放射光第 4 巻第 1 号 (1991 年)

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実験技術 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
放射光パルス利用実験
高エネルギ ー 物理学研究所

田中健一郎••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
1.は じめに検討が始まり，これまでに，3,4 日ずつ程度で基礎科学分野での研究には，静的 (static) な立はあるが試行的な単ノ〈ンチ運転が都合 3 回実施さ場からの研究と.動的 (dynamical)な立場かられた。この間，延べ 7 グループが，蛍光寿命の差の研究がある。前者は，安定な分子や結晶を回折を利用した解剖f生成物の角運動量分布の測定，飛法や分光学的手法で調べ.結合の原子間距離，錯行時間法によるイオンや光電子の分光，核共 I!鳥プ

体の絶対配位，蛋白質の構造など多くの重要な分ラッグ散乱での量子うなりの観測，新しい検出器子や結晶の構造を明らかにしてきた。一方，後者の評価などの研究に利用した。ユーザーの多くにの研究では . 不安定な電子状態や短寿命の反応中とっては，初めての経験であり，間体の直接測定が試みられ， 化学反応やその他の制約があったにもかかわらず，予想以上の成果が高速現象を解明してきた。このような研究で用い得られ，単パンチ運転の威力を実感することがでられた時間分解測定は，古くは，きた。分子科学研究所の UVSOR では，1950年頃からのしかも時間的な1986 年か

希ガス ・ フラッシュランプを用いたマイクロ秒 (μら一週/二ヶ月の割合で単パンチ運転が定着してs) オーダーの実験に始まり，その後，各種パ jレス

おり. PF でも今後.その割合が増えることが予想

レ ー ザ ー の出現によりナノ秒 (ns) やピコ秒 (ps)される。そこで，利用の立場から，放射光のパルさらにフェムト秒 (fs) の領域まで発展し，分子のス特性とそれを利用した時間分解測定技術につい励起，イオン化，エネルギー移動，異性化反応やて，筆者の利用例を交えて紹介する。

緩和現象などの研究が盛んになった 1) 。レーザーは

2. 放射光のパルス 特 性

赤外から可視・紫外領域で非常に有力な光源であるが.真空紫外から X 線領域をカバーできない。

現在では，放射光の発生に(陽)電子蓄積リン

この点.元来パj レス光源である放射光 (SR) は，グが使用される。電子を，長時間，安定にリング後で述べるように，単パンチ述転により，赤外か内の閉軌道上を回し続けるには ， 高エネルギー加ら X 線までの広範囲な領域で優れた特性をもっパ速器技術に負うところが大きく，そこから放出すルス光を発生する。そこで，国内外の放射光施設る放射光のパルス特性の大部分は，加速器の原理

では，通常の SR 利用実験のほかに，パルス特性をで説明することができる 2) 。高エネルギーに加速さ利用した実験のための単パンチ運転を特別に設けれた屯子は.事実上光速度でリング内を周回するているところが多い。

が.一回転する間に .

シンクロトロン放射損失と高エネルギー物理学研ヲ窃月の PF リングにおいて呼ばれるエネルギーを，放射光放出で失う。そのも，昨年より，単パンチ運転についての本格的なため，電子諮問リングには，高周波加速空洞と呼A39‑(C) 1991 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research殺射光30(1991ヰ

ばれる特殊な構造をした電極が取り付けられてお(a )り，電子はいつも，それに印加した高周波電場かその空間を通過する。従って，高思波の周波数は，電子がリングを周回する回転周波数の整数倍〈ンチ数と同じ)が使用され，電子は関軌

主的g 吉川 ω〉忠一ω出ふ損失分のエネルギーを受け取るような位桔で道上の任意の位置を困るのではなし加速周波数で決まる等間隔の安定位置 (RF バケット)を回る。これが，放射光がパルス光となる理由であ。

る。なお，一つのパケット内の電子の集団をパンチと呼ぶ。パンチの数，パンチ間隔は，40soリン

グの周長と高周波の周波数で決まる。 RF リングの場合，周長は 187m ，500.1
MHz の高周波で運転されているので，最大パンチ数は 312 ，パンチ間踊はが，高周波加速電圧や電子電流量にも依存し，PFリングでは，公称値が 100ps である。

hH叩的ωロ器削 ωとお一ω出2ns である。パンチ幅もリング間有のものである

放射光の大部分の利用者にとっては，パルス特性よりも強度を求める場合が多いので，通常は，〈ンにほぼ均等に入れた運転(マルチパンチ運転)が行われる。一方，パルス特性を積極的に利用する実験のためには，電子を特定の単一パンチにのみ入れた運転(単パンチ運転)が行

F
ig.
1.Timepro
fileoft
heSRpuls
efromPFring:a)mu
lti
bunchesmode , b)
singlebunchmode.

