PUBLIC BEAMLINE

高フラックスビームライン（BL40XU）の現状

財団法人高輝度光科学研究センター
放射光研究所 利用促進部門
井上 勝晶
理化学研究所 Ｘ線干渉光学研究室
岡 俊彦

財団法人高輝度光科学研究センター
放 射 光 研 究 所実 験 部 門
鈴木拓、八木 直人

Abstract
High flux beamline (BL40XU) was designed to use the fundamental undulator radiation as a quasi-monochromatic
X-ray beam so that very high X-ray flux can be used in various experiments. For this purpose, the use of the crystal
monochromator was eliminated and thus flux more than 100 times higher than that obtained with a crystal
monochromator can be used. The X-ray source of BL40XU is a helical undulator and its gap can be varied so that thepeak energy is altered from 8 keV to 17 keV. The X-ray is focused horizontally and vertically by two water-cooled
mirrors that are made of silicon and coated with rhodium and, then, introduced into the experimental hutch. In theexperimental hutch, two types of shutter are located. One is driven by a galvanometer-like motor and opens and closes
within 1.5 msec after a trigger pulse. The other is a rotating-aperture type shutter. By synchronizing the two shutters,6 µsec opening can be achieved. As a detector, a fast CCD camera with an X-ray image intensifier that has a shortdecay phosphor will be installed. The framing rate of the fast CCD camera is 290 frames per sec (using with frame
size of 640×480 pixels, 10bits) and will achieve up to 5000 frames per sec by reducing the size of the frame.
BL40XU was open for public users from April 2000. It will be expected that various experiments that require high Xray flux, e.g. time-resolved diffraction and scattering experiments, X-ray speckle and X-ray fluorescence trace analyses
and so on, will be carried out.

1．はじめに

2．ビームラインの概要

高フラックスビームライン（BL40XU）はヘリカ

図1にビームライン輸送部の各コンポーネントのルアンジュレータを光源とし、分光器を用いず垂直配置を示す。図2は光学ハッチを上流から写したも水平2枚のミラーで集光を行う、高輝度なＸ線の利のである。本ビームラインの最大の特色は高輝度の用を目的としたビームラインである。アンジュレー

X線の利用に特化されたことにある。そのためビータから放射される一次光は非常にシャープなエネル

ムラインの構成は分光器を持たない非常にシンプルギー幅であるため準単色光として扱うことができ、なものであり、二枚の集光ミラー、二つの水冷スリこの一次光だけを取り出すことによって二結晶分光ットから成っている。この図には示されていないが器を用いて単色化された光の100倍以上の輝度を持

光源はヘリカルアンジュレータで、光源から約23mつＸ線の利用が可能になる。このような高輝度のＸの距離に可動マスクがあり、約33mの距離にフロン線を利用することにより、回折・散乱法による蛋白トエンドスリットが設置されている。この二つのフ質分子の機能発現時における構造変化を追う時分割

ロントエンドコンポーネントを通って光学ハッチに実験、蛍光Ｘ線分析あるいはスペックル実験（X-導入されたX線は、二枚の集光ミラーにより集光さ

ray intensity fluctuation spectroscopy）のようなれたのち二つのスリットを経て実験ハッチへと導か新しい手法の開発研究などが行われることが期待される設計である。

れる。本稿ではビームライン輸送部光学系、実験ス

本ビームラインのヘリカルアンジュレータは、周テーションの概要および運転状況を含めて報告す

期長36mmで一次光として8keVから17keV（波長：る。

1.5Åから0.7Å）のエネルギー範囲で光を出すこと

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共用ビームラインができる。本ビームラインには分光器がないので、実験に使用できるX線のエネルギー範囲はこのアンジュレータから出る光のエネルギー範囲によって既定される。ヘリカルアンジュレー
タは元来、円偏光の放射光を得るためのものである。このアンジュレータの最大の特色として、軸上ではほとんど一次光しか観測されず、高調波は軸外に放射されるということがあげられる。このため、アンジュレー
タ放射X線の中心部だけを取り出せば、準単色光である一次光が輝度を損なうことなく利用できる。

図1

ビームラインコンポーネントの配置図

この基本概念を実現するために最も重要な光学要素が光源から33mの距離にある
フロントエンドスリットである。このフロントエンドスリットの開口を調整することで一次光だけを取りだし、同時に大部分の高調波を除去し、それによって大部分の熱を取り除くことができる。フロントエンドスリットは現在、通常水平15µrad×垂直5µradの開口で使用している。さらに輝度が必要な実験のためには50µrad程度までの開口で使用できる設計になっている。
フロントエンドスリットによって一次光のみに切り出されたX線は、水平集光ミラーおよび垂直集光ミラーによって集光される。図3はミラーチャンバーを実験ホール側から写したものである。これらの

