放射光第巻第号

()解説■

極紫外軟 X 線放射光源計画
極紫外軟 X 線放射光源計画検討会議世話人会
佐藤 繁1，福山秀敏2，木村嘉孝31東北大学大学院理学研究科，2東京大学物性研究所，
3 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所

New Synchrotron Radiation Facility Project
Panel on New Synchrotron Radiation Facility Project
Shigeru SATO (Vice-Chair)1, Hidetoshi FUKUYAMA (Vice-Chair)2 and Yoshitaka KIMURA (Chair)3
1Graduate School of Science, Tohoku University
2Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo
3Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization
Abstract
The project for constructing a new synchrotron radiation facility dedicated to the science in VUV (or EUV) and Soft Xray (SX) region has been discussed for these two years at the Panel on New Synchrotron Radiation Facility Project. The
Panel together with the Accelerator Design Working Group (WG), Beamline Design WG and Research Program WG
suggested to the Ministry of Education, Science, Culture and Sports the construction of a 1.8 GeV electron storage ringsuitable for ``Top-Up'' operation and beamlines and monochromators designed for undulator radiation. The scientiˆcprograms proposed by nationwide scientists are summarized with their requirements of the characteristics of the beam.

.

会からのサポートも得て，極紫外軟 X 線領域の高輝度はじめに今日，世界各地で第 3 世代の光源加速器を持つ放射光光源が実現にむけて動き出すことになった。

施設が建設され，赤外線から極紫外軟 X 線，硬 X 線に検討会議では，放射光科学研究者の代表による世界の放いたる広いエネルギー範囲の高輝度放射光が基礎科学，応射光施設の現状分析と光源加速器のレビューに基づいて，用技術，産業利用などの広範な分野に利用されてその発展

これから建設すべき高輝度光源の仕様と設置形態などが約を支えている。光源加速器から得られる硬 X 線は物質の1 年間にわたって議論され，平成14年 5 月，検討会議は極構造を調べることに利用され，フラーレンなどの新物質や紫外軟 X 線放射光源計画の最終案を取りまとめて文部蛋白質の構造解析に威力を発揮している。国内では 1997

科学省にその早期実現を提案した。その後，全国のエキス年に高輝度放射光施設 SPring-8 が完成し，硬 X 線領域のパー トで構成 した加速器 仕様策定ワー キンググル ープ

高輝度放射光を実現して，物質の構造解析を中心とする分（ WG ）（世話人熊谷教孝 SPring-8 ），ビームライン仕野で多くの優れた成果をあげている。一方，極紫外から軟様策定 WG （柳下明物構研）および利用計画 WG （谷X 線にいたるエネルギー領域の放射光は，超伝導の起源

口雅樹広大）によって，光源加速器，アンジュレータ

や生体物質の情報伝達機構など，物質の機能発現を原子

ビームラインと分光系の概念設計が策定され，高輝度放射分子レベルで解明するためのツールとして重要な役目を果光の利用計画がまとめられた。 WG の検討結果は昨年 9たしており，未来の学術や産業の創成に繋がる重要な研究

月に「極紫外軟 X 線放射光源計画領域の開拓にも大きく貢献すると期待されている。しか（編集担当柿崎明人東大）として本学会から出版されし，物質の性質を調べるのに最適な極紫外軟 X 線領域ている。また，それぞれの WG では，実現に向けた広範の第 3 世代放射光源は，長期にわたる検討にもかかわらな検討と詳細な設計を進める作業が続いている。

デザインレポート」

ず国内ではまだ実現していない。この状況を打開するため

以下では，極紫外軟 X 線高輝度光源計画の概要につに，平成 13 年 5 月から極紫外軟 X 線放射光源計画検討

いて紹介する。本稿には，デザインレポート後の WG で会議（議長木村嘉孝物構研）（以下，検討会議）のもの検討結果も含まれる。とで，第 3 世代の光源加速器を備えた共同利用施設計画を策定する作業がスタートし，本学会の将来計画特別委員

本稿への問合せは下記へお願いします柿崎明人 東京大学物性研究所 〒2778581 千葉県柏市柏の葉 5157136
3400 FAX: 04
7134
6083 E-mail: kakizaki＠issp.u-tokyo.ac.jp
TEL: 04――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

.