われる o PF リングで，このような二つの運転モードで得られた放射光の時間フ。ロファイルを図 1 にでは，関隔 178 ns (編は約 400ps) ，周長 234m の示す。通常のマルチノ〈ンチ運転(図 1 a) では，スタンフォードの SPEAR では，関隔 780 ns (幅パルス関陣 2 ns ，パルス幅 100ps の密集したパル100ps) である。さらに，利用の立場から問題となス列となる。この図で，パルス幅が実際より拡がる特性として，パルスの純度と寿命がある。上述って見えるのは，測定に使用した装置の時間分解のように，単パンチ運転とは，特定の単一パンチ能が400ps 程度のためである。マルチパンチ運転のにのみ電子を入れた運転のことであるが，実際に場合には，すべてのパンチで電子数を正確に揃えは，隣接のパンチにも電子がわずかに入り，いわることは困難である。そのため，図 1 a に見られゆるサテライトパルスとなって純度を下げる。図

るように，パルス毎の強度は不揃いとなる。単パ

1b の主ノ守ルスの隣に観測されている小さなどーンチ運転の場合には，関 1 b に示すように，パルクがこれに棺当しス関臨 624ns ，パルス幅 100ps となり，極めて安定った。通常，サテライトパルスの強度は 1% 程度したパルス光源となる。

であるが，実験の種類によっては，この影響が無〈ンチ運転でのパルス間隔は，リングの局長に比例する。例えば，周長 53. 3m の分子研 UVSOR

この時の強度化は 2% 近くあ視できない場合もある。 UVSOR では，ビームダクト中にスクレ…パーと呼ばれるものを置いて，‑30‑

放射光第ヰ(199131

くンチから飛び出した電子が隣接のパンチに移初の信号だけにタイミングを合わせて計測し時るのを防ぐことにより，サテライトパルスの強度間軸上の一事象として蓄積する。このとストグラをむ .1% 以下に抑えることに成功している 3}O

ムが必要な精度の時間分解スペクトルとなるま

50mA で運転で，励起とヂ…タ蓄積を繰り返すのである。図 2されるのが普通であるが，この特?ーパンチ当りに，一般的に使用されている時間相関単一光子計〈ンチ運転は，ビーム電流 10での電流を，マルチパンチ運転と比べると，20倍にもなる。そのため，10‑ビームダクト内の凹凸数法の構成図を示す。

トリガ一回路 T で発したパルスは 2 方向に分かれ，一方は励起光源を点灯

部での発熱による真空悪化 4) や，ベータトロン振動

し，によるパンチ内の電子同士の笛突に由来するトウ

高変換器 TAC のスタート入力へ送られ，シェク効果 5) のために，作動開始する。一方，励起光パルスは試料 S を励する o

ビームの寿命が著しく低下

PF リンクーの単ノ〈ンチ運転では，ビーム電もう一方は適当な遅延回路 Dl を経て，時間波起して，蛍光を発生する。ここで.

TAC がF1. F2 は励5‑6 時間後， 10mA起光および蛍光を分光するためのフィルターまた近くまで減少したところで入射を行っている。パは分光器である。蛍光は，光電子増倍管 PMT で検ルス光の純度やビーム寿命に関しでは，これを向出され電気パルスとなり，高速アンプ A で増幅さ上する努力が続け与れており 9れる。このパルスは，定比率型ディスクリミネー

流 30mA で実験を開始し，この状況は，逐次タ CFD により，されて行くものと思われる。

PMT やアンプからのノイから弁別され，タイミングのとれた一定波形のパ

3.

パルス特性を用い3. 1.

