放射光第巻第号

()実験技術

MOSTAB による放射光 X 線ビームの安定化
工藤統吾1，西野吉則2，鈴木基寛1，谷田 肇1，
古川行人1，広野等子1，石川哲也1,2
1財団法人高輝度光科学研究センター
，2理化学研究所播磨研究所

Stabilization of Synchrotron Radiation X-ray Beam by MOSTAB
Togo P. KUDO1, Yoshinori NISHINO2, Motohiro SUZUKI1, Hajime TANIDA1,Yukito FURUKAWA1, Toko HIRONO1 and Tetsuya ISHIKAWA1,2
1SPring-8/JASRI, 2SPring-8/RIKEN
Abstract
Monochromator stabilization (MOSTAB) is a feedback control system to stabilize an x-ray beam of synchrotron radiation. It applies a feedback voltage to a piezo electric transducer attached to a double-crystal monochromator. We developed MOSTAB modules and examined their performances using SPring-8 beamlines. The x-ray beam position stabilization using MOSTAB was realized simultaneously with the x-ray beam intensity stabilization. As an example of its application, we performed EXAFS measurement with MOSTAB.

.

稿では MOSTAB の基本原理および SPring-8 で製作したはじめに近年のマイクロビーム技術やコヒーレント光利用技術などの進歩により，放射光 X 線ビームの安定化は重要性を

DSP 搭載型 PID 制御 MOSTAB を使った放射光 X 線ビー
ム安定化の実例を示す。

増している。安定な光源を得るため，蓄積リングにおいては軌道安定化の試みが行われている1)。それに加え，輸送.

MOSTAB による X 線ビーム強度安定化

チャネルにおける X 線光学系の安定化は重要な課題であKrolzig ら の 開 発 し た MOSTAB の 構 成 を Fig. 1 に 示る。特に分光器は光源からの放射パワーを直接受けるたす4)。このシステムでは，分光器の上下流に置かれた 2 台め，結晶ひずみによるドリフトや冷却系による振動に対しの電離箱により X 線ビーム強度を測定し，上流の強度 U1て適切な安定化策を施す必要がある。熱負荷による結晶ひで下流の強度 U2 を規格化した値 U0 を安定化させる。こずみの対策として，SPring-8 ではピンポスト水冷2)や液体の規格化は，蓄積リング電流の減少に伴う X 線ビーム強窒素冷却3)などが成果を挙げている。二結晶分光器の振動は二結晶の平行度の不安定性を引き起こし，下流の実験ハッチにおける X 線ビームの強度，位置およびエネルギーに影響を及ぼす。

1983年に Krolzig らにより monochromator stabilization( MOSTAB ) を用いた分光器下流の放射光 X 線ビーム強度の安定化が報告された4,5) 。 MOSTAB は分光器の二結晶平行度を閉ループフィードバックで制御して，分光器下流での X 線ビームの安定化を行うシステムである。この制御は分光結晶に取り付けた平行度微調整用のピエゾ素子にフィードバック電圧をかけることにより実現される。

MOSTAB は第三世代を含む世界各国の放射光施設で開発され利用されている69)。国内でも類似の手法で放射光 X
線ビーム位置の安定化に取り組んだ例がある10) 。しかし

MOSTAB そのものは普及していないのが現状である。本Figure 1. A diagram of the MOSTAB system reported by Krolzig
et al 4). X-ray beam intensities before (U1) and after (U2) the
monochromator are measured using two ionization chambers. The
normalized x-ray beam intensity (U0＝U2/U1) is compared to areference value (Uref), and the diŠerence is fed to an integration circuit. The output (Un) is inverted/non-inverted and ampliˆed by ahigh voltage ampliˆer. The feedback voltage (UP) is applied to apiezo electric transducer attached to the 2nd crystal of the doublecrystal monochromator.

1
1
財団法人高輝度光科学研究センター 〒6795198 兵庫県佐用郡三日月町光都 1
58
1810 FAX: 0791
58
1805 E-mail: kudo＠spring8.or.jp
TEL: 0791

――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()Figure 2. A schematic rocking curve of a double-crystal
monochromator: the normalized intensity U0 as a function of thepiezo voltage Up. MOSTAB stabilizes the U0 at the reference value
Uref and higher (A) or lower (B) side of the rocking curve is selectable.

