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日本物理学会

日本放射光学会

レーザー学会

日本加速器学会

http://www.kuba.co.jp/XFEL04/

要旨集

第 4 回 X 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー シ ン ポ ジ ウ ム

要旨集

国際交流会議場

世 界 が 注 目 す る 日 本 の 技 術

世 界 が 注 目 す る 日 本 の 技 術コンパクト X 線 レーザ ー

東京国際交流館 プラザ平成

コンパクトX線レーザー

第4回 X線自由電子レーザーシンポジウム

2008年12月12日（金）10:00〜17:20

目 次
XFEL 光による分子・クラスターの構造とダイナミクス ………………………………………………………… 34

第 1 部 X 線自由電子レーザー計画について

山内

X 線自由電子レーザー（XFEL）とは ………………………………………………………………………………………………… 6

薫（東京大学）K ・ B ミラー光学系による XFEL ナノ集光システムの開発 ……………………………………………………… 36
山内 和人（大阪大学）

第 2 部 日本の X 線自由電子レーザー開発

コヒーレント散乱による材料科学現象可視化基盤技術の研究開発 ………………………………………… 38
国家プロジェクト

X 線自由電子レーザーとは ……………………………………………………………………………

12―世界最高レベルの機器と施設の開発とは―
熊谷 教孝（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 副本部長 加速器建設グループディレクター）
大塚 孝（同加速器建設グループ 建設チーム）― XFEL シングルパルス X 線回折顕微鏡法実現のための基盤技術開発―
松原 英一郎（京都大学）

高エネルギー密度物性を利用した X 線光学研究 ………………………………………………………………………… 40
米田 仁紀（電気通信大学レーザー新世代研究センター）

我が国産業界の国産技術が支える X 線自由電子レーザー ………………………………………………………… 14―その新たな可能性―
新竹 積（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器研究開発グループディレクター）

極小デバイス磁化挙動解析のための回折スペックル計測技術の開発 …………………………………… 42

人類未踏の光 X 線レーザーを自在にあやつるための最先端ビームラインテクノロジー … 16

生体単粒子解析用クライオ試料固定照射装置の開発 ………………………………………………………………… 44

矢橋 牧名（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ ビームライン建設チーム チームリーダー）

中迫 雅由（慶應義塾大学）

プロトタイプ自由電子レーザーのビームライン整備と共同利用の開始 ………………………………… 18

FEL 励起反応追跡のための電子・イオン運動量多重計測 ………………………………………………………… 46

永園

上田

角田 匡清（東北大学）

充（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ SCSS 試験加速器利用チームリーダー）

潔（東北大学）

超短パルス X 線を用いた超高密度状態と相転移ダイナミクスの研究 …………………………………… 48

第 3 部 日本の X 線自由電子レーザーの利用戦略

中村 一隆（東京工業大学）＜ X 線自由電子レーザー利用推進協議会について＞

蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置の開発 ……………………………………………………………… 50

X 線自由電子レーザー利用推進協議会の活動と今後の利用推進研究課題の進め方 …………… 22

中嶋敦（慶應義塾大学）

太田 俊明（X 線自由電子レーザー利用推進協議会 PD、立命館大学総合理工学研究機構 SR センター長）

非線形 X 線ラマン分光法の開拓 ………………………………………………………………………………………………………… 52＜各課題の状況について＞

初井 宇記（理化学研究所）

フェムト秒時間分解顕微鏡の構築と MEM 電子分布解析の高度化 ………………………………………… 24
守友浩（筑波大学）

FEL 多元分光を用いたナノ構造体の電荷移動ダイナミクス …………………………………………………… 54
八尾

ガス吸着ダイナミクス研究のための時間分解 X 線回折データ測定技術の研究開発 ………… 26― 1 千兆分の 1 秒（フェムト秒）の瞬間におけるナノ気孔分子をみる―
北川 進（京都大学）

誠（京都大学）

広範な生体試料に対応したターゲット・デリバリーシステムの開発 …………………………………… 56
岩本 裕之（高輝度光科学研究センター）

癌細胞の転写関連タンパク質の網羅的マップ構築と臨床応用 ………………………………………………… 28
照井 康仁（財団法人癌研究会 癌化学療法センター臨床部）

生体分子の立体構造決定手法の開発に向けた理論基盤の構築 ………………………………………………… 58
郷信広（日本原子力研究開発機構）

FEL 高分解能光電子イメージング装置の開発 ……………………………………………………………………………… 30＜産業界からの期待＞

鈴木 俊法（理化学研究所）

X 線自由電子レーザーがもたらす新技術開発と産業への貢献 ………………………………………………… 60
丹羽 紘一（株式会社富士通研究所 顧問、神奈川工科大学 特別研究員）

フェムト秒精度でのタイミング信号伝達・計測技術開発 …………………………………………………………
玉作 賢治（理化学研究所）

32

第1部

X 線自由電子レーザー計画について
X 線自由電子レーザー（XFEL）とは … 6

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計
画
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計
画
に
つ
い
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第2部

日本の X 線自由電子レーザー開発
国家プロジェクト

X 線自由電子レーザーとは …12

─世界最高レベルの機器と施設の開発とは─
熊谷 教孝（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 副本部長 加速器建設グループディレクター）
大塚 孝（同加速器建設グループ 建設チーム）

我が国産業界の国産技術が支える X 線自由電子レーザー …14
─その新たな可能性─

新竹

積（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器研究開発グループディレクター）

X 線レーザーを自在にあやつるための最先端ビームラインテクノロジー …16
矢橋 牧名（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ ビームライン建設チーム チームリーダー）
人類未踏の光

プロトタイプ自由電子レーザーのビームライン整備と共同利用の開始 …18
永園 充（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ SCSS 試験加速器利用チームリーダー）

第2部
第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

日
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自
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電
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開
発

国家プロジェクト X 線自由電子レーザーとは─世界最高レベルの機器と施設の開発とは─

熊谷 教孝（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 副本部長 加速器建設グループディレクター）
大塚 孝（同加速器建設グループ 建設チーム）

X 線自由電子レーザーとは

電子ビームの加速およびレーザー増幅を平成 22 年
度中に、そして 23 年度に X 線領域で安定なレーザ

XFEL とは、X 線自由電子レーザー（X-ray Free

ー増幅と利用開始を目指し計画が進められている。

Electron Laser ）の略で、波長が X 線（波長 0.1 ナノメ

利用開始後、できうる限り早急に SASE 光から FELートル）領域のレーザーである。さらに、光のパルへのアップグレードが可能な加速器システムに、まスが 100 フェムト秒程度と非常に短く、SPring-8 のた、将来的に SCSS 試験器（XFEL プロトタイプ機）

10 億倍も明るい次世代光源である。この XFEL を使を XFEL の BL01 ビームラインの上流側空間に移設

うと、物質を原子レベルの大きさで、かつ瞬時の動し、より柔軟なレーザーと放射光利用のコラボレー

きを観察することができると考えられている。そのションを可能とするように設計された。

ため基礎研究にとどまらず、広く国民の生活に有意

線形加速器の主要構成要素である S-band および義な影響を及ぼすような画期的な光源として期待さ

C-band 加速管等の高周波機器の製作は順調に進み、れている。そのような理由から XFEL 計画は、我がS-band システムは全数、C-band については 128 本中

国の科学技術を牽引する世界最高性能の研究・技術

約 50 本が納入され、月産 6、7 本の割合で製作が進開発として、『国家基幹技術』に認定されている。

んでいる。テストスタンドでは、納入された高周波機器の健全性を確認するために測定を開始し、機器

今回の施設において、建物に要求される最も重要

ロンギャラリーを支えるもので、最大長さ 52 m、の信頼性および再現性を最優先して製作を進める。

な部分は、マシンが設置される床レベルの恒久的精直径約 1.5 m の場所打ちコンクリート杭を 136 本施

X 線自由電子レーザー装置は、高品質電子ビーム

SCSS 試験器の運転では、C-band 加速管において度の確保であると考え、建物を計画した。加速器棟工した。加速器トンネル躯体のマスコンクリートは、を生成する電子銃部と、その電子を加工し 8 GeV ま

当初設計を上回る 37 MV/m の高加速電界運転を低は電子銃・線型加速器等を収納する加速器トンネル工場での試験練り及び現場での試験施工を行い、コで加速する長さ約 400 m の線型加速器、その電子ビ

いトリップレートで実現、実機での安定な 8 GeV 運とクライストロンを設置するクライストロンギャラ

ンクリートの性能と施工性を考慮したコンクリートームから X 線レーザーを生成するアンジュレータ

転に目処が立った。また、電子銃や電源の開発では、

リーの床は一体となる構造とし、床の変形を押さえを選定し、施工した。

部、そしてその発生した X 線レーザーを利用するビ

電圧安定度として仕様値 0.01 ％（標準偏差）を満たるために、外皮となる構造とは分離された構造とな

光源棟のアンジュレータホール床は直接基礎であームライン・測定器からなる。加速管、クライスト

すものも実現し、これにより電子ビームの安定な生っている。また、アンジュレータを収納する光源棟

り、支持地盤となる中硬岩まで深い部分は、平成ロン、電磁石、真空、制御等の加速器機器は、現在成と加速が確実となった。

のアンジュレータホール、ビーム輸送トンネル、X

19 年 9 月〜翌 5 月の間で、掘削工事及び地盤改良工

線レーザーを利用するための実験研究棟の実験ホー事を施工した。中硬岩が現れる最大深さ 16 m まで

ルにおいても、床と壁の構造を分離し、床変形に対掘削し、人工岩盤を形成した。アンジュレータホーする影響をできるだけ少なくする構造としている。

ル躯体のマスコンクリートも加速器棟同様に試験を施設の進捗概要

機器の製作・納入が順調に進んでいる。アンジュレ

建屋の概要と進捗状況

ータ部およびビームライン機器の製作と、高品質電子ビームを SPring-8 蓄積リングに輸送する電子ビー

X 線自由電子レーザー施設は 4 つの建物に分けて

ム輸送トンネル建設が平成 20 年度から開始された。

建設中であり、1. 加速器棟
（平成 21 年 3 月竣工予定）、

その中でレーザー生成の中心となるアンジュレータ

2. 光源棟（平成 21 年 3 月竣工予定）、3. ビーム輸送の発注が本年 10 月に終了し、その他の機器についトンネル（平成 22 年 3 月竣工予定）、4. 実験研究棟

加速器棟は平成 19 年 6 月〜 11 月の間で、杭工事ては順次仕様が確定され次第発注作業に入る。現在、（平成 22 年 5 月竣工予定）で構成する建屋である。

を施工した。この杭は加速器トンネルとクライスト

12

建設状況

行い、コンクリートを選定し、施工した。現在は、両棟ともに外装・内装工事、設備工事を施工中で平成 21 年 3 月竣工に向けて順調に進行している。

13

第
2
部
第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

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発

我が国産業界の国産技術が支える
X 線自由電子レーザー
─その新たな可能性─
新竹積（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器研究開発グループディレクター）

日本の X 線自由電子レーザーは、わが国の産業界能となり、アンジュレータの磁石周期をより短くでが有する優れた工業技術を活かして、諸外国がまねき、結果的に X 線を発生させるに必要となる電子ビのできない、高性能かつコンパクトな設計となってームのエネルギーを低く抑え、XFEL 施設をコンパいる。その最も重要な技術とは、（1）真空封止アン

クトにすることが可能となった。また XFEL では磁された。SCSS プロジェク

ジュレータ技術、（2）C バンド高電界加速技術、（3）

石列どうしの間隔をミクロン精度で調整する必要がトの試験加速器（XFEL プ

低エミッタンス熱電子銃であり、いずれも日本発祥あり、永久磁石の強力な吸引力にも耐える高精度位

ロトタイプ機）において、の技術であるだけでなく、それを支えているのは日

置決め技術が必須である。ここに日本の高精度ボー

現在 37 MV/m の加速運転

本の産業界が得意とする工業技術の集大成である。

ルベアリングの技術が活かされており、日本の産業が実現している。その他、はじめに真空封止型のアンジュレータは、1982

界が有する基礎技術レベルの高さが XFEL を影で支

高信頼性の C バンドクラえているのである。

イストロン（増幅管）、高

年に日本で発明され世界のトップシェアを持つネオ

図 2 ● SCSS 試験加速器に設置された C バンド加速器と C バンドクライストロン

ジム磁石（Neodymium magnet ）の優れた特性を活か

つぎに C バンド高電界加速技術は、高エネルギー

安定パルス電源、高周波した設計となっており、北村英男などの挑戦的な技

素粒子研究向けに日本で開発された加速器技術であ信号の高精度制御技術な術開発により、真空中に磁石列を配置する方式が可る（図 2）。従来の電子線型加速器で使用されてきたど多くの国内メーカーが能となった（図 1）。これによって、磁石列を電子ビ

S バンド加速器は、周波数 3 GHz のマイクロ波を加XFEL を支えている。

ームに数ミリメートルの距離まで近づけることが可

速に使用していたが、この周波数を 2 倍の 6 GHz

3 番目の低エミッタンス（C バンド帯）にすることに熱電子銃は、X 線レーザより、加速勾配 35 MV/mーが安定に動作するために必須の技術である。もしードは、寿命 2 万時間を記録した。その間のレーザという従来の 2 倍近い高電電子ビームのエミッタンスが悪く電子の運動方向にー運転は極めて安定であり、カソード交換の直前ま界加速が可能となった。

ばらつきがあると、発生する X 線は自然放射にしかで安定にビームを供給し続けた。

これを支える工業技術のならず、FEL 増幅によるレーザーとはならないため、ここに述べた 3 つの国産技術を用いると、将来さ筆頭は、国内メーカーの電子銃は XFEL にとって極めて重要な技術である。

らに小型の X 線レーザーが実現できる可能性があ

高純度無酸素銅の優れた

我々は、諸外国より優れた方式として、単結晶カソる。例えば、アンジュレータの周期長を 5 mm まで製造技術である。日本独ード表面から得られる熱電子を利用している。これ短くすると、波長 2 Å を発生するために必要なエネ

自の真空連続溶解技術とを支える技術とは、ホウ化セリウム（CeB 6）の単結

ルギーは約 2 GeV となり、主加速器の長さは 60 m、HIP 熱処理技術により、結晶を、1500 °C という高温に加熱するグラファイト

アンジュレータの全長は 40 m、実験室を含めた施

晶粒界に不純物空孔の存ヒーターにある。これは半導体シリコン製造に用い設全長が 150 m 程度となり、正にコンパクト X 線レ

在しない優れた銅材料がられる融解炉ヒーター向の高純度グラファイト技術ーザーが実現する。これによって XFEL 施設の普及供給され、加速器空胴のを転用したものであり、不純物ガスの放出が少なくが大いに加速されるものと期待でき、タンパク質の

高電界運転に伴う高電圧

長寿命の電子銃が実現している（図 3）。SCSS 試験

単分子イメージングを始めとして広く基礎科学の進放電の問題が見事に解決

加速器の電子銃において、初期ロットの単結晶カソ

歩に寄与するであろう。

図 1 ●真空封止アンジュレータとネオジム磁石（ハイブリッド型）

14

図 3 ●低エミッタンス熱電子銃と、1500 ℃で運転中の単結晶カソード

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第
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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

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人類未踏の光X 線レーザーを自在にあやつるための最先端ビームラインテクノロジー
矢橋 牧名（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ ビームライン建設チーム チームリーダー）

1．はじめに光子密度を飛躍的に高めることが可能となる。

X 線自由電子レーザー（XFEL ）装置は、1000 億個

また、分光器を用いて、特定の狭い波長成分以上の膨大な数の X 線光子を、10 兆分の 1 秒（100のみが抽出される。特に、XFEL の光学素子とフェムト秒）以下のごく僅かな時間内に生成するとしては、非常に高い形状精度・完全性が求めいう、全く新しい光源である。この超高速フラッシ

られる。また、強力な XFEL により損傷を受

ュランプを物質に照らすことで、我々は、物質中のけないような工夫が凝らされる。

刻々と移りゆく原子の配置を静止フレームに切り取② XFEL の診断： XFEL は 1 秒間に 60 回の繰り返って観測することが初めて可能となる。さらに、こしのパルスとして生成されるが、各パルス毎

