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放射光第巻第号()

実験技術 ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

SPring-8BL40XU における時分割 X 線回折測定技術
岡俊彦，井上勝晶，八木直人

財 高輝度光科学研究センター
Time-Resolved X-ray DiŠraction Technique at SPring-8 BL40XU
Toshihiko OKA, Katsuaki INOUE and Naoto YAGISPring-8/JASRI

SPring-8 BL40XU is designed to use high ‰ux X-ray. On this basic concept, the fundamental radiation of
the helical undulator is used as a quasi-monochromatic X-ray beam, and the monochrometer is eliminated.
The ‰ux at the experimental hutch is about 1015 photons/sec at 12.4 KeV. Using the high ‰ux X-ray, we constructed a micro-second X-ray diŠraction measurements system. In the system, a short X-ray pulse is exposed on a sample, which is in a reaction process, to measure a diŠraction of an intermediate state. The
highest time-resolution of the system in present state is 5.3 micro-second. We also report sub-millisecond
time-resolved measurement technique with a high frame rate CCD camera.

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生体試料を用いた放射光施設での時分割測定は，小角回される。フロントエンドスリットで放射軸付近のみに光を折散乱を用いた筋肉，蛋白質溶液の研究，白色ラウエ法

制限すれば，一次光のみを光学ハッチに通して，準単色を用いた蛋白質結晶構造解析などで行われ，多くの成果を（もしくは準白色）として利用できる。この光を 2 枚の全あげている。時分割測定を行う場合に問題となる点はいく

反射ミラーにより高調波をさらに除去した上で集光する。

つかあるが， X 線強度の不足もそのひとつである。 SPr-

上流から，70 cm の水平集光ミラー，40 cm の垂直集光ミ

ing-8 の BL40XU は，高フラックスビームラインと名づけラーという順でおかれている。2 枚のミラーはともにシリられていることからも分かるように，大強度の X 線を得コン単結晶の母材を持つ。40 cm の垂直集光ミラーはロジるようにデザインされている1,2) 。 2000 年前期からの共同

ウムコートで 4 mrad の視射角で下はねとなっているが，利用開始以降，その強い X 線を利用して，時分割測定，70 cm の水平集光ミラーは 3 mrad の視射角で，コート材

蛍光分析3)，スペックル測定，など様々な領域で先端的なはロジウム，ニッケルと母材のシリコンの 3 種類から選研究がなされてきている。ここではおもに生体試料を対象べる。10 KeV 程度までのエネルギーは領域ではシリコンにした時分割 X 線回折測定のシステムを中心に報告する。

を，それ以上のエネルギーではニッケル，またはロジウムを用いる。このことにより高調波（特に二次光）をほぼ完.

ビームラインの概要全に除去でき，一次光のみを利用できる。ミラーをはねて

BL40XU は 高フ ラッ ク ス X 線 を 得る ため に作 ら れたきた光が，2 組のスリットにより整形されたのち，実験ハビームラインである。その大きな特徴は，挿入光源にヘリッチに導かれる。モノクロメーターを用いないことによ

カルアンジュレーターを用いていること4)，モノクロメー

り，得られる X 線のエネルギースペクトルは12.4 KeV のターを設置していないことにある1,2) 。ヘリカルアンジュ

とき半値で1.8程度の広がりをもつ（Fig. 1）。また高調レーターは一次光として7.6 KeV から 16.5 KeV の X 線が波は除去できていることも分かる。実験ハッチでの X 線得られる。ヘリカルアンジュレーターからの放射光は放射

フォトン数は 12.4 KeV で 1 秒あたり 1015 個に達する1) 。

軸上では一次光のみが強く観察され，高調波は軸外に放射

この値は，挿入光源からの光をモノクロメーターを用いて

財 高輝度光科学研究センター 放射光研究所利用研究促進部門
〒679
5198 兵庫県佐用郡三日月町光都 111580802（ext.3343） FAX: 0791
58
2512 E-mail:TEL: 0791

oka＠spring8.or.jp――(C) 2001 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光第巻第号

()Figure 2. A photograph of the fast (this side) and slow rotating
shutter. The rotating shutters are in the air. Rotating disks are madefrom stainless steel.
Figure 1. Measured energy spectrum of the helical undulator radiation. The gap of insertion device was 14.3 mm. Only a peak of thefundamental energy was observed because higher harmonics werecut oŠ with two mirror.