度の減少を補正するためである。この補正により

MOSTAB は分光器の二結晶平行度を一定に保つ。ピエゾ

Figure 3. The long-time stability of the x-ray beam intensity withand without MOSTAB. The values were normalized by theiraveraged value. The standard deviations of the x-ray beam intensities were 6.1×10－3 without MOSTAB and 3.3×10－4 with
MOSTAB.

素子へのフィードバック電圧 Un は，ュールは，株式会社帝国電機製作所11)により製作された。

Un(t )＝tf1
Ti(Uref－U0(t ′))dt ′(1)－∞.

MOSTAB による X 線ビーム位置安定化

MOTAB と X 線ビーム位置モニターを組み合わせるこで与えられる。ここで， Ti は積分回路時定数。 Uref は Xとにより， X 線ビーム位置の安定化も可能である12) 。 X線ビーム強度目標値， U0( t ′) は時刻 t ′における X 線ビー

線ビーム位置安定化は，例えば，ピンホールによるマイク) の積分値に適当なゲインム強度である。偏差 Uref U0(t ′ロビームを用いた実験，不均一試料を用いた実験， X 線をかけてフィードバック電圧を計算する積分型（I ）制御のコヒーレンスを要する実験に有効であると考えられる。

が採用されている。また，式(1)の U0 を U2 に置き換える

更に X 線ビーム位置を制御対象とした MOSTAB にはと，蓄積リング電流減少にかかわらず分光器下流のビーム別の意義もある。X 線ビーム強度を制御対象とした強度を一定にするフィードバック電圧を得る。この場合

MOSTAB は， Du に対して X 線ビーム強度が単調増加まU1 の測定は不要である。

たは単調減少する領域のみで実現可能である。従って回折Fig. 2 は，ピエゾ電圧をスキャンして得られる回折強強度曲線の極大点（ Du＝0）に目標値を設定することが困度曲線の模式図である。ピエゾ電圧を変化させることによ難である。回折強度極大点での安定化ができないことは，り，分光器のデチューニング角 Du（二結晶の平行位置かX 線フラックスを最大限生かすべき実験において不利でらの相対的ずれ角）が変わる。二結晶が完全に平行な場合ある。一方， X 線ビーム位置を制御対象とした場合，下（ Du ＝ 0 ）回折強度は極大となる。 Uref 値を示す点線が回に示すように Du ＝ 0 を含む任意の Du での安定化が可能

折強度曲線と交わる A 点または B 点においてフィードバである。従って X 線ビーム位置の安定化， X 線ビーム強ック系は安定する。 A 点または B 点の選択は， Fig. 1 に度の最大化と安定化という複数の利点が得られる。

おける反転アンプ（Inverter）によりフィードバック出力極性を切り換えることにより行う。更に Krolzig らは如何

通常の二結晶分光器では，垂直方向の X 線ビーム位置は，なるピエゾ電圧初期値であっても，安定点を自動的に見つけ出すように工夫した4)。

2lDu（ 2)

Fig. 3 は， SPring-8 BL29XU での MOSTAB による分光器下流の X 線ビーム強度安定化試験の結果である。蓄で与えられる。ここで l は分光器から X 線ビーム位置検積リング電流の減少にかかわらず分光器下流のビーム強度出器までの距離を表し， Du ＝ 0 での X 線ビーム位置を原を一定にする方法を採用した。 X 線ビーム強度時間変動点にとっている。この場合 X 線ビーム位置は Du＝ 0 近傍－3 であにおいて単調増加なので，Du＝0 に目標値を設定できる。

ったが， MOSTAB を用いることにより 3.3 × 10－4 に改善

Fig. 4 は，X 線ビーム強度および位置の Du 依存性測定

は，MOSTAB を用いない場合標準偏差で 6.1 × 10した。MOSTAB を用いない場合に見られる周期 400 秒程の結果を示す。測定は SPring-8 BL29XU で行った。X 線度の X 線ビーム強度変動は分光結晶の冷却系の温度変化

ビー ム強度は 電離箱で測 定し，位置は 位置敏感電 離箱に起因すると考えられる。

（ PSIC )13) で測定した。 X 線ビーム位置は Du に対して線ここで用いたアナログ I 制御型 MOSTAB 用 NIM モジ型に変化し，その傾きは式(2 )から得られる値と矛盾しな――放射光第巻第号

()Figure 4. The vertical position and the intensity of the x-ray beam
as a function of the detuning angle. The measurement was performed at 9 m downstream from the Si(111) double-crystal
monochromator. The x-ray energy was 10 keV.