れらの X 線光子の内訳をみると、お互いに区別がつに少しずつ特性が異なっている。強度、波長、かないほど性質が揃ったものが多数含まれている。

到達時間等のビーム特性をパルス毎に診断し、この特性は、「コヒーレンス性が高い」と呼ばれ、データベースに記録するために、特性診断シ

極めて有用である。すなわち、従来のコヒーレント

ステムの開発が進められている。また、強力

でない X 線光源は、原子配置の解析対象を「結晶」

な XFEL を 安 定 し て 得 る た め に は 電 子 ビ ーと呼ばれる特殊な状態に限定していたが、コヒーレ

ム・アンジュレータを極めて精密に調整する

ントな XFEL はこの制約を解き放つ。例えば、生命必要があるが、この際にも診断システムが重の基本機能を担うが結晶状態にすることが極めて困要な役割を果たす。

難な「膜タンパク質」と呼ばれる生体物質の構造を③ 制御・データ処理システム：各機器の制御と解くことが可能となり、新薬創成につながると期待

ともに、XFEL 実験により得られる膨大なデーされている。

タを処理するために必要となるシステム開2．ビームラインの目的

図●ビームラインの鳥瞰図発・整備が行われる。
④ 放射線防護：放射線防護のために、遮蔽ハッビームラインは、XFEL の発生源であるアンジュ
レータの下流から、ユーザーの実験装置までを繋ぐ

チが設置され、安全システムが構築される。

3．スケジュール

装置である。光源棟内のフロントエンド、実験棟内の光学系、遮蔽ハッチ、制御システム等のサブシス

ビームライン系の機器は、平成 20 年度から 22 年

テムから構成される。主な目的は次の通りである。

度の 3 年間で整備される予定である。現在、機器設① XFEL の加工：実験目的に応じて XFEL の性質

計がほぼ終了し、発注作業が進められている。引きを加工することで、XFEL の優れた特性を一層続き、機器製作が行われ、22 年度中に光源棟・実際立ったものにする。例えば、集光ミラーに

験棟にインストールされる。調整運転を経た後、平より、XFEL ビームの空間領域を小さく絞り、

成 23 年秋から供用運転が開始される予定である。

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第
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部
第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

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プロトタイプ自由電子レーザーのビームライン整備と共同利用の開始
永園 充（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ SCSS 試験加速器利用チームリーダー）

図 1 ●収納部内ビームライン

SCSS 試験加速器は、X 線自由電子レーザー

光（集光径：数 µm）が 1 ブランチとして整備する（XFEL ）加速器の動作原理を検証するために建設さ予定である。また、実験棟内には、共用レーザーシれたプロトタイプ機である。このプロトタイプ機にステムとユーザー持ち込みレーザーを置けるスペー

は、FEL で用いる 3 つの先進的なキーテクノロジー、スを設けている。

（1）低エミッタンスの「500 kV 熱電子銃」、（2）高加2007 年 10 月から試験的利用研究が、XFEL 利用推

速勾配の「C バンド加速器」、（3）磁場周期長の短い進課題の研究グループ（研究代表者「真空封止アンジュレータ」が使用され、2005 年度

内薫教授）の協力を得て開始された。利用期間中に完成した。2006 年 6 月にレーザー出力を確認、そ（延べ数週間）は、大きなトラブルもなく安定にビの後レーザー発振に向けて、機器の改良と調整の精ーム供給を行うことができ、本格的な利用実験に向密化、加速器の安定化を進めてきた結果として、けて運転実績を積むことができた。さらに、その実2007 年 9 月にレーザーパワーの飽和を達成した。こ験からプロトタイプ自由電子レーザー利用研究の最の飽和達成は、「Nature Photonics 」に論文として掲載

初の成果も得られている 。

[1]

され 、また同誌面上でエディター側のトピックス[2]として取り上げられ 、さらに「Nature 」において[3]も紹介された 。

東京大学

山

[4]

2008 年 1 月から 2 月にかけて、プロトタイプ自由電子レーザーの利用実験の第 1 回目（2008 年度 A 期）の課題公募が行われ、XFEL 利用推進研究課題の研

プロトタイプ自由電子レーザーの利用研究は、

究グループから 4 課題、一般応募の研究グループか

XFEL 装置が完成した後、速やかに利用実験を立ちらも 1 課題が採択され、2008 年度から共同利用の本上げるため、および極端紫外領域の新規な研究分野

格利用が開始された。今後も公募課題を実施していの開拓を目的として進められている。その利用研究

き、XFEL 利用研究のための実験システムの開発整を行うために、2006 年度に新しい建屋「EUV レーザ

備やプロトタイプ自由電子レーザーによって実現すー実験棟」が建設され、2007 年度には加速器収納部

る新規サイエンスの可能性を探っていく。

図 2 ● EUV レーザー棟内ビームライン

から実験棟へ光を導くための輸送ビームラインを建設した（図 1）。

[1]

nature photonics 2, 555-559（2008）

実験棟内のビームラインは、上流部に共通基盤機[2]nature photonics 2, 522-524（2008）

器（光ビームプロファイルモニター、光量調整用ア[3]nature 455, 522-524（2008）

ッテネーター、透過型光強度モニター、透過型光位[4]Appl. Phy. Lett. 92, 154103（2008）

置モニター、分岐チャンバー）、下流部にユーザー
利用実験を行うための 4 つのブランチを整備する（図 2）。4 つのブランチは、非集光が 1 ブランチ、
汎用集光（集光径：数 10 µm）が 2 ブランチ、究極集

18

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第3部

日本の X 線自由電子レーザーの利用戦略＜ X 線自由電子レーザー利用推進協議会について＞

X 線自由電子レーザー利用推進協議会の活動と今後の利用推進研究課題の進め方 …22
太田 俊明（X 線自由電子レーザー利用推進協議会 PD、立命館大学総合理工学研究機構 SR センター長）＜各課題の状況について＞

フェムト秒時間分解顕微鏡の構築と MEM 電子分布解析の高度化 …24
守友 浩（筑波大学）
ガス吸着ダイナミクス研究のための時間分解 X 線回折データ測定技術の研究開発 …26― 1 千兆分の 1 秒（フェムト秒）の瞬間におけるナノ気孔分子をみる―
北川 進（京都大学）

癌細胞の転写関連タンパク質の網羅的マップ構築と臨床応用 …28
照井 康仁（財団法人癌研究会 癌化学療法センター臨床部）
FEL 高分解能光電子イメージング装置の開発 …30
鈴木 俊法（理化学研究所）
フェムト秒精度でのタイミング信号伝達・計測技術開発 …32
玉作 賢治（理化学研究所）
XFEL 光による分子・クラスターの構造とダイナミクス …34
山内 薫（東京大学）
K ・ B ミラー光学系による XFEL ナノ集光システムの開発 …36
山内 和人（大阪大学）
コヒーレント散乱による材料科学現象可視化基盤技術の研究開発 …38― XFEL シングルパルス X 線回折顕微鏡法実現のための基盤技術開発―
松原 英一郎（京都大学）

高エネルギー密度物性を利用した X 線光学研究 …40
米田 仁紀（電気通信大学 レーザー新世代研究センター）
極小デバイス磁化挙動解析のための回折スペックル計測技術の開発 …42
角田 匡清（東北大学）
生体単粒子解析用クライオ試料固定照射装置の開発 …44
中迫 雅由（慶應義塾大学）
FEL 励起反応追跡のための電子・イオン運動量多重計測 …46
上田 潔（東北大学）
超短パルス X 線を用いた超高密度状態と相転移ダイナミクスの研究 …48
中村 一隆（東京工業大学）
蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置の開発 …50
中嶋 敦（慶應義塾大学）
非線形 X 線ラマン分光法の開拓 …52
初井 宇記（理化学研究所）
FEL 多元分光を用いたナノ構造体の電荷移動ダイナミクス …54
八尾 誠（京都大学）
広範な生体試料に対応したターゲット・デリバリーシステムの開発 …56
岩本 裕之（高輝度光科学研究センター）
生体分子の立体構造決定手法の開発に向けた理論基盤の構築 …58
郷 信広（日本原子力研究開発機構）＜産業界からの期待＞

X 線自由電子レーザーがもたらす新技術開発と産業への貢献 …60
丹羽 紘一（株式会社富士通研究所 顧問、神奈川工科大学 特別研究員）

第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

X 線自由電子レーザー利用推進協議会の活動と今後の利用推進研究課題の進め方
太田 俊明（X 線自由電子レーザー利用推進協議会 PD、立命館大学総合理工学研究機構 SR センター長）

究者、放射光研究者、
さらには、生命科学、

分野

研究課題名

研究代表者
（中核機関）

平成 20 年度分担機関

18 年度

ナノ

フェムト秒時間分解顕微鏡の構築と MEM 電子分布解析の高度化

守友 浩（筑波大学）

18 年度

ナノ時間分解 X 線回折によるガス吸着ダイナミクスの解明

北川 進（京都大学）

島根大学、理化学研究所

18 年度

ライフ

癌細胞の転写関連タンパク質の網羅的マップ構築と臨床応用

照井 康仁（癌研究会）

なし

理化学研究所

18 年度

基盤

FEL 高分解能光電子イメージング装置の開発

鈴木 俊法（理化学研究所）なし

究者の叡智を結集し、

18 年度

基盤

フェムト秒精度タイミング信号伝達・計測技術開発

玉作 賢治（理化学研究所）

なし

本装置の開発と併行

18 年度

ナノ

XFEL 光による分子・クラスターの構造とダイナミクス

山内 薫（東京大学）高エネルギー加速器研究機構、慶應義塾大学、日本原子力研究開発機構、理化学研究所、NTT 物性科学基礎研究所

して利用研究（XFEL

18 年度

基盤

K ・ B ミラー光学系による XFEL ナノ集光システムの開発

山内 和人（大阪大学）

理化学研究所を利用した研究）を行

18 年度

基盤

コヒーレント散乱による材料科学現象可視化のための基盤技術開発

松原 英一郎（京都大学）

理化学研究所想定される様々な問
題点の解決を戦略的ストを低減化したユニークな XFEL 計画を提案しま

採択
年度

物質科学に携わる研

うための技術開発、

X 線自由電子レーザー利用推進協議会の

XFEL 利用推進研究課題における研究開発実施課題備しておくことが必要です。レーザー研

第
3
部

18 年度

基盤

高エネルギー密度物性を利用した X 線光学研究

18 年度

ナノ

極小デバイス磁化挙動解析のための回折スペックル計測技術の開発

19 年度

ライフ

生体単粒子解析用クライオ試料固定照射装置の開発

米田 仁紀（電気通信大学）
角田 匡清（東北大学）
中迫 雅由（慶應義塾大学）
上田 潔（東北大学）

京都大学、大阪大学、宇都宮大学
高輝度光科学研究センター、
富士通株式会社
大阪大学、理化学研究所

19 年度

ナノ

FEL 励起反応追跡のための電子・イオン運動量多重計測に図ることは極めて

19 年度

ナノ

超短パルス X 線を用いた超高密度状態と相転移ダイナミクスの研究

中村 一隆（東京工業大学）なし

産業技術総合研究所

重要なことと考えら

19 年度

ライフ

蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置の開発

中嶋 敦（慶應義塾大学）

東京大学、理化学研究所

れます。

19 年度

基盤

非線形 X 線ラマン分光法の開拓

初井 宇記（理化学研究所）

なし

19 年度

ナノ

FEL 多元分光を用いたナノ構造体の電荷移動ダイナミクス

八尾 誠（京都大学）

なし

19 年度

ライフ

広範な生体試料に対応したターゲット・デリバリーシステムの開発

岩本 裕之
順天堂大学
（高輝度光科学研究センター）

19 年度

その他

生体分子の立体構造決定手法の開発に向けた理論基盤の構築

郷 信広
京都大学
（日本原子力研究開発機構）した。これは我が国が集中的に資源を投入して進めこのため、2006 年

るべき第 3 期科学技術基本計画の 5 つの国家基幹技

2 月、文部科学省に外高い指向性と単色性を持ち、位相が揃った高出力術の一つとして、2006 年より建設が始まり、2010

部有識者からなる「Xのレーザーを X 線領域にまで広げようとする試みは年度の完成を目指して着々と進行しています。この線自由電子レーザー

光科学技術に携わる者の長年来の夢でした。1970

計画は、極めて高い輝度（SPring-8 の 10 億倍）、極利用推進協議会」が設置され、術・学術審議会や総合科学技術会議による事前評価

年代から始まった理論と実験両面の研究によって、めて短いパルス性（SPring-8 の 1,000 分の 1）を持ち、（1）利用推進方針及び利用推進計画の策定・見直し

等も踏まえ、XFEL 完成後直ちに本格的な利用研究

自由電子レーザー（FEL ： Free Electron Laser ）技術

100 ％位相が揃った、最短波長 0.06 ナノメートルの（2）利用推進研究課題に関する公募要領の決定及びを実施し、革新的な成果を多数創出できるよう、要によりその実現の見通しが立ってきました。米国のX 線を創り出そうとするものです。

活動

実施課題の選定

素技術開発期（前期： 2006 〜 2008 年度）と統合シス（3）実施課題の進捗状況の把握と評価

テム開発期（後期： 2009 〜 2010 年度）に分けて、利グストロームの空間分解能とフェムト秒の時間分解（4）シンポジウムの開催

用推進研究を計画的に進めてきました。これまでの型の XFEL（X-ray FEL ）建設計画が先行して始まっ能で物質を照らす新しい光です。結晶化が困難な膜といった取り組みを通じて利用技術の開発を進めて

前期 3 年では、XFEL を利用したナノテクノロジー、ているところです。

タンパク質 1 分子での原子レベルの構造解析や化学きました。

ライフサイエンス分野における計測・分析等に資す

スタンフォードでは国家プロジェクト、ドイツのハ

人類が未だ手にしたことにないこの光源は、オンンブルグでは欧州国際共同プロジェクトとして超大これらを追いかけて、我が国では理研のグループ

反応の超高速動態・変化を計測・分析を可能にする協議会の下には、利用推進方針策定プロジェクトる共通基盤技術開発と個別研究開発を 18 課題実施が日本独自のアイデアによって大幅に小型化し、コ

ポテンシャルをもっています。したがって、ライフ

チームと利用推進研究課題選考・評価プロジェクト

してきました。今年度中に、これらの研究課題につサイエンスやナノテクノ

チームが設置され、前者においては利用推進研究

いて中間評価を行い、課題の絞り込みを行います。

ロジー・材料分野をはじ（利用研究を実施する際に想定される様々な問題点

XFEL の特長を生かした利用研究であるか、インパめとする幅広い研究分野の解決に向けた研究開発）の方針・計画を定め、後クトのある成果の創出が見込まれるか、早期に実現への貢献、基礎研究から者においてはこの方針・計画のもとに、利用推進研

すべき研究課題であるか、研究の進捗状況や創出さ

国民の生活向上に役立つ

究課題を採択し、利用推進研究を強力に進めているれる成果の見込みを十分に検討した上で、課題毎に応用研究・製品開発までところです。

継続・廃止・統合等を行う予定です。そして、来年

X線自由電子レーザー利用推進協議会
装置開発と並行して、具体的成果の見込まれる研究テーマを絞り込み、また、利用推進研究課題として利用研究を実施する際に想定される問題点の解決を図るなど、戦略的に利用研究を推進するための体制の構築

X線自由電子レーザー利用推進協議会
PD（主査） 太田利明

利用推進方針策定PT
PO 太田利明（PDと兼務）
ライフWG（座長、その他）
ナノ・材料その他WG（座長、その他）
装置側研究者3名

ライフWG

ナノ・材料その他WG

座長： 月原冨武を含め計12名

座長： 坂田 誠
を含め計11名

・利用推進方針の検討
・利用推進方針の策定

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利用推進研究課題 選考・評価PT
PO 下村

理

利用側研究者 計7名
うち ライフ：3名
ナノその他：4名

装置側研究者3名程度
・公募要領の策定
・利用推進研究課題の選定（ヒアリング及び選考会）
・利用推進計画の策定
・実施課題の進捗状況の調査・把握・中間評価及び資源配分の変更
・シンポジウムの開催（研究内容の発表、研究成果の報告）（注1）PDがPOを兼務（注2）両PTの重複は可能。ただし、利用推進研究
課題選考・評価PTの委員は応募不可（注3）研究実施者（研究代表者）も各WGに参加