図2

光学ハッチ内の様子（上流側から）

ミラーはどちらもロジウムでコーティングされたシリコンの母材（水平集光ミラー：長さ70cm、幅50mm、厚さ50mm、垂直集光ミラー：長さ40cm、幅50mm、厚さ50mm）をベンダーで湾曲させ集光する機構になっている。ミラーベンダーはSPring-8
標準のクランプ回転型湾曲機構である。アンジュレータからの光を直接受けるので、母材には熱特性の優れたシリコン単結晶を使用し、どちらのミラーにも側面に間接冷却機構を取り付けた。さらにミラー上でのビームのフットプリントを大きくして熱負荷を下げるために一枚目は水平ミラーとし、3mradの視射角で使用することとした。水平ミラーの反射方向は下流に向かって右側である。垂直方向は4mradの視射角で下はねとなっている。4mradのロジウム

図3

二つの集光ミラー

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コーティングのミラーでは、16keV以上のX線の反できる小角散乱用の真空パイプが用意されている。

射率は非常に低く、22keV以上では二枚のミラーに検出器としては低残光型X線イメージインテンシフよる反射率は0.1%以下になる。どちらのミラーも視ァイアと組み合わされた超高速CCDカメラが用意

射角が固定であることからミラーより下流のコンポされている。この検出器の時間分解能は640×480ピ

ーネントは、下流に向かって右側（実験ホール側）

クセル（full frame）で3.4msであるが、画素数を低に6mrad、下に8mradの傾きで設置され、実験ハッ減させることにより0.5ms以上の時間分解能が得ら

チにも同様の傾きでX線が導入される。ミラーは光れる。

源とフォーカス点を4：1に分ける位置に設置されるので、全体として4：1の縮小光学系となっている。

3．ビームラインの現状 〜コミッショニングを経て〜

このように二枚のミラーで水平垂直双方向に集光さ

本ビームラインは1999年10月20日に初めてフロンれたX線はその後二つの水冷スリットにより整形さトエンドにX線を導入し、10月22日までに実施されれたのち実験ハッチへと入射される。

たハッチのX線漏洩検査終了後、本格的にコミッシ

実験ハッチはおおよそ4m×6mの大きさで、検出ョニングを開始した。X線漏洩検査中には実験ハッ器等の配置は実験によって自由に選択、変更できる

チに入射されたX線が空気中を走るときに 青い光ようになっている。現在、実験ハッチ最上流にあるが観察され（図4）、その輝度の高さを驚愕とともに水冷ベリリウム窓のすぐ下流に、アルミニウムのア実感した。ミラーの調整は非常にスムーズに進み、ッテネータ（厚さの異なる2種類）、ガルバノ式高速

10月23日には実験ハッチ内の検出器が置かれる地点

X線シャッター、回転速度、開口の異なる2種類のでX線がフォーカスすることが確認できた。その後

回転チョッパー式高速シャッターおよび試料直前にエネルギー分解能測定、実験ハッチ内高速シャッタ位置する四象現スリットが定常的に設置されていーの調整、検出器のコミッショニング等を行った。

る。ガルバノ式シャッターと回転シャッターを同期

図5は基本波のエネルギーピーク12.4keVにおけさせて開閉させることにより、実験に適したパルスる、水平15µrad×垂直5µradの放射のエネルギー分幅を持つX線を切り出すことができる。また、これ布を示すスペクトルである。シリコン（111）結晶

らのシャッターは必要なければX線の経路上から退を使い、PINフォトダイオードを用いて測定した避させることもできる。これらのコンポーネントを（お手伝いいただいたJASRIの依田博士に感謝しま

うまく組み合わせて用いることにより、試料へのダす）。エネルギースペクトルはシャープなピークをメージを避けつつ、効率よくデータ収集ができる最示し、アンジュレータ放射光の特徴である、低エネ適な実験条件を実現することができる。実験ハッチ

ルギー側にテールを引いた形をしていることがわかにはこのほかにYAGレーザーが定常的に設置される。高調波は非常に低く抑えられている。これは前ており、経路調整さえすればいつでも試料に照射で述の通り実験ハッチに入射されるX線がフロントエきる状態にある。さらに最長2m程度の長さが確保

ンドスリットによって光軸付近のみ切り出されてい図5図4

X線が空気中を走るときに観察された191 SPring-8 Information／Vol.5 No.3 MAY 2000

青い光

エネルギースペクトル
取りこみ角水平15µrad×垂直5µrad
一次光のエネルギーピーク：12.4keV

共用ビームラインること、さらにミラーの全反射によるカットオフがし、ミラーのベンドを最適化したときには水平ほぼ理想的に機能していることを示している。全域250µm×垂直40µm程度（FWHM）と、非常に小さに渡って弱いＸ線が検出されているのは結晶表面かく集光されることを確認した。SPring-8の現在の光らの散乱と思われる。エネルギースペクトルの半値

源サイズは水平600〜1000µ、垂直10〜20µと考えら

幅は1.7%程度で、8keVから15keVの領域でエネルれる。ミラーは約4：1集光の位置に置かれているのギーを変えてもスペクトルの半値幅は2％弱と大きで、水平方向のフォーカスサイズは光源の大きさで、くは変化しなかった。図6にBL40XUで観測された

