Photon Factory (PF) &Photon Factory Advanced Ring (PF(PF-AR)

高エネルギー加速器セミナー OHO’08「ビームエネルギー回収型高輝度放射光光源 - ERL -」副題：次世代加速器技術としての可能性を秘めたERL、 その原理と応用を学ぶ
2008年9月2日 KEK 3号館1階セミナーホール

ERL光源の性能と利用研究
ERL光源の性能と利用研究
物質構造科学研究所
平野 馨一

PFPF-ARE = 6 – 6.5 GeV

PFPF-AR

LINAC

PF
１．はじめに ～ERL光源とは何か～PF
E = 2.5 – 3 GeV

LINAC

２．PF-ERLについて
３．PF-ERLの利用研究
４．おわりに１．はじめに ～ERL光源とは何か～
ERL光源とは何か～

Photon Factory (PF)の平面図(PF)の平面図

電子蓄積リング
エネルギー:
エネルギー: 2.5 - 3 GeV
エミッタンス:エミッタンス: 27nmrad
電流値:
電流値: 450mA
周長:周長: 187m
真空度:真空度: 6 x 10-8 Pa

放射線遮蔽壁

１．１．放射光について
１．２．放射光源の歴史
１．３．次世代放射光源（XFELとERL）

蓄積リング

LINACからの電子ビーム

実験ホール

X線ビームライン
VUV/SXビームライン

１．１．放射光について

PFの実験ホール
PFの実験ホール

高エネルギーの荷電粒子（電子や陽電子）の軌道が磁場によって曲げられるときに生じる光を放射光という。

偏向電磁石光源

挿入光源

放射光の特徴１）指向性が高い
２）輝度が高い
３）赤外～X線の広いエネルギー領域が利用可能
４）パルス性
５）偏光性
物質科学や生命科学に必要不可欠なプローブ

1

大学共同利用・民間企業の利用

X線自由電子レーザー （XFEL）
XFEL）～ LCLSの例
LCLSの例 ～LCLS = Linac Coherent Light Source
SLAC Linac
Undulator Hall
Injector

Near Hall

Far Hall

Linac-to-Undulator Switch Yard: 227m, Undulator Hall: 175m, Undulator: 112m
Front End: 25m, X-ray transport from Near to Far Hall: 250m

１．２．放射光源の歴史

エネルギー回収型ライナック （ERL）
ERL）～ PFPF-ERLの例
ERLの例 ～

1947年 電子シンクロトロンで初めて放射光が確認される
1950年代～ 高エネルギー実験に寄生する形で放射光の利用が開始される（第1世代）
1970年代～ 放射光専用施設の建設（第2世代）
1975年 SOR-Ring建設
1982年 Photon Factory稼働開始
1990年代～ 挿入光源を主体にした大型放射光施設の建設（第3世代）
1997年 SPring-8稼働開始
2000年代～ 2～4GeVの中型放射光施設の建設（新第3世代）
蓄積リング型光源
加速器の規模や電子ビームのエネルギー等によって性能が決まる
すでに性能限界に達しつつあり、大幅な性能向上は困難

線形加速器をベースにした光源（次世代放射光源）
電子ビームは軌道を一度周回するだけなので軌道のボケが生じない
入射器（電子銃や低エネルギー領域の加速器）の性能限界までUpgrade可能

１．３．次世代放射光源（XFELとERL）
１．３．次世代放射光源（XFELとERL）
X線自由電子レーザー（X-ray Free Electron Laser, XFEL）
XFEL）

２．PF
-ERLについて
２．PFERLについて

エネルギー回収型ライナック（Energy Recovery Linac,Linac, ERL）
ERL）

２．１．なぜERLなのか？
２．２．PF-ERLの仕様
２．３．PF-ERLの性能
２．４．PF-ERLの特徴（まとめ）(TESLA Technical Design Report Part V)(Physics Today March 2002 p23-25.)

LCLS（米国）、SCSS（日本）European XFEL（欧州）など

CHESS-ERL（米国）、PF-ERL（日本）など

2

２．１．
なのか？
２．１．なぜERLなぜERLなのか？

２．３．
２．３．PFPF-ERLの性能
ERLの性能ＰＦ次期光源に要求される条件：

ＰＦ－ＥＲＬでは電子ビームのエミッタンスが大幅に改善されるため、光源性能が既存光源よりも大幅に改善される

１）先端性： 最先端科学を切り拓けること（既存光源を上回る性能）
２）汎用性： 多数のユーザーに利用の機会を提供できること（多数のビームラインを建設できること）
新第3
新第3世代光源XFEL