また、今年 8 月の科学技術・学術審議会による度から始まる後期 2 年では、共通基盤技術と個別技

XFEL 計画中間評価報告書の提言を踏まえ、XFEL術を統合し、実際に利用研究を実施するための解

このような期待に応のもつ大きなポテンシャルを最大限活かすべく、新析・計測システムを製作する計画です。

え、諸外国との熾烈な競

たな研究分野の開拓や長期的な展望に立った研究を争の中、多数の先端的研遂行していくための検討も開始しています。

革新的な成果の創出が期待されています。

究成果を早期に創出して今後の利用推進研究課題の進め方

会の未来を開拓する基盤技術です。光科学技術関係者のみならず他分野の皆様におかれましても、この機会に未知の光源、X 線レーザーに関心を持って頂いくためには、本装置の完成直後から本格的な研次項からご紹介する利用推進研究課題は、人類社

利用推進研究課題の進め方については、科学技

き、その新しい利用に関わって頂ければ幸いです。

究を開始できる環境を整

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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

フェムト秒時間分解顕微鏡の構築と
MEM 電子分布解析の高度化
研究代表者
共同研究者

る。これにより、蓄積リング放射光施設用には 2 psのタイミング精度で、自由電子レーザー用にはサブ顕微鏡試作機の性能評価に基づき、小型軽量鏡筒

ピコ秒の精度で、放射光 X 線パルスとフェムト秒レの設計・作製を行った。図 1 は小型軽量鏡筒の全体

ーザーの遅延時間を自在に設定できるようになる。

像である。800 nm のフェムト秒レーザーを導入す

SPring-8 蓄積リング BL19LXU において放射光用にることにより、イメージ光の発生、イメージ光の光

高周波遅延器を導入し、システム開発を行い、

学遅延、イメージ光による拡大試料像の作成、を行

GaAs 半導体の高速格子応答について実証実験を行うことが可能である。画像記録に関しては、Lock-った。

in 方式と A/D 変換方式を比較し、測定速度・精度と守友 浩（筑波大学）
田中 義人（理化学研究所）
加藤 礼三（理化学研究所）
高田 昌樹（理化学研究所）

1．研究実施の背景・目的

4．平成 20 年度の研究概要もに優れた後者の方式を選定した。La 0.6Sr 0.4MnO 3 で性能試験を行ったところ、空間分解能 3 µm、時間分解能 100 fs を得た。

分の小型・軽量化、e）鏡筒部分の可動性、である。
図 2 ●高精度遅延器

顕微鏡試作機を作製し、その基本性能の評価・改善

理化学研究所が開発する XFEL がフェムト秒時間を行う。その後に、その性能を落さずに、鏡筒部の分解能と nm オーダーの高い空間分解能を有するこ

小型・軽量化を行う。さらに、その空間・時間制御

顕著な光応答性のある物質として、光誘起相転移とを活用すれば、物質系に与えた擾乱が系の格子構技術を開発する。これにより試料の時間・空間に依を示すプルシャンブルー型シアノ錯体を選択した。

造・電子分布にどのように影響を与えるかを、空存した物性を監視しながら、時間・空間構造ダイナ

信頼性の高いデーターを得るために良質薄膜の作成

間・時間領域で決定することが可能になる。本開発

ミクスの研究が可能となる。

条件を確立した。フェムト秒時間分解分光を行った研究の目的は、この研究分野を推進するための周辺

加藤と高田が、MEM 電子分布解析の高度化を行ところ、800 nm の光励起により電荷移動状態が生成

技術開発・物質探索を行うことである。具体的には、う。特に、電子分布密度から静電ポテンシャルを計し、数 ns の寿命を持つことが明らかになってきた。

以下の三つの目標を定めている。

算する方法を開発する。さらに、静電ポテンシャル【目標 1】時間・空間に依存した物性をモニターす

法を強相関化合物に適用し、その有用性を実証する。

るフェムト秒時間分解顕微鏡（TRM ）をその空間・これらの手法の開発により、電子分布および静電ポ

時間制御技術を開発する。この物性モニター技術は、

テンシャル分布の時間・空間発展を実験的に決定す

XFEL の高度利用だけでなく、第三世代 X 線光源のることが可能になり、光誘起現象の解明に大きな貢

高度利用においても必須の周辺技術である。

献が期待される。

5．成果の社会還元
本開発研究により、光記録等の光誘起現象の機構
図 1 ●小型軽量鏡筒

解明とその材料開発が飛躍的に進展すると期待される。特に、MEM 電子分布の時間発展を調べること

上記小型軽量鏡筒の時間制御を行うため、放射光により、光によるミクロな電子励起からマクロな構【目標 2】第三世代 X 線光源で成功を収めている

さらに、守友は、顕著な光応答性のある物質探索

X 線とフェムト秒レーザーとのタイミング制御装置

造変化へのプロセスが明らかになり、現在の電子デMEM 電子分布解析を、XFEL 光源に対応できるよを行う。特に、サブピコ秒程度の時間スケールで顕を製作した。図 2 は、放射光 X 線パルスの基準信号バイスを遥かに越える高速、大容量デバイスの実現

う高度化する。特に、MEM 電子分布から有用な電著な応答性を示す強相関化合物を探索し、その基礎のパルス数と位相差を利用した高精度遅延器であに大きく寄与する。

荷情報を引き出すために静電ポテンシャル法を開発

物性データーを収集する。

し、その有用性を実証する。
【目標 3】顕著な光応答性のある物質探索を行い、その基礎物性データーを収集する。

2．研究内容3．期待される成果
本研究により、「時間・空間に依存した物性モニタ
ー手法」「高度化された MEM 電子分布解析手法」という技術面での進展が期待される。これらは、光記

守友と田中が、フェムト秒時間分解顕微鏡の開発

録等の光誘起現象の機構解明とその材料開発を飛躍を担当する。フェムト秒時間分解顕微鏡は光源部・的に進展させる技術である。さらに、サブピコ秒程

鏡筒部・画像部から構成される。この顕微鏡の主な度の時間スケールで顕著な応答性を示す強相関化合仕様は a）小さな励起光スポットサイズ（数 µm）、b）

物の探索を行うことにより、XFEL 完成の初期段階

長い作動距離（10 mm 程度）、c）励起光スポットをで世界に先駆けて成果を挙げることが期待される。

含む空間のイメージング（分解能数 µm）、d）鏡筒部

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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

ガス吸着ダイナミクス研究のための時間分解
X 線回折データ測定技術の研究開発 ―1千兆分の1秒（フェムト秒）の瞬間におけるナノ気孔分子をみる―

図 2 ●分子吸着に応じた柔軟な構造変化

るには、数ナノから数ミリ秒オーダーの時間分解能
で回折データその場測定を行う必要がある。このよ

研究代表者
共同研究者

北川 進（京都大学）
大場 正昭（京都大学）
田中 義人（理化学研究所）
小林 達生（岡山大学）
田中 宏志（島根大学）

うな極短時間のデータ測定においては、XFEL のよ高田 昌樹（理化学研究所）
黒岩 芳弘（広島大学）
久保田 佳基（大阪府立大学）

1．研究実施の背景・目的

図 4 ●本課題で製作した時間分解回折データ測定装置

うな超高輝度光源が必要となる。
本研究では、X 線回折データのストロボ撮影によした。その結果、ガスの放出に伴う回折ピークの位

り、数ナノから数ミリ秒程度の時間分解能でのガス置の変化を観測した。この測定では温度・圧力の変吸着その場測定技術の開発を行う。また、電子密度化と回転シャッターとの同期が重要であり、測定し分布と静電ポテンシャルを求める技術や、得られたたい状態を得るために試行錯誤的に条件を探していを簡便に作ることが可能であり、近年、この物質群

結果を可視化し、吸着分子とナノ細孔との相互作用る。現在、高速バルブによるタイミング制御にも取の研究は目覚しい発展を遂げている。この物質の合の理解を支援するソフトウェアの開発も行う。

り組みながら、一方で本実験のターゲットとなる新多孔性材料はさまざまな場所や目的に用いられる

理的設計・合成において、吸着されたガス分子およ非常に重要な機能性物質群である。これらは、石油び錯体骨格の構造情報は必要不可欠なものである。

工業における分離材料、水道水の浄化・脱臭剤とし私たちの研究グループは、SPring-8 の高輝度放射光本研究で開発する時間分解 X 線回折データ測定装て使用されており、もはや多孔性材料なしに現代のと新しい電子密度イメージング法を用いた結晶構造

置により吸着過程全体を通しての構造変化を明らか

ガス分子がナノ細孔によってどのように認識さ生活は成り立たないといっても過言ではない。これ研究を行い、酸素や水素、アセチレンなどのガス分にすることができる。特に XFEL の極めて短いパル

れ、取り込まれていくのかを連続的に観測して可視まで、多孔性材料の研究は、ゼオライトなどの無機子がナノ細孔内で整列構造をとりながら吸着されてス幅を活かしたストロボ撮影は、1 千兆分の 1 秒（フ化することは、ガス分子とナノ細孔との相互作用の固体や、活性炭をはじめとする炭素材料を対象としいることを明らかにしてきた。そして、これまでのェムト秒）の瞬間の像の観測を可能にする。すなわ

理解につながり、また、ガスの貯蔵や分離を始めとたものであった。従来の細孔物質は、それぞれに優研究により、ガス分子に応じて柔軟に骨格構造を変ち、ある時間の間の平均のぼやけた像ではなく、はする機能を有する多孔性金属錯体の合理的な設計・れた吸蔵、分離、触媒活性といった細孔機能を有し化させ分子を取り込む機構が大変重要であるとの認っきりした像として、吸着過程の構造変化を観測す

合成に指針を与える。さらに、ガス分子整列によるているが、微細な細孔の制御が困難であるため、特識に至った。しかしながら、私たちの研究も含めて、ることができると期待される。

新規物性の発現、それを利用した新規機能性ナノ空定の物質を高選択的に吸蔵する細孔材料、複数の機

これまでは主として飽和吸着状態についての研究が間の創製にも発展が期待される。ガス分子は現代社

能を共存させた高機能かつ多機能な細孔材料などは行われ、ガス分子の導入から飽和吸着に至るまでの会の様々な課題に広く関わっており、エネルギー実現できていない。

過程についての構造情報は全く明らかにされていな（アセチレン、メタン、水素など）、環境（二酸化炭

多孔性金属錯体は、極めて規則性の高いナノサイ

かった。この導入過程の構造情報を詳細に得ること

素、低分子イオウおよび窒素酸化物など）、生体

ズの細孔を持つ結晶物質であり、ガスの分離や精製、で、高い機能を有する画期的な多孔性材料の創出に貯蔵への応用が期待されている新しい材料である。

つながる。

この物質を構成する金属と有機分子をうまく選ぶこ

本研究では、ガス導入から飽和吸着に至るまでの、とにより、様々な大きさ、形、機能を持つ細孔構造

ガス分子の挙動、そして、ガス分子の大きさ、形、

3．期待される成果

5．成果の社会還元

図 3 ●細孔チャンネルを通過するするガス分子（酸素、一酸化窒素など）などを始めとする様々な分野での問題解決に貢献する重要な知見を得ること

4．平成 20 年度の研究概要

細孔との相互作用に応じた骨格構造の変化を、超高SPring-8 の理研ビームライン BL19LXU にて時間

輝度 XFEL 光源を用いた時間分解回折実験により明

分解回折データ測定装置を組み上げて試験実験を行らかにすることを目的とする。

った。標準試料を用いて、ビームストッパーの位置

2．研究内容規多孔性金属錯体試料の探索を進めている。

ができると期待される。

調整、CCD カメラの読み出し条件の検討、カメラ長の導出、回転シャッターの動作調整などの基本調

図 1 ●多孔性金属錯体

26

吸着現象の時間スケールはガス分子と細孔との相整を行った後、多孔性金属錯体試料によりガス吸脱

互作用によって異なり、多くの場合、それは不可逆

着過程の回折データ測定を試みた。試料部に一定圧過程である。可逆過程に近い物理吸着の場合でも温力のガスを導入し、降温して試料にガスを吸着させ度や圧力に対する応答は光や電場などに比べると遥た。その後、昇温しながら回転シャッターを同期さかに遅い。したがって、吸着過程を連続的に観測すせ、ガスが放出される過程の時間分解データを測定

図 5 ●重要な小分子気体

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癌細胞の転写関連タンパク質の網羅的マップ構築と臨床応用
研究代表者
共同研究者

照井 康仁（財団法人癌研究会 癌化学療法センター臨床部）
三嶋 雄二、松阪 諭、谷山 顕子、國吉 良子、坂尻 さくら（財団法人癌研究会 癌化学療法センター臨床部）（株）オリンパス オリンパスイメージングラボ

2．金属結合型プローブを用いた標的分子標識法の胞個々の内部情報収集が望まれている。各種癌細胞

ナル伝達タンパク質と結合する金属元素融合タンパ

開発における特異性と増殖は、特異的転写関連タンパク

ク質プローブをスクリーニングにより同定し、同時悪性腫瘍における転写関連タンパク質の動態を網癌の転移機序を解明するためには、細胞運動の調質の発現増強と活性化、局在に追うところが大きく、に蛍光標識することで、共焦点レーザー走査顕微鏡

羅的に把握するために、各種転写関連タンパク質に節機構と血管新生機構の解明が重要であり、生体内転写因子関連タンパク質の分子標的薬剤の臨床応用

により金属結合型ペプチドの生細胞内局在を詳細に結合する DNA、RNA およびペプチドを含めたタンでのこれらの現象を解明するために、in vitro で生体が進んでいる。癌細胞内の転写関連タンパク質の動検討し、癌転移の機序の解明の基本設計を行う。

パク質を細胞内に存在しない金属元素分子と有機的内に近い環境を作製し、X 線自由電子レーザーを用態を網羅的に把握することは悪性腫瘍の診断や個別（3）転写因子関連タンパク質結合 DNA、RNA、に標識する技術を確立する。最終目標として、共焦いて経時的に高解像度ビデオ撮影できる実験系を確治療の新しい分野の開拓に繋がる。

点レーザー顕微鏡と比較検討し、固定細胞や生細胞立する。

における転写関連タンパク質の発現動態および構造

3．転写因子関連タンパク質の層別化とプローブ作製

変化を X 線自由レーザーで解析し、悪性腫瘍の診断

共焦点レーザー蛍光顕微鏡では分子の局在変化や

1．研究実施の背景・目的や耐性機序の解明に役立てる。

2．研究内容1．金属結合型プローブの開発に関する研究
細胞内の特定の分子（受容体、シグナル伝達分子、

用いて特定の分子を標識する方法を開発する。

確認法の開発平成 18、19 年度に行った癌の転写に関する遺伝（1）金属結合型プローブタグベクターの開発

子のクローニングに引き続き、そのタンパク質に結発現変化は観察できるが転写因子の活性化や不活性

金属結合型プローブの作成による細胞内の特定の合する特異的ペプチド探索のため、網羅的に大腸菌化の変化は判別できない。各種転写因子関連タンパタンパク質の標識を行うことにより、抗がん剤投与

ペプチドライブラリーのスクリーニングを実施す

ク質を転写段階的に層別化し、結合 DNA やペプチ時の特定の分子の細胞内での挙動を XFEL を用いてる。一分子蛍光分析システムによるスクリーニング

ドを金属元素で標識してその動向を解析する。

評価する技術開発が最終的な目標である。この目標を用いて転写因子名札付けの技術を開発し、ペプチに向け、細胞内の特定の分子（受容体、シグナル伝ドの基本的性能を評価する。