放射光

加速器の構成と基本性能

Table 1加速器システムは，エネルギー1.8 GeV の蓄積リングと第巻第号()

Characteristic Prameters of Storage Ring

Energy1.8 GeV（max. 2 GeV）

これに電子を供給する入射器系で構成される。蓄積リング

No. of Cell

14は周長 280.55 m の 2 回対称のレーストラック型で，電子Straight Cection
Magnet Lattice

6.2 m ×12, 17.0 m×2
Chasmann-Green typeCircumference
Natural Emittance

280.55 m
8 nmrad (＠1.8 GeV), 6 nmrad(＠1.6 GeV), 2 nmrad (1.0 GeV)
0.07 (＠1.8 GeV), 0.06
(＠1.6 GeV), 0.04 (1.0 GeV)

ビームのエミッタンスは 1.8 GeV で 8 nmrad ， 1 GeV で 2nmrad（エミッタンスは直線部の運動量分散関数を少し工夫することで半分程度まで下げることが可能）程度である。その基本パラメータを Table 1 に示す。蓄積ビーム

Energy Spreadの 寿 命 は ， 1.8 GeV の 標 準 運 転 モ ー ド で 蓄 積 電 流 400

Momentum Compaction（a） 10－3mA ，カップリング 3 としてリングに一様に電子を蓄積

Tune

しタウシェク効果が最も緩やかな場合でも 8 時間程度とChromaticity
x-y Coupling Ratio

14.12（hor.）, 5.18（vert.）－39.8（hor.）, －15.5（vert.）
0.01

Beam Current
Magnetic Field

400 mA
1.12 T（radius 5.34 m）

Critical Photon Energy

2.42 keV

Energy Loss per Turn
Radiation Damnping Time174 keV19.3 msec（hor.）, 19.4 msec（ver.）,
9.7 msec（long.）

短い。そのため，積分輝度を改善するために利用開始時から， ID のギャップによらず常時入射が可能なトップアップ運転を導入することを想定している。トップアップ運転
は，積分輝度の改善だけでなく，放射光パワーの一定化によりビーム診断系をはじめとする加速器構成機器，およびビームライン光学素子が受けるビーム強度の変動による影

Revolution Frequency

1.068 MHzムラインへ高品質な放射光を供給することを可能にする。

RF Frequency
Harmonic Number

500.1 MHz
468

Fig. 1 に加速器系の全体図を示した。

RF Voltage

1.4 MVRF Bucket Height
Bunch Length

2.9
3.94 mm

Beam Life Timeca. 8 hours（＠1.8 GeV）, ca. 1 hour
（＠1 GeV）

響を大幅に軽減させ，より安定なビーム軌道の制御とビー

蓄積リングの磁石配列は，チャスマングリーン型で，6.2 m の直線部を持つノーマルセル 12 セルと， 17 m の長直線部を持つ長直線セル 2 セルで構成される。このうちhigh b section の 直 線 部 に 入 射 機 器 が ， low b section に400 mA の ビ ー ム 電 流 を 安 定 に 蓄 積 す る た め に 3 台 のHOM ダンプドキャビティーが設置され，残り12カ所の直Figure 1.

Accelerator system of the New Synchrotron Radiation Facility Project.

――

放射光

第巻第号()

線部に挿入光源が設置される。軌道の安定化等のビームのつ高品質なビームを蓄積リングに供給できるようにしてい性能の高機能高精度化の要求に対して柔軟に対応できるよる。 線形加速 器とシンク ロトロンの基 本パラメー タをうに，電磁石（偏向電磁石，四極電磁石，六極電磁石）間

Table 2 に示す。線型加速器は，トップアップ運転時にシに20 cm 程度の空間を確保している。また，直線部の長さンクロトロンへ高安定化されたビームを高い信頼性（使用部品数の低減等）で供給するために，長さ 2 m の加速管 6は，1.

