施設報告：第15回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム（2002年1月11-12日）

日本大学電子線利用研究施設と研究計画
佐藤 勇、早川 建、田中俊成、早川恭史、桑田隆生、山本 寛１、大西一功１、高橋芳浩１、滝沢武男2、高橋博樹2、中西剛司2、望月章介2、石田 浩2、浅地哲夫2、中西太宇人2、中田仁志2、奥山克彦3、鈴鹿 敢3、
沼田 靖3、石川紘一4、岡田清己4、田中良明4、浅井 聡4、宍倉文夫4、茂呂 周5、西山 実5、佐藤吉則5、菊池久二5、清水典佳5、安孫子宜光6、寒河江登志朗6、池見宅司6、早川 徹6、平塚浩一6、五関たけみ6、
多田充裕6、奥 忠武7、浜口宏夫8、佐藤 伸8、末元 徹9、瀬戸 誠10、後藤寿夫11、中井 泉12、筧 光夫１3、松下裕亮１4、LeGeros,R.Z１5、松下 正１6、若槻壮市１6、山本 樹１6、土屋公央１6、榎本収志１7、穴見昌三１7、福田茂樹１7、小林 仁１7、大沢 哲１7、設楽哲夫１7、諏訪田剛１7、紙谷琢哉１7､道園真一郎１7、山田家和勝１8日大原研、１理工、2文理、3工、4医、5歯、6松戸歯、7生物資源科学、8東大理、９東大物性研、１０京大原子炉、広大総合科学、１2東京理科大、１3明海大歯、１4東海大開発工、１5New York大歯、１6KEK物質構造科学研､
１7
KEK加速器研究施設、１8産総研

１１

電子線利用研究施設の現状
本研究施設では、 2000 年度の学術 フロンティア推進事業として、新実験棟の増築の以外に、小エミッタン
ス電子銃の開発、入射部の改良、エネルギー調整システムの改良、並びに、指向性の強い波長可変単色Ｘ線源の開発、自由電子レーザーのビームライン建設、レーザー励起高周波電子銃の開発、X線ビームラインと小角Ｘ線回折散乱実験装置、並びに、蛋白質構造解析装置の導入などを積極的に行った。
また、学術フロンティア推進事業として、自由電子レーザー(5~0.3μm)、自発放射光(0.24~29eV)、パラメトリッ
クＸ線(3~30keV)の 3 光源が用意される。特に、Ｘ線光源は高性能な自由電子レーザー用 125MeV 電子線形加速器の特色を生かした指向性の強い波長可変な単色Ｘ源として、その活用が期待される。

（ 3 ）施設検査
加速器運転中でも、実験室で準備作業が出来るように放射線管理区域の変更手続きを行い、施設検査を受ける準備を行った。特に、加速器室と実験室の間にある通路をコンクリートブロックで迷路を作り放射線遮蔽を行っているが、迷路が浅いために、その効果が不十分であり、迷路を深くして放射線シールードを強化した。
（ 4 ）パラメトリックＸ線
パラメトリックＸ線源がほぼ完成し、実用化に向けて基礎実験を開始したが、施設検査を受ける準備のために実用化実験は一時中断している。一方、この間を利用して、パラメトリックＸ線ビームの敷設工事を行い、実験室にX線ビームラインと微小部Ｘ線回折実験装置、並びに、蛋白質構造解析装置を設置した。
これは 2 つ実験装置を、Ｘ線のビームライン上に遠隔操作で入れ替えられるようになっている。

2（ 1 ） 新実験棟（約 1300m ）が竣工し、レーザー照射実験室（ 9 室）に 0.35μm~5μm 波長領域のレーザービームラインが敷設された。赤外線自由電子レーザー用アンジュレーターが完成し、 1.5μm 赤外自由電子レーザー発振に成功した。 0.8μm~5μm 波長領域の自由電子レーザーの実用化テストは、施設検査に合格後にじっしする。加速器室から各実験室までレーザーを効率よく輸送する光学システムは、回転楕円面鏡と放物面を組み合わせた光学システムを製造中であり、 2001 年度中に自由電子レーザーの実用化テストが終了後に設置される。

図1

玄関から眺めた新実験棟の外観（ 2 ） 短パルス用クライストロン（ 2.5μs ）の長パルス化運転（ 20μs ）に成功し、高周波位相も安定させることが出来た。最近、加速器の出力ビーム電流は自由電子レーザーシステムを 100%通過するようになった。共同利用実験が実施できるように、制御システムの整備を行い、加速器の安定化を目指した改善作業を進めている。加速器の不安定が、室温の変化、商用入力電圧の変動と複雑に重なり、原因の特定に大変苦慮している。