3．期待される成果

達分子、転写因子など）の挙動を高解像度で解析を

転写因子など）の挙動を高解像度で解析をすることを目的として、通常細胞内に存在しない金属元素を4．平成 20 年度の研究概要

タンパク質の金属分子標識法と細胞内結合の5．成果の社会還元

現在の癌研究は癌細胞のマスに依るところが大きするための手段として、通常細胞内に存在しない金

く、抗癌剤耐性などの観点からは最小単位である細属元素を用いて特定の分子を標識する方法と蛍光標

本研究は癌の超早期がんの診断、超早期がんの治識する方法を同時に開発することが必要であり、平療、薬剤耐性化などの癌診療において新しい分野が成 18、19 年度にセットアップした、大腸菌ペプチ開拓できることで国民に還元できる。また、タンパ

ドライブラリーの金属プレートを用いたスクリーニ

ク質検出法や構造解析法では新しいアプローチの方

ングシステムを稼働させる。

法として期待できる。

（2）金属結合型プローブを用いた標的分子標識法の開発
平成 18 年度に引き続き、癌転移に関与するシグ

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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

ら最適なアルゴリズムを選択し、これを電子回路（FPGA ）に実装して行った。電子エネルギー分解能

FEL 高分解能光電子イメージング装置の開発によってデータが異なる様子を、図 1 にシミュレー
ションで示す。これは 21 eV の真空紫外光で水（H2O）
分子を光イオン化した場合である。エネルギー分解
能が 5 ％では、水の 3 つの電子軌道からの分布が分かれるだけである分解能が 0.5％になると、これら 3つの分布が細かな構造から成り立っていることが分

研究代表者
共同研究者

鈴木 俊法（理化学研究所）
堀尾 琢哉、小城 吉寛、 藤 貴夫、西澤かる。この構造は、分子振動によるものである。本潔（理化学研究所）

研究では、分解能 0.1％を実現する。図 1 のシミュ
レーションは、安定な水分子を対象としたものだが、実際の時間分解実験では可視・紫外光で励起された分子から放出される、時々刻々と変化する光電子の

図 2 ● 21 eV の真空紫外光で Kr クラスターを光イオン化した際の光電子イメージ 二つの輪は、光イオ
ン化して生成する Kr ＋の二つのスピン軌道状態の分裂が現れたものである

イメージを撮像する。

1．研究実施の背景・目的

電子を真空中に放出させて電子運動を解析する方法
が光電子分光である。

さらに、我々は光電子検出器の開発のみならず、

流体力学的な噴霧によって生成された液滴の分析を

光電子イメージングの対象となる化学種を資料とし赤外分光によって行った。その結果、トレハロース

分子は負の電荷を持つ電子と正の電荷を持つ原子

FEL は非常に輝度の高い短波長光源であり、そのて真空中に導入する方法論の開発も行った。気体になどの糖水溶液においては、直径数十から百ナノメ

核から構成される。電子は原子核より数千倍軽いた

光パルスの時間幅も 1 兆分の 1 秒以下である。した関しては、超音速分子線、液体に関しては、液滴噴

ートル程度のアモルファス固体が生成できることがめ、分子内で高速に運動して原子核に力を及ぼし、がって、分子（例えば生体分子）から瞬間的に電子霧法と液体層流法の二つを開発した。

確認された。また、層流に関しては、Spring-8 の分子構造（原子核の位置）を変化させる。電子の運を放出させる目的で非常に有効である。可視・紫外

動状態変化が化学反応の起源である。その変化をリレーザーと FEL を組み合わせ、光化学反応を可視あアルタイムに捉えれば、化学反応機構が解明できる。

るいは紫外域のレーザー光によって起こさせ、FEL

化学反応機構を電子運動レベルで詳細に解明す

NH 2 のプロトン化による内殻電子のエネルギーシフ

アインシュタインは、物質に光を照射した際に、電で追跡する時間分解光電子分光によって、光化学反る。現在、実験室レベルで行われている最先端の時トなどを明瞭に観測することに成功した。これらは、子が特定の運動エネルギーで放出される現象（光電応機構を明らかにすることができる。真空中に孤立間分解分光においても、レーザー波長が長いことか

XFEL による液体の研究に道を拓くものである。

効果）を発見した。光電効果を利用して、分子内のした分子を光イオン化すると、3 次元空間のあらゆら励起電子軌道からの電子放出しか実現されていな

る方向に電子が放出される。これら放い。FEL を用いれば、化学反応が起こる際に、分子出電子の 3 次元分布を 2 次元画像として内の複数の軌道でどのような変化が同時に起こって電子状態や分子構造の変化を伴う化学反応をリア観測するのが光電子イメージングであいるかを追跡することができる。このような実験は

ルタイムに捉える最先端の研究は、その結果の明快る。

世界的にも前例がない。

さにおいて、理科を学ぶ子供達にすら明快な、分子2．研究内容4．平成 20 年度の研究概要

3．期待される成果

BL17 において軟 X 線を照射し、液体層流から発生する光電子スペクトルを観測すると共に、アミノ基

5．成果の社会還元や化学反応の正確な概念を提供する。例えば、FEL
光電子イメージングによって観測される、美しい電

図 1 ●水分子をエネルギー 21 eV の真空紫外光でイオン化した
場合のシミュレーション 光電子イメージの一部（全画面の 1/4）を、実験装置の分解能 5,1,0.5%の場合について示した。5 %と0.5%の場合について、これらの画像から抽出される光電子エネ
ルギー分布をスペクトルとして下に示した。5%の分解能では水の 3 つの電子軌道から電子が放出された場合の分布が分かれてみるだけだが、0.5%では分子振動による構造が明確に分離される

30

FEL 光源は、光パルス 1 個当たりの光

平成 18、19 年度前半に精査した超解像処理のア

子分布の輪は、分子内に束縛された電子が離散的な子数が大きいが、パルスの数は 1 秒間にルゴリズムに基づき、平成 19 年度に開発したリア

エネルギーを持つ量子力学の原理を直接反映したも60 個と少ない（通常のレーザーに比べる

ルタイム演算回路（FPGA ）を試験し、イメージングのであり、それが高速に変化する様子は分子構造変と 1-2 桁低い周波数である）。我々は、分解能として 0.1％が達成されていることを確認し化を明らかに示すものである。真空紫外光や軟 X 線

FEL の能力を最大限引き出すためにも、た。さらに、実験室において 21 eV の真空紫外光を領域の光は、光電効果によって分子内の電子を瞬間

パルス一個毎に得られる信号（電子）を照射した実験を行い、散乱光による真空チャンバー

的に放出させるという目的においては最も有効であもれなく観測するイメージング装置をからの雑音を逓減して、光電子イメージを得ること

り、現時点では FEL が他の光源を遙かに凌ぐ出力を開発した。特に今回努力したのは、イに成功した。図 2 に Kr クラスターをイオン化して誇る。したがって、FEL を用いた時間分解光電子イメージング分解能がデジタル CCD カメ

得られた光電子イメージを示す。この装置を第 2 期

メージングは、FEL が計画された性能を発揮する限ラのピクセル数で制約される困難を克に、FEL 試験用加速器（SCSS）において、時間分解

り、極めて有望である。また、欧州や米国も FEL 建

服する超解像処理を採用し、イメージ

光電子イメージング実験に利用する。

設に鎬を削っている状況であるが、時間分解分光は、ング分解能を極限まで高めた点である。

検出器の開発と並行して進められてきた液滴なら超解像処理は、種々のアルゴリズムかびに液体層流を用いた試料導入法の開発研究では、我が国が優位性や独創性を発揮できる可能性の高い分野である。

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第
3
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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

フェムト秒精度でのタイミング信号伝達・計測技術開発
研究代表者
共同研究者

玉作 賢治（理化学研究所）
大竹 雄次（理化学研究所）
武者 満（電気通信大学）
今井 一宏（株式会社 光コム）

1．研究実施の背景・目的

5. 成果の社会還元

前年度までに開発した各構成装置を組み合わせ

フェムト秒精度タイミング伝達・計測装置は、現て、X 線自由電子レーザーのプロトタイプ加速器に在提案されている様々な研究テーマ−外部レーザてフェムト秒精度信号伝達装置を構築し、実環境でーポンプ−X 線レーザープローブ計測、フェムト秒の性能評価を行っている。特に真空紫外自由電子レ

領域磁気スィッチング計測、熱プロセス下での高時

ーザー光と伝送した信号とのタイミングを測定し、間分解能その場観察、時分割光電子分光測定−で測定限界（2 ピコ秒）以下の精度が出ていることを確の活用が期待される。これによって本研究成果は、認した。

例えば国民生活に役立つ機能性材料の開発を促進す

またプロトタイプ加速器にフェムト秒精度タイミ

るなど、間接的に社会に貢献できると期待される。

ング測定装置を設置して、フェムト秒赤外レーザーのタイミング測定の試験を行っている。

になってしまう。これは温度変化や振動により光ファイバーの長さが変化してしまうためである。そこ建設中の X 線自由電子レーザー施設では、現在のでその変化量を監視して、常に逆の変化を与えるこ1000 分の 1 となる 100 フェムト秒（1 フェムト秒＝ 1とによって全長を一定に保つようにする。こうして千兆分の 1 秒）以下の時間幅を持つ高輝度 X 線が利タイミング信号は、フェムト秒の精度を持って用可能となる。つまりこれまでの 1000 倍も高速な

800 m 離れた利用者に届けられる。

現象を捉えることが可能となる。現在すでにこの特フェムト秒精度タイミング測定装置は、X 線自由性を活用した様々な新奇利用研究が提案されてい電子レーザーとフェムト秒赤外レーザーとの照射タる。一例を挙げると、X 線レーザーに同期させた別イミングを非破壊で測定する。まず 2 つが常に時間のフェムト秒赤外レーザーによって物質を刺激し、的に重なる程度に赤外レーザーのパルス幅を広げ

その後の状態変化をフェムト秒の時間領域で解明する。ここに X 線レーザーの元となる電子ビームの時るなどである。

間的な位置の しるし を付ける。この しるし は

これらの研究の実現のためには、当然ながらフェ素早く刻印する必要があるので、電気光学効果によ

ムト秒の精度でタイミングを制御・計測することがる偏光面の回転を利用する。フェムト秒の時間を直必須となる。そのための共通基盤技術として（1）X接測定することは出来ないので、時間的な位置情報

線レーザーがやってくるタイミングを正確に知らせを空間情報に変換して、外部赤外レーザーパルスとる「フェムト秒精度信号伝達」技術を開発する。し電子ビームの間の相対的な時間差を求める。こうしかし実際には同期させるべき赤外レーザー自身が十て決定された 2 つのレーザーのタイミングは数値化

分な時間精度持っていない。そこで（2）X 線レーザ

されて利用者に提供される。

ーと外部赤外レーザーとの照射タイミングを正確に4．平成 20 年度の研究概要

3．期待される成果決定する「フェムト秒精度タイミング測定」技術も同時に開発する。

2．研究内容本研究開発により、外的要因によるタイミング信号の時間的変動が完全に抑えられる。この結果、長期間に渡って信頼性の高いタイミング信号を利用出

フェムト秒精度信号伝達装置は、全長 800 m に及来るようになる。また外部赤外レーザー自身の持つぶ光によるタイミング信号伝達システムである。こ時間揺らぎは、タイミング測定系によりその量を随の中でタイミング信号（加速器の基準信号）は光に時モニターしデータ処理時に補正することが可能と変換されて利用者まで光ファイバーによって伝送さなる。これらによって X 線自由電子レーザーの持つれる。ところが何もしないと光信号の到着時刻がフェムト秒領域の超短パルス性を最大限に利用出来

時々刻々変化して、伝送されたタイミングは不正確るようになる。

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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

XFEL 光による分子・クラスターの構造とダイナミクス

計測のための研究基盤が整備され、極短波長領域強装置を導入する。

光子場における原子・分子・クラスターのダイナミ

これらの研究プロジェクトについては、いずれも、

クスや、分子やクラスターの幾何学的構造の超高速

山内グループ、柳下グループ、神成グループ、山川

過程が解明されると期待される。

グループ、緑川グループ、中野グループが緊密な連携体制の下に推進しているものである。

4．平成 20 年度の研究概要

5．成果の社会還元
本プロジェクトでは、プロトタイプ XFEL 機によ

研究代表者
共同研究者

山内 薫（東京大学）
柳下 明（高エネルギー加速器研究機構）
山川 考一（日本原子力研究開発機構）
中野 秀俊（NTT 物性科学基礎研究所）

神成 文彦（慶應義塾大学）
緑川 克美（理化学研究所）

る高強度の軟 X 線 FEL 光を用いた分子のイオン化実

欧州では、XFEL のプロジェクトが盛んに進めら

験を行い、軟 X 線領域の強光子場による分子の非線れており、FLASH では、超短パルスレーザーによ形光学過程を観測することに初めて成功し、2008

るシード化を目指して、加速器科学分野の研究者・[1]

年 4 月に Appl. Phys. Lett. 誌に発表した 。その成果

技術者がレーザー科学分野の研究者・技術者と協力

は、播磨における XFEL 光の利用研究としての初め体制のもと、フロンティア研究に向かって努力を積ての学術的成果として、Journal of Synchrotron

み重ねている。残念ながら、シード化については、[2]。
Radiation 誌（2008 年 9 月号）にも紹介された （図 1）

日本の研究チームは後手に回る可能性が極めて大き

軟 X 線領域における強光子場下での分子およびクラ

現在、軟エックス線領域のコヒーレント高次高調

くなってきた。今こそ、加速器科学とレーザー科学

スターの光応答ダイナミクスをイオンおよび電子計

波による XFEL 光のシード化の実現を目指し、そのの分野の研究者がより積極的に連携し、研究基盤を測によって追跡する。

ための第一歩として、高輝度フェムト秒レーザーとさらに充実させること、そして、播磨の XFEL 施設とを活用し、以下の目標を目指し、日本の持つ先端【目標 3】硬 X 線領域の XFEL 光とレーザー光源とのFEL 光との同期システムの構築を、理研播磨研の協を最大限活用し、知のフロンティアを開拓すること

光科学・技術を基盤として、先端基礎学術分野におポンプポローブ計測により、X 線回折像の変化から、力の下で進めている。図 2 のシステムを構築し、レが必要である。これこそ社会への還元である。

いて世界をリードすることを目指している。

分子およびクラスターの幾何学的構造の変化を実時ーザー発振器（79.3 MHz ）と XFEL のマスター発振【目標 1】XFEL 光と超短パルスレーザー光源との精間計測する。

器（238 MHz ）を同期させ、タイミングジッターを密な同期技術を確立し、軟エックス線領域のコヒー【目標 4】近赤外域から真空紫外領域の広い波長域

2 ps にまで減少させた。すでに、反応追跡のためのレント高次高調波によって XFEL 光のシード化の実において、デザインされた先端レーザー光源を開発

ポンプ・プローブ実験に使える状況にあるが、より

light ： T. Sato, T. Okino, K. Yamanouchi, A. Yagishita, F.

現を目指す。

し、分子制御及び反応制御を行い、その過程を高強高精度の実時間計測やシード化のためには、ジッタ

Kannari, K. Yamakawa, K. Midorikawa, H. Nakano, M.

【目標 2】シード化された軟エックス線 FEL 光とレ

度極端紫外〜軟 X 線 FEL 光源によるイオン化、またーを更に減少させることが必要である。そのため、ーザー光源との時間分解測定によって、は、硬 X 線による回折測定によって追跡する。

実験室環境の整備およびレーザー光源の安定化に向1．研究実施の背景・目的
理化学研究所が開発する XFEL が高輝度であるこ

2．研究内容けた改善を進めている。
また、同期実験に用いる超短パルスレーザーシス

文献：
[1]

Dissociative two-photon ionization of N 2 in XUV by intense
self-amplified spontaneous emission free electron laser

Yabashi, M. Nagasono, T. Ishikawa,Appl. Phys. Lett . 92,

154103（2008）.
[2]

Two-photon and three-photon ionization process of N

2byusing intense XUV light ：T. Sato, T. Okino, K. Yamanouchi,
A. Yagishita, F. Kannari, K. Yamakawa, K. Midorikawa, H.
Nakano, M. Yabashi, M. Nagasono, T. Ishikawa,

XFEL 光と超短パルスレーザー光との同期技術をテムについては、波形整形や超広帯域 OPA などの

Synchrotron Radiation

確立し、プロトタイプ XFEL 機（軟 X 線 FEL ）を、

先端レーザー光源技術を導入する他、分子ダイナミ（September, 2008 ）.

