光ビームライン

立つ部分と言えよう。先に挙げた XFEL の特徴に加えて、診断結果の利用目的をじゅうぶんに考慮して性能（感度、分解能、精度）を決める必要が1. はじめにある。光診断システムは、光ビームラインの調整

X 線自由電子レーザー（XFEL）の光を安全かつれる。

はもちろん、利用実験や加速器の調整にも利用さ

有効に利用して研究を行うためには、信頼性の高

XFEL の利用実験では、単一パルス光で測定をい光ビームラインが必要となる。光ビームライン

完結させるシングルショット計測が主流となっの第一の役割は、光源より放射された光から実験ている。単一パルス光の短時間露光によって原子に必要な空間領域および波長成分を切り出してや分子の動きによる試料のブレを抑えるためで

エンドステーションまで輸送することである。当ある。写真撮影に例えると、ストロボ撮影で被写然のことながら、安全を保証しつつも光源の長所

体ブレを抑えることに相当する。また、高いピーをなるべく損なわずに輸送することが望ましい。

クパワーの光パルスでは試料が破壊されるため、そのためには、光の特性に適合した光学系を構築

そもそも複数パルス光の照射が不可能な場合もしなければならない。SACLA の XFEL の主な特多い。シングルショット計測を行う上で光診断シ性として以下のものが挙げられる。

ステムに求められる要件として、特に以下の二点（1）短波長（最短 0.06 nm）

を挙げることができる。

（2）30 GW を超える高いピークパワー（1）光診断もシングルショットで行う。

（3）空間コヒーレンスが完全に近い（2）透過型モニターを用いて非破壊診断を行う。

（4）10 fs 程度の短時間パルス

すなわち、各パルス光について強度、空間分布、（5）低い繰返し周波数（最大 60 Hz）

波長などを実験と並行して測定し、実験データの（1）の短波長 X 線を対象としたビームライン光解析に活用する必要がある。特に、SASE 方式の学系については、KEK-PF や SPring-8 に代表さ

XFEL ではパルス毎に特性がばらつくため、非破れる放射光実験施設で長年にわたって蓄積され壊のシングルショット光診断が不可欠である。さた技術を活用することができる[1]。SACLA の場

らに、繰返し周波数の低い XFEL を有効利用する

合も、多くの部分で放射光ビームラインの技術をためには、全ショットについて計測を行うことが踏襲しており、安定な光供給を実現している。

望ましい。

（2）～（4）の特性は従来の放射光源と大きく

光診断は、加速器の調整においても重要な役割異なるもので、特に光学素子の選定に際して配慮を果たす。XFEL 光源の最終産物である光を診断を必要とする。例えば、空間コヒーレンスを損なして加速器の調整を行うことが有効であることわないために、超精密加工を施した光学素子を用は言うまでもない。蓄積リング型の放射光源の場

いて波面の乱れを最小限にとどめる必要がある

合は、基本的に加速器の運転条件は一定である。

[2]。また、高いピークパワーによる光学素子の損

これに対し、XFEL 光源ではユーザーの要求にあ傷も深刻な問題である。損傷が起こるメカニズム

わせて加速器の運転条件を機動的に変更する必が放射光とは異なるため、現在も損傷に関する研要がある。SACLA においては電子ビームの診断

究が続けられている[3]。
（5）については、次で述システムと光診断システムが協調的に働くこと

べる光診断システムを設計するうえで特に重視

によって加速器の迅速な調整が可能になっていすべき特性である。

る。また、定常運転の際にも透過型モニターを利光診断、すなわち強度、空間プロファイル、波長などの光特性の定量的評価もビームラインの重要な役割のひとつである。光診断システムこそ、従来の放射光ビームラインと比べて違いが際用した光のリアルタイム診断が活用され、光の安定供給が実現している。

光学系と診断システムの他に、エンドステーシ

一般化した内容を述べられるほど事例が揃ってョンの常設実験装置もビームラインの一部としいない。従って、このテキストの内容も SACLAて考えることもできる。例えば X 線シャッター、のビームライン（BL3）に特化したものとする。

集光装置、光学レーザーなどが挙げられる。

2. ビームライン光学系

本テキストでは硬 X 線ビームラインに話題を限定し、特に従来の放射光ビームラインとの違いが2.1. 光学系の構成際立つ部分を重点的に記す。第 2 章ではビームラ
イン光学系を概説する。続いて第 3 章でビームラ

SACLA の BL3 の光学系は、スリット、高次高インの光診断システムを解説し、光特性の測定例

調波除去ミラー（平面ミラー）、二結晶分光器なを示す。第 4 章においては先進的な光診断法の例

どの主要構成要素からなる[4]。各光学機器の基礎を紹介し、特に、SASE 型 XFEL の特徴であるスについては多くの文献があるので、興味のある方

ペクトルの微細構造について詳しく述べる。第 5はそれらを参考にしていただきたい[1,5]。Fig.

章は実験ステーションの概説に充て、第 6 章で今1(a)に、BL3 の光学系の配置図を示す。光学系は、後の展望を述べる。

加速器収納部のフロントエンドセクション、光学

なお、現在稼働中の硬 X 線ビームラインは、米ハッチ、実験ハッチにわたって設置されている。

国 LCLS と SACLA に 1 本ずつ存在するだけであフロントエンドセクションには主としてコリる。現時点では、XFEL の光ビームラインとしてメーター、スリット、メインビームシャッターが(a)
SACLA-SPring-8
相互利用実験施設

実験研究棟
光源棟

実験ホール

アンジュレーター収納部

実験ハッチ（EH）

光学ハッチ

EH4

フロントエンド
DCM M2a

ビーム
ダンプ

XFEL
アンジュレーター

S(FE) BWSA GA/GM

M2b

S(TC)

EH1 EH2 EH3

EH5
SR

BW

M1
~100 m

(b)
2.5 m

M1
Incident angle: 4 mrad<7.5 keV
M2a
4 mrad

5.0 m<15 keVM2b
2 mradM1
2 mrad4‒30 keV
20 mm
DCM-17‒524 mrad (-1‒30º)