入射機器と加速空洞本と 50 MW クライストロン 2 本（ SLED 1 台）で構成さ2.

通常セルで 1018 から 1019 レベルの輝度を実現するれる。一方，シンクロトロンはトップアップ運転時に挿入4.5 m 長の挿入型光源
3.

光源のギャップを閉めた状態でほぼ100の入射効率が実長直線セルでは1.8 GeV の標準モードで1020 レベル現できるように設計されており，周長93 m，8 セルの変形を越える輝度，あるいは 1 GeV の低エネルギー運転

FODO 型磁 石配列 で構成 され， エミッ タンスと して 50時に，100 eV の放射光エネルギー領域で300程度のエnmrad，エネルギー拡がり0.1程度を実現する。

ネルギー分解能（ E / DE ）を実現する 15 m 長程度の12 本，偏向電磁石からは上流側および下流側からそれぞ挿入光源

4.

ビームラインは，各セルの直線部のアンジュレータから挿入光源（ ID ）の多種多様な運転に対して， ID のれ 1 本，合計 28 本取り出すことが可能である。 Fig. 3 に独立チューニング（軌道およびエミッタンスの ID ギ

ビームラインの配置案を示す。基幹チャンネルとビームラャップ幅依存性が無いこと）を実現する各種補正電磁インの構成要素と配置，種々の挿入光源からの熱負荷の除石や診断系去，トップアップ運転時の効率的な放射線遮蔽など，SPr-等が設置できるように決めている。長直線セルの導入は，

ing-8 や PF で得 ら れ たノ ウ ハウ を 生 かし た 設 計作 業 がレーザーと電子ビームの相互作用を利用した極短パルス光ビームライン仕様策定 WG での検討作業と共同歩調をとの生成，ポンププローブ法の利用， FEL 光の発生なりながら進められている。

ど，新しい放射光の生成と利用技術と将来の発展性を確保

低エミッタンス高輝度リングでは電子ビームと放射光のすることにもなる。 Fig. 2 に光源加速器で得られる放射性能は，加速器およびビームライン構成機器の性能，そし光スペクトル（エネルギー1.8 GeV ，ビーム電流 400 mA ）て地盤や建て屋構造および冷却水，空調等の付帯設備の性を示す。図中の U100と U60L などは，それぞれ 6 m 直線能で決まる。特に軌道安定化に対しては後者の寄与が大き部と 17 m 直線部にそれぞれ周期長 100 mm と 60 mm のア

く，建物の設計段階で十分考慮し対策を施しておくことがンジュレータを入れた時に予想されるスペクトルである。
蓄積リングのトップアップ運転を想定しているため，入射器系には 200 MeV 線型加速器と 1.8 GeV シンクロトロ( 1)ンで構成した全エネルギー入射システムを採用し，安定かTable 2 Parameters of Injection System
Linear Accelerator
Elements: Electron Gun, Sub-harmonic Buncher, Pre-buncher, Buncher Accelerating Tube (2m×6）

Energyca. 200 MeV

Beam Current

1 A＠1 nsec/single buntch
400 mA＠30 nsec/semi-long pulse
130 nmrad（＠200 MeV）

Emittance（90）
RF Frequency
Repetition Frequency

2856 MHz50 Hz（max.）

Lengthca. 25 m( 2)Booster Synchrotron

EnergyMagnet Lattice200～1.8 GeV
modiˆed FODOtype (FMC lattice), 8 cell

No. of Q Family
Circumference

693.516 m

Emittance

ca. 55 nmrad

Energy Spread
Beam Current

0.07（＠1.8 GeV）
ca. 10 mA（storage ring equiv. ca. 3 mA）
0.51 Hz

Repetition Frequency
RF Frequency

Figure 2.