コヒーレント高次高調波によってシード化するといクスの解明に向けた光電子・イオン運動量画像計測

Journal of15, Part 5, facility information pages

う基盤技術開発を行う。さらに、そのシード光源を用いて、軟 X 線領域の強光子場と分子およびクラス
ターの相互作用の解明を行う。そして、ポンプ・プ
ローブ計測により、実時間でのダイナミクス計測を行うとともに、超短パルスレーザー光をデザインし、ダイナミクスの制御を行う。また、実機 XFEL 光と超短パルスレーザー光との同期実験によって、X 線
回折の実時間計測を行い、分子やクラスターの幾何学的構造の変化を実時間で追跡する。

3．期待される成果
図 1 ●プロトタイプ XFEL 機を用いて得られた初め[1,2]ての応用研究の成果

34

時間コヒーレンスを持つ極短波長領域高輝度光源の開発によって、XFEL とレーザー光による実時間

図 2 ● XFEL‐超短パルスレーザー周波数同期システム

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コンパクト X 線レーザー

高さ（マイクロメートル）

第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

合わせることで、大型であるにもかかわらずスペックルフリーの集光ミラーの開発を行う。① ELectrolytic In-process Dressing （ELID ）K ・ B ミラー光学系による
XFEL ナノ集光システムの開発

研削：理化学研究所にて大森らが担当。基板
インゴットから形状精度 10 nm レベルまで加工、② Elastic Emission Machining （EEM ）
：大

第
3
部
40
30
20
10
0

0

100

型スティッチング法（RADSI ）：大阪大学にて

山内 和人（大阪大学）
大森 整（理化学研究所）
三村 秀和（大阪大学）

山内らが担当。1 × 10

−7

rad の精度で形状計測。
また、集光された XFEL を長時間安定して利用するためには、大型集光ミラーの入射角を常に最適値で維持することができる新しい1．研究実施の背景・目的

K・B ミラー光学システムの実現を目指している。

入射角制御技術が必要である。そのために集光ミラー自体に入射角の変化に対応して干渉

2．研究内容縞が変化するフレネルミラーを組み込んだ複そのままでも超高輝度である X 線自由電子レーザ

設計プロファイルとの差（ナノメートル）

研究代表者
共同研究者

200
300
位置（ミリメートル）

400

10
0
−10
0

100

（b）設計プロファイルとの差合集光ミラーの開発も同時に行う。

超高輝度 X 線に対して、ミラーの損傷を避けるたができれば、これまで誰も手にしたことがないようめに、ミラーによる X 線の吸収をできうる限り小さな極めて高いフォトン密度の X 線を得ることができくする必要がある。そのために本研究ではミラーのるようになる。XFEL を用いるすべての研究で分解材質として吸収の少ない軽元素（シリコンなど）を

XFEL の集光技術は極微弱シグナルを扱う

能、感度を飛躍的に向上させることが可能となる。

採用している。その反面、大きな入射角では X 線を研究に必要不可欠な技術である。例えば、一現在、様々な光学素子によって、放射光を 100 nm

反射させることができず、集光径を現状の放射光用

つのタンパク質だけからその構造を決定する

0.6

以下まで集光することが実現できている。しかし、ミラーと同等レベルで維持するためにはミラー長をことが可能な一分子構造解析では 、1 タンパ

0.4

SPring-8 に比べピーク輝度が 10 の 8 乗倍とされてい長くすることが必要である。

ク質からの微弱散乱 X 線を検出する必要があ

3．期待される成果

1.2
1

る XFEL では、集光素子が XFEL を吸収することで本研究では超高精度な 400 mm 長尺集光ミラーとるが、XFEL を用いたとしても X 線強度が十瞬間的な蒸発が起こり、集光素子の損傷は避けられ

200 mm 長尺集光ミラーを作製することで、XFEL を

分ではない。本研究の K・B 光学システムをない。このため、透過型の集光素子ではなく、全反50 nm レベルまで集光可能な集光システムの開発を用いることで、一分子構造解析が実現可能で射ミラーを用いた K・B（Kirkpatrick Baez ）光学系が目指している。これまで世界中で開発されてきたサあり、これによって膜タンパク質などこれまXFEL 集光のために唯一の方法であると考えられ

ブ 100 nm 集光が可能な K・B 光学系の集光ミラーでで構造を決定することができていなかった重る。本研究では XFEL を 50 nm レベルで集光可能なは、そのミラー長さは最大でも大阪大学で作製され要なタンパク質の構造を決定することがで光学系では、長さ 400 mm

400

図 2 ●作製した鏡の形状と形状誤差プロファイル ELID 研
削法と EEM 加工法の連携により作製された大型集光ミラ
ーの形状プロファイルと形状誤差。原子レベルの世界最高の精度で表面を完成させているー（XFEL ）をさらに 100 nm 以下まで集光することた 100 mm 程度である。本300（a）形状プロファイル

阪大学にて山内らが担当。ELID 研削後の表
面を 1 nm レベルで形状修正、③傾斜角決定200
位置（ミリメートル）き、医学、創薬研究に大いに貢献できる。

計測
理想プロファイル

0.8
75 nm

0.2
0
−200

−100

0
100
位置（ナノメートル）200

図 3 ●作製した集光鏡により集められた X 線の強度プロフ
ァイル（X 線の波長 0.8 オングストローム） 青が理論的に予測される強度プロファイル、○が計測結果。理想的な集光が実現されていることがわかる

4．平成 20 年度の研究概要

5．成果の社会還元4 nm（P-V）以下の形状精度

本年度は真空対応 K ・ B 光学システムの開発を進XFEL の応用研究では医学、生物、材料などのすが必要であり、このようなめ、11 月にシステムの動作確認と真空中でのナノべての分野において革新的な研究成果が期待されて大面積かつ高精度なミラー

ビーム成形を SPring-8 の BL29XUL で確認した。まいる。X 線集光技術はこれら応用研究を縁の下からを作製するためには、新たた、長時間の姿勢安定化のために開発を進めている

支えるものであり、すべての研究分野への波及効果

な加工、計測技術を確立す

フレネルミラーによる入射角安定化技術のための最が大きい。また、XFEL 用ミラー作製のために研究る必要がある。

初の実験を行った。本システムによって明瞭な干渉される超精密加工・計測技術は、高精度加工が要求

XFEL を集光可能な大型縞を得ることができ、入射ビームを基準にミラーのされるすべての工業分野に応用可能である。

集光ミラー作製のために、姿勢を必要精度でモニターすることに成功した。

のミラー全面にわたって

図 1 ● K ・ B ミラー光学系による XFEL 集光の概念図（a）形状プロファイル36

以下に挙げる超精密加工技
術と超精密計測技術を組み

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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

料交換装置
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本装置はビームライン

コヒーレント散乱による材料科学現象可視化
基盤技術の研究開発 ― XFEL シングルパルスに直結して使用するため、

X 線回折顕微鏡法実現のための基盤技術開発―

ャンバーを介して試料交

研究代表者
共同研究者

試料交換が超高真空仕様に対応する必要がある。
そのためロードロックチ換を行えるように設計し製作した。

松原 英一郎（京都大学）
西野 吉則（理化学研究所播磨研究所）
香村 芳樹（理化学研究所播磨研究所）
高橋 幸生（大阪大学）（3）加熱試料ホルダー
試料加熱（最大約500 °C）のためのヒーターと、試料に電場を加えるための電極を組み込めるように価技術の弱点を補完できる新しい評価技術である。

設計した試料ホルダーを本研究では、この X 線回折顕微鏡法を高コヒーレン

作製している。

コーレント散乱イメージング法（X 線回折顕微鏡

トで高強度なパルス性の X 線自由電子レーザーと組

2． コヒーレント散乱イ法）は、X 線の透過能とコヒーレント回折の高い干

み合わせ、X 線自由電子レーザーの単一パルスでコ

メージング用新しい渉性を利用して、ミクロンメートルスケール（100ヒーレント散乱イメージングを観察できる技術の確解析法の開発万分の 1 メートル）の大きさの物質内部を、10 ナノ立を目指している。

1．研究実施の背景・目的

メートルオーダー（1 億分の 1 メートル）の分解能でコヒーレント散乱から物質の透過像を再構築する

2．研究内容見ることができる新しい物質評価法である。この方法は、図 1 に示すように、既存の電子線を使った透図 2 ●プロトタイプ真空紫外自由電子レーザー（VUV FEL）シングルパルスコ
ヒーレント散乱イメージング実験用透過・反射型コヒーレント散乱試作装置

1．シングルショットコヒーレント散乱イメージン

3．期待される成果

ためには、オーバーサンプリングデータを使った反X 線自由電子レーザーを使った X 線回折法は、1

復位相回復法が用いられる。この方法の高速化など

ミクロンメーター程度の大きさの物質内部を、シャの取り組みに加えて、新しい解析方法の研究も行っ

ッター速度 100 フェムト秒以下で、10 ナノメートル

過電子顕微鏡法などでは観察が困難なより厚い試料

グ測定装置の試作ている。

の分解能の X 線写真を連写する物質評価技術であに適用できる他、他の手法では観察できないひずみX 線自由電子レーザーのシングルパルスを使った（1）タイコグラフ法を使った解析法の確立る。このような透過顕微鏡カメラ技術の開発は、生の分布を観察できる可能性があるなど、既存材料評

コヒーレント散乱測定技術を確立するために、プ

X 線回折顕微鏡の現状での問題の 1 つは、測定対体や有機・無機物質の内部で進行する組織の時間変

ロトタイプ真空紫外自由電子

象となる試料サイズが 1 ミクロンメートル以下でな化を連続撮影し、可視化する技術として期待される。

レーザー（VUV FEL ）を用いければならい点である。しかしこの試料サイズや形もしこのような X 線写真が撮れるようになれば、生てシングルパルスコヒーレン状に対する制約は、測定対象を広げていく上での障体や物質の内部で起こっている組織現象の理解が飛ト散乱イメージング実験を行害となっている。そこで、試料の大きさや形状にと躍的に進展すると考えられる。これに加えて本技術

うための装置の試作を行ってらわれない測定方法と解析方法を開発するために、の重要な特徴は、回折現象を利用しているため、物いる。

タイコグラフ法（J.M. Rodenburg et al., PRL, 98,

質内部の組織変化に伴う微量なひずみの変化の大き（1）透過・反射両方コヒーレ

034801（2007））を使った解析方法の開発に現在取りさやその広がりを直接撮影することができる可能性組んでいる。

がある点である。このようなマクロな物質中のひず試料からの透過コヒーレン（2）限られたコヒーレント散乱情報から試料の高分

みの広がりを直接観察する方法は、他にはないと考ト散乱測定と、反射コヒーレ

解能像を結像させるための新しい位相回復法えられる。したがって、X 線自由電子レーザーコヒ

ント散乱測定の両方を行える「超解像法」の開発

ーレント散乱測定技術、すなわち高分解能、高速 X

カメラの試作を行っている。

入射強度の問題から十分な統計精度が得られず高線カメラ技術の開発によって、すべてのマクロな物

この装置の特徴は、図 2 に示

分解能の結像が得られない場合、MEM などの方法

質中のナノ組織変化やそれに伴う局所ひずみ変化にすようにチャンバー全体を入を使って、測定強度プロファイルを補完し、解析す伴う物理・化学現象の理解を飛躍的に進展させるこ

射 X 線に対して最大 30° までるプログラムの開発に取り組んでいる。

とができる基盤技術となると期待される。

ント散乱カメラの試作傾けることができるように設
図 1 ● X 線回折顕微鏡技術と他の物質評価技術の比較（Y.Takahashi et al.,Appl. Phys. Lett. 184105（2007））

38

計されている。
（2）超高真空に対応できる試39

第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

コンパクト X 線レーザー

第
3
部

5

ルス幅内に 10 もの振動が残っている。すなわち光としては原理面には短くなる余地を多大に残しており、単純な可飽和吸収現象を使っただけでも 1/10 程高エネルギー密度物性を利用した
X 線光学研究

度のパルス幅が得られることが予測されている。このように、この計画では内殻のあいた固体、いわゆるホロー原子固体を利用して、能動素子を開発していくことを目的としており、世界でも類を見ない独創的なアイデアを実証しようとしている。

研究代表者
共同研究者

2．研究内容米田 仁紀（電気通信大学 レーザー新世代研究センター）
近藤 公伯（JAEA）
兒玉 了祐（大阪大学）
湯上 登（宇都宮大学）
北村 光（京都大学）

1．研究実施の背景・目的

本研究では、以下の 3 つのサブテーマを設定し理

図 2 ● Li 9 クラスタでのイオン化にともなうポテン
シャルエネルギーの変化 3 価のイオン化になっているにも関わらず、結合型のポテンシャルエネルギ
ー形状になっている論、実験の双方からホロー原子固体の理解をしよう

爆発が起きることが予測されている。この研究では、
この緩和前の固体が内殻励起され、なおかつ固体と高強度、超短パルス X 線のレーザーを固体物質にしての中距離秩序を保っている状態を利用して、ブ照射すると、従来までの紫外〜可視〜赤外のレーザ

ラッグピークなどを利用した新しい X 線光学を行う

ーの様に最外殻電子が励起されるのではなく、内殻ものである。

としている。

が図 1 のようになった。明らかな非線形性を示して

1）高強度 X 線内殻イオン化固体状態でのエネルギ

おり、この波長領域で固体のバンド構造を活かした

ー緩和過程の研究

初めての可飽和吸収実験が行うことになったと考え

2）内殻イオン化されたホロー原子固体を利用した
新しい光学素子の開発ている。
理論的な試行としては、もっとも低元素でモデル

3）内殻イオン化電離面の進行状態の予測および軸
上進行波励起利得レーザーの最適化

化、実験への制約が少ない Li 固体を使ったクラス
タ状態の計算が行えるようになってきた。図 2 は正励起が主に引き起こされる。X 線自由電子レーザー

鍵となるのは、その遷移状態の物性を理論的の予では、これまでのレーザーと違い、媒質の共鳴準位測可能にし、特に、K 殻のエッジによくチューニンを使わないため、本質的に波長可変であり、人類は、グされた X 線を使うことで励起された電子の緩和、この研究プロジェクトでは、新しい物質状態の科を変化させた場合の最近接原子間距離を関数とした

初めて内殻の強い共鳴エネルギー準位を励起でき余剰な加熱過程を制御し、さらに、伝動帯を保った学という学術的な成果を得るだけでなく、さらにポテンシャルエネルギーである。よく知られている

る。keV のエネルギーを持つ光子では、2 つある原状態で内殻からイオン化された電子をその中に置く

XFEL への応用として、新しい X 線光学を生み出そようにアルカリ金属では dimer などの分子が構成で子核に最も近い最内殻の 1s 軌道の電子をイオン化ことで、電荷中性を見掛け上崩さない、もしくは励

うとしている。この新しい素子が機能すれば、きるが、Li 原子が 9 個程度のクラスタになると 3 価させることが可能であり、その空孔は原子内に大き起子分子のような構造をとらせることで、一般に言100 fs 台の XFEL を 10 fs へ減少させたり、遷移過程のイオン化が起きている状態でもポテンシャルエネ

