第1回SPring-8-IIシンポジウム資料

SPring-8-IIシンポジウム

SPring-8-II計画の概要
理化学研究所 放射光科学研究センター
2023年8⽉2⽇ ステーションコンファレンス東京

1⽬次• SPring-8の現況• 世界の情勢• SPring-8-II計画• 想定性能･スケジュール• ナノテラスとの相補性• ユースケース• 新たな利⽤の仕組みに向けて2

放射光の役割︓何故︖を明らかにする

どのように起こっているかは分っていても、何故起こるか解らない現象はたくさんある
ナノレベルで何故を知るツール => 放射光Inhomogeneous / Hierarchic / Composite - system
Homogeneoussystem

Nano-Scopy:
Nano-Diffraction
Nano-SpectroscopyNano-Imaging

strength

NaCl crystalBiology

mmMartensite(high C)

Ferrite(low C)Beam size

Soft matter
CondensedmatterSPring-8μm
3-GeV ring
SPring-8-II

nm
HardTough-strongÅSoft X-ray

Hard X-ray

Feb.c.c. structure

何故を知ることイノベーションの第⼀歩

3SPring-8
Super Photon ring-8 GeVから

Solving-Problems ring-8 GeVへ

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SPring-8/SACLAが⽀えるSDGs
先端構造解析とシミュレーション研究から⽣まれた最⾼グレード低燃費タイヤ

低燃費性能とグリップ性能を⾼次元で維持しながら耐摩耗性能を従来品から51％向上「2017年⽇経地球環境技術賞」最優秀賞

次世代の蓄電池開発

SACLAによって､固体電解質粒⼦内の結晶を無損傷で評価¥

世界に先駆けたPSII構造・機能の解明

PSII分⼦の構造が、SPring-8とSACLAによって解明｡反応機構もSACLAにより明らかに

⼈⼯光合成触媒の開発を加速

新型MIRAI燃料電池スタック

SPring-8の世界最⾼性能の放射光を使って、ミクロンサイズの⽔の排出とガス拡散を促進する絞り流路形
5状による⾼出⼒化を検証

SPring-8のあゆみ
1988年10⽉

原研理研SPring-8共同チーム発⾜

1989年6⽉

播磨科学公園都市が設置場所として選定される

1991年11⽉

SPring-8建設開始

1997年3⽉

最初の放射光発⽣を確認

1997年10⽉

SPring-8共⽤開始

2000年1⽉

New SUBARU利⽤開始

2001年2⽉

⻑尺アンジュレータの稼働開始

2002年11⽉

低エミッタンス運転のユーザー供⽤開始 (6 nm.rad -> 3 nm.radに半減)2004年5⽉

トップアップ運転開始

2004年7⽉

XFELプロトタイプ機 (SCSS試験加速器) 建設開始

2006年4⽉

SACLA建設開始

2011年6⽉

SACLAでX線レーザーの発振に成功

2012年3⽉

SACLA共⽤開始

2019年3⽉

NanoTerasu建設開始 (理研･JASRIが加速器の設計･建設に全⾯協⼒)

2019年

SPring-8ビームラインの再編を開始

2020年

New SUBARU ⼊射⽤1GeV線形加速器建設 (NanoTerasu⼊射器のプロトタイプ)

2020年9⽉

SACLA加速器からSPring-8蓄積リングへのビーム⼊射の試験利⽤を開始

2021年4⽉

SACLA加速器からのビーム⼊射を定常化し､⽼朽化した旧⼊射器を廃⽌

2022年

SPring-8データセンター整備
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SACLA加速器からの電⼦ビーム⼊射 (2021年4⽉)
SACLA線形加速器

キッカー電磁⽯

SACLA BL2+BL3

SPring-8蓄積リング

⽼朽化した⼊射⽤加速器(1GeV線形加速器+8GeVシンクロトロン)

⽼朽化した旧⼊射器の運⽤を停⽌し､SACLA線形加速器を新たな⼊射器として利⽤• 4.7 MW (全体の17%) の電⼒削減• 旧⼊射器本体･付帯設備の更新費⽤を削減• ⾼性能な⼊射性能を確保