Brilliance of undulators and bending magnet radiation.

500.1 MHzRF Voltage

0.5 MV

Radiation Loss
Injection Time（＠500 mA）

193.5 keV/turn――ca. 150 sec

放射光Figure 3.

第巻第号()

Layout of the beamlines (tentative).

重要である。現在， WG のメンバーを核として世界最高性能の極紫外軟 X 線光源の加速器建設を目指した詳細

ることを目標に 9 種のアンジュレータビームラインと分光光学系が設計検討された。その結果，上の 1 から 4 の条設計が進められている。

件を満足し，数10～1000 eV のエネルギー領域をカバーす.

る斜入射分光光学系として，3 種類の平面回折格子（PG）

アンジュレータビームラインの仕様と性能
光源加速器には，挿入光源用の直線部が 12 本あり，利を用いた偏角可変型分光器を検討考案した。そのほか，用目的に応じたエネルギー領域や偏光特性をもつアンジュ

40 eV 以下 の 低エ ネル ギー 領域 で 100,000 の 超高 エネ ル

レータを多数設置することができる。また，超高輝度放射

ギー分解能を目指す不等刻線間隔球面回折格子（VLSSG）

光，コヒーレンス，高速偏光スイッチング，マイクロビーを用いた10 m OŠ-Plane-Eagle 直入射分光器についても検ムなど，アンジュレータ放射の特徴を最大限生かした利用討を重ねた。 Table 3 に WG でとりあげた分光光学系のも可能となる。いずれの場合も，アンジュレータビームうちのいくつかをあげる。また，Fig. 4 と Fig. 5 に，収ラインの分光光学系の設計にあたっては，加速器仕様策定

束光を不等刻線間隔平面回折格子（VLSPG）に照射するWGが策定した光源の仕様を基本にして，挿入光源や光学新たに考案された斜入射分光器（雨宮健太東大）と，早素子の最近の進歩，利用研究の動向を十分考慮にいれた検くから検討が進められてきている10 m OŠ-Plane-Eagle 直討が重要である。

入射分光器（溝川貴司東大）を示す。分光性能の定量的ビームライン仕様策定 WG では，高輝度光源の特徴を生かし最先端の放射光技術光学素子を利用して，1.

性などを考慮した。まだ各種のアンジュレータの仕様が具入射スリット無しで，ハイスループットにするこ一枚の回折格子が広いエネルギー範囲をカバーすること

3.

ものであるが，設計検討された分光光学系はいずれも目標値を上回る優れた性能をもっている。

エネルギー分解能 10000 で光子数 1012 個/秒を標準とすること

4.

体的に決定されていないため，一部を除いて標準的な4.5m 長の直線偏光アンジュレータ光源の仕様を前提にしたと2.

な評価には，光学素子の表面荒さやアライメントの不完全ビームライン仕様策定 WG では，分光光学系の高性能を維持しメンテナンスを容易にすることも考慮して，上のサンプル上でのスポットサイズは50 mm 以下にす設計目標を達成する標準的なビームラインとともに，利用――放射光第巻第号

()

Table 3

Monochromators discussed and designed by the Beamline Design WG

Monochoromator

Type

Energy range(eV)Resolution(E/DE)

Photon ‰ux(photons/s)

Spot size( mm(h)×mm (v))

Normal incidence monochromator（Fig. 4)
Grazing incidence monochromator（Fig. 5)

10 m OŠ-Plane-Eagle
VLSPGM

10～40
50～1000

100,000以上
10,000以上

1012 以上
1012 以上

25×35
20×30

Ultra-high photon ‰ux grazing incidence
monochromator (Fig. 6)

VLSPGM

70～1000

6,000以上

1013 以上

6.3×3.4

Figure 4.

