科学機器

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科学の峰々

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特定国立研究開発法人 理化学研究所 播磨事業所 事業所長
放射光科学総合研究センター センター長

石川 哲也 先生 に聞く

世界最高峰のX線施設
89「SPring-８」と「SACLA」が開く
サイエンスの革新 上
ス プ リン グ

聞き手：佐藤藏満岡田

取材日：2016年11月9日
東京科学機器協会会議室

エイト

さくら

文俊 日本科学機器協会 広報副委員長
同専務理事邦弘
同事務局長
康弘（取材・撮影・編集協力：クリエイティブ・レイ㈱安井久雄）

石川 哲也 先生のプロフィール〈経歴〉
1982年 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻修了（工学博士）
1983年 高エネルギー 物理学研究所 助手
1989年 東京大学工学部物理工学科 助教授
1994年 東京大学工学部附属総合試験所 助教授
1995年 理化学研究所 マイクロ波物理研究室 主任研究員
1997年 理化学研究所 X線干渉光学研究室 主任研究員
2005年 理化学研究所 放射光科学総合研究センター 副センター長Ｘ線自由電子レーザー計画合同推進本部プロジェクトリーダー
2006年 理化学研究所 放射光科学総合研究センター センター長
2010年 播磨研究所 所長 兼務
2013年 理化学研究所組織改変により播磨研究所長 兼務が解かれ播磨事業所長 兼務 現在に至る〈賞〉
2012年 「大型放射光X線光学系の開発」の業績により紫綬褒章を受章

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産 学 官との 連 携ったり、歯の健康によいガムだった

されているレントゲンやCT検査、り、傷んだ髪の毛を修復する機能

空港の手荷物検査や建築物などに秀でたシャンプーだったり、著しの構造物内部の非破壊検査をイメ

く強度を高めることに成功した材料ージされると思います。そのX線を

─ 石川先生がセンター長を務など、ここで解析されて実用品に発見したのは、医療機器にも名前める放射光科学総合研究センタ

応 用された例は多 数あります。

が残っている、レントゲン博士です。

ーには、２つの「世界一」を誇

さらに、巨大なプロジェクトの話とこのX線により、我々がそれまでる施 設「SACLA（さくら）」として、宇宙船「はやぶさ」 が採見えなかったものを次々と見ること「SPring-8（スプリング−エイト）」

取した小惑星「イトカワ」の塵のが出来るようになったのです。

があります。どんな点が世界一で、ような物質を分析することで、太何が出来る施設なのか、教えて陽系が出来た当時にどのようなこ─ そのX線の中でも「スプリンいただけますか。とがあったのか、という真相を解グ８」と「さくら」 は、特別なX明することも進められています。

線を用いることが出来るということ暮らしの身近に関わっている“世界最高峰”の施設

石川 どちらも“X線”に関する世界一の施設で、「これまで見ることが出来なかったものが見える」「解X線で“見ることができなかったもの”を解き明かすでしょうか。
石川

端的に言うとそのようなことになります。少し専門的に言いま析出来なかったものの構造が分かる」ということを極限まで高めるこ─ 私達の生活の身近なところですと、一般的な光学顕微鏡ではとを実現した施設です。その結果、関わっている施設なのですね。では、可視光の波長である数百nm（ナあらゆる産業においてのものづくり“X線に関する世界一”のお話の前

ノメートル/1nmは100万分の1ミリメや、医療、エネルギー革新などまで、に、そもそもＸ線とは何か？を教えートル）程度の大きさまでしか識別

世界に先駆けた技術革新が日本ていただけますか。

できません。それに対して「スプリング８」 は蓄積リング方式のX線において推し進められるようになったのです。

石川

私達が普段ものを見ること光源として世界一の高エネルギーが出来るのは、光のおかげです。と世界有数の輝度を誇っています。

─ その成果は、私達の身近な光には“波長”があり、その波長がそして「さくら」 は、X線自由電ところでも見られるのでしょうか。

短いほど小さなものが見えます。

子レーザー光源というもので、レーその波長の短い光がまさにX線でザー光の波長として世界一短いす。X線と聞くと医療分野で利用0.06nmを達成し、その記録を随石川

例えば、低燃費のタイヤだ

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全長700メートルの「さくら」ビームライン（断面図）

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8222016・12時更新しています。それだけ波長かし、あまりにX線ビームが強力なる、というわけです。このように電が短いので、原子ひとつ一つのので物質が破壊されてしまうという子を早く動かすために「加速器」