Fig. 1 (a) SACLA BL3 の光学系配置。S(FE)：フロントエンドスリット。BW：ベリリウム光学窓。
M1, M2a, M2b：高次光除去ミラー。DCM：二結晶分光器。S(TC)：四象限スリット。SA：強度減衰板。GA/GM：強度減衰用ガスチャンバー/ガスモニター。(b) 二結晶分光器および高次光除去ミラーの反射角と適用エネルギー範囲。

設置されている。これらの機器の主な役割は、下に炭素コーティングが施されており、7.5 keV ま

流側における安全の保証と機器保護である。コリ

での光に使用できる。もう一方のミラー対（M1

メーターとスリットによって不要な軸外放射をと M2b）の視斜角は 2 mrad であり、15 keV ま

取り除き、下流の光学系や放射線遮蔽体の負担をでの光に使用できる。

軽減する。メインビームシャッターは光学ハッチ

二結晶分光器は、結晶の Bragg 反射を利用してへの光の入射を制御し、入射に対して安全が確保

特定の波長の光だけを透過させる。したがってバされているときのみ開状態となる。

ンドパスフィルターの役割を果たす。BL3 ではシ

高次高調波除去ミラーや二結晶分光器などのリコン結晶の 111 反射を利用しているため、透過

基幹光学機器は、すべての実験に共通して利用さした光のバンド幅は 10–4（ΔE/E）程度である。

れるため光学ハッチに集約されている。これによ上で述べた基幹光学系に加えて、4 象限スリッ

り各実験ハッチ内の常設光学機器を最小限にとト、真空隔壁用の光学窓、強度減衰板、強度減衰

どめ、実験用のスペースをなるべく広く確保する用ガスチャンバーといった機器も光学ハッチ内ことができる。SACLA で最初のビームラインのに設置されている。また、実験ハッチにも集光用

BL3 では様々な種類の実験が提案されており、まミラーなどの光学機器が常設されている。これら

だ開発途上の実験手法も多い。したがって、実験

は実験ステーションの汎用実験装置と位置付けの汎用性と拡張性を重視したレイアウトとなっることができ、第 5 章で解説する。

ている。
光学ハッチ内のミラーと分光器は、XFEL と同軸に入射してくるガンマ線や高次高調波を除去

Table 1 高次光除去ミラーおよび二結晶分光器の仕様 [6]。

する光学フィルターの役割を担う。BL3 ではミラ

高次光除去ミラーーか分光器のどちらか一方を選択して利用する。

M1

M2a

M2b

DCM

どちらを使用する場合も、入射ビームの光軸から視斜角 /mrad

2, 4

4

2

-17–524c

上方に 20 mm シフトした位置に光が出射される。

適用領域 /keV

<7.5

<7.5

<15

4–30

実験における利便性を確保するためにも、光軸の

出射方向

上方

水平

水平

水平

シフト量は波長や光学機器によらず一定として長さ/mmaいる（定位置出射）[4,6]。BL3 の高次高調波除去

400

400

400

90

幅 /mm

50

50

50

30

基板材質

Si

Si

Si

Si 結晶

Cb

Cb

ミラーと二結晶分光器の仕様を Fig.1(b)と Table
1 に示す。
高次高調波除去ミラーは二枚一組で使用され、全反射条件によって光を選別する。一枚目のミラー（M1）で上方に向けて光を反射させ、等しい
視斜角をもつ二枚目のミラー（M2a または M2b）で光軸を水平に戻す。この際、全反射条件を満た

コーティング
結晶面Si(111)a 光軸と平行な方向。
b コーティング無しの部分（シリコン表面）も利用可。
c -1º –30º

す低い光子エネルギーの光だけが反射されるため、ミラー対がローパスフィルターの役割を果たす。全反射条件を満たす光子エネルギーの上限は視斜角とミラー表面の材質によって決まっており、おおよその値はデータベース等で確認することができる[7]。光学ハッチには視斜角の異なる二組のミラー対が備えられている。一方のミラー対（M1 と M2a）は視斜角 4 mrad で使用する。表面2.2. 光学素子
XFEL のビームラインで用いるミラーや分光結晶などの光学素子の選定にあたっては、特に次のような点を考慮する必要がある。
（1）数十 GW もの高いピークパワーの X 線が入射しても損傷しない材質とする。

（2）密度ムラや表面の凹凸が極力少ない素子を使て、融解の閾値（メルティングドース）を考える。

用し、コヒーレントな XFEL 光の波面を乱さない物質によって大小はあるが、概して 1 eV/atom 程

ようにする。

度である。SACLA の BL3 では、光学窓としてベ

この節では SACLA で使用されている光学素子をリリウム、分光結晶および減衰板としてシリコン例に挙げ、上記の課題について解説する。

を利用している。現状の 10 keV におけるエネル
ギーフルエンスを 0.5 J/cm2 と見積もると、ベリ

2.2.1. 光学素子の損傷

リウムの吸収線量はおよそ 3×10–5 eV/atom、シリ光学素子の損傷を避けるには、素子の材質を適切

コンでは 5×10–3 eV/atom となる（どちらも表面に選定しなければならない。選定の基準のひとつに対して垂直に光が入射した場合の値）。したがが、入射ビームフルエンスに対する吸収線量（ドって、融解の閾値を超えることはない。ただし、ース）である。物質に対して X 線が入射する場合

1 μm 程度に XFEL ビームを集光する場合にはフの吸収線量は以下の式であらわされる。

ルエンスが 5 桁ほど大きくなるので、シリコンはもちろん、ベリリウムでも損傷を受ける可能性が

D

FA
N A

(2-1)

高い。
吸収線量を計算する際に必要となる X 線吸収係

F: X 線ビームのエネルギーフルエンス

数などの情報は、データベースから入手すること

: 物質の X 線吸収係数ができる。特に、インターネット経由で参照でき

A: 物質の平均原子量

るものは便利である。一例として米国 Lawrence

: 物質の平均密度
NA: アボガドロ数(A/NA)は原子数密度の逆数に相当するものでBerkeley National Laboratory のデータベースある。大抵の固体の原子数密度は 1022～1023 cm-3程度であり、物質の種類によって大きな差はなを紹介しておく[7]。