図 2 下流から眺めた 125MeV 電子線形加速器の本体

図3完成したパラメトリックＸ線発生装置（左側）と赤外線用自由電子レーザー発生装置（右側）の写真

Table1~Table5 に日本大学電子線利用研究施設の設計仕様を示す。

Table1 Electron linac
Beam energy
Beam intensity
Beam pulse duration
Peak current
Beam bunch width
Beam energy spread
Repetition rate
Maximum beam power
Frequency
Accelerator structure
DC gun
Klystron power

125 MeV
200 mA
25 μs
20 A
3.5~10 ps< 0.5 %
12.5 pps
6.25 kW2856 MHz
4 m×3- 100 kV
30 MW×2Table 2 FEL from near infrared to ultraviolet
Undulator structure
HalbachTotal length of undulator
2,400 mm
Gap space of magnet pole
13~25 mm
Periodicity
24 mm
Periodic numbers
100
Ordinary K-value
0.65~1.1
Length of optical cavity
6,718 mm
Mirrormulti-coated
Photon wave length
0.3~1.5μm
Average power
0.3~3 W

Table 3 FEL from infrared to near infrared
Undulator structure
HalbachTotal length of undulator
2,400 mm
Gap space of magnet pole
28~40 mm
Periodicity
48 mm
Periodic numbers
50
Ordinary K-value
0.65 ~ 1.1Length of optical cavity
6,718 mm
Mirrormulti-coated or metal
Photon wave length
0.8~5 μm
Average power
1~5 W
Table 4 Spontaneous Emission by the Undulator
Wave length of radiation
0.043~5 μs
Photon energy
0.24~29 eV
Energy spread
1%
Average photon flux
2.5×1011photon/s
Table 5 Parametric X-ray
Energy of X-ray
Energy spread
Average flux
Directional angle

3~30 keV1%
1.2×109 photon/s~4 mrad

自由電子レーザーは、自由に動き回れる電子ビームが図 4 に示すような経過を経てレーザーに成長する。
即ち、光速度に近い電子ビームが磁石を交互に並べた間を通過すると蛇行運動して進行方向に特定な波長の強い光を放出する。その波長は光速度と電子速度の差が小さいほど短くなる(ドップラー効果)。この装置の両外側に 2 枚の鏡を置いて、この装置を次々に通過していく電子ビームが放射する光を蓄積すると、図 5 に示すように、時間経過と共に蓄積光は次第に強くなっていく。
一方、後続の電子ビームも蛇行運動すると光を放出するが、次々に追い越していく蓄積光の強烈な電磁場の影響を受けて、電子ビーム自身に光の波長間隔の濃淡(粗密)ができる。蓄積光は電子ビームの濃淡を追い越す度に、電子ビームからエネルギーを受け取り、図 6 に示すように、その電磁場の振幅は指数関数的に増大して発振状態に成長する。

（ｍＶ）
1E+09
1E+08
1E+07
1E+06

度
強光

1E+05
1E+04
1E+03

SN

N
S

NSSN

NSSN

NS

S NNSSNN
NSSNS
N

1E+02
1E+01

蓄積光5/26

図4 自 由 電 子 レ ー ザ ー の 概 念 図

5/265/285/286/197/037/257/27

実験日S

図 7移

自由電子レーザー発振後のレーザー強度の推レーザーに成長させるには電子ビームをレーザーの波長程度の空間的な広がりに制限する必要がある。従って、自由電子レーザーに必要な電子ビームは良質で且つ安定でなければならない。良質の安定な電子ビームを得るために、約 5 年間の歳月を費やし、普通の電子線形加速器の高性能化を進め、平成 13 年 5 月に、遂に 1.5μm の波長の自由電子レーザーを発振させることに成功した。 現在のレーザー出力強度は、図 7 に示すような経過を経て、図 6 に示す蓄積光強度の約 1 億倍になっているが、まだ飽和に到達していない。レーザー発振に伴って、予想外の新しい現象として、可視光の閃光(図 6 の赤線)が観測されており、そのメカニズムを解析中である。
パラメトリックＸ線は図 8 に示すように、単結晶を高エネルギーの電子線で摂動することにより、単結晶が励起状態から緩和されるときにさＸ線が発生する。そのＸ線のエネルギーは結晶構造と周期構造に依存し、結晶を回転することによって変えることが出来る。

図 5 蓄積光の強度 (青 V:2mV/div ）ビーム電流波形(赤 V:20mA/div,H:4μs/div)