ルスとなり，適当な遅延回路 D2 を経て，時間分解測定法

TAC のストップ入力に入る。この時点で TAC は時間掃引

時間分解測定法は，パルスレーザーの出現によを停止しスタート信号とストップ信号との時間り，格段に進歩し位相変調法，パルスサンプリ差に比例した波高のパルスを出力する。 TAC の出ング法，時間相関単一光子計数法，同期掲ヲ i スト

力パルスは，アナログ@ディジタル変換器 ADC でリ…クカメラ法など色々な方法が開発され，時間ヂィジタル量に変換され，それに対応した番地

分解能もナノ秒 e ピコ秒からサブピコ秒を達成(時間軸上)に蓄積される。この計数を繰り返ししている1. 6) 。単パンチ運転で得られる SR パルスて，蛍光の減衰曲線が得られる。

は，前述のように，パルス幅 0.1- O.5ns ，間隔 100

この方法で特に注意を要することは，すでに述‑lOOOns の極めて繰り返しの早い(1 0 6 … 10 7 Hz)パルスである。このような SR パルスを励起光として用い，その後続事象の時間分解測定を行う場

合には，上記の方法の中で時間相関単一光子計数法 (Time-correlated S
inglePhotonCounting ,以下，時間桔関計数法と呼ぶ)が最も適している。光，篭子?イオン等の検出に使用する検出器や増幅器には，有限の応答時間と不感時間があるため，励起後の短い時間関臨の間に試料が発するすべての信号に，タイミングを合わせて計数することは鼠難である。時間相関計数jまでは，一回の励起では，励起後ある一定の時間間隠内の一番最

L: 励起光源， T: トリガ一回路， F 1 , F2 :フィルターまたは分光器， S: 実験試料，
PMT: 光電子増倍管， D 1 , D 2 :遅延回路，
A: 高速アンプ， CFD:定比率型ヂィスクリミネー
ター， TAC: 時間波高変換器， ADC: アナログデジタル変換器， M: データ
メモリー

Fig.
2.Schematicdiagramo
faty戸 ical time 問 correlated
singl
ep
hotoncountingtechnique.

‑31‑べたように，(1991 年〉

放射光鎮ヰ32TAC は一回の励起に対して，最初にス断3が同じである限りタイミング点は変動しない。

入った光子しか検出しないので，信号量の多い場
合には，時間軸上の前の部分でのみ TAC が働く確3. 2.

放射光パルスの利用

これまでに行われた，放射光ノぐルス特性を利用率が高くなり，時間軸上のすべての点で計数確率が等価ではなくなることである。これを避けるた

した実験の多くは，時間分解蛍光測定もしくは，めには，一回の励起毎に多くても 0.1個以下の光子飛行時間測定である。

信号が検出されるように調整することである。さたように， .蓄積リングの加速に使用する高周波とらに，時間分解能の高い測定をするためには，次完全に同期している。従って，の点にも留意する必要がある。まず，できるだけは，同期用の信号としてこの高周波信号を利用で応答速度の早い PMT を使用することである。最近きることが大きな特長である。そのほかには，前では，マイクロチャンネルプレート (MCP) 内臓節で述べた一般的な時間相関計数と特に変わるも型 PMT が市販されており，立ち上がり時間，のではない。ここでは，筆者らが最近行った実験

走行時間分布として，それぞれ 150 ps , 55ps を実を例に，その手法を簡単に紹介する。

SR パルスは，2 節で述べこれらの測定で現しているものもある(浜松ホトニクス

図 3 に，使用した実験装置の配罷を示す。国体R2809U) 。また，ディスクリミネータには CFDに光を照射すると，光刺激脱離( Photonを使用することである。 PMT 信号にはパルス波高

Stimulated Desorption , PSD) と呼ばれる現象7)に分布があるので，単純な前縁(リーデ、ィングエにより，イオンやラジカルが飛び出す。この実験ッジ)型を使用すると，デ、ィスク 1) レベルを横切