2.2.2. スペックルフリー品質

い。これに対し、X 線吸収係数は物質によって高い空間コヒーレンスを誇る SACLA の光は物質大きく異なる。一般的に軽元素で小さく、重元素

内の微細な構造を鋭敏に映し出すため、試料の高では大きな値となる。例えば、光子エネルギー10

分解能観察にとって非常に有用である。ただ、こkeV における吸収係数は、ベリリウム（原子番号の特徴は、ビームラインの光学素子のわずかな欠4）では 1 cm–1 であるのに対し、銅（同 29）は 2×103

陥をも露見させてしまう。表面の凹凸や密度の濃cm–1 となる[7]。X 線用の光学窓としてベリリウム

淡など、不均一性のある物体にコヒーレントな光箔が利用されるのは、低い吸収係数によるところを照射すると、散乱された光が無秩序に干渉を起が大きい。

こす。結果として透過像や反射像にスペックルパ

ミラーなどの反射光学素子の吸収線量についターンと呼ばれる斑点模様が現れ、実験の妨げにては、反射率を考慮に入れる必要がある。このよなることが多い。スペックルパターンを積極的にうな場合であっても、一般的な傾向として軽元素利用して構造解析をおこなう実験手法もあるが、ほど吸収線量が低くなる。例えば BL3 の平面ミラ

当然のことながら試料以外のものに由来するスーの表面には炭素コーティングが施されており、ペックルは邪魔である。スペックルの発生を抑え

吸収線量が低く抑えられている。

るには、光学素子の表面形状精度と密度の均一性

ここで、BL3 で使用されている素子の吸収線量を見積り、損傷のリスクがあるかどうかを考察してみる。まず、損傷が起こる吸収線量の目安としを高める必要がある。もちろん、ごみの付着、傷、汚れなどは論外である。

光学ハッチ

フロントエンド部
ビーム
ダンプ
SCM1 SCM2 SCM3 BM1 WM
XFEL
S(FE)

SCM4

PD

SCM5

M2b

M2a
M1

SCM (MCP)
SCM6

DCM

SCM7

GM

SCM8

BM2

SA
S(TC)

Fig. 2 BL3 の光診断システムの配置図。SCM：スクリーンモニター。BM：ビームモニター。WM：
波長モニター。PD：フォトダイオード。GM：ガスモニター。SCM(MCP)：MCP 付きスクリーン
モニター。
ベリリウム窓やミラーといった XFEL ビーム（6）MCP 付きスクリーンモニター（強度分布）の輸送に不可欠な光学素子については、SACLA

これらの診断機器では、光軸上に導入された薄膜の建設が始まる前から開発が進められてきたやガスなどを媒体として光をモニターしている。

[2,8]。ベリリウム窓には密度ムラの少ないベリリ

いずれのモニターでも XFEL のパルス毎に測定

ウム箔を用い、スペックルの発生を抑えている。

を行うことが可能である。なお、モニターが不要

このようなベリリウム箔は物理蒸着法（PVD 法）の場合は、媒体を光軸より退避させることができで作製され、さらに表面の平均粗さ（Ra）が 50 nm

る。以下の節ではそれぞれの診断機器の測定原理

以下になるよう研磨されている [8]。ミラーには、と測定結果の例を示す。

elastic emission machining (EEM)法による超精密加工が施されている[2]。これにより表面粗さは0.2 nm (rms)以下にまで抑えられ、スペックルフ

Si PIN フォトダ
イオード

リーの品質を実現している。なお、分光結晶および減衰板としては鏡面研磨されたシリコン結晶

Ce:YAG蛍光板を採用しており、スペックルの発生が抑えられている。

3. 光診断システム
3.1. 診断システムの構成
BL3 の主要な診断機器は光学ハッチ内に集約されており、光学系の調整、実験時の光特性データの取得、加速器の調整などに利用される。Fig. 2に光診断機器の配置図を示す。フロントエンド部
から光学ハッチにかけて 6 種類の診断機器が配置されている。以下にモニターの名称と測定されるパラメーターを挙げる。
（1）スクリーンモニター（強度、強度分布）（2）ビームモニター（強度、位置）（3）波長モニター（中心波長）（4）フォトダイオード（強度）（5）ガスモニター（強度）

XFEL

Fig. 3ホウ素ドープダイ
ヤモンド薄膜スクリーンモニターの模式図。

3.2. スクリーンモニター
スクリーンモニターは、蛍光体を用いて XFEL ビームの空間強度分布を観測するためのものである。ミラーやスリットなどの下流に設置されており、特に光学系の調整の際に利用される。Fig. 3に BL3 の標準的なスクリーンモニターを示す。2種類の蛍光スクリーン（Ce:YAG 板およびホウ素
ドープダイヤモンド薄膜）に加えて、パルスエネ
ルギー測定用のフォトダイオードがセットになっている。これらのモニターが、パルスモーター
駆動の位置決めステージによって光軸上に挿入
される。

1 mm

Fig. 4 ス ク リ ー ン モ ニ タ ー で 観 測 さ れ た
XFEL（10 keV）の空間強度分布。SCM3 のホ
ウ素ドープダイヤモンド薄膜を用いて観測された。
蛍光スクリーンは光軸に対して 45°傾いており、光軸に直交する方向から CCD カメラで蛍光像を撮影できるようになっている。CCD カメラは毎秒 60 フレーム以上の撮像が可能であり、パルス毎に強度分布を記録することができる。2 種類

Fig. 5

ビームモニターの模式図。

3.3. ビームモニターのスクリーンのうち Ce:YAG の蛍光板は感度が高ビームモニターは、光軸上に挿入されたダイヤモ

く、強度の低い X 線の観察に向いている。ただし、ンド薄膜からの後方散乱 X 線をフォトダイオード

X 線透過率が低いため、透過型のモニターとしてで検出し、XFEL パルスの強度と重心位置を測定は利用できない。もう一方のホウ素ドープダイヤ

する[10]。Fig. 5 に示すように、ダイヤモンド薄モンド薄膜は 30 μm 程度の厚さであり、X 線透過

膜の上流側に、光軸を囲む形で上下左右にフォト率が高い。光軸に対して 45°傾けて配置した場

ダイオードが配置されている。上下左右のフォト

合、10 keV の X 線に対して 96%以上の透過率をダイオードからの出力を IU、ID、IL、IR とすると、示す[7]。したがって、透過型のモニターとして利パルスの強度はこれらの合計に比例する。