ERLSPringSPring-8y

PFPF-ERLy

ビーム
進行方向zxCanadian Light Source

European XFELz

ビーム
進行方向x

CHESS ERL

先端性

汎用性

技術

その他（国内情勢）

新第3世代光源△◎◎（容易）

SPring-8稼働中

XFEL

◎△

○(やや困難）SCSS建設中

ERL

◎◎

△（困難）

PF-ERLεx = 6 nmrad, εy=3 pmrad

εx = εy=10 pmrad

τ = 36 ps

τ ～ 0.3 ps

２．２．
２．２．PFPF-ERLの仕様
ERLの仕様アンジュレーター放射の利用

PF-ERLに要求される条件：
現在、ＰＦのユーザーの約8割がX線利用者
アンジュレーターの1次光で波長1ÅのX線を生成できること
電子ビームのエネルギー ～5 GeV
約400 mの超伝導線形加速器の必要性

I ∝ N2■ 短パルス■ 微小円形光源■ 平行光

PFPF-ERLの仕様
ERLの仕様高輝度、高コヒーレンス・・・

パルス長とビームサイズの比較■ パルス長SPring-8
τ～36psPF-ERLτ～0.3ps■ ビームサイズ＠光源 (E = 8keVの8keVのX線について)
線について)
・長尺アンジュレーター （200m～100m級）1～2本
・中尺アンジュレーター （30m級）4本・短尺アンジュレーター （5m級）12本・偏向電磁石からの放射光も利用可能
・長尺アンジュレーターの代わりにCanted アンジュレーターを設けることにより、ビームラインをさらに増やすことが可能

SPring-811μm

PF-ERL18μm

892μm

18μm

3

フラックスの比較光子縮重度の比較

フラックス：光源から毎秒放出される、バンド幅0.1%に含まれる光子数

光子縮重度：一つのパルスの中に含まれる、空間的にも時間的にもコヒーレントな光子の数（単位 photons/sec/0.1%b.w.）

δ D = Bˆ [ ph / s / mm 2 / mrad 2 / 0.1%b.w.]⋅

Fn = 1.431 × 1014 N u Qn I [ A] (3-11)式

輝度の比較

λ [Å ]
1.2 × 10 24
3(3-26)式

E = 8keVの8keVのX線に関する性能比較 (1)輝度：光源の単位面積（1mm2）から、毎秒1mrad2の単位立体角に放出される、バンド幅0.1%に含まれる光子数（単位 photons/sec/mm2/mrad2/0.1%b.w.）

B=Fn(2π )2 ε x ε yPF-ERL @ 5 GeV(3-15)式

SPring-8 @ 8 GeV

電流値

100 mA

100 mA

100 mA

100 mA

アンジュレーターの長さ

30 m

5m

25 m

5m

光源サイズ

水平 (FWHM)

37.8

18.2

892892(μm)

垂直 (FWHM)

37.8

18.2

22.8

10.6

発散角

水平 (FWHM)

4.1

9.8

37.4

38.4(μrad)

垂直 (FWHM)

4.1

9.8

4.3

10

ビームサイズ @ 50m

水平 (FWHM)

244

510

2761

2813(μm)

垂直 (FWHM)

244

510

236509平均輝度 B (ph/s/0.1%/mm2/mrad2)

6.0x1023

7.6x1022

2.2x1021

5.0x1020

コヒーレント比 pc

19150.140.13

コヒーレント比の比較

E = 8keVの8keVのX線に関する性能比較 (2)コヒーレント比：フラックスに占めるコヒーレントフラックスの割合

1対1の集光をしたときに焦点で得られる単位面積当たりのフラックスとコヒーレントフラックスF
λ2
pc = c =Fn(4π )2 ε x ε y(3-20)式

4２．４．
PF-ERLの特徴（まとめ）２．４．PF
ERLの特徴（まとめ）参考文献■ 短パルス
SPring-8 τ～36ps Î PF ERL τ～0.3ps
パルス長が約2桁短くなる。

■ 微小円形光源
垂直方向のサイズはほぼ同じだが、水平方向のサイズが数十分の一になり、ビームの形が円形になる。

■ 高輝度
平均輝度が約2桁高くなる。

■ 高コヒーレンス
回折限界に近い光が得られる。
コヒーレント比と光子縮重度が約2桁高くなる。

■ フラックス
フラックスはほぼ同じ
http://pfwww.kek.jp/outline/pf_future/studyreport1/index.html

３．PF-ERLの利用研究
３．PFERLの利用研究

３．２
３．２．ナノビーム利用研究
X線集光素子の代表例
Kirkpatrick-Baez (KB) Mirror

Fresnel Zone Plate

３．１．はじめに３．２．ナノビーム利用研究３．３．短パルス利用研究
３．４．コヒーレンス利用研究

光源点の縮小像が焦点に投影される
SPring-8では光源が扁平な形をしているため、ピンホールやスリットなどでビームを切る必要があり、強度の損失が大きい
PF-ERLでは光源は微小円形のため、強度の損失を抑えて、効率よくナノビームを生成することができる

ビームサイズ ～50nm (SPring-8) Î ～10nm (PF-ERL)