でデータになるようなものは反応が繰り返す必要がないが，一回に一時間点しか測定できないことを考えるとあまり現実的ではない。しかし試料の交換が簡便にできる系で単色化しているビームラインより 2 ～3 桁程度強いものとは測定は不可逆的な反応でも可能であろう。また時間幅のなっている。ビームサイズはミラーにより集光した場合，短い反応開始トリガも必要となる。マイクロ秒以上の時間

垂直40 mm，水平250 mm 程度である1)。フロントエンドス

分解能での測定を考えた場合，トリガとしてはパルスレーリットを全開にした場合，エネルギー分解能は 5 程度ザーが適当である。これらの点を考慮すると，試料としてとさらに悪くなるが，より強い X 線が得られる4)。

光を反応に利用する系が適していると考えられる。

X 線パルスは回転シャッターと高速シャッターの組み.

マイクロ秒時分割実験技術

合わせによって作られる。回転シャッターは高速のものとサブミリ秒以上の時間分解能で二次元検出器を用いて低速のものの二つがあり，ともに大気中におかれている。

X 線回折を測定する場合，可能な方法は二通りある。一

時間幅の異なる X 線パルスを作るために，両方の回転シつはイメージインテンシファイアつきの検出器でゲートをャッターのステンレス製の円盤に内側から大，中，小のスかける方法である。もう一つは X 線を時間幅の短いパルリットが中心対称に 2 カ所づつ切られている（ Fig. 2 ）。

スにして試料に照射する方法である。両方とも反応中の試高速回転するものは270から100 Hz で回転する。この回転料の一時間点の状態を観測することになる。前者に関してシャッターにより， X 線の空間的な広がりを無視するとは，ほとんどの検出器では短いゲートはかけられないか5.3 から 120 マイクロ秒の時間幅を持つ X 線パルスが連続ゲート機構そのものが無い。また短いゲートをかけられた的に得られる。5.3 マイクロ秒幅の X 線パルスの場合，作としても余分な X 線の照射は試料の損傷を招くことになり出される X 線パルスの間隔は 1.84 ミリ秒となる。小スる。したがって後者の方法が必須となる。そこで幅の短いリットを用いて X 線のパルス幅が最短の5.3マイクロ秒とX 線パルスを作成し回折測定を行うシステムを BL40XU

なる270 Hz で回転させたときに，ジッターは±0.3マイクに構築した。

ロ秒程度であった。この回転シャッターはコントローラー

このシステムを使用した測定の順序は次のようになる。

が持つ内部クロックおよび外部クロックのどちらにも同期試料の反応をパルスレーザーなどにより開始し，t 秒後にして回せるようになっている。低速回転シャッターは回転試料に短い時間幅の X 線パルスを照射し回折を測定す

周波数を56.7から 16.7 Hz の間で段階的に変えられ，得らる。必要であれば， t を変更する，試料の条件を変更す

れる X 線パルスの幅は 136 マイクロ秒から 10 ミリ秒となる，もしくは同じ条件で測定を繰り返しデータを積算するる。この回転シャッターのクロックは内部のみとなる。一ことなどにより，一組のデータとする。このような測定の方，回転式ではない高速シャッターはガルバノメータース

利点は次のようなものとなる。まず，測定の時間分解能はキャナーを流用したもので，ガルバノシャッターと名付けレーザーなどの反応開始トリガまたは X 線パルスの時間られている（Fig. 3 ）。ガルバノシャッターは厚み0.5 mm

幅になり，検出器の読み出し速度などにはよらない。 Xのタンタル板が回転軸に挟み込むようにして取り付けられ線だけを考えた場合，その時間幅は最高でシングルバンチており，タンタル板の露出部分の大きさは高さが 3 mm ，の時間幅，100 ピコ秒程度となる。このような測定系には幅4.5 mm となっている。シャッターの最小開時間は約1.4安定して反応が繰り返す試料が望ましい。一度の反応測定ミリ秒である。このシャッターを回転シャッターのタイミ

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放射光第巻第号()

Figure 3. A photograph of Galvano shutter. A blade of galvano
shutter is made from tantalum (h＝3 mm, w＝4.5 mm, d＝0.5mm). Minimum open time of the shutter is about 1.4 ms.
Figure 5. X-ray pulse of minimum width (theoretical width: 5.3ms) was measured with PIN photodiode. Filling pattern of thestorage ring was 160 bunch train ×(121) (The number of bunch is2436).

Figure 6.

Figure 4.

Open timing of a rotating shutter and a galvano shutter.

A layout of the measurement system.