用でき、例えば実験データと入射光強度分布の相関をパルス毎に調べることも可能である。ただI  I U  I D  I L  I R (3-1)

し、ダイヤモンド薄膜は Ce:YAG 板に比べて感度が低く、微弱な X 線の計測には向かない。Fig. 4

水平方向と鉛直方向の重心位置の変位（それぞれに、ホウ素ドープダイヤモンド薄膜で測定した

x、y とする）については、変位量が小さい場合に

XFEL パルスの強度分布を示す。

以下の比例関係が成り立つ。

蛍光体とともに取り付けられているシリコン
PIN フ ォ ト ダ イ オ ー ド （ 浜 松 ホ ト ニ ク ス 製
S3590-09）により、パルスあたりの強度（パルスxIL  IRIL  IR(3-2)

y

IU  ID
IU  ID(3-3)

エネルギー）を計測することが可能である。ただし、パルスエネルギーがマイクロジュールオーダ
ーの強い光を入射すると出力が飽和してしまう。
ナノジュールからピコジュールのオーダーの弱い光の強度計測に向いている。出力信号の増幅や伝送といった信号処理については、工藤らの論文で詳しく解説されている[9]。

ビームモニターの出力を、強度と変位の絶対量に変換するには較正が必要である。強度については、X 線放射計を用いて較正が行われている[11]。
変位に関しては、光を動かす代わりにビームモニ
ターの筐体を上下または左右に移動させ、単位移動量当たりの出力変化を求めている。Fig. 6 に 10

3.4. 波長モニター

keV における強度のデータを、Fig. 7 に光の変位波長モニターは、ダイヤモンド薄膜（厚さ約 15と位置信号出力（3-2、3-3 式の右辺）の関係を示μm）からの回折 X 線の強度と回折角を測定するす。なお、ダイヤモンド薄膜（厚さ約 15 μm）はことで、入射光の中心波長（光子エネルギー）を

X 線透過率が高いため、透過型のモニターとして求める。前節で解説したビームモニターと同様、利用することが可能である。特に、実験時の入射

ダイヤモンド薄膜の X 線透過率が高いため、透過光強度を測定するためのモニターとして重宝さ型のモニターとして利用できる。

れている。

Fig. 8 に、波長モニターの測定概念図を示す。
ダイヤモンド薄膜と検出器アームに取り付けられた二次元検出器（Multi-port CCD；MPCCD）

パルスエネルギー/μJ

500から構成される。ダイヤモンド薄膜は、平均粒径400

30 nm 程度の微結晶からなる多結晶膜である。こ300の薄膜に X 線が入射すると粉末 X 線回折パターン

200が観測される。すなわち、各反射指数に対応した

100
0

Debye–Scherrer リングが同心円状に形成され
0

200

400

600

800

1000

ショット数

Fig. 6 ビームモニターでショット毎に測定されたパルスエネルギー。光子エネルギーは 10keV。

る。このリングの一部を MPCCD で撮影し、回折角を求める。ここで、指数 klm の Debye–Scherrer
リングについて考える。ダイヤモンド薄膜への入射 X 線と回折 X 線のなす角度を 2θklm、klm 面間
隔を dklm とすると、Bragg の式から X 線の波長（λ）
が求められる。

(a) 水平方向(IR – IL) / (IR + IL)

0.4

λ  2d klm sin θklm

(3-4)

0.2

BL3 の波長モニターでは、反射指数 111、220、

0

311 に対応する Debye–Scherrer リングを用いて

-0.2
-0.4
-2000

-1000

0

1000

2000

重心位置の変位 /μm(b) 鉛直方向(IU – ID) / (IU + ID)

0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
‐2000

‐1000

0

1000

2000

重心位置の変位 /μm

Fig. 7 XFEL ビーム位置の変位に対するビー
ムモニターのの位置信号出力。光子エネルギーは 7 keV。(a) 水平方向。(b) 鉛直方向。

Fig. 8 波長モニターの測定概念図。二次元検出器で Debye-Scherrer リングの一部を観測し、Bragg の式から波長を導出する。

(a) 基本波
Relative intensity /a.u.

(a)

(b)

(b) 第二高調波
5x10

1.0

(c) 第三高調波

-4

3x10

-3

4
3
0.5

2

2
1

1
0.0
7.6

0
7.8

8.0

8.2

15.4 15.6 15.8 16.0

0

23.4 23.6 23.8

Photon energy /keVphoton energy (keV)(c)

Fig. 10 二結晶分光器とフォトダイオードで測定した XFEL のスペクトル。基本波の光子エネルギーは 7.9 keV。(a) 基本波。(b) 第二高
調波。(c) 第三高調波。

9.70
9.65

9.56 ±0.013 keV

3.5. フォトダイオード

9.60
9.55

二結晶分光器からの出射光の強度を測定するた

9.50

めに、分光器の下流側に Si PIN フォトダイオー

9.45
9.40

ドが設置されている。3.2 節で述べたスクリーン
0

5

10

15

20

25

3

30 35x10

pulsesFig. 9 波 長 モ ニ タ ー の 測 定 結 果 。 (a)MPCCD で 観 測 し た 、 111 反 射 のDebye-Scherrer リ ン グ の 一 部 。 (b)Debye-Scherrer リングの断層プロファイル。横軸は光子エネルギーに変換されている。(c) シ
ョット毎に記録された中心光子エネルギー。

モニターに取り付けられているものと同じである。主に、二結晶分光器の視斜角を掃引して入射
光のスペクトルを測定する際に利用される。測定例として、アンジュレーター自発光、XFEL 基本
波（7 keV）、第二高調波、第三高調波のスペクト
ルを Fig. 10 に示す。
3.6. ガスモニター