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課題• 利⽤者の声(特に産業界): ｢混み合っていて使えない｣､｢使えたとしても､待ち時間が⻑すぎる｣･･･• 蓄積リング本体の⽼朽化･光熱費の⾼騰による､安定運転への懸念• 海外の分析能⼒の進展

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国際情勢: 第3世代(3G)から第4世代(4G)へ進化する⼤型放射光施設(LSR)
最先端の分析能⼒を保有し続ける

国際競争⼒保持の｢必要条件｣に

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理化学研究所
五神真理事⻑

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理化学研究所
五神真理事⻑

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SPring-8-II計画
•

なぜ必要か

SPring-8加速器のアップグレードを⾏い､消費電⼒を半減しながら､100倍以上明るい⾼エネルギー放射光を供給• 2050年までのイノベーション創出を⽀え続ける科学技術基盤• ⽇本の国⼒の持続的発展に不可⽋な共⽤資源(コモンズ)

国家的重要課題と社会の要請に応え続けるSPring-8-II
Society5.0

2025

経済安全保障 インフラ⽼朽化

2030

2035

2040年問題2040

カーボンニュートラル

2045

2050 年
12コアコンセプト
現状より100倍以上明るい世界トップ性能を、⼤幅な省エネと両⽴させ、省コストで実現

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加速器テクノロジーの⾰新
電⼦ビームを⼩さく絞る  輝度が上がる
拡⼤図

ダブルベンド (2ベンド)
B1

B2

B2

B1

アンジュレータ

マルチベンド (5ベンド)
B1

B2B3B4B5

B1

B2

B3

B4

B5アンジュレータ
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なぜ必要かSPring-82ベンド

電⼦ビームの断⾯の形状:
⽔平⽅向に広がっている (線光源)

SPring-8-II
5ベンド

⽔平⽅向の広がりが抑制され､点光源になっている

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加速器テクノロジーの⾰新
SACLAを活⽤した⾼効率⼊射システム

超低エミッタンスを実現する磁⽯システム••

永久磁⽯を利⽤した分割型の偏向磁⽯システムを開発し､超低エミッタンスと安定性で世界トップ性能を狙う
ナノテラス向けの技術開発の成果もフィードバックし､確実に⽬標を達成

⼩型真空封⽌アンジュレータ (IVU-II)••

我が国発の真空封⽌アンジュレータ技術をさらに発展させ､⼩型化･安定化を実
現
6GeVリングから⾼エネルギーX線を⽣成するための､磁⽯列の短周期化技術••

アクセプタンスの⼩さいMBAリングに対して､⾼い効率でビーム⼊射をすることは､最も難しい課題の⼀つ
SACLA⼊射により､既に本課題を解決済み

世界唯⼀の⻑直線部の活⽤••••SPring-8蓄積リングは､世界で唯⼀30m⻑直線部(x4)をもつダンピングウィグラーを導⼊することにより､エミッタンスを50pm.radに半減⻑尺アンジュレータにより世界最⾼輝度を達成
将来のリング型XFELへの活⽤

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国際⽐較
最⾼輝度の⽐較
SPring-8

7

ESRF-EBS

66

HEPS

100

APS-U

325

PETRA IV

300

SPring-8-II
0200

400

863

600

800
輝度 (x1020 輝度単位*)

1000*輝度単位: ph/s/mm2/mrad2 in 0.1% b.w.