分から来る X 線を切り出せるようになり， X 線強度が安定するようになった。またもう少し長い X 線パルスは幅が 4.8 マイクロ秒の整数倍になるようにして，X 線強度がングとうまく合わせることにより， X 線パルスを一つだけ取り出している（Fig. 4）。

安定になるようにしている。このフィリングパターンの同じ部分からの X 線を取り出す技術は，今後導入予定の真高速の回転シャッターを用いて 10 マイクロ秒程度より空型回転シャッター（回転周波数は 1 KHz 程度）をもちも短い X 線パルスを作成したときに，蓄積リングのフィいて，シングルバンチからの X 線を切り出す技術にも適リングパターンに由来し X 線パルスの強度が揺らぐこと用できる。

が明らかになった。電子が蓄積リングを回るのに4.8 マイレーザーのクロックは回転シャッターのクロックを分周クロ秒かかる。そうすると 6 マイクロ秒程度の X 線パルして10 Hz 程度にして，さらに遅延を加えることにより作スは電子がリングを 1.2 周する間に作り出されるものとなられている。この遅延を変えることにより，レーザーとる（ Fig. 5 ）。したがって，蓄積リングに電子が均等に入X 線の照射の時間を制御している。実験機器のレイアウっている場合はよいが，不均等に入っている場合には 1.2

ト例を示す（ Fig. 6 ）。実験ハッチ内下流側に設置した周分のうち 0.2 周分がフィリングパターンのどの部分からYAG レーザーからのレーザー光は，直前にあるシャッの X 線が来るかで X 線の強度が変わってしまう。0.2周分ターにより選択的に一つ取り出されたのち，ミラーではねにずっと X 線が来たり全く X 線が来なかったりするようて試料に照射される。この照射のタイミングは試料近くになフィリングパターンも考えられる。このため当初内部クおかれたフォトダイオードで記録される。一方，回転シャロックのみに同期していた回転シャッターに，外部からクッター，ガルバノシャッターを通過してきた X 線パルスロックを入れられるように改造した。これにより X 線パの照射タイミングもスリット直下のフォトダイオードまたルス幅が 4.8 マイクロ秒に近い場合には，リングの RF をはイオンチャンバーにより記録される。回転シャッター

508 MHz Counter などにより分周してクロックとして用の上流側には，下流の機器の X 線損傷防護用にもう一ついるようにした。この結果，フィリングパターンの同じ部シャッターがおかれている。この実験でもちいる検出器――放射光第巻第号

()は，読み出し速度などの測定上の制約がないため原理的にはどんなタイプの 2 次元検出器でもよい。これまで筆者らが実験で使用した検出器は，イメージインテンシファイ
ア付き CCD 検出器（浜松ホトニクス社製， V5445PG ，C48801014A），IP 検出器（リガク社製，R-axis＋＋，R-axis）などである。イメージインテンシファイア付き
CCD 検出器は，イメージインテンシファイア部に光学絞りがついているため，絞りを調節する事により入射 X 線量が少ない場合でもダイナミックレンジを有効に利用することができる。空間分解能的には IP 検出器が優れている

Figure 7. Two types of time-resolved experiments. In the upperprotocol (continuous time-resolved experiment), the diŠraction pattern is recorded sequentially. In the lower protocol (shuttersynchronized time-resolved experiment), an x-ray shutter is opened
at a ˆxed timing in each frame. The time resolution in the lower protocol is determined by the opening time of the shutter.

が，入射 X 線量が少ない場合にはイメージインテンシフ
ァイア付き CCD 検出器が優れていた。
おうとすると視野を狭める必要がある。フルフレーム撮影

.

ミリ秒時分割実験技術のままで高い時間分解能を得るための方法として， CCD

ミリ秒から数100 マイクロ秒の時分割実験では，連続しカメラのフレームと同期してシャッターを開けるというテて回折像を記録する従来の時分割手法が利用可能である。

クニックがある（シャッター同期時分割， Fig. 7 ）。各フ

これには時分割記録（こま撮り）のできる X 線検出器がレームの中でシャッターの開くタイミング（フレームの切必要である。時分割記録のために BL40XU で現在使われり 替 わ る タ イ ミ ン グ に 対 す る 遅 れ ， Fig. 7 に お け るているのは CCD カメラで，用途に応じて 2 種類用意され``delay''）を変えて実験を繰り返せば，最終的に連続時分ている。一つは以前から理研小角散乱ビームライン割と同じデータを得ることが可能である。この場合には時（ BL45XU ） で 用 い ら れ て い る 浜 松 ホ ト ニ ク ス 社 製 の間分解能は CCD カメラのフレームレートではなく，シャC488080で，640×480 ピクセルのフルフレームで36 ミリッターの開時間で決まるので，原理的は数マイクロ秒まで秒/フレームの時分割測定が可能である。縦方向のピクセの時間分解能が得られる。各フレームの同一の部分でシャル数を減らすことにより時間分解能は向上可能で，640×ッターを開くには， CCD カメラのフレームタイミング信110 ピクセルにすれば 13 ミリ秒/フレームとなる。このカ号をクロックとして回転シャッターを回せばよい。シャッメラを X 線イメージインテンシファイアと組み合わせる