測定を行っている。Fig. 9(a),(b)に、MPCCD で取得した Debye–Scherrer リングの円弧と断層プロファイルを示す。断層プロファイルをカーブフィ
ッティングしてピーク位置を求め、中心光子エネ
ルギーを導出する。
光子エネルギーをパルス毎に測定した例を Fig.
9(c)に示す。9.6 keV の設定時に 36000 パルスにわたって測定されたデータである。このデータか
ら、平均光子エネルギーは 9.56 keV、標準偏差は0.013 keV（平均値の約 0.1%）と算出される。光

ガスモニターは、アルゴンガスによって散乱された X 線をフォトダイオードで検出し、入射光の強度を測定する。Fig. 11 に模式図を示す。モニター
内は約 1×103 Pa のアルゴンで満たされ、光軸の上下にフォトダイオードが配置されている。両方のフォトダイオードの出力の合計が入射光強度に比例する。Fig. 12 に測定例を示す。ガス充填領
域の長さは約 500 mm であり、10 keV において95%程度の X 線透過率を示す。したがって、透過子エネルギーのばらつきが XFEL のバンド幅

Si PINフォトダイオード（FWHM で 0.5%程度）に比べて十分小さく、
SACLA の加速器の安定性を示すデータの好例でAr 103 Pa
XFEL

d

散乱X線

ある。
d = ~7 mm

Fig. 11

ガスモニターの模式図。

型の強度モニターとして利用できる。なお、こののユニットに限れば、自発放射の光軸は電子ビー

ガスモニターは、入射 XFEL の強度を減衰させる

ム軸に一致しているため、電子ビーム軸も基準軸アッテネーターとしても機能する。

と一致することになる。それぞれユニットについて同様の調整を行うことで、最終的にすべてのユ
ニットにおいて放射光軸および電子ビーム軸を基準軸に一致させることができる。このようにして、アンジュレーター区間全体にわたって光軸と電子ビーム軸を重ね合わせ、SASE 過程による光の増幅を促すことができる。しかも、XFEL 光軸がビームラインの仮想光軸に一致するため、光学系の調整が容易になる。

Fig. 12 パルスエネルギーに対するガスモニ
ターの出力。シンボルが測定データを示す。直線は、一次関数によるフィッティング結果である。
3.7. MCP 付きスクリーンモニター

MCP 付きスクリーンモニターは、アンジュレーター自発放射の空間強度分布を観測し、光軸位置を求める目的で利用される。ただし、自発放射の全スペクトル領域を観測対象とすると、光軸位置を判定しがたい。自発放射の発散角が大きく、観測位置において空間的に大きく広がっている

MCP 付きスクリーンモニターは、蛍光板とそのためである（大ざっぱに、発散角 50 μrad 程度、前に設置されたに MCP を光軸上に挿入し、高い観測点からアンジュレーターまで 100–200 m）。

感度で X 線の強度分布を測定する。3.2 節で解説

そこで、自発放射の光エネルギーと角度分布の関したスクリーンモニターでは検出できない弱い X係を利用し、分光によって光軸に近い部分だけを線ビームにも適用することができる。MCP（micro

取り出す。すなわち、自発放射のスペクトルから、

channel plate）には微小なチャンネルが多数設け

高エネルギー側のエッジ付近を二結晶分光器でられており、それぞれが電子増倍管の役割を果た切り出す[Fig. 13(b)]。このようにして得られた近す。X 線の照射によってチャンネルの内壁から発生した電子は電場で加速され、二次電子を次々と(a)

生み出しながら増倍される。増倍された電子がチ

自発放射

MCP

蛍光スクリーン

二結晶分光器ミラー

ャンネルから放出された後、電場で加速されて蛍(上面図)

光板に衝突する。結果として入射 X 線由来のシグ

CCDカメラナルが増幅され、強度分布を反映した蛍光像が観測できる。Fig. 13(a)に、MCP 付きスクリーンモ(b)10.0 keV

ニターの模式図を示す。他のスクリーンモニター

10.2 keV

1 mm

1 mm

と異なり、入射光に正対する向きに設置される。
される。
MCP 付きスクリーンモニターの主な用途は、
アンジュレーター区間内における電子ビーム軌
道の精密調整である[12]。この調整においては、
マグネットで電子ビーム軌道を調整し、一台のアンジュレーターユニットで発生する自発放射の光軸をビームラインの基準軸に一致させる。単一Intensity /a.u.

蛍光像は、後方に設置されたミラーを介して撮影
1.0
0.5
0.0
9.6

9.8 10.0 10.2 10.4
Photon energy /keV

Fig. 13 (a) MCP 付きスクリーンモニターの模式図。(b)自発放射のスペクトルと分光後に観測される空間強度分布の例。

軸部分の光の強度分布をモニターし、光軸位置を変換によって決まり、SACLA の場合は 10–1 eV求める。なお、Ce:YAG やダイヤモンドのスクリのオーダーである。このようなエネルギー幅の狭ーンモニター（3.2 節）では感度が足りず、観測いスパイク構造まで分解してスペクトルを計測することができない。

するには、高分解能のスペクトロメーターが必要

4. 先進的光診断となる。しかも、スペクトルはパルス毎に変化するので、波長分散型のスペクトロメーターを用いたシングルショット計測が不可欠である。ここで4.1. 絶対強度計測

は、SACLA で開発されたシングルショット高分

強度は最も基本的な光源パラメーターのひとつ

解能スペクトロメーターによる計測について解である。しかしながら、XFEL のような前例の少説する。

ない光の絶対強度を測定するのは簡単ではない。
BL3 に常設されている診断機器では相対的な強波長分散型スペクトロメーターの観測領域は下記の式で表わされる。

度しか測定できないため、信頼できる絶対強度計
による較正が必要である。絶対強度計のひとつとE 

して、放射計が挙げられる。測定原理はシンプルθ  Etan θklm(4-1)