Optical layout of the 10 m OŠ-Plane-Eagle type monochromator.

能を Table 3 に示した。
基幹チャンネルとビームラインの配置，放射線遮蔽や実験ホールのさまざまなユーティリティの問題など，光源加速器および建物の設計と密接に関連する事柄については，
加速 器仕様策定 WG と共同で 検討作業が進めら れており，ここでも既存の放射光施設で得られたノウハウを取り入れ議論されている。
Figure 5. Optical layout of the varied line spacing plane gratingmonochromator.

.

放射光利用計画

Table 4 は，検討会議が集計したアンジュレータ放射を利用する研究計画を，利用計画 WG が研究内容に応じて目的に特化したビームラインのための光学系のバリエーシ「ナノ材料科学」，「生命科学」，「物性科学」，「基礎光科ョンについても検討している。 Fig. 6 はその一例（斎藤学」の 4 つの研究分野に分類し，各研究課題が必要とす原研，江島東北大）で，後置鏡にとして楕円鏡を K る放射光の性能と一緒にまとめたものである。Table 5 にB 配置して小さなスポットサイズを得ることをねらったは，長尺アンジュレータから高輝度放射光利用について関光学系である。長尺アンジュレータに設置された場合の性連する研究課題をまとめた。放射光科学研究においては，

――




放射光

Figure 6.

第巻第号()

Sdhematics of the optical layout to obtain a small optical image.

Table 4

List of required perfomance to beamlines

Field of Study

Subject of Study

EnergyRangeResolution(E/DE)

Photon Fluxat Sample
Position(photons/sec)

Nano-MaterialScience

1. Photoelectron spectroscopy of quantum nano-materials
2. Photoelectron microscopy of magnetic nano-materials

100,000
7,000

1013
1014

3. Real-time photoelectron spectroscopy

20～1,000 eV
20～1,000 eV
50～1,000 eV

10,0001012

4. Rariation biology
5. Soft X-ray imaging of biol. materials

10～1,000 eV
100～2,000 eV

1,000～5,000
10,0001012
10 13～1016

10 mm＜100 mmvariablelinear

6. Ultra-high resolution photoelectron spectroscopy

15～40 eV
8～1,500 eV

40,00020,000＜1012
1012＜20 mm×300 mm＜10 mmvariable

50～1,000 eV
10～400 eV

10,00010 13～1014
10 12～1014

1 mm

variablevariable

1013

10 mm
10～20 mmvariablevariableLife Science

7. Bulk-sensitive Fermiology
8. Soft X-ray emission spectroscopy of complex materials
Condenced
MatterScience

10 mm
1 mm ～1 mm

variablevariablev

10,00010,000

11. Two dimensional photoelectron spectroscopy ofsurfaces and interfaces

10～1,000 eV

10,00010 13～1014

1～10 mmvariable

12. Dynamics of surface reaction and surface magnetism

100～1,000 eV
20～1,000 eV

10,00010 13～1014

10 mm

variable

10,0001,000～2,000

1013
1016

10 mm
1 mm 以下variablelinear

100,000(max.)
10,000(av.)

1010

100～1,000 eV

15. VUV/Soft Xray spectroscopy of atoms, molecules andclusters

30～1,000 eV

16. Reaction dynamics of photoexcited molecules

30～300 eV
10～40 eV

17. Two-photon spectroscopy with laser

Table 5＜10 mmPolarization

50～1,600 eV

9. Spin-resolved photoelectron spectroscopy
10. Soft X-ray magnetic/chiral dichroism spectroscopy

13. Electronic structures of organic materials
14. Time-reslved pectroscopy and non-linear spectroscopy
Fundamental
OpticalScience

Spot Size atSample
Position

10 mm

variable

60,000～20,0001012
1012

100 mmvariable

70,000～20,000

1014

100 mmvariable

Subjects of study (please refer number for subjects in Table 4) utilizing long undulators with required perfomance to the beamlines
Related Subjectsof Study