ター同期時分割は実験が繰り返せることを前提とした方法

ことにより，比較的手軽な時分割実験が行なえる。

ではあるが，実験が完全に再現できなくてもデータに適当それ以上の時間分解能を必要とする実験では，さらに高な補正を行なえば応用範囲はかなり広いであろう。

速の CCD カメラ（浜松ホトニクス社製， C7770 ）を用い

Fig. 7 は 筋 肉 の 時 分 割 実 験 に お け る タ イ ミ ン グ の 図ることになる。このカメラはプリズムを使って入射した光で，上記の連続時分割実験とシャッター同期時分割の両方を三分割し，三つの CCD で同時に画像を読み出す。三つの場合を示してある。電気刺激で収縮中の筋肉の長さをリの CCD は読み出しサイクルがずれているので，一つのニアモーターを使って変えたときの X 線回折像の変化をCCD に比べて三倍の速度で連続撮影を行なうことが出来記録するための実験で，モーター制御信号は CCD のフる。これによってこの検出器は 640 × 480 ピクセルのフルレームタイミング信号と同期させている。連続時分割実験

フレームで 3.4 ミリ秒/フレームの時分割測定が可能であではこの前後の回折像を連続的に記録するが，シャッターる。これは10ビットのデータ精度を持つ CCD カメラとし同期時分割では飛び飛びにしか回折像を記録しないので，ては世界最高速であろう。このカメラも縦方向のピクセル``delay'' を変えて何度も実験を繰り返す必要がある。しか数を減らせば更に高速の撮影が可能で，640×72ピクセル

し前者ではピクセル数の制限から回折像の一部しか記録でにすれば 0.53 ミリ秒/フレームの撮影が出来る。最高はきないのに対し，後者ではフルフレームの画像を得られる640×18ピクセルで，0.18ミリ秒/フレームである。という特長があり，複数の反射の強度変化の時間経過を比C7770は高速読み出しを常に行なっているため，外部ト較する場合には後者が用いられることが多い。

リガで記録を開始することは出来るが，外部からフレームのタイミングを変えることは出来ない。従って細かく実験.

まとめのタイミングを制御するには，C7770の読み出しタイミン

BL40XU で行われている時分割測定は，上述したようグをマスタークロックとして実験を行なう必要がある。こなマイクロ秒領域の時分割とミリ秒領域の時分割に分けられにはいくつかのパルスカウンタを組み合わせる必要があれる。現在時分割実験が行われている系は，マイクロ秒でり，他の機器の制御まで含めると複雑な回路構成となるは紫膜（光受容蛋白質バクテリオロドプシンの 2 次元結が，きちんと設計すれば精度よく実験を制御できる。

晶），時分割ラウエ法を用いた蛋白質結晶構造解析，ミリ

このように CCD カメラは一般に高速時分割実験を行な

秒では筋肉，生体試料ではないが高分子などがある。さら――

放射光第巻第号()に今後は蛋白質溶液散乱の測定系も立ち上げていく予定でからの X 線を取り出すことが可能となる。したがって時ある。これまでに行われた紫膜の実験では，それまでに行間分解能が現在の 5 マイクロ秒程度から，最高でシングわれた測定の時間分解能を大きく越えた時間領域での測定

ルバンチ幅（100ピコ秒）程度となる。光を吸収する系のが可能となり，構造遷移や大きな構造変化の立ち上がりな反応初期過程の研究に大いに役立つであろうと考えている。

どの情報が得られつつある。また筋肉の測定ではそれまで変化すると思われていなかった微弱な反射の変化もとらえ参考文献られている。 BL40XU の時分割測定システムは非常に強1)い強度の X 線を用いる特殊なものであるが，試料に合う測定系を構築すれば，他の測定系では得られないような情報が得られるのではないかと考えている。
今後，開時間0.5マイクロ秒程度，回転周波数 1 KHz 程度の真空型回転シャッターを導入する予定である。これにより蓄積リングのフィリングパターンがハイブリッドモー

K. Inoue, T. Oka, T. Suzuki, N. Yagi, K. Takeshita, S. Goto468, 674
and T. Ishikawa: Nucl. Instr. and Meth. A 467
(2001).
2) 井上勝晶，岡 俊彦，鈴木 拓，八木直人SPring-8 利用者
情報誌 5, 189 (2000).
3) 桜井健次SPring-8 利用者情報誌 6, 35 (2001).
4) T. Hara, T. Tanaka, T. Seike, T. Bizen, X. Marechal, T. Kohda, K. Inoue, T. Oka, T. Suzuki, N. Yagi and H. Kitamura:
468, 165 (2001).
Nucl. Instr. and Meth. A 467ド（シングルバンチ＋マルチバンチ）時にシングルバンチ――