なエネルギー準位の再編成を行わせることになる。

われているクーロン爆発を低減させる方法をとるこを使ってパルス幅の測定などにも寄与できる。固体

ルギーは結合状態を示し、クラスタを保っているこ

一般に、このような内殻励起が起きると、Auger 電とである。

内に X 線の伝搬路をつけるという意味では、モードとがわかってきている。このよう伝動帯を維持した

クリーナーとしての働きも考えられている。

固体でのクーロン爆発制御が可能な一例として、本子、特性 X 線などの緩和過程が起き、さらに、固体

このような遷移過程が起きれば、前述したように密度では、イオン化による非中性化によりクーロン

大きくエネルギー準位が変化することで、K 殻エッ

方格子上に Li 原子を 8 個配置し、その重心位置の中3．期待される成果

心に Li 原子を入れた Li 9 クラスタでのイオン化状態研究の重要な指針を与える結果となっている。

4．平成 20 年度の研究概要

ジでさえシフトをさせることが可能になり、X 線領域でもっとも大きな屈折率

本研究は、XFEL での実験において必要な超短パとが可能になる。これらを利用して、その応用とし

ルス広帯域プローブ光源の開発と、XFEL 照射時のこの研究では、比較的簡単に XFEL の短パルス化ては、X 線の吸収を時間的に制御させ、可飽和吸収

物質状態を記述する物理モデル構築、さらにその定が行えるため、他分野の動的構造変化観測などに大を用いたパルスの短縮から束縛―自由遷移を用いた量性を検証するための深紫外レーザーや VUV レー

きく寄与することができる。さらに、この研究で開利得発生、原子一つ一つに吸収、利得を割り振る新ザーを用いた相互作用実験からなる。今年度は、特発される物理モデルは、天文現象における高輻射下しいフォトニクスなどが考えられる。特に、現在計に SCSS 試験器を用いた EUV レーザーの相互作用実での物質状態と共通の物理が有るので、高温高密度画されている X 線自由電子レーザーは、エネルギー

験を開始した。実験では 51 nm の VUV 領域の光を天体の物理研究に対し、実験により裏打ちされたモ使い、Sn の N 殻の NV エッジ直上を照射する実験を

デルを部分的に提供することができる。また、この−4広がりが少なく（10 ）、数 keV 光子エネルギーを持

図 1 ● EUV-FEL での Sn の N 殻エッジを利用した可飽和吸収特性の測定

40

5．成果の社会還元

変化を起こさせるこ

2

ち、100 fs 以下の高輝度光源であり、従来のインコ行った。Sn の最外殻は O 殻（5s 5p2）であり、1 つ内ような高エネルギー密度状態は、高いフラックスのヒーレント X 線と比較すれば格段の差があるが、理殻にある電子を励起したことになる。照射スポット

光子、粒子ビームを制御することが可能だ。これら

想的なレーザー光源としては、まだ多くの高精度化

径は 8x20 µm 程度であり、エネルギー、パルス幅をは、現在のレーザーや高出力粒子ビーム等の桁違いできる可能性を有している。keV の X 線では、その振動周期は 1 as（10−18s）を切っており、100 fs のパ

13

2

1 µJ が 100 fs と仮定すると 10 W/cm 程度になってのダウンサイジングができる素子を構成する素材をいる。これによる透過率の照射依存性を表したもの

提供することにもつながると思われる。

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計測により、次世代スピントロニクス
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デバイスの開発に不可欠な、微小磁性

極小デバイス磁化挙動解析のための
回折スペックル計測技術の開発

体の磁化ベクトル分布の静的・動的磁化挙動解析を可能にするための技術開発を行う。具体的には、磁場、温度、
デバイス駆動電流などの外場条件を変化させたそれぞれの場合について、金属磁性多層膜中の所望の層からの回折

研究代表者
共同研究者

線に現れるスペックル回折パターンか

角田 匡清（東北大学）
中村 哲也（高輝度光科学研究センター）
鈴木 基寛（高輝度光科学研究センター）
淡路 直樹（富士通）

ら磁化ベクトル分布を導出する。本目的を達成するため、スペックル現象を高精度に計測するための装置の試作と、得られた回折スペックルパターンの解析手法の確立を行う。

1．研究実施の背景・目的（スピン注入書き込み型磁気メモリー、マイクロ波

3．期待される成果

自励素子など）の開発も進められている。スピント電子が持つ二つの性質（スピンと電荷）の相互作

ロニクスが対象とするのは、100 nm 以下の極小サ

本推進研究によって、特定の磁性層内の磁化分布

膜試料からの回折電荷スペックルの観測実験を行っ用を制御することで、新しいデバイス機能が生まれ

イズの磁性多層薄膜素子である。このため、複雑な解析が可能になると、スピントランスファートルク

た。最終目標の「微小試料」と「磁気効果検出」を同る。この新しい機能をスピントロニクスと呼び、す積層構造内に存在する特定の磁性層の磁化過程を直を始めとする新たな物理現象の理解が進み、次世代時に達成することは XFEL を用いてはじめて可能にでにハードディスク装置（HDD）の再生ヘッドや磁接的に観測する手法を確立することが、次世代デバ

スピントロニクスデバイスの特性向上のための、材なると予測しており、放射光を用いる本準備研究で気ランダムアクセスメモリー（MRAM ）として応用

イスの研究開発に不可欠となっている。

料・プロセス指針を明確にすることができる。透過は「微小試料」と「磁気効果検出」を独立させた技術

電子顕微鏡などによる従来の破壊的評価方法に比較

開発を段階をおって進めている。

して、この解析手法を用いれば、試料の非破壊計測③ 回折・散乱シミュレーション技術の開発されている。また、伝導電子と局在磁気モーメント2．研究内容間でのスピン角運動量の保存（スピントランスファートルク）など、従来の磁性材料では観測されなか本推進研究では、X 線自由電子レーザーのコヒーった物理現象を積極的に利用した新しいデバイス

レント性を利用した回折スペックル中の磁気的信号が可能となるため、電流通電など駆動状態ではじめて生じる現象が観察可能となる。

4．平成 20 年度の研究概要

スペックルならびにホログラフィーパターンの位
相回復計算技術の開発を行い、実測データの解析に適用した。実際に「FEL 」文字列孔試料からの軟 X 線干渉実験で取得したスペックルデータを再構成し、① 回折スペックル計測チャンバーの試作
平成 19 年度までに実機開発した真空対応多軸回実空間での文字列イメージを得ることに成功した。
④ 高品質スピントロニクス薄膜デバイスに関する

折計システムの高度化を目指し、（1）CCD 検出器ア研究ーム駆動の高精度・高信頼化、（2）高分解能 X 線冷

高効率のスピントルクトランスファー効果を有す

却 CCD シ ス テ ム の 開 発 ・ 評 価 を 実 施 し て い る 。

る薄膜デバイスの材料開発を行った。また、リソグ

CCD 検出器アームの従来の駆動方式を維持したまラフィー＋イオンミリング法ならびに FIB 法による

ま、回転動作の安定化と角度読み取り精度を向上さ

薄膜試料の微細加工法を開発し、回折電荷スペックせた。また、現状で既製品として存在しない、真空ル計測ならびに透過磁気スペックル計測に用いる薄内にシンチレーターを設置するタイプの新しい高分

膜試料を作製した。

解能（〜 2 µm）X 線冷却 CCD システムの検討と部材

5．成果の社会還元評価を行っている。
② 回折・散乱スペックルの計測

42

通常の磁気計測手法では見ることのできない、

平成 19 年度に達成したバルク試料（NiO 単結晶）

100 nm 程度の極めて小さな薄膜デバイス中の磁化からの回折電荷スペックルの測定に引き続き、平成ベクトルの反転過程や歳差運動過程を可視化する技

20 年度は、バルク試料（Gd 鉄ガーネット単結晶薄術を開発することで、次世代 HDD や超大容量膜）からの回折磁気スペックルの観測、ならびに一MRAM などの磁気ストレージデバイスの開発に寄辺 5 〜 10 µm 程度の大きさにパターンニングした薄

与する。

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生体単粒子解析用クライオ試料
固定照射装置の開発
研究代表者
共同研究者

中迫 雅由（慶應義塾大学）
難波 啓一（大阪大学）
山本 雅貴（理化学研究所）
西野 吉則（理化学研究所）

白濱 圭也（慶應義塾大学）
前島 一博（理化学研究所）

1．研究実施の背景・目的
生物体は、10ミクロン程度の細胞によって構成され、細胞が個体生命を維持する働きを担っている。
個々の細胞には、ミトコンドリアのようなミクロン

生体試料の高干渉性 X 線イメージング実験や、実機測定を想定したシミュレーションを実施し、XFEL
完成後、速やかに実験・解析が可能なように準備を整えているところである。

3．期待される成果

サイズの内部構造体が存在し、その中では、細胞活
図 1 ●クライオ試料固定照射装置の完成予想図（左）と性能評価中の構成機器（右）動の素過程を担う蛋白質などの生体分子が集積さ生命誕生以来、生物細胞は、高度なナノマシンのれ、高度な連携を保っている。近年、発光タンパク集積体をその中に創造してきた。生物細胞には、ま質標識などの利用で、特定タンパク質の細胞内動態

だまだ人類が踏み込めていない未知の領域が多数存きるであろう。生物体の中にいまだ隠された構造のの光学顕微鏡観察が可能に、また、放射光 X 線など

在し、細胞内構造体などはその典型例である。製作

詳細を明らかにすることは、基礎科学の進展のみなを用いて、結晶化されたタンパク質分子の姿を高解中の照射装置を用いれば、原理的に結晶化が不可能

らず、社会還元を可能とする新たなナノテクノロジ

像度で可視化できるようになってきた。しかし、細な細胞内構造体の観察が可能となるであろう。高いー創生につながるものと期待される。

胞生命活動は、多数の生体分子が集合体を構成し、解像度で観察できれば、生命現象の理解をさらに一離合集散することで成り立っており、現状の実験方

歩進めることができる可能性が高い。

法だけでは、その現場をとらえることは難しい。本4．平成 20 年度の研究概要

研究課題では、X 線自由電子レーザー（XFEL ）を用いた細胞、内部構造体や生体分子集合体のイメージ

平成 20 年度は、照射装置の機械要素群と冷却装ングを可能とする 生体単粒子解析用クライオ試料置を製作後、性能評価を行っているところである。

固定照射装置 （図 1）を開発している。

また、ローダーと定盤を設計し、製作中である。実

2．研究内容験・解析の面では、ヒト細胞の染色体について高干渉性 X 線イメージング実験や、実機実験を想定した

本研究課題では、高干渉性 XFEL を用いた細胞、シミュレーションを実施し、実験で得られる干渉性

内部構造体や生体分子集合体のイメージングに向け

X 線散乱パターンから、試料物体の三次元像再構成た装置を設計・製作している。この装置は、試料にする手順を精査しているところである。

XFEL パルスを照射するための機械要素群、低温下5．成果の社会還元

調製試料を機械要素に送り込むローダー、試料を
8 K 前後の低温に保つ液体 He 冷却装置、装置全体を

XFEL と本研究課題で製作中の装置を用いて、細XFEL ビーム位置へ高精度設置可能な定盤などで構胞やその構造体を高い分解能で観察できれば、生物成される。これら装置要素の設計を行い、平成 19

学の視野を大きく広げるだけでなく、将来のナノテ

年度後半から製作を行っているところである。また、クノロジーの模範を細胞中から多数見出すことがで

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FEL 励起反応追跡のための
電子・イオン運動量多重計測

3．期待される成果

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本研究で新たな電子・イオン運動量多重計測装置を開発すると、サイズを選別した金属クラスター・
水素結合クラスター・ナノ粒子、電子スプレー法で気化した DNA ベース・生体分子やその水和クラス
ター等々をターゲットとした FEL コヒーレント励起・イオン化と反応・緩和ダイナミクスの研究が可

研究代表者
共同研究者

能となる。

上田 潔（東北大学）
Georg Pr ümper（東北大学）
斉藤 則生（産業技術総合研究所）

4．平成 20 年度の研究概要
東北大学で開発した電子・イオン運動量多重計測システムと産業技術総合研究所で開発したアナログ
波形信号のデジタイズシステムおよび波形信号の解と検出位置をもとめるために、各々のディレーライ

析ソフトウェアを結合して電子・イオン運動量多重ンからの信号（アナログ波形）をデジタイズしてコ

計測装置を構築した。フェムト秒レーザーを用いて1 個の原子に極短波長超短パルス大出力自由電子

ンピュータに取り込む。コンピュータ上でアナログ装置の動作確認を行った後、極紫外 FEL を用いて予レーザー（FEL ）を照射すると複数の電子が同時に波形信号を解析することによって、個々の荷電粒子

備実験を行い、不感時間が実質的にゼロで、FEL シ

励起・イオン化される。1 個のクラスター粒子にの検出時間と検出位置を算出し、これをもとに個々

ングルショットで生成される 100 個以上のイオンのFEL を照射すると複数の原子が同時に励起・イオの荷電粒子の運動量をもとめる。本手法により、こ運動量を計測できることを実証した。

ン化される。このようなコヒーレント多重励起のれまで不可能とされてきた不感時間がゼロで検出粒本装置を用いた希ガスクラスター（Ar n, Kr n, Xen）

いわゆるクラスターの光イオン化のフラストレーシ

理論的な予測はあっても、これまでは光源がなか子数の制限のない運動量計測が実現できる。さらに、の多重イオン化実験では、解離生成する原子イオン

ョンが起こることが確認された。10 〜 10 W/cm

ったため、ほとんど観測されていない。また、こ本装置を極紫外 FEL を光源とする実験に用いて原（Ar , Kr , Xe ）の運動エネルギーがクラスターサイの FEL パワー密度ではプラズマ過熱の効果は観測さのようにして生成した特異な励起状態の反応と緩子・分子・クラスターのコヒーレント多重励起とそズあるいは FEL パワーの増加とともに増加することれなかった。

和のダイナミクスの研究はほとんど前人未到の領の後の反応・緩和のダイナミクスを研究するとともを見出した（図 2 a）。イオンの運動エネルギーの増域 で あ る 。 FEL に よ っ て 、 わ れ わ れ は 原 子 ・ 分に X 線 FEL を用いた実験に備える。

加は、クラスターサイズあるいは FEL パワーの増加

1．研究実施の背景・目的

＋

＋

＋

＋

図 2 ●（a）Xen（<n> 〜 150）から生成した Xe 運動
Z＋エネルギー分布の FEL パワー依存性；（b）Xe150 の＋クーロン爆発の分子動力学計算により得られる Xe
運動エネルギー分布

加とともに電荷 Z は吸収光子数よりも小さくなり、
11

12

2

5．成果の社会還元

子・クラスターのコヒーレント多重励起とその後とともに、クラスター単粒子がより多くの光子を吸X 線 FEL を用いたナノ単粒子や生体単分子のシンの反応と緩和のダイナミクスを研究するチャンス

収し、より多価の親クラスターイオンとなってクー

グルショットイメージングの実現はマテリアルサイを得ることになる。

ロン爆発することによる。電荷が Z である親クラス

エンスやライフサイエンスの発展に大きく寄与す

Z＋

Z＋

Z＋

本研究開発では、FEL による原子・分子・クラス

ターイオン Ar n , Kr n , Xen から生成する原子イオ

る。本研究は、このようなイメージングデータの解

ターのコヒーレントな励起と続いて起こる反応・緩ンの運動エネルギー分布を古典的な分子動力学計算

析に必要不可欠な情報を供給することにより、マテ

和のダイナミクスを研究するための新たな電子・イによりもとめて実験結果を再現する電荷 Z を見積もリアルサイエンスやライフサイエンスの発展に寄与

オン運動量多重計測装置を開発することを目的とする（図 2 b）と、クラスターサイズ、FEL パワーの増し、成果を社会的に還元しようとするものである。

る。

2．研究内容原子・分子・クラスターに FEL パルスを照射すると多重イオン化により多数の電子とイオンが生じる。本研究開発では FEL のシングルショットで生成する複数の電子とさまざまなイオンのエネルギー分
布と放出方向角度分布、つまり運動量分布をすべて同時に測定できる装置（図 1）を開発する。本装置では、荷電粒子の検出に 3 層ディレーライン型 2 次元検出器を用いる。検出器による荷電粒子の検出時間

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図 1 ●電子・イオン運動量多重計測装置

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超短パルス X 線を用いた超高密度状態と相転移ダイナミクスの研究
研究代表者

中村 一隆（東京工業大学）

1．研究実施の背景・目的

測することが可能となる。しかしながら、衝撃圧縮
状態の圧力保持時間は短く、また破壊的現象である
図 2 ●フェムト秒時間分解 X 線回折により測定した CdTe のコヒーレントフォノン振動