で、X 線を物体に吸収させ、物体の温度の変化分と熱容量から X 線のエネルギーを求める。SACLAΔθ: X 線の発散角の BL3 においては、極低温放射計を利用して絶対

E: 光子エネルギー
θklm: klm 反射の Bragg 角強度を測定した[11]。また、ビームモニター（3.3節）の較正と線形性の評価もこれを用いて行った。Fig. 14 に、ビームモニターの出力と絶対強度

また、エネルギー分解能は次の式で表わされる。

との関係を示す。両者の間に線形関係が成り立っdE
σ 2  L2 ω 2
E
L tan θ klmていることが分かる。

(4-2)

σ: 光源サイズ
L: 光源から検出器までの距離
ω: Bragg 反射のダーウィン幅
スペクトロメーターの観測可能領域について、Si(111)結晶を用いた場合を例に考えてみる。式

Fig. 14 極低温放射計で測定したパルスエネル
ギーとビームモニター出力の関係。

100 m

アンジュレーター

4.2. 高分解能スペクトル計測
SASE 方式によるレーザー発振はマルチモード発

楕円ミラー
85 mm

焦点

XFEL

アナライザー結晶
二次元検出器（MPCCD）

振であり、XFEL のスペクトルは、各モードに相当するスパイクに分解することができる[4]。スパ
イクのエネルギー幅はパルス時間幅のフーリエFig. 15 高分解能スペクトロメーターの測定概念図。

(4-1)において XFEL の発散角（Δθ）を 1.5 μrad

パイク構造が分解されている。

とし、10 keV の場合について計算すると、ΔE = 74

このスパイクの幅は XFEL パルスの時間幅とmeV にしかならない。この観測領域では波長分散関連付けることができる。ただし、計測結果には型スペクトロメーターとして機能しない。観測領

位相情報が欠落しているため、単純にスペクトル域を拡げるためには、XFEL の発散角を大きくす

をフーリエ変換して時間波形を求めることは不る必要がある。SACLA のスペクトロメーターで可能である。そこで、電子バンチ長をパラメータは、楕円ミラーを用いて発散角を拡大し、観測領ーとしたシミュレーションを行い、実験で得られ域を拡げている[13,14]。Fig. 15 に、測定の概念

たスペクトルと比較してパルス幅を導出した。結図を示す。楕円ミラーの一方の焦点はアンジュレ

果を Fig. 18 に示す。Fig. 18(a)-(c)は、電子バンーターの光源点（焦点距離：100m）とし、もうチ長、すなわちパルス時間幅を 3 段階で変化させ一方の焦点距離は 85mm、入射角を 2.7mrad とすた場合に計測されたスペクトルであり、(a)、(b)、ると、発散角を 2.5mrad まで拡げることができ(c)の順に時間幅が短くなっている。時間幅が短くる。この場合の観測領域と分解能の計算結果をなると、スペクトルのスパイク幅が大きくなって

Fig. 16 に示す。楕円ミラーの集光点から検出器まいる。Fig. 18(d)-(f)に、シミュレーションによっでの距離は 3m とした。観測領域を大きくするたて得られたスペクトルを示す。各スペクトルのス

めには低指数面の反射が、分解能を向上させるた

パイク幅は、実験データとよい一致を示していめには高指数面の反射が適している。
(a) Si(111)の計測結果を Fig. 17 に示す。Si(111)の場合は観0x10

測領域が広く、XFEL スペクトルの全体を観測でIntensity (a.u.)

反射指数として Si(111)と Si(555)を用いた場合

3

100
80
60
40

energy range (eV)

9.90

100

(220)

(333) (444)spectral resolution (meV)

(b)

6

60
40

10.00

10.05

10.10

0

-2

-1

0

1

2

Relative photon energy (eV)Fig. 17 高分解能スペクトロメーターの測定結果の例。(a) Si(111) および(b) Si(555)を用いた
場合。

10

1

9.95

Photon energy (keV)

Si (111)

80

20

20

(a)

? E=290 meV

100

120
intensity (a.u.)

きている。Si(555)の場合は分解能が高いため、ス(b) Si(555)
120

8

(555)
10

12

14

photo energy (keV)
1000

Si (111)
(220)

100
(333)
10

(444)
6

8

(555)
10

12

14

photon energy (keV)

Fig. 16 高分解能スペクトロメーターの(a)観測領域と(b)分解能の計算結果。楕円ミラーの集光点から検出器までの距離を 3m、集光点後のXFEL の発散角を 2.5mrad とした。

Fig. 18 電子バンチ長を変化させた際の、スペクトルの変化。(a)–(c) 測定結果。(d)–(f) シミュレーションの結果。

る。以上の結果から得られた XFEL のパルス時間

ステーションは実験ハッチ内部の実験装置群と幅(FWHM)はそれぞれ、(a) 31 fs、(b) 8.9 fs、(c)

ハッチ外の実験制御・データ取得（DAQ; data

4.5 fs であった。

acquisition）の装置群から構成される。データ処理のためのストレージシステムや高性能計算機

5. 実験ステーション

シ ス テ ム （ HPC system; high performancecomputing system）は計算機専用の部屋に集約さ

5.1. 実験ステーションの構成れている。なお、前述のように、全ての実験に共実験ステーションは光ビームラインの終点であ通で用いられる基幹光学機器や診断機器は､光学り、利用実験の舞台となる。SACLA の実験ホーハッチ内に集約されている。実験ハッチの常設機

ルには、光学ハッチの下流に 4 個の実験ステーシ

器は汎用性の高いものだけに限定され、広い実験

ョンが光軸に沿って並んでいる。さらに、5 番目

スペースが確保されている。このスペースに可搬のステーションが、SACLA-SPring-8 相互利用施の実験装置を入れ替えることで、多様な実験に対設に設置されている。2012 年 3 月に供用運転を応できるようになっている。また、以下の部分で開始して以来、コヒーレント回折イメージング

は、各ステーションについて簡単な解説を行う。

（CDI）、時間分解 X 線散乱・回折計測、X 線非線
形光学、微小結晶構造解析など多岐にわたる実験

5.2. XFEL 先進オプティクスが行われている。SACLA の BL3 には以下の 5 種

最も上流側に位置する XFEL 先進オプティクス

類のステーションが設置されており、実験のスタ

ステーションは、XFEL 用光学機器の研究開発やイルに適したステーションを選択できる（Fig.