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国内の位置づけ
なぜ必要か

1E+22

SPring-8-II

1E+21

諸外国の中型
放射光施設

Nano
Terasu輝度 (輝度単位)

1E+20

1E+19

SPring-8

1E+18

UVSOR/PFNew SUBARU

1E+17

1E+16
10100

1,000

10,000100,000

1,000,000光子エネルギー (電子ボルト)

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SPring-8-IIとナノテラスの相補性
米国
卓越性（硬X線）
物体内部ナノ構造の非破壊分析 / 重元素分析

汎用性（軟X線）
表面化学反応の精緻分析/ 軽元素分析

欧州

中国

韓国

日本

APS-U
(アルゴンヌ)ESRF-EBS/PETRA-IV

HEPS
(北京)

OASIS
(清州)

SPring-8-II
(播磨)

ALS-U
(バークレー)MAX IV､SLS2.0 …

HALS
(合肥)

PLS-III
(浦項)

ナノテラス
(仙台)

→ 高輝度であるほど精緻な分析が可能

赤字：稼働中、建設中/青字：計画中

ナノテラス（軟X線）

SPring-8-II（硬X線）

物体表面を鮮明に捉える
コアリション方式による産業振興

物体内部３次元ナノ構造を鮮明にゲームチェンジの起爆剤
既存の産業界の手が届かない
未来への投資を国が先導
世界最高レベルの高輝度を実現し産業界との協創で日本の成長機会創出

SPring-8-IIとナノテラスは相補的な関係

19今後のスケジュール（想定）
2024(R6)年度

2025(R7)年度

プロジェクト開始
プロトタイプ製作ほか

整備・建設期間（4年間）

2026(R8)年度

2027(R9)年度

2028(R10)年度（運転停⽌期間︓約１年）（SPring-8⾼度化開発費）

2029(R11)年度
SPring-8-Ⅱ
共⽤開始

︵整 備

磁⽯システム整備
電源システム整備

内 訳︶

真空機器整備
制御システム整備ビームラインアップグレード

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SPring-8-IIで何ができるか?

圧倒的な透過⼒の向上
透過可能な鋼材厚:0.02mm@10keV
10mm@100keV

光⼦エネルギー(keV)

100

質の⾰命

実⽤分解能
1ナノメートル

10100
SPring-8101
分解能 (ナノメートル)
SPring-8-II

エミッタンス

2.4nm・rad0.05nm・rad

明るさ(最⾼輝度)

7 ×1020 ph/s/mm2/mrad2 in 0.1% b.w.

863 ×1020 ph/s/mm2/mrad2 in 0.1% b.w.

計測時間1(相対単位)

0.01(相対単位)

実⽤空間分解能50ナノメートル

1ナノメートル以下

光⼦エネルギー

5〜30 keV

10〜200 keV

透過⼒(鉄)

0.02mm @10 keV

10 mm @100 keV

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ユースケース

何ができるか質の⾰命: モノの中⾝を精緻にみて､イノベーションを創出• 何が起こっているかはわかっていても、なぜ起こるかわからない現象はたくさんある• 従来をはるかに超える分解能と透過⼒で､モノを壊さずにナノ観察 新たな学理を構築し､｢なぜ｣を解明  イノベーションの創出へ
半導体【現在】 分析可能なロジック半導体はミドルレンジ(40ナノメートル)どまり【SPring-8-II】•

1ナノメートルの実⽤分解能で､⾮破壊3次元解析を可能に•

ハイエンド(線幅5~16 nm)に加え､2nmノード世代以降も分析対象に｡3次元構造にも対応•

超微細化のチョークポイントを検証しながら､克服するための技術開発に貢献•半導体戦略･経済安全保障に不可⽋の分析ツール

製造･発電プロセスの低炭素化【現在】 ⾼温下における燃焼分布･反応分布の研究は､シミュレーションに頼るしかない【SPring-8-II】• 明るい⾼エネルギーX線を使って､炉中の燃焼反応の温度･空間分布･時間変化をリアルタイムで可視化• 極端環境下における反応プロセスに､実験的な知⾒をはじめて与え､シミュレーションの信頼性を⾶躍的に向上させる• ⽔素還元製鉄やアンモニア発電をはじめとする脱炭素化･低炭素化技術について､実⽤化時期の10年前倒しを実現する22