は，PF のグラスホッパ一分光器からの単色軟 X

る時間軸上での設置がパルス波高により異なり，線を，Hρ や D 2 0 を吸着させた Si(100) 表面に照これによるタイミング誤差が 1 ns を越えることも射し表面から飛び出すイオン種の同定とその収CFD では，パルス波高に対ノレギー依存を調べるものである。図に示して，一定比率にある立ち上がり端の一点、でタイすように，イオンの検出には，前段に加速電極ミングがとられるので，波高が変化しでも，パル(E A ) と長さ 90mm の飛行管 (E TOF ) を置いた二次ある。これに対して，

SEM

500MHz RF
OSCILLATOR

Fig.
3.Schemati
cdiagramofanapparatu
sfo
rphoton 田 stimulated iondesor
ptionexper
iments.
‑32‑(1991433(SEM) を使用した。イオン額の同定た Si (100) 表面に，られたものである。 Si 基板，加速電極，〈ンチ運転での SR パルスを利および選別は，用した飛行時間 (Time720eV の軟 X 線を照射してof Flight , TOF) 法 8)

SEM の先端にはそれぞれ，‑2000 ,で行った。

十 400，TOF 飛-2500 ,3500V 印加した。この図で，横軸は

図 3 の下部に示した計測回路の構成は，前節でイオンの飛行時間に対応するが，時間は図の右側

紹介した時間相関計数法(図 2) と基本的には同から左に経過していることに注意してほしい。こじものである。励起光に SR パルスを使用するこれは，とで，以下の点が異なる。まず，前に述べたようパルスで生成したイオンが検出器に到達した時刻に9から，次の S設パルスが試料にあたる時刻までの時

リング加速に使用している高周波が利用できる。 PF リンクゃの全ノ〈ンチ数は 312f閣であるので，TAC を逆モードで使用しているためで，SRとして記録される。従って，軽いイオンは早高局波を 1/312 に分周して得られる信号は，く検出器に到達し次の S設パルスまでは長い時間な遅延回路を通すことで単パンチ運転でのパルスる。そのため，軽いイオンほど高チャンネ光と完全に同期する。また，その利点、は後で述べル側に観測される。図中で，123ch と 774ch に見ード押で使られる小さなピークは，その間隔が正確に 624ns

TAC のスタートであり，加速電圧を変えても位置が変わらないことする。 SR パとから，試料表面で散乱した励起光と判定でき)1.;スを用いた時間分解実験では，観測する対象にる。破線で示した 123ch のピークは，説明のためよって，種々の検出器が使われるが9その後の計に付け加えたもので，実際には観測されない。こ測回路には，ここで紹介した構成のものを採用しの方法では，測定できる最大時間間隔は，パルスているものが多い。

閤隠 (624ns) で決まり，二つの励起光のピークをるが，ここでは TAC をいわゆる用する。すなわち 9としイオ
ストッ同一画面に観測することは原理的に不可能であ

この方法で測定したイオン TOF スペクトルを国ヰに示す。この結果は，室温で;D 2 0 を 10L 吸着しる。各イオンの飛行時間は，774ch の励起光によるピークを利用して，その時間差から求められる。飛行時間は(質量/価数)且 5 に比例するので，
7000

この関係と加速電圧を変えたときのピーク位置のaccumulatedtim
e1000sec

変化から，501ch に観測される大きなピークは

6000

日+，

388 , 340 ,50000+ ,F+ と同定できた。ここで日十と D -tは，図中229ch のピークはそれぞれ D+ ，内4U00
い立コ

AU1nununu
nunununununu774ch のパルス光で生成したものであるが，F+ は，0+ ともう一つ前のパルス光で生成したものとえられ，飛行時間は，測定値に 624ns を加算して円ぷ解析した。

一殺に，

1000

TAC には，スタート信号を受けてから作動を開始するまでの間と，作動開始後，ストッ。

プ信号を受けるか，ストップ信号が入らず TAC 領
100 200

300 400 500
CHANN 正 L(0.9585

600 700 800

域を最後まで掃引し終わった後，次のスタート信ns/ch)

Typicalion す母子 spectru
mfrombt
ainedbyTACi
nrev
ersemode.
at720eV , oを受け入れる状態が整うまでの間に，不感、(dead) 状態がある。この不感時間は TAC の機種‑33‑