Figure 6. A diagram of MOSTAB system for stabilizing x-ray
beam position. PSIC gives two signals from its upper (U) and lower(L) electrodes. A vertical beam position signal ( P0) is computed bysubtracting the L signal from U signal, and then dividing by theirsum. The diŠerence between P0 and a reference value ( Pref) is fed toa PID control circuit. The output is inverted/non-inverted and applied to the piezo controller. A piezo electric transducer can be optionally attached to the ˆrst crystal of the SPring-8 standard
monochromator.

Figure 5. A MOSTAB module developed at SPring-8. This NIM 2unit module includes a DSP and a microprocessor which is remotecontrollable through an Ethernet using the TCP/IP protocol. The
module was designed and manufactured by TEIKOKU DENKISEISAKUJO Co., Ltd.

い結果を得た。
我々は， X 線ビーム位置安定化を実現するため， PID
制 御 演 算 型 MOSTAB 用 NIM モ ジ ュ ー ル を 開 発 し た（Fig. 5）。製作は株式会社帝国電機製作所に依頼した。本モジュールは PSIC の信号から X 線ビーム位置演算を行う機能を備えている。更に，蓄積リング電流値を SPring-8 データベースシステムから LAN 経由で取り込んで，蓄積リング電流値で規格化された X 線ビーム強度を演算する機能も有する。これら各種演算方式の充実と，パラメータ設定精度やユーティリティー向上のために DSP を用いた。
我々は，この MOSTAB を Fig. 6 に示す構成で用い，

SPring-8 BL29XU において， X 線ビーム位置安定化実験を行った。回折強度極大（ Du ＝ 0 ）に対応する位置に X

Figure 7. (a): The long-time stability of the vertical x-ray beam
position with and without the x-ray beam position stabilization using
MOSTAB. The standard deviations of the x-ray beam positions were
1.9 mm without MOSTAB and 0.25 mm with MOSTAB. (b): The
long-time stability of the normalized x-ray beam intensity. The standard deviations of the normalized x-ray beam intensities were 6.1×10－3 without MOSTAB and 9.7×10－4 with MOSTAB. Measurements with or without MOSTAB of Fig. 7(b) was done simultaneously with the measurement of Fig. 7(a).

線ビームを安定化させた。 Fig. 7 (a )は MOSTAB により
――



放射光

X 線ビーム位置のドリフトが顕著に抑制されたことを示第巻第号()

値とほぼ一致した。

している。 Fig. 7 ( b )は Fig. 7 ( a )と同時に測定された X

Fig. 9 に KBr 粉末試料に対する X 線吸収係数の時間変線ビーム強度の時間変動データを示す。 X 線ビーム位置化を示す。測定は， SPring-8 BL38B1 において臭素 K 吸安定化と同時に X 線ビーム強度の安定化も達成された。

収端（ 13.478 keV ）に X 線のエネルギーを固定して行った。吸収測定は，2 台の電離箱を試料の上下流に配置した

.

XAFS 測定での MOSTAB の利用透過法を用いて 1 秒積算で行った。MOSTAB を用いた測我々は MOSTAB の応用例として XAFS 測定を行った。

定では，垂直方向の X 線ビーム位置モニターに PSIC をXAFS 測定においては X 線エネルギーの安定性も問題と用いて Du＝0 に対応する位置に X 線ビームを安定化させなる。Du の変化は分光器下流の X 線ビームエネルギーのた。 KBr 粉末の吸収係数の 10 分間におけるドリフトは安変化をもたらすため，MOSTAB はエネルギーの安定化に定化を行わない場合 4.0 × 10－3 であったが， MOSTAB をも貢献する。エネルギー変化は第一結晶の Du の関数とし用いることにより2.2 ×10－4 へと改善された。これは不均て，一試料の吸収測定において， MOSTAB による X 線ビーム位置およびエネルギーの安定化が有効であることを示

3DuE cot (uB)
2(3 )

す。

SPring-8 標準分光器14) でエネルギースキャンを行う場
合，分光器の Z カムステージの加工誤差のため，異なるで与えられる。ここで E は X 線のエネルギー，uB はブラエネルギー（分光器の u）に対し，二結晶平行度がわずかック角である。 Fig. 8 は，SPring-8 BL29XU で測定されにずれることがある。この対策として，エネルギーを変えた，Du とエネルギー変位の関係を示す。エネルギー変位る毎に Du を調整し，二結晶平行度を保つ操作が広く行わは白金の Lm 吸収端のエネルギー位置を測定することによれている。MOSTAB を用いれば，フィードバック系がこり決定した。（理論から予想される通り）エネルギーは Duのエネルギー毎の平行度のずれを自動補正し，平行度を維に関して線型に変化し，その傾きは(3)式から計算される持したエネルギースキャンが可能となる。

