BEAMLINES

安定なビームを得るためのMOSTABのリニューアルについて

財団法人高輝度光科学研究センター 制御・情報部門
工藤 統吾、広野 等子

1．はじめにを満たすものだけがブラッグ反射され、X線は単色［1］は、MOSTAB（Monochromator stabilization）化される。ここでdは格子面間隔、ｎは整数である。

分光器の出射ビームの位置や強度を測定し、それら結晶としてはSiやダイヤモンドの単結晶が用いられが一定になるように二結晶分光器の第一結晶の角度ている。また二結晶分光器では、平行二結晶配置がをフィードバック制御するものである。非常に単純用いられる（図２）。二枚の結晶表面が完全平行でな一軸制御のフィードバックシステムであるが、こあれば、最初の結晶でブラッグ条件を満たしたX線れを用いると分光器の出射ビーム位置や強度が効果は、第二の結晶でもブラッグ条件を満足する。この的に安定化する。現在SPring-8の９本のビームライため単色化されたX線ビームは方向を変えずに二枚ンでこのシステムが導入されている。最近、このシ目の結晶から出射する。さらに分光波長を変更するステムの制御回路の中核を担うDSP（注１）が製造中ためにθBを変えても一定の出射方向に維持するた止となった。そのため今後本システムのビームライめに複雑なステージ駆動機構が考案され実現されてンへの新規導入や、故障の際の対処が困難となる。

いる。

そこで将来にわたりMOSTABが円滑に利用できる

さて二結晶分光器では結晶は精密に平行に配置さように、市販の再構成可能なFPGA （注２） 搭載型れねばならない。一方の結晶がもう一方の結晶に対DAQボード（注３）にMOSTABの機能を実装した。

しわずかに傾いただけでも、出射ビームの強度や位新しいMOSTABには、従来のビーム位置や強度の置が変化してしまう。この傾き誤差の許容角度は分安定化に加え、位相敏感検出方式による回折強度の光エネルギーや用いる結晶面に依存する。例えば極大化のモードが付加され、これら多くのモードがSi111結晶で分光エネルギー12.4keVを得る場合の回従来のシステムよりも少ない配線量で実現できる。

折巾は４arcsec（20µrad）であり、これより充分に更にパソコンのPCI（注４）スロットを用いるため従小さい角度で結晶格子面が安定である必要がある。

来のMOSTABにあった機器間通信エラーに伴う動作不良が解消される。またFPGAの内容を書き換えることで、将来の機能拡充にも対応できるといった利点が数々ある。本稿では、よく質問される
MOSTABの原理について再考したうえで、最後に新しいボード型のMOSTABにつき述べる。
2．分光器のはたらきの簡単な説明とMOSTABの意味
二結晶分光器は単色光を得るための重要なビーム

図1

Bragg反射における入射波・回折波及び結晶格子面の配置。

ラインコンポーネントであり、SPring-8のほとんどの硬Ｘ線ビームラインに設置されている［2］。結晶分光器は単結晶のブラッグ反射を利用してＸ線を単色化する。図１に示すように角度θBで入射したX線の中で波長λが、2d sineB = nh

（１）

234 SPring-8 Information／Vol.13 No.3 MAY 2008

図2

平行二結晶配置

ビームライン

ところがこの角度は、間接熱負荷によるステージ類は垂直方向にビーム位置を変動させ、Y軸周りの回の変形、冷却系配管の圧力変動などの様々な理由で転は水平方向にビーム位置を変動させる。しかしそ不安定になることがある。また分光器のエネルギーの程度はX軸周りの回転において顕著である。ビースキャン時には、駆動機構の精度の問題で完全平行ムエネルギーに着目すると、X軸周りの回転はエネを保つのが難しい。

ルギーを変化させるが、Y軸周り回転ではほとんど

図３は光線追跡プログラムSHADOW［3］で、第一エネルギーを変化させない。このように結晶が平行結晶の微少角の回転が試料点のビームに与える影響配置からずれる場合、出射ビームへの影響においてを計算したものである。ビームラインのレイアウト

着目すべきはX軸周りの回転であり、Y軸周りの回は図４のSPring-8標準型アンジュレータビームライ

転は影響が少ないことがわかる。更に図３（a）（b）

ンとする。また回転軸は図５に示すX軸とY軸とすから読み取れるもう一つの特筆すべき点は、結晶がる。結晶格子面のあらゆる傾きは、このXとYの回り

X軸周りに回転した場合にはビーム位置とビーム強の回転の合成と考えられる。
（もう一つの回転軸と度が大きく同時に変動することである。もしも二結して格子面の面内回転の軸があるが、これはブラッ晶分光器の下流でビーム位置と強度変動に相関が顕著に見られれば、結晶のX軸周りの角度不安定がビーム不安定の主原因ということになる。またその場回折強度曲線に従って大きく変動する。一方Y軸周合、ビーム位置か強度のどちらか一方を安定化する