超高圧力下における高密度物質の状態の研究は、ために、超短パルスかつ高フォトン密度の X 線自由広い密度状態にわたる物質の熱力学的状態計測とい電子レーザーを用いた測定が必要不可欠となる。本

った純粋な基礎科学的興味以外にも、新物質創成や研究では、X 線自由電子レーザー完成後、フェムト

X 線を用いたフェムト秒時間分解 X 線回折測定を行晶の格子振動の振動周期よりも十分短いレーザー光

地球内部の状態を知るといった地球科学・惑星科学

秒時間分解 X 線回折研究を行うための基盤技術、とう。超短パルスレーザー光と超短パルス X 線との同パルスを固体表面に集光照射することで、コヒーレ的な観点からも重要な課題である。また熱力学的な

くにパルス同期計測技術の開発することを目的とし期計測の基盤技術として、フェムト秒レーザーで固ントフォノンと呼ばれる位相の揃った原子集団運動

外部条件の変化によっておきる相転移過程は、非平ている。

体表面を励起することでコヒーレント格子振動（コを励起することが出来る。通常コヒーレントフォノ

ヒーレントフォノン）を発生させ、この振動をクロンはフェムト秒時間分解の過渡反射率測定や過渡透ックとして用いることで、格子振動の周期時間（数過率測定によって計測されるが、この方法では原子衡現象でありその理解のためには、原子・分子レベ2．研究内容ルでの動的構造変化を調べる必要がある。レーザーを用いた衝撃圧縮法は、極短時間内で高圧力・高密

レーザー衝撃圧縮で発生する超高圧力・超高密度10 から数 100 フェムト秒）の制度で、フェムト秒レの変位量を求めることが出来ない。本研究では、フ度状態を作りだす方法で、超高速時間分解の構造解状態の構造解析とその転移ダイナミクスの研究を行ーザー光と超短パルス X 線との同期精度の計測を時

ェムト秒時間分解 X 線回折によりコヒーレントフォ

析法（X 線回折など）を組み合わせることで、超高うための準備研究として、高強度フェムト秒レーザ

間分解 X 線回折測定によって行う。

ノンを計測することにより、200 フェムト秒の周期

圧力状態の物質の様子やその形成ダイナミクスを計ーを用いたレーザープラズマ X 線による超短パルス

3．期待される成果で振動する CdTe の光学コヒーレントフォノンの振動を検出し、原子変位が約 3 ピコメートルであるこ

100 フェムト秒オーダーでのフェムト秒時間分解とを明らかにした（図 2）。CdTe を試料として XFEL

X 線回折計測が行えるようになり、動的に変化するからの X 線を用いてコヒーレントフォノン振動を X

物質の過渡構造の解析が可能となることが期待され

線回折により計測することで、外部レーザー光と Xる。また、コヒーレントフォノンをクロックとして線パルスとの同期を振動周期の半分である 100 フェ

用いることで、格子振動の周期時間（数 10 から数

ムト秒の精度で計測することができると期待され

100 フェムト秒）の精度で、フェムト秒レーザー光る。

と超短パルス X 線との同期精度の計測が出来るよう

5．成果の社会還元になると期待される。

4．平成 20 年度の研究概要

これまで計測することが出来なかった物質の内部における原子の運動が実験的に観測できるようにな

図 1 ●レーザープラズマを用いた時間分解 X 線回折装置概念図

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高強度フェムト秒レーザー光を真空中で銅テープり、物質創成過程を原子レベルで直接測定すること

ターゲットに集光照射することで疑似単色の超短パができ、新物質創成のための新しい指針を得る事がルス X 線を発生し、ポンププローブ法を用いて光励できるようになる。また、物質の破壊過程の計測も起半導体単結晶（CdTe（111））の時間分解 X 線回折

でき、衝撃に強い新素材開発のための強力な解析法

測定を行った。図 1 に計測装置の概念図を示す。結

となる。

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体ビーム技術を組み合わせて開発す
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る。

蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置の開発

3．期待される成果
結晶構造解析が困難または原理的に不可能な蛋白質分子やその集合体の XFEL 単粒子構造解析は、EU や米
国 XFEL 計画においても主要テーマ

研究代表者
共同研究者

として取り上げられている。難しい

中嶋 敦（慶應義塾大学）
真船 文隆（東京大学）
堂前 直（理化学研究所）
国島 直樹（〃）内藤 久志（〃）とされる蛋白質分子の液体・分子ビーム作成方法についても、その検討が進められている。我国の XFEL ではパルス間隔が 60 Hz であり、単粒子解析に要求されるスペックル散乱

1．研究実施の背景・目的
X 線自由電子レーザー（以下、XFEL ）のバイオサ
イエンス分野利用では、膜蛋白質のように X 線結晶せる装置を開発し、プロトタイプ FEL においてパターン数を鑑みた場合、高い歩留XFEL 利用想定実験を通じて問題点を精査しながまりで試料に XFEL ビームを照射す

ら、実機利用に繋げることを目的としている。

る必要があり、XFEL 実機に特化した装置の開発がに達し、従来法の約 2 倍の質量分解能を有すること不可欠であると考えられる。本課題で開発する液を明らかにした。本研究で試作した加速部は、次年

は、研究代表者らが独自度の長距離飛行管での高質量分解能化に寄与するもに開発した世界先端実験技術を展開・高度化するこのと期待される。また、XFEL の装置開発に適合すとから、諸外国にも波及する測定技術を提案するこるモデルタンパク質系を構築するために、タンパクとにつながると期待される。

質ライブラリーとして現状持っていない膜タンパク

2．研究内容体・分子ビーム生成装置

構造解析が極めて困難な蛋白質やその集合体の立体構造を、結晶化を経ることなしにオングストローム

図 2 ●レーザー蒸発で生成したケイ素ラスターの飛行時間型質量ス
ペクトル

本研究では、 蛋白質単粒子解析用液体・分子ビ分解能で可視化する単粒子立体構造解析に大きな期

ーム生成装置待が寄せられている。数十ナノメートルサイズ蛋白対応できる高効率な蛋白質分子の単粒子構造解析実

質分子の単粒子立体構造解析は、XFEL パルスビー

験の実現を目指す。この装置は、クラスター科学で

ムを試料粒子に照射して、粒子の三次元再構成スペ

発展してきた液体ビーム作成技術や質量分析の試料

ックル散乱パターンから像回復を行う。また、蛋白作成技術を基盤とし、蛋白質水溶液試料を微細な液本研究では蛋白質試料溶液を液体ビーム、もしくた。XFEL 照射実験では、タンパク質以外の分子が質分子は XFEL パルス照射によって多数のスペック

体ビーム加工や、レーザー蒸発法による分子ビーム

は液滴として、噴出することにより、真空装置内にスペックルパターンに大きく影響を与えることがシ

ル散乱パターンを短時間で取得するには、XFEL パ

作成する技術の高度化によって、XFEL パルスに同

蛋白質単粒子をビームとする要素技術を開発してきミュレーションされているので、安定化剤、塩など

ルスに同期して試料分子を照射野へ確実に導入する期した分子の照射位置導入を可能とする。装置開発

た。液体ビームを用いる手法では、ガラスキャピラを極力除くための方策を検討し、連続溶媒交換の手必要がある。本研究課題では、上記実験を可能とす

では、試料粒子を非破壊かつ単粒子として飛翔させリーの内径を前年度までの 20 µm から 8 µm に細く法を提案した。

る 蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置

る装置（試料粒子飛翔型照射装置）を、飛行時間型することに成功し、この手法は溶媒による XFEL 光として、試料粒子を飛翔させて FEL パルスと衝突さ高感度質量分析法と超高圧ガスパルス噴出技術に液の干渉の低減や真空系への負荷の低減、さらには蛋を開発し、XFEL の 60 Hz パルスに

図 1 ●レーザー照射によるイオン生成と電場リフレクトロンを備えた質量分析装置図

504．平成 20 年度の研究概要

質（アクアポーリン Z）について、構造既知・安定で大量に調製できるモデル系の選定と調製を行っ

5．成果の社会還元

白試料の少量化に寄与する。一方、単粒子構造解析

タンパク 3000 プロジェクトが終了した現在におに適用するためには、高い質量分解能で飛行時間型

いても、多くの病変に関わる生体膜結合性蛋白質の質量分析計を構築する必要がある。質量分解能の向結晶構造解析が依然として困難な状況にある。治療上には、加速部設計の最適化による均一電場の形成

薬の多くが細胞表面に露出した膜蛋白質をターゲッと電場リフレクトロンを用いた運動エネルギー分散

トとしていることからも、膜蛋白質の立体構造解析の補正が有効な方法である。前年度に加速部設計のは国内創薬事業の発展にも不可欠である。本申請で最適化と評価を行った成果を踏まえて、今年度は、開発する装置によって単粒子解析が現実のものとな

図 1 のような装置を用いて電場リフレクトロンによれば、結晶化を経ない膜蛋白質の構造解析が進展し、る飛行時間分析用加速部の性能評価を行った。イオ

創薬・医療分野への多大な波及が期待される。同時ン生成には、これまでの実績があるケイ素のレーザに、試料の取り扱いについて制限が多い蛋白質分子ー蒸発を用いた。その結果、図 2 のような質量スペの液体・分子ビーム制御技術が確立されれば、物理クトルを観測し、同軸方向への直線引き出しでも、化学分野でも期待されている非晶試料単粒子構造解

150 cm の飛行距離で質量分解能 m/Δm が 1400 以上

析への転用にも波及すると期待される。

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非線形 X 線ラマン分光法の開拓研究代表者

初井 宇記（理化学研究所）

1．研究実施の背景・目的

線光子を密に集められないため、このような現象を起こすのは至難の技である。これまで、非線形光学

X 線は、人間が目にする可視光と同じく電磁波の現象のなかで最も起こりやすいと考えられる実験に一種である。電磁波は、粒子としての性質と、波とついて SPring-8 での実験成功が報告され、大きなニしての性質をもつ。粒子として X 線を眺めてみると、

ュースとなったのが現状といえる＊。

図 2 ●非線形 X 線ラマン効果を高効率で計測するための分光器 発生したコヒーレント・アンチストーク
ス・ラマン散乱の波長と放出された角度を同時に測定することが可能である

一つ一つの X 線の粒子（光子と呼ばれる）は、それ

一方、現在開発されている X 線自由電子レーザー

非線形 X 線ラマン効果を利用した非線形 X 線ラマン

ぞれがある波長をもつと考えることができる（図 1）。

を用いると、このような状況は一変する可能性があ

分光法を分析手法として利用するための科学・技術

このとき、それぞれの X 線光子が持つ波長は通常変る。なぜならば、世界最高性能の SPring-8 よりも、的基盤創生を目指す。

化しない。ところが、X 線の光子を密に集めると、少なくとも 10 桁以上も密に X 線光子を集められる

非線形光学現象と呼ばれる現象がおこり、それぞれと予想されているからである。X 線自由電子レーザの光子が持つ波長が変化する可能性がある。実は、ーを使えば、これまで非線形光学現象が発見できる

原子間の結合を担う価電子は、物質の性質を決定のふるまいを、高速で追跡することが可能になると可視光の領域ではレーザーが実用化されているたかどうか、という状況を脱して、非線形光学現象をづける重要な因子である。従って、化学反応のよう期待される。機能を担っている価電子は、物質が持め、このような現象を利用して様々な分析、加工が使って分析を行い、社会で問題となっている様々なに原子と原子が離れたり結合したりする場合や、温つ多くの価電子のうちごく一部の特定の価電子であおこなわれている。しかし X 線領域では、世界最高問題にアプローチしていくことが可能になると期待度や光などによる刺激によって価電子が動かされたる。従って、その価電子だけを選択して追跡するこ性能を誇る日本の SPring-8 でもってしても十分に Xできる。

（励起された）時に機能を発揮する機能性材料におとが必要となる。日本の X 線自由電子レーザーは自

いて、価電子の動きを観測することは極めて重要で由に波長を変化できる。この利点を利用すれば、元ある。非線形 X 線ラマン分光では、入射した X 線レ

素や化学的な違いを選択して観察することができ

X 線領域での非線形光学

ーザーの波長と波長が短くなった非線形 X 線ラマン

る。従って、観察したい価電子を選択し、その動き現象について、現在われわX 線の差が、この価電子の動き（励起）に関する情を追跡することによって、機能性物質の機能の本質れが知っていることは極め報を与える。

に迫ることが可能になる。機能の本質を明らかにで

2．研究内容て限られている。たとえば、

3．期待される成果

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非線形 X 線ラマン X 線は、価電子の動きに関する情報を与える。X 線自由電子レーザーがフェムト秒の極短パルスであることも利用すると、機能性材料

4．平成 20 年度の研究概要

きれば、新しい物質設計の指針を得ることができ、望みの物質を設計することが可能になると期待されどの程度 X 線光子を集める

図 1 ●非線形 X 線ラマン効果の概要 物質（試料）に X 線自由電子レーザーのX 線光子を高密度に照射すると同時に、波長のやや長い X 線光子を照射すると、X 線自由電子レーザーよりも波長の短い X 線光子（コヒーレント・アンチ
ストークス・ラマン散乱）が発生する

5．成果の社会還元と非線形光学現象がおきる

非線形 X 線ラマン効果はこれまで観測された例はかといった基礎的な事柄になく、例えばどの程度の頻度で観測できるかなどのついても、我々は知らない

基礎的情報が欠落している。そこで、プロトタイプのである。そこでまず、非機を利用して非線形 X 線ラマン効果の観測を実現

線形光学現象の中で非線形

し、非線形 X 線ラマン効果の基礎的な理解を目指し

X 線ラマン効果を選び、こている。平成 20 年度では、そのために必要な広帯の効果を実際に検出するた域・高効率の分光器を開発し、非線形 X 線ラマン計

めの技術的問題を解決し、測のための実験システムを構築した（図 2）。

る。
＊）例えば Kenji Tamasaku and Tetsuya Ishikawa, Phys. Rev.
Lett. 98, 244801（2007）Y. Yoda, T. Suzuki, X.-W. Zhang, K.
Hirano, S. Kikuta, J Synchrotron Rad. （1998）. 5, 980.