Fig. 10 は， SPring-8 BL38B1 で行われたタングステン粉末試料の EXAFS 測定結果を示す。測定は透過法を用いて 0.1 秒積算で行った。 Fig. 10 (a )は，各エネルギー点でピエゾ電圧スキャンによる二結晶平行度最適化を行う従来型の測定， Fig. 10 ( b )は MOSTAB を用い自動的に二結晶平行度最適化を行った測定を示す。MOSTAB を用いることにより，ピエゾ電圧スキャンに要する時間が節約できるため，従来の方法と同等の精度での EXAFS 測定をより短い総測定時間で行うことが可能となった。

Figure 8. The energy shift of a monochromatic x-ray beam as afunction of the detuning angle, compared with the rocking curve
proˆle. The energy shifts were determined from the platinum Lm
absorption edge positions measured at a diŠerent detuning angle.

Figure 9. The long-time stability of the KBr absorption coe‹cientmeasured at the bromine K absorption edge with and without thex-ray beam position stabilization using MOSTAB.

Figure 10. EXAFS (multiplied by k2 and a hanning function) of atungsten powder sample. The solid line is for measurement with thetwo-crystal parallelism optimization of monochromator by a rocking scan using piezo at each energy point (piezo tune), and thedashed line is for measurement with MOSTAB. The data with piezo
tune is vertically shifted for better display.

――放射光.

第巻第号

()使用上の留意点

MOSTAB 制御プログラムを工夫していただきました。宇

これまでの我々の MOSTAB の評価実験により明らか

留賀朋哉氏，坂田修身氏からは， BL01B1 及び BL13XUになった，MOSTAB を使用する上での留意すべき点を以での MOSTAB 使用により貴重なコメントをいただきま

下にまとめる。

した。皆様に感謝いたします。

MOSTAB は，X 線ビームの強度や位置の変動が分

光器に起因する場合にのみ有効である。このため他の光学参考文献系や光源（加速器）の安定性の向上が併せて重要である。

1)

高エネルギー X 線では回折角度幅が狭くなるので，

Du がわずかにずれると X 線ビーム強度が急激に減少する。従って PSIC での X 線ビーム位置計測と安定化が困難になる。

MOSTAB を SPring-8 標準分光器と組み合わせ用

いた場合， 5 Hz 以下の周波数成分への振動抑制が有効であった。現状では，ピエゾ素子が数 100 kg と見積もられるステージ類をも含め動かす仕組みとなっており，この大

2)
3)
4)
5)
6)
7)

きな慣性質量により速いフィードバック応答が困難である。より高周波成分の振動抑制には，分光器におけるピエ

8)ゾ素子の取り付け位置の変更などが必要となる。

9)

謝

10)

辞株 帝国電気製作所の大竹英二氏，及び
株 三菱電機エンジ
11 )ニ ア リ ン グ の 森 本 一 郎 氏 に DSP 型 並 び に ア ナ ロ グ 型

MOSTAB モジュールを設計製作していただきました。ま12)た ， SPring-8 ス タ ッ フ の 玉 作 賢 治 氏 ，矢 橋 牧 名 氏 に は13)

BL29XU での実験で諸々支援いただきました。大端通氏
は DSP 型 MOSTAB の制御仕様につき相談にのっていた14)

だ き ま し た 。 井 上 忍 氏 は LabView に よ る DSP 型――

2nd Workshop on Beam Orbit Stabilization, SPring-8, Japan,(December 46, 2002) etc.
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Kuroda and S. Goto: Proc. SPIE 3448, 2 (1998).
K. Tamasaku, M. Yabashi, D. Miwa, T. Mochizuki and T.
Ishikawa: Proc. SPIE 4782, 132 (2002).
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A. Krolzig, G. Materlik and J. Zegenhagen: Nucl. Instr.
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http://www.embl-hamburg.de/researchactivities/
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株式会社帝国電機製作所 〒 679 4395 兵庫県揖保郡新宮町平野60番地 TEL079175
0471
R. F. Fischetti, R. Heurich, D. Perry, S. Stepanov and E.
Kondraskina: Rev. Sci. Instr. 73, 1518 (2002).
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