高度な光診断のために利用されることが多い。実19）。

験ハッチは第一ハッチ（EH1）を利用する。EH1（1）XFEL 先進オプティクスには、ガイドレーザーと回転式シャッター（パル（2）ポンププローブ実験

スセレクター）が常設されている[15]。前者は（3）コヒーレント集光XFEL 光軸と同軸に導入され、装置のアライメン（4）大型装置用ステーション

ト時にガイド光として利用される。パルスセレク（5）XFEL-放射光相互利用

ターはパルスの切り出しのために使用される。こ実験ステーションにおいては、放射線防護壁で囲まれた実験ハッチの中に実験装置が設置され、ハッチの外から遠隔制御される。したがって、各

れらの機器は、下流側のステーションで実験する際にも活用することができる。
5.3. ポンプ・プローブ実験
ポンプ・プローブ実験ステーションにおいては、
XFEL と同期したフェムト秒レーザーを利用して

1. XFEL先進オプティクス

BL3

BL1

時分割計測を行うことができる。フェムト秒レー
ザーの構成図と出力を Fig. 20 に示す。

2. ポンププローブ実験

ポンプ・プローブ実験においては、光学レーザ
3. コヒーレント集光
4. 大型装置用

レーザーハッチ
7m

XFEL-SPring-8
相互利用実験
施設（EH5）ーパルスが試料に到達してから XFEL パルスが到達するまでの時間差（遅延時間）の制御が重要である。まず、加速器と共通のマスタークロックを用いることで、光学レーザーと XFEL を同期させる。さらに、光学遅延ステージによる光路長調

Fig. 19 BL3 の実験ステーション。5 番目のステーションは、XFEL-SPring-8 相互利用実験施設
内に設置されている。

節と電子回路による出射タイミング制御を併用
して遅延時間の調整を行う。現状では調整の分解

(a)

(b)
1000
6
4

Output [J]

2

I
S
SHI
SHS
SFI
SFS
FHI
FHS
SHSFI
SHSFS

100
6
4
2

10
6
4
2

1
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Wavelength [µm]Fig. 20 (a) フェムト秒レーザーシステムの構成図。(b) 発振波長とパルスエネルギー。

能は数百 fs 秒程度が限界である。これは、光学レーザーと XFEL パルスの到達時間差に 100~200
fs（rms）のジッターが含まれるためである。たTable 2 コヒーレント集光ステーションの集光用
ミラーの仕様 [17]。

だし、遅延時間を計測して実験データとともに記

収束方向

鉛直

水平

録しておけば、データ解析の段階で遅延時間順に

表面形状

楕円柱

楕円柱

視斜角 /mrad

1.55

1.50

焦点距離 /m

2.00

1.55

素子の長さ /mm

420

420

素子の幅 /mm

50

505.4. コヒーレント集光

有効ミラー長 /mm

408

410

コヒーレント集光ステーションの実験ハッチ（第開口 /mm

0.632

0.615

三ハッチ；EH3）には集光装置が設置されており、

基板材質

SiO2

SiO2

1 μm（FWHM）に集光された XFEL 光を利用す

コーティングC (50 nm)C (50 nm)データを並び替えることが可能となる。ポンプ・プローブステーションには、10 fs オーダーの分解能で遅延時間を計測できるモニターが整備されている[16]。

ることができる。集光装置では Kirkpatrick-Baez（KB）ミラーが用いられている[17]。KB ミラー

このステーションで実施される実験の代表的の仕様を Table2 に、集光点におけるビームサイ

な例として、CDI 実験のセットアップを Fig. 22ズの測定例を Fig. 21 に示す。

に示す。上流側から集光装置、スクリーンモニタ
ー、試料チャンバー、二次元 X 線検出器の順に並んでいる。試料と検出器との距離は実験条件に応

じて変更され、1 m 以下の近い場合から 3 m 以上両方を利用することが可能である。SACLA 側にの遠い場合があり、場合によっては EH4 に検出

は二段集光装置の後段部分が設置されている。二器を設置し、ハッチをまたいで実験することも珍

段集光装置は二組の KB ミラーで構成され、ミラしくない。

ーと試料間の距離を維持しながら極めて小さい
値まで XFEL ビームを集光することが可能であ
1.0

る。前段の KB ミラーはビームを拡大するように(a) 水平.u.a 0.0x/ 1.0ｭ・・

使用され、後段の KB ミラーにおける開口数を大1 µm (FWHM)

0.5

きくすることができる。開口数を大きくすること
で、小さな集光ビームサイズを実現している。
5.7. 実験制御および DAQ(b) 鉛直SACLA の実験制御および DAQ システムは、加速0.5器と同様、MADOCA（Message And Database
Oriented Control Architecture）をベースにして

0.0
-6

-4

-2

0

2

4

構築されている[18]。制御・DAQ 機器はハッチ外

6

位置 /µmに設置され、どの実験ハッチについても同様な構

Fig. 21 コヒーレント集光ステーションにおける集光ビームサイズの測定結果。金ワイヤー（直径 200 μm）を用いたナイフエッジスキャン
で測定された。
1.5~3 m成としている。これらは、装置の駆動系、モニタ
系、およびデータ収集系で構成されている。
実験装置の機械的な動作は、殆どの場合、ステッピングモーターを遠隔で操作することによって制御される。このため、汎用のモータードライ

集光点

バーとコントローラーが各ステーションに設置されている。
XFEL

X 線用のシリコン PIN フォトダイオード、可視光用 CCD カメラといったモニター類についても、二次元検出器（MPCCD）

試料チャンバー

スクリーン
モニター

集光装置

Fig. 22 コヒーレント集光ステーションにおける CDI 実験のセットアップ例。

汎用機器として整備されている。
DAQ については、シングルショット計測に対応したシステムが構築されている。SACLA から供給される X 線パルスは試料を破壊してしまうほど強力なものである。したがって、単一パルスの5.5. 大型装置用ステーション