りに回転する場合にはビーム強度はほとんど変化しように、ピエゾアクチュエータ等で結晶平行度を調ない。ビーム位置について見ると、X軸周りの回転整してやれば、これら両方が安定化することが予想µグの条件を変化させない。）図３からわかるとおり、分光結晶がX軸周りに回転する場合、ビーム強度はµµµµµ

図3 第一結晶をX軸の周りに回転させた場合の試料点でのビーム位置変化（a）、ビームエネルギー及び強度変化（b）。Y軸の周りに第一結晶を回転させた場合の試料点でのビーム位置変化（c）、ビームエネルギー及び強度変化（d）。
SPring-8 利用者情報／2008年５月 235

BEAMLINES

図4 モデルビームライン。光源はSPring-8標準型真空封止アンジュレータ。光源
アンジュレータ１次光ピークエネルギーは12.4keV。分光結晶はSi（111）の平板型結晶としE=12.4keV。フロントエンドスリットサイズは0.5mm×0.5mmである。

図5 第一結晶の微小角回転の方向 ブラッグの条件を変える向きの回転軸をX、Xに垂直でかつ結晶面に沿う回転軸をYとする。

される。尚、ここで第一結晶が平行配置からずれる場合を例としたが、第二結晶が平行配置からずれる場合をシミュレーションしてもほぼ同様の結果となる。但し、エネルギー変化については第二結晶を平行配置からずらした場合は第一結晶の場合の３分の

図6 BL29XUにおいて測定されたビーム位置と強度の時間変動。アンジュレータ１次光ピークエネルギーは10keV、Si111分光器のエネルギー設定はE=10keVである。測定されたビーム強度変動はσ=8.8×10 -3、ビーム位置変動はσ=1.74 µ mである。
但しビーム強度変動を強調するために分光器第一結晶を平行配置からずらして回折強度を極大の半値として測定した。

１の変化量となる。つまりX軸周りの回転に対して第二結晶のエネルギー安定度が高い。従って第二結晶をエネルギーの基準とし、これに対して第一結晶の角度を調整して平行にするのが合理的である。
図６はBL29XUで測定された分光器下流10mでのビーム位置（垂直方向）と強度の時間変動である。
明確な相関が見られる。つまりここに観察されるビーム位置と強度の変動原因は、ともに結晶の平行配置からのずれであることを示している。そこで、今ここでビーム位置が一定になるように、図７のようなフィードバックシステムで第一結晶の角度を補正する。このフィードバックシステムはPSIC（位置敏感電離箱）で測定したビームの垂直方向の位置変動を抑制すべく分光器の第一結晶のX軸方向（図３に定義した）周りの回転角度を微調整している。図６
でビーム位置と強度の間に見られた相関は図８で右236 SPring-8 Information／Vol.13 No.3 MAY 2008

図7 MOSTABによるビーム位置の安定化。PSICのU（上側電極）及びD（下側電極）から得た信号からビーム垂直方向の相対位置を計算し、これがTargetValueに等しくなるように第一結晶をピエゾアクチュエータで調整する。

ビームラインルを実装した制御装置を開発した。世界中で多数のユーザーが利用するナショナルインスツルメンツ社の汎用DAQボードの場合、ボード上の回路素子が製造中止となってもユーザーがLabviewで開発したソフトウェア資産がそのまま利用可能な後継機種ボードが長期にわたり継続販売されるであろう（と筆者は期待している）。また将来、より高度な制御手法を考案した場合にも、新しい機能としてソフトウェア的に付加できる。更に、PCIボードを用いることで、これまで回路モジュールとPCの間をネットワークでつないで制御していたがその必要が無くなµ
図8 ビーム位置変動と強度変動の相関。図６において観測されたビーム強度とビーム位置の相関を黒点で示す。分光結晶を平行に調整した状態でのビーム位置フィードバックによりビーム強度σ=2.0×10 -3、ビーム位置σ=0.14µm（青）に抑制された。
（ BL29XU。
アンジュレータ１次光ピークエネルギー10keV。分光器設定エネルギーE=10keV,Si111。
）

り、通信エラーによる動作不良も防ぐことができる。
図９は新しいMOSTABのシステム図である。従来のMOSTABにあったビーム強度や位置の安定化に加え、位相敏感検出回路を用いて回折強度の最大化を行うモードを付け加えた。従来このモードでの運転を行う場合は、外付けの位相敏感検出回路が必要であり、配線量もそれに伴い増加していた［5］。今回のリニューアルでこの機能も取り込むことで、単純なシステムでより多くのモードの運転ができるよ

上から左下に分布する黒点となる。ビーム位置のフうになった。この新しいシステムは既にSPring-8にィードバックにより、ビーム強度とビーム位置の変おいて１本のビームラインで用いられている。表１

動がともに抑制されていることがわかる（図８青にこの新しいシステムを含む2008年現在のビームラ点）。我々は図７のMOSTABと記して囲った部分にインにおけるMOSTABの利用状況を示す。