図8

パラメトリック X 線発生の概念図

研究計画

図 6 レーザーの強度(青 V:2mV/div,桃 V:1V/div)
可視光の強度(赤 V:500mV/div)
ビーム電流波形(緑 V:20mA/div,H:10μs/div)

本研究施設では、電子線形加速器の特色を生かし、小型で使い易い赤外線からX線までの波長領域を対象とする可変波長で高輝度単色光源の実用化を進めてきた。この光源が実用化される近い将来には、物質、生命、資源、環境に関わり理、工、医、農学の研究領域を横断する学際的な基礎研究を飛躍的に発展させると推定している。例えば、自由電子レーザーとその高調波を使って、ピコ秒のマルチプローブシステムを確立する

と、極限状態の光反応、高速化学反応過程、巨大分子の部分的な挙動とその反応過程をストロボスコピックに解析する実験が可能になる。本研究施設の大実験室では、光源の特色を活かした利用研究として、レーザーで分子を励起し、その高調波を使って同時に分析するリアルタイム解析システムを計画している。多くのユーザーからは、本研究施設が、このような研究計画に対応できる大学共通研究施設を構築し、その役割が果たせる研究拠点と研究支援体制を早く整備するよう要望されている。
レーザービーム

３０φ

ビームシャツター

覗き窓

粗排気ポート
ＩＣＦ７０
ベローズ

ＧＬ

ピット寸法
５００× ５ ０ ０

レーザービーム

ハーフ反射鏡３０φ
１／１０λ平面鏡
平面鏡回転用エアーシリンダー

図 10 半導体プロセス実験室(クリーンルーム）に設置されたレーザー取り出し装置
図9

レーザー引き出し装置

本施設の実験棟が増築され、日本大学と国内外の多数の大学や研究機関の研究者と共同研究ができる環境が整いつつある。
例えば、新実験棟の 1 階には、図 12 に示すように、レーザー照射実験室(9 室)、資料分析室（ 5 室）、資料管理室、事務室があり、レーザー照射実験室は、光励起極限プロセス、化学触媒光反応、光電子分光、半導体プロセス（クリーン室：クラス 1000 ）、新素材開発（クリーン室：クラス 10000 ）、生命科学、医学用、医用 1 、医用 2 として使用される。
レーザービームラインはそれぞれの実験室のピットに敷設され、各実験室では 2 枚の鏡を使って、レーザービームラインから 50%、 100%のレーザー強度を取り出すことが可能である。
また、資料分析室には粉末Ｘ線回折装置、蛋白質構造Ｘ線解析装置、資料分析装置、小角Ｘ線回折装置等が設置されて、パラメトリックＸ線を使う本実験の前の予備実験ができるようになっている。新実験棟の 2 階は、実験準備室（ 6 室）、研究室（ 7 室）、会議室、資料室があり、自由電子レーザーの本実験に備えて前準備に利用される。
小角Ｘ線回折や蛋白質構造 X 線解析の計測には大立体角のイメージングプレートが用意されている。
自由電子レーザーの利用実験としては通常のレーザーでは実現できない領域が研究対象であり、波長依存性と光反応の極限状態産生による新素材の開発や、環境汚染物質の極限光反応による終末の検証が当面の課題である

図 11 医用 2 のレーザー照射実験室に設置されているフレキシブルアーム

図12 日本大学電子線利用研究施設の鳥瞰図 （新実験棟１階と既設実験棟）
レーザー照射実験室（９室）；半導体プロセス、新素材、光励起プロセス、化学触媒光反応、光電子分光、生命科学、医学用、医療用１、医療２
資料分析室（５室） ；微小部Ｘ線回折、化学処理、コールドルーム、蛋白質Ｘ線構造解析、粉末結晶Ｘ線回折加速器室；１２５ＭｅＶ電子線形加速器、自由電子レーザー発生装置、パラメトリックＸ線発生装置、大電力クライストロンパルス電源（２台）、制御システム
大実験室；移動式Ｘ線回折構造解析装置

図13 実験室に据え付けられたX線回折装置
手前：微小部X線回折装置、右手奥： 蛋白質構造回折装置 （後方から眺めた写真）

図14 実験室に据え付けられたX線回折装置
右手：微小部X線回折装置、左手：蛋白質構造回折装置（前方から眺めた写真）

図１５

予備実験用のタンパク質構造Ｘ線解析装置（資料分析室4）

図１６

図１７

予備実験用の小角Ｘ線回折装置（資料分析室1）

予備実験用の粉末･薄膜Ｘ線回折装置（資料分析室5）