High-‰ux and coherence

Energy Range

1, 2, 3, 5, 9, 11, 12, 14 50～900 eV
50～1,600 eV

High quality polariztion switching 2, 9, 10Resolution(E/DE)

Photon Flux at Spot Size at
Sample Position
SamplePolarization(photons/sec)
Position

1,000～10,000

1012～1016

10,0001013＜10 mm＜10 mmlinearvariable

ナノ材料科学（ナノ構造物質の創成，特性評価，新機能研究施設を視野に入れた場合の国際競争力，計画の実施可解明，強相関物質テクノロジー），生命科学（染色体構造，能性などが検討され，すべてにわたって優れた評価を与え分子モーター観察，細胞組織の放射線応答），物性科学られている。一方，表の研究計画の中には今すぐ研究に着（磁性，表面界面，触媒，高分子ソフトマテリアル），手可能なものも多い。その点からも，極紫外軟 X 線放基礎光科学（原子分子，環境）などの諸分野を中心に，射光源計画をできるだけ早く実現することは重要である。

マイクロビーム，コヒーレンス，高フラックスなど，極紫外軟 X 線高輝度放射光の特長を最大限活用した先端研.

これから究の急展開が予想される。Table 4 のそれぞれの研究課題

極紫外軟 X 線放射光源計画の実現の見通しは，多く

は， WG によって学術的意義や将来の発展性，諸外国のの方々の熱心な活動にもかかわらずまだ確実なものではな――放射光第巻第号

()い。設計の概要がデザインレポートとして取りまとめられ（SPring-8）

たあとも，それぞれの WG ではより詳細な検討と R & D◯ビームライン仕様策定 WGが繰り返されている。電子ビームと放射光の性能を決定づ

江島丈雄，鈴木章二，波多野忠，柳原美廣（東北大），ける真空チェンバーと挿入光源の詳細設計，地盤と建屋構

足立純一，伊藤健二，小出常晴，斉藤裕樹，仲武昌史，造および付帯設備の性能，トップアップ運転時の放射線遮

東蔽，ビームラインの規格化，実験ホールのユーティリティ

雨宮健太，奥田太一，柿崎明人，木下豊彦，中村典雄，など，計画実現にむけて精力的に議論がされている。一つ

藤沢正美，溝川貴司（東大），繁政英治（分子研），遠藤の放射光源計画の策定にこれほど多くの方々が参加し，全勝義，佐野泰久（阪大），小池雅人，斎藤祐児（原研），保男，間瀬一彦，柳下明，山本樹（物構研），国的な視野に立って議論を重ねたことはこれまでなかった

北 村 英 男 ， 田 中 隆 次 （ 理 研 ）， 大 橋 治 彦 ， 熊 谷 教 孝と思う。 WG で活躍している多くの人々，とくに 20 代，（SPring-8），平谷篤也（広大）30代の若手の努力が実を結ぶことを願ってやまない。

◯利用計画 WG

おわりに，各 WG メンバーと WG の議論に参加してい上田潔，高桑雄二，柳原美廣，渡邊誠（東北大），ただいている方々を紹介する。

小出常晴，小林克己，柳下◯加速器仕様策定 WG（千葉大），尾嶋正治，柿崎明人，木下豊彦，辛鈴木章二，濱広幸，渡邊誠（以上，東北大），伊澤正陽，小林正典，小林幸則，原田健太郎，本田
本融，山樹（物構研），柿崎明人，阪井寛志，高木宏之，中村典雄（東大），小関忠（理研），加藤政博（分子研），

大熊春夫，熊谷教孝，高雄勝，田中均，中村剛――元徹，藤森明（物構研），上野信雄

淳（東大），伊藤敦（東海大），小杉信博，見附孝一郎，横山利彦（分子研），大門先端大），今田雅樹（広大）

真，菅埴，末寛（奈良滋正（阪大），木村昭夫，谷口