付加機能を加えてNIM２巾の回路モジュールで実新しいMOSTABは従来のものと同じ応答速度を現して2002年ごろから普及してきた［4］。この回路モジュールは図７に示したようなビーム位置安定化のモード以外に、ビーム強度の安定化などを含めた全４モードを選択して用いることができる。
3．新しいMOSTABについて
最近開発した新しいMOSTABにつき述べる。従来用いられてきたNIMモジュール型のMOSTAB用制御装置では数値演算処理は150MHz clock動作の浮動小数点32-bit DSP（TMS320C6711, Texas
Instruments Co. Ltd.）で行われていた。最近
TMS320C6711のメーカーによる製造が中止となった。従ってMOSTAB用の制御回路モジュールを別のDSPにより再度開発しなくてはならなくなった。
このようなことが何年かに一度繰り返されると、将来にわたって本システムを維持してゆく上での障害となる。そこで、ナショナルインスツルメンツ社から販売されている再構成可能な汎用DAQボードNI PCI7833Rを用いて、これまでSPring-8で開発したMOSTABの全手法の利用が可能なモジュー

図9 NI PCI7833Rに実装した新しいMOSTABのブロック図（赤線で囲った部分）。図７に示したビーム位置の安定化（1）以外に、（2）PSD（位相敏感検出）演算を用いた回折強度の最大化、（3）ビーム強度の安定化、（4）蓄積リング電流値（RC）で規格化したビーム強度の安定化、（5）任意のアナログ値（X）で規格化したビーム強度の安定化の５モードが選択できる。
SPring-8 利用者情報／2008年５月 237

BEAMLINES

表1

2008年現在、SPring-8においてMOSTABを用いているビームライン

ビームライン
BL10XU
BL11XU
BL13XU
BL19LXU
BL22XU
BL37XU
BL46XU
BL08B2BL16B2BL14B2

主な研究分野高圧構造物性
量子ダイナミクス
表面界面構造解析
コヒーレントX線光学
量子構造物性
分光分析
R&D
兵庫県
産業界
産業界

フィードバックの目的
ビーム強度安定化
ビーム位置強度安定化併用
ビーム位置安定化
ビーム強度安定化
ビーム強度位置安定化併用
ビーム位置安定化
ビーム位置安定化
ビーム強度最大化
ビーム強度最大化
ビーム強度最大化持つ。FPGAボードにより計算速度は従来よりも高Proceedings of SPIE, Vol.5195 (2003) 94.

速となるが、システム全体の応答速度は分光器の結［5］T.Kudo and H.Tanida : A feedback system for

晶を動かしているピエゾアクチュエータの応答速度

improvingに制限される。これにより実用的な応答速度は0.1

measurements , Review of Scientific Instruments,

theperformanceofEXAFS

秒程度（10Hz）となる。MOSTABによる分光器のVol.78 (2007) 033104 (1-4).

安定化は10Hz以下の範囲内で有効である。
図９の赤で囲んだ部分がNI PCI7833R のFPGAに（注１）DSP：Digital Signal Processor 特定の演算書き込まれた部分であり、この部分は将来必要があ処理を高速に行うことを目的に作られたデジ

れば変更自在である。現状保有しているファームウ

タル信号処理に特化したマイクロプロセッサ。

ェアは、筆者らまで電子メールなどで連絡を下され（注２）FPGA：Field Programmable Gate Array

ば頒布することができる。マニュアル類の整備が遅プログラミングすることができるLSI（大規れているが、できる限りの技術的支援を行いたいと模集積回路）。
（注３）DAQ：Data Acquisition System データ収考えている。

集システム。
（注４）PCI：Peripheral Component Interconnect
参考文献

コンピュータのプロセッサと周辺機器との間［1］工藤統吾、西野吉則、鈴木基寛、谷田肇、古川の通信を行うためのバスアーキテクチャの一行人、広野等子、石川哲也：

MOSTABによつ。

る放射光X線ビームの安定化 、放射光 Vol.16
No.3 (2003) 173-177.
［2］M. Yabashi, H. Yamazaki, K. Tamasaku, S. Goto, K.
Takeshita, T. Mochizuki, Y. Yoneda, Y. Furukawa
and T.Ishikawa : Proceedings of SPIE,

SPring-8

工藤 統吾 KUDO Togo（財）高輝度光科学研究センター 制御・情報部門〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL：0791-58-0980 FAX：0791-58-0984

standard x-ray monochromators Vol.3773 (1999)
2-13.
［3］B. Lai and F.Cerrina : SHADOW : A synchrotron
radiation ray tracing program , Nuclear Instruments
and Methods in Physics Research Section A,Volume 246, Issue 1-3 (1986) 337-341.
［4］Y. Nishino, T. Kudo, M. Suzuki and T. Ishikawa :Stability issues in the use of coherent x-rays
238 SPring-8 Information／Vol.13 No.3 MAY 2008

広野 等子 HIRONO Toko（財）高輝度光科学研究センター 制御・情報部門〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
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