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第 4 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

世界が注目する日本の技術

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FEL 多元分光を用いたナノ構造体の電荷移動ダイナミクス
研究代表者
共同研究者

八尾 誠（京都大学）
永谷 清信（京都大学）

1．研究実施の背景・目的

2．研究内容平成 20 年度は、我が国の量子ビーム（X 線、中性

XFEL または EUV-FEL を利用する実験の基本的な子線などの総称）利用研究にとって記念すべき年でスタイルは、微量の試料を真空中に噴射させ、それあった。SPring-8 に、X 線自由電子レーザー（XFEL ）に X 線または紫外線ビームを当て、その結果としての先駆けとなる、極端紫外光の自由電子レーザー

生じる現象を調べることである。既存の放射光源かX 線を吸収した物質において、「どのような電子で多数の原子が同時にイオン化すること、あ（EUV-FEL ）が完成し、利用研究が開始されたかららは、光パルスが だらだらと やって来るため、実素過程が起こるのか？」、更に「その影響により、る程度多価になると、それ以上のイオン化がである。我々は、早速、東北大学の上田教授グルー

効的には「連続光」と見なすことができ、このため試物質がどのように破壊されていくのか？」が明らか抑制されること等を見出した。複数の国際会

プと協力して、希ガス・クラスターを対象とする研料となるクラスタービームも連続的に流せば良かっになれば、例えば、タンパク質の構造解析を行なう

議で発表し、目下論文執筆中である。

究に取り組んでいる。これまでも、既存の放射光源た。しかし、FEL 光は超短パルスでかつ繰り返し周際に、「どのようにすればタンパク質が壊れる前に［2］パルス・クラスター作製装置を設計・製作しを利用してクラスター研究を展開してきたが、自由

波数が 10 ヘルツ程度であるため、即ち「非常に強い測定ができるのか？」、更に「たとえ壊れても、壊（図 1 参照）、パルス動作のチェックや出射され電子レーザーは高輝度で位相が揃っているという著

光がたまにしかやって来ない」ために、クラスターれる前の情報をどのように回復させられるのか？」

るクラスターのパフォーマンス等について、しい特色を有するため、全く未知の世界に入ったとビームを連続的に流すと大きな無駄になり、時としという問題を考える道筋が見えてくる。また、X 線準備実験を行なった（図 2 参照）。平成 20 年 11

言っても過言ではない。今後、XFEL を高度利用すて害にすらなる。具体的には、装置内の真空度が悪の著しい特徴である元素選択性（即ち、X 線波長を月下旬に、EUV-FEL 光を利用して X 線吸収実るためにも、EUV-FEL 利用実験を通して種々の経くなるために、例えば、X 線吸収に伴って放出され選ぶことにより、ある特定の元素のみに X 線を吸収

験を行なう。

験を積み、実験技術開発に反映させなければならなた光電子に関する貴重な情報が失われてしまう。こさせること）を利用して、ナノ構造体の電気伝導特い。その一つが、試料ビームのパルス化であり、以のため我々は、クラスタービームをパルス化させ、性を非接触（即ち、電極を用いない方法）で、且つ下に詳細を述べる。

FEL 光と同期させて出射する技術を開発した。

原子レベルで測定することが可能になる。

図 2 ●パルス動作のチェック

3．期待される成果

4．平成 20 年度の研究概要

運動量を多数個のイオンについて同時に計測することができた。その結果、クラスター内

5．成果の社会還元
本研究は、XFEL 利用研究の基盤的技術や基礎的知見を与えるものであり、例えば結晶化困難なタンパク質の構造解析や、ナノ構造体の非接触電気伝導［1］EUV-FEL 光を利用して、希ガス・クラスター

測定等を通して、バイオ関連あるいはナノ関連物質の光吸収・脱励起過程の観測を行なった。連の創出などにつながる可能性があり、その波及効果

続クラスタービームを用いたため、電子分光は極めて大きい。

は困難であったが、光イオンについては 3 次元

図 1 ●パルス・クラスター源

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世界が注目する日本の技術

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広範な生体試料に対応した
ターゲット・デリバリーシステムの開発

2．研究内容ターゲット・デリバリーシステムとして、欧米で提案されているのが分子ビーム法である。これは質量分析器の原理を応用して標的分子を飛ばし、分子がちょうどビーム位置に来たときに XFEL パルスを照射するもので、標的を支える容器（コンテナ）がないことからコンテナレス法とも呼ばれる。この方

研究代表者
共同研究者

岩本 裕之（高輝度光科学研究センター）
村山 尚（順天堂大学）法の欠点はタイミングの制御が難しいのと、分子の向きが揃わないことである。XFEL 実験といえどもタンパク単分子からの X 線散乱は微弱なので、構造決定のためには同じ向きの分子からの散乱だけを選んで多数加算する必要があるが、後者の問題はその障害になりうる。

図 2 ●膜タンパク用コンテナの例 厚さ 1 µm の高分子膜（ウルトラポリエステル）に、1 µm ごとに
130 nm の穴をあけた例。この大きさは、X 線自由電子レーザービームの初期スペックと同等であり、タンパク単分子（30 nm）と比べても大きくない

確実に X 線を当てることである。従来の X 線回折実

それに対し、本研究課題で提案するのは従来どお験では通常、試料も X 線ビームも肉眼的なサイズでり標的を容器に入れて支えるコンテナ法である。こ

X 線自由電子レーザー（XFEL ）は第 4 世代放射光あった。ところが XFEL 実験の場合、最小の試料はれによりタイミング制御の困難がなくなり、また標源といわれ、これまでのシンクロトロン蓄積リング

タンパク単分子（10 ナノメートルオーダー）であり、的の向きを正確に制御することもできる。本研究課

膜タンパクをはじめ XFEL 用試料からの散乱は微型に比べるとピーク輝度が非常に高いこと、パルス

ビームサイズも同程度まで絞られる。従ってビーム

題では特に膜タンパクを主要な標的に掲げている。

弱なため、試料は凍結したうえ真空中に置いて、空幅が非常に短いこと、コヒーレンスが高いことなど、を試料に当てるには従来とは比較にならない高精度

膜タンパクを浮かべている脂質 2 重膜をコンテナと気散乱を避けながら測定するのが基本である。20

さまざまな特徴を持っている。これらの特徴は生命が必要になるばかりでなく、試料の取扱そのものにして利用することのほか、解析スループットの向上

年度は氷の結晶の回折を測定することで試料の凍結科学分野においても従来にない可能性を切り拓くもも高度な技術が必要となる。X 線を当てる標的（タのため、更に多くの方法に基づくコンテナを検討し状態を評価する方法を確立した。試料の位置や向きのとして期待されている。重要なアプリケーションーゲット）を測定に適した状態に保ちつつ、いかにている。

を高精度で決定するのに原子間力顕微鏡（AFM ）をは、これまで構造決定が不可能だった微小な生体試

してビーム位置に送り届けるか（デリバリー）―こ料（タンパク単分子や細胞小器官）の構造を X 線回

れが生命科学分野での XFEL 計画の成功の鍵を握折法により決定することである。特に XFEL は結晶る。この認識に立ち、XFEL 実験に最適化された

後に記すように医薬品開発の上からも膜タンパク

化困難な膜タンパク分子の構造決定法の切り札とし「ターゲット・デリバリーシステム」を開発するのがの構造決定は極めて重要である。本研究課題によりて期待を集めている。

本研究課題の目的である。

開発しようとする技術が確立すれば、膜タンパク構

1．研究実施の背景・目的X 線回折法で重要なのは、いうまでもなく試料に3．期待される成果

4．平成 20 年度の研究概要

利用する方法も開発している。またナノテクノロジ
ーの技術を用い、膜タンパクに使用できる種々のコ造決定に関して日本が世界をリードする立場に立つことも夢ではない。

ンテナも試作している。

5．成果の社会還元
ヒトゲノムは 30,000 〜 40,000 種類のタンパクをコードし、そのうちの約 30 ％が膜タンパクといわれる。現在の医薬の約 70 ％が膜タンパクを標的にしているといわれ、また膜タンパクが関係した遺伝疾患も非常に多い。ところが膜タンパクで構造決定がなされたのはわ
ずか 100 種程度という。従って本研究課題の目指す技術によって膜タンパクの構造解析が進めば、医薬品の開発や遺伝疾患の治療に

図 1 ●コンテナ法の原理と実際 A ：膜蛋白（リアノジン受容体）が本来埋め込まれている脂質二重膜をコンテナとして利用することにより、分子の方向性を揃える。B ：コンテナ法で整列したリアノジン受容体の電子顕微鏡像。多数の分子が密集しているのが見える。拡大すると一つ一つは同じ方向を向いている（右下）

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多大な貢献をもたらす
図 3 ●種々の氷晶防止剤存在下で試料の凍結状態を評価した例 試料の深度により、構造を破壊する氷の結晶（氷晶）が成長している様子が記録されている

であろう。

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コンパクト X 線レーザー中に崩壊してしまうという厄介な問題が存
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在する。本研究では、崩壊過程のシミュレ

生体分子の立体構造決定手法の開発に向けた理論基盤の構築ーションを行うことにより、その立体構造計算への影響を調べる。それを通して、立体構造決定という目標達成に必要不可欠な装置および標的試料のパラメータ値を導くことができる。これが本研究の第二の目的
である。

研究代表者
共同研究者

2．研究内容郷 信広（日本原子力研究開発機構）
岸本 泰明（京都大学）

研究の内容は、次の 3 つに分けることができる。（A）測定 X 線光による標的試料の崩壊が無視できると仮定した場合に対して、散乱光強度データから立体構造を導き出す

1．研究実施の背景・目的

き、その意義は計り知れない。

アルゴリズムを開発する。強い量子雑音に

図 2 ●炭素クラスターの平均束縛電子数の X 線数、波長、
パルス幅、標的半径依存性 短波長・短パルス化により、損傷はより抑制される。標的自身の電場により自己崩壊する電場電離の重要性も解明した

本研究の第一の目的は、測定された散乱光強度デも関わらずそのアルゴリズムが実行可能で

XFEL 光による生体関連の単分子あるいは生体分ータから立体構造を導き出す計算アルゴリズムを開あることを要請することにより、標的分子子複合体の単粒子を標的とした全く新しい方法によ発し、そのためのソフトを実装することである。標の大きさと達成すべき立体構造の分解能のる立体構造決定の可能性に大きな期待が寄せられて的が単分子あるいは単粒子であることを反映して、関数として、測定に用いるべき入射 X 線光強度の下いる。これが可能となれば、現在おもな立体構造決

散乱光は極めて微弱であるため、強い量子雑音を含限が定まる。（B）測定に用いる X 線光による標的試定法である X 線結晶解析において一番のボトルネッ

むデータを処理しなければならない。また、標的分料の崩壊過程のシミュレーションを、様々な素過程研究（A）における解析の最初の手順は、それぞれ

クとなっている結晶化のステップを省くことがで子あるいは粒子が測定のための X 線光によって測定に関する物理学の知見に基づき、いろいろな装置おが未知でランダムな空間方位を持つ単分子試料からよび試料パラメータ値に対して実行する。崩壊をあの多数の 2 次元散乱強度図を分類し、同一方位に対る程度に抑えることを要請することにより、入射 Xする強度図を平均して、量子雑音の影響の逓減を図

線光強度の上限が定まる。（C）崩壊を伴いつつ測定ることである。この分類の可能性が、上述の絶対可される散乱光強度データから立体構造を導く上での能性を規定している。平均して、質の向上を図った

具体的な問題を整理し、得られる立体構造の質を評

2 次元散乱強度図は、次に相互に共通交円を探索す

価する。

ることによって相互の配置を定め、多くの 2 次元散3．期待される成果

4．平成 20 年度の研究概要

乱強度図に対してこの作業を実行することによって、3 次元の散乱強度関数を構築する。20 年度にお研究（A）により、単分子立体構造解析において避いては、これらの作業の詳細を世界に先駆けて明らけることのできない量子雑音の影響のみを考慮したかにした。研究（B）においては、今まで考察されて絶対可能性の範囲が、試料と分解能の関数として表いなかった内核電離による原子散乱断面積変化や電される入射光強度の下限値として同定される。その離電場等の新しい物理素過程の影響もシミュレーシ

値が研究（B）で得られる上限値よりも下にあれば、ョンに取り入れ、それらが重要な影響を持つことをそのような装置および試料パラメータの実験が可能明らかにした。広い範囲の装置・試料パラメータにであり、立体構造に関する知見が得られる。それを対して系統的にシミュレーションを実行し、望まし可能にする計算ソフトのプロトタイプが、われわれ

いパラメータ範囲に関する情報を得た。

の研究成果として整備される。装置は、運用開始後

5．成果の社会還元

も改善が加えられていくであろうが、そのパラメータの改善に伴って、可能となる試料、分解能を示唆することができるだろう。
図 1 ● 2 次元散乱強度図の分類法、及び量子雑音を考慮した分類シミュレーションの結果（シャペロン分子、
222
入射強度 10 [photons/pulse/mm ]の場合）

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多くの医薬品の標的タンパク質分子は生体膜に埋め込まれて働く膜タンパク質分子で、その結晶化が極めて困難であることから、この全く新しい方法での立体構造決定の可能性への期待は大きい。

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＜産業界からの期待＞

X 線自由電子レーザーがもたらす新技術開発と産業への貢献
丹羽 紘一（株式会社富士通研究所 顧問、神奈川工科大学 特別研究員）

技術開発の先端た。分子の設計とシミュレーションに依存している
潤滑における分子の動きの状態を、その場観察でき

昨今の技術革新は驚異的なスピードで進展し、企るようになれば飛躍的に HDD の信頼性向上が期待

業は先端的な技術開発を余儀なくされる。たとえば、できる（図 1）。トランジスタの微細化は、ゲート絶

磁気ディスク装置（HDD）の記録密度の向上は目覚

縁膜を極めて薄くさせ、漏れ電流により消費電力をしく、そのための超微細加工プロセス技術は急速に増大させる。この回避のために、SiO 2 よりも誘電率発展を遂げた。その一方で、ナノレベル膜の物性制が大きい材料をゲート絶縁膜に使用し、物理的に厚御および物性解明は難しさを増し、信頼性などの問い膜で漏れ電流を抑制することが広く検討されてい題解決に多くの時間を費やすようになった。この解るが、材料プロセス改善以上に物性追及が必要とな

明に SPring-8 の放射光利用は極めて効果的である。

っている。X 線自由電子レーザーでは、X 線の透過

今後も放射光利用への期待は大きい。X 線自由電子力を用いた「埋もれたナノ構造」の形状、分布、結レーザーはこの SPring-8 の 10 億倍以上強く、しか晶性や応力などの、その場動的評価が可能になるとも可干渉性の光をフェムト秒のパルスで得られるこ考えられ、これら物性の追求に力を発揮すると期待とから、物質中における超高速の状態変化の観測がされる。有機金属錯体による有機合成など触媒は化可能になる。現在、各社がしのぎを削って開発を進

学合成に不可欠である。しかしながら触媒界面でのめている超微細化プロセスを含む新技術は、原子・化学反応の多くは傍証からの推測に過ぎず、触媒を

電子の振る舞いを考慮しなければならないという基用いた化学製品の品質向上や新たな製品の創出には本的な問題に遭遇しており、その解決に威力を発揮

本質的な解明が嘱望されている。たとえば光触媒ですることが期待される。

ある酸化チタンは水を分解し、水素を発生させるが、の発見、それを利用した新デバイスの出現や新分析プ機において企業が実施を試みることの他、平成

その様子はまだ観察されていない。フェムト秒レベ技術の出現などのブレークスルーが期待される。

21 年度よりスタートする利用推進研究における統X 線自由電子レーザーを必要とする
技術課題の例

ルの早い速度で、酸化チタンと水分子の界面で化学

図 1 ●高密度磁気ディスク装置（HDD）の磁気ヘッドに使用する潤滑剤は分子の高さを現状の 70％に圧縮することが要求される（富士通プレスリリース、2006 年 4 月）。
ヘッドが動作している状態での分子の動きが X 線自由電子レーザーでその場観察でききれば、HDD の特性安定性と信頼性を著しく向上させ、記録密度の向上を確実にする

利用推進研究への期待反応が進むと考えられる。SPring-8 のビームライン合システム開発期に、実施例題の一つとして、企業からのテーマを取り込むことも一案と考えられる。

HDD の TMR（トンネル磁気抵抗）磁気ヘッドでは、

BL13XU を使って解析した結果、触媒表面の原子のX 線自由電子レーザーの発振は平成 22 年度に予X 線自由電子レーザーの利用に関する産業界への積トンネル障壁層の電子散乱に影響する原子の乱れな脱離、再構成など多くの事象が解明されつつある。

定されている。これに向けていち早くこの光を実用

極的な周知と大学と企業の強い連携を促進させるこ

ど、より微細な構造の形成過程が自由電子レーザー

さらなる解明と産業応用のために、化学反応を分光に供することが出来るよう、利用推進研究が実施さとが望まれる。

によって解明され、理論値の半分程度に留まってい学的な方法、 回折学的な方法を駆使して機能と構れ、必要とされる計測装置が準備されつつある。産る MR 比 を、理論的に予測されている 1000％に近造をその場観察できる X 線自由電子レーザーに大き業界の研究開発の現状からすれば、すぐにでも製品づけられると期待される。また、記録密度の向上にな期待が寄せられている。この他、エネルギーの揃開発のためのツールとして X 線自由電子レーザーをR A とすると、MR 比は次のように求まる。MR 比≡

伴う磁気ヘッドの浮上量の低下は、潤滑剤の膜厚がった自由電子レーザー照射により、原子の複数の電活用すべき状況にある。スムーズにこれを可能にす/R P × 100％（RA − RP）

潤滑剤分子よりも小さいことを要求するまでになっ子が同時に剥ぎ取られた結果現れる新物質や新現象

るためには、既に使用可能になっているプロトタイ＊160＊ 1 二つの強磁性電極の磁石の相対的な向きが平行なとき、および反平行なときの素子の電気抵抗をそれぞれ R P 、

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