(1991

放射光第ヰ34や TAC 領域の設定値によって異なるが，短くてもaccumulatedtime 1000sec

2400

1μs 程度はある。繰り返しの速い測定では，こ2000の不感時間が開題となる。 SR パルス(高周波の分周信号)の間隔は 624ns であるので，この信号を1600

すAC のスタート信号に，イオン信号をストッ号として使用し(通常モード)，に設定すると，TAC 領域を lμs

TAC は大部分ストップ信号の入ら800ない空掃引を繰り返す(一般に，イオン信号は 100‑1000cps 程度である)。また，一回の掃引に，

400

不感時間を含めて 2μs 程度要する。そのため，。

624ns 間隔の分周信号のすべてで TAC が作動するのではなく，

o34 パルスにー屈の割りで作動す

400

600

800

1000 1200

CHANN 王 L(0.9585 ns/ch)る。これは，イオン信号の 2/3 から 3/4 を無駄

TypicalionτOF spectrumfrom00) 町
at720eV , obtainedby すAむ in normalmode.にすることを意味する。一方，逆モ…ドでの測定

では，イオン信号のすべてで TAC は作動し，200しかも TAC 領域内で確実にストップ信号を受け付ける。この点を比較するために，TAC を通常モード登場しているが，まだー殻的でない。 SCA では，で使用したイオン TOF スペクトルを図 5 に示す。

TAC の出力信号にウインドウを設定することがで通常モードでは，時間はチャンネル数に比例してき，左から右に経過し力があったときに，計数器側へ信号を発生する。

また，同ーゼークを二本以上TAC からそのウインドウに相当する波高の出観測することもできて，時間較正が容易にでき従って ，る。測定条件その他は，図ヰと同じであるが，両間に設定して，その出力信号を一定時間積算する者を比べると，通常モードでのスペクトルの強度ことにより，全イオン信号の中か今日十の信号だけは，予想通り逆モードの約 1/3 となっている。以を選別して計数することができる。また，この方上が，逆モードでの TAC の使用を勧める理由であ法では，複数の SCA を使用することにより，複数る。の領域(イオン撞)の同時計数に発展でき，検出最後に，実験によっては，時間椙関スペクトル

SCA のウインドウを 480ch から 510ch の効率の高い測定が可能となる。

そのものではなく，ある特定の領域だけの計数が必要となる場合がある。ここで紹介した実験で4.

は，励起波長を変えながら，ある特定のイオンおわりに以上，放射光のパルス特性とそれを利用するH つの信号だけを選別して計数する必験手法について述べた。単パンチ運転で得られる要がある。図 3 に示した単チャンネル波高分析器

放射光が，広いエネルギー領域で優れたパルス光

CSingle Channel Analyzer , SCA) と計数器源であり 9 時間分解実験に有用であることは確実

Cscaler) は，そのような目的に使用される。勿である。しかしながら，この特性を十分に活かし480chた研究伊j は，世界的にみて，まだそれほど多くな(例えば，論，波長毎に図 4 のスペクトルを測定し，から 510ch までの面積かち求めることもできる。

い。その理由として，単パンチ運転そのものに，最近では，メモリー数が増大し，また，デ…タ処解決すべき技術的な問題点があったことと，圧倒理能力が向上したことにより，的多数のユーザーがマルチパンチ運転を望んだた

このような方法も‑34‑

(1991ヰ

35めに 9 単パンチ運転に十分な時間を割くことがで

DIET‑rn , ed.byR.
H.
Stu
len andM.L.Knotek

きなかったことが考えられる。最近では，この状(
Springer1988).
.
O.
JonesandV.Rehn, P
hys.
Rev.
8) M. L. Knotek , V

況は改善されつつあり，パルス特性の利用を本格的に考える時期にきているように思われる。これには，偏光特性なと放射光のもつ他の優れた特性と合わせて考えるべきことは，言うまでもなますます S設パルス利用を計画される人々が増え?その方々に，本稿がいくらかでも役に立てればと麟っている。最後になったが，国 1 に使わせて頂いた，放射光の時間プロファイルは，じめ滋野研究室の方々のご協力によるものである。ここに感謝します。

1)ナノ@ピコ秒の化学，化学総説会編，

No.
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2) M.Sands , SLAC-121 , 1
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