垂直方向のサイズはミラーのスロープエラーで決ま蛙骨格筋の回折像を示す。これはエネルギーっていると考えられる。フォーカス時のフラックス

12.4keV、1.4ｍsの露光時間でイメージングプレー密度は1平方ｍｍ当たり毎秒1×1017 を越える。これト上に記録されたものである。非常に短い露光時間は1平方ｍｍ当たり200W以上のパワー密度に相当すにもかかわらず鮮明な回折像が得られており、改める（トータルパワーは数W）。てX線の輝度の高さを実感することができる。さら実験ハッチ内に設置されている2種類の高速シャにこの回折像の一つ一つの反射スポットをよく見る

ッターのコミッショニングも終了し、これらのシャと、広角側にテールを引いたようなかっこうになっッターを用いることによりパルス状のX線を利用していることがわかる。これは図5に示すエネルギーた実験が可能になった。図7aおよび図7bは、高速スペクトルを反映したもので、ここにもアンジュレ回転シャッターとガルバノ式シャッターを同期させータ放射光の特徴が現れていると言える。フォトンて開閉させることにより、約6µsのパルス幅を持つ数は正確には測定できていないが、筋肉などの回折像の強度から見て1014 台のフラックスがあることは間違いない。ビームサイズはフロントエンドスリッ

aトの開口とミラーの湾曲を調整することによって任意に変えることができる。通常実験に使用する条件、
すなわち取りこみ角水平15µrad×垂直5µradで使用

b

図7 a
図6

カエル骨格筋の静止状態のＸ線回折像

高速シャッターにより周期的に切り出されたパルス状X線
b a図中のひとつのパルスの拡大図
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X線が周期的に切り出せることを示している（図7bる。

でやや長めにシャッターが開いているように見える

一方で、この高輝度性を生かして（まったく損なのは電流アンプの応答の時定数が3µsであるため）。

うことなく利用するという意味で）、従来の考えに現時点でこのパルス幅（約6µs）は2種類のシャッはとらわれない新しい発想で新しい展開を持った研ターを使って切り出すことのできる最短時間であ究が行われることも十分期待できる。コミッショニる。

ングを開始して以来、いろいろなものを焦がしたり一方、ハッチの外に目を向けると（図8）、実験ス破壊したりしながら、焦げ跡の先に立ち上げメンバ

ペースはかなり広く取ってあり、実験者は比較的ゆーが一様に新しい研究に対する高揚感と期待とを膨ったりとした環境で実験を行える構成になっていらませてきたことも事実である。

る。
2000年4月からはいよいよ共同利用が開始された。

4．おわりに輝度の高いパルス状のX線を用いた高時間分解能の以上述べてきたように、本ビームラインは順調に高速反応過程の研究や、高輝度性を生かした一分子立ち上げも進み共同利用が始まった2000年4月以降計測法の開発や超微量物質の蛍光X線分析および内は多種多様な実験が進められている。ここに至るま核励起による新物質の創生実験、さらには擬似単色でに、多くの方々のご協力をいただきました。このX線であるという特色を利用した蛋白質結晶の時分場をお借りして感謝いたします。特に、ビームライ割回折測定などが試みられている。

ンの仕様確定および建設にご協力いただいた多くの実験に利用できるX線の輝度がけた違いに高いということは、これまで到達できなかった高い時間分

SPring-8利用系スタッフの皆様に深く感謝いたします。

解能や実験効率を実現する反面、不注意に使用すると試料だけでなく測定装置を含めたあらゆるものが損傷を受けることにつながる。例えば、筋肉は5ｍsの照射で筋繊維が切れる。分光器があるビームラインで普通にビームの位置出しに使う蛍光板は瞬時に燃える。鉛のビームストップは数秒で溶ける。銅板は真っ黒になり、アルミフォイルやカプトンには穴が開く。等々、これまで破壊あるいはダメージを与えてきたものは枚挙にいとまがない。本ビームラインで実験するときには、シャッターとアッテネータをうまく組み合わせてX線の強度を制御し、測定に用いる試料に最適な照射条件を探していく必要があ井上 勝晶 INOUE Katsuaki(財)高輝度光科学研究センター 利用促進部門〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1
TEL：0791-58-2750 FAX：0791-58-2752
e-mail：katsuino@spring8.or.jp

岡 俊彦 OKA Toshihiko
理化学研究所 播磨研究所 X線干渉光学研究室〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1
TEL：0791-58-0802（PHS3343）FAX：0791-58-1812
e-mail：oka@spring8.or.jp

鈴木 拓 SUZUKI Takuya(財)高輝度光科学研究センター 実験部門
〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1
TEL：0791-58-0831 FAX：0791-58-0830
e-mail：stakuya@spring8.or.jp

八木 直人 YAGI Naoto(財)高輝度光科学研究センター 実験部門
〒679-5198 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1
TEL：0791-58-0831 FAX：0791-58-0830
e-mail：yagi@spring8.or.jp

図8

実験ホール内BL40XUの実験スペース（写真中の人物は理研・岡俊彦）

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