３．１．はじめに

X線顕微鏡
走査型顕微鏡■ ERL光源を使ってしてはいけない実験
ERL光源を使ってしてはいけない実験
1) フラックスが効く実験（ERL光源で得られるフラックスはSPring-8と同程度）
2) ピーク輝度や光子縮重度が効く実験（ERL光源で得られるピーク輝度や光子縮重度はXFELには遠く及ばない）

繊毛虫類中の元素分布■ 放射光利用研究の将来展望 ～光源性能に応じた棲み分けの必要性
結像型顕微鏡1) XFEL利用研究
ピーク輝度や光子縮重度の高さを利用する研究
2) ERL利用研究
平均輝度の高さを利用する研究＋微小円形光源
短パルス高コヒーレンス

ナノビーム利用研究
短パルス利用研究
コヒーレンス利用研究3) 第2世代光源利用研究
フラックスさえあればよい研究
藻類の観察例5ナノビームによる微小結晶の構造解析 (1)タンパク質の微小結晶の構造解析結晶化が困難で小さな結晶しか得られないタンパク質でも構造を解くことができる。

時間分解X
時間分解X線回折 (1)光合成反応のダイナミクス研究

光スイッチング素子のダイナミクス研究

光合成反応中心タンパク質に吸収された光のエネルギーは～100 fsで化学エネルギーに変換される

ナノビームによる微小結晶の構造解析 (2)

時間分解X
時間分解X線回折 (2)極端条件下での物質の構造解析

固体の融解過程の研究

地球中心の高温高圧状態（360GPa, 6000K）という微小領域でなければ地上では実現できない極端条件下での物質の状態や構造を解明できる

３．３３．３．短パルス利用研究
スタティックからダイナミクスへ～ 構造の解明から機能の解明への解明へ ～構造の解明から機能

時間分解XAFS
時間分解XAFS
溶液中有機分子のダイナミクス研究

光合成反応のダイナミクス研究

レーザーポンプ・放射光プローブ法

放射光ポンプ・放射光プローブ法（パルス分割）放射光ポンプ・放射光プローブ法（挿入光源2台使用）

溶液中の有機分子（cis-stilbene）のコヒーレント振動は～1ps

光合成のエネルギー変換過程について知るには金属ポルフィリンの励起状態のダイナミクスを調べる必要がある

6

３．４．コヒーレンス利用研究

ニッケルの図形パターンの観察例～ X線コヒーレント回折顕微鏡 ～フラウンホーファー回折像(Log scale)

反復法のアルゴリズムによる像再生

ρ(x, y)FTF(u, v) = |F(u, v)| exp[iφ(u, v)]
FT-1

ρ(x, y)の推定

FT

フーリエ空間拘束条件

実空間拘束条件

新しい ρ'(x, y)

G = |G| exp(iφ)

FT-1

波長 2 Å
空間分解能 8 nm

G = |F| exp(iφ)

試料
空間分解能 50 nm結晶の得られない物質でも構造を解くことができる！
コヒーレントＸ線

J. Miao et al, Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 088303.

像再生の例 (1)

大腸菌の観察例
大腸菌の観察例FFTJ. Miao et al.: PNAS 100 (2003) 110.

185 pixel x 125 pixel
KMnO4で染色された蛋白質の分布構造
波長 2Å、空間分解能 25 nm

Log Scale

反復法による位相情報の回復と試料像の再生
CPU: AMD Athlon XP 2400+
3000 iterations, 20 min

像再生の例 (2)単分子イメージングへの挑戦

ルビスコ分子回折像

再生像

J. Miao, K. O. Hodgson and D. Sayre: PNAS 98 (2003) 6641.
410 pixel x 463 pixel

CPU: AMD Athlon XP 2400+
500 iterations, 25 min

7４．おわりに■ コンパクトERL（E = 60～
コンパクトERL（60～200MeV）の建設が急務！
200MeV）の建設が急務！

10m

40m

・原理実証機・要素技術の開発・改良・光源としても魅力的で多くの利用研究が見込まれる
テラヘルツ・遠赤外領域の大強度のコヒーレント放射光の利用
レーザー逆コンプトン散乱によるX線光源（微小光源から短パルスのX線が得られる）ダイナミクス研究、医学イメージング研究など・汎用光源として一般社会（病院など）に広く普及する可能性あり■ ERLの可能性のさらなる追求
ERLの可能性のさらなる追求
例）ERLと共振器型X線レーザーの組み合わせ

λ = 1 Åのとき
I = 109 photons/pulse
f = 1 ～ 100 MHz
t = 1 ps (rms)
ΔE = 2 meV (rms)K.-J. Kim et al.: PRL 100 (2008) 244802.

加速器やX線光学等の専門家の英知と技術を結集する必要性
ERL光源実現に向けてご協力をよろしくお願いします

Thank you!

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