ユースケース

何ができるか２－３．ユーザーケース（Before-After）
量の⾰命:データ駆動で始まる新しいサイエンス
SPring-8-Ⅱは、マルチスケール・マルチモーダルな計測が短時間で⾏われ、得られたビックデータをオープンな環境で⼤勢の研究者が連携協⼒しながら研究活動を⾏う【データ駆動で始まる新しいサイエンス】の中核となる

マルチモーダルデータ

マルチスケールデータ

画像︓NEDOニュースリリース「⾰新的な材料開発⼿法の構築に着」―試作回数・開発期間を1／20に⼤幅短縮を⽬指す―」

種類や次元の異なる複数のデータ（cf. 画像、⾳声、味覚、触覚、温度など）

 膨⼤な量、様々な種類のデータが蓄積
 他施設のデータや計算資源とも連携
 オープンな環境で、⼤勢の研究者が連携協⼒しながら研究活動を実施
画像︓理研「先端データサイエンスプロジェクト」より

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ユースケース

何ができるか量の⾰命: ⼤量計測とビッグデータ解析により､課題を解決• 明るい放射光とDXを活⽤した⼤量計測により､分析のターンオーバー期間を劇的に短縮• 3年間かかっていた計測を5⽇間に短縮• ビッグデータ解析を援⽤しながら､課題を迅速に解決

部品･製品の品質管理【現在】 部品･製品のリコールコストは､国内全産業で年間数兆円以上(推定)｡故障解析のニーズは極めて⾼いが､オーダーを受けてから分析着⼿まで約半年､結果が出るまで約1年かかる【SPring-8-II】•⼤量の部品の迅速計測が可能に•

故障･トラブルの兆候があったときに､オンデマンドでナノレベルの⾮破壊分析を実施｡オーダーを受けてから3⽇間以内に迅速に原因を特定•

リコールリスクを年間数千億円規模で圧縮し､国内製造業の体⼒基盤の強化に資する

⼟⽊･建築インフラ【現在】 各種インフラ(道路､橋､建物等)の保守･維持管理について､サイエンスに基づく合理化が急務【SPring-8-II】•

全国の地⽅⾃治体･関連企業･機関と連携しながら､⼤量のインフラ系試料を収集し､内部構造を⾮破壊で分析｡
劣化と経年･環境との相関を調べることにより､網羅的なデータベースを作成•

ミクロの科学とマクロの安⼼安全をつなぎながら､インフラ維持管理コストを年間数千億円以上削減
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SPring-8 利⽤制度の進化
NanoTerasu

SPring-8
個々の会社による放射光利用
・JASRI産業利用推進室
・兵庫県ビームライン

業界団体を対象に、業界内の大問題に取り組む

コアリションコンセプト

・産業界コンソーシアム
・NEDOビームライン（RISING他）

業界団体と学術グループ の連携研究
・SPring-8が、産業界（課題の提示：材料開発・製造プロセス）と知・学術（解決法の探求：基礎・応用研究）をつなぐ

そして
SPring-8-Ⅱへ
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何ができるか

現在の利⽤制度

SPring-8

アカデミア利⽤80%

産業利⽤20%26

何ができるか

新たな利⽤スキーム?

新たな利⽤
30%?

SPring-8

アカデミア利⽤60%??

産業利⽤10%??
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SPring-8-IIによる｢総枠｣の⼤幅な拡⼤と新たな利⽤

カーボン・ニュートラル
半導体戦略
国⼟強靭化
経済安全保障強い⽇本を創る産学官インタープレイ（相互作⽤）

SPring-8-II

アカデミア利⽤

産業利⽤

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まとめ• SPring-8-II:最先端加速器テクノロジーに基づく､世界⼀の放射光施設を整備 (輝度100倍)• 持続可能な⼤型基盤施設という新しいモデル• ⾼品質かつ⼤量のフィジカルデータを創出し､サイバー空間とつなげて研究加速に貢献• 利⽤の｢総枠｣を⼤幅に拡⼤• 産学官が⼀体となった戦略的取り組みを発展させるための新たなスキームの検討• 将来にわたって社会の持続的発展を⽀え続ける

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