場所や種類を識別し、ナノレベル難点もあります。というものが考えられ、それは1950で解析ができるということです。

一方で「スプリング８」のX線は、年代頃から登場していました。

実は「さくら」のようなX線自由レーザーではなく“X線ランプ”というこうした形で一定の研究が進む

電子レーザーを出す施設は世界に比較的やさしいX線ですので、非中で、もっと強いX線が欲しいとな２つあり、もうひとつはアメリカのス

常に速い現象の観察には不向き

ると、加速器で電子を早く動かす

タンフォードにあるLCLSという施設ですが、物質を破壊する恐れはために大量のエネルギーを貯め込です。どちらも「さくら」 のように比較的少なくなります。このそれぞむ必要がでてきます。しかし、実一直線型の施設ですが、「さくら」れに特性のある２つの施設を相互際にそうしようとすると、色々と不の全長が約700メートルであるのにに組み合わせて利用出来るのが、都合なことが生じました。そこで「ア対して、アメリカの施設は全長２キこの播磨の放射光科学総合研究ンジュレータ」というものが考え出

ロメートルで最短波長は0.12nmでセンターの秀でた点と言えます。

され、「スプリング８」も「さくら」すので、日本の「さくら」 はおよもこのアンジュレータを使って強いXそ半分の短い波長を実現した世─ これほど強力なX線を作り出界最小のX線自由電子レーザーとすには、どういった仕組みがあるいえるのです。のでしょうか。

─ 原子の世界を切り開く世界

石川 どうやって“光”が発生する一の施設「スプリング８」と「さかというと、基本の原理は“電子をくら」、その施設の違いを教えてものすごく早く動かす”ということに─ 「アンジュレータ」とはどのいただけますか。

なります。実は電波の発生の仕方ようなものか、その仕組みを教えも同じです。ていただけますか。

線を生み出すことができたのです。

放射光施設の転回点になった日本のオリジナルが世界を牽引

石川 それぞれ得意な守備範囲

わかりやすい例は、携帯電話があるというとわかりやすいかもしのアンテナの中にある電子を動か

石川 アンジュレータは、電子がれません。「さくら」では、波長がしてあげると電波が発生して伝わものすごい早さで動く中に設置され短いX線レーザーで非常に細かいり、通話などが出来るようになります。

た「挿入光源」です。この中で、ものが解析できるので、分子などこの電子をもっと早く動かすと光が電子を非常に細かく何回も波打たのかたちが瞬間的に変化していく発生します。その光をさらに早く動せることにより、波長の幅が非常様子などを、これまで以上に小さかすと青い光になり、もっと早くするに狭く強い光が出るのです。もう少い構造レベルで測定できます。しと紫外線、もっと早くするとX線になし詳しく言いますと、電子が方向16

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8222016・12を変えたところで放射光が発生し、「さくら」は400ｍの直線の加速それが前方で次の電子の放射光器と100ｍのアンジュレータを置いと重なって強い光になるのです。て、強力なＸ線のレーザーを作っそして強い光を出すだけでなく光ています。の干渉現象によって特定のエネル

簡単に言うと、スプリング８以前のギーが強くなり、非常に強力な放─ 「スプリング８」が「さくら」

アンジュレータの考え方を進化させ射光を生じます。これがアンジュレより先に出来たわけですが、今ていくと、性能を追い求めるあまり、ータです。

お話に出た「アンジュレータ」はコストが莫大にならざるを得ません「スプリング８」 では、アンジュ「スプリング８」に使われたものよでした。しかし「スプリング８」はり高性能だったのでしょうか。