照射でなるべく高品質のデータを取得し、試料に大型装置用ステーションは、SACLA の実験ホーに、繰返しが少ない光（最大 60 Hz）を有効活用

ル内で容積の最も大きい第四ハッチ（EH4）を擁している。EH4 のサイズは 7 m×9 m×高さ 5 m

関する情報を最大限に引き出す必要がある。さらするため、全パルスのデータを取得しなければならない。BL3 の各実験ステーションでは、実験でであり、大型装置を利用した実験などに適してい利用される測定機器のデータだけでなく、ビームる。このハッチの上流側には、次節で述べる二段

ラインの診断系で得られた光特性データもパル

集光装置の前段部分が常設されている。

ス毎に取得され、保存される。パルス強度や位置

5.6. XFEL-放射光相互利用ステーションなどのゼロ次元データは、原則として常にデータ

EH5 においては、SACLA の XFEL ビームと量の多いものは、記録が必要な時だけストレージ

SPring-8 BL32XU のアンジュレーター放射光のベースに保存される。二次元画像のようにデータ

システムに保存する。なお、保存されたデータは、SPring-8 や様々な光学レーザーなど、他の光源

パルス毎に番号付けされており、解析時に各種のとの同時利用もますます重要になっていく。実験

データを対応付けることができる。持込みの検出

ステーション、タイミング制御システム、利用実器で取得したデータに対しても、施設側のデータ験装置など、同時利用実験のための整備が進めらと対応させられるよう、共通の番号を発行する仕れている。

組みを整えている。

なお、BL3 とは波長領域の異なる軟 X 線ビーム
ライン（BL1）もすでに完成しており、利用が本

6. 今後の展望格化されようとしている。使用実績が積み重なっ光ビームラインの今後の展開として、主なものをた時点で、BL1 も紹介できることを願っている。

以下に挙げる。
（1）現有ビームラインのアップグレード

謝 辞

このテキストで解説した BL3 の光ビームライ

本テキストの執筆にあたり、波長モニター（3.4ンは、我々が XFEL の光を経験する前に設計され節）および高分解能スペクトロメーター（4.2 節）

たものである。実際に XFEL の光を手にした今とに関する資料を理化学研究所の犬伏雄一博士になっては、改良すべき点が多く見つかってきてい

提供していただいた。

る。さらに、より精度の高い利用実験に向けて、ビームラインのさらなる安定性向上や新規機能

参 考 文 献の追加が期待されている。現在、光学系の最適化[1] 大橋治彦, 平野馨一（編）, 放射光ビームライン
光学技術入門 （日本放射光学会, 2008）

や光診断機器の精度向上などの改良に加え、ビー
ムスプリッターなどの新技術の投入が進められている。

[2] H. Mimura et al., Rev. Sci. Instrum. 79, 083104(2008).

（2）光源のアップグレードへの対応[3] T. Koyama et al., Optics Express 21, 15382 (2013).

ビームラインの改良に当たっては、シード化な
どの光源のアップグレードも見据えておく必要がある。アップグレードの恩恵を利用者が享受するためには、当然のことながら、光ビームライン
も光源に追随して性能を高めていく必要がある。
（3）新規ビームラインの建設
現在建設が進められているビームライン（BL2）には、BL3 で蓄積された経験を反映させることができる。同時に、BL3 との差別化が図られるであろう。BL3 は汎用性と拡張性を重視した標準モデ
ルともいえるビームラインである。様々な分野の研究にバランスよく対応できることが求められ、その役割をじゅうぶんに果たしている。一方、新しいビームラインにおいては、利用目的をある程
度絞り、特定の性能の向上を追求することも可能である。これにより、特定の分野における先進的な研究を推進することが可能となる。
（4）他の光源との同時利用技術の開発[4] 矢 橋 牧 名 , 石 川 哲 也 （ 編 ） , XFEL/SPring-8
Beamline Technical Design Report（理化学研究
所・高輝度光科学研究センター X 線自由電子レー ザ ー 計 画 合 同 推 進 本 部 , 2008 ） ,http://xfel.riken.jp/pdf/XFEL_BL-TDRver1.0.pdf[5] 例えば, 例えば, 大柳宏之（編）, シンクロトロ
ン放射光の基礎（丸善, 1996）[6] H. Ohashi et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.
A 710, 139 (2013).
[7] X-ray Database, The Center for X-Ray Optics,
Lawrence
Berkeley
National
Laboratory,
http://henke.lbl.gov/optical_constants/[8] S. Goto, S. Takahashi, T. Kudo, M. Yabashi, K.
Tamasaku, Y. Nishino, and T. Ishikawa, Proc.
SPIE 6705, 67050H-1 (2007).
[9] T. Kudo et al., Rev. Sci. Instrum. 83, 043108(2012).
[10] K. Tono, T. Kudo, M. Yabashi, T. Tachibana, Y.
Feng, D. Fritz, J. Hastings, and T. Ishikawa, Rev.
Sci. Instrum. 82, 023108 (2011).

[11] M. Kato et al., Appl. Phys. Lett. 101, 023503(2012).
[12] T. Tanaka, S. Goto, T. Hara, T. Hatsui, H. Ohashi,
K. Togawa, M. Yabashi, and H. Tanaka, Phys.
Rev. ST Accel. Beams 15, 110701 (2012).
[13] M. Yabashi, J. B. Hastings, M. S. Zolotorev, H.
Mimura, H. Yumoto, S. Matsuyama, K.
Yamauchi, and T. Ishikawa, Phys. Rev. Lett. 97,
084802 (2006).
[14] Y. Inubushi et al., Phys. Rev. Lett. 109, 144801(2012).
[15] T. Kudo, T. Hirono, M. Nagasono, and M.
Yabashi, Rev. Sci. Instrum. 80, 093301 (2009).
[16] T. Sato et al., J. Phys.: Conference Series 425,
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[17] H. Yumoto et al. Nature Photonics 7, 43 (2013).
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Taketani, T. Wada, and A. Yamashita, Proc. of
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