役割分担と課題解決のゴールを模性向上に必要な再生材品質データバンクを構築す索しながらナノテラスの利用を始めている。毎年る。図８に示した様に、物性データを計測するたのように施設の高度化を求められるビームライン

め、様々な分析機器が青葉山ユニバースに設置さが縦糸であるとすれば、分析機器・分析技術には、れている。構造データは、ナノテラスの BL08W

横糸としてビームラインを横断する高度化を大いJAIMA Season 2024 Summer

に期待するところである。国産の新しい検出器、
9）となる。ナノテラスとサイエンスパークが、分析CITIUS の開発はまさにその好例であろう 。ま

機器・分析技術の高度化と新たなニーズ開拓とのた、SIP の事例で紹介したように、異分野間の融循環を生む、エコシステムとなることを期待して合するプロジェクトの場は、様々な分析機器・分いる。

析技術の高度化と市場開拓プロモーションの機会
図８
SIP第3期 サーキュラーエコノミーの構築

2023年ー2027年「再生プラスチックの循環性向上のための品質分析データバンク構築」の分析機器群
品質分析 物性データ測定機器

構造データ測定実験室
X線CT装置NanoTerasu(ナノテラス）

SRIS棟⻘葉⼭ユニバース

図８

再生材の品質分析における物性・構造データバンク構築における、分析機器群とナノテラスの連携

謝辞

◎参考文献

本解説を纏めるにあたり、ナノテラスの建設、

１）https://www.nanoterasu.jp/，応用物理第 93 巻第１運用開始にご尽力いただいた、QST、PhoSIC、

号 p5 - 11（2024），放射光 Vol.37,No.2，p60 - 68（2024）

宮城県、仙台市、東北大学、東北経済連合会、理２）西 森 信 行 , 渡 部 貴 宏 , 田 中 均 ,

表 面 と 真 空、65,

化学研究所放射光科学研究センター、（公財）高輝

p560（2022），N.Nishimori, Proc. 13th Int. Particle

度光科学研究センター（JASRI）の関係者の皆さ

Acc. Conf. IPAC2022, Bangkok, p. 2402（JACoW

ま及び、東北大学国際放射光イノベーション・スPublishing），放射光 Vol.37，p69 - 84（2024）

10）

マート研究センター（SRIS） 、東北地域の経済

３）https://nanoterasu.jp/users/operation_status/

界をはじめとする関係者の皆さま、コアリション

４）放射光 Vol.37，p85 - 111（2024）

メンバーの企業、学術の皆さまに心より感謝申し

５）M.Hirose, N.Ishiguro, K.Shimomura, H.Matsui,上げる。

M.Tada, Y.Takahashi, Microscopy and Microanalysis,
24, p12 （2018）, M.Abe, F.Kaneko, N.Ishiguro,T.Kubo, F.Chujo, Y.Tamenori, H.Kishimoto, Y.
Takahashi, J. Phys. Chem. C 126, p. 14047（2022），SPring - 8/SACLA 利用者情報 Volume 27, No.4 ｐ336–341
６）http://www.cosmic.plum.mech.tohoku.ac.jp/
７）https://www.ggi.tohoku.ac.jp/greenxtech/８）https://www.erca.go.jp/erca/sip/ce.html
９）https://www.kai - scientific.com/citius_jp/10）https://sris.tohoku.ac.jp/

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