その発想を転換し「真空封止型レータを使って波長の短いX線を出すことを主目的として建設が進アンジュレータ」という独自開発しめられました。光でより細かいもの

石川

実は「スプリング８」で独たものを利用することによって、低を観察しようと追求していく上で、自開発されたアンジュレータは、そいエネルギーの電子加速器でX線それだけアンジュレータが重要だっの後の放射光施設を大きく転回さ領域の放射光を発生する技術をたわけです。

せたたほど、画期的なものでした。

発展させる先駆けとなったのです。

─ 「スプリング８」と「さくら」のアンジュレータは、どの点が違うのでしょうか。
石川 「さくら」は「スプリング８」に比べて、アンジュレータがとても長くなっています。「スプリング８」のアンジュレータの長さが５ｍほどに対し、「さくら」はおよそ100ｍと20倍ほどの違いがあります。長くなることでコヒーレント（光の足並みが揃って干渉しやすいこと）な光が得られるわけです。こうした光は、円形の加速器で作ろうとしても出来ないわけです。

「さくら」のX線レーザー光の発生源・アンジュレータ
写真の左右に伸びている装置が「アンジュレータ」。一台5メートルもあるアンジュレータを21本も直列につなげることで「アンジュレータビームライン」を構成している。全長700メートルの「さくら」、アンジュレータビームラインは全長の約35%、240メートルにもおよぶ。
2016年５月現在「さくら」にはX線レーザー用ビームラインが2本、極紫外線レーザー用ビームラインが1本設置されている。最終的には5本のビームラインが設置される予定。

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1997年（平成９年）から「ス“高い真空状態に試料を置く必要です。動いているものがどういう構プリング８」の運用をはじめてまもながある”など環境に様々な制限があ造をして、どういう振る舞いをしてく２０年となりますが、国際的な競ります。

いるのか、ということは生物におい争が激しい先端科学技術分野でこれに対してX線では、その制これほど長く世界最高水準を保っ限がぐんと少なく試料環境に関す

例えば、実験用のネズミが生まていることは、この発想の転換がる制限はほとんどないと言えるので、れたときは羊水の中から生まれ、あったからです。今、アメリカ、ヨ実際に使われているのと同じ条件呼吸を始めます。その羊水から空ーロッパ、アジア各国でも、「スプでの解析が可能になっています。

気にどう置き換わっていくのか？とい

リング８」で実現した考え方のもとスプリング８がそれまでの定説を覆うことも見ることが出来るわけです。に、施設の建設が進んでいます。

した例として、「染色体の構造」

ナノ領域での「物質の創成」やその考え方を深め、X線自由電子があります。DNAがらせん構造を「物性制御」は今後も様々な展開

レーザーに適用したのが「さくら」

とって巻き付く様子が、現実とはが予想され、基礎研究、応用研にほかなりません。

異なる形で長らく誤解されていた究の両面で放射光の必要性は増のです。現在では、調べるときにえていくと思います。

ナノの世界の現象の一瞬を切り取ることが可能に何かしらの化学処理をしたことでそういう形になったのではないか、ということが長年、教科書に載って─ なるほど「スプリング８」 のいたわけです。そういったことも、建設は、その後の世界の放射光「スプリング８」 のX線で見るとわ施設の転回点となったわけです

かるのです。ても観察が可能なわけです。

ものづくりそして“未知の現象”を解明して未来の技術に
─ お話を伺っていると、今後の日本の科学・研究の発展、そしね。さて、Ｘ線で「非常に細かいものまで見える」というと、電─ そうなのですね。試料の状てその成果をベースにした日本の子顕微鏡などを思い出しますが、態を普段使っている状態に近いものづくりを力強く支える力になりそれよりはるかに小さなレベルま形で解析出来るのが、X線の利ますね。

で識別できるのでしょうか。

点であるわけですね。そのような石川その通りです。例えば光解析で「さくら」が特に秀でてい石川 本当にその責任を感じながる点はありますか。

ら進めていきたいと思っています。
昨今、産業界でもナノレベルで材学顕微鏡をもってきたとしても、見えるものは「光の波長」によります

石川 「さくら」は、Ｘ線自由電子料を制御して新機能を現出させるから限界があります。X線は0.1nmレーザーというコヒーレント(干渉可ことが広く行われており、ナノを見を下回る波長です。この0.1nmは、能)なX線、簡単に言うと“強く高性る光としてX線の利用が広がって物質の原子間の距離の１Å（オン能な”Ｘ線を放射し、非常に速く動います。海外の放射光施設の産グストローム）と同じ長さですので、いているナノの世界の現象の一瞬業利用がどちらかというとタンパク

X線によって原子の様子がみえるを切り取って観察することが可能

分子構造解析による創薬産業へわけです。このような、ナノ領域・になります。基礎研究の面では、の応用が主であるのに対して「スピコ領域の構造情報は部分的に例えば化学反応が進む様子を映

プリング８」は非常に幅広い分野

は電子顕微鏡や電子線回折など画のように観察するとか、触媒がでの産業利用が進められているとでも得られますが、電 子 線では働いている最中の電子の動きを観いう実績があります。そして今ある“薄片試料”が必要であり、さらに察するようなことが可能になるわけ

ものを解析するだけでなく、我々

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空から見た理化学研究所・播磨の施設全景
兵庫県佐用町にある理化学研究所の大型放射光施設X線自由電子レーザー「スプリング８」と「さくら」。写真左側の直線状の施設が2011年に稼働した「さくら」で全長700メートルにもおよぶ。その右どなりの円形になっている施設が1997年に稼働した「スプリング８」で直径およそ500メートルもある。の周りにたくさんある「何が起こっなっていくと感じています。

石川

実は１時間の利用でも７万ているかは理解できても、何故起いままでサイエンスはきれいな試円もしないほど、驚くほど破格です

こっているか が 理 解できない現料を作り、その性質を計測するこよ。（笑）ある企業の方が、物質象」がわかるようになるわけです。とで進んできたところがありますが、の解析のために利用されたところ、例えば植物の「光合成」もそ実際のものはきれいな試料と違っ１万点ほどの解析をするのに会社の一つと言えます。「植物の中でた振る舞いをすることが多々ありまの研究室では「１点１時間×１万二酸化炭素と自ら光を媒介としてす。「さくら」「スプリング８」の施点」で結果１５０日もかかるはずだ酸素とデンプンを作る」ことが光設をはじめとしたＸ線領域で、そった解析が、「さくら」と「スプリ合成だとわかっていますが、どうやの違いがどこから来るのかを知る

ング８」の施設を利用したことで「１って起こるかというようなことは分か手がかりを得ることが可能となるは点１秒」のスピードでわずか１日でっていません。このようなことも「さずです。

終わった、という事例がありました。

くら」で分かってくると考えています。

民間の方の利用も進んでいますの

このプロセスが分かると、人工的─ この記事を見て、会員企業で、多くの分野の研究、ものづくりに光合成を行うための酵素や触媒の会社さまや研究室でも「利用を支える力として、ますます役割をの開発につながっていき、省エネしたいと思っても、費用がかさむ発揮していきたいと思っております。

ルギー社会への実現に向けて大きのでは…」と気になる点が多いな貢献をすることになるのだろうとかもしれません。施設利用の大思います。このように「分からなまかな費用の目安を教えていただい現象」に対して、原子レベルでけますか。の答えを与える手段として重要に

次号「科学の峰々」では引き続き、石川哲也先生“世界最高峰のX線施設「SPring-8」と「SACLA」が開くサイエンスの革新（下